Акустические системы: типы динамиков (часть 3)

Широкополосные динамики акустики

Широкополосные динамики воспроизводят весь спектр частот, доступный человеческому уху – от 20 Гц до 20 кГц. Но проблема, которая заставила инженеров работать над созданием СЧ, НЧ и ВЧ спикеров, заключается в эффективности работы широкополосников на границах воспроизводимого диапазона частот.

Почему? Для воспроизведения звука очень важно синхронное колебание всей плоскостью диффузора. Для низов (около 40 Гц) его размеры достаточно велики – минимум порядка 300 мм

Но при росте частоты вибрации до верхних границ спектра такой большой диаметр диффузора не будет успевать передавать эти колебания всей своей поверхностью.

Отсюда – необходимость «придумать что-то еще». Так, в частности, для улучшения звучания «верхов» диффузор снабжается дополнительным приспособлением. Оно называется «конус-визер» («рупорок», «дудка») и вклеивается в центр динамика. В то время, как основная плоскость диффузора воспроизводит «низы» при медленных колебания, компактный конус-визер воспроизводит верхние частоты.

Перечисленные слабые места широкополосных драйверов – предмет активного приложения современной инженерной мысли на грани с искусством. Чаще всего они решаются путем поиска и применения различным материалов или их сочетаний, приближающих полноценное звучание всего диапазона аудиосигнала, что способно различить человеческое ухо.

Как правило, по причине отсутствия кроссоверов, акустика с широкополосным драйвером обеспечивает воспроизведения звука в диапазоне 60 Гц – 16 кГц и чувствительностью до 92-95 дБ. Исходя из этих характеристик она идеально дополняет ламповые усилители, в большинстве своем имеющие небольшую мощность. Для этого катушки широкополосных драйверов выполняются с высокими значениями показателей сопротивления. Для всех остальных спикеров акустических систем они варьируются в пределах 2-8 Ом.

Выход из лабиринта

Акустика, вооруженная фазоинверторами и пассивными излучателями, воспроизводит глубокие басы благодаря резонаторам, работающим при посредничестве воздуха внутри АС. Однако кто сказал, что объем колонки не может играть роль низкочастотного излучателя сам по себе? Конечно может, и соответствующая конструкция называется акустический лабиринт. По сути, она представляет собой волновод, протяженностью в половину или четверть длины волны, на которой планируется добиться резонанса системы. Иными словами конструкция настраивается по нижней границе частотного диапазона АС. Конечно использовать волновод полной длины волны было бы еще эффективнее, но тогда для частоты, скажем, 30 Гц, его пришлось бы делать 11-метровым.

Акустический лабиринт — любимая конструкция акустиков-самодельщиков. Но при желании корпуса самой хитрой формы можно заказать и в готовом виде

Чтобы в колонке разумных размеров уместить даже вдвое более компактную конструкцию, в корпусе устанавливают перегородки, формирующие максимально компактный изогнутый волновод, поперечным сечением примерно равным площади диффузора.

От фазоинвертора лабиринт отличается в первую очередь менее «резонансным» (то есть не акцентированным на определенной частоте) звучанием. Относительно низкая скорость и ламинарность движения воздуха в широком волноводе препятствует возникновению турбулентности, порождающей, как мы помним, нежелательные призвуки. Кроме того, в данном случае драйвер свободен от компрессии, повышающей резонансную частоту, ведь его тыловое излучение не встречает практически никаких препятствий.

Схема для расчета корпуса на dbdynamixaudio.com

Бытует мнение, что акустические лабиринты создают меньше проблем со стоячими волнами в комнате. Однако при малейших просчетах в разработке или изготовлении, стоячие волны могут возникнуть в самом волноводе, который, в отличие от фазоинвертора, имеет куда более сложную структуру резонансов.

Вообще надо сказать, что грамотный расчет и точная настройка акустического лабиринта — процессы весьма непростые и трудоемкие. Именно по этой причине данный тип корпуса встречается нечасто, и только в АС очень серьезного ценового уровня.

Акустический лабиринт

Плюсы: Не только хорошая отдача, но и высокая тональная точность басов.

Минусы: Нешуточные размеры, очень высокая сложность (читай — стоимость) создания правильно работающей конструкции.

Советы по выбору

Встроенная акустика редко удовлетворяет любителей хорошей музыки. Поэтому некоторые автолюбители заменяют их динамиками внешней установки. При их выборе, следует учитывать следующие рекомендации:

• Колонки по типу звучания бывают высокочастотными, среднечастотными и низкочастотными. Качества и гармония звука будут зависеть от их правильного подбора, сочетания и схемы подключения. Низкочастотники устанавливают в дверях или под сиденьем. «Пищалки» и среднечастотные динамики рекомендуется монтировать в передней части салона авто.
• Размер динамика должен соответствовать диаметру штатных отверстий для установки. Самыми распространенными считаются динамики на 10, 13, 16 см. Чем больше модель, тем глубже звучание.
• Простым монтажом отличаются коаксиальные и широкополосные аудиосистемы.
• Компонентная акустика характеризуется качественным объемным звучанием, но и более высокой стоимостью и сложным монтажом.
• Любителям качественного звука следует выбирать модели с верхним уровнем частотного диапазона не ниже 20000 Гц. Поклонникам басов следует искать колонки с нижним пределом около 40 Гц либо подключать сабвуфер.
• Важным параметром для динамиков считается чувствительность. Желательно, чтобы данная характеристика была в пределах 87-90 дБ.

На выбор влияют и другие параметры, в том числе и форма колонок. Овальные динамики считаются универсальными. Они могут успешно воспроизводить различную частоту.  

Запертый в ящике

С ростом мощности и улучшением параметров усилителей сверхвысокая чувствительность акустики перестала быть главным камнем преткновения, а вот проблемы неравномерности АЧХ, и в особенности правильного воспроизведения басов, стали еще более актуальными.

Гигантский шаг к прогрессу в данном направлении сделал в 1954 году американский инженер Эдгар Вильчур. Он запатентовал акустическую систему закрытого типа, и это был отнюдь не трюк в стиле нынешних патентных троллей.

Патентная заявка Эдгара Вильчура на АС в закрытом оформлении

К тому моменту уже был изобретен фазоинвертор и, понятное дело, к ящику с дном динамик тоже примеряли неоднократно, только вот ничего хорошего из этого не получалось. Из-за упругости замкнутого объема воздуха приходилось или терять существенную часть энергии диффузора, или делать корпус непомерно большим, чтобы снизить градиент давления. Вильчур же решил обратить зло во благо. Он сильно понизил упругость подвеса, переложив таким образом контроль за движением диффузора на объем воздуха — пружину куда более линейную и стабильную, чем гофр или резиновое кольцо.

В закрытом ящике движения диффузора контролируются воздухом — в отличие от бумаги или резины он не стареет и не изнашивается

Так удалось не только полностью избавиться от акустического короткого замыкания и поднять отдачу на низких частотах, но и ощутимо сгладить АЧХ на всем ее протяжении. Однако обнаружился и минорный момент. Выяснилось, что демпфирование замкнутым объемом воздуха приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы и резкому ухудшению воспроизведения частот ниже данного порога. Для борьбы с такой неприятностью пришлось увеличивать массу диффузора, что логичным образом привело к снижению чувствительности. Плюс поглощение внутри «черного ящика» чуть ли не половины акустической энергии, не могло не внести вклада в снижение звукового давления. Одним словом, новому типу колонок потребовались усилители довольно серьезной мощности. К счастью, на тот момент они уже существовали.

Сабвуфер SVS SB13-Ultra с закрытым акустическим оформлением

Сегодня закрытое оформление применяется по большей части в сабвуферах, особенно в тех, что претендуют на серьезное музыкальное исполнительство. Дело в том, что для домашних кинотеатров энергичная отработка самых низких басов часто оказывается важнее динамической и фазовой точности на всем протяжении НЧ-диапазона. А вот объединив относительно компактный закрытый саб с приличными сателлитами, можно добиться куда более правильного звука — пускай и не наполненного сверхглубокими басами, зато крайне быстрого, собранного и четкого. Всё вышесказанное можно отнести и на счет полнодиапазонных колонок, «закрытые» модели которых изредка появляются на рынке.

Закрытый ящик

Плюсы: Образцовая скорость атаки и разрешение в низкочастотном диапазоне. Относительная компактность конструкции.

Минусы: Требуется достаточно мощный усилитель. Сверхглубоких басов на грани инфразвука добиться весьма затруднительно.

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.

Дело — труба

Еще одним способом обуздания противофазного тылового излучения стал фазоинвертор, по-русски буквально «разворачиватель фазы». Чаще всего он представляет собой полую трубку, смонтированную на передней или задней поверхности корпуса. Принцип работы понятен из названия и незамысловат: раз избавляться от излучения обратной стороны диффузора трудно и нерационально, значит нужно синхронизировать его по фазе с фронтальными волнами и использовать на благо слушателей.

Амплитуда и фаза движения воздуха в фазоинверторе меняются в зависимости от частоты колебаний диффузора

По сути труба с воздухом является самостоятельной колебательной системой, получающей импульс от движения воздуха внутри корпуса. Обладая совершенно определенной частотой резонанса, фазоинвертор работает тем эффективнее, чем ближе колебания диффузора к частоте его настройки. Звуковые волны более высоких частот сдвинуть с места воздух в трубе просто не успевают, а более низкие хотя и успевают, но чем они ниже, тем сильнее смещается фаза излучения фазоинвертора, и, соответственно, его эффективность. Когда поворот фазы достигает 180 градусов, тоннель начинает откровенно и весьма эффективно глушить звук басового драйвера. Именно этим объясняется очень крутое падение звукового давления АС ниже частоты настройки фазоинвертора — 24 дБ/окт.

В борьбе с турбулентными призвуками конструкторы фазоинверторов постоянно экспериментируют

У закрытого ящика, между прочим, на частотах ниже резонансной спад АЧХ куда более плавный — 12 дБ/окт. Однако в отличие от глухой коробки, коробка с трубой в боковой стенке не заставляет конструкторов идти на любые хитрости ради максимального снижения резонансной частоты самого динамика, что довольно хлопотно и дорого. Тоннель фазоинвертора настроить куда проще — достаточно подобрать ее внутренний объем. Это, правда, в теории. На практике, как всегда, начинаются непредвиденные сложности, например, на больших уровнях громкости воздух на выходе из отверстия может шуметь почти как ветер в печном дымоходе. К тому же инертность системы частенько становится причиной падения скорости атаки и ухудшения артикуляции на басах. Одним словом, простор для экспериментов и оптимизации перед конструкторами фазоинверторных систем открывается просто невероятный.

Фазоинвертор

Плюсы: Энергичная отдача на НЧ, возможность воспроизведения самых глубоких басов, относительная простота и дешевизна изготовления (при изрядной сложности расчета).

Минусы: В большинстве реализаций проигрывает закрытому ящику в скорости атаки и четкости артикуляции.

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.

Виды

В зависимости от типа акустика подразделяется на коаксиальную и компонентную. В первом случае обеспечивается удобство монтажа и экономия средств, так как такие системы отличаются более низкой ценой, а во втором достигается более высокое качество звука.

1. Коаксиальная акустика – все динамики заключены в один корпус. Таких динамиков несколько, и они отличаются индивидуальностью звучания с технической точки зрения. Классификация коаксиальной акустики производится на основе того, сколько имеется поддиапазонов. Каждый поддиапазон – отдельный динамик. Меньшие по размеру колонки размещают непосредственно перед диффузором большого.
2. Компонентная акустика – все динамики являются отдельными устройствами, установка которых не ограничена одним корпусом. Качество звучания такой системы зависит от того, как будут расположены динамики в целях оформления акустики. В итоге можно добиться практически идеального звука, если схема расположения реализована оптимально. Выполнение этой задачи отличается определенной проблематичностью, так как формирование звукового ряда производится на основе нескольких частот. Стоимость этих систем выше, но такие расходы оправдывают себя.

Коаксиальная акустика теряет своих почитателей, так как автолюбители на первое место ставят качество звука, что могут обеспечить лишь компонентные аудиосистемы. Это возможно за счет динамиков, отличающихся частотами звука. Например, средние и низкие диапазоны – это мидбасы, а высокие – твитеры. В ряде систем можно видеть, что они оснащены динамиками (один или два), отличающимися большими по размеру тарелками. Их предназначение – низкие частоты.

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.

Рейтинг из 5 лучших производителей звука в машину

В настоящее время рынок акустических систем представлен самыми разнообразными мировыми и отечественными брендами. В связи с этим возникает вполне закономерный вопрос: какому именно производителю отдать предпочтение в выборе той или иной аудиосистемы?

Приведем список наиболее популярных марок аудио оборудования, находящихся на верхних строчках рейтинга.

JBL GT7-96

По результатам проведенных опросов, представленные колонки отличаются высоким качеством исполнения рабочих элементов, чистым звучанием и «хорошим басом». Подлинные аудиофилы по достоинству оценят продукцию данного производителя.

Pioneer TS-650C

Следующим представителем аудиосистем является, полюбившийся многим, Pioneer TS-650C. Двухполосные динамики указанного бренда отличаются высокими эксплуатационными показателями.

При номинальной мощности в 60 Вт., они обеспечивают качественное звуковоспроизведение при использовании всевозможных головных устройств.

Урал AS-C6947

Отечественный представитель Урал AS-C6947 ничем не уступает зарубежным аналогам. Чаще всего данный тип динамиков применяют в качестве альтернативной замены штатных элементов аудиосистемы автомобиля.

Рабочие узлы устройства характеризуются высокой износостойкостью, благодаря использованию прочного гальванического покрытия. При оптимальном соотношении цена-качество, данный производитель получил высокую оценку отечественных автолюбителей.

Alpine SXE-1325S

Еще один бренд, родом из Страны восходящего солнца, — Alpine SXE-1325S. Указанная акустическая система оставляет о себе только самые лестные отзывы.

Благодаря высококачественной сборке, хорошим техническим характеристикам звуковоспроизводящих устройств, продукция представленной компании находится в списке наиболее востребованных брендов на рынке аудиосистем.

KENWOOD KFC-S6966

https://youtube.com/watch?v=T57J8w-vtI8

Заканчивает список производителей еще один японский бренд KENWOOD KFC-S6966. Трехполосная коаксиальная акустика отличается хорошим звучанием. Тем не менее, многочисленные отзывы показывают, что система порой испытывает некоторые трудности при звукопередачи низких частот.

Данная проблема решается установкой сабвуфера. В остальном, работа представленного оборудования не вызывает никаких нареканий.

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.

Динамик для специальной акустической системы

Существует широкий спектр специализированной акустики – всепогодная для эксплуатации в условиях внешней среды, ландшафтная, акустика для помещений с повышенной влажностью или высокой степенью запыленности и так далее. Влага, пыль, интенсивная инсоляция и другие факторы воздействия требуют особых решений. Как правило, к этой категории колонок предъявляются совершенно иные требования. Многие требования, предъявляемые к АС домашних кинотеатров и стереосистем, для специализированной акустики являются неприоритетными.

Исходя из этого, упор в создании динамиков для таких колонок делается прежде всего на их долговечность и надежность. А они достигаются прежде всего внушительными конструктивными изменениями и подбором соответствующих материалов для их изготовления

Также особое внимание разработчиков уделяется поиском и защите наиболее уязвимых элементов.

Вывод

Перед тем, как отправляться за покупкой автомобильных динамиков, надо ответить для себя на пару вопросов:

• какого вида акустическая система необходима?
• каков размер элементов акустики максимально допустим?

Ответ на первый вопрос определяет качество звука, а на второй – возможность монтажа системы.

Если вас интересует качественное и чистое звучание, то не всегда оно обеспечивается только дорогими акустическими системами. Некоторые модели бюджетной акустики звучат вполне пристойно. Что касается мощного и безупречного звука, то это дорого, но того стоит.

Также качество акустического оформления будет зависеть от того, где именно вы установите динамики, но здесь придется поэкспериментировать.