Магия звука с точки зрения физики: устройство динамика и всё, что полезно знать о динамиках

Что такое динамик?

Динамик — это самый популярный звукоизлучатель из всех существующих. Его можно найти практически везде: в телевизорах, мобильных телефонах, планшетах, портативных компьютерах, наушниках, фотоаппаратах и т. д. Конструкция динамика, о которой мы подробно расскажем немного позже, проста как пять копеек. Как и любое другое устройство, она имеет свои плюсы и минусы. К достоинствам такой конструкции относятся:

1. Хорошая передача низкочастотных звуков.
2. Разнообразие размеров и форм.
3. Надежность.
4. Простота.

Но, как мы уже и говорили, здесь есть и свои минусы:

1. Частые искажения сигнала.
2. Нелинейность частотного отклика системы.

Появление динамика

С началом активного использования электричества появилась возможность передавать звуковой сигнал, преобразуя его в электрический и обратно. В разное время изобрели много способов этого преобразования. Среди них — электродинамический, электростатический, изодинамический, ленточный, излучатель Хейла, пьезо и даже плазменный излучатель.

Они работают на разных физических принципах, различаются спецификой применения. Но самым первым все-таки было устройство, реализующее электродинамический принцип. Оно и остается самым распространенным. Динамик, электродинамическая головка, динамический драйвер — все эти термины являются синонимами к одному и тому же изобретению.

Слева — Ханс Эрстед. Справа — первая коммерческая версия электродинамического излучателя (6-дюймовый динамик, стоимость — около $3000 в современном эквиваленте)

Физические принципы, на которых работает динамик, основаны на электромагнетизме, открытом Хансом Эрстедом и описанном впоследствии целой плеядой физиков 19-го века. Тот факт, что проводник с током выталкивается магнитным полем, а в проводнике, движущемся в этом поле, наоборот, возникает ток, собственно, и привел к изобретению динамика.

Первое устройство, в котором применены все основные конструктивные принципы современного динамика, было запатентовано в 1898 году Оливером Лоджем после приблизительно тридцати лет самых разных попыток нащупать эффективный способ реализации. А сам динамик, в том виде, к которому мы все привыкли, появился спустя еще приблизительно тридцать лет.

С тех пор принципы его работы и основные элементы конструкции остаются неизменными. При этом, — вот что особенно удивительно, — не проходит и года без информации об очередном революционном усовершенствовании динамика, позволяющего ему работать еще лучше.

Как работает динамик?

Каким образом проходит звук через динамик? Кто-то может подумать, что принцип работы динамика очень сложен, но, на самом деле, его можно объяснить простыми и понятными всем словами.

Все мы с детства знаем, что если поднести друг к другу два магнита, то их противоположные полюса начнут притягиваться. Кто-то может сильно удивиться, но такое явление присутствует и в обычном динамике.

Главной деталью устройства является катушка, на которую намотана проволока. Когда через нее пускают электрический заряд, то в итоге получается электромагнит. Стоит добавить, что полярность получившегося магнита напрямую зависит от того, в какую сторону был пущен разряд.

Второй неотъемлемой частью динамика является постоянный магнит в форме кольца. Вышеупомянутую катушку засовывают в дыру этого колечка, а затем соединяют ее с мембраной всей конструкции. Как правило, в качестве мембраны выступает конус из бумаги или пластмассы.

Данная технология работает и в другом направлении. При раскачивании катушки поле постоянного магнита будет изнутри генерировать электронный разряд, направление которого будет меняться с частотой колебаний.

Контакты катушки принимают ток, его направление меняется под влиянием звуковых частот того или иного музыкального трека. Мембрана «выталкивает» воздух перед собой, таким образом создавая звуковые волны. Чтобы мембрана работала лучше, ее создают в виде конуса.

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.

Устройство динамика

Диффузор

Изначально диффузор делался из целлюлозы — бумаги или картона. Из того же материала выполнялся и пылезащитный колпачок (если он был предусмотрен). Целлюлозные диффузоры очень часто применяются до сих пор. Бумага хороша своим сочетанием легкости и жесткости. Влагоустойчивости, прочности и долговечности ей добавляют с помощью пропитки синтетическими материалами.

В этом смысле хорош пластик, но чисто пластиковый некомпозитный диффузор имеет ряд недостатков. Для их исправления применяются композитные материалы с разнообразными компонентами: от древесных или стеклянных волокон до кевлара или даже графена. Повышенную жесткость имеют металлические диффузоры. Чаще всего они делаются из алюминиевых сплавов.

Одними из лучших параметров обладает бериллий, но, ввиду повышенной стоимости материала и технологий его обработки, такой вариант достаточно дорог. В так называемых купольных высокочастотных динамиках чаще всего применяется ткань с пропиткой, иногда армирующая слой максимально жесткого композита, с жестким наполнителем, вплоть до алмазного порошка.

Важнейшие требования к диффузору — минимум собственных резонансов и максимальная жесткость, при которой становится возможным «поршневой» режим движения диффузора по всей его площади. Эти параметры должны сочетаться с важнейшим требованиям к весу подвижной системы динамика — он должен быть минимальным. Таким образом, качественный диффузор всегда является компромиссом взаимо конфликтующих условий.

Колпачок

Колпачок представляет собой оболочку из синтетики или ткани, основная функция которой – защита динамиков от пыли. Помимо этого, колпачок играет немаловажную роль в формировании определенного звучания. В частности, при воспроизведении средних частот. С целью наиболее жесткого закрепления колпачки делают округлой формы, придавая им небольшой изгиб. Как вы наверняка уже поняли, разнообразие материалов как раз-таки связано с тем, чтобы достичь определенного звучания. В ход идет ткань с различным пропитками, пленки, композиции целлюлозы и даже металлические сетки. Последние, в свою очередь, выполняют еще и функцию радиатора. Алюминиевая или металлическая сетка отводит излишки тепла от катушки.

Краевой гофр

Этот элемент также называют «воротником». Это пластиковая или резиновая окантовка, описывающая электродинамический механизм по всей площади. Иногда в качестве основного материала применяют натуральные ткани со специальным, ослабляющим колебания покрытием. Гофры делятся не только по типу материала, из которого они изготовлены, но и по форме. Самый популярный подтип – полутороидальные профили.

К «воротнику» предъявляют ряд требований, соблюдение которых говорит о его высоком качестве. Первое требование – высокая гибкость. Резонансная частота гофра должно быть низкой. Второе требование – гофр должен быть хорошо закреплен и обеспечивать только один тип колебаний – параллельный. Третье требование – надежность. «Воротник» должен адекватно реагировать на перепады температуры и «нормальный» износ, сохраняя свою форму длительное время.

Для достижения наилучшего баланса звучания в низкочастотных колонках используют резиновые гофры, а в высокочастотных — бумажные.

Шайба

Иногда её также называют «пауком». Это увесистая деталь, расположенная между диффузором динамика и его корпусом. В задачи шайбы входит поддержание стабильного резонанса для низкочастотных динамиков. Это особенно важно, если в помещении наблюдаются резкие перепады температуры. Шайба фиксирует положение катушки и всей подвижной системы, а также закрывает магнитный зазор, предотвращая попадание пыли в него. Классические шайбы представляют собой круглый гофрированный диск. Более современные варианты выглядят немного иначе. Некоторые производители намеренно меняют форму гофр так, что повысить линейность частот и стабилизировать форму шайбы. Такая конструкция сильно влияет на цену динамика. Шайбы изготавливают из нейлона, бязи или меди. Последний вариант, как и в случае с колпачком, выполняет функцию мини-радиатора.

Корзина динамика

Самый распространенный и максимально технологичный вариант корзины, или каркаса динамика — штампованная деталь из мягкой стали. Каркасы небольшого размера могут быть выполнены из пластика. Более совершенное, прочное и, что самое главное, точное в своей геометрии изделие получают методом литья, чаще всего из алюминия, с последующей обработкой на металлорежущих станках.

Важно понимать: чтобы добиться минимального магнитного зазора, звуковую катушку, расположенную в этом зазоре, нужно заставить двигаться, не задевая его краев. Для этого ее движение должно быть идеально соосным магнитному зазору вдоль всей возможной амплитуды колебаний. Расположение катушки в магнитном зазоре должно быть идеально симметричным. Это накладывает высокие требования на точность изготовления и сборки всех частей.

Все компоненты динамика соединяются с помощью клея на специальном оборудовании.

Каждый динамик, согласно примененным в нем материалам и технологиям, размерам, весу, электрическим и механическим параметрам, имеет свое в точности определенное назначение.

Звуковая катушка и магнитная система

Вот мы и добрались до элемента, который, собственно, и отвечает за воспроизведение звука. Магнитная система располагается в небольшом зазоре магнитной цепи и вместе с катушкой преобразует электрическую энергию. Сама магнитная система – это система из магнита в виде кольца и керна. Между ними в момент воспроизведения звука перемещается звуковая катушка. Важная задача конструкторов – создание равномерного магнитного поля в магнитной системе. Для этого производители динамиков досконально выверяют полюса и оснащают керн медным наконечником. Ток в звуковую катушку поступает через гибкие выводы динамика – обычную проволоку, намотанную поверх синтетической нитки.

Характеристики динамиков

Размер акустики

Размер динамика в сантиметрах и/или дюймах. В системах, состоящих из нескольких динамиков, всегда указывается размер самого большого динамика. Чаще всего приобретаются динамики, соответствующие размерам посадочных мест в автомобиле (в некоторых случаях возможна установка динамиков других размеров, но могут потребоваться доработки двери/посадочных мест, либо изготовление подиумов). Существует большое количество типоразмеров динамиков, но чаще встречаются следующие, которые охватывают основной процент ассортимента — 10 см (4″), 13 см (5.25″), 16.5 см (6.5″), 15х23 см (6″х9″), 20 см (8″). Самый популярный размер — 16.5 см (6.5″). Некоторые размеры динамиков свойственны лишь отдельным маркам и моделям автомобилей. При замене динамиков на динамики такого же размера могут потребоваться проставочные кольца. Если к установке планируются динамики с иным, чем штатный посадочный, размером, то стоит заранее уточнить вопрос о возможности такой установки.

Мощность акустики

Существуют различные способы измерения мощности динамиков, так что различные производители могут указывать разные данные. Можно выделить такие стандарты мощности, как DIN, RMS и PMPO. Стандарт DIN демонстрирует ту мощность, на которой динамик может играть долгое время без физического повреждения динамика при минимальных показателях нелинейных искажений. Стандарт RMS показывает максимальную мощность, при которой динамик сможет играть без физического повреждения в течение 1 часа. Стандарт PMPO показывает максимальную мощность, которую способен выдержать динамик без физических повреждений в промежутке менее одной секунды. У дешёвых динамиков производитель старается акцентировать внимание на показателе PMPO, уважающие себя производители не скрывают показатель DIN, но чаще для автомобильных динамиков используется показатель RMS. Также стоит иметь в виду, что мощность динамика не является показателем громкости динамика.

Чувствительность акустики

Под чувствительностью динамика понимают показатель звукового давления при подаче сигнала с определённой мощностью. Обычно измерения проводятся на расстоянии в 1 метр при подаче мощности в 1 Вт и напряжении, соответствующем сопротивлению динамика. Некоторые производители, чтобы завысить показатель чувствительности, могут приводить показатели, которые рассчитаны для других входных данных. Чем выше чувствительность у динамика, тем громче он будет играть при конкретной мощности. Но вряд ли стоит гнаться за максимально высокими показателями чувствительности, так как они характерны для эстрадной акустики (SPL направление), цель которой — максимальная громкость в угоду качеству. Несколько более высокая чувствительность может быть полезна в случае, если динамики не подключаются к внешнему усилителю мощности.

Где используются

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.
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.

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.

Стоимость

Не является неоспоримым фактом, что только дорогая акустика гарантирует качественное звучание. В некоторых случаях высокая оплата берется за бренд. Альтернативой дорогой системы могут стать отдельные динамики по доступной цене, характеризуемые вполне приемлемыми характеристиками. Нижний порог цен коаксиальной акустики, имеющей удовлетворительные параметры, – 1500 руб. Если вы хотите получить по настоящему качественное звучание, то надо настраиваться на ценник от 5000 руб.

Внимание! Чтобы исключить ненужные траты, надо подбирать колонки, которые подходят именно вашей автомагнитоле. Обращайте внимание на ее штатные отверстия, ориентированные на подключение динамиков.

Компонентную акустику дешевле 3000 рублей не стоит рассматривать как возможный вариант приобретения. Качественные системы не могут стоить дешевле 5000–7000 руб. При выборе отдельных динамиков следует иметь в виду, что здесь можно сэкономить. Две колонки, имеющие удовлетворительное звучание, могут обойтись в 2000 руб. За более мощные образцы подобной продукции придется выложить значительно больше.

Затраты на аппаратуру высокого класса обычно укладываются в диапазон 20–30 тыс. руб. Такие системы способны удовлетворить запросы большинства автолюбителей. Те, кто стремится к максимальному качеству звука и готов нести соответствующие траты, должны ориентироваться на профессиональные системы с ценником от 40 тыс. руб.

Помогла ли вам статья?