Теория:
Электродинамический громкоговоритель (динамик) — это устройство, преобразующее электрический сигнал в звуковой посредством движения катушки с током в магнитном поле постоянного магнита.
С этими устройствами мы сталкиваемся повседневно (рис. \(1\)), даже если ты не большой поклонник музыки и не проводишь в наушниках по полдня. Динамиками оснащаются телевизоры, радиоприёмники в автомобилях и даже телефоны.
Рис. \(1\). Устройства, преобразующие электрический сигнал в звук
Громкоговорители похожего типа использовались ещё в конце \(20\)-х годов прошлого века.
Телефон Белла (рис. \(2\)) работал по схожему принципу. В нём была задействована мембрана, которая перемещалась в магнитном поле постоянного магнита.
У этих динамиков было множество серьёзных недостатков: частотные искажения, потери звука.
Рис. \(2\). Телефон Белла
Чтобы решить проблемы, связанные с классическими громкоговорителями, Оливер Лодж предложил использовать свои наработки. Его катушка двигалась поперёк силовых линий.
Чуть позднее двое его коллег адаптировали технологию для потребительского рынка и запатентовали новую конструкцию электродинамиков, которая задействована и по сей день.
Динамик имеет довольно сложную конструкцию (рис. \(3\)).
Рис. \(3\). Устройство динамика
Обрати внимание!
Ключевые детали, благодаря которым громкоговоритель функционирует правильно: подвес (или краевой гофр), диффузор (или мембрана), колпачок, звуковая катушка, керн, магнитная система, диффузородержатель, гибкие выводы.
Краевой гофр, или «воротник» — это пластиковая или резиновая окантовка, описывающая электродинамический механизм по всей площади.
Гофры делятся по типу материала, из которого они изготовлены, и по форме. Иногда в качестве основного материала применяют натуральные ткани со специальным, ослабляющим колебания покрытием. Самый популярный по форме подтип — полутороидальные профили.
Требования, предъявляемые к «воротнику»:
высокая гибкость — резонансная частота гофра должна быть низкой;
гофр должен быть хорошо закреплён и обеспечивать только один тип колебаний — параллельный;
надёжность — «воротник» должен адекватно реагировать на перепады температуры и «нормальный» износ, сохраняя свою форму длительное время.
Для достижения наилучшего баланса звучания в низкочастотных колонках используют резиновые гофры, а в высокочастотных — бумажные.
Диффузор динамика представляет собой некий поршень, который двигается по прямой вверх-вниз. Диффузор является основным излучающим объектом в электродинамике. При повышении частоты колебаний он начинает изгибаться.
Диффузоры могут быть жёсткими. Они сделаны из керамики или алюминия. Такие изделия обеспечивают наименьший уровень искажения звука. Динамики с жёсткими диффузорами стоят гораздо дороже аналогов.
Мягкие диффузоры делают из полипропилена. Такие образцы обеспечивают наиболее мягкое и тёплое звучание за счёт поглощения волн мягким материалом.
Полужёсткие диффузоры представляют собой компромиссный вариант. Они делаются из кевлара или стеклоткани. Искажения, провоцируемые таким диффузором, выше, чем у жёстких, но ниже, чем у мягких.
Колпачок представляет собой оболочку из синтетики или ткани, основная функция которой — защита динамиков от пыли. Помимо этого, колпачок играет немаловажную роль в формировании определённого звучания. В частности, при воспроизведении средних частот.
В целях наиболее жёсткого закрепления колпачки делают округлой формы, придавая им небольшой изгиб.
Разнообразие материалов, из которых производят колпачки, связано с необходимостью достижения определённого звучания. В ход идёт ткань с различными пропитками, плёнки, композиции целлюлозы и даже металлические сетки. Последние, в свою очередь, выполняют ещё и функцию радиатора. Алюминиевая или металлическая сетка отводит излишки тепла от катушки.
Шайба (иногда её также называют «пауком») — это увесистая деталь, расположенная между диффузором динамика и его корпусом.
В задачи шайбы входит поддержание стабильного резонанса для низкочастотных динамиков. Это особенно важно, если в помещении наблюдаются резкие перепады температуры. Шайба фиксирует положение катушки и всей подвижной системы, а также закрывает магнитный зазор, предотвращая попадание пыли в него.
Классические шайбы представляют собой круглый гофрированный диск. Некоторые производители намеренно меняют форму гофр так, чтобы повысить линейность частот и стабилизировать форму шайбы. Такая конструкция сильно влияет на цену динамика.
Шайбы изготавливают из нейлона, бязи или меди. Последний вариант выполняет функцию мини-радиатора.
Звуковая катушка и магнитная система располагаются в небольшом зазоре магнитной цепи, вместе с катушкой система преобразует электрическую энергию.
Сама магнитная система — это система из магнита в виде кольца и керна. Между ними в момент воспроизведения звука перемещается звуковая катушка.
Важная задача конструкторов — создание равномерного магнитного поля в магнитной системе. Для этого производители динамиков досконально выверяют полюсы и оснащают керн медным наконечником. Ток в звуковую катушку поступает через гибкие выводы динамика — обычную проволоку, намотанную поверх синтетической нитки.
Условное обозначение динамика на электрических схемах представлено на рисунке \(4\).
Рис. \(4\). Условное обозначение динамика на электрических схемах
Обрати внимание!
Принцип работы динамика заключается в следующем: ток, идущий на катушку, заставляет её совершать перпендикулярные колебания в пределах магнитного поля. Эта система увлекает за собой диффузор, заставляя его колебаться с частотой подаваемого тока, и создаёт разряженные волны. Диффузор начинает колебаться и создаёт звуковые волны, которые могут быть восприняты человеческим ухом. Они в виде электрического сигнала передаются в усилитель. Отсюда и появляется звук.
Диапазон воспроизводимых частот напрямую зависит от толщины магнитопроводов и размера динамика. При большей величине магнитопровода увеличивается зазор в магнитной системе, а вместе с ним увеличивается и эффективная часть катушки.
Именно поэтому компактные динамики не справляются с низкими частотами в пределах \(16\)–\(250\) герц. Их минимальный порог частотности начинается с \(300\) герц и заканчивается на \(12000\) герц. Вот почему динамики хрипят, когда вы выкручиваете звук на максимум.
Большая часть электродинамиков воспроизводит лишь часть частот, которые может воспринимать человек.
Сделать универсальный динамик, способный воспроизводить весь диапазон от \(16\) до \(20000\) герц, невозможно, поэтому частоты поделили на три группы: низкие, средние и высокие.
После этого конструкторы начали создавать динамики отдельно для каждой частоты. Это значит, что низкочастотные динамики лучше всего справляются с басами. Они работают на диапазоне \(25\)–\(5000\) герц.
Высокочастотные динамики созданы для работы с визжащими верхами (отсюда нарицательное имя — «пищалка»). Они работают в частотном диапазоне \(2000\)–\(20000\) герц.
Среднечастотные динамики работают в диапазоне \(200\)–\(7000\) герц.
Динамики для телефона отличаются от «взрослых» моделей конструктивно (рис. \(5\)).
Рис. \(5\). Динамик для телефона
Расположить такой сложный механизм в мобильном корпусе нереально, поэтому инженеры пошли на хитрость и заменили ряд элементов. Например, катушки стали неподвижными, а вместо диффузора используется мембрана.
Динамики для телефона сильно упрощены, посему ожидать от них высокого качества звучания не стоит. Диапазон частот, который способен охватить такой элемент, значительно сужен. По своему звучанию он ближе именно к высокочастотным устройствам, так как в корпусе телефона нет дополнительного пространства для установки толстых магнитопроводов.
Устройство динамика в мобильном телефоне отличается не только размерами, но и отсутствием независимости. Возможности устройства ограничиваются программным обеспечением. Это сделано для защиты конструкции динамиков. Многие снимают этот лимит вручную, а потом задаются вопросом: «Почему хрипят динамики?»
В среднестатистическом смартфоне устанавливают два таких элемента. Один — разговорный, другой — музыкальный. Иногда их объединяют для достижения эффекта стерео. Так или иначе, достичь глубины и насыщенности в звучании можно лишь с полноценной стереосистемой.
Источники:
Рис. 3. Устройство динамика. https://www.shutterstock.com/ru/image-vector/structure-speaker-86703694. 2021-08-19.