Полнодиапазонные динамики: конструкция и особенности

Введение

Тип громкоговорителя

Динамик полного диапазона определяется как излучатель, воспроизводящий максимально возможную часть слышимого частотного диапазона, в пределах ограничений, обусловленных физическими параметрами конкретной конструкции. Частотный диапазон таких излучателей расширяется за счет использования виззера и других технических решений. Большинство систем с одним излучателем, например, в радиоприемниках или небольших компьютерных колонках, не способны воспроизвести все слышимые частоты или весь диапазон звука, воспринимаемого человеком.

Типичные конструкции

Как правило, широкополосный динамик состоит из одного движущего элемента, или голосовой катушки, используемого для перемещения и управления диафрагмой. Часто конусообразная структура включает оптимизации для улучшения высокочастотных характеристик. Например, небольшой, легкий рупор или виззер-конус может быть установлен в месте соединения голосовой катушки и диафрагмы, тем самым увеличивая выходную мощность на высоких частотах. Форма и материалы, используемые в конусе и виззере, тщательно оптимизированы. Производители стремятся оптимизировать материалы, конструкцию и изготовление каждого компонента для достижения оптимальной производительности и звуковой точности. Передовые технологии, такие как неодимовые магниты, системы охлаждения голосовой катушки и волноводы, дополнительно расширяют возможности динамиков, обеспечивая точное воспроизведение звука и минимизируя искажения. Другая конструкция использует излучающий купол вместо обычной пылезащитной крышки; он является акустически активным. В большинстве динамиков такие пылезащитные крышки изготавливаются так, чтобы быть относительно акустически инертными. Иногда пылезащитная крышка имеет форму небольшого конуса, который, как утверждается, улучшает дисперсию на высоких частотах. Другие конструкции просто модифицируют диафрагму и материалы купола/виззера, вместо того чтобы упруго соединять диафрагму для обеспечения широкополосной работы. В некоторых конструкциях основная диафрагма может быть соединена с голосовой катушкой посредством упругой связи, так что высокочастотные колебания не передаются на нее, а вместо этого приводят в движение виззер-конус. Использование упруго соединенной (или модифицированной) диафрагмы для низких частот и вспомогательного виззера или модифицированной пылезащитной крышки (купола) для высоких частот является механической реализацией аудио-кроссовера. Поскольку требования к широкополосному динамику включают в себя как хороший низкочастотный, так и высокочастотный отклик (что противоречит физической конструкции), диапазон воспроизводимых частот обычно ограничивается спектром выше примерно 100 Гц, оставляя воспроизведение более низких частот для отдельного сабвуфера или специальной конструкции корпуса для усиления низких частот. Эти требования обычно означают, что широкополосный динамик должен иметь хорошую чувствительность (для низких частот) и легкую голосовую катушку (для высоких частот) – такие динамики обычно используют более крупный или мощный магнит, чем обычно, что повышает чувствительность и, следовательно, снижает потребляемую мощность на низких частотах, а также позволяет использовать более легкую голосовую катушку. Кроме того, многие из них имеют ограниченный ход, что требует специальных корпусов, не требующих большого хода на низких частотах для обеспечения достаточного низкочастотного выхода. Существуют редкие исключения, использующие несколько элементов для привода общей диафрагмы, но их не следует путать с коаксиальными динамиками, использующими отдельные и концентрически расположенные элементы для достижения желаемого диапазона воспроизведения и строго не классифицируемыми как широкополосные динамики. Широкополосные динамики используются в различных областях применения, от телевизоров и компьютерных динамиков до Hi-Fi акустических систем. На производительность динамика существенно влияет его корпус, который варьируется от простых бежевых пластиковых коробок (на нижнем уровне) до больших рупорных корпусов с впечатляющими звуковыми характеристиками.

Typically, a full range drive unit consists of a single driver element, or voice coil, used to move and control a diaphragm. Often the cone structure includes optimizations to enhance high frequency performance. For example, a small low mass horn or whizzer cone can be mounted where the voice coil and diaphragm meet, thereby increasing the output at high frequencies. The shape and materials used in the cone and whizzer are highly optimized. Manufacturers strive to optimize the materials, design, and construction of each component to achieve optimal performance and audio fidelity. Advanced technologies such as neodymium magnets, voice coil cooling systems, and wave guides further enhance the speakers’ capabilities, ensuring accurate sound reproduction and minimizing distortion. Another arrangement uses a radiating dome in place of the usual dust cap; it is acoustically active. In most speaker drivers such dust caps are constructed so as to be relatively acoustically inert. Sometimes the dust cap takes the form of a small conical shape, claimed to improve dispersion at higher frequencies. Yet other designs simply modify the diaphragm and dome/whizzer materials instead of compliantly coupling the diaphragm to achieve full range operation. In some designs, the main diaphragm may be coupled to the voice coil using a compliant bond such that high frequency vibrations are not transmitted into it, but instead move the whizzer cone. The technique of using a compliantly coupled (or modified) diaphragm for the low frequencies and auxiliary whizzer or modified dust cap (dome) for the high frequency response of a speaker is a mechanical implementation of an audio crossover. Since the requirements of a full range driver include both good low and high frequency response (which are contradictory in terms of physical construction), a full range driver is usually limited to covering the audio spectrum above perhaps 100 Hz—leaving lower frequencies to be handled / augmented by a separate sub woofer or by a special cabinet design for low frequency reinforcement. These requirements usually mean that the full range must have good sensitivity (for lower frequencies) with a light voice coil (for high frequencies) – these speakers commonly use a larger or more powerful magnet than usual, which improves sensitivity and thus lowers the power requirement at low frequencies as well as allowing a lighter voice coil. In addition, many have limited maximum excursions, requiring special enclosures which do not require large excursions at low frequencies for reasonable low end output. There are rare exceptions that use multiple elements to drive a common diaphragm, but these should not be confused with coaxial speakers that use separate and concentrically aligned elements to achieve the desired range of reproduction, and are not, strictly, classified as full range drivers. Full range drivers are seen in applications ranging from televisions and computer speakers, to hi fi speaker systems. The performance of the driver is substantially affected by their enclosure, and enclosures vary from mundane beige plastic boxes, at the low end of the scale, to large horn loaded enclosures with spectacular audio performance.

Нетипичные конструкции

Немецкая компания Manger производит необычный широкополосный динамик в виде дифференциально сгибаемой плоской мембраны диаметром около восьми дюймов. Manger заявляет о характеристиках, как по максимальному уровню, так и по расширенному низкочастотному отклику, которые превосходят традиционные широкополосные динамики. Еще одна необычная конструкция широкополосного динамика – динамик Уолша, получивший распространение в акустических системах Ohm hi-fi, где он воспроизводил почти весь слышимый частотный диапазон. Первые модели Уолша были большими и дорогими. Эти динамики использовали единый диффузор, состоящий из бумаги в основании для воспроизведения низких частот, алюминия в средней части и титана в шейке для воспроизведения высоких частот. Прорези в бумажной части диффузора, покрытые силиконовым демпфером, в сочетании с внутренними поролоновыми прокладками обеспечивали возможность настройки частотной характеристики для достижения максимально ровной АЧХ. Акустические системы с динамиком Уолша до сих пор производятся, хотя в них добавлен твитер, поэтому они больше не соответствуют определению широкополосных динамиков. Вариация динамика Уолша от компании German Physiks, расположенной в Майнтале недалеко от Франкфурта, доступна в двух вариантах. Один из них использует диффузор из титановой фольги толщиной 0,025 мм, а улучшенная версия – из углеродного волокна толщиной 0,15 мм. Они используются в их линейке акустических систем класса high-end. Большие электростатические акустические системы можно рассматривать как широкополосные в том смысле, что они способны воспроизводить большую часть звукового частотного диапазона.

Приложения

Полнодиапазонные динамики можно встретить в самых разных устройствах – от недорогих мультимедийных колонок до более дорогих и экзотических систем, в которых часто используются большие корпуса с фазоинвертором или рупорным оформлением для усиления низких частот. В сети существует активное сообщество любителей, занимающихся самостоятельной сборкой акустических систем на основе полнодиапазонных динамиков и корпусов для них.

Коммерческие применения

Большое количество широкополосных динамиков используется в коммерческих звуковых системах, которые могут включать несколько 200-мм (8-дюймовых) широкополосных динамиков, установленных в подвесные потолки или небольшие корпуса. Они обеспечивают воспроизведение фоновой музыки и объявлений для сотрудников и посетителей в магазинах и общественных местах. Хотя эти динамики классифицируются как "полнодиапазонные", точнее было бы назвать их "широкополосными", поскольку их возможности по воспроизведению звука редко охватывают крайние частоты. Некоторые производители встраивают небольшие (обычно 115 мм) широкополосные динамики в миниатюрные корпуса, и многие из них оснащены линейными трансформаторами на 25 или 70 вольт для использования в коммерческих звуковых системах с длинными кабелями. Некоторые системы динамиков полного диапазона разработаны с использованием динамиков ограниченного диапазона и требуют использования эквалайзеров для выравнивания и расширения частотной характеристики, в то время как другие достигают приемлемого звучания без дополнительной электронной обработки. Существуют системы динамиков полного диапазона, использующие отдельные динамики диаметром до 15 дюймов.

Критическая реакция

Критики драйверов полного диапазона указывают на их неспособность воспроизводить весь диапазон звуковых частот с одинаковой амплитудой, что приводит к неточному воспроизведению поступающего аудиосигнала. Воспроизведение нескольких частот одной диафрагмой может усилить интермодуляционные искажения – нелинейный эффект, возникающий при попытке одной поверхности одновременно воспроизвести обе частоты. Степень влияния умеренных интермодуляционных искажений на слышимость точно не установлена. В результате происходит некоторое "смешение частот", хотя и на относительно низком уровне. Драйвер полного диапазона может демонстрировать сниженную выходную мощность на краях своего частотного диапазона или иметь более узкий частотный отклик, что сказывается на качестве звука. Приверженцы акустических систем с драйверами полного диапазона утверждают о превосходной фазовой согласованности, в то время как некоторые критики описывают их как среднечастотные динамики, работающие на пределе своих возможностей или за его пределами. Некоторые драйверы полного диапазона были разработаны с использованием 12- и 15-дюймовых динамиков, например, Audio Nirvana, и преодолели ограничения в воспроизведении низких частот, характерные для меньших драйверов, благодаря использованию корпусов с фазоинвертором. Кроме того, поскольку большинство взрослых не способны слышать частоты выше 15 кГц, отсутствие высоких частот обычно не является проблемой для современных, хорошо спроектированных драйверов полного диапазона.