Что означает широкополосные динамики
Анатомия акустических систем: споры о широкой полосе
Так сложилось, что иногда в нашем блоге мы задеваем вопросы, вызывающие достаточно бурное, живое обсуждение на этом и других ресурсах. Полагаю, что так будет и в этот раз, так как речь пойдёт о почти философском (для некоторых людей) вопросе: преимуществах и недостатках широкополосных АС в сравнении с многополосными.
Отмечу, что я являюсь сторонником многополосных АС, и по ряду причин полагаю, что чем больше полос (в разумных, конечно, пределах), тем лучше. В силу изложенного выше, я могу быть несколько необъективным в оценке полярной точки зрения (но буду стараться сохранить нейтральный подход).
Суть споров
Практика применения широкополосных динамических излучателей и АС, созданных на их основе, сформировала устойчивый стереотип о том, что чем шире частотный диапазон электродинамического излучателя, тем ниже его линейность. Соответственно, у подавляющего большинства широкополосных излучателей, как правило, не очень ровная АЧХ, также для многих излучателей этого типа характерен высокий уровень гармоник и интермодуляционных искажений.
Такое мнение подтверждается целым рядом чистых, с точки зрения физики звука и психоакустики, экспериментов, проведенных за последние 40 лет. В экспериментах сравнивались широкополосные и многополосные АС. В связи с наличием серьёзных недостатков (низкая линейность компонентов, оборудованных широкополосными излучателями), подавляющее большинство производителей отказались от широкой полосы и стали выпускать многополосную акустику.
Противники многополосной акустики утверждают, что низкая линейность динамиков подобных систем с лихвой компенсируется отсутствием «ужасных фазовых искажений», «чудовищных проблем» с линейностью кроссоверов, разделяющих звук на полосы.
Иными словами: у многополосников фильтры «безбожно крутят фазу», что «ужасно» отражается на звуке. Кроме того, не редко заявляется о том, что пассивные кроссоверы способны существенно ухудшить динамические характеристики системы, снизить детальность звучания и сделать его «плоским». Перечисленные недостатки относятся в основном к пассивным кроссоверам, а недостатком активных является их стоимость.
Кроме прочего, приверженцы широкополосных АС часто апеллируют к неким магически-метафизическим особенностям влияния, воспроизведённого ими звука. В качестве демонстрации «магического» воздействия звука, издаваемого такой АС, приведу одну цитату (она вполне отражает мнение тех, кто апеллирует к «шаманизму» в этом вопросе):
«Но с другой стороны, сам не заметив, я через какое-то время я перешел от анализа звучания к прослушиванию музыки. Ставил композицию за композицией, слушал час вместо запланированных 10-15 минут. Потом появилось очень интересное ощущение — захотелось подпевать за исполнителем, попытаться сыграть аккорд за инструментом — хотя и то и другое после привычной уху самоделке на СканСпиках разбиралось с трудом =). Выключив аппаратуру, ушел в очень положительном настроении — появилось ощущение, что услышал что-то то, что никогда не слышал раньше — что именно, сказать сложно. Но — получается правы те, кто говорит о какой-то магической стороне широкополосников. »
(орфография и пунктуация сохранены)
Многополосные АС
Объективно, подавляющее большинство многополосных АС обладают рядом преимуществ. Для большинства многополосных систем с пассивными кроссоверами характерны:
АЧХ качественной трехполосной акустики
Как я уже отмечал, помимо сложности конструкции и цены для многополосных систем характерно наличие фазочастотных искажений. При этом следует учитывать, что этот тип искажений может быть заметен только в случае, если превышаются пороги слышимости ГВЗ (которые в области 2 кГц составляют около 1 мс). Подавляющее большинство производителей акустических систем ориентируются на этот критерий с середины 90-х по нынешнее время.
«За» и «против» широкой полосы
Несмотря на «засилье» многополосной акустики на современном рынке, не все компании отказались от разработок в области «широкой полосы». Так, например, компании В&С, BHL, P.audio, Edge и Beyma считают исследования в этой области оправданными и продолжают выпускать широкополосные динамические громкоговорители высокой чувствительности. В частности, этими компаниями были предложены технические решения, позволяющие увеличить диапазон ВЧ подобных динамиков. Это было сделано за счет использования коаксиальной конструкции излучателей и других оригинальных решений (размещение специальных диффузорных «надстроек», присоединяющихся к центральному керну динамика и пр.). Такие системы особенно популярны в автозвуке и встраиваемой акустике.
Сравнение АЧХ 2-х шмирокополосных динамиков
АС на основе таких динамиков близки к многополосным по графику АЧХ. Однако, в силу использованного принципа, все равно склонны к образованию горба в области средних и «урезанию» остальных частот, особенно в области НЧ-диапазона. Следует также отметить, что расширение спектра широкополосных динамиков в сторону НЧ неизбежно связано с увеличением площади излучателя, что, как правило, приводит инженеров в тупик.
Кроме того необходимо учитывать, что среди приверженцев подобной акустики «true-вариантом» считается применение закрытого акустического оформления. Это, в свою очередь, не даёт производителям использовать фазоинверторный тип «ящиков», который смог бы усилить низкие в общей «картине». По той же причине в таких АС используются динамики с высокой чувствительностью, что отнюдь не добавляет линейности таким системам.
Известно, что наиболее серьёзные проблемы с линейностью широкополосных излучателей отмечаются в границах частотного раздела, что и объясняет большую распространённость многополосников.
Как я ни старался быть нейтральным – не получилось. В заключение могу отметить, что мои личные впечатления от прослушивания широкополосной акустики вполне совпадают с тем, что мне доводилось читать о проблемах этих систем. Звучание изобилует средними частотами и не создаёт ожидаемой объёмной сцены, низов – нет. Иными словами, несмотря на отсутствие фазовых проблем, присущих многополосным системам, широкополосники удовлетворительными считать не могу. Нелинейность, особенно выраженная в спектрах частотного раздела, убивает все достоинства «широкой полосы».
Пока писал пост, в гости зашел знакомый звурежиссер, резюмировал: «Все утверждения, что линейный звук добывается из одного излучателя — глупость полная».
Искренне надеюсь, что среди читателей найдутся люди, которые знают, по какой ещё причине среди аудиофилов пользуется популярностью широкополосная акустика. Как я уже написал, мне не удалось быть объективным. Жду комментариев, опровергающих мою точку зрения.
Как выбрать широкополосные динамики в машину
Зачем нужны широкополосные динамики
Нет надобности кому-либо объяснять, зачем нужны широкополосные динамики – это основные динамики любой аудиосистемы, не только автомобильной. Зачем нужен широкополосный динамик в машине, в которой нет аудиосистемы – понятно каждому. Но зачем он может понадобиться автолюбителю, в машине которого уже стоит штатная аудиосистема? Затем, что на аудиосистеме производители часто экономят, устанавливая недорогие однополосные динамики, которые средние частоты еще кое-как вытягивают, а «верха» и, особенно, «низы» режут нещадно. Не надо быть меломаном, чтобы заметить исчезновение бас-гитары в любимой композиции, а недорогой «однополосник» такой фокус запросто может обеспечить. Проще всего спасти ситуацию, заменив штатные динамики на коаксиальные или на более качественные широкополосные, с расширенным частотным диапазоном.
Но все же наиболее распространенная причина замены штатного (иногда даже коаксиального) динамика на широкополосный – создание компонентной автоакустики, т.е., такой аудиосистемы, в которой звук разделяется по частотам и каждую полосу частот озвучивает отдельный динамик: ВЧ – твитеры, СЧ – широкополосные динамики, НЧ – сабвуферы. Пока что именно компонентная автоакустика считается наилучшим решением для обеспечения чистоты и качества звука.
Определившись с тем, зачем вам нужен широкополосный динамик, можно приступить к подбору конкретной модели по её характеристикам.
Характеристики широкополосных колонок.
Размер динамика. Нельзя однозначно утверждать, что чем больше динамик, тем лучше у него звучат низкие частоты и тем хуже – высокие. Но хорошо играющий НЧ динамик, скорее всего, будет большого диаметра, просто по той причине, что большому диффузору проще создать большое звуковое давление и поддержать громкость звука на низких частотах. В то же время иной 10-сантиметровый динамик обеспечивает лучшее звучание НЧ, чем другой 15-сантиметровый. Поэтому, выбирая широкополосный динамик в автомобиль, на диаметр следует обратить внимание как на чисто геометрическую характеристику вместе с посадочной глубиной: влезет ли динамик в предполагаемое место установки. А соответствие его выбранной роли лучше проверять по диапазону частот и амплитудно-частотной характеристике.
Минимальнаяи максимальная частота динамика – одни из важнейших его параметров, определяющие качество звука будущей аудиосистемы. Человеческое ухо слышит звуки частотой от 20 до 20000 Гц, и, чем лучше частотный диапазон аудиосистемы будет покрывать диапазон слышимых частот, тем полнее будет её звук. Если вы выбираете однополосный динамик, он должен охватывать как можно более широкий диапазон – минимальная частота должна быть близка к 20 Гц, насколько это возможно (30-40 Гц – вполне хороший показатель), а максимальная – закрывать слышимый диапазон полностью, т.е. 20000 Гц. Если в паре с динамиком предполагается использовать сабвуфер, требования к минимальной частоте смягчаются. Такой двухполосный динамик может иметь минимальную частоту в 100 и более герц. Если предполагается использовать твитер, то снижается требование к максимальной частоте.
И, если вам важно качество звука, перед покупкой динамика постарайтесь увидеть его график зависимости амплитуды от частоты – амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) – чем он ровнее в диапазоне воспроизводимых частот, тем лучше будет звукопередача.
Следует ли при выборе многополосного динамика отдать предпочтение тому, чей диапазон уже? Скорее всего, да. Ровную АЧХ намного проще обеспечить на небольшом диапазоне, поэтому динамик с узким частотным диапазоном, скорее всего, будет иметь на этом участке более ровную АЧХ, чем динамик с широким диапазоном.
Количество полос определяет, сколько динамиков должно быть в комплекте с данным, чтобы обеспечить полное покрытие слышимого диапазона. Однополосный динамик может быть единственным динамиком системы, обеспечивая качество звука хоть и далекое от идеального, но достаточное, скажем, для прослушивания радио. Двухполосные динамики требуют дополнительно наличия сабвуфера или твитера – точнее можно сказать, посмотрев на максимальные и минимальные частоты. Трехполосные динамики требуют и сабвуфера и твитера.
Импеданс или внутренне сопротивление динамика должно в точности поддерживаться усилителем. Если подключить динамик с импедансом 2 Ом к выходу, рассчитанному минимум на 4 Ом, то выходной каскад усилителя может перегореть, не выдержав вдвое возросших токов. Если же наоборот, подключить нагрузку на 8 Ом к выходу, рассчитанному максимум на 4, то звук динамика будет намного тише, чем если подключение производилось бы правильно.
Иногда для увеличения звукового давления к усилителю подключают несколько динамиков. Тогда их общий импеданс считается по формуле, соответствующей типу подключения.
Чувствительность характеризует создаваемое динамиком звуковое давление, показывая, насколько громко (в дБ) будет звучать поданный на вход сигнал в 1Вт на расстоянии 1м от динамика. Для устройств сравнимой мощности – чем больше чувствительность, тем громче звук. Чем ниже чувствительность, тем мощнее должен быть усилитель для создания звука той же громкости.
Материал диффузора. К диффузору динамиков предъявляются противоречивые требования – он должен быть максимально жестким для мгновенной передачи ускорения катушки на всю поверхность диффузора, и, в то же время, он должен хорошо демпфировать любые колебания для предотвращения «звона». Производители постоянно ведут разработку новых материалов, пытаясь добиться идеального баланса между жесткостью и демпфированием.
Бумага или целлюлоза – старейший из материалов диффузоров до сих пор остается неплохим решением за счет высоких демпфирующих способностей и неплохой жесткости. К недостаткам можно отнести невысокую механическую прочность и восприимчивость к атмосферным воздействиям.
Полипропилен (IMPP) недорог, прочен, имеет хорошую демпфирующую способность и устойчив к атмосферным воздействиям (для автомобильного динамика это важно). К сожалению, жесткость полипропилена невысока, особенно при использовании его в чистом виде, что часто бывает в недорогих моделях – из-за этого страдает качество звука.
Карбон и композитные волокна на основе углепластика имеют высокую жесткость, обеспечивая высокое качество звука, но демпфирование в них невысоко, АЧХ таких динамиков может быть неровным, иметь ярко выраженные пики и провалы.
Материал подвеса. Для средне- и высокочастотных динамиков материал подвеса должен обладать хорошим демпфированием и жесткостью выше среднего. Для этого идеально подходят бумага и ткань. Бумажные подвесы дешевле и проще в изготовлении, но тканевые имеют лучшие эксплуатационные характеристики, поэтому качественные динамики часто имеют именно тканевый подвес. Резиновый подвес чаще используется в динамиках, нацеленных на хорошую передачу низких частот, для высоких и средних частот этот материал слишком мягок.
Также следует понимать, что один и тот же материал у разных производителей может различаться очень сильно в зависимости от состава, пропиток, технологии изготовления.
Поэтому выбирать динамик по материалу диффузора и подвеса не стоит, а информацию об этих материалах воспринимать в качестве дополнительной.
Перед покупкой будет нелишним обратить внимание на количество динамиков в комплекте. Низкая цена выбранного хорошего динамика может определяться именно тем, что в комплекте он идет один.
Варианты выбора.
Для создания простой аудиосистемы по минимальной цене обратите внимание на однополосные динамики ценой до 1200 рублей. Качество звучания, скорее всего, будет средним, но это лучше, чем ничего.
Для хорошей передачи звуков всего слышимого диапазона выбирайте среди динамиков с максимальным частотным диапазоном – они обойдутся вам в 900-1300 рублей.
Для создания компонентной системы с твитером и сабвуфером, выбирайте динамики со сжатым частотным диапазоном по цене 1600-2900 рублей.
Сказ про широкополосный динамик
Звук — неотъемлемая часть человеческого общества. С первым жизненным вздохом человек слышит самые разные звуки. Именно поэтому невозможно представить себе беззвучную современную цивилизацию. Технологии проникли во все уголки жизнедеятельности человека, они же позволяют получать широчайший диапазон самых разных звуков.
Чтобы услышать звуки у человека есть универсальный естественный аппарат — слух. Чтобы издать звуки во всех естественных диапазонах, инженерной мыслью создан излучатель звуков. Именно такой прибор использует способность человеческого уха улавливать возбужденные механические колебания.
Что такое широкополосный динамик?
По мере развития прогресса было придумано множество изделий, излучающих звуки самых разных диапазонов, но наиболее популярным стал электродинамический громкоговоритель. Устройство динамика довольно проста и универсальна. На катушку, находящуюся внутри постоянного магнита, подается напряжение звуковой частоты. Колебания, выдаваемые катушкой, передаются на диффузор. Механические колебания, возбуждаемые катушкой, передаются в воздух. Ухо улавливает данные механические колебания и человек слышит звук.
Учитывая, что слушать музыку и прочие передачи, сопровождаемые звуком, хочется всегда и везде, то появляется необходимость в создании универсального звукового излучателя. Специализированные динамики прекрасно работают в узком диапазоне, но это нужно далеко не сем и не всегда. А вот средние частоты востребованы больше всех.
Именно поэтому появилась необходимость в создании популярных широкополосных динамиков, которые наряду со средними частотами воспроизводят и низкие, и высокие. Безусловно, весь диапазон звуков на одном излучателе воспроизвести невозможно, но востребованность таких динамиком обуславливается рядом причин. Прежде всего тем, что конструкция узкоспециализированных излучателей часто бывает довольно громоздкой. Кроме того, цена у таких изделий выше, ведь за качество приходится платить. Не каждому это по карману.
Широкополосный динамик это экономный вариант, когда один динамик воспроизводит всю полосу частот.
А вот попсу с новостями, а также музыку в автомобиле вполне можно слушать без кроссовера через дешевый широкополосный динамик. Этим и объясняется устойчивая популярность именно широкополосных систем. Бытовая техника, смартфоны, телевизоры, портативные колонки — везде нашли своё применение широкополосные динамики.
Кроме того, универсальные излучатели, рассчитанные на широкий звуковой диапазон, устанавливаются в рупорных системах и трубах Войта.
Рупорные акустические системы
Пытаясь с помощью широкополосных динамиков «укротить» как можно больший диапазон звуков изготовители сталкиваются с рядом проблем. Все зависит от того какой диапазон звуков необходимо произвести.
Низко чувствительные системы демонстрируют узкий динамический диапазон, особенно при понижении громкости. Выражается это в пропаже высоких и низких составляющих, которые «забиваются» среднечастотным звуком. Отчасти это происходит благодаря строению человеческого уха, наиболее оптимально приспособленного для восприятия именно средних звуков.
Что касается высоких частот, то звук, излучаемый маленькой диафрагмой высокочастотного динамика с небольшой амплитудой, просто теряется на фоне тех же средних частот. Решение данной проблемы находят в применении дополнительных устройств (темброблоки, АЧХ корректоры, тон компенсаторы и прочее), ухудшающих звуковоспроизведение.
Альтернативой выступает принципиально иной способ улучшения воспроизведения звука — улучшение КПД акустических систем с помощью рупоров (горнов). Такая оригинальная конструкция позволяет соотнести давление внешней воздушной среды и звукового давления диафрагмы излучателей. То приводит к минимизации искажений и выравниванию амплитудно-частотных характеристик широкополосных динамиков.
В Советском союзе очень любили создавать рупорные акустические системы на базе широкополосников 4А-28, например: Акустический агрегат с повышенным КПД на низких частотах.
Рис. 1. Широкополосные динамики 4А-28
Труба Войта
В 1930 году Пол Войт описал новый принцип создания акустической системы, так называемая расширяющаяся четвертьволновая труба (Tapered Quarter-Wave Pipe — TQWP). В данной рупорной системе используется частота резонанса динамической головки.
Преимуществами акустического принципа является отсутствие разделительных фильтров. Рупор и динамик разведены, то есть размещение динамика не начало рупора, а его сторона. Рупор выступает как обратная нагрузка для диффузора.
И опять же, наши радиолюбители строили трубы Войта, снова!, на динамиках 4А-28.
Конструкция широкополосного динамика
Выделяют два основных вида универсальных широкополосных динамиков — с центральным колпачком и конус-визером «дудка».
Первая конструкция больше похожа на обычный динамик с одним конус-куполом.
Рис. 2. Широкополосный динамик Visaton B 200/6 с центральным колпачком
А вот строение второй вариации динамика сложнее,опять тот же 4А-28. Такой излучатель содержит два конуса: большой как в обычных динамиках, и второй, встроенный внутри большого.
Диафрагма должна быть среднего размера с умеренными колебаниями. В противном случае большего искажения получит звук с высокой частотой. Что касается басов, то тут решение в увеличении размеров конуса, при сохраненном ходе, но при качественном диффузоре.
На сегодняшний день существует множество не только вариантов исполнения широкополосных динамиков, но и материалов, используемых при изготовлении диффузоров. Чтобы добиться минимизации искажений, производители идут на любые ухищрения. Одни излучатели, имеющие высокую эффективность, искажают низкие частоты, другие — требуют применения специального короба, для повышения басов. Применяя в конструкциях широкополосных динамиков усилители до 3 Вт, достигается высокая производительность.
Так как при использовании широкополосников хочется качественно (насколько это возможно) прослушивать весь диапазон частот (высокий, средний, низкий), то производители применяют при изготовлении диффузора бумагу или современную альтернативу ей — кевлар. Так удается добиться гораздо более высокого результата.
Конструктивной особенностью динамика является неравномерное натяжение кожи в подвесе RCA-TELEFUNKEN. Чем ближе в диффузор — тем натяжение выше. Как итог — превосходный по своей чистоте тихий звук.
Рис. 3. Кожаный подвес в широкополосном динамике
Подробнее про кожаный подвес читаем в статье «Достоинство тихих звуков».
Также интересны исследования акустики, изготовленной с подмагниченными динамиками фирмы «Telefunken и ВЧ-головками фирмы «Peerless». В совокупности с ламповым усилителем и дополнительным рупором также достигнут невероятный уровень качества звука. Познакомиться с оригинальным опытом можно в статье «Telefunken» — жизнь после смерти».
Помимо бумаги, кевлара и кожи в широкополосниках, для достижения качества звука в разных диапазонах, можно использовать даже алюминий и смолу. Бумага все же предпочтительнее, так как, не обладая повышенной жесткостью, она способна уменьшить резонанс. Особенно эффект заметен при покрытии бумаги лаком.
Недостатки широкополосников
Проблемы широкополосных динамиков известны:
Попытки расширить спектр качественного звучания в сторону низких частот приводит к увеличению площади излучателя.
Закрытая форма акустической системы не позволяет использовать фазоинверторную конструкцию колонок, для расширения низкочастотного диапазона. А применение динамиков с высокой чувствительностью еще больше разбалансирует АЧХ.
Автомобильная широкополосная акустика
Прослушивание музыки в современных автомобилях — это целый спектр особенностей акустических систем. И здесь широкополосные динамики также занимают существенную долю, так как ограниченный объем авто не позволяет развернуться любителям по-настоящему качественного звука, требующего сложных конструкций.
В автомобиле с задачей передачи приемлемого звука вполне справиться широкополосник в диаметр диффузора 8,10 или 12 см. Стоит сразу отметить, что низкие и высокие частоты на таком динамике воспроизводятся без применения кроссовера — специального разделительного фильтра звуковых частот.
При выборе широкополосного динамика для своего автомобиля следует акцентировать внимание на некоторых аспектах. Так, в зависимости от размера салона и свободного объема важен размер динамика, а также общие требования к высоким и низким частотам.
Рассеивание звука во всех направлениях (дисперсию) также необходимо учитывать. Так, если рассеивание плохое, то звучание будет глухим, а вот если еще на стадии покупки вы слышите естественный звук, то все в порядке. Для басов нужен дополнительный сабвуфер, который выступает в качестве компенсатора низких частот. Таким компенсатором могут выступить 10-ти дюймовые колонки. Помимо всего прочего, следует прослушать звучание на разных уровнях громкости.
Так как в авто не всегда достаточно места для крупногабаритных колонок, то качество звучания среднеразмерных конструкций можно улучшить с помощью звукового процессора, встроенного в современные магнитолы.
Рекомендации для автомеломанов
В общих случаях в автоакустике рекомендованы широкополосные акустические системы с фазоинвертором, то есть корпус акустики должен вентилироваться. Пускай басы и не будут звучать отлично, а ВЧ будут плосковаты, все же в целом звук будет вполне приемлемым для автомобильного салона.
Однако учитывая вышеуказанные недостатки широкополосные динамики не смогут удовлетворить запросы по качеству звучания, особенно при желании выделить высокие и низкие частоты. Один, пускай и универсальный излучатель не сможет компенсировать все искажения, «провалы», затухания звука в разных звуковых секторах. Хотя и существуют ситуации, когда широкополосный динамик подойдет в качестве излучателя, ценители чистого и объемного звука откажутся от такой системы.
Более надежной, качественной, хотя и дешевой альтернативой первому варианту могут выступить коаксиальные модели. Принципиальное отличие данной системы от широкополосных излучателей — это воспроизведение каждой звуковой области своим динамиком.
Подводя итог, следует понимать, что любая универсальная система, от которой требуется воспроизведения звука в широком диапазоне, будет в той ил иной мере искажать звук. Именно поэтому использование оригинальных материалов для изготовления диффузоров, конструктивных особенностей корпусов широкополосных динамиков, а также применение электронных настроек позволяет добиться максимального результата в указанных условиях.
Широкополосные динамики вобрали в себя все лучшее в области акустических технологий, поэтому оптимальны в соотношении цена/качество, а потому — наиболее по-прежнему популярны, несмотря на ряд очевидных недостатков.
И наш совет прост — берите компонентные системы. Вы тогда получите удовольствие от звука.