Плоские излучатели
Следующей популярной технологией громкоговорителей являются так называемые «плоскомагнитные» излучатели. Их чаще называют ленточными или магнитопланарными акустическими излучателями (planar-magnetic transducers).
На самом деле ленточные драйверы являются подклассом планарных (плоских) излучателей.
До этого мы рассматривали конструкции динамиков, у которых есть звуковая катушка, движущаяся в магнитном поле и прикреплённая к диффузору (конусу или куполу).
У аудиоинженеров много лет назад возникла идея сделать саму звуковую катушку излучателем. Если в качестве звуковой катушки взять лёгкую токопроводящую, гофрированную для прочности ленту и поместить её в магнитное поле, а затем пропустить через неё аудиосигнал, то лента начнёт колебаться и излучать звуковые волны. Лента стала выполнять одновременно функции звуковой катушки и диффузора. Так возник ленточный драйвер (см. рис.).
Ленточный твитер
Между постоянными магнитами расположена проводящая лента-излучатель из металла (чаще всего алюминия) толщиной от 5 до 50 микрон. Через неё проходит переменный ток аудиосигнала, и она колеблется, излучая звуковые волны. Это главная особенность ленточного твитера (ribbon tweeter).
Отсутствие «посредников» между звуковой катушкой и излучателем позволяет воспроизводить тончайшие звуковые нюансы и отмечается слушателями как «прозрачность», «легкость», «голографичность».
Однако сопротивление ленты очень низкое. Обычно оно составляет десятки миллиом. Чтобы такой динамик можно было подключить к усилителю мощности, рассчитанному на нагрузку в несколько Ом, ленту подключают через понижающий трансформатор, благодаря которому входное сопротивление ленточного динамика на рабочих частотах становится равным нескольким омам.
Основное отличие ленточных твитеров от планарных и AMT-твитеров — это наличие трансформатора и прохождение аудиосигнала непосредственно через всю ленту.
Во всех других магнитопланарных преобразователях плоская или слегка изогнутая ленточная диафрагма приводится в движение электромагнитным проводником, который прикреплён к задней плоскости диафрагмы в виде прямоугольных сегментов.
В большинстве конструкций мембрана представляет собой тонкий лист пластика, к поверхности которого прикреплены плоские электрические провода (дорожки), обеспечивающие движущую силу. Дорожки или сегменты занимают только часть площади диафрагмы, и поэтому такого рода излучатели принято называть квазиленточными.
Хотя, если честно, многие меломаны и журналисты для упрощения оба типа излучателей называют ленточными, не углубляясь в конструктивные отличия.
Магнитопланарные излучатели
Плоские излучатели также называют преобразователями с линейным источником звука (line-source transducers), так как звук исходит не из одного места (условно точки), как у динамического драйвера, а излучается протяженной мембраной – линией.
Диаграмма направленности ленты меняется в зависимости от частоты. На низких частотах, когда длина ленты меньше, чем длина звуковой волны, лента будет действовать как точечный источник и воспроизводить звук в сфере вокруг ленты, подобно НЧ-динамику с точечным излучателем. По мере увеличения частоты и приближения длины волны к физическим размерам ленты диаграмма направленности будет похожа больше на цилиндр вокруг ленты, чем на сферу.
На очень высоких частотах лента излучает горизонтально, что является преимуществом в помещении для прослушивания: слушатель слышит более прямой звук из панели, который в меньшей степени отражается от стен и потолка. Это создает эффект прямого, направленного на слушателя звука, как на живом концерте, формирует высокоточную визуализацию и передает акустические характеристики концертного зала. Это — отличительная черта плоских излучателей.
Основным техническим преимуществом ленточного привода является его малый вес по сравнению со звуковой катушкой и конусом динамического драйвера. Легкая лента быстро перестает двигаться при отсутствии сигнала и легко начинает движение. Все это позволяет ленточным твитерам лучше воспроизводить высокие частоты, а планарным панелям — точнее передавать все тонкости (транзиенты) музыкальной фонограммы.
Ленточный громкоговоритель монтируется на плоской открытой раме, которая излучает звук как спереди, так и сзади.
Такая конструкция называется дипольным излучателем.
Еще одним преимуществом ленточных конструкций является малый объём занимаемого пространства в комнате, а также отсутствие необходимости компенсации наличия корпуса. Как мы увидим дальше, в главе, посвященной корпусам динамических драйверов, корпус может значительно ухудшить характеристики системы. Бескорпусные плоские динамики позволяют добиваться высокой точности воспроизведения и потрясающей чёткости музыкальных тембров.
На рисунке вверху показан полнодиапазонный квазиленточный громкоговоритель. Чем больше площадь панели, тем глубже низкочастотное расширение. Такие панели отличаются способностью чисто и быстро воспроизводить музыкальные переходы (транзиенты), особенно заметные при воспроизведении акустической гитары, фортепиано и тонкой перкуссии.
Звук появляется и затухает мгновенно, передавая все тонкости восприятия живой музыки.
Мы уже говорили о том, что ленточные панели обладают открытостью, четкостью и быстротой воспроизведения, которых не имеют динамики с подвижной катушкой. Дипольная конструкция создаёт огромное ощущение пространства, воздуха и глубины звуковой сцены (при условии, что эта пространственная информация была зафиксирована в записи).
Отметим, что и ленточные микрофоны транслируют звук открыто и прозрачно, без излишней яркости и резкости.
Однако есть меломаны, которые утверждают, что ощущение глубины, создаваемое ленточными панелями, имеет несколько искусственный образ, не являющийся точной копией живого звука.
Кроме того, отмечается, что планары имеют ряд недостатков: во-первых, это низкая чувствительность — для их работы требуется больше мощности усилителя. Во-вторых, ленточные динамики по своей природе имеют очень низкое сопротивление, которое часто составляет доли ома. Поэтому большинство из них требует в кроссоверах трансформатор, соответствующий импедансу, подходящему для нормальной работы усилителя. Тут качественный и правильно сконструированный трансформатор имеет решающее значение для предотвращения ухудшения звука.
С практической точки зрения ленточные громкоговорители сложнее разместить в помещении, хотя и отмечалось, что объем у них, в принципе, небольшой. Небольшие отклонения в позиционировании в комнате могут изменить качество звучания, в первую очередь из-за дипольной диаграммы направленности. Дипольная схема требует, чтобы ленточники располагались на достаточном расстоянии от стены, и она, в свою очередь, должна быть акустически обработана.
Что касается излучения высоких частот, то планары имеют очень узкую вертикальную дисперсию. Если вы сидите слишком высоко или слушаете стоя, то будете слышать меньше высоких частот. Некоторые ленточные панели имеют на этот случай регулировку наклона для корректировки направленности высоких частот при определенной высоте прослушивания.
Магнитопланары должны использоваться в строго определенном диапазоне частот, так как они имеют резонансную частоту, которая при возбуждении издает звук, похожий на шуршание алюминиевой ленты. Кроме того, нужно принимать во внимание уровень натяжения ленты. Если лента перетянута, она будет воспроизводить меньше звука. Если же она расслаблена, будут слышны искажения, похожие на «обрыв» музыки. Это особенно заметно на записях фортепиано, где музыкальные переходы могут звучать «раздробленными» и искаженными.
Резкое повышение температуры окружающей среды может привести к ослаблению натяжения ленточного драйвера и возникновению описанных искажений. Если у вас возникла такая ситуация, советую обратиться к специалистам за консультацией. Решение может быть очень простым: достаточно повернуть несколько болтов на пол-оборота, и проблема исчезнет.
Ленточные драйверы не обязательно должны быть тонкими и длинными. Различные технологии изготовления лент привели к появлению драйверов, которые избавились от большинства недостатков.
Появилась технология создания гибридных акустических систем, которые используют как ленточные, так и динамические драйверы одновременно. Низкочастотник применяется динамический, а для воспроизведения средних и высоких частот установлены ленточные драйверы.
Гибридный подход дает хороший динамичный бас за относительно небольшие деньги (ленточные низкочастотники стоят гораздо дороже динамических вуферов) и использует преимущества ленты на средних и высоких частотах. Задача гибридной системы — эффективно согласовать работу динамических и ленточных драйверов без слышимых «разногласий» между ними.
AMT - Air Motion Transformers
Разработанный в начале 1970-х годов доктором Оскаром Хайлем (Oscar Heil), «преобразователь воздушного движения» работает совершенно иначе, чем динамические, ленточные и магнитопланарные драйверы.
Диафрагма AMT имеет складчатую форму, подобную мехам. Она перемещает воздух в поперечном направлении, используя металлизированный сложенный лист из полиэтилентерефталатной (ПЭТ) пленки. Диафрагма совершает колебательные движения в магнитном поле, аналогичные тем, которые наблюдаются при работе аккордеона для прокачки воздуха.
Хотя ленточные диафрагмы тоже гофрируются для придания прочности, складки у АМТ гораздо глубже и работают на сжатие и выталкивание воздуха. АМТ попеременно сжимает и расширяет воздух перед собой в ответ на звуковой сигнал.
Название air-motion-transformer происходит из того факта, что воздух выдавливается из складок со скоростью, в пять раз превышающей скорость движения диафрагмы. В результате получается дипольный излучатель с чрезвычайно высокой скоростью отклика, что обеспечивается крайне малой массой полиэтиленовой подложки и гораздо меньшим расстоянием, которое она проходит за каждое «колебание» по сравнению с динамическим излучателем.
Заметное движение каждого изгиба диафрагмы очень мало, но благодаря складчатой конструкции перемещается больше воздуха, чем при использовании обычного конусного или электростатического излучателя с той же площадью поверхности. Для сравнения, стандартная полоса AMT шириной 1 дюйм (25 мм) имеет функциональную площадь излучателя, сопоставимую с круглым динамическим конусом диаметром 8 дюймов (200 мм).
Складчатая конструкция излучателя в сочетании с малым ходом движения означает, что AMT работает как точечный источник звука, аналогичный более крупному излучателю, что, в свою очередь, приводит к меньшему искажению при воспроизведении звука.
Теперь, когда срок патентов истёк, ряд компаний выпускают АМТ по версии Хайля, а некоторые фирмы применяют собственные названия для данной конструкции. Пользователям следует иметь в виду, что производители АМТ твитеров (иногда можно встретить и АМТ среднечастотники) ошибочно называют их «ленточными». Это не совсем честный маркетинговый ход.
Ленточники пропускают ток через всю ленту, а не по металлизированной поверхности пластиковой пленки. Ленточники имеют трансформаторы, а AMT обходятся без них. Ленточные твитеры (ribbon tweeters) часто применяются в АС высокого уровня, поэтому слово «ленточный» стало модным писать на всех АМТ драйверах.
Хочу отметить, что качество воспроизведения АМТ твитеров на самом деле не уступает настоящим ленточникам, и нет смысла вводить покупателя в заблуждение.
Электростатические громкоговорители
Как и в ленточном преобразователе, в электростатическом драйвере используется тонкая мембрана для создания движения воздуха. На этом сходство заканчивается.
В то время как работа динамических и ленточных (в том числе и магнитопланарных) громкоговорителей основана на электромагнитных взаимодействиях, электростаты работают за счёт электростатического взаимодействия.
В конструкции электростатов нет магнитов. Тут всё работает по принципу, аналогичному эбонитовой палочке, которая, зарядившись статикой от натирания кусочком шерсти, притягивает клочки бумаги. Опыт из детства воплощён в конструкции громкоговорителей: тонкая, практически не имеющая веса электропроводящая диафрагма натягивается между двумя неподвижными металлическими сетками или перфорированными листами (статорами). Во время работы динамика диафрагма заряжается постоянным положительным напряжением от высоковольтного источника питания, создавая вокруг себя сильное электростатическое поле (см. рис.).
Статоры, в свою очередь, подключены к усилителю аудиосистемы через повышающий трансформатор. Он преобразует выходной сигнал усилителя в пару высоковольтных сигналов одинаковой мощности, но с противоположной полярностью (фазой). Таким образом, по мере того как заряд на одном статоре становится всё более положительным, заряд на другом становится всё более отрицательным, причём на ту же величину.
Поскольку одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются, положительный заряд диафрагмы будет заставлять её двигаться вперёд или назад в зависимости от заряда статора. Например, если передний статор заряжен отрицательно, а задний — положительно, мембрана будет притягиваться к переднему статору и отталкиваться от заднего, то есть двигаться вперёд.
Чем сильнее заряд на статорах, тем больше смещение мембраны. Таким образом, электростатический преобразователь преобразует электрический аудиосигнал в движение мембраны, создавая звуковые волны в помещении.
Напряжение, используемое в электростатическом драйвере, очень велико. Поляризующее напряжение, подаваемое на диафрагму, может достигать 10 000 вольт. Кроме того, аудиосигнал повышается с нескольких десятков вольт до нескольких тысяч вольт с помощью повышающего трансформатора. Высокие напряжения необходимы для создания электростатических полей вокруг диафрагмы и статоров.
Чтобы предотвратить возникновение дуги — пробоя заряда между элементами, — статоры покрывают изоляционным материалом. Тем не менее, если электростат перегружен, то электростатическое поле отнимает свободные электроны у кислорода в воздухе, делая его ионизированным, что создаёт путь для проскакивания заряда.
Большой уровень громкости даёт больший ход диафрагме и приближает её к статорам, что может породить электрическую дугу. Дуга может разрушить диафрагму, пробив в ней небольшие отверстия. Во влажном климате это является большой проблемой, поскольку влага делает воздух более электропроводным.
Электростатические панели часто делят на несколько панелей меньшего размера, что уменьшает влияние резонансов диафрагмы.
Некоторые модели имеют изогнутую форму для уменьшения на высоких частотах акустического эффекта, который называют лобингом (lobing effect). Данное явление возникает, когда длина звуковой волны меньше размера диафрагмы.
В результате слушатель ощущает неравномерную звуковую картину, сидя перед электростатами.
Гордон Холт, основатель журнала Stereophile, называл это явление «эффектом вертикальных жалюзи» (venetian-blind effect), так как при повороте головы из стороны в сторону тональный баланс меняется быстро и многократно.
Электростатические панели, по сравнению с ленточными магнитопланарами, имеют меньший вес. Это обусловлено меньшим весом конструкции и очень тонкой диафрагмой, которая, в отличие от ленточной диафрагмы, не обязательно должна пропускать электрический ток. Её толщина может быть менее тысячной доли дюйма. Малая масса позволяет диафрагме быстро «включаться и отключаться» от процесса движения, улучшая переходные характеристики.
Электростатическое воздействие распространяется на диафрагму равномерно по всей площади, что делает её менее подверженной разрушению.
Электростаты, так же как и магнитопланары, обладают преимуществом ограниченной дисперсии, что означает меньше отраженного звука, достигающего места прослушивания. Отсутствие корпуса также улучшает звучание электростатов. Поскольку диафрагма установлена на открытой раме, звуковые волны распространяются как вперед, так и назад (дипольная диаграмма излучения). Огромная площадь диафрагмы даёт великолепное воспроизведение инструментальных образов, передавая их чёткость и правильный пространственный размер.
Электростатические громкоговорители подключаются к розетке переменного тока для создания поляризующего напряжения. Поскольку эти панели являются дипольными, их размещение в помещении требует внимания и определенных навыков для достижения качественного звучания. Эти панели необходимо размещать как можно дальше от задней стены, чтобы создать правильную звуковую сцену.
Уровень чувствительности электростатов довольно низкий, что требует большей мощности от усилителя по сравнению с динамическими драйверами. При этом они не будут воспроизводить звук так же громко, как динамические АС, и не смогут выдать глубоких басов.
Но электростаты отличаются особой прозрачностью воспроизведения, деликатностью, быстротой реакции, потрясающей визуализацией и общей музыкальной согласованностью.
Справка
Lobbing – перевод с англ. рассеченность, образование выступов, переменность измерения в зависимости от направленности на объект.
Lobbing Effect– формирование неравномерной диаграммы излучения с областями конструктивной и деструктивной интерференции.
Лобинг возникает в аудиосистемах при наличии двух или более динамиков, воспроизводящих одинаковые частоты и расположенных на определённом расстоянии друг от друга. Он приводит к неравномерному распределению звука и искажению его характеристик вне осевой линии. Когда два динамика воспроизводят одну и ту же частоту, их волны могут интерферировать.
Это происходит из-за разницы в расстоянии до слушателя и длины волны звука. Например, если слушатель находится на одинаковом расстоянии от обоих динамиков, волны могут складываться, увеличивая громкость. Но если один динамик расположен дальше другого на половину длины волны, волны достигают ушей в противофазе, что приводит к их взаимному гашению и снижению громкости.
Эффект часто проявляется в системах с несколькими динамиками (например, в двухполосных системах с мидбасом и твитером), где динамики воспроизводят одни и те же частоты в зоне кроссовера. В зависимости от угла расположения относительно динамиков на некоторых частотах могут возникать максимумы (пики) и минимумы (впадины) громкости.
Слушатель может замечать неравномерное распределение звука и искажение его характера при перемещении относительно динамиков.
Акустические центры драйверов должны быть физически близки, чтобы снизить вероятность лобинга. Размещение высоко- и низкочастотных драйверов как можно ближе друг к другу в горизонтальной и вертикальной осях может уменьшить различия в пути звука и минимизировать лобинг.
