Чем отличается колонка от динамика

Как выбрать колонки – часть 2

Что такое колонка? Традиционное представление – это «ящик, в который вставлены динамики». Подобная картина не так уж далека от истины, но чтобы получить действительно хорошую колонку, одного ящика и динамиков недостаточно. Впрочем, это та основа, от которой попробуем оттолкнуться и мы.

Сохранить и прочитать потом —

Устройство и принцип работы динамика

Устройство динамика

Традиционному динамическому излучателю вот уже лет сто, но на покой он даже не собирается. Конструкция его в целом незатейлива, но имеет массу нюансов. В корзине динамика закреплены магнитная система и диффузор (звукоизлучающая мембрана) со звуковой катушкой, центрирующей шайбой и подвесом. Ток от усилителя проходит через катушку, та заставляет колебаться магнитную систему и прикреплённый к ней диффузор. А тот, в свою очередь передаёт колебания воздуху. Долетая до наших ушей (и не только) эти воздушные колебания (звуковые волны) становятся для нас музыкой, человеческой речью, громовыми раскатами и так далее.

Жёстче и легче

Усилия разработчиков мембран динамиков направлены на достижение одной цели: увеличение жёсткости диффузора и одновременно – снижение его массы. Если диффузор оказывается слишком тяжёл и слишком мягок, он не способен точно следовать за перемещением магнитной катушки. Он просто не успевает полностью отклониться и вернуться, а изгибные колебания порождают призвуки и дополнительное окрашивание звука. При этом крайне желательно, чтобы собственные резонансы были малы либо находились за пределами рабочего диапазона частот.

Классическими материалами для изготовления диффузора считаются целлюлоза для низкочастотных динамиков и шёлк для высокочастотных. Однако сейчас, кроме них, активно применяются и пластик, и металл, и прочая экзотика.

Конструкция диффузора, изготовленного по технологии RDT II

Отдельно стоит отметить гибридные конструкции: например, когда на основу из привычного бумажного конуса крепится алюминиевый полигональный (ELAC Concentro AS-XR). Ещё один вариант «сэндвича» – сотовый арамид с внутренним слоем из углеволокна и внешним из сплава алюминия и магния с керамическим покрытием (Monitor Audio Platinum RDT II). По сравнению с традиционными «однородными» решениями, такая «комбинированная» диафрагма легка, прочна и способна быстрее реагировать на сигнал, не деформируясь.

Классическая конструкция – многополосные колонки

В первой части мы уже говорили о широком частотном диапазоне, который обеспечивает более полное и естественное звучание акустической системы. Воспроизвести его одним динамиком практически невозможно, отсюда и появляются самые различные многополосные конструкции, состоящие из нескольких динамиков, каждый из которых отвечает за свою частотную полосу общей звуковой картины. Однако в таких системах используются разделительные фильтры (кроссоверы), в процессе работы которых вероятно возникновение нежелательного эффекта: динамики разных полос могут начать работать несинхронно, один будет запаздывать относительно другого.

Акустическая система классической многополосной конструкции

Разработки же широкополосного динамика, в которых не нужен кроссовер, пока не дают приемлемых результатов: фактически, ни один из подобных образцов не лишён ограничений как по краям АЧХ (что приводит к искажениям сигнала самых низких и самых высоких частот), так и по перегрузочной способности (возможности колонки адекватно воспроизводить музыкальный сигнал на высокой громкости).

Другой проблемой многополосной конструкции, порождаемой разнесением в пространстве динамиков, воспроизводящих звуковые волны разных диапазонов, могут стать интерференционные волновые искажения (усиление звуковых колебаний в одних точках пространства и ослабление их в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн), знакомые нам ещё по школьному курсу физики.

С этой проблемой помогает справиться коаксиальная конструкция динамика, которая подразумевает расположение твитера на акустической оси вуфера. Её можно назвать неким промежуточным вариантом между обычной многополосной системой и широкополосным излучателем: кроссовер в составе колонки по-прежнему присутствует, а вот источник излучения можно считать точечным.

С учётом возраста концепции динамического излучателя и, как следствие, накопленных в отношении него опыта и знаний, сегодня он – нечто вроде кинескопного телевизора на пороге появления плазмы (ну или как двигатель внутреннего сгорания накануне прихода «Теслы»). Понятно, что новые технологии рано или поздно победят (об этом – ниже), но сейчас они ещё в начале пути, а динамик – на пике формы. Так что если вам нужна громкость и не нужны искажения, вдобавок желательны широкий частотный и динамический диапазоны (разница между самым тихим и самым громким звуками, которые способна воспроизвести система) – то ответ может быть только один: многополосная диффузорная классика.

Что же обычно противопоставляется диффузорному динамику?

Чаще всего – различные плёночные излучатели, в первую очередь – ленточные и электростатические. Металлическая или металлизированная лента имеет крайне низкое сопротивление, поэтому для работы с усилителем ей требуется согласующий трансформатор с широкой АЧХ и малыми потерями, а большая площадь поверхности излучения подразумевает большое количество мощных стержневых магнитов, что существенно увеличивает стоимость готового изделия.

Ленточный твитер в разрезе

Изодинамический излучатель – это вариант ленточного, в нём на пленку нанесена токопроводящая дорожка в форме меандра, за счет длины которой сопротивление вырастает до приемлемых значений. Если же плёнку сложить гармошкой, получится излучатель Хейла, в числе преимуществ которого – большая прочность (за счёт ребер жёсткости) и громкость (по причине большей площади излучающей поверхности). Именно такие ВЧ-излучатели используются в некоторых колонках ELAC: мы в своё время уже писали о твитерах этой компании.

В электростатических излучателях плёнка закреплена между перфорированными статорами, на них подаётся высокое напряжение и возникающее электростатическое поле двигает мембрану.

Акустические системы с электростатическими излучателями

Преимуществом плёночных излучателей является относительно низкая величина нелинейных искажений, а недостатки – сложный характер нагрузки для усилителя, узкая и одновременно дипольная диаграмма направленности, но самое главное – очевидный недостаток НЧ-составляющей. Попытки решить эту проблему гибридными схемами с использованием диффузорного НЧ-звена выявляют ещё одну особенность плёнки: она является линейным источником звука с плоским фронтом волны. Динамик же – точечный источник со сферическим фронтом. В первом случае имеем падение уровня звукового давления при удвоении расстояния на 3 дБ, во втором – на 6 дБ.

В природе существуют и гораздо более экзотические излучатели – например, роторный сабвуфер или ионофон. Но их специализация – узкие диапазоны АЧХ. Да и используются в серийных продуктах они крайне редко.

Поэтому мы переходим к акустическому оформлению.

Звуковая волна, которую мы слышим, возникает благодаря колебанию диффузора динамика. Для правильного воспроизведения требуется, чтобы для всех слышимых частот звуковое давление было одинаково. Однако принципиальная проблема всех динамиков заключается в том, что они излучают звук как вперёд, так и назад с одинаковой интенсивностью. Чтобы устранить эту проблему, динамической головке создают акустическое оформление, то есть помещают в корпус.

Пожалуй, самый старый и самый известный тип акустического оформления – это рупор.

Рупор (постоянно расширяющаяся труба) с древних времён был естественным средством усиления звука, обладающим очень высоким КПД. Однако его сечение увеличивается по экспоненте, и чем ниже воспроизводимая частота, тем большим должен быть размер выходного отверстия: уже на 60 Гц потребуется раструб диаметром 1.8 м!

Рупорные акустические системы способны поразить своими габаритами

К тому же, имеет место характерная рупорная окраска звучания, особенно заметная в вокальных партиях. Побороть эти недостатки удаётся только в очень дорогих и громоздких конструкциях.

Так какой же корпус самый правильный?

В идеале – тот, которого нет. Такой вариант называется бесконечным экраном. Он подразумевает, что воздух с тыльной стороны диффузора не препятствует его движению и, в то же время, излучение этой тыльной стороны никак не влияет на излучение фронтальной, находящейся с ним в противофазе. Другими словами, в практической реализации – это закрытый ящик такого объёма, влиянием воздуха в котором при движении диффузора можно пренебречь. А для какого-нибудь солидного вуфера это, поверьте мне, очень и очень немало.

Бесконечный экран и изобарическая схема

Решить эту задачу можно путём установки внутрь корпуса второго НЧ-динамика, аналогичного первому, то есть наружному.

При их параллельном подключении к усилителю нагрузка на тыльную сторону диффузора внешнего динамика будет компенсироваться аналогичными колебаниями внешней стороны диффузора динамика внутреннего. Этот вариант акустического оформления называется изобарическим. Минусы? Динамиков для колонки нужно вдвое больше, и усилителю работать с двумя динамиками вдвое сложнее.

Можно попытаться рассеять излучение тыльной стороны динамика с помощью так называемой трансмиссионной линии –

лабиринта, отделанного звукопоглощающим материалом. Это акустическое оформление также называют четвертьволновым резонатором (вспомните колонки Cambridge Audio R50), по той простой причине, что для эффективной работы до определенной частоты его длина должна составлять не менее четверти длины волны этой частоты, например для заветных 20 Гц это больше 4 м. В этом случае банальный корпус превращается в самое настоящее произведение столярного мастерства с вытекающей из него стоимостью.

В итоге, наиболее доступным оказывается использование порта фазоинвертора,

принцип работы которого отражается в его названии. Установленная в корпус колонки трубка строго рассчитанной длины и диаметра обеспечивает поворот фазы излучения тыльной стороны динамика до его совпадения с фазой излучения фронтальной стороны.

Наиболее распространённые варианты акустического оформления: закрытое (1), фазоинвертор с простым отверстием (2), фазоинвертор в виде трубы (3), лабиринт (4)

Иногда, чтобы минимизировать возможные призвуки воздушного потока через порт, его закрывают пассивным радиатором, то есть фактически – ещё одним динамиком, но без магнитной системы.

Обобщим.

Главный критерий выбора колонок – это качество их звучания, воспринимаемого лично вами. В процессе выбора не должно превалировать мнение продавца или восторженные пассажи журнальных статей.

Все остальные нюансы, изложенные нами выше, важны в том случае, если вы уверены в их правильной для себя интерпретации. Другими словами, можно выбирать колонки исходя, например, из материалов диффузоров или конструкции разделительных фильтров, но только тогда, когда вам однозначно ясно их влияние на то звучание, которое вы ищете.

Естественно, для оценки звучания необходим личный опыт прослушивания той или иной модели. И если ставить перед собой реальные цели, я бы отводил на подготовительный этап две-три недели и закладывал бы в roadmap посещения салонов не более пяти наиболее привлекательных лично вам образцов. Выбор из десятков различных моделей колонок рискует превратиться в бесконечный аттракцион, поэтому имеет смысл изначально задать себе строгие ценовые и функциональные рамки и действовать исключительно в их пределах.

Качество звучания – безусловно, главный, но не единственный критерий оценки. Обязательно обращайте внимание на внешность колонок: ведь эстетическая составляющая также играет важную роль. И гармонично вписывающиеся в интерьер помещения акустические системы с хорошим звуком доставят своему владельцу больше удовольствия, чем отлично звучащие, но нелепо выглядящие образцы.

Ну и очевидно, что колонки сами по себе играть не могут: им необходим подходящий усилитель. Поэтому в ближайшее время мы опубликуем материал, который поможет вам определиться и с его выбором.

Источник

Акустические системы: типы динамиков (часть 3)

В прошлый раз мы разобрались, по крайней мере, в общих чертах, в конструкции динамика. Основные ее элементы — общие для всех типов динамиков, но главное, как всегда, кроется в различиях. О них и стоит рассказать подробнее.

Широкополосник

Частотный диапазон, воспринимаемый человеческим слухом, как уже говорилось, находится в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Логичнее всего было бы иметь такой динамик, который способен воспроизвести его полностью. И такие динамики есть. Они называются широкополосными.

Вопрос в том, насколько качественно они способны работать в крайних значениях частот этого диапазона. Дело в том, что для эффективного воспроизведения низких частот диффузор классического динамика должен иметь достаточно большие размеры. Например, для частоты 40 Гц его диаметр должен быть около 30 см. Это достаточно просто реализовать.

Широкополосный динамик ScanSpeak 10F/4424G00

Но на высоких частотах такой диффузор попросту не сможет «успевать» передавать колебания всей своей поверхностью. Именно поэтому чаще всего широкополосные динамики являются результатом компромисса.

Для качественного воспроизведения верхней части частотного диапазона в центр диффузора широкополосника зачастую вклеивается дополнительный высокочастотный диффузор — «рупорок» (конус-визер, «дудка»), который способен воспроизводить «быстрые» колебания в то время, как основной, большой диффузор работает гораздо медленнее.

Применяемые в аудиофильских системах широкополосники — предмет серьезных инженерных разработок, граничащих с искусством. Здесь используются материалы с максимально возможными параметрами, ноу-хау, позволяющие все-таки получить полнодиапазонный драйвер.

Широкополосный динамик Lii Audio 2PCS Fast-10

Наиболее проблемным для широкополосного динамика является воспроизведение крайних частот слышимого диапазона. Если широкополосник способен работать в диапазоне 60–16000 Гц с неравномерностью ± 10 дБ — это уже неплохой результат.

При этом в связи с простотой конструкции и отсутствием фильтров (кроссоверов) акустическая система с широкополосником способна демонстрировать высокую чувствительность — от 90–92 дБ и выше. Это делает колонки с широкополосными динамиками особо востребованными среди любителей ламповых усилителей, имеющих, как правило, ограниченную мощность.

В связи с этим голосовые катушки таких широкополосников обладают повышенным сопротивлением. Общепринятые значения для всех остальных динамиков, предназначенных для установки в акустические системы — от 2 до 8 Ом.

Кроме того, именно широкополосный динамик максимально приближен по своим параметрам к точечному источнику звука — идеальному акустическому объекту с точки зрения его локализации. Направление на источник в таком случае определяется слушателем максимально точно. Такой излучатель позволяет создать самую точную стереосцену (звуковую сцену), поскольку источник звука в стереоканале — всего один и он имеет минимальную площадь.

С другой стороны, простейшая колонка с широкополосником — самое дешевое решение, но говорить о полнодиапазонном воспроизведении в этом случае не приходится.

Твитер

Понятно, что, если трудно воспроизвести весь диапазон одним излучателем, есть смысл разделить этот диапазон на несколько частот, в каждой из которых будет работать отдельный динамик. За верхние частоты в этом случае отвечает твитер (пищалка).

Этот динамик должен иметь диффузор (мембрану) небольшой площади, но достаточно жесткий и максимально легкий, ведь полоса излучения твитера, в большинстве случаев, не ниже 1,5 кГц. Среди динамиков наибольшее распространение получил купольный твитер. В нем центральное тело диффузора или элемент, который в полноразмерном динамике называется пылезащитным колпачком, занимает практически всю площадь излучающей поверхности.

Твитер колонки Apple HomePod

Мембрану купольного твитера чаще всего делают из ткани с пропиткой, повышающей ее жесткость. Применяют и более жесткие материалы, лучшим из которых по праву считается бериллий.

Важный параметр твитера — это частота его собственного резонанса. Разработчики стремятся к тому, чтобы она находилась ниже полосы его воспроизведения. В этом случае пищалка звучит максимально точно. Дело в том, что на частотах, близких к резонансу, комплекс усилитель-динамик начинает работать некорректно, «идет в разнос», и система становится плохо управляемой.

Результат — искажения, причем в той частотной области, в которой наш слух к ним особенно чувствителен. Выход оказался прост: кроссовер — устройство, ограничивающее частотный диапазон работы твитера, «обрезает» частоты его собственного резонанса, расположенные ниже рабочего диапазона твитера, который начинается, как правило, от 2–3 кГц.

Твитер с алмазной мембраной Seas Excel E0100-04

Второе требование к твитеру — повышенная верхняя граничная частота воспроизведения. В оптимальном случае она должна превосходить верхний частотный порог слышимого диапазона, т.е. быть выше 20 кГц. Казалось бы, зачем выше, если на этих частотах мы уже не слышим ничего?

Расширенный вверх предел частотного диапазона позволяет твитеру воспроизводить так называемые верхние гармоники, формируя максимально точное звучание высоких частот. До какого предела должен иметь возможность работать твитер — а зачастую высказываются мнения о величинах в 40, а то и в 60 кГц — вопрос, являющийся предметом дискуссий.

Названные два требования к конструкции твитера являются взаимоисключающими. Для понижения резонанса необходимо делать мембрану большего размера и веса, а для повышения верхней границы АЧХ — наоборот. Выход — максимальное соотношение жесткости и массы мембраны твитера, за которое и идет технологическая борьба.

Среднечастотный динамик

Динамик, который играет средние частоты (его еще иногда называют мидренч или, правильнее, мидрейндж — этот термин, от английского midrange speaker, пришел из автозвука), обычно наиболее близок по конструкции к классическому динамику. Важно, что этот динамик воспроизводит именно тот диапазон частот, в котором располагается человеческий голос и на котором наш слух особенно чувствителен к искажениям.

Пример поведения динамика, замеры получены лазерным интерферометром

Ахиллесовой пятой среднечастотника является эффект появления специфических деформаций диффузора — так называемой изгибной волны, когда периферическая область диффузора не успевает за движениями центральной зоны, где крепится голосовая катушка. То есть разные зоны диффузора (кстати, расположенные, как правило, пятнами, а не концентрически, как следовало бы из логики процесса) колеблются не синфазно — одни участки отстают от других.

Звучание становится «рыхлым», неточным. Значит, диффузор должен быть максимально жестким. Если решать проблему в лоб — получим действительно жесткий диффузор, который будет весить так много, что не сможет звучать. Поэтому, как и в твитере, и в широкополоснике, в конструкции диффузора заложен сложнейший компромисс — между жесткостью и легкостью.

Среднечастотный драйвер Morel SCM 634 с карбоновым диффузором

Для колонок высокого класса конструкция диффузоров — важнейший момент. В экзотических вариантах среднечастотники (так же, как и твитеры, но гораздо реже) получают диффузор из бериллия. Но гораздо чаще в среднечастотниках можно видеть диффузоры из композитных материалов на базе углеволокна, стекловолокна, кевлара, древесного волокна или классической целлюлозы.

НЧ-драйвер

Низкочастотный динамик часто еще называют вуфером. Для практически любого класса акустических систем вуфер, естественно, является самым большим по площади излучателем. Для низкочастотника предпочтительным является полностью поршневой режим работы, когда диффузор движется возвратно-поступательно, как единое целое.

Здесь проблема решается еще более радикально, чем в случае со среднечастотным драйвером. Диффузор делают максимально жестким, даже за счет его утяжеления. Дело в том, что на низких частотах наш слух наименее чувствителен к искажениям. И в случае, когда для диффузора вуфера прежде всего важна амплитуда колебаний, ради жесткости идут на увеличение веса.

24-дюймовый басовый динамик в сабвуфере Pro Audio Technology

Масса подвижной системы многих крупных сабвуферных динамиков может достигать 200 г и более. Диффузоры в некоторых случаях получают пространственную конструкцию наподобие самолетного крыла из многослойного композита с заполнением внутренних полостей легкими ячеистыми или сотовыми структурами.

Для аудиофильских систем массу диффузора низкочастотного драйвера по-прежнему стараются минимизировать, поскольку натренированный слух не любит низкочастотных искажений, равно как и всех остальных.

Причем амплитуда колебаний у вуферов — самая большая среди всех перечисленных динамиков. Для этого они оснащаются так называемой длинноходовой (удлиненной) голосовой катушкой. Внешний подвес делается из резины. Все это позволяет диффузору иметь очень большую экскурсию — так называют смещение диффузора от центральной точки.

18-дюймовый басовый вуфер JBL

Особенно ярко «порода» низкочастотного динамика проявляется в драйверах, которые устанавливаются в сабвуферы. Это тяжелое, мощное устройство диаметром от 8 до 15 дюймов (наиболее часто применяемый в пользовательской АС диапазон размеров). Они имеют очень мощные магнитные системы и, в связи с этим, немалый общий вес. При этом в низкочастотных драйверах, работающих от мощных полупроводниковых усилителей, часто устанавливаются катушки минимального сопротивления — 2, а то и 1 Ом.

Коаксиальные драйверы

В двух- трехполосной колонке твитер, среднечастотник и низкочастотный динамик устанавливаются отдельно, то есть, они разнесены в пространстве. Это является серьезным недостатком. Наш слух, который легко определяет направление на источник звука, бывает обманут тем, что средние частоты и высокие частоты поступают практически из разных точек.

Направление на низкочастотный излучатель определить труднее, но тем не менее его удаленность также вносит свою лепту. В результате, такая геометрия колонки ухудшает восприятие стереообраза.

Строение коаксиального драйвера KEF UniQ

Широкополосный динамик, о котором написано выше, просто в силу физики процесса имеет ограничения как по максимальной мощности, так и по частотному диапазону. Кроме того, для широкополосного динамика неизбежна высокая неравномерность АЧХ (выше 10–20 дБ), которую практически невозможно, да и нет смысла компенсировать электроникой либо акустическим оформлением.

Выходом из этой ситуации стал коаксиальный драйвер. На первый взгляд, такой совмещенный динамик выглядит достаточно просто. В двухполосном варианте твитер расположен в центре низкочастотного динамика — традиционные размеры пищалок вполне для этого подходят. Но с инженерной точки зрения такая конфигурация резко затрудняет разработку (расчет) и изготовление подобной системы.

Коаксиальный динамик TAD CST

И это отражается на ее стоимости. Есть варианты, которые позволяют упростить конструкцию: например, размещение твитера перед низкочастотным диффузором на специальном креплении. И все-таки именно «полновесные» коаксиальные системы создают наиболее точный стереоэффект. Поэтому во все времена разные разработчики и компании выпускали коаксиальные драйверы, которые присутствовали в составе их топовых систем.

Специализированные динамики

Воспроизведение звука в условиях, отличных от комнатных, требует применения динамиков, учитывающих эту специфику в свей конструкции. Динамики ландшафтного, шахтного, морского применения должны выдерживать повышенное содержание пыли, способной проникать в магнитный зазор, длительное солнечное излучение, повышенную влажность, воздействие морской соли и других негативных факторов. Для этого в конструкцию вносится серьезные изменения: выбираются материалы, защищаются уязвимые элементы.

Динамики наушников

Для наушников прежде всего пришлось разработать миниатюрные динамики: калибром от 6 до 12 мм для внутриканальных и до 50–60 мм максимум — для накладных моделей. В подавляющем большинстве случаев это широкополосные драйверы. Малый размер облегчает им задачу воспроизведения полного диапазона.

С другой стороны, производство осложняется именно минимальными размерами. Чаще всего диффузор такого динамика сделан из синтетического материала, хотя целлюлоза и другие натуральные волокнистые материалы тоже могут присутствовать. Ввиду требований компактности и низкого веса именно в наушниках наиболее часто используются неодимовые магниты, благодаря которым динамики могут демонстрировать высокую чувствительность — до 120 дБ и выше.

Динамик наушников Apple EarPods

Специфика применения требует, чтобы динамики наушников имели повышенное сопротивление. И если звуковые катушки динамиков акустических систем имеют сопротивление от 2 до 16 Ом (чаще всего от 4 до 8), то динамики наушников имеют сопротивление не ниже 16 Ом, а максимальное значение может достигать 600–800 Ом для профессиональных моделей.

В отдельных моделях наушников, даже внутриканальных, могут использоваться раздельные динамики для разных полос частот — но это редкий случай. Чаще встречается совместное применение излучателей разных типов — динамических и арматурных.

Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Источник