Динамический излучатель

Динамический излучатель — это тип электроакустического преобразователя, в котором звуковые волны создаются за счёт колебаний механической диафрагмы (диффузора), приводимой в движение катушкой индуктивности, помещённой в постоянное магнитное поле. Является наиболее распространённым типом громкоговорителя, используемым в акустических системах, наушниках и других устройствах воспроизведения звука.

История

Принцип работы динамического излучателя был разработан на основе электродинамического принципа, открытого в XIX веке. В 1874 году немецкий физик Эрнст Вернер фон Сименс впервые запатентовал конструкцию, в которой электрический ток, проходящий через катушку в магнитном поле, вызывал её механическое движение. Однако практическая реализация громкоговорителя стала возможной лишь после изобретения усилителей электрических сигналов.

В 1925 году американские инженеры Честер Райс и Эдвард Келлог из компании General Electric (организация действует на территории РФ) представили первый коммерчески успешный динамический излучатель с бумажным диффузором. Эта конструкция легла в основу всех современных динамических головок. В 1930-х годах компания Western Electric (организация действует на территории РФ) начала массовое производство динамиков для кинотеатров и радиоприёмников. В СССР первые серийные динамические излучатели выпускались с 1930-х годов на Ленинградском заводе «Красный треугольник» и других предприятиях.

Устройство и принцип работы

Динамический излучатель состоит из нескольких ключевых элементов:

• Магнитная система — создаёт постоянное магнитное поле в зазоре. Обычно состоит из постоянного магнита (ферритового, неодимового или самарий-кобальтового) и магнитопровода (стальных пластин и сердечника).
• Звуковая катушка — цилиндрическая обмотка из медного или алюминиевого провода, закреплённая на каркасе. Располагается в магнитном зазоре.
• Диффузор — подвижная мембрана, обычно конической или купольной формы. Изготавливается из бумаги, полипропилена, целлюлозы с добавками, кевлара или других материалов.
• Подвес — эластичный элемент (резиновый, тканевый или полиуретановый), соединяющий край диффузора с корпусом. Обеспечивает возврат диффузора в исходное положение.
• Центрирующая шайба — гофрированная деталь из ткани или пластика, удерживающая звуковую катушку в центре магнитного зазора.
• Корпус (диффузородержатель) — металлическая или пластиковая конструкция, на которой закреплены все элементы.

Принцип работы основан на законе Ампера: при прохождении переменного электрического тока через звуковую катушку, находящуюся в постоянном магнитном поле, возникает сила, заставляющая катушку двигаться вдоль оси. Это движение передаётся диффузору, который колеблется с частотой, соответствующей частоте входного сигнала. Колебания диффузора создают в окружающей среде звуковые волны.

Классификация

Динамические излучатели классифицируются по нескольким признакам.

По диапазону воспроизводимых частот

• Низкочастотные (сабвуферы, вуферы) — воспроизводят частоты от 20–40 Гц до 200–500 Гц. Имеют большой диаметр диффузора (200–380 мм) и массивную магнитную систему.
• Среднечастотные — работают в диапазоне от 200–500 Гц до 2–5 кГц. Диаметр диффузора обычно 100–200 мм.
• Высокочастотные (твитеры) — воспроизводят частоты от 2–5 кГц до 20–25 кГц. Имеют малый диаметр диффузора (15–50 мм), часто купольную форму.
• Широкополосные — рассчитаны на воспроизведение всего слышимого диапазона (от 40–100 Гц до 15–20 кГц) одной головкой. Компромиссный вариант, используемый в бюджетных акустических системах.

По конструкции магнитной системы

• С кольцевым магнитом — наиболее распространённая схема для средне- и низкочастотных динамиков.
• С внутренним магнитом — используется в высокочастотных динамиках и компактных излучателях.
• С магнитной системой на основе неодима — обеспечивает высокую магнитную индукцию при малых габаритах, применяется в портативной акустике и наушниках.

По типу подвеса

• С резиновым подвесом — обеспечивает большой ход диффузора, характерен для сабвуферов.
• С тканевым подвесом — используется в средне- и высокочастотных головках.
• С бумажным подвесом — встречается в старых и бюджетных моделях.

Характеристики

Основные параметры динамического излучателя, определяющие его акустические свойства:

• Номинальная мощность — электрическая мощность, при которой динамик может работать длительное время без повреждений (измеряется в ваттах).
• Максимальная (пиковая) мощность — кратковременная мощность, которую динамик выдерживает без разрушения.
• Чувствительность — уровень звукового давления, создаваемого динамиком при подаче сигнала мощностью 1 Вт на расстоянии 1 м (измеряется в дБ/Вт·м).
• Импеданс — полное электрическое сопротивление динамика переменному току (обычно 4, 8 или 16 Ом).
• Резонансная частота — частота, на которой механическая система диффузора входит в резонанс, что определяет нижнюю границу рабочего диапазона.
• Диаметр диффузора — влияет на способность воспроизводить низкие частоты: чем больше диаметр, тем ниже частоты может воспроизводить динамик.

Применение

Динамические излучатели используются в широком спектре устройств:

• Бытовая акустика — колонки для домашних кинотеатров, стереосистемы, мультимедийные колонки.
• Профессиональная акустика — мониторы для студий звукозаписи, концертные системы, кинотеатральные установки.
• Портативная акустика — Bluetooth-колонки, портативные динамики.
• Наушники — от бюджетных внутриканальных до студийных мониторных моделей.
• Автомобильная акустика — штатные и дополнительно устанавливаемые динамики в автомобилях.
• Промышленное и специальное оборудование — громкоговорители для систем оповещения, радиотрансляционные сети, звуковые маяки.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота и надёжность конструкции.
• Относительно низкая стоимость производства.
• Возможность достижения высокой выходной мощности.
• Широкий частотный диапазон при использовании нескольких головок.
• Хорошая совместимость с большинством усилителей.

Недостатки

• Нелинейные искажения, вызванные неоднородностью магнитного поля и жёсткостью подвеса.
• Ограниченная точность воспроизведения высоких частот по сравнению с электростатическими или ленточными излучателями.
• Зависимость характеристик от температуры звуковой катушки при большой мощности.
• Относительно низкая чувствительность по сравнению с рупорными конструкциями.

Альтернативные типы излучателей

Помимо динамического, существуют другие типы электроакустических преобразователей:

• Электростатические излучатели — используют тонкую мембрану, колеблющуюся в электрическом поле. Отличаются низким уровнем искажений, но требуют высокого напряжения питания.
• Ленточные излучатели — в них звуковая волна создаётся колебаниями тонкой металлической ленты в магнитном поле. Обеспечивают высокую детализацию, но имеют малую выходную мощность.
• Изодинамические (ортодинамические) излучатели — представляют собой плоскую мембрану с напылённой токопроводящей дорожкой, помещённую между магнитами. Сочетают преимущества динамических и электростатических конструкций.
• Пьезоэлектрические излучатели — используют обратный пьезоэлектрический эффект. Компактны, но имеют ограниченный частотный диапазон и высокий уровень искажений.

Интересные факты

• Самый большой динамический излучатель в мире был создан компанией Cerwin-Vega (организация действует на территории РФ) для концертного использования: его диффузор имел диаметр 38 дюймов (около 97 см).
• В СССР выпускались динамические головки с диффузорами из прессованной бумаги с добавлением шёлка, что придавало им характерное «тёплое» звучание, ценимое коллекционерами.
• В современных высококлассных акустических системах для снижения искажений применяются магнитные системы с симметричным полем и диффузоры из многослойных материалов, включая углеродное волокно.

Источники

• Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. «Электроакустика. Теория и практика». — М.: Радио и связь, 1989.
• Эфрусси М. М. «Громкоговорители и их применение». — М.: Энергия, 1976.
• Справочник «Акустические системы и громкоговорители» под ред. Ю. А. Ковалгина. — СПб.: Политехника, 2002.
• Технические описания и каталоги производителей акустического оборудования (JBL, Bowers & Wilkins, Dynaudio).