ТехноТеория. Правильные динамики для твоего авто

Далеко не все задумываются, почему одни динамики, к примеру, больше, а другие меньше, и почему у них вообще порой бывают совсем разные конструкции. Так что давайте в этот раз разберемся, как они устроены, и что для чего в них предназначено. Все многообразие конструкций охватить в одной статье невозможно, поэтому рассмотрим работу звукоизлучающих головок (а именно это название самое правильное и универсальное) на примере конструкций диффузорных динамиков (собственно, это сабвуферы, мидбасы и все, что на них похоже).

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО - В ЗВУК

Начнем, как обычно, с основ. Задача динамической звукоизлучающей головки, ну или так уж и быть, динамика — преобразовать подаваемые на него с усилителя электрические сигналы в звуковые колебания воздуха. Для того чтобы понять как это происходит, немного вспомним школу. Если мы возьмем провод, по которому течет ток и поместим его в магнитное поле, то на него будет действовать сила, стремящаяся его сдвинуть (сила Ампера, кто помнит).
Теперь возьмем этот провод и намотаем его на цилиндр. Получится что? Правильно, катушка индуктивности. Если поместить эту катушку внутрь магнита, имеющего форму кольца, и пропустить через нее переменный ток, то под действием этой самой силы Ампера она сможет двигаться, причем так, что своим движением будет повторять форму самого переменного сигнала: сильнее ток — больше усилие, слабее ток — меньше усилие.
Теперь остается приделать к катушке что-нибудь большое, способное толкать воздух (диффузор), закрепить все это хозяйство на корпусе, и получить в готовом виде наш с вами динамик (или звукоизлучатель, или электроакустический преобразователь). И вот насколько хорошо он будет справляться со своими обязанностями, как раз и зависит от его конструктивных особенностей.



ЧТО У НАС В КОРЗИНКЕ?

Вначале определимся с терминами и рассмотрим, из чего состоит динамик. Основная его часть, на которой крепятся все составляющие, — это корпус, называемый иначе корзиной диффузородержателя. Корзина динамика может быть литой, например, из алюминиевого сплава, полимера, какого-нибудь композита, или, в простейшем случае, просто металлической штампованной. Ориентироваться при выборе динамиков на материал корзины не нужно, главное — чтобы она обеспечивала нужную прочность конструкции и, по возможности, была бы достаточно глухой при простукивании. Несмотря на то, что динамик будет устанавливаться в большинстве случаев все-таки лицевой стороной к слушателям, лишние резонансы нам ни к чему, в откровенно слабых звонких корзинах такие призвуки могут заметно влиять на звук динамика в целом (действительно, чего можно ожидать от хлипкой конструкции, которая ходит ходуном и звенит?).
Сам диффузор динамика крепится к корзине с помощью двух элементов: по периметру через подвес, а у самой катушки через гофрированную центрирующую шайбу (ее еще иногда называют „слайдер"). И подвес, и центрирующая шайба позволяют диффузору двигаться в определенных пределах. Кстати, если вы увидите в описании динамиков параметр Xmax, то это и есть максимальный ход диффузора относительно своего „нулевого" положения.
Каждый производитель может использовать свою форму подвеса и гофра. Этим регулируется не только соотношение их жесткости и упругости, но и насколько линейным будет движение диффузора в пределах этого самого Xmax (т.е. грубо говоря, чтобы эта упругость была постоянной, не сильно меняясь при большом ходе диффузора).


КСТАТИ
Обращенную магнитную систему обычно можно узнать по небольшому диаметру магнита, соизмеримому с диаметром самой звуковой катушки. Многие динамики имеют осевое вентиляционное отверстие, его особенно часто можно увидеть в мидбасовых динамиках и сабвуферах, где особо важно хорошее охлаждение звуковой катушки. Однако осевое отверстие может служить не только для охлаждения, во многих динамиках оно используется для небольшой коррекции параметров: в отверстие вкладываются специальные вставки, скажем, из поролона, в некоторой степени препятствующие свободному движению воздуха при работе динамика.

ТЯНИ-ТОЛКАЙ

„Двигатель" динамика — это прикрепленная к диффузору та самая катушка индуктивности, представляющая собой провод, намотанный на легком цилиндрическом каркасе. Она так и называется — звуковая катушка, и помещается внутрь магнитного поля.
Динамики могут иметь различную конструкцию магнитной системы. Самая обычная, классическая, представляет собой магнит в форме кольца, а звуковая катушка находится внутри него. В центре — неподвижный керн, который тоже является частью магнитной системы, его задача — формировать магнитный поток вокруг катушки.
Есть у такой конструкции недостаток — для того, чтобы сделать достаточно большую звуковую катушку, магнитную систему приходится делать еще больше. В таких случаях вполне логично саму катушку сделать не внутри магнита, а вокруг него. Такие магнитные системы называются обращенными. Но, собственно, какое же преимущество у больших катушек относительно маленьких? На самом деле их даже несколько.
Во-первых, большие катушки имеют большую площадь, а значит и лучше охлаждаются. Охлаждение для динамика вообще штука довольно критичная, ведь мощность звуковых волн меньше электрической мощности, которую мы подаем на динамик, в десятки раз. То есть, КПД динамика, в лучшем случае, единицы процентов, а то и вовсе доли процента. Куда же девается остальная энергия? Если еще не забыли школу, то превращается в тепловую. Как раз это избыточное тепло и должна рассеивать звуковая катушка. Соответственно, чем она больше, тем удинамика больше запас по подводимой мощности.
Второе преимущество большой звуковой катушки чисто механическое. Для этого сделаем небольшое отступление и кое-что проясним. Диффузор большинства динамиков имеет форму конуса. Если катушка маленькая, то получается, что она крепится к самой вершине этого конуса и тянет-толкает диффузор за него. При этом если диффузор будет относительно большим и недостаточно жестким, то в какой то момент его края будут не успевать за движением его центральной части. А это уже причина нежелательных искажений, которые называются модальными. Если диффузор двигается одинаково целиком (на низких частотах), то говорят, что он работает в поршневом режиме, а если из-за своей нежесткости начинает ломаться, то есть на высоких частотах края перестают успевать за движением центральной части, то говорят, что диффузор переходит в модальный режим работы.
Так вот, если звуковая катушка имеет достаточно большой диаметр, то получается, что она крепится не к вершине конуса диффузора, а как бы к его серединной части. А это означает, что диффузор уже не будет ломаться, то есть будет работать в том самом поршневом режиме в гораздо большем диапазоне частот.
Впрочем, у звуковых катушек большого диаметра (к слову, не обязательно в обращенных магнитных системах) есть и недостаток— при прочих равных они требуют и более мощного магнита. То есть, им подавай либо магнит огромных размеров, либо магнит из более эффективных материалов, а это в обоих случаях здорово удорожает конструкцию. Именно поэтому большие катушки хоть и имеют преимущества, однако применяются не очень широко даже в динамиках среднего класса. А уж в недорогих это и совсем редкость.


ЧЕМ ВОЗДУХ ТОЛКАТЬ БУДЕМ?

Теперь обратим внимание на сами диффузоры. Для начала возьмем сабвуфер. Его задача — двинуть большой объем воздуха (поскольку основная энергетика звука приходится именно на низкочастотную область). Самое важное условие при этом — чтобы диффузор не искривлялся при больших перемещениях, то есть, он должен быть предельно жестким. Но есть и еще одно важное условие — он должен оставаться легким. Необходимость выполнить эти два противоречивых условия стала причиной поиска оптимальной формы диффузора. Одни делают его с точно рассчитанной кривизной, так, что усилия от звуковой катушки перераспределяются по нему, и он практически не изгибается при работе динамика, другие решают проблему в лоб и используют ребра жесткости, третьи используют двойные конструкции (лицевая излучающая поверхность крепится к самому конусу). Используются и разные материалы, вплоть до алюминия и кевлара. Вариантов много, но их суть одна — сделать диффузор как можно жестче.

Но при всем этом у сабвуферов есть одно преимущество — они работают в очень узком диапазоне частот. А вот мидбасам приходится отыгрывать не только бас, но и средние, а порой еще и немного верхних частот. Тут применение жестких материалов при изготовлении диффузора может сыграть злую шутку. Дело в том, что слишком жесткие материалы, как правило, слишком звонкие, что тут же скажется на характере звучания, причем, с не самой лучшей стороны. В этих случаях частенько идут на применение многослойных диффузоров. Первый слой может быть, к примеру, алюминиевым, кевларовым, или еще из какого-нибудь жесткого материала, а второй слой — демпфирующий, т.е. гасящий резонансы этого самого жесткого звонкого материала — какое-нибудь вязкое глухое покрытие. Частенько можно увидеть в конструкции динамиков и сотовую структуру, обладающую одновременно и жесткостью, и легкостью (два плотных слоя, между которыми пространственная сотовая структура, которая как раз и придает жесткость). Правда, изготовление таких диффузоров — удовольствие не из дешевых, и решаются на него единицы производителей.
Самый же недорогой, а значит и получивший большое распространение материал диффузоров — полипропилен. Его можно назвать компромиссным — достаточная жесткость при относительно неплохом внутреннем демпфировании. Что называется, дешево и сердито. А используя различные добавки, производителям порой удается наделить полипропилен довольно неплохими свойствами, позволяющими использовать его и в более дорогих динамиках.
Вообще же, когда речь идет о натуральности звучания, обычно высоко ценятся диффузоры из целлюлозы (по сути, из бумаги). Причина — практически полное отсутствие (по сравнению с большинством других материалов) внутренних резонансов, а значит и реальная возможность сделать звучание более естественным, или, как еще говорят, менее окрашенным. При изготовлении в целлюлозу добавляют различные примеси, делают различные пропитки и покрытия, придающие бумажным диффузорам влагозащитные и дополнительные демпфирующие свойства.

БОЛЬШЕ - ЗНАЧИТ... ЛУЧШЕ ИЛИ ХУЖЕ?

Но найти оптимальное сочетание жесткости и внутреннего демпфирования — это не единственная сложность, которая возникает при проектировании динамиков. Есть и еще один интересный эффект. Дело в том, что на более высоких частотах сами размеры диффузора становятся соизмеримыми с длинами излучаемых звуковых волн. Это особенно важно при расположении динамика под углом к слушателю (а по другому в автомобиле, в общем-то, практически и не бывает). В этом случае звуковые колебания от ближнего и дальнего краев диффузора складываются (опять вспомним школьный курс физики, понятие интерференции), при этом неизбежно искажая звук.
Проверить этот эффект очень просто, например, на стенде в любом магазине, торгующем аудиотехникой: обратите внимание на то, как играет динамик когда вы стоите прямо перед стендом напротив динамика, и что произойдет со звуком, когда вы немного отойдете и будете видеть динамик под углом. Если медведь не сплясал лезгинку на ушах, то наверняка заметите, что тембр звучания на средних и высоких частотах немного изменится. Это как раз и есть результат сложения звуковых волн от разных частей диффузора. Впрочем, тут нужно отметить, что многие динамики специально разрабатываются с тем условием, что они будут установлены именно под углом. Как яркий пример — таклюбимые многими овальные блины 6x9 дюймов, устанавливаемые в большинстве случаев плоско в заднюю полку. Будучи установлены не плоско, а с разворотом в салон, они частенько дают резкий, неприятный звук.
То есть получается, что на более низких частотах динамик имеет широкую диаграмму направленности (грубо говоря, излучает на все 180 градусов), а на более высоких частотах проявляет свою направленность уже весьма ощутимо. Вот почему среднечастотные динамики обычно делают меньше — благодаря своей геометрии они входят в модальный режим работы на более высоких частотах по сравнению с крупными, а значит, звучат на этих частотах чище и правильнее.
Так что выбирая 2-полосную акустику с крупными мидбасовыми динамиками (например, 8 дюймов), помните, что выигрывая в отдаче на низких частотах, вы, тем самым, скорее всего, проиграете в ясности и открытости звучания на средних. Именно поэтому калибр 6,5 дюймов стал столь популярным — при достаточно приличных басовых возможностях, динамики этого размера в условиях автомобиля неплохо играют еще и средние частоты. И вот почему 3-полосные акустические системы, будучи на две головы сложнее в инсталляции и настройке, позволяют, при правильном подходе, получить гораздо более чистый, ясный и открытый звук.
Собственно, в общих чертах вот так и устроены динамики. Теперь, если вы задумаете аудиотюнинг своего авто, то сможете выбрать динамики не просто по цвету диффузора, а оценить их конструкцию и выбрать самые подходящие. Ну а если возникнут вопросы, мы, как всегда, постараемся на них ответить.

КСТАТИ


В поисках оптимального материала для диффузора может применяться даже... дерево. Скажем, такая автомобильная акустика была одно время в линейке JVC. А вот кевларовые диффузоры уже давно перестали быть экзотикой, за свою жесткость их полюбили многие производители динамиков. Правда, слишком уж широкого распространения они так и не получили, поскольку жесткие материалы могут придавать звучанию характерную яркость и звонкость.

Источник: журнал "Тюнинг Автомобилей" (совместно с Car&Music), ноябрь 2010. Текст Антон Николаев, фото из разных источников