динамики и колонки чем отличаются
Акустические системы: типы динамиков (часть 3)
В прошлый раз мы разобрались, по крайней мере, в общих чертах, в конструкции динамика. Основные ее элементы — общие для всех типов динамиков, но главное, как всегда, кроется в различиях. О них и стоит рассказать подробнее.
Широкополосник
Частотный диапазон, воспринимаемый человеческим слухом, как уже говорилось, находится в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Логичнее всего было бы иметь такой динамик, который способен воспроизвести его полностью. И такие динамики есть. Они называются широкополосными.
Вопрос в том, насколько качественно они способны работать в крайних значениях частот этого диапазона. Дело в том, что для эффективного воспроизведения низких частот диффузор классического динамика должен иметь достаточно большие размеры. Например, для частоты 40 Гц его диаметр должен быть около 30 см. Это достаточно просто реализовать.
Широкополосный динамик ScanSpeak 10F/4424G00
Но на высоких частотах такой диффузор попросту не сможет «успевать» передавать колебания всей своей поверхностью. Именно поэтому чаще всего широкополосные динамики являются результатом компромисса.
Для качественного воспроизведения верхней части частотного диапазона в центр диффузора широкополосника зачастую вклеивается дополнительный высокочастотный диффузор — «рупорок» (конус-визер, «дудка»), который способен воспроизводить «быстрые» колебания в то время, как основной, большой диффузор работает гораздо медленнее.
Применяемые в аудиофильских системах широкополосники — предмет серьезных инженерных разработок, граничащих с искусством. Здесь используются материалы с максимально возможными параметрами, ноу-хау, позволяющие все-таки получить полнодиапазонный драйвер.
Широкополосный динамик Lii Audio 2PCS Fast-10
Наиболее проблемным для широкополосного динамика является воспроизведение крайних частот слышимого диапазона. Если широкополосник способен работать в диапазоне 60–16000 Гц с неравномерностью ± 10 дБ — это уже неплохой результат.
При этом в связи с простотой конструкции и отсутствием фильтров (кроссоверов) акустическая система с широкополосником способна демонстрировать высокую чувствительность — от 90–92 дБ и выше. Это делает колонки с широкополосными динамиками особо востребованными среди любителей ламповых усилителей, имеющих, как правило, ограниченную мощность.
В связи с этим голосовые катушки таких широкополосников обладают повышенным сопротивлением. Общепринятые значения для всех остальных динамиков, предназначенных для установки в акустические системы — от 2 до 8 Ом.
Кроме того, именно широкополосный динамик максимально приближен по своим параметрам к точечному источнику звука — идеальному акустическому объекту с точки зрения его локализации. Направление на источник в таком случае определяется слушателем максимально точно. Такой излучатель позволяет создать самую точную стереосцену (звуковую сцену), поскольку источник звука в стереоканале — всего один и он имеет минимальную площадь.
С другой стороны, простейшая колонка с широкополосником — самое дешевое решение, но говорить о полнодиапазонном воспроизведении в этом случае не приходится.
Твитер
Понятно, что, если трудно воспроизвести весь диапазон одним излучателем, есть смысл разделить этот диапазон на несколько частот, в каждой из которых будет работать отдельный динамик. За верхние частоты в этом случае отвечает твитер (пищалка).
Этот динамик должен иметь диффузор (мембрану) небольшой площади, но достаточно жесткий и максимально легкий, ведь полоса излучения твитера, в большинстве случаев, не ниже 1,5 кГц. Среди динамиков наибольшее распространение получил купольный твитер. В нем центральное тело диффузора или элемент, который в полноразмерном динамике называется пылезащитным колпачком, занимает практически всю площадь излучающей поверхности.
Твитер колонки Apple HomePod
Мембрану купольного твитера чаще всего делают из ткани с пропиткой, повышающей ее жесткость. Применяют и более жесткие материалы, лучшим из которых по праву считается бериллий.
Важный параметр твитера — это частота его собственного резонанса. Разработчики стремятся к тому, чтобы она находилась ниже полосы его воспроизведения. В этом случае пищалка звучит максимально точно. Дело в том, что на частотах, близких к резонансу, комплекс усилитель-динамик начинает работать некорректно, «идет в разнос», и система становится плохо управляемой.
Результат — искажения, причем в той частотной области, в которой наш слух к ним особенно чувствителен. Выход оказался прост: кроссовер — устройство, ограничивающее частотный диапазон работы твитера, «обрезает» частоты его собственного резонанса, расположенные ниже рабочего диапазона твитера, который начинается, как правило, от 2–3 кГц.
Твитер с алмазной мембраной Seas Excel E0100-04
Второе требование к твитеру — повышенная верхняя граничная частота воспроизведения. В оптимальном случае она должна превосходить верхний частотный порог слышимого диапазона, т.е. быть выше 20 кГц. Казалось бы, зачем выше, если на этих частотах мы уже не слышим ничего?
Расширенный вверх предел частотного диапазона позволяет твитеру воспроизводить так называемые верхние гармоники, формируя максимально точное звучание высоких частот. До какого предела должен иметь возможность работать твитер — а зачастую высказываются мнения о величинах в 40, а то и в 60 кГц — вопрос, являющийся предметом дискуссий.
Названные два требования к конструкции твитера являются взаимоисключающими. Для понижения резонанса необходимо делать мембрану большего размера и веса, а для повышения верхней границы АЧХ — наоборот. Выход — максимальное соотношение жесткости и массы мембраны твитера, за которое и идет технологическая борьба.
Среднечастотный динамик
Динамик, который играет средние частоты (его еще иногда называют мидренч или, правильнее, мидрейндж — этот термин, от английского midrange speaker, пришел из автозвука), обычно наиболее близок по конструкции к классическому динамику. Важно, что этот динамик воспроизводит именно тот диапазон частот, в котором располагается человеческий голос и на котором наш слух особенно чувствителен к искажениям.
Пример поведения динамика, замеры получены лазерным интерферометром
Ахиллесовой пятой среднечастотника является эффект появления специфических деформаций диффузора — так называемой изгибной волны, когда периферическая область диффузора не успевает за движениями центральной зоны, где крепится голосовая катушка. То есть разные зоны диффузора (кстати, расположенные, как правило, пятнами, а не концентрически, как следовало бы из логики процесса) колеблются не синфазно — одни участки отстают от других.
Звучание становится «рыхлым», неточным. Значит, диффузор должен быть максимально жестким. Если решать проблему в лоб — получим действительно жесткий диффузор, который будет весить так много, что не сможет звучать. Поэтому, как и в твитере, и в широкополоснике, в конструкции диффузора заложен сложнейший компромисс — между жесткостью и легкостью.
Среднечастотный драйвер Morel SCM 634 с карбоновым диффузором
Для колонок высокого класса конструкция диффузоров — важнейший момент. В экзотических вариантах среднечастотники (так же, как и твитеры, но гораздо реже) получают диффузор из бериллия. Но гораздо чаще в среднечастотниках можно видеть диффузоры из композитных материалов на базе углеволокна, стекловолокна, кевлара, древесного волокна или классической целлюлозы.
НЧ-драйвер
Низкочастотный динамик часто еще называют вуфером. Для практически любого класса акустических систем вуфер, естественно, является самым большим по площади излучателем. Для низкочастотника предпочтительным является полностью поршневой режим работы, когда диффузор движется возвратно-поступательно, как единое целое.
Здесь проблема решается еще более радикально, чем в случае со среднечастотным драйвером. Диффузор делают максимально жестким, даже за счет его утяжеления. Дело в том, что на низких частотах наш слух наименее чувствителен к искажениям. И в случае, когда для диффузора вуфера прежде всего важна амплитуда колебаний, ради жесткости идут на увеличение веса.
24-дюймовый басовый динамик в сабвуфере Pro Audio Technology
Масса подвижной системы многих крупных сабвуферных динамиков может достигать 200 г и более. Диффузоры в некоторых случаях получают пространственную конструкцию наподобие самолетного крыла из многослойного композита с заполнением внутренних полостей легкими ячеистыми или сотовыми структурами.
Для аудиофильских систем массу диффузора низкочастотного драйвера по-прежнему стараются минимизировать, поскольку натренированный слух не любит низкочастотных искажений, равно как и всех остальных.
Причем амплитуда колебаний у вуферов — самая большая среди всех перечисленных динамиков. Для этого они оснащаются так называемой длинноходовой (удлиненной) голосовой катушкой. Внешний подвес делается из резины. Все это позволяет диффузору иметь очень большую экскурсию — так называют смещение диффузора от центральной точки.
18-дюймовый басовый вуфер JBL
Особенно ярко «порода» низкочастотного динамика проявляется в драйверах, которые устанавливаются в сабвуферы. Это тяжелое, мощное устройство диаметром от 8 до 15 дюймов (наиболее часто применяемый в пользовательской АС диапазон размеров). Они имеют очень мощные магнитные системы и, в связи с этим, немалый общий вес. При этом в низкочастотных драйверах, работающих от мощных полупроводниковых усилителей, часто устанавливаются катушки минимального сопротивления — 2, а то и 1 Ом.
Коаксиальные драйверы
В двух- трехполосной колонке твитер, среднечастотник и низкочастотный динамик устанавливаются отдельно, то есть, они разнесены в пространстве. Это является серьезным недостатком. Наш слух, который легко определяет направление на источник звука, бывает обманут тем, что средние частоты и высокие частоты поступают практически из разных точек.
Направление на низкочастотный излучатель определить труднее, но тем не менее его удаленность также вносит свою лепту. В результате, такая геометрия колонки ухудшает восприятие стереообраза.
Строение коаксиального драйвера KEF UniQ
Широкополосный динамик, о котором написано выше, просто в силу физики процесса имеет ограничения как по максимальной мощности, так и по частотному диапазону. Кроме того, для широкополосного динамика неизбежна высокая неравномерность АЧХ (выше 10–20 дБ), которую практически невозможно, да и нет смысла компенсировать электроникой либо акустическим оформлением.
Выходом из этой ситуации стал коаксиальный драйвер. На первый взгляд, такой совмещенный динамик выглядит достаточно просто. В двухполосном варианте твитер расположен в центре низкочастотного динамика — традиционные размеры пищалок вполне для этого подходят. Но с инженерной точки зрения такая конфигурация резко затрудняет разработку (расчет) и изготовление подобной системы.
Коаксиальный динамик TAD CST
И это отражается на ее стоимости. Есть варианты, которые позволяют упростить конструкцию: например, размещение твитера перед низкочастотным диффузором на специальном креплении. И все-таки именно «полновесные» коаксиальные системы создают наиболее точный стереоэффект. Поэтому во все времена разные разработчики и компании выпускали коаксиальные драйверы, которые присутствовали в составе их топовых систем.
Специализированные динамики
Воспроизведение звука в условиях, отличных от комнатных, требует применения динамиков, учитывающих эту специфику в свей конструкции. Динамики ландшафтного, шахтного, морского применения должны выдерживать повышенное содержание пыли, способной проникать в магнитный зазор, длительное солнечное излучение, повышенную влажность, воздействие морской соли и других негативных факторов. Для этого в конструкцию вносится серьезные изменения: выбираются материалы, защищаются уязвимые элементы.
Динамики наушников
Для наушников прежде всего пришлось разработать миниатюрные динамики: калибром от 6 до 12 мм для внутриканальных и до 50–60 мм максимум — для накладных моделей. В подавляющем большинстве случаев это широкополосные драйверы. Малый размер облегчает им задачу воспроизведения полного диапазона.
С другой стороны, производство осложняется именно минимальными размерами. Чаще всего диффузор такого динамика сделан из синтетического материала, хотя целлюлоза и другие натуральные волокнистые материалы тоже могут присутствовать. Ввиду требований компактности и низкого веса именно в наушниках наиболее часто используются неодимовые магниты, благодаря которым динамики могут демонстрировать высокую чувствительность — до 120 дБ и выше.
Динамик наушников Apple EarPods
Специфика применения требует, чтобы динамики наушников имели повышенное сопротивление. И если звуковые катушки динамиков акустических систем имеют сопротивление от 2 до 16 Ом (чаще всего от 4 до 8), то динамики наушников имеют сопротивление не ниже 16 Ом, а максимальное значение может достигать 600–800 Ом для профессиональных моделей.
В отдельных моделях наушников, даже внутриканальных, могут использоваться раздельные динамики для разных полос частот — но это редкий случай. Чаще встречается совместное применение излучателей разных типов — динамических и арматурных.
Другие материалы цикла «Акустические системы»:
Как выбрать колонки
Вряд ли кому нужно объяснять, зачем нужны колонки. «Дать голос» компьютеру, послушать музыку со смартфона или портативного плеера, улучшить звучание аудиосистемы, портативного плеера или телевизора – со всеми этими задачами справятся колонки.
Большинство колонок универсальны – общепринятый стандарт позволяет смело подключать одни и те же колонки, как к звуковой плате компьютера, так и к выходу плеера или телевизора. Но условия эксплуатации у них все же разные, поэтому, в зависимости от области применения, колонки принято делить на несколько видов.
Мобильные колонки с питанием от USB-порта обычно используются для подключения к ноутбуку или планшету. Такие колонки не отличаются качеством звука, но если громкости штатной аудиосистемы устройства не хватает, их приобретение может решить проблему. Основное их достоинство – низкая цена. Если же вы готовы доплатить за приличный звук, обратите внимание на портативные колонки – они могут предоставить более качественный звук при сохранении мобильности.
Колонки для офисного компьютера также не блистают характеристиками. Звук для офисного компьютера зачастую вообще считается излишеством, так что если работодатель все же решает снабдить рабочие компьютеры колонками, то в приоритете обычно оказываются невысокая цена и малые габариты. Сабвуфера у таких колонок нет.
К колонкам для игрового или домашнего компьютера требования уже повыше. Здесь не редкость наличие сабвуфера и дополнительных динамиков для создания объемного звучания.
Колонки для hi-fi плеера или домашнего кинотеатра содержат несколько сателлитов для обеспечения объемного звучания, имеют большую мощность и широкий частотный диапазон. Разумеется, цена у них также немаленькая.
Характеристики колонок
Формат системы обозначается в виде Х.Y, где Х – количество сателлитов (колонок), Y – наличие низкочастотной колонки (сабвуфера).
1.0 – одна колонка, обеспечивающая монофоническое звучание.
2.0 – две колонки, обеспечивающие стереофоническое звучание.
2.1 – две колонки+сабвуфер – недорогой игровой и музыкальный вариант. Человек плохо определяет направление на источник низкочастотного звука, поэтому сабвуфер в акустических системах всегда один.
5.1 – две фронтальные+две тыльные+центральная+сабвуфер – полный вариант системы для домашнего кинотеатра. Такая система не только создаст эффект присутствия при просмотре фильмов, но и может значительно улучшить звуковую картину некоторых компьютерных игр, поддерживающих объемный звук.
Общая выходная мощность определяет максимальную громкость портативной аудиосистемы. Однако зависимость здесь не прямая и для оценки громкости системы лучше сравнивать мощность фронтальных колонок:
До 10 Вт на колонку подходит только для аудиосистем, расположенных в непосредственной близости от слушателя – для компьютерных, например.
10-20 Вт на колонку способны создать звук приемлемой громкости в пределах небольшого помещения
20-40 Вт на колонку – оптимальная мощность фронтальных колонок домашних кинотеатров, расположенных в помещениях среднего размера.
Системы с мощностью фронтальных колонок от 40 Вт можно устанавливать в больших помещениях.
Мощность сабвуфера для его звучания на такой же громкости, как и у фронтальных колонок, должна быть примерно вдвое большей. Т.е. если фронтальные колонки имеют мощность 25 Вт, то сабвуфер должен иметь мощность около 45-55 Вт, иначе на повышенной громкости басы будут «проседать».
Минимальная и максимальная воспроизводимые частоты во многом определяют качество звука аудиосистемы.
Установка нескольких динамиков, каждый из которых «отвечает» за отдельную полосу (диапазон частот) позволяет обеспечить отсутствие «провалов» в воспроизводимом диапазоне частот.
Проводное соединение пока остается наиболее надежным и помехозащищенным способом передачи звука. Но многое также зависит от типа проводного соединения – качество звука и его характеристики для одних и тех же колонок могут сильно отличаться при подключении их по разным разъемам.
3.5 jack («джек», TRS, TRRS) – самый распространенный стандарт разъемов для подключения аудиосистем. Таким разъемом оснащено большинство смартфонов, плееров, ноутбуков, планшетов и компьютеров. Однако, одиночный 3,5 jack способен передавать в лучшем случае 2 канала (стереозвук), объемный звук по такому разъему не передается. Обратите на это внимание при подключении колонок формата 5.1 – для объемного звука должны быть задействованы все 6 каналов.
RCA (phono, «тюльпаны») часто используются для передачи аналогового звука в модульных аудиосистемах. При этом один разъем соответствует одному каналу, соответственно, для передачи стереозвука используется пара разъемов RCA, а для передачи объемного звука – 6 разъемов.
XLR широко применяется в профессиональной аппаратуре благодаря хорошему контакту и надежному соединению. Часто используются для передачи балансного сигнала, обеспечивающего высокий уровень защиты от помех за счет дублирования сигнала по двум проводам, причем по второму аудиосигнал передается в противофазе. В колонках аудиосигнал в противофазе вычитается из основного, при этом наведенная помеха (поскольку она идет в одной фазе на обоих сигналах) пропадает, а полезный сигнал усиливается.
Приведенные выше разъемы обеспечивают передачу аналогового звука, но многие современные колонки снабжаются также разъемами для подключения цифровых источников звука с помощью разъемов S/PDIF или USB. Однако, при подключении с помощью таких разъемов звук необходимо преобразовать из цифрового в аналоговый, и характеристики цифро-аналогового преобразователя колонок могут сильно повлиять на качество звука.
S/PDIF coaxial – коаксиальный разъем цифрового стандарта S/PDIF, внешне отличающийся от аналогового RCA только цветом (и то не всегда). Соответственно, для соединения по этому стандарту даже можно использовать обычные RCA-кабели, но только небольшой длины (до 50 см). На большие расстояния следует использовать коаксиальный 75 Омный кабель. Возможна передача многоканального звука.
S/PDIF optical (Toslink) – оптический разъем цифрового стандарта S/PDIF.
Многие современные AV-ресиверы, телевизоры и плееры оснащены обоими разъемами – и цифровым и коаксиальным. К какому из них подключать колонки – особой разницы нет, на параметры сигнала это не влияет. Следует только отметить, что оптический кабель более устойчив к электромагнитным помехам, зато сложнее в прокладке – «боится» деформаций и не допускает изгиба малым радиусом.
Беспроводные технологии заметно облегчают подключение устройств, и колонки не являются исключением – не нужно озадачиваться подбором кабелей и совместимостью разъемов. Но беспроводные подключения также могут повлиять на качество звука не лучшим образом.
Bluetooth в качестве протокола передачи звука в настоящее время практически избавился от детских болезней: высокая скорость последних версий Bluetooth способна обеспечить CD-качество звука даже на устройствах без поддержки AptX (оптимизированного под Bluetooth кодека, призванного обеспечить приемлемое качество звука на беспроводных колонках и наушниках). Но с проигрыванием lossless-аудио колонки, подключенные по Bluetooth, могут уже не справиться.
NFC отличается максимальной простотой сопряжения устройств – для подключения колонок к смартфону или другому источнику звука с NFC их достаточно просто поднести друг к другу. Увы, невысокая максимальная скорость передачи по протоколу NFC не позволит обеспечить качества звука, сравнимого хотя бы с CD.
Материал корпуса колонок и сабвуфера также оказывает влияние на качество звука. Так как основное назначение корпуса – экранировать «ненужный» звук, идущий с тыльной стороны динамиков, то чем выше звукоизолирующие характеристики материала, тем лучше он подходит для корпуса колонок.
МДФ, благодаря высокой плотности и слабым резонансным качествам хорошо подходит для корпусов колонок.
Пластик глушит звук хуже, и хотя некоторые производители используют в корпусах специальный многослойный материал, корпуса из обычного пластика с не самыми лучшими показателями встречаются в разы чаще. Если вам важно качество звука, желательно, чтобы хотя бы корпус сабвуфера был не пластиковый – низкочастотный звук заглушить сложнее, а тонкий пластик под его воздействием может еще и начать резонировать, что сильно ухудшит басы.
Акустическое оформление корпуса также решает проблему «ненужного» звука с тыльной стороны динамика. Этот звук генерируется в противофазе основному, и (при отсутствии корпуса), накладывается на основной и ослабляет его.
Герметичный корпус – самый простой из видов корпусов. В нем звук за динамиком просто глушится, для чего внутренности корпуса часто оббиты звукопоглощающим материалом. При этом в герметичном корпусе за динамиком создается воздушная подушка, сглаживающая резкие движения диффузора и помогающая выдерживать большую мощность. Недостатком такого корпуса является то, что немаленькая часть мощности уходит «вхолостую»: звук за диффузором просто глушится, поэтому при одинаковой мощности колонки в герметичных корпусах звучат тише.
Наличие FM-тюнера, интерфейса USB Type A (для флэшки) и поддержка карт памяти расширяют функционал колонок, по возможностям приближая их к самостоятельным аудиосистемам. Но равнять такие колонки с аудиосистемами все же не стоит: эти опции часто реализуются «по минимуму»: колонка может не проигрывать некоторые форматы аудиофайлов, не поддерживать накопители больше некоторого объема, некорректно работать с треками, разложенными по папкам и т.д.
Варианты выбора колонок
Если вам нужны недорогие мобильные колонки для ноутбука или планшета, выбирайте модель с питанием от USB. Только не стоит ждать от таких колонок выдающейся громкости и высокого качества звука.
Если вы занимаетесь студийной записью и хотите как-то контролировать записываемый звук, то вам не обойтись без студийного аудиомонитора – колонки с «идеальными» характеристиками, максимально точно передающей записываемый звук.
Для офисного компьютера будет вполне достаточно колонок формата 2.0 с подключением через USB или jack 3.5.
Для домашнего компьютера лучше предусмотреть наличие сабвуфера и выбирать среди колонок формата 2.1.
Если вы хотите в полной мере ощутить эффект присутствия, выбирайте колонки формата 5.1 и прочувствуйте все богатство и выразительность объемного звука. Но убедитесь, что устройство, к которому вы будете подключать колонки, поддерживает технологию объемного звука и имеет те же разъемы, что и выбранные колонки
Чтобы иметь возможность прослушать музыку со смартфона, не возясь с проводами и разъемами, выбирайте среди моделей с поддержкой Bluetooth.
Колонки с поддержкой флэшек и карт памяти могут проигрывать музыку с этих накопителей без подключения каких-то дополнительных устройств.
Если вы уверены, что настоящая музыка должна звучать громко, выбирайте среди мощных колонок – и наводите ужас на соседей.