История развития колонок для компьютера. История музыкальной акустики. Развитие компьютерных колонок

Ирина Алдошина

Дата первой публикации:

Термины, определения, история развития.

Одним из самых знаменитых изобретений ХХ века является громкоговоритель . Именно его появление (наряду с микрофоном) обеспечило возможность развития систем звукозаписи и звуковоспроизведения. В настоящее время громкоговорители относятся к самым массовым видам звуковой аппаратуры (по приблизительным подсчетам их промышленный выпуск достигает 500 млн. штук в год). От качества звучания громкоговорителей в значительной степени зависит качество звука в системах звукоусиления, радиовещания, телевидения, звукозаписи и домашнего воспроизведения.

Именно поэтому исследованием физических процессов преобразования звука в громкоговорителях, созданием их математических моделей и алгоритмов, программных продуктов для их расчета и проектирования занимаются десятки университетов и научных центров, а производством - сотни крупнейших фирм. Неудивительно, что практически на всех международных конгрессах AES (Audio Engineering Society) работают специальные научные секции и семинары, посвященные этим проблемам, а на выставках в рамках этих конгрессов представляются новые модели и технические решения.

В предлагаемой серии статей, посвященной громкоговорителям, будет рассказано о принципах работы, конструкции и технологии современных громкоговорителей и методах их расчета.

В первой статье будут даны основные термины и определения, а также краткая история развития громкоговорителей.

Терминология
Прежде всего, необходимо остановиться на принятой в настоящее время терминологии в международных и отечественных стандартах и технической литературе (поскольку здесь существует большая путаница). В соответствии с международными и отечественными стандартами термин "громкоговоритель" применяется к "устройствам, предназначенным для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащим одну или несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления и электрических устройств (фильтров, регуляторов и т. д.)". Таким образом, этот термин обозначает любой акустический преобразователь, излучающий звук в воздушную среду. Одиночный излучатель обозначается в отечественном стандарте ГОСТ 16122-87 как "головка громкоговорителя" (в зарубежных каталогах иногда используются термины "loudspeaker unit", "loudspeaker drive element" или "driver").

Однако в технической литературе (учебниках, статьях и пр.) термин "громкоговоритель" применяется, в основном, для одиночного громкоговорителя. Устройство, содержащее громкоговорители, фильтры, корпус и другие части, называется "акустическая система". В зависимости от области применения, она может обозначаться как "акустическая система" (в основном, для домашнего применения), "акустический студийный агрегат" ("контрольный агрегат", "монитор"), "звуковая колонка" и т. д. В зарубежной литературе часто используются термины "acoustical system" или "loudspeaker system". Поэтому каждый раз приходится понимать по содержанию, о чем идет речь: о головках громкоговорителей или об акустических системах.

Независимо от области применения (в студийной технике, в системах звукоусиления, в домашних системах звуковоспроизведения) все громкоговорители (акустические системы) состоят из следующих основных элементов (рис. 1):

- излучателей (головок громкоговорителей), каждый из которых (или несколько одновременно) работает в своем частотном диапазоне;
- корпуса , который может состоять как из нескольких отдельных блоков (каждый для излучателей своего диапазона), так и представлять единую конструкцию;
- фильтрующе-корректирующих цепей , а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т. д.);
- звуковых кабелей и входных клемм; усилителей (для активных акустических систем) и кроссоверов (активных фильтров), в случае применения отдельных усилителей для каждой полосы частот.

Набор элементов (количество головок громкоговорителей, использование активных или пассивных фильтров, форма и конструкция корпусов и т. д.) может значительно варьироваться для разных видов акустических систем в зависимости от их назначения, но принципы их построения, методы расчета и технология изготовления во многом похожи.

Прежде чем переходить к анализу этих вопросов, кратко остановимся на истории создания основных элементов громкоговорителей (излучателей, корпусов, фильтров).

История развития
Попытки создания первых излучателей звука начались в конце XIX века. В 1874 году немецкий инженер Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens), основатель компании Siemens, описал магнитоэлектрический аппарат, в котором круглая катушка с намотанной проволокой располагается в радиальном магнитном поле со специальной поддержкой для обеспечения возможности вертикального смещения (патент номер 149797). Он указал тогда, что этот двигательный механизм может использоваться для получения звука, но не продемонстрировал это на практике. В 1877 году Сименс зарегистрировал в Германии и Англии еще два патента, в которых были описаны основные черты электродинамического громкоговорителя, впоследствии использовавшиеся в различных промышленных конструкциях.

В 1876 году американский ученый Александр Белл (Alexander Bell) запатентовал телефон и продемонстрировал его звучание с использованием преобразователя очень похожего типа. В период 1898-1915 годов был зарегистрирован целый ряд патентов (изобретатели Oliver Joseph Lodge, John Matthias Augustus Stroh, Anton Pollak и др.), касающихся введения отдельных элементов: конической диафрагмы, центрирующей шайбы и т. д. Все эти излучатели работали с рупорами, первые образцы которых показаны на рис. 2.

В период 1915-1918 годов инженеры Harold D. Arnold и Henry Egerton из фирмы Bell Labs создали головки громкоговорителей, работающие по принципу "балансной арматуры" (иногда этот принцип называют "уравновешенный якорь", но "балансная арматура" - устоявшийся термин). В этой конструкции переменный ток подавался на обмотку, расположенную на стальном стержне, который двигался за счет взаимодействия с магнитным полем и, соответственно, толкал конус, нагруженный на рупор (рис. 3). Хотя из-за большой жесткости арматуры диапазон воспроизведения был очень ограничен, такое устройство использовалось вплоть до 30-х годов ХХ века. Первые модели рупорных громкоговорителей для систем озвучивания в театрах и на улицах (например, в 1919 году в Нью-Йорке на Park Avenue, в 1920 году в Чикаго на республиканском конгрессе и т. д.) использовали излучатели именно этого типа.

Революционный перелом в развитии электродинамических громкоговорителей произошел в 1925 году, когда инженеры Честер Райс (Chester W. Rice) и Эдвард Келлог (Edward W. Kellogg) из фирмы General Electric (США) опубликовали статью "Заметки по созданию нового типа безрупорного громкоговорителя" в журнале "Труды американского общества электроинженеров" (т. 44, апрель 1925 года). Эти инженеры навсегда вошли в историю звукотехники как первооткрыватели одного из великих изобретений XX века, основные элементы конструкции которого сохранились до настоящего времени. Фактически был создан электродинамический преобразователь со звуковой катушкой и диафрагмой, работающей в диапазоне выше ее резонансной частоты. На этом принципе был разработан первый лабораторный макет громкоговорителя и одновременно собран макет лампового усилителя, обеспечивающего достаточную мощность в полном диапазоне частот.

Уже в 1926 году появилась первая промышленная модель такого громкоговорителя под названием Radiola Model 104 со встроенным усилителем мощностью 1 Вт. Одновременно на рынок был выпущен радиоприемник Radiola 28, который работал с данным громкоговорителем. С этого момента в мире началось массовое производство таких громкоговорителей.

Интересно отметить, что почти одновременно работы по созданию электродинамических громкоговорителей велись и в России. В 1923 году в Петрограде была создана Центральная радиолаборатория (ЦРЛ), позднее переименованная в Институт радиовещательного приема и акустики (ИРПА). С первых дней создания в ИРПА проводились разработки громкоговорителей. В 1926 году был создан электромагнитный громкоговоритель "Рекорд" и электромагнитный рупорный уличный громкоговоритель ТМ, которые начали выпускаться на заводе им. Кулакова. В 1929 году А. А. Харкевич и К. А. Ламагин разработали в ИРПА первый образец динамического громкоговорителя (прямого излучения и рупорного), производство которых было начато в 1931 году на заводе им. Козицкого и на Киевском радиозаводе.

Уже в 1930-32 годах были созданы первые мощные громкоговорители для звукоусиления на Красной площади в Москве (мощностью 100 Вт). С 1935 года в стране начался массовый выпуск электродинамических громкоговорителей. Нужно отметить, что объем их выпуска неуклонно нарастал. К началу 90-х объем выпуска электродинамических громкоговорителей в нашей стране составлял 70 млн. в год (Рязанский радиозавод - объем выпуска 15 млн. в год, Гагаринский радиозавод - 13 млн., Бердский радиозавод, НПО "Радиотехника" в Риге и др.).

С появлением промышленных образцов электродинамических громкоговорителей практически все модели рупорных громкоговорителей стали использовать их в качестве излучателей. Создание рупорных громкоговорителей с конструкцией, близкой к современной, началось с работы инженеров Альберта Тураса (Albert L. Thuras) и Эдварда Венте (Edward Christopher Wente), в 1927 году запатентовавших узкогорлый рупорный громкоговоритель, в котором использовалась предрупорная камера и специальная линза (тело Венте).

Развитие звукового кино потребовало создания акустических систем, обеспечивающих достаточную громкость и разборчивость звука. Это привело к появлению многополосных систем. Одной из первых была продемонстрированная Дугласом Ширером (Douglas Shearer) двухполосная акустическая система, состоящая из низкочастотных свернутых рупоров и высокочастотного многоячеистого рупора с использованием электродинамических громкоговорителей. Система воспроизводила диапазон 40-10000 Гц и имела довольно высокую чувствительность (рис. 4). В 1938 году она получила премию Академии киноискусств и наук, и стала своего рода эталоном для последующего развития многополосных систем озвучивания в кино, театрах и др.

С началом создания многополосных акустических систем появилась необходимость в использовании разделительных фильтров между низко-, средне- и высокочастотными громкоговорителями. Первая статья по теории фильтров для громкоговорителей появилась в 1936 году (авторы John K. Hilliard и Harry R. Kimball). В ней была дана теория расчета фильтров Баттерворта первого-третьего порядка, которые к 50-м годам были признаны как наиболее предпочтительная форма для акустических систем.

В период 1940-50 годов развивались, в основном, мощные рупорные акустические системы и соответствующие головки громкоговорителей для профессиональных целей озвучивания залов кино и театров (фирмы JBL, Altec Lancing и др.).

В домашних условиях использовались большие электродинамические головки без оформления. Однако из-за короткого акустического замыкания в них не удавалось получить низкие частоты. Первые многополосные акустические системы использовали большие корпуса "открытого типа" объемом 300-500 куб. дм (литров), при этом воспроизводимый диапазон частот начинался с 80-100 Гц.

Подлинная революция в бытовой технике началась с 1954 года, когда один из основателей фирмы AR (Acoustical Research) Edgar M. Villchur показал на выставке в Нью-Йорке маленькую акустическую систему AR-1, основанную на совершенно новом принципе, получившем название "акустический подвес" или корпус "компрессионного типа". Идея этого изобретения, открывшего дорогу современным системам домашнего применения, состояла в том, что для получения низких частот использовался корпус маленьких размеров, упругость воздушного объема в котором более чем в три раза превышала упругость подвеса низкочастотного громкоговорителя. В этом случае подвижная система громкоговорителя как бы "садится" на упругую воздушную подушку. Поскольку воздух - среда линейная, то это позволяет увеличить смещение диафрагмы громкоговорителя без увеличения нелинейных искажений и, тем самым, получить воспроизведение низких частот в небольшом объеме.

Создание таких систем потребовало изменения принципов проектирования низкочастотных громкоговорителей, они должны были обладать тяжелой подвижной системой, гибким подвесом, большой звуковой катушкой и магнитной цепью для обеспечения возможности подведения большой мощности от усилителей. Появление маленькой по объему акустической системы, которая уверенно воспроизводила низкочастотную часть диапазона, вызвало изумление специалистов и открыло широкую дорогу для развития домашних акустических систем категории Hi-Fi.

Концепция создания аппаратуры High-Fidelity (высокая верность; то есть аппаратуры, обеспечивающей максимальное соответствие живому звуку), выдвинутая в 60-е годы фирмой KEF (Англия), послужила мощным толчком в развитии как бытовых, так и профессиональных акустических систем: совершенствовании конструкции всех элементов (головок громкоговорителей, корпусов, фильтров), технологии их изготовления, разработке новых методов измерения параметров, а также создании теории их расчета. К производству и разработке громкоговорителей подключились сотни фирм, научных центров и университетов.

Прогресс в развитии корпусов акустических систем был связан, прежде всего, с появлением большого разнообразия их конструкций: наряду с закрытыми корпусами компрессионного типа (о которых сказано выше), в 1959 году инженер James F. Novak из компании Jensen представил концепцию создания корпусов с фазоинвертором (идея была запатентована Альбертом Турасом еще в 1930 году), что позволило увеличить уровень звукового давления в области низких частот.

В настоящее время используется большое многообразие конструкций низкочастотных оформлений: с пассивным излучателем, с двойной камерой, типа "лабиринт", типа "полосовой фильтр" и др. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки (об этом поговорим в следующих статьях). Принципиально важным этапом в их развитии явилась создание в 1971-1973 годах теории расчета низкочастотных оформлений (авторы Neville Thiele и Richard Small), основанной на аналогии с теорией фильтров. Это позволило перевести на научную основу проектирование корпусов, создать соответствующие компьютерные программы, которые широко используются в практике проектирования громкоговорителей. Для обеспечения качественного воспроизведения средних и высоких частот были отработаны различные способы звуко- и виброизоляции, а также созданы овальные формы корпусов (в основном для высокочастотных громкоговорителей) для снижения дифракционных искажений.

Поскольку подавляющее большинство акустических систем строилось по многополосному принципу, это обусловило значительный прогресс в создании разделительных фильтров, которые стали выполнять не только функции разделения частотной полосы между низко-, средне- и высокочастотными громкоговорителями, но симметризировать характеристику направленности в области полосы разделения. В настоящее время имеется большое количество компьютерных программ, которые позволяют оптимизировать параметры фильтров, например, CACD, CALSOD, Filter Designer and LEAP4.0 и др.

Существенные изменения произошли и в головках громкоговорителей. Наряду с электродинамическими, начали выпускаться излучатели, построенные на других принципах преобразования: электростатические, излучатели Хейла, пьезопленочные и т. д. (подробнее о них поговорим в следующих статьях).

Что касается электродинамических громкоговорителей, то предложенная Райсом и Келлогом конструкция оказалась настолько удачной, что принципиальных изменений в ней не произошло, прогресс шел в основном в области технологии.

Можно отметить следующие оригинальные конструкторские решения, появившиеся в 50-70 годах.

В 1958 году Edgar Villchur представил модель акустической системы AR-3 с принципиально новым по конструкции высокочастотным излучателем: диафрагма была изготовлена в виде купола, центрирующая шайба отсутствовала, а звуковая катушка крепилась прямо к диафрагме. Появление такой конструкции решило очень важную проблему: расширения характеристики направленности в области высоких частот за счет применения небольшой по размерам полусферической диафрагмы.

Появились мощные низкочастотные громкоговорители с диафрагмами, имеющими специальные ребра жесткости; примером может служить модель коаксиального излучателя RCA-15, которую предложил инженер Harry Ferdinand Olson в 1954 году.

Появилась принципиально новая конструкция коаксиального громкоговорителя, созданная фирмой Tannoy (Англия) в 1947 году (рис. 5). Идея состояла в том, чтобы ликвидировать разнесение источников низких и высоких частот в пространстве и добиться излучения их из одной точки, что ликвидирует фазовые сдвиги между ними и улучшает характеристики направленности. В такой конструкции высокочастотный громкоговоритель с купольной диафрагмой и специальным распределителем излучал через отверстие в керне низкочастотного громкоговорителя, диффузор которого служит для него рупором.

Были разработаны конструкции громкоговорителей (сначала высокочастотных, затем и средне-низкочастотных) с использованием специальной магнитной жидкости (ferrofluid) в зазоре для отвода тепла и повышения демпфирования при больших амплитудах.

Последние достижения
Основные успехи в развитии электродинамических громкоговорителей за последние десятилетия были достигнуты в технологии. Возросшие мощности усилителей (300-500 Вт), требования к неискаженной передаче больших динамических диапазонов (максимальный уровень звукового давления ~130-140 дБ), к снижению уровня линейных и нелинейных искажений, привели к существенным изменениям как в выборе материалов, так и в технологии изготовления многих элементов электродинамических громкоговорителей.

В низкочастотных громкоговорителях технологические изменения коснулись всех элементов. Подвесы начали изготавливаться из специальных материалов (натуральных резин, пенополиуретанов, прорезиненных тканей, натуральных и синтетических тканей со специальными демпфирующими покрытиями) и приобрели особую форму: полутороидальные, sin-образные, S-образные и др. Диафрагмы низкочастотных громкоговорителей (первые из которых в 20-е годы делали из пергамента или натуральной кожи) в настоящее время изготавливаются из довольно сложных композиций на основе натуральной длинно-волокнистой целлюлозы с различными добавками, повышающими ее прочность, жесткость и демпфирующие свойства (например, волокнами шерсти, льна, углестекловолокна, графитовыми чешуйками, металлическими волокнами, влагозащитными и демпфирующими пропитками). О степени сложности таких композитов можно судить по тому, что в них используются до 10-15 составляющих.

Однако, наряду с композициями из натуральных целлюлоз, для диафрагм низкочастотных громкоговорителей применялись и применяются различные композиционные материалы, как правило, разработанные ранее для аэрокосмической и военной техники: многослойные сотовые материалы, вспененные металлы и т. д. В настоящее время для диафрагм низкочастотных громкоговорителей многими известными фирмами (JAMO, KEF, Cabasse, Tannoy и т. д.) все шире применяются синтетические пленочные композиции на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) и композиционные материалы на основе высокомодульной ткани "кевлар" (В&W, Audix и т. д.).

Применение таких диафрагм позволяет обеспечить в лучших моделях низкочастотных громкоговорителей гладкие АЧХ до 1500...2500 Гц, что почти на две октавы выше частот раздела, часто используемых в трехполосных акустических системах (400...600 Гц). Примером современной конструкции низкочастотного громкоговорителя может служить одна из последних моделей низкочастотного излучателя фирмы JBL, показанная на рис. 6. В ней используется магнитная цепь с неодимовым магнитом, звуковая катушка с двойной обмоткой, что позволяет работать при больших мощностях без искажений, диафрагма из композитного материала с угольными волокнами и другие достижения современных технологий.

Особые изменения произошли в технологии изготовления высокочастотных громкоговорителей, где современные достижения космической техники находят особенно эффективное применение. Примером одной из самых современных конструкций может служить высокочастотный громкоговоритель фирмы Tannoy модель Prestige ST-200, где используется купольная диафрагма диаметром 25 мм и толщиной 25 мк, изготовленная из титана с напыленным слоем золота, магнит из неодима и др., что позволило получить совершенно уникальные параметры: частотный диапазон до 54 кГц при неравномерности -6 дБ, до 100 кГц при неравномерности -18 дБ, паспортная мощность 135 Вт (пиковая 550 Вт), чувствительность 95 дБ/В/м.

Если сравнить конструкции последних двух громкоговорителей с первыми моделями электродинамических громкоговорителей, то видно, какой путь прошло это изделие за почти сто лет с момента своего создания и каких параметров удалось достичь.

Профессиональные громкоговорители для систем озвучивания и звукоусиления развивались в основном по пути увеличения мощности и формирования заданной характеристики направленности. Создано большое разнообразие видов рупоров: дифракционные, радиальные, равномерного покрытия, свернутые и т. д. Появились новые виды излучателей - мощные линейные массивы, состоящие из отдельных активных многополосных блоков с управляемой характеристикой направленности.

Если проанализировать основные направления в развитии громкоговорителей на современном этапе (например, по материалам конгрессов AES за последние годы), то можно выделить следующие тенденции:
- появление новых параметров, значительно лучше коррелирующих со слуховым восприятием,
- создание новой цифровой метрологии, позволяющей проводить измерения более широкого круга параметров в незаглушенных помещениях,
- использование методов цифровой фильтрации для снижения линейных и нелинейных искажений,
- поиски путей создания цифровых громкоговорителей,
- разработка адаптивных цифровых процессоров для согласования параметров громкоговорителей с характеристиками помещения, в которых они установлены.

Подробнее об особенностях конструкции, технологии, методах уменьшения искажений в современных электродинамических громкоговорителях будет рассказано в следующих статьях цикла.

Для начала расставим все точки над "i" и разберёмся в терминологии.

Электродинамический громкоговоритель, динамический громкоговоритель, динамик, динамическая головка прямого излучения – это разнообразные названия одного и того же прибора служащего для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в колебания воздуха, которые и воспринимаются нами как звук.

Звуковые динамики или по-другому динамические головки прямого излучения вы не раз видели. Они активно применяются в бытовой электронике. Именно громкоговоритель преобразует электрический сигнал на выходе усилителя звуковой частоты в слышимый звук.

Стоит отметить, что КПД (коэффициент полезного действия) звукового динамика очень низкий и составляет около 2 – 3%. Это, конечно, огромный минус, но до сих пор ничего лучше не придумали. Хотя стоит отметить, что кроме электродинамического громкоговорителя существуют и другие приборы для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в акустические колебания. Это, например, громкоговорители электростатического, пьезоэлектрического, электромагнитного типа, но широкое распространение и применение в электронике получили громкоговорители электродинамического типа.

Как устроен динамик?

Чтобы понять, как работает электродинамический громкоговоритель, обратимся к рисунку.

Динамик состоит из магнитной системы – она расположена с тыльной стороны. В её состав входит кольцевой магнит . Он изготавливается из специальных магнитных сплавов или же магнитной керамики. Магнитная керамика – это особым образом спрессованные и «спечённые» порошки, в составе которых присутствуют ферромагнитные вещества – ферриты. Также в магнитную систему входят стальные фланцы и стальной цилиндр, который называют керном . Фланцы, керн и кольцевой магнит формируют магнитную цепь.

Между керном и стальным фланцем имеется зазор, в котором образуется магнитное поле. В зазор, который очень мал, помещается катушка. Катушка представляет собой жёсткий цилиндрический каркас, на который намотан тонкий медный провод. Эту катушку ещё называют звуковой катушкой . Каркас звуковой катушки соединяется с диффузором – он то и «толкает» воздух, создавая сжатия и разряжения окружающего воздуха – акустические волны.

Диффузор может выполняться из разных материалов, но чаще его делают из спрессованной или отлитой бумажной массы. Технологии не стоят на месте и в ходу можно встретить диффузоры из пластмассы, бумаги с металлизированным покрытием и других материалов.

Чтобы звуковая катушка не задевала за стенки керна и фланец постоянного магнита её устанавливают точно в середине магнитного зазора с помощью центрирующей шайбы . Центрирующая шайба гофрирована. Именно благодаря этому звуковая катушка может свободно двигаться в зазоре и при этом не касаться стенок керна.

Диффузор укреплён на металлическом корпусе – корзине . Края диффузора гофрированы, что позволяет ему свободно колебаться. Гофрированные края диффузора формируют так называемый верхний подвес , а нижний подвес – это центрирующая шайба.

Тонкие провода от звуковой катушки выводятся на внешнюю сторону диффузора и крепятся заклёпками. А с внутренней стороны диффузора к заклёпкам крепится многожильный медный провод. Далее эти многожильные проводники припаиваются к лепесткам, которые закреплены на изолированной от металлического корпуса пластинке. За счёт контактных лепестков, к которым припаяны многожильные выводы звуковой катушки, динамик подключается к схеме.

Как работает динамик?

Если пропустить через звуковую катушку динамика переменный электрический ток, то магнитное поле катушки будет взаимодействовать с постоянным магнитным полем магнитной системы динамика. Это заставит звуковую катушку либо втягиваться внутрь зазора при одном направлении тока в катушке, либо выталкиваться из него при другом. Механические колебания звуковой катушки передаются диффузору, который начинает колебаться в такт с частотой переменного тока, создавая при этом акустические волны.

Обозначение динамика на схеме.

Условное графическое обозначение динамика имеет следующий вид.

Рядом с обозначением пишутся буквы B или BA , а далее порядковый номер динамика в принципиальной схеме (1, 2, 3 и т.д.). Условное изображение динамика на схеме очень точно передаёт реальную конструкцию электродинамического громкоговорителя.

Основные параметры звукового динамика.

Основные параметры звукового динамика, на которые следует обращать внимание:

Но кроме активного сопротивления звуковая катушка обладает ещё и реактивным сопротивлением. Реактивное сопротивление образуется потому, что звуковая катушка, это, по сути, обычная катушка индуктивности и её индуктивность оказывает сопротивление переменному току. Реактивное сопротивление зависит от частоты переменного тока.

Активное и реактивное сопротивление звуковой катушки образует полное сопротивление звуковой катушки. Оно обозначается буквой Z (так называемый, импеданс ). Получается, что активное сопротивление катушки не меняется, а реактивное сопротивление меняется в зависимости от частоты тока. Чтобы внести порядок реактивное сопротивление звуковой катушки динамика измеряют на фиксированной частоте 1000 Гц и прибавляют к этой величине активное сопротивление катушки.

В итоге получается параметр, который и называется номинальное (или полное) электрическое сопротивление звуковой катушки. Для большинства динамических головок эта величина составляет 2, 4, 6, 8 Ом. Также встречаются динамики с полным сопротивлением 16 Ом. На корпусе импортных динамиков, как правило, указывается эта величина, например, вот так – 8Ω или 8 Ohm .

Стоит отметить тот факт, что полное сопротивление катушки где-то на 10 – 20% больше активного. Поэтому определить его можно достаточно просто. Нужно всего лишь измерить активное сопротивление звуковой катушки омметром и увеличить полученную величину на 10 – 20%. В большинстве случаев можно вообще учитывать только чисто активное сопротивление.

Номинальное электрическое сопротивление звуковой катушки является одним из важных параметров, так как его необходимо учитывать при согласовании усилителя и нагрузки (динамика).

Диапазон частот – это полоса звуковых частот, которые способен воспроизвести динамик. Измеряется в герцах (Гц). Напомним, что человеческое ухо воспринимает частоты в диапазоне 20 Гц – 20 кГц. И, это только очень хорошее ухо:).

Никакой динамик не способен точно воспроизвести весь слышимый частотный диапазон. Качество звуковоспроизведения будет всё-равно отличаться от того, что требуется.

Поэтому слышимый диапазон звуковых частот условно разделили на 3 части: низкочастотную (НЧ ), среднечастотную (СЧ ) и высокочастотную (ВЧ ). Так, например, НЧ-динамики лучше всего воспроизводят низкие частоты – басы, а высокочастотные – «писк» и «звон» – их поэтому и называют пищалками. Также, есть и широкополосные динамики. Они воспроизводят практически весь звуковой диапазон, но качество воспроизведения у них среднее. Выигрываем в одном – перекрываем весь диапазон частот, проигрываем в другом – в качестве. Поэтому широкополосные динамики встраивают в радиоприёмники, телевизоры и прочие устройства, где порой не требуется получить высококачественный звук, а нужна лишь чёткая передача голоса и речи.



Для качественного воспроизведения звука НЧ, СЧ и ВЧ-динамики объединяются в едином корпусе, снабжаются частотными фильтрами. Это акустические системы. Так как каждый из динамиков воспроизводит только свою часть звукового диапазона, то суммарная работа всех динамиков значительно увеличивает качество звука.

Как правило, низкочастотные динамики рассчитаны на воспроизведение частот от 25 Гц до 5000 Гц. НЧ-динамики обычно имеют диффузор большого диаметра и массивную магнитную систему.

Динамики СЧ рассчитаны на воспроизведение полосы частот от 200 Гц до 7000 Гц. Габариты их чуть меньше НЧ-динамиков (зависит от мощности).

Высокочастотные динамики прекрасно воспроизводят частоты от 2000 Гц до 20000 Гц и выше, вплоть до 25 кГц. Диаметр диффузора у таких динамиков, как правило, небольшой, хотя магнитная система может быть достаточно габаритная.

Номинальная мощность (Вт) – это электрическая мощность тока звуковой частоты, которую можно подвести к динамику без угрозы его порчи или повреждения. Измеряется в ваттах (Вт ) и милливаттах (мВт ). Напомним, что 1 Вт = 1000 мВт. Подробнее о сокращённой записи числовых величин можно прочесть .

Величина мощности, на которую рассчитан конкретный динамик, может быть указана на его корпусе. Например, вот так – 1W (1 Вт).



Это значит, что такой динамик можно легко использовать совместно с усилителем, выходная мощность которого не превышает 0,5 – 1 Вт. Конечно, лучше выбирать динамик с некоторым запасом по мощности. На фото также видно, что указано номинальное электрическое сопротивление – 4Ω (4 Ом).

Если подать на динамик мощность большую той, на которую он рассчитан, то он будет работать с перегрузкой, начнёт «хрипеть», искажать звук и вскоре выйдет из строя.

Вспомним, что КПД динамика составляет около 2 – 3%. А это значит, что если к динамику подвести электрическую мощность в 10 Вт, то в звуковые волны он преобразует лишь 0,2 – 0,3 Вт. Довольно немного, правда? Но, человеческое ухо устроено весьма изощрённо, и способно услышать звук, если излучатель воспроизводит акустическую мощность около 1 – 3 мВт на расстоянии от него в несколько метров. При этом к излучателю – в данном случае динамику – нужно подвести электрическую мощность в 50 – 100 мВт. Поэтому, не всё так плохо и для комфортного озвучивания небольшой комнаты вполне достаточно подвести к динамику 1 – 3 Вт электрической мощности.

Это всего лишь три основных параметра динамика. Кроме них ещё есть такие, как уровень чувствительности, частота резонанса, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), добротность и др.

Важнейшие элементы конструкции громкоговорителей остались неизменными с момента их изобретения в начале прошлого века. Современная электроакустика появилась на рынке с изобретением А. Г. Беллом и Т. Ватсоном телефона в 1876 году. И хотя с тех пор совершенствование электроакустических преобразователей (то есть громкоговорителей) было темой бесконечной череды научных изысканий и статей, значительно большей, чем посвященных любому другому элементу звукоусилительного тракта, кардинальных изменений практически нет.

История динамиков началась в далеком 19 веке. Первая заявка на патент на электродинамическую конструкцию с подвижной катушкой была подана в 1877 году, а на электродинамический громкоговоритель — в 1898 году. Однако практического применения эти изобретения тогда не получили — еще не было достаточно мощного источника, который позволил бы раскачать головку громкоговорителя с подвижной катушкой.

Коммерческие модели появились только в 20-х годах, когда стали доступны ламповые усилители. В первых электродинамических громкоговорителях катушки были высокоомные, использовались тканая подвеска и электромагниты с питанием постоянным током. Некоторые историки техники указывают, что первой электродинамическую головку в максимальном приближении к ее современной конструкции запатентовала в 1925 году фирма General Electric .

Внешне конструкции динамических головок для воспроизведения низких и высоких частот различаются, но содержат одни и те же компоненты. НЧ - головка имеет металлическую (реже пластиковую) раму, которую также называют корзиной за ее форму или диффузородержателем — это уже ее назначение. Окна диффузородержателя обеспечивают свободное движение воздуха у задней стороны диффузора. При отсутствии окон воздух мог бы воздействовать на подвижную систему как дополнительная акустическая нагрузка, уменьшая отдачу в области низких частот. Технология изготовления диффузородержателя определяется мощностью и размерами головки. Основное требование — обеспечение жесткой конструкции, свободной от вибраций, способных вызвать призвуки. С этой точки зрения лучше использовать литые конструкции из металлов или композитных материалов. На раме закрепляется конический диффузор, обычно изготавливаемый из бумаги (на самом деле — из измельченной древесины), чистого или с наполнителем пластика и реже — металла или керамики. К задней (более узкой) части конуса прикрепляется гильза (бумажная с пропиткой или металлическая), на которую наматывается звуковая катушка.

Звуковая катушка наматывается обычно в два (реже — четыре) слоя медным или алюминиевым проводом в эмалевой изоляции на каркас (гильзу) и закрепляется на нем лаком. Обычно используется стандартный провод круглого сечения, но для очень мощных головок применяется провод с прямоугольным сечением, обеспечивающим почти 100-процентное заполнение зазора.При сборке подвижной части головки широко используются современные материалы. Например, для приклеивания каркаса звуковой катушки к керамическому или металлическому купольному диффузору используются полимерные клеи с ультрафиолетовым отверждением. Выводы катушки с помощью специальных очень гибких проводов подключаются к контактам на плате соединений.

Несмотря на непрерывные исследования в области материаловедения, для большинства НЧ - и СЧ - головок, имеющих схожую конструкцию, но отличающихся размерами, используются конические диффузоры из бумажной массы. Кроме этого, используются такие материалы как полипропилен, бекстрен, а в последнее время и легкие металлы (алюминий, титан, магний). Фирмы с именем и историей, имеющие собственные исследовательские центры или заказывающие разработку, активно экспериментируют с различными наполнителями и композиционными материалами, создавая комбинированные диффузоры. Тут в качестве наиболее известного примера можно привести СЧ -головки B&W с диффузором из тканого кевлара с пропиткой.Конусы с прямолинейной образующей использовались в низкочастотных головках только в самых первых головках. Жесткости такой конструкции не хватает на весь рабочий диапазон частот, и выше некоторой частоты излучение приобретает изгибной характер: реально работает только центральная его часть. Диффузор оказывается слишком тяжел и слишком мягок, чтобы точно следовать за перемещением катушки. Он просто не успевает полностью отклониться и вернуться, а изгибные колебания порождают призвуки и дополнительное окрашивание звука.

Самый простой и древний способ борьбы с этим явлением — формирование в процессе изготовления на поверхности конуса серии концентрических канавок. В современных громкоговорителях используется целый комплекс мер для подавления параметрических резонансов. Во-первых, практически все диффузоры имеют криволинейную образующую. Во-вторых, все больше из них изготавливаются из материалов, эффективно гасящих продольные колебания и, кроме того, они имеют переменное сечение: у катушки оно больше, а у подвеса меньше. Конечно, все зависит от выбранного материала. Для бумажного диффузора подойдет специальная пропитка, а для слоистой или композитной структуры важно сочетание физико-механических свойств составляющих ее материалов. Поскольку диапазон воспроизводимых частот головки громкоговорителя определяется областью поршневого движения его диффузора, важно чтобы он был максимально жестким, но при этом еще имел бы и минимальную массу.
Внешний подвес диффузора, который обеспечивает его поступательное движение при работе, может быть выполнен как единое целое с диффузором (в виде гофра с одной или несколькими канавками) или как автономное кольцо из резины, каучука, полиуретана и других материалов с аналогичными свойствами, которое затем приклеивается к внешнему краю диффузора. Подвес, особенно низкочастотной головки, должен обладать большой гибкостью: это обеспечивает низкую частоту собственного резонанса. Практически сразу ниже этой частоты эффективность головки резко падает, то есть собственный резонанс определяет границу воспроизведения басов.

Второе основное требование к подвесу — упругие свойства должны сохранять линейность во всем диапазоне перемещений подвижной системы громкоговорителя.

Достаточно долго высокочастотные головки имели такой же конический диффузор, только меньшего размера. Однако сегодня наиболее распространенным у ВЧ - головок является купольный диффузор. Он может быть мягкий (из текстиля, например шелка с пропиткой) или жесткий — из металла или керамики. Конструкция типичного ВЧ - динамика отличается не только размером диффузора. Обычно купольный диффузор с подвеской изготавливается как единое целое, к которому приклеивается гильза со звуковой катушкой. При этом в конструкции отсутствует гибкая центрирующая шайба. Магнитная система, как и диффузор, закрепляется на пластине переднего фланца.

Купольные диффузоры, которые могут быть выпуклыми или реже вогнутыми, изготавливаются прессованием из натуральных или синтетических тканей с обязательной последующей пропиткой. Все большее распространение получают диффузоры ВЧ - головок из синтетических полимерных пленок или металлической фольги. Для повышения жесткости диффузоры изготавливают методом осаждений из паровой фазы различных материалов: бора, бериллия, золота и даже алмаза. Существуют многочисленные примеры купольных диффузоров из керамики, которая, по сути, является окислом металлов, например, алюминия.

Центрирующая шайба — непременная часть НЧ - или СЧ - головки; ее задача обеспечить правильное положение гильзы со звуковой катушкой в воздушном зазоре магнитной системы. Требования к шайбе такие же, как и к подвесу — максимальная гибкость в осевом направлении и сохранение линейности во всем диапазоне перемещений, дополняются еще и требованием максимальной жесткости в радиальном направлении. Для повышения эффективности головки зазор должен быть минимальным, и малейшее смещение в радиальном направлении неминуемо приведет к заклиниванию звуковой катушки. На всем пути совершенствования головок центрирующая шайба изготавливалась из разных материалов (картона, бумаги, текстолита, ткани). Сегодня практически все головки имеют центрирующую шайбу с концентрическими канавками, прессованную из ткани с последующей пропиткой.

Важнейший элемент конструкции и динамика, который во многом определяет ее электроакустические характеристики, — это магнитная система. Она образуется кольцевым магнитом, расположенным между двумя кольцевыми фланцами и цилиндрическим керном, который образует с передним фланцем воздушный зазор. Конструкция магнитной системы с керновым магнитом, широко распространенная в середине прошлого века, ныне в головках, предназначенных для многополосных акустических систем, практически не используется. Магнитная система создает в зазоре постоянное магнитное поле. При подаче сигнала на катушку ее магнитное поле взаимодействует с полем магнитной системы, заставляя ее перемещаться в зависимости от направления тока вперед и назад и двигать прикрепленный к ней диффузор. Зазор должен быть как можно меньше: так повышается эффективность взаимодействия катушки и постоянного магнита.

Магнитное поле системы с кольцевым магнитом не замыкается полностью в магнитопроводах. Эта конструкция имеет внешнее поле рассеяния, которое может влиять на другие устройства, например, кинескоп цветного телевизора. Поэтому в случае использования таких динамиков в акустических системах домашнего кинотеатра требуется дополнительный магнитный экран, представляющий собой стакан из магнитомягкого материала, которым закрывают снаружи всю магнитную систему.

Форма полюсных наконечников (отверстия верхнего фланца) и керна определяет величину магнитной индукции в воздушном зазоре и равномерность распределения в нем магнитного потока. От размеров элементов магнитной системы и ширины воздушного зазора зависит степень нагрева звуковой катушки и, следовательно, ее термостойкость. Здесь сталкиваются противоречивые требования. Для улучшения вентиляции нужно увеличить зазор, но это снижает чувствительность головки и требует увеличения магнита. Тут появляется поле деятельности для поиска компромиссного инженерного решения. Поэтому, например, в мощных НЧ - головках диаметр катушки больше, и часто используются два кольцевых магнита.

Как известно, для эффективной работы НЧ - головки необходимо, чтобы звуковые волны от передней и задней стороны диффузора были изолированы (см. «Акустическое оформление», S&V, 4/2004). Поэтому центральное отверстие конического диффузора закрывают колпачком, который из-за дополнительной функции называется пылезащитным. В некоторых конструкциях в центральном сердечнике магнитной системы делают отверстие, закрытое звукопоглотителем, а в качестве материала колпачка используют плотную ткань или нетканый материал с большим акустическим сопротивлением. Поршневое движение диффузора в широкой полосе частот возможно только при его идеальной жесткости. Для реальных диффузоров из-за возникновения продольных колебаний диффузора эффективная полоса существенно сужается. Заметим, что и для идеального диффузора полоса ограничена его физическими размерами, но уже по другой причине. Скорость звука в воздухе имеет конечное значение около 340 м/с при комнатной температуре. При некоторой частоте длина звуковой волны становится соизмерима с размером диффузора и даже меньше его. На практике это проявляется как сужение диаграммы направленности динамической головки с повышением частоты. То есть чем выше частота, тем ближе к оси головки должен находиться слушатель, чтобы услышать высокие частоты. Так для диффузора диаметром 10 дюймов (250 см) теоретическая максимальная частота, на которой диаграмма акустического излучения сжимается до узкого луча, равна 1335 Гц.

Для наиболее часто используемого размера 8 дюймов (200 мм) она составит уже 2015 Гц, для головки с диффузором 5 дюймов (125 мм) — 3316 Гц, а для типичного твитера диаметром 1 дюйм (25 мм) — 13680 Гц. На низких и средних частотах конструкторы стараются не заставлять головки работать выше этих частот. Для ВЧ - головок приходится идти на технические хитрости. Как правило, перед диффузором устанавливается рассекатель той или иной формы, в зависимости от того, в какой плоскости необходимо расширить диаграмму направленности излучения. В нашем примере конструкции ВЧ - головки шестилучевой рассекатель обеспечивает оптимальное рассеивание, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. В СЧ -головках для расширения диаграммы также используют рассекатели в виде конусов со сложной образующей.

Очень важным параметром динамиков является линейность его амплитудной характеристики. Это зависимость звукового давления от амплитуды колебания диффузора. В некотором диапазоне средних значений все работает нормально. Однако при малых значениях входного сигнала силы взаимодействия поля катушки и постоянного магнита не хватает на преодоление упругих сил подвеса. Это проявляется на слух как ухудшение воспроизведения низких частот при малых уровнях сигнала. При больших амплитудах катушка выходит за пределы поля магнита в зазоре, что резко увеличивает уровень нелинейных искажений. Амплитуда перемещения диффузора, в пределах которой амплитудная характеристика головки сохраняет линейность, очень небольшая. Для НЧ - головок она редко превышает 6 мм, а для ВЧ - головок — 0,3 мм. Благодаря столь малому ходу для улучшения теплопередачи в ВЧ - головках зазор магнитной системы заполняют магнитной жидкостью, которая представляет собой смесь силиконовой смазки и мельчайшего порошка ферромагнитного материала. Однако их применение ограничивает срок службы головки из-за значительного увеличения со временем вязкости смазки.

Выбор акустики остается самым важным среди других компонентов системы для окончательного звучания, которое вы хотите получить в своей комнате прослушивания. Кроме всего прочего, для акустических систем очень велик диапазон цен: от менее $100 до более чем $70000 за пару. Возникает вопрос, что там такое внутри, если столь велика цена. Ответ так же прост, как и в случае с дорогими усилителями. Более дорогие акустические системы выпускаются малыми партиями, в них установлены сделанные на заказ головки (и, кроме того, тщательно отобраны по параметрам) и высококлассные корпуса, чаще всего ручной работы. В общем случае вы видите, за что платите деньги, но тональные характеристики акустических систем индивидуальны: отличия от образца к образцу возможно больше, чем у всех остальных компонентов системы звуковоспроизведения. Необходимо слушать и слушать различные системы, чтобы наконец найти ту одну, звук которой наиболее приятен вашему уху. Одна акустика дает яркий звук на высоких, другая — жесткое звучание на средних, а третья — очень глубокий бас. Хотя, конечно, существуют системы с более нейтральным (тонально правильным) звуком, но громкоговорителя, воспроизводящего правильно весь звуковой диапазон (тот, что слышит человеческое ухо), нет. Все они окрашивают звук в разной степени, которая зависит от их цены. Иногда тональная окраска специально добавляется в соответствии со вкусом создателя акустической системы. Поиски акустики, удовлетворяющей ваш вкус, требуют усилий и времени.

Алексей Грудинин (Stereo&Video)

История создания акустических систем начинается с попытки преобразовать электрические сигналы в звуковые еще в середине ХІХ века. Именно тогда, в 1849 г. итальянец Антонио Меуччи, проживавший сначала на Кубе, а затем в США, изобрел аппарат, способный передавать звук по проводам, который он назвал телектрофоном.

Но продвинуть свое изобретение в массы у Меуччи никак не получалось. Денег на оформление патента у него не было, но итальянец не отчаивался. Он подавал заявки на свое изобретение снова и снова, а позже попытался заинтересовать новинкой телеграфную компанию «Вестерн Юнион». Чертежи у него приняли, но испытания все время откладывали. В конце концов, у Меуччи лопнуло терпение, и он решил забрать чертежи обратно. Но в компании сообщили, что его бумаги…утеряны.

В 1876 г. американские газеты сообщили об изобретении телефона Александром Беллом. Прочитав новость, Меуччи заподозрил, что у него просто украли идею, и подал в суд на «Вестерн Юнион». После многолетней тяжбы в 1887 г. он все-таки выиграл процесс. Но к тому времени патент на изобретение уже истек, и итальянец смог получить разве что моральное удовлетворение. Прошло больше ста лет, прежде чем американский конгресс вынес решение о том, что именно Меуччи, а не Белл, является изобретателем телефона.

Впрочем, вопрос о том, кто же был первым в создании акустических систем, на самом деле очень условный. Ведь этим занимались изобретатели разных стран. Так, еще в 1861 г. аппарат, передающий звуки с помощью электричества, создал немецкий физик Иоганн Рейс. Собственно, именно он и придумал название «телефон». Но его изобретение было недостаточно чувствительным: хорошо передавались лишь громкие звуки музыкальных инструментов, а вот человеческую речь было слышно плохо. Изобретением Рейса заинтересовались и знаменитый Томас Эдисон, и тогда еще малоизвестный Александр Белл. Самому же физику не повезло: проблемы со здоровьем свели его в могилу, и ничего изобрести он больше не успел.

Впрочем, тогдашние акустические системы могли и не иметь отношения к электричеству. Первые устройства звукозаписи и звуковоспроизведения приводились в движение механически. Так, например, было со знаменитым фонографом Эдисона, который представили публике в 1877 г. В этом устройстве звук записывался с помощью движения иглы, соединенной с мембраной, по барабану, покрытому фольгой или воском. Эта же игла, двигаясь по уже вычерченной дорожке, воспроизводила звук. Вскоре фонограф вытеснило другое устройство – граммофон. Здесь связанный с мембраной резец записывал звук, процарапывая спиральный след на лаковом диске. Затем этот диск можно было использовать как штамп для печатания пластинок. Вскоре граммофоны и их переносные версии – патефоны – получили огромное распространение.

И все же идея использования электричества для излучения звука оказалась более живучей и перспективной. Основные принципы работы такого устройства изложил еще в 1874 г. немецкий инженер Эрнст Вернер фон Сименс, основатель одноименной компании. В описанном им аппарате катушка с обмоткой должна была двигаться под действием электрического тока. Изобретатель утверждал, что колебания катушки можно использовать для получения звука, но показать это на практике не смог. Частично это сделал в своем телефоне уже знакомый нам Александр Белл. В 1915-1918 гг. эти разработки продолжили инженеры фирмы Белла, и вскоре на улицах городов появились первые рупорные громкоговорители.

Но диапазон частот у этих устройств был очень узким. Выход нашли американцы Честер Рейс и Эдвард Келлог из компании «Дженерал электрик». В 1924 г. они сконструировали электродинамический излучатель, в котором диафрагма могла работать в диапазоне выше своей резонансной частоты. Уже через два года это устройство появилось в промышленных громкоговорителях Radiola Model 104, а также в радиоприемнике Radiola 28. В 1927 г. в конструкции головки громкоговорителя появился постоянный магнит, что способствовало улучшению качества звука. С тех пор акустические системы претерпели массу изменений, но принцип их работы до сих пор остается все тем же.