За прошедшие десятилетия было опробовано множество механизмов для приведения в движение мембраны в ответ на электрический сигнал для излучения звуковых волн.
В области воспроизведения высококачественного звука можно отметить три главных принципа возбуждения звуковых волн, которые оказались весьма практичными и закрепились в серийно выпускаемых акустических системах: электродинамические громкоговорители, ленточные преобразователи и электростатические панели.
Громкоговоритель можно также назвать преобразователем, так как он преобразует электрическую энергию в звук.
Термин «электродинамический» можно разложить на слово «электро», что в данном случае говорит о работе переменного тока (сигнала), и слово «динамика», которое часто встречается в описании аудиоустройств, в конструкции которых есть подвижная катушка из проводов, помещенная в магнитное поле. Магнитное поле в громкоговорителях чаще всего создается постоянным магнитом, за исключением редких моделей электромагнитных динамиков, где вместо постоянного магнита использовался электромагнит.
Интересно, что слово «динамический» не прижилось в терминологии, описывающей звукосниматели для виниловых пластинок. Например, MC-головки звукоснимателей принято называть moving coil cartridge, то есть « картридж с движущейся катушкой», игнорируя абсолютно правомерный термин «динамический картридж». Однако вернемся к динамикам.
Электродинамический громкоговоритель
Самой популярной технологией громкоговорителей, без сомнения, является электродинамический громкоговоритель, который для упрощения называют динамическим драйвером (dynamic driver). Эти конструкции легко узнать по их типичным конусам и куполам. Популярность данного механизма обусловлена его многочисленными преимуществами: широким динамическим диапазоном, высокой управляемостью, высокой чувствительностью, относительно простой конструкцией, прочностью и долговечностью.
Динамические преобразователи также называют точечными излучателями (point-source transducers), поскольку звук исходит из определенной точки в пространстве.
В акустических системах часто используется комбинация динамических драйверов разного размера. Низкие частоты генерируются конусами большого диаметра, высокие частоты создают небольшие твитеры, которые имеют тканевый или металлический купол. Средние частоты воспроизводятся среднечастотными динамиками, работающими только в середине аудиоспектра.
Несмотря на различие в конструкции, все эти динамики работают по одному и тому же принципу: электрический ток от усилителя мощности проходит через звуковую катушку динамика, которая представляет собой цилиндр с намотанным на него проводом. Переменный ток создает магнитное поле вокруг звуковой катушки, которое изменяется в зависимости от частоты и амплитуды подаваемого от усилителя аудиосигнала. Катушка, в свою очередь, помещена в магнитное поле, которое создается постоянным магнитом динамика (см. рис.)
При взаимодействии постоянного магнитного поля магнита с изменяющимся магнитным полем звуковой катушки происходит движение катушки вверх-вниз с частотой и амплитудой аудиосигнала. Цилиндр (бобина) звуковой катушки по кругу соединен с конусом мембраны динамика, которая повторяет колебания звуковой катушки, создавая звуковые волны.
На техническом уровне звуковая катушка представляет собой отрезок проволоки, намотанный на тонкий цилиндр, который называют каркасом звуковой катушки (voice-coil former) или бобиной. Бобина прикреплена к диафрагме (конусу или куполу). Электрический ток от усилителя протекает через катушку, которая находится в постоянном магнитном поле. Круговой ток, протекающий через обмотку катушки, создает магнитные силы, которые направлены вдоль оси звуковой катушки.
Аудиосигнал, который имеет природу переменного тока, протекая через катушку, создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем. В зазоре между катушкой и магнитом возникают осевые силы, которые перемещают катушку вперед и назад, повторяя направление переменного тока (сигнала), его частоту и амплитуду.
Чем быстрее меняется направление аудиосигнала, тем быстрее перемещается диафрагма (мембрана) динамика. Динамические громкоговорители часто называют динамиками с подвижной катушкой (moving-coil drivers) по понятным причинам.
Бобины звуковых катушек изготавливаются из немагнитных материалов, например бумаги, каптона, алюминия или номекса.
Каптон (полиамидная пленка): популярный легкий, похожий на пластик материал, способный выдерживать высокие температуры.
Алюминий: обеспечивает превосходное рассеивание тепла, снижая компрессию мощности за счет отвода тепла от катушки, хотя и может создавать вихревые токи.
Nomex: бумага из синтетического термостойкого мета-арамидного волокна, обеспечивающая высокую термостойкость и долговечность.
Бумага/стекловолокно: традиционные материалы, используемые в недорогих или винтажных акустических системах.
Основные функции бобины.
Рассеивание тепла: поскольку катушка пропускает электрический ток и нагревается, бобина действует как радиатор, предотвращая перегорание проволоки.
Конструктивная поддержка: обеспечивает сохранение формы обмотки в пределах магнитного зазора.
Настройка характеристик: различные материалы бобины влияют на жесткость, вес и общее звучание динамика.
фото с сайта www.ldsound.ruЦентрирующая шайба или спайдер. Главная задача спайдера (spider) — центрировать положение звуковой катушки в магнитном зазоре (см. рис. вверху) и обеспечивать её симметричное движение. Всё это важно для сохранения качества звука и предотвращения искажений.
Спайдер снижает нежелательные вибрации и окрашенность звука, контролируя движение диффузора и катушки.
Ранние версии «пауков» имели круглую форму с рёбрами, напоминающими лапы паука (вид сверху). Отсюда и название — «паучий подвес».
Спайдер не должен быть излишне мягким и податливым, иначе это приведет к нестабильной работе диффузора. Если же он слишком жесткий, то это ограничит ход диффузора; при этом он должен быть обязательно жестче верхнего подвеса. Все эти условия следует соблюдать при проектировании спайдера, применяя различные материалы, такие как пена, резина или различные ткани, армированные всевозможными металлизированными элементами и смолами.
Корзина (basket) или рама представляет собой литую или штампованную (для более дешевых моделей динамиков) металлическую конструкцию, которая удерживает все компоненты динамика вместе.
Корзина, как конструктивный каркас, создаёт жёсткую основу для работы динамика, минимизируя нежелательные вибрации и резонансы, которые могут искажать звук. Она фиксирует и центрирует диффузор и магнитную систему, обеспечивая их правильное расположение относительно друг друга. Корзина также выполняет функцию отвода тепла через вентиляционные отверстия.
Диффузор (конус) — это ключевой компонент громкоговорителя, который отвечает за создание звуковых волн при взаимодействии с электрическим сигналом. Это жёсткая или полужёсткая мембрана, которая вибрирует, перемещая воздух и генерируя акустические волны.
Распространенные материалы для изготовления конусов включают бумагу, пропитанную придающим жесткость веществом, пластик, такой как полипропилен, или экзотические материалы, такие как кевлар.
В низкочастотных громкоговорителях диффузоры изготавливаются из металлов (в том числе титана), а иногда из многослойных материалов. Форма, материал, толщина, жёсткость, вес, демпфирование и упругость конуса определяют частотный отклик и характер звучания динамика.
Конус должен быть легким и одновременно жестким.
Более легкий конус обладает меньшей инерцией, что позволяет ему быстрее реагировать на транзиенты и резче останавливаться после прекращения подачи сигнала.
Подвес (surround) — это эластичный элемент, который соединяет диффузор по периферии с корзиной, обеспечивая ему возвратно-поступательное движение.
Подвес предотвращает крутильные и другие виды колебаний подвижной системы, направляя её движение вдоль оси симметрии конструкции динамика. Это очень важный компонент драйвера, который отвечает за снижение нелинейных искажений и улучшает звучание.
Твитеры работают по аналогичному принципу, что и динамические драйверы, но имеют выгнутый куполообразный диффузор вместо вогнутого конуса.
Купола изготавливаются из металлов, тканевых волокон, пластика и композитных материалов. В твитерах используется феррожидкость (ferrofluid) — охлаждающий агент, который отводит тепло от маленькой звуковой катушки, вибрирующей на высоких частотах.
Среднечастотные динамики представляют собой уменьшенную версию низкочастотного громкоговорителя, однако бывают модели, где вместо конусов используются купольные диафрагмы.
