Как устроен динамик: подноготная

Динамик — это электроакустический преобразователь, который превращает электрический сигнал усилителя в звук. Делает он это за счёт силы, действующей на катушку с током в поле постоянного магнита: катушка толкает диффузор, а тот колеблет воздух. Ниже разберём конструкцию по деталям — от магнитной системы до пылезащитного колпачка — и посмотрим, какие материалы и зачем применяют в каждом узле.

Электродинамический принцип — самый распространённый, но не единственный. Звук умеют излучать и электростатические, и изодинамические, и ленточные системы, и излучатели Хейла, и даже плазменные. Все они работают на разной физике и применяются в разных задачах. Об их отличиях мы подробно писали в гиде по типам динамиков; здесь же речь о классической динамической головке, которая остаётся основой подавляющего большинства акустических систем.

Откуда взялся динамик

Громкоговоритель в близком к современному виде запатентовал британский физик Оливер Лодж (Oliver Lodge) в 1898 году — британский патент №9712 описывал излучатель с катушкой, подвешенной в магнитном зазоре на немагнитных проставках. Физическая основа конструкции — электромагнетизм, открытый Хансом Кристианом Эрстедом (Hans Christian Ørsted) в 1820 году. Эрстед заметил, что проводник с током отклоняет магнитную стрелку: ток порождает магнитное поле. Обратное тоже верно — проводник, который движется в поле, наводит ток. На этой паре эффектов динамик и работает.

Сам принцип подвижной катушки ещё в 1877 году описал Вернер фон Сименс (Werner von Siemens), а до серийного, пригодного к продаже устройства громкоговоритель довели инженеры Честер Райс (Chester Rice) и Эдвард Келлог (Edward Kellogg) из компании General Electric в 1925 году — их работа легла в основу первых массовых громкоговорителей RCA. С тех пор базовая схема почти не менялась. Удивительно другое: при неизменной сути не проходит и года без сообщений об очередном усовершенствовании материалов или геометрии, позволяющем динамику работать чуть лучше.

Слева — Ханс Кристиан Эрстед. Справа — один из ранних образцов электродинамического излучателя.

Из чего состоит динамик

Любой электродинамический динамик делится на две группы деталей: подвижную систему (диффузор, звуковая катушка, подвесы) и неподвижную часть (магнитная система и каркас). Ниже — одиннадцать узлов, пронумерованных так же, как на разрезе.

1. Каркас (корзина) — основа, на которой держатся все остальные детали.
2. Кольцевой магнит — создаёт постоянное магнитное поле.
3. Магнитный керн (полюсный наконечник) — вместе с магнитом образует узкий кольцевой зазор.
4. Звуковая (голосовая) катушка — по ней течёт переменный ток сигнала; в зазоре на неё действует сила.
5. Каркас звуковой катушки — тонкостенный цилиндр, на который намотана катушка.
6. Диффузор — колеблется и излучает звук.
7. Верхний (наружный) подвес — удерживает край диффузора и задаёт ход.
8. Нижний подвес (центрирующая шайба) — держит катушку точно по центру зазора.
9. Гибкие безмоментные проводники — подводят ток к катушке.
10. Клеммы — точка подключения акустического кабеля от усилителя.
11. Пылезащитный колпачок — закрывает зазор от пыли.

Главная инженерная задача звучит просто, но решается трудно: звуковая катушка должна свободно двигаться в узком зазоре, ни разу не задев его стенок, на всей амплитуде колебаний. Отсюда жёсткие требования к точности изготовления и сборки — и именно здесь чаще всего проходит граница между бюджетной и серьёзной техникой.

Диффузор

Диффузор — это тонкостенный излучающий элемент, который, колеблясь, создаёт звуковые волны. К нему предъявляют два конфликтующих требования: максимальная жёсткость (чтобы он двигался «поршнем», без собственных деформаций) и минимальная масса (чтобы успевать за сигналом). Любой хороший диффузор — компромисс между ними.

Исторически диффузоры делали из целлюлозы — бумаги или картона. Бумага удачно сочетает лёгкость и жёсткость, а пропитка синтетическими составами добавляет влагостойкости и прочности; такие диффузоры применяются до сих пор. Чисто пластиковый диффузор склонен к призвукам, поэтому используют композиты — со стеклянными или древесными волокнами, кевларом, иногда графеном. Кевларовый «жёлтый» диффузор и пришедший ему на смену композит Continuum — фирменная черта Bowers & Wilkins, а инвертированные купола из бериллия — узнаваемый приём Focal.

Важная оговорка: дорогой материал сам по себе ничего не гарантирует. Измерения показывают, что на восприятие сильнее влияет ровность частотной характеристики без резких резонансных пиков, чем «престижность» металла или бериллия. Грамотно настроенный бумажный диффузор нередко звучит чище, чем дорогой металлический с непродуманным корпусом и кроссовером.

Подвес и центрирующая шайба

Подвесы — это детали, которые удерживают диффузор и катушку, позволяя им двигаться строго вдоль оси, вперёд-назад. Их два. Внутренний, ближний к магниту, называют центрирующей шайбой: её формуют под нагревом из лёгкой и прочной на разрыв ткани с эластичной пропиткой. В мощных низкочастотных динамиках ставят две шайбы подряд.

Внешний подвес сложнее. Изначально его делали в виде концентрических гофров по краю бумажного диффузора — так поступают и сейчас. Для больших амплитуд внешний подвес выполняют из резины, чаще из искусственного бутадиенового каучука; в сечении это, как правило, выпуклая дуга. Оба подвеса обязаны обеспечить строго плоскопараллельный ход всей подвижной системы с минимальными отклонениями вбок.

Звуковая катушка

Звуковая катушка — это намотанная на каркас проволока, которая работает в магнитном зазоре и приводит диффузор в движение. Каркас делают из плотной бумаги, термостойкого пластика (каптон, текстолит), а при серьёзных нагрузках — из алюминиевых сплавов и даже титана: на громкости катушка ощутимо нагревается.

Проволока чаще всего медная. Алюминиевая легче, и это плюс, но у неё выше сопротивление и ниже температурная стойкость, поэтому применяют её реже; есть и компромисс — биметаллическая алюминиевая проволока с медным покрытием. В мощных низкочастотных динамиках катушку иногда делят на секции на общем каркасе, чтобы менять сопротивление или подключать раздельные усилители.

Для охлаждения зазор ряда высокочастотных динамиков заполняют ферромагнитной жидкостью — взвесью мелкодисперсного магнитного порошка. По оценкам производителей, она отводит тепло от катушки в 7–10 раз эффективнее воздуха, попутно демпфирует резонансы и центрирует катушку. У этого приёма есть честный минус: за десять-двадцать лет жидкость густеет или высыхает. В шоуруме нам регулярно попадаются ВЧ-динамики из акустики 1990-х именно с таким симптомом — верх тускнеет, отдача падает, и причина чаще всего в подсевшем составе зазора.

Магнитная система

Магнитная система создаёт постоянное поле в зазоре, и её эффективность в первую очередь определяет материал магнита. Самый распространённый — феррит: недорогой, но крупный. В середине XX века широко использовали сплав AlNiCo (железо, алюминий, никель, кобальт), который и сегодня ценят в винтажных и некоторых студийных конструкциях. В современной технике всё чаще ставят неодимовые магниты: они дают самое сильное поле при компактных размерах. Расплата — высокая цена и сложность обработки: неодим труднообрабатываем, а его стоимость в последние годы растёт.

Каркас (корзина)

Каркас, или корзина, — это несущая деталь, на которой собрано всё остальное и от геометрии которой зависит точность зазора. Самый технологичный массовый вариант — штампованная корзина из мягкой стали; небольшие каркасы делают из пластика. Более точное и жёсткое изделие получают литьём из алюминия с последующей обработкой на станках.

Почему это важно: чтобы зазор был минимальным, катушку нужно заставить двигаться строго соосно ему по всей амплитуде, не задевая краёв. Расположение катушки в зазоре должно быть симметричным с точностью до долей миллиметра. Литой обработанный каркас держит эту геометрию заметно лучше штампованного — отсюда и разница в цене, и часть разницы в звуке.

Какими бывают динамики

По рабочему диапазону динамики делят на низкочастотные (НЧ-динамики), среднечастотные (СЧ-динамики) и высокочастотные (ВЧ-динамики); для самых низких частот служит сабвуферная головка. По форме излучателя различают конусные (диффузор-конус, типичен для НЧ и СЧ) и купольные (полусфера, типична для ВЧ-динамиков). Под каждый диапазон подбирают свои размеры, массу подвижной системы и материалы — поэтому полноценная колонка почти всегда собирается из нескольких разных динамиков, разведённых по частотам кроссовером.

Материал подготовлен экспертами pult.by. Данные основаны на официальной технической документации производителей и нашем практическом опыте работы с техникой в шоуруме.

© pult.by. Все права защищены.
Копирование, распространение и использование материалов допускается только при размещении активной индексируемой гиперссылки на источник.