Телефон
8 (495) 103-67-33
обратный звонок
Режим работы
с 10:00 до 19:00
sales@west-tech.ru
Ваша корзина
В корзине пока пусто
Главная страница / Полезные статьи / Статья "Громкоговорители, часть 4"

Статья "Громкоговорители, часть 4"

Нетрадиционные громкоговорители: ленточные и излучатели Хейла.

В предыдущих статьях серии был выполнен анализ принципов работы электродинамических громкоговорителей. Однако в современных акустических системах, как бытовых, так и профессиональных, довольно широко используются излучатели, работающие на других способах и принципах преобразования энергии: электростатические, ленточные, плазменные, цифровые и прочие. Объем выпуска таких излучателей составляет примерно 20% от общего производства громкоговорителей.

Поскольку над их развитием работает много фирм, и каждый из этих типов излучателей имеет свои преимущества и особенности, имеет смысл в нескольких последующих статьях рассказать о них. Возможно, в ближайшие годы некоторые из нетрадиционных громкоговорителей (в частности, цифровые излучатели) могут получить широкое распространение.

Начнем с анализа работы ленточных громкоговорителей и излучателей Хейла. Оба эти типа относятся к электродинамическим громкоговорителям, но используют несколько другие способы преобразования энергии.

Конструкция ленточных громкоговорителей
Конструкцию ленточных громкоговорителей запатентовал в 1928 году инженер Gerlah из European Acoustic Laboratories. Однако начать их производство оказалось возможным только в 30-е годы, когда появились постоянные магниты. Общий принцип построения ленточных громкоговорителей показан на рис. 1: длинная тонкая гофрированная ленточка из алюминиевой фольги помещается между полюсами магнита, расположение полюсов на котором выбрано в соответствии с рис. 2.

При приложении переменного тока к алюминиевому проводнику, находящемуся в магнитном поле, на него начинает действовать механическая сила Лоренца, направленная перпендикулярно поверхности ленточки и равная F = BLI, где B — индукция в зазоре магнита, L — длина проводника, I — сила тока. Поскольку ленточка очень легкая, то она получает достаточно большое смещение при малой величине приложенного тока. Так как ленточка получается довольно широкой (относительно диаметра проводника звуковой катушки), то ее активное сопротивление достаточно мало (порядка 0,047 Ом), поэтому излучатели обычно используются с входными трансформаторами (что позволяет повысить их входное сопротивление), рис. 3.

Ленточка обычно гофрируется, чтобы уменьшить нежелательные резонансные колебания, а также увеличить ее гибкость. Сзади ленточки часто делают замкнутый объем, гибкость воздуха которого создает дополнительную упругость. Чтобы уменьшить резонансы этой воздушной полости, ее обычно забивают пористым поглощающим материалом. Отсутствие резонансов диафрагмы позволяет получить однородную АЧХ до очень высоких частот.

Для уменьшения искажений, вызванных несимметричностью и неоднородностью магнитного поля в зазоре (что представляет большую проблему для обычных электродинамических громкоговорителей), конструкция полюсов магнитной цепи оптимизируется таким образом, чтобы получить максимально однородное поле в зазоре. Индукция в зазоре обычно получается небольшая, ~2500 Гс, но из-за малой массы ленточки этого оказывается достаточно для получения большой чувствительности (~95 дБ/Вт/м).

Связь требуемой чувствительности с площадью ленточки может быть получена с помощью следующей приближенной формулы:
S = 1,52 • 102 • 10 LдБ/20/f 2 н • А,
где S — площадь ленточки, LдБ — уровень характеристической чувствительности громкоговорителя, А — амплитуда смещения ленточки в мм, f н — нижняя граничная частота.

Допустим, проектируется ленточный высокочастотный громкоговоритель с чувствительностью 110 дБ/Вт/м и нижней граничной частотой 5000 Гц. Амплитуда смещения ленточки не должна превышать 0,2 мм для обеспечения низкого уровня нелинейных искажений, тогда из формулы получается:
S = 1,52 • 102 • 10 110дБ/20/50002 н • 0,2 = 9,6 кв. см

Если взять ширину ленточки 0,8 см, то длина при площади 9,6 кв. см будет равна 12 см, что обычно и используется в высокочастотных громкоговорителях. Поскольку ленточка имеет значительную площадь, она быстро охлаждается, и поэтому на громкоговоритель можно подавать довольно большую мощность.

Из-за большой длины и узкой ширины громкоговоритель имеет широкую характеристику в горизонтальной плоскости (до 70 градусов на 20 кГц), что полезно для обеспечения широкого стереообраза. Правда, в вертикальной плоскости громкоговоритель имеет узкую характеристику направленности. Иногда это бывает полезным, так как помогает избежать нежелательных отражений от потолка и пола.

Несомненными преимуществами ленточных громкоговорителей перед обычными электродинамическими являются малое время атаки и спада звучания из-за небольшого веса ленточки (масса ~0,01 г, толщина 9 мкм), низкий уровень нелинейных и интермодуляционных искажений, ровная АЧХ и др., что позволяет получить прозрачное и чистое звучание на высоких частотах.

Производство ленточных громкоговорителей
Хотя основы конструкции промышленных ленточных громкоговорителей были описаны в 70-е годы, особенно широкого распространения они не получили из-за необходимости применения довольно большой и дорогостоящей магнитной цепи, низкого импеданса, невысокой надежности и большой стоимости.

В 1997 году A. L. Butler на конгрессе ASA (Acoustical Society of America) сделал доклад "Новое рождение ленточного громкоговорителя", что послужило толчком к новому всплеску интереса к нему. В этот период появились новые магнитные материалы, позволившие значительно снизить габариты магнитной цепи. Наибольшее распространение получили такие магнитные материалы, как неодим, которые имеют магнитную энергию почти в три раза выше, чем обычные феррит-бариевые магниты. Изменилась и технология изготовления ленточек (в некоторых случаях используется прочный полиимид, ламинированный слоем алюминия, например, в модели SA8535 фирмы Stage Accompany), и т. д. В результате современные конструкции ленточных излучателей обладают достаточной надежностью и приемлемой ценой.

В настоящее время производством таких громкоговорителей и акустических систем с ними занимаются десятки фирм: Stage Accompany (Голландия), Expolinear (Германия), Philips (Голландия), Bohlender-Graebener (США), Apogee Sound (США), Image Acoustics (США), Dali (Дания), Newform Research (Канада), Wisdom Audio (США) и другие.

Обычно ленточные громкоговорители используются в качестве высокочастотного звена в сочетании с низкочастотным блоком электродинамических громкоговорителей, однако имеются модели широкополосных ленточных громкоговорителей. Ленточные громкоговорители находят широкое применение в бытовой аппаратуре. За последние годы они начали применяться и в автомобильной акустике, в аппаратуре для озвучивания и др.

Модели ленточных громкоговорителей
Из выпускаемых в настоящее время ленточных излучателей можно остановиться на некоторых моделях.

Ribbon Compact Driver SA8535 фирмы Stage Accompany (рис. 4) воспроизводит диапазон 1-30 кГц, выдерживает пиковую мощность до 1000 Вт, имеет ширину характеристики направленности 70 х 40 град, в области 2 кГц имеет чувствительность 107 дБ.

Raven — серия ленточных излучателей (R-1, R-2, R-3), разработанных во Франции. Их распространением занимается фирма ORCA Design & Manufacturing Corp. В настоящее время выпускаются три модели. Все излучатели обладают высокой чувствительностью, низким уровнем искажений (меньше 1% при 105 дБ) и чистым прозрачным звучанием; они используются многими фирмами в профессиональной и бытовой аппаратуре. Излучатели продаются со специальными трансформаторами, обладающими малыми потерями и низким уровнем искажений. Излучатель R-3 габаритами 206 х 207 мм воспроизводит диапазон от 500 Гц (то есть фактически обеспечивает воспроизведение средне-высокочастотного участка), имеет чувствительность 99 дБ/Вт/м и паспортную мощность 60 Вт.

4Pi TweeterJet Tweeter — ленточные излучатели фирмы ELAC. Используют либо чисто алюминиевую гофрированную фольгу, либо полиимидную пленку, ламинированную металлом.

Широкополосный ленточный излучатель дипольного типа (излучение в обе стороны) применен в системах SL-1 — SL-6 (рис. 5) фирмы Soundline Audio. Системы довольно дорогие (2500$), но, как утверждают разработчики, прозрачность звучания и конкретность стереообраза оправдывают эту цену.

Platinum IV Ribbon Driver — новая модель ленточного дипольного излучателя фирмы Carver. Излучатель работает с частоты 200 Гц. В нем используется алюминиевая пленка толщиной 10 мкм, скрепленная по особой технологии с тонкой (12 мкм) пленкой из каптона (особо прочный полиимид). Для придания пленке жесткости на ее поверхности с помощью особой машины создается морщинистая структура. Специальная технология используется также для обеспечения равномерного натяжения пленки на раме. Сильное магнитное поле обеспечивается применением магнитов из неодима.

В акустической системе AL-III Plus (тоже Carver) излучатель используется как диполь в диапазоне 100-20000 Гц, частота раздела с низкочастотным звеном составляет 150 Гц. Общая чувствительность системы 86 дБ/Вт/м. Акустическая система получила очень хорошие отзывы специалистов, которые отмечали чистоту, четкость и прозрачность звучания.

Можно отметить интересное решение дизайна фирмы Fostex (рис. 6). В акустической системе используются ленточные громкоговорители как среднечастотное звено (FS41RP с диапазоном 200-1000 Гц) и как два высокочастотных звена (FS21RPс диапазоном 1-10 кГц и FT7RP с частотой до 38 кГц).

RD28-1RD-40RD-50RD-75 — серия ленточных громкоговорителей фирмы Bohlender-Graebener. Фирма была создана только в 1994 году и специализируется на выпуске ленточных излучателей. Новое производство было открыто в Америке в 1998 году. Излучатели поставляются и другим фирмам, выпускающим с ними акустические системы (MPS, Genesis и др.). Производственные возможности фирмы позволяют ей выпускать излучатели размером от 9 см до 6 м (набор из нескольких ленточных излучателей). Излучатели могут конструироваться как диполи (излучение в переднюю и заднюю плоскость со сдвигом по фазе на 180 градусов), так и как монополи (заднее излучение демпфируется). В качестве материала для ленточек используется полиэстерная или полиимидная пленка с нанесенным на нее алюминиевым или медным проводником. Магниты используются из неодима, но могут применяться магниты из очень дорогого (но эффективного) материала самарий-кобальт. Рамки изготавливаются из стали, но имеются модели с пластмассовой рамкой. Излучатели воспроизводят полный диапазон до семи с половиной октав, обладают высокой чувствительностью, низким уровнем нелинейных и интермодуляционных искажений и большой мощностью. Излучатели таких размеров и мощности находят себе применение не только в бытовой, но и в профессиональной технике (например, для аппаратуры в системах озвучивания).

Подводя итоги современной ситуации на рынке аудиоаппаратуры с ленточными громкоговорителями, можно отметить следующее. Решение технологических вопросов по изготовлению надежной пленки, применению высокоэффективных магнитов и т. п. открыло дорогу разработке этих громкоговорителей и их широкому использованию в акустических системах разного назначения, как бытовых, так и профессиональных. Что вполне отвечает достоинствам ленточных громкоговорителей: низкому уровню переходных и нелинейных искажений, широкой характеристике направленности в горизонтальной плоскости, чистоте и прозрачности звучания.

Излучатели Хейла
Стремление повысить КПД громкоговорителей привело к созданию нового типа электродинамического преобразователя, получившего название излучатель Хейла или Air Motion Transformer (AMT). Этот излучатель запатентовал в 1973 году в США известный ученый Oskar Heil — физик и один из изобретателей полевых транзисторов. Он работал над созданием такого преобразователя несколько лет, первая его работа на эту тему была опубликована в 1964 году.

Принцип устройства излучателя заключается в следующем: излучающий элемент представляет собой прямоугольную мембрану, которая изготавливается из тонкой тефлоновой (или майларовой) пленки толщиной ~10 мк. На нее методом напыления наносится проводник из алюминия в виде прямоугольных полосок (рис. 7a). Затем мембрана гофрируется в продольном направлении (расположение проводника на гофрированной мембране показано на рис. 7b) и закрепляется в прямоугольной рамке.

Рамка с гофрированной мембраной помещается в сильное магнитное поле между полюсами магнитов. Общая конструкция магнитной цепи (которая выполняет также роль акустической линзы) показана на рис. 8. Она состоит из четырех прямоугольных ферритовых магнитов (1), наборных магнитопроводов (2), уголкового магнитопровода (3), рамы-корпуса (4) и магнитного зазора (5), куда вставляется рамка с мембраной.

Как и во всех электродинамических преобразователях, на проводник с током, помещенным в магнитное поле, действует механическая сила F = BLI. Направление действия силы зависит от направления магнитных силовых линий и направления тока. В случае гофрированной мембраны, показанной на рис. 7b, механическая сила будет действовать на каждый гофр с противоположных направлений, то есть сжимать и разжимать гофрированную мембрану. При этом происходит всасывание и выталкивание воздуха (рис. 9 — направления стрелок показывают движение воздуха при работе диафрагмы). Скорость воздуха за счет такого преобразования увеличивается в отношении 5:1 к скорости мембраны, что позволяет увеличить КПД громкоговорителя, так как излучаемая акустическая мощность пропорциональна сопротивлению среды и колебательной скорости.

Использование гофрированной мембраны позволило существенно уменьшить размеры излучающей поверхности, тем самым обеспечив расширение характеристики направленности на высоких частотах. Кроме того, поскольку вес тонкой пленочной диафрагмы много меньше, чем вес подвижной системы обычного громкоговорителя, то, соответственно, уровень переходных искажений в ней значительно ниже, чем в диффузорных громкоговорителях (за счет меньшей инерционности).

Производство и применение излучателей Хейла
После того, как излучатель был запатентован, фирма ESS, основанная в начале 70-х годов в США, получила лицензию и начала выпуск акустических систем с таким излучателем в 1973 г. Первая модель, AMT-1, стала довольно популярной, в ней излучатель Хейла использовался в качестве высокочастотного звена.

Измерения этого излучателя, выполненные в 80-е годы, показали, что он имеет следующие параметры: частотный диапазон 1-25 кГц, неравномерность +/-3 дБ, чувствительность 98 дБ, полное электрическое сопротивление 3,6 Ом, суммарный коэффициент гармонических искажений 1%. Проведенные прослушивания показали, что он действительно обладает чистым и прозрачным звуком.

В 1974 году фирма ESS выпускала уже пять моделей акустических систем такого типа, к 1980 году их выпуск составил четырнадцать моделей. В 1977 году фирма разработала акустическую систему Transor ATD полностью на излучателях Хейла, которые использовались в качестве низко-, средне- и высокочастотного звена. Однако дальнейшего развития эта идея не получила, так как магнитные системы для НЧ- и СЧ-звена оказались слишком дорогими. В настоящее время фирма продолжает выпускать акустические системы с излучателями Хейла как для домашнего использования (серия AMT), так и в качестве студийных контрольных агрегатов. Параметры одного из них, Monitor AMT 1D, показаны в таблице.

Некоторое время фирма ESS была единственным производителем таких излучателей, хотя они и были запатентованы в Японии, Англии, Франции и других странах. Несколько фирм (например, Consept) выпускали акустические системы с использованием излучателей Хейла под торговой маркой ESS.

Затем наступил период значительной потери интереса к производству такого типа излучателей, даже фирма ESS сократила выпуск до восьми моделей к 1986 году. Очевидно, причина заключалась в том, что, несмотря на несомненные преимущества (высокая чувствительность, низкие переходные и нелинейные искажения и др.), для их обеспечения требовались мощные и дорогие магнитные цепи.

Однако за последние годы интерес к преобразователю Хейла резко вырос, так как появились новые материалы и новые технологии. Например, фирма Orchid Precision Audio выпустила двухполосную акустическую систему LWO с излучателем Хейла, работающем в диапазоне от 1500 Гц, а фирма Precide SA — акустическую систему Aulos (рис. 10).

На 106-м конгрессе AES в 1998 году фирма ADAM Audio (Германия) представила доклад и показала образцы разработанных ею новых излучателей, использующих принцип излучателя Хейла. Излучатель получил название A.R.T. (Accelerated Ribbon Technology). Изменения коснулись, в первую очередь, материала и технологии изготовления диафрагмы.

Общая конструкция такого высокочастотного излучателя показана на рис. 11. Диафрагма изготовлена из каптона с нанесенным (методом горячего прессования) проводником из алюминия. Такая диафрагма выдерживает температуру до 400 градусов, что позволяет увеличить паспортную мощность громкоговорителя. Применение глубокой гофрировки позволяет существенно увеличить эффективную площадь диафрагмы по сравнению с обычным купольным громкоговорителем. В качестве магнита используется новый высокоэффективный материал неодим, что позволяет существенно уменьшить габариты магнитной цепи.

Излучатель обеспечивает диапазон частот 1-25 кГц, быстрый спад переходных процессов (30 дБ за 0,5 мс), низкий уровень нелинейных искажений (0,2% выше 2 кГц), чувствительность 93 дБ/Вт/м. С аналогичными диафрагмами был разработан среднечастотный громкоговоритель с чувствительностью 89 дБ/Вт/м. С этими громкоговорителями был создан студийный контрольный агрегат, имеющий отдельный хорошо задемпфированный корпус для среднечастотного излучателя.

Отечественные разработки
История отечественных систем с использованием в качестве высокочастотного звена излучателя Хейла началась в 1984-86 годах, когда в ИРПА им. Попова была разработана конструкция высокочастотного излучателя, использующая принцип "акустического трансформатора". Там же были отработаны макеты акустических систем с таким излучателем, которые были переданы на ряд предприятий для освоения. На одном из них (НПО "Ферроприбор") были отработаны промышленные образцы акустических систем и запущены в производство.

Акустические системы состояли из низкочастотного блока с пассивным излучателем (один из вариантов был с фазоинвертором) и отдельного средне-высокочастотного блока с излучателем Хейла. Параметры одной из таких моделей, 100 АСАТ-001, следующие: диапазон воспроизводимых частот 40-25000 Гц, чувствительность 91 дБ/Вт/м, долговременная шумовая мощность 150 Вт, частота раздела 1500 Гц.

Сравнительные субъективные экспертизы (с акустической системой фирмы ESS AMT-1) показали, что система обладала чистотой и прозрачностью звучания, особенно при воспроизведении струнных инструментов и фортепиано. Что еще раз подтверждает — принципы, заложенные в основу создания "акустического трансформатора" (излучателя Хейла), заслуживают того внимания, которое уделяется им в настоящее время.

Другие интересные статьи
Статья "Громкоговорители, часть 5.2"

Корпуса акустических систем. Методы расчета.Как было показано в предыдущей статье, корпус оказывает существенное влияние на параметры и качество звучания акустических систем в области как низких, так и высоких частот. Для анализа этих процессов были разработаны экспериментальные методы и созданы прикладные программы, позволяющие рассчитать оптимальную форму корпуса с…

Форматы цифровой музыки

Небольшое вступление Про MP3 знают, наверное, все. Даже люди, далекие от компьютеров больше не воспринимают это слово как что-то диковинное. А вот разобраться с огромным количеством новых форматов, ставших популярными за последнее десятилетие не так уж просто. Путаница усиливается и тем, что разработчики кодеков, всячески пытаясь привлечь внимание к своему формату,…

Основы тембровой коррекции

Немного истории. Рождённый в 30-х годах, эквалайзер является старейшей и наиболее часто используемой звукорежисёрами обработкой звука. Сегодня на рынке хватает самых разных приборов для тембровой коррекции - от простого НЧ-ВЧ корректора 50-х до навороченного многополосного эквалайзера с совершенной параметрикой. В своей основе эквалайзер представляет собой несколько…

Статья "Громкоговорители, часть 2.2"

Нелинейные искажения. Мощность. Импеданс. Электромеханические параметры.Как уже было сказано в предыдущей части статьи, во всех видах электроакустических преобразователей (громкоговорителях, микрофонах, стереотелефонах и др.) имеют место как линейные, так и нелинейные искажения сигнала. Последние характеризуются появлением новых составляющих в спектре.…

Marshall Hanwell – крутая акустика для крутого iPhone

Marshall Hanwell – крутая акустика для крутого iPhoneКомпания Marshall не нуждается в особых представлениях. Даже те из вас, кто далек от профессиональных звуковых усилителей и акустических систем должны с первого взгляда узнать логотип компании, мелькающий во многих музыкальных клипах. Marshall Headphones и Marshall Amplification решили отметить юбилей марки…

Большой вопросник по записи, редактированию и воспроизведению звука в домашних условиях

ЧТО САМОЕ ТРУДНОЕ В ЗВУКОЗАПИСИ? Надо выработать в себе умение преодолевать стресс, всегда владеть ситуацией и постоянно контролировать получающийся звук. На это обычно уходит около десяти лет самостоятельной работы, когда специалист самоучкой постигает секреты мастерства методом проб и ошибок. (Петр Кондрашин. Типичные ошибки звукорежиссеров при записи и сведении…

Компрессоры и компрессия

Из всех процессов, используемых в производстве современной музыки, компрессия сигнала является, пожалуй, наиболее сложным для восприятия. В первую очередь это связано с тем, что зачастую результат обработки звука компрессором едва различим на слух – особенно для начинающих.Другая трудность заключается в количестве изменяемых параметров компрессора: их не так мало, как…

Статья APi 500 - модульная система обработки

Компанию Automated Processes, Inc. организовал в 1968 году инженер Saul Walker. Самым известным ее созданием является легендарный операционный усилитель 2520, до сих пор составляющий основу многих устройств. В середине 70-х компания стала ведущим производителем микшеров для радио- и телевещания. Кроме того, микшеры стали использовать и в студиях, в том числе таких…

Ключевые частоты инструментов и микрофоны для их съёма

Оживление искусственных барабановЕсли вы хотите “оживить” звук “drum mashine”, передайте его через усилитель гитары в студии и поставьте микфрофон (ы) перед усилителем на расстоянии 1м. Смешайте его с прямым звучанием «drum mashine», добиваясь более “живого” звучания. Этот же прием может быть использован для “оживления” сэмплерных вокалов.Советы по эквализации…

Звукорежиссура и звукоизмерения

Наверное, многим этот заголовок может показаться кощунственным. В самом деле, так много говорится о “магии музыки”, о “волшебстве звука”, и вдруг - какие-то там измерения! Да как можно, “это ж святотатство!” - скажете вы. Ан, нет! Хотя, конечно, если говорить о музыке, как о нотах на листе бумаги - то безусловно, там еще никому и ничего измерить не удавалось. Да,…

Статья "Громкоговорители, часть 5.1"

Корпуса акустических систем. Конструкции.В предыдущих статьях были рассмотрены конструкции различных видов излучателей, которые являются основными элементами всех видов акустических систем. Однако неотъемлемой частью любой акустической системы является также корпус.Корпус (рис. 1) выполняет многообразные функции. В области низких частот он блокирует эффект "короткого…

Настройка барабанов

У многих, даже опытных барабанщиков возникают проблемы с настройкой барабанов, и стыдного в этом ничего нет. (Пианисты же не стесняются того, что им приходится время от времени вызывать настройщика. Хотя тоже могли бы, вооружившись ключом, забраться в рояль или пианино. Прим. переводчика.) В Америке, например, существуют целые компании, специализирующиеся на…