Идеология создания Резонансной Акустики

Динамическая головка

Устройство динамического громкоговорителя

Головка электродинамической системы  является электроакустическим преобразователем электрического сигнала в продольные колебания воздуха, воспринимаемые как звук. На рисунке можно видеть основные части громкоговорителя.

Подвес

Гофрированный гибкий подвес (краевой  гофр, «воротник») должен обеспечивать сравнительно низкую резонансную частоту (то есть иметь высокую гибкость); плоскопараллельный характер движения (то есть отсутствие крутильных и других видов колебаний) подвижной системы в обе стороны от положения равновесия и эффективное поглощение энергии резонансных колебаний подвижной системы. Кроме того подвес должен сохранять свою форму и свойства во времени и под воздействием климатических факторов внешней среды (температуры, влажности и др.). С точки зрения конфигурации (формы профиля), значительно влияющей на все указанные свойства, наибольшее распространение имеют полутороидальные, sin-образные, S-образные подвесы и др. В качестве материалов для подвесов НЧ ГГ применяют натуральные резины, пенополиуретаны, прорезиненные ткани, натуральные и синтетические ткани со специальными демпфирующими покрытиями.

Диффузор

Диффузор — основной излучающий элемент громкоговорителя, который  должен обеспечивать линейную АЧХ в  заданном диапазоне частот. В современных конструкциях для НЧ-динамиков 8—12" — это до 1 кГц, НЧ-СЧ-динамиков 5—7" — до 3 кГц, ВЧ-динамиков — до 16 кГц.

Диффузоры по типу материала бывают:

жесткие (керамические, алюминиевые) обеспечивают наименьший уровень искажений, за счет меньшего изгиба поверхности диффузора, но при этом у них слишком большая добротность, а значит — ярко выраженный пик параметрического резонанса. Задача производителя — сдвинуть этот пик за пределы рабочих частот. В то же время эти динамики занимают верхние ценовые позиции;

полужесткие (из стеклоткани или  кевлара со связующей полимеризованной и запеченной смолой, «сэндвичи») —  компромиссный вариант между  мягкими и жёсткими. Дают больше искажений, но имеют более низкий выброс параметрического резонанса, и как правило на более низких частотах;

мягкие диффузоры (полипропиленовые, полиметилпентеновые) обычно имеют  ровную АЧХ и мягкий приятный звук почти во всем диапазоне, но имеют плохие импульсные параметры (отсутствие четкости). Кроме того, мягкий диффузор может крепиться к диффузородержателю без подвеса;

бумажные диффузоры стоят особняком, так как дают очень характерный  окрас звучания, для устранения которого в бумагу добавляют различные синтетические и натуральные волокна, покрывают диффузор лаком и т.д. Бумажные диффузоры имеют очень неровную АЧХ, но более просты в производстве и позволяют в некоторых случаях делать диффузор, подвес и колпачок из одного материала.

По форме диффузоры могут быть:

купольные, обычно применяются в  ВЧ-динамиках;

конусные — распространены более  широко благодаря большей универсальности. Почти не применяются лишь в ВЧ-динамиках  из-за направленности излучения. Существует несколько видов профилей конусных диффузоров:

линейные являются максимально  жесткими, но с максимальным значением  параметрического резонанса, когда  продольная волна сжатия материала  от катушки резонирует с поперечной волной колебания самой оболочки;

сегмент окружности позволяет сгладить параметрический резонанс;

экспонента позволяет сгладить параметрический резонанс более  эффективно.

На практике применяются комбинации всех трех типов с целью сместить параметрический резонанс в область  высоких частот либо распределить его  всплеск на более широкий диапазон уменьшив амплитуду.

плоские диффузоры применяются  редко, в основном в НЧ-динамиках, из-за очень высоких интермодуляционых  искажений.

Реже применяются диффузоры  более сложной формы, например гофрированные, сочетающие в одной детали диффузор и сразу несколько подвесов — такое решение применяется для малогабаритных широкополосных динамиков с целью уменьшить интермодуляционные искажения и расширить диапазон воспроизводимых частот.

Также от формы образующей и жесткости  материала зависят другие важные резонансы системы диффузор—подвес. Все мягкие диффузоры имеют характерный провал и затем всплеск на АЧХ, когда колебания выходят за пределы диффузора и в работу вступает подвес.

Также нужно учитывать, что если в бесконечной плоскости АЧХ  динамика будет ровной, то в плоскости шириной 200 мм на АЧХ появится подъём в области 700—900 Гц, поэтому у диффузоров, которые дают в этой области провал, в корпусе АЧХ будет ровная, и не понадобится дополнительных корректирующих цепей, и некоторые производители это учитывают.

Колпачок

Пылезащитный колпачок — сферическая  оболочка, которая, выполняя функцию  защиты рабочего зазора магнитной цепи от попадания пыли, является также  окружным ребром жёсткости. Кроме того, колпачок является излучающим элементом, вносящим свой вклад в формирование АЧХ в области средних частот. Для обеспечения конструктивной жёсткости колпачки изготавливают, как правило, куполообразной формы с различными радиусами кривизны. В качестве материала используют композиции целлюлозы, синтетические плёнки, ткани с пропитками. В мощных НЧ ГГ иногда используют колпачки из металлической (алюминиевой) фольги, что позволяет использовать их как дополнительный элемент отвода тепла от звуковой катушки. Но у конструкций с колпачками в пространстве между колпаком и катушкой возникают высокодобротные резонансы, поэтому некоторые производители вместо колпаков ставят фазовыравнивающие «Пули», которые не вносят своих искажений.

Центрирующая шайба

Между диффузором и корпусом динамика устанавливается специальная шайба, которая должна обеспечивать стабильность резонансной частоты НЧ ГГ в условиях динамических и температурных нагрузок, линейность упругих характеристик при больших смещениях подвижной системы, предотвращать смещения звуковой катушки в радиальном направлении и «провисание» подвижной системы, а также защищать магнитный зазор от пыли. Обычно в НЧ ГГ используются центрирующие шайбы с синусоидальной гофрировкой (число гофр варьируется от 5—7 до 9—11), плоские или «мостиковые». Однако в некоторых моделях встречаются шайбы более сложных конфигураций (например, тангенциальные), обеспечивающие, по мнению применяющих их фирм, большую линейность упругих характеристик, стабильность формы и т. п.

В качестве материалов для  шайб применяют натуральные ткани (типа миткаля, бязи и т. п.), пропитанные бакелитовым лаком, синтетические ткани на основе полиамидов, полиэстера, нейлона и др. В некоторых НЧ ГГ применяются шайбы, в материал которых вплетаются металлические (алюминиевые, медные) нити, обеспечивающие повышенный теплоотвод от теплоотводящего каркаса звуковой катушки к массивному металлическому диффузородержателю.

Звуковая катушка и магнитная  система

Звуковая катушка —  катушка с проводом, находится  в зазоре магнитной цепи и обеспечивает совместно с магнитной системой динамика преобразование электрической энергии в механическую. Магнитная система динамика обычно состоит из кольцевого магнита и керна, в зазоре между которыми движется звуковая катушка, не касаясь стенок. Большое значение имеет равномерность магнитного поля в пределах хода катушки, для чего особым образом формируются полюса магнитов, а на керн надевается медный колпачок. Для уменьшения массы катушки (что особенно важно в ВЧ-динамиках) производители иногда применяют алюминиевый провод, в том числе с медным покрытием. Электрический ток к катушке подводится с помощью гибких проводов, представляющие собой намотанную на синтетическую нить проволоку. Провода часто закрепляют на диффузоре, чтобы они при работе не прикасались к другим частям динамика.

Принцип работы

При подаче электрического сигнала звуковой частоты, катушка производит вынужденные колебания в поле постоянного магнита под действием силы Ампера, увлекая диффузор и через неё создавая волны разрежения и сжатия в воздухе. Связка «диффузор-катушка» колеблется с такой же частотой, как и частота подаваемого тока. При малой толщине магнитопроводов, образующих зазор, действительно работает только малая часть катушки, приблизительно равная толщине магнитопроводов зазора. Выходящие за пределы зазора части катушки почти не работают, у таких динамиков очень низкий коэффициент полезного действия. Силу, действующую на катушку можно вычислить, применив закон Ампера

,

где B — индукция магнитного поля в зазоре, I — ток через катушку, l — часть длины провода катушки, находящаяся в зазоре магнитопроводов.

,

где n — число витков катушки, находящихся в зазоре, d1 — диаметр катушки.

,

где h — толщина магнитопроводов, образующих зазор, d2 — диаметр провода  катушки.

Для повышения коэффициента полезного  действия динамика необходимо увеличивать  толщину магнитопроводов, образующих зазор, при этом пропорционально  увеличению зазора уменьшается магнитная индукция в зазоре B, но увеличивается относительная рабочая часть катушки, то есть относительная рабочая часть длины провода катушки l до некоторой величины, после которой относительная рабочая часть длины провода катушки начинает уменьшаться. При изменении амплитуды электрического сигнала звуковой частоты также изменяется положение диффузора. Так как электрический сигнал звуковой частоты, подаваемый на катушку, имеет частоту в пределах слышимости человеческого уха (16—20 000 Гц), то и диффузор колеблется относительно постоянного магнита с такой же частотой.

Здесь следует сделать замечание, что реальная частота колебаний диффузора большинства ГД и прилегающих слоёв воздуха лежит в пределах примерно 300—12 000 Гц, причём чем меньше, хуже и проще громкоговоритель, тем у́же этот частотный диапазон и тем менее линейна его амплитудно-частотная характеристика. На частотах за пределами этого диапазона излучаемая мощность незначительна. Для воспроизведения наиболее низких частот (примерно 16—250 Гц) небольшие по размерам ГД вовсе непригодны.

Колеблющийся диффузор создаёт  в воздухе звуковые волны, воспринимаемые ухом человека. Таким образом, с помощью  ГД электрический сигнал звукового  диапазона частот с усилителя  преобразуется в звук.

Следует повториться, что при воспроизведении  наиболее низких частот из частотного диапазона, воспроизводимого динамиком, работает вся поверхность диффузора, а при воспроизведении высших частот из частотного диапазона — только центральная его часть, что располагается над катушкой. Поэтому в широкополосных динамиках часто в центре устраивается металлическая, полимерная или бумажная накладка — купол в целях улучшения воспроизведения высоких частот.

Описанная классическая конструкция  является базовой и может применяться  в недорогой технике, там, где  не требуется высокое качество звука. Для высококачественного воспроизведения проектируются более сложные и совершенные громкоговорители.

Для создания более качественной аудиосистемы одну или несколько динамических головок помещают в корпус в виде коробки из дерева, либо пластика или металла таким образом, чтобы изолировать лицевую и тыльную поверхности диффузора друг от друга и исключить «перетекание» воздуха вокруг кромки рамы громкоговорителя. Полученное изделие называется акустическая система. Если в акустической системе присутствует встроенный усилитель, такая акустическая система называется активной, в противном случае — пассивной. Создание акустических систем, имеющих максимально чистое, естественное и натуральное звучание — весьма трудоёмкая и сложная задача, так как на конечный результат влияет множество факторов.

Устройство электродинамической  головки благодаря свойству обратимости идентично по принципу действия устройству динамического микрофона, и, таким образом, эти устройства могут быть взаимозаменяемыми. Например, во многих конструкциях переговорных устройств, домофонов, и даже в подслушивающих устройствах, некогда монтировавшихся спецслужбами в приёмники проводного радиовещания, в качестве приёмника звука — микрофона могли использоваться динамические головки.

Недавно мой "Home-made" усилитель стал немного глушить один канал, и пришлось вплотную заняться проверкой деталей. Оказалось – все дело в некачественном конденсаторе на входе. После окончания ремонта меня уговорили на время одолжить этот усилитель с колонками для проведения "мероприятий" (как раз было время праздников). А что остается делать дома, когда нечего подключить к выходу звуковой карты, но хочется послушать музыку или просто погонять в очередную стрелялку (сейчас это "Call of Duty")? Вот и достал я из кладовки изрядно запылившиеся колонки -"чебурашки", которыми когда-то пользовался. Цена им была что-то около 300 рублей, и музыку они воспроизводили с соответствующим качеством. Так что после "качественного" звука (хороший усилитель + более-менее нормальные колонки) слышать издаваемые чахлыми маломерками картонные звуки стало просто невыносимо. Но выход для наушников на "чебурашках" все-таки был. Ладно, значит, пришла пора попользоваться наушниками. В магазинах среди всяких разных "произведений" наткнулся на гарнитуру от SONY – CD-268M.V. Конечно, ценители качества недовольно поморщатся – да, правда ваша, ведь цена у этих "лопухов" около 10 у.е., а не 100… Но по сравнению с воплями "пуговиц" за 30 рублей это был "Звук". Хотя, конечно, еще далеко не "ЗВУК" ("чебурашки" ощутимо фонили…).

Наушники можно было подключить прямо к выходу звуковой карты, но тут возник один вопрос – а на какую нагрузку, собственно, рассчитаны эти самые выходы? Дело в том, что замеры искажений почти всегда производятся при нагрузке выхода звуковой карты на вход измерительного прибора, а у него входное сопротивление вряд ли 32 Ома. Но ведь при понижении сопротивления нагрузки увеличивается ток, и теперь при увеличении громкости возрастают искажения – посмотрите на характеристику любой микросхемы - усилителя НЧ (графики есть практически в каждом описании). Получается, что при подключении наушников звуковая карта вряд ли сможет обеспечить высокий стандарт качества звука и полностью раскрыть свои потенциальные возможности. (Или все-таки сможет?) Вот и пришла идея собрать усилитель специально для подключения наушников – ведь на самодельном усилителе нет специального гнезда (схемное решение такое, что обычные наушники туда просто нельзя подключить). В журналах и интернете схем встретилось довольно много, но выбраны были всего четыре. Качество "звуковой продукции" у них возрастает постепенно, а сложность сборки практически не увеличивается. Надеюсь, многие меломаны и игроманы найдут здесь полезную информацию. Да и жены смогут отдохнуть от музыки и грохота… (Только теперь докричаться до вас им будет гораздо труднее.)