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. Затем мембрана гофрируется в продольном направлении (расположение проводника на гофрированной мембране показано на рисунке ниже) и закрепляется в прямоугольной рамке.
Пленка с нанесенным металлическим проводником:
Расположение проводника на гофрированной пленке:
Рамка с гофрированной мембраной помещается в сильное магнитное поле между полюсами магнитов. Общая конструкция магнитной цепи (которая выполняет также роль акустической линзы) показана ниже. 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. Направление действия силы зависит от направления магнитных силовых линий и направления тока. В случае гофрированной мембраны, показанной, механическая сила будет действовать на каждый гофр с противоположных направлений, то есть сжимать и разжимать гофрированную мембрану. При этом происходит всасывание и выталкивание воздуха (на рисунке ниже 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 НЧ, СЧ и ВЧ 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.
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 Oskar A.V.T. (AMT) Kithara Loudspeaker.
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.
Слева показана общая конструкция такого высокочастотного излучателя. 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.
Определенный интерес так же вызывают наушники с такими излучателями. Как пример, можно привести модель ERGO A.M.T. фирмы Precide:
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, 150 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.
Мифы и правда, о динамиках
Основа конструкции любого типа наушников – это динамик и большинство мифов имеют отношение именно к ним.
Внутриканальные модели звучат хуже полноразмерных. Это убеждение связанно с малыми размерами динамиков в наушниках – пользователи убеждены, что малый размер не способен выдать качественный звук. Вспомните, что мы писали выше о мембранах – под воздействием магнитного поля они приходят в движение и степень их упругости определяет качество звука, возможные искажения и чувствительность. Поэтому мембраны должны обладать жесткостью и при этом быть очень легкими.
Представьте мембрану внутриканального наушника – малый диаметр придает ей оптимальную жесткость одновременно она очень легкая и подвижная.
А теперь представьте, как поведет себя мембрана аналогичной толщины в больших динамиках – она потеряет жесткость и будет громоздкой, а это приведет к возможным искажениям и долгим затуханиям звука. Чтобы избежать этих явлений, для увеличения жесткости производители наносят на большие мембраны тончайшие металлические покрытия из легкого титана или бериллия. Но это приводит к следующему негативному проявлению – увеличивается вес и чтобы заставить мембрану колебаться требуется увеличить мощность, а это для носимой гарнитуры не всегда хорошо.
Конечно, если взять полноразмерные наушники с большими динамиками, обладающими достаточной жесткостью и обеспечить подачу достаточной мощность от источника, они буду звучать лучше, но не забывайте, мы говорим о небольших портативных гарнитурах, которые в большинстве подключены к смартфонам.
Если вы выбираете наушники для игр на компьютере, обратите внимание на дорогие планарные или электростатические модели, но они требуют использование усилителей.
Чем больше динамики наушников, тем шире частотный диапазон. Этот миф тщательно культивируется производителями гарнитур указывающих широчайшие диапазоны, воспроизводимые большими динамиками и продающих их за повышенную стоимость.
Пример. Возьмем наушники с динамиками 70 мм и диапазоном 5Гц-120кГц. Все частоты присутствуют, но мембрана передает звук свыше 30 кГц как незначительные искажения и никакой звуковой информации в таких высоких частотах не содержится. Мы уже писали в одной из наших статей, что человеческое ухо не способно слышать звук, выходящий из диапазона 20Гц-20кГц, поэтому расширенный диапазон просто бесполезен – его не слышно. А спектр частот доступный нашему уху способен охватить динамик любого размера.
Динамики наушников одного размера, но разных производителей звучат одинаково. Это совершенно неверное убеждение, которое мы так же рассматривали в статье о характеристике звука. Для проверки недостоверности этого мифа достаточно проверить разные наушники на одной и той же мелодии и с равными настройками громкости.
Дорогие наушники известных брендов лучше. Отчасти это соответствует действительности т.к. известные производители, заработавшие солидную репутацию, не станут изготавливать некачественные товары с плохими характеристиками. Но с другой стороны цены на известные бренды порой неоправданно завышены и покупатели переплачивают просто за известное имя. Вполне возможно найти надежные гарнитуры с высоким качеством звучания и по меньшей стоимости.