Низкочастотный динамик: конструкция и применение

Введение

Динамик, предназначенный для воспроизведения низких частот – тип динамика.

Вуфер или басовый динамик – это технический термин для динамика, предназначенного для воспроизведения низкочастотных звуков, обычно в диапазоне от 20 Гц до нескольких сотен Гц. Название происходит от звукоподражательного английского слова, имитирующего глубокий лай собаки – "woof" (в отличие от твитера, название, используемое для динамиков, предназначенных для воспроизведения высокочастотных звуков, происходящего от высоких криков птиц – "tweets"). Наиболее распространенная конструкция вуфера – электродинамический динамик, который обычно использует жесткий бумажный диффузор, приводимый в движение звуковой катушкой, расположенной в магнитном поле. Звуковая катушка приклеивается к задней части диффузора. Звуковая катушка и магнит образуют линейный электромотор. При прохождении тока через звуковую катушку, катушка перемещается относительно корпуса в соответствии с правилом левой руки Флеминга для двигателей, заставляя катушку толкать или тянуть диффузор, подобно поршню. В результате движения диффузора создаются звуковые волны, когда он перемещается вперед и назад. При нормальных уровнях звукового давления (SPL) большинство людей способны слышать звуки частотой до 20 Гц. Вуферы обычно используются для воспроизведения самых низких октав частотного диапазона акустической системы. В двухполосных акустических системах динамики, отвечающие за низкие частоты, также должны охватывать значительную часть среднего диапазона, часто до 800–1000 Гц; такие динамики обычно называют средне-низкочастотными. С 1990-х годов широко используются сабвуферы – тип вуфера, предназначенный исключительно для воспроизведения очень низких частот – в домашних кинотеатрах и звуковых системах для усиления басов; сабвуферы обычно воспроизводят самые низкие две или три октавы (то есть от 20 до 80 или 120 Гц).

Конструкция воуфера

Хорошая конструкция НЧ-динамика требует эффективного преобразования низкочастотного сигнала усилителя в механическое движение воздуха с высокой точностью и приемлемой эффективностью, что одновременно облегчается и усложняется необходимостью использования корпуса динамика для согласования движения диффузора с воздухом. При правильной реализации многие другие проблемы, связанные с конструкцией НЧ-динамика (например, требования к линейному ходу диффузора), снижаются. В большинстве случаев НЧ-динамик и его корпус должны быть спроектированы для совместной работы. Обычно корпус проектируется с учетом характеристик используемого динамика или динамиков. Размер корпуса определяется длиной волны (наименьшими частотами), которые необходимо воспроизводить, и корпус НЧ-динамика значительно больше, чем требуется для средне- и высокочастотного диапазона. Кроссоверная сеть, пассивная или активная, фильтрует полосу частот, предназначенную для обработки НЧ-динамиком и другими динамиками. Как правило, кроссовер и акустическая система, включая НЧ-динамик, должны преобразовывать электрический сигнал, подаваемый усилителем, в акустический сигнал той же формы без дополнительного взаимодействия между усилителем и динамиками, хотя иногда усилитель и динамики проектируются совместно, при этом динамики обеспечивают отрицательную обратную связь, корректирующую искажения, для усилителя. Существует множество проблем при проектировании и производстве НЧ-динамиков. Большинство из них связаны с управлением движением диффузора, чтобы электрический сигнал, подаваемый на звуковую катушку динамика, точно воспроизводился в виде звуковых волн, создаваемых движением диффузора. Проблемы включают в себя чистое демпфирование диффузора без слышимых искажений, чтобы он не продолжал двигаться, вызывая призвуки, когда мгновенный входной сигнал падает до нуля в каждом цикле, а также управление большими ходами диффузора (обычно необходимыми для воспроизведения громких звуков) с минимальными искажениями. Также существует задача обеспечения для усилителя электрического импеданса, который не слишком сильно меняется на разных частотах. Ранняя версия широко используемой конструкции корпуса с фазоинвертором была запатентована Альбертом Л. Турасом из Bell Laboratories в 1932 году.

Good woofer design requires effectively converting a low frequency amplifier signal to mechanical air movement with high fidelity and acceptable efficiency, and is both assisted and complicated by the necessity of using a loudspeaker enclosure to couple the cone motion to the air. If done well, many of the other problems of woofer design (for instance, linear excursion requirements) are reduced. In most cases the woofer and its enclosure must be designed to work together. Usually the enclosure is designed to suit the characteristics of the speaker or speakers used. The size of the enclosure is a function of the longest wavelengths (lowest frequencies) to be reproduced, and the woofer enclosure is much larger than required for midrange and high frequencies. A crossover network, either passive or active, filters the band of frequencies to be handled by the woofer and other speakers. Normally the crossover and speaker system, including the woofer, are expected to convert the electrical signal supplied by the amplifier to an acoustic signal of identical waveform without other interaction between the amplifier and speakers, although sometimes the amplifier and speakers are designed together with the speakers supplying distortion correcting negative feedback to the amplifier. There are many challenges in woofer design and manufacture. Most have to do with controlling the motion of the cone so the electrical signal to the woofer's voice coil is faithfully reproduced by the sound waves produced by the cone's motion. Problems include damping the cone cleanly without audible distortion so that it does not continue to move, causing ringing, when the instantaneous input signal falls to zero each cycle, and managing high excursions (usually required to reproduce loud sounds) with low distortion. There are also challenges in presenting to the amplifier an electrical impedance which is not too far from constant at all frequencies. An early version of the now widely used bass reflex cabinet design was patented by Albert L. Thuras of Bell Laboratories in 1932.

Активные громкоговорители

В 1965 году компания Sennheiser Electronics представила звуковую систему Philharmonic, которая использовала электронику для решения некоторых проблем, с которыми сталкиваются обычные НЧ-системы. Они добавили датчик движения к динамику и использовали сигнал, соответствующий его фактическому перемещению, в качестве обратной связи для управления специально разработанным усилителем. При тщательной реализации это может значительно улучшить характеристики (как в плане чёткости, так и расширения низкочастотного диапазона) ценой снижения гибкости (усилитель и динамик оказываются жёстко связаны) и увеличения стоимости. В США Л. В. Эрат, инженер нефтяной промышленности, представил линейку высококлассных акустических систем, основанных на аналогичном принципе. С удешевлением электроники, динамики, оснащённые датчиками, стали обычным явлением в недорогих "музыкальных центрах", переносных колонках и даже автомобильных аудиосистемах. Обычно это делается в попытке добиться лучших результатов от недорогих или недостаточно мощных излучателей в лёгких или плохо спроектированных корпусах. Этот подход имеет свои сложности, поскольку не все искажения можно устранить с помощью сервоуправления, а плохо спроектированный корпус может нивелировать преимущества любых попыток электронной коррекции.

Выравниваемые громкоговорители

Поскольку характеристики громкоговорителя можно измерить и в значительной степени предсказать, возможно разработать специальную схему, которая частично компенсирует недостатки акустической системы. Методы эквализации используются в большинстве систем оповещения и усиления звука. В данном случае основная задача – не высококачественное воспроизведение, а управление акустической обстановкой. В этом случае эквализация должна быть индивидуально настроена для соответствия конкретным характеристикам используемых акустических систем и помещения, в котором они установлены.

Пересечение и выравнивание цифровой фильтрации

Компьютерные технологии, в частности цифровая обработка сигналов (DSP), обеспечивают более высокую точность кроссовера. Используя фильтры с конечным импульсным откликом (FIR) и другие цифровые методы, кроссоверы для систем с двумя или тремя усилителями могут быть реализованы с точностью, недостижимой при использовании аналоговых фильтров, как пассивных, так и активных. Более того, многие особенности динамиков (вплоть до индивидуальных различий) могут быть скорректированы одновременно, как это реализовано в последних разработках Klein & Hummel. Этот подход сложен и поэтому вряд ли будет применяться в более доступном оборудовании.

Конусовые материалы

Все материалы для диффузоров имеют свои преимущества и недостатки. Три основных характеристики, которые ищут разработчики в диффузорах, – это малый вес, жесткость и отсутствие окраски звука (из-за отсутствия резонанса). Экзотические материалы, такие как кевлар и магний, легкие и жесткие, но могут вызывать резонанс, в зависимости от технологии изготовления и конструкции. Материалы, такие как бумага (включая конусы из покрытой бумаги) и различные полимеры, как правило, меньше подвержены резонансу, чем металлические диффузоры, но могут быть тяжелее и менее жесткими. Удачные и неудачные НЧ-динамики создавались из любого типа материала диффузора. Для изготовления диффузоров использовались практически все виды материалов, от стекловолокна и бамбукового волокна до сотовых конструкций из алюминия и пластиковых конусов, усиленных слюдой.

Конструкция рамы

Рама, или корзина, – это конструкция, удерживающая диффузор, звуковую катушку и магнит в правильном выравнивании. Поскольку зазор между звуковой катушкой и магнитом очень мал (обычно измеряется в тысячных долях дюйма), жесткость имеет важное значение для предотвращения трения звуковой катушки о магнитную систему в зазоре, а также для исключения нежелательных колебаний. Существует два основных типа металлических рам: штампованные и литые. Штампованные корзины (обычно стальные) – более экономичное решение. Недостатком этого типа рам является то, что корзина может деформироваться при работе динамика на высокой громкости, оказывая сопротивление изгибу только в определенных направлениях. Литые корзины дороже, но обычно более жесткие во всех направлениях, обладают лучшей демпфирующей способностью (снижая собственный резонанс), позволяют создавать более сложные формы и поэтому обычно предпочтительны для динамиков более высокого класса.

Управление мощностью

Важной характеристикой вуфера является его номинальная мощность – количество энергии, которое вуфер способен выдержать без повреждений. Определение электрической мощности не является простой задачей, и многие производители указывают пиковые значения, достижимые лишь в течение очень коротких промежутков времени без риска повреждений. Номинальная мощность вуфера становится важной, когда динамик работает на пределе своих возможностей: в приложениях, требующих высокой выходной мощности, при перегрузке усилителя, при обработке необычных сигналов (то есть, не музыкальных), на очень низких частотах, когда корпус обеспечивает незначительную или нулевую акустическую нагрузку (и, следовательно, происходит максимальный ход диффузора), или при выходе усилителя из строя. При высокой громкости звуковая катушка вуфера нагревается, увеличивая свое сопротивление и вызывая "компрессию мощности" – состояние, при котором уровень выходной звуковой мощности снижается после продолжительной работы на высокой мощности. Дальнейший нагрев может привести к физической деформации звуковой катушки, вызывая задиры, короткое замыкание из-за ухудшения изоляции проводов или другие электрические и механические повреждения. Резкий импульс энергии может расплавить участок провода звуковой катушки, приводя к обрыву цепи и выходу вуфера из строя; необходимый уровень энергии будет зависеть от характеристик динамика. В обычных музыкальных приложениях при умеренном уровне громкости номинальная мощность вуфера обычно не имеет значения, однако она остается важной для высокочастотных динамиков. Существуют три типа устойчивости к мощности в динамиках, включая вуферы: тепловая (связанная с нагревом), электрическая (описанные выше) и механическая. Предел механической мощности достигается, когда ход диффузора достигает своего максимального значения. Пределы тепловой мощности могут быть достигнуты, когда на вуфер подается достаточно высокий уровень мощности в течение длительного времени, даже если механические пределы не превышены. Большая часть энергии, подаваемой на звуковую катушку, преобразуется в тепло, а не в звук; все это тепло в конечном итоге передается полюсному наконечнику, остальной магнитной системе и корзине. От конструкции вуфера тепло в конечном итоге рассеивается в окружающий воздух. Некоторые динамики имеют конструктивные особенности для улучшения охлаждения (например, вентилируемые полюсные наконечники магнита, специальные элементы для теплоотвода), чтобы снизить повышение температуры катушки/магнита/корзины во время работы, особенно при высоких уровнях мощности. Если на звуковую катушку подается слишком много энергии по сравнению с ее способностью рассеивать тепло, она в конечном итоге превысит максимально допустимую безопасную температуру. Клей может расплавиться, каркас звуковой катушки может деформироваться или расплавиться, или изоляция между витками звуковой катушки может разрушиться. Любое из этих событий повредит вуфер, возможно, сделав его непригодным для использования.

An important woofer specification is its power rating, the amount of power the woofer can handle without damage. The electrical power rating is not easily characterized and many manufacturers cite peak ratings attainable only for very brief moments without damage. Woofer power ratings become important when the speaker is pushed to extremes: applications requiring high output, amplifier overload conditions, unusual signals (i. e., non musical ones), very low frequencies at which the enclosure provides little or no acoustic loading (and so there will be maximum cone excursion), or amplifier failure. In high volume situations, a woofer's voice coil will heat up, increase its resistance, causing "power compression", a condition where output sound power level decreases after extended high power activity. Further heating can physically distort the voice coil, causing scuffing, shorting due to wire insulation deterioration, or other electrical or mechanical damage. Sudden impulse energy can melt a section of voice coil wire, causing an open circuit and a dead woofer; the necessary level will vary with driver characteristics. In normal listening level music applications, the electrical power rating of woofers is generally unimportant; it remains important for higher frequency drivers. There are three types of power handling in loudspeaker drivers, including woofers: thermal (heat), electrical (both covered above), and mechanical. The mechanical power handling limit is reached when cone excursion extends to its maximum limit. Thermal power handling limits may be reached when fairly high power levels are fed to a woofer for too long, even if not exceeding mechanical limits at any time. Most of the energy applied to the voice coil is converted to heat, not sound; all of the heat is ultimately passed to the pole piece, the rest of the magnet structure, and the frame. From the woofer structure, the heat is eventually dissipated into the surrounding air. Some drivers include provisions for better cooling (e. g., vented magnet pole pieces, dedicated heat conduction structures) to reduce increased coil/magnet/frame temperatures during operation, especially high power level conditions. If too much power is applied to the voice coil as compared to its ability to shed heat, it will eventually exceed a maximum safe temperature. Adhesives can melt, the voice coil former can melt or distort, or the insulation separating the voice coil windings can fail. Each of these events will damage the woofer, perhaps beyond usability.

Приложения для публичного обращения (PA) и приборов измерений

Вуферы, предназначенные для систем звукоусиления (PA) и инструментальных усилителей, по конструкции схожи с домашними аудиовуферами, но обычно более надежны. Типичные конструктивные отличия включают: корпуса, рассчитанные на многократную транспортировку и обращение, более крупные диффузоры для обеспечения более высокого уровня звукового давления, более прочные звуковые катушки для выдерживания большей мощности и более высокая жесткость подвеса. Как правило, домашний вуфер, используемый в PA-приложении или с инструментами, прослужит меньше, чем вуфер, разработанный специально для этих целей. С другой стороны, вуфер для PA-системы, используемый в домашней аудиосистеме, не обеспечит такого же качества звучания, особенно на низкой громкости. Вуфер для PA-системы не сможет воспроизвести ту же высокую точность звука, которая является целью высококачественного домашнего аудио, из-за этих различий. Вуферы для PA-систем обычно отличаются высокой эффективностью и способностью выдерживать большую мощность. Компромиссом высокой эффективности при разумной стоимости обычно является относительно небольшая амплитуда хода диффузора (то есть ограниченная способность двигаться "внутрь и наружу" по сравнению со многими домашними вуферами), поскольку они предназначены для рупорных или больших фазоинверторных корпусов. Они также обычно не подходят для воспроизведения глубокого баса, поскольку последняя октава низкочастотного диапазона значительно увеличивает размер и стоимость, и попытки добиться этого на высоких уровнях, как в PA-системе, становятся все более неэкономичными. Домашний стереовуфер, поскольку он используется при относительно низкой громкости, может воспроизводить очень низкие частоты. По этой причине большинство вуферов для PA-систем не подходят для использования в высококачественных домашних аудиосистемах, и наоборот.

Диапазоны частот

При обычном уровне звукового давления большинство людей могут слышать звуки частотой около 20 Гц. Для точного воспроизведения самых низких тонов динамику низких частот (вуфер) или группу вуферов необходимо перемещать соответствующий объем воздуха – задача, которая становится сложнее на более низких частотах. Чем больше помещение, тем больший объем воздуха должен перемещать вуфер для создания необходимой звуковой мощности на низких частотах.