Принцип работы динамика

Электродинамический громкоговоритель – это устройство, преобразующее электрический сигнал в звуковой посредством движения катушки с током в магнитном поле постоянного магнита. С этими устройствами мы сталкиваемся повседневно. Даже если вы не большой поклонник музыки и не проводите в наушниках по полдня. Динамиками оснащаются телевизоры, радиоприемники в автомобилях и даже телефоны. Этот привычный для нас механизм на самом деле является целым комплексом элементов, а его устройство – это настоящее произведение инженерного искусства.

Устройство динамика

Динамик имеет довольно сложную конструкцию и состоит из множества элементов. На схеме устройства динамика (см. ниже) изображены ключевые детали, благодаря которым громкоговоритель функционирует правильно.

Устройство акустического динамика включает в себя следующие составные части:

• подвес (или краевой гофр);
• диффузор (или мембрана);
• колпачок;
• звуковая катушка;
• керн;
• магнитная система;
• диффузородержатель;
• гибкие выводы.

В разных моделях динамиков могут быть использованы разные уникальные элементы конструкции. Классическое же устройство динамика выглядит именно так.

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.

Диффузор

Основным излучающим объектом в электродинамике является диффузор. Диффузор динамика представляет собой некий поршень, который двигается по прямой вверх-вниз и поддерживает амплитудно-частотную характеристику (далее АЧХ) в линейном виде. При повышении частоты колебаний диффузор начинает изгибаться. Из-за этого появляются так называемые стоячие волны, которые, в свою очередь, приводят к провалам и подъемам на графике АЧХ.

Для минимизации этого эффекта конструкторы используют более жесткие диффузоры, изготовленные из материалов меньшей плотности. Если размер динамика составляет 12 дюймов, то диапазон частот в нем будет варьироваться в пределах 1 килогерца для низких частот, 3 килогерц для средних и 16 килогерц для высоких.

• Диффузоры могут быть жесткими. Они сделаны из керамики или алюминия. Такие изделия обеспечивают наименьший уровень искажения звука. Динамики с жесткими диффузорами стоят гораздо дороже аналогов.
• Мягкие диффузоры делают из полипропилена. Такие образцы обеспечивают наиболее мягкое и теплое звучание за счет поглощения волн мягким материалом.
• Полужесткие диффузоры представляют собой компромиссный вариант. Они делаются из кевлара или стеклоткани. Искажения, провоцируемые таким диффузором, выше, чем у жестких, но ниже, чем у мягких.

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.

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.

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.

Принцип работы

С устройством динамика разобрались, переходим к принципу работу. Принцип работы динамика заключается в следующем: ток, идущий на катушку, заставляет ее совершать перпендикулярные колебания в пределах магнитного поля. Эта система увлекает за собой диффузор, заставляя его колебаться с частотой подаваемого тока, и создает разряженные волны. Диффузор начинает колебаться и создает звуковые волны, которые могут быть восприняты человеческим ухом. Они в виде электрического сигнала передаются в усилитель. Отсюда и появляется звук.

Диапазон воспроизводимых частот напрямую зависит от толщины магнитопроводов и размера динамика. При большей величине магнитопровода увеличивается зазор в магнитной системе, а вместе с ним увеличивается и эффективная часть катушки. Именно поэтому компактные динамики не справляются с низкими частотами в пределах 16-250 герц. Их минимальный порог частотности начинается с 300 Герц и заканчивается на 12 000 герц. Вот почему динамики хрипят, когда вы выкручиваете звук на максимум.

Номинальное электрическое сопротивление

Провод, подающий ток на катушку, обладает активным и реактивным сопротивлением. Для выяснения уровня последнего инженеры измеряют его на частоте в 1000 герц и прибавляют к получившейся величине активное сопротивление звуковой катушки. В большинстве динамиков уровень сопротивления составляет 2, 4, 6 или 8 Ом. Этот параметр необходимо учитывать при покупке усилителя. Важно согласовать уровень нагрузки.

Диапазон частот

Выше уже было сказано, что большая часть электродинамикой воспроизводит лишь часть частот, которые может воспринимать человек. Сделать универсальный динамик, способный воспроизводить весь диапазон от 16 герц до 20 килогерц невозможно, поэтому частоты поделили на три группы: низкие, средние и высокие. После этого конструкторы начали создавать динамики отдельно для каждой частоты. Это значит, что низкочастотные динамики лучше всего справляются с басами. Они работают на диапазоне 25 герц – 5 килогерц. Высокочастотные созданы для работы с визжащими верхами (отсюда нарицательное имя – «пищалка»). Они работают в частотном диапазоне 2 килогерца – 20 килогерц. Среднечастотные динамики работают в диапазоне 200 герц – 7 килогерц. Инженеры все еще предпринимают попытки создать качественный широкополосный динамик. Увы, цена динамика идет вразрез с его качеством и совершенно не оправдывает его.

Немного о мобильных динамиках

Динамики для телефона отличаются от «взрослых» моделей конструктивно. Расположить такой сложный механизм в мобильном корпусе нереально, поэтому инженеры пошли на хитрость и заменили ряд элементов. Например, катушки стали неподвижными, а вместо диффузора используется мембрана. Динамики для телефона сильно упрощены, посему ожидать от них высокого качества звучания не стоит.

Диапазон частот, который способен охватить такой элемент, значительно сужен. По своему звучанию он ближе именно к высокочастотным устройствам, так как в корпусе телефона нет дополнительного пространства для установки толстых магнитопроводов.

Устройство динамика в мобильном телефоне отличается не только размерами, но и отсутствием независимости. Возможности устройства ограничиваются программным обеспечением. Это сделано для защиты конструкции динамиков. Многие снимают этот лимит вручную, а потом задаются вопросом: "Почему хрипят динамики?"

В среднестатистическом смартфоне устанавливают два таких элемента. Один разговорный, другой музыкальный. Иногда их объединяют для достижения эффекта стерео. Так или иначе, достичь глубины и насыщенности в звучании можно лишь с полноценной стереосистемой.

Устройство динамика

Устройство динамика колонки как источника распространения звука – очень интересный момент. С одной стороны, весьма скоро его традиционная конструкция в своем нынешнем облике отпразднует вековой юбилей. С другой - изменения используемых материалов и вариантов соседства элементов являются неиссякаемым источником инженерных идей. И, как следствие – более яркого, совершенного звучания, что шаг за шагом приближает аудиофилов к Его Величеству Совершенному Звучанию.

И если Вы хотите лучше понимать причины восторгов авторов тех или иных обзоров новых акустических систем, настоятельно рекомендуем разобраться, из чего состоит динамик колонки и какое значение имеет каждый из его составляющих.

Строение динамика: наглядно и доступно

Основой любого динамика является каркас, также именуемый нередко «корзиной» или «пауком». В каркас помещены все остальные конструктивные элементы.

В тыльной части каркаса расположен кольцевой зазор, который образован магнитным керном (сердечником) и кольцевым магнитом. Минимальное расстояние между сердечником и кольцевым магнитом, также имеющее форму кольца, обеспечивает максимальное мощное магнитное поле.

В магнитном зазоре располагается звуковая катушка. Она образована путем наматывания на цилиндрический тонкостенный каркас металлической проволоки, что покрывается слоем изолирующего лака. При воздействии магнитного поля, которое возникает при прохождении переменного тока, звуковая катушка движется возвратно-поступательно в соответствии с формой воспроизводимых звуковых колебаний.

Каркас звуковой катушки прикреплен к диффузору. Последний представляет собой подвижный элемент конструкции динамика колонки, непосредственно воспроизводящий звук. Для возможности осуществлять колебания диффузор имеет подвесы – тонкие шайбы с концентрическими выпуклостями. Выполненные из гибкого материала, подвесы диффузора допускают его движение вдоль оси симметрии. Диффузор движется вперед-назад под воздействием голосовой катушки, через которую по безмоментным проводам подается переменный ток.

Передняя часть диффузора закрыта пылезащитным колпачком. Этот предохранительный конструктивный элемент выполняет одновременно защитную и декоративную функцию.

Таким образом, разобрав строение динамика колонки, можно переходить к более детальному рассмотрению специфики каждого из элементов. Различные технологии и материалы, используемые для их создания, определяют колоссальное разнообразие такой высокотехнологичной продукции.

Диффузор динамика

Самым первым материалом, из которого выполнялся диффузор, была целлюлоза. Это объясняется удачным сочетанием жесткости и малого веса, свойственному картону. И до сих пор динамики ряда производителей выпускаются исключительно с целлюлозными диффузорами.

Современные технологии позволяют улучшить эксплуатационные свойства этих элементов. В частности, пропитывая целлюлозную пористую структуру синтетической пропиткой, можно повысить ее прочность и устойчивость к воздействию влаги. Кроме того, с этой же целью активно используются кевларовые, графеновые или выполненные из стеклянных волокон материалы.

Некоторые производители акустики предпочитают использовать алюминиевые сплавы для производства диффузоров. Они обладают повышенной жесткостью и износостойкостью. Существуют также бериллиевые варианты, но они весьма дороги в производстве. Поэтому если речь идет про строение динамика ВЧ купольного типа, наиболее часто используется тканевый вариант с пропиткой и/или армирующим слоем из жесткого композитного материала.

Высокая жесткость – одно из качеств, которое очень важно для этого конструктивного элемента. Разработчики добиваются «поршневого» режима его движения, при котором вся плоскость поверхности диффузора движется синхронно. При этом желательно, чтобы вес этого конструктивного элемента был минимальным.

Подвес динамика

Центрирующая шайба (она же - внутренний подвес динамика) также отличается прочностью и подвижностью. Эти свойства обеспечиваются особенностью изготовления элемента. Его производят путем прессования прочной ткани с эластичной пропиткой.

Большинство динамиков снабжены одной центрирующей шайбой. Но в конструкции отдельных колонок (как правило, для сабвуферов высокой мощности) применяются две последовательно расположенные шайбы.

Внешний подвес динамика имеет несколько иное исполнение. С начала развития акустического оборудования его делали в виде концентрических волн (гофров) по периметру бумажного диффузора. Сегодня его выполняют чаще всего из синтетических материалов – например, искусственного бутадиенового каучука.

Соединение обоих подвесов динамиков должно быть выполнено таким образом, чтобы вся система осуществляла параллельное возвратно-поступательное перемещение вдоль оси устройства.

Звуковая катушка

Следующий немаловажный элемент устройства динамика акустической системы – звуковая катушка. Для ее каркаса применяется широкий спектр материалов – плотная бумага, термостойкие пластики, алюминиевые или титановые сплавы и другие.

На каркасе голосовой катушки чаще всего намотана медная проволока, в отдельных случаях – алюминиевая либо биметаллическая (алюминиевая с омедненным наружным покрытием для оптимизации характеристик проводимости).

Для большей плотности намотки (количества витков) и плотности контакта используют прямоугольную или же шестигранную в сечении проволоку.

В отдельных ВЧ динамиках реализуется заполнение магнитного зазора жидкостью из мелкодисперсного металлического порошка. Такое решение обеспечивает более эффективное охлаждение катушки и положительно сказывается на качестве звучания динамика.

Магнитная система

Качество звучания динамика во многом определяется эффективностью магнитной системы. В свою очередь, последняя определяется материалом самого магнита. Если в середине XX века для него использовался особый сплав железа, никеля, алюминия и кобальта, то сейчас подавляющее большинство брендов используют в конструкциях своих магнитных систем феррит.

Еще более эффективно зарекомендовали себя неодимовые магниты. Но проблема в трудности обработки заготовки из неодима ощутимо повышает себестоимость конечной продукции. Как результат, магнитная система динамика на базе неодимовых магнитов используется обычно в акустике верхних ценовых категорий.

Корзина динамика

Материал для выполнения этого элемента устройства динамика может быть различным. Как правило, используется штампованная стальная либо вылитая из пластика корзина. Но ее исполнение должно быть высокой точности, потому как каждая десятая доля миллиметра в ее конфигурациях имеет ощутимое значение на качестве звучания акустической системы.

Также очень важно качество посадки элементов в корзину. Звуковая катушка в ходе своего соосного с магнитным зазором движения не должна задевать его краев. Все это накладывает очень серьезные требования к процессу сборки динамика в целом.

Виды акустического оформления

1. Закрытое. Динамик устанавливают в середине стенки полой коробки, которая зачастую состоит из пластика или дерева. Главным достоинством такой технологии является ее простота. Главным недостатком - низкий коэффициент полезного действия.
2. Фазоинвертор. Динамик крепят по центру стенки полой коробки, которая, как правило, сделана из пластика или дерева, но с той лишь разницей, что под или над ним ставится трубка или создается отверстие. Для чего это необходимо? Содержимым этой трубки выступает заранее рассчитанное количество воздуха, являющееся дополнительным источником звука. При такой схеме устройство создает колебания как внутри коробки, так и за ее пределами. Эти колебания выходят из отверстия, таким образом увеличивая исходящую громкость.
3. Закрытое с пассивным излучателем. По конструкции напоминает предыдущий вариант, но в данном случае вторым излучателем выступает не воздух, а динамик, не способный себя двигать.
4. Рупор-динамик (или динамик-громкоговоритель). Такое название он получил из-за своего конусообразного корпуса. Как правило, такой корпус сделан из нескольких деталей, но встречаются и цельные конструкции. В случае с рупорами небольших размеров качество воспроизведения звука находится на втором плане, поскольку рупор в несколько раз усиливает громкость и качество от этого сильно не портится. В теории через рупор можно проводить и низкочастотные звуки, но для этого он должен быть просто невероятных размеров.
5. Акустический лабиринт. Эта конструкция является своеобразным гибридом второго и четвертого вариантов. Внутри нее находится трубка в форме змейки, а на ее конце присутствует рупор. Зачастую конструкции такого типа применяются для больших концертных сабвуферов.

Электростатические излучатели

Чтобы окончательно дать ответ на вопрос "Что такое динамик?", обязательно нужно рассказать про электростатические излучатели.

Эти устройства состоят из двух статоров, на которые посылают переменные звуковые колебания, и пленки между ними. В качестве последней выступает перфорированный металлический лист, на который подается высокое напряжение. Прозрачность пленки составляет около 50%. Покрыта она диэлектрическим веществом, необходимым для защиты пользователя от негативного влияния высокого напряжения.

Плюсы и минусы

Электростатический излучатель - это действительно очень интересная вещь, изучение которой вызовет неподдельный восторг у людей, интересующихся данной тематикой. Но у электростатов, как и у классических динамиков, есть свои достоинства и недостатки.

Плюсы:

1. Ровная амплитудно-частотная характеристика.
2. Малый размер мембраны, которая возбуждается по всей своей площади.
3. Отсутствие каких-либо фазовых искажений.
4. Простая конструкция.

Недостатки:

1. Слабая чувствительность.
2. Потребность в высоковольтном источнике и высоковольтном усилителе.
3. Количество низких частот зависит от площади воспроизводителя звука.
4. Высокая направленность в среднечастотном и высокочастотном диапазоне.