Особенности конструкции сдвоенных динамических головок и их влияние на акустические системы

В статье, оригинально автором подготовленной еще в 70-х годах, рассматривается специфика расчета аудиосистем, оснащенных парными динамическими излучателями. Основное преимущество таких систем заключается в снижении нелинейных искажений на низких звуковых частотах и в уменьшении необходимого объема воздуха, что имитирует больший акустический ящик.

Классические динамические головки обладают рядом недостатков, среди которых особо выделяются сильная неравномерность частотной характеристики и нелинейные искажения, которые усиливаются при росте мощности и понижении частоты сигнала.

Причинами таких эффектов служит конструкция головок: асимметричная форма диффузора, неравномерное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре и нелинейность гибкости подвеса подвижной системы, а также особенности технологического производства.

Особенно выраженные искажения наблюдаются в низкочастотном диапазоне, где для качественного воспроизведения музыки требуется значительно больше мощности, чем для средних и высоких частот.

Постоянно ведутся исследования по улучшению конструктивных решений и технологий изготовления динамических головок. В рамках этих усилий создаются новые формы магнитных систем, разрабатываются современные звуковые катушки, диффузоры, подвесы, а также применяются инновационные материалы.

Отмечается значительное повышение качества звука, воспроизводимого акустическими системами, оснащенными современными головками, что удовлетворяет большинство слушателей. Однако при этом конструкция головок по-прежнему остается асимметричной, и пока не удалось добиться полной электромеханической симметрии в традиционных конструкциях.

Некоторые зарубежные производители для уменьшения проявлений четных гармоник в низкочастотных излучениях используют у своих колонок по четыре одинаковых головки. Причем одна пара размещается снаружи, а вторая — внутрь корпуса, например, в низкочастотных модулях моделей Audio-Pro В4-2000.

Такое решение — установка многих identичных излучателей — при расширенной частотной полосе вызывает интерференцию волн и ограниченность диаграммы направленности.

Оптимальный способ обеспечить высокое качество воспроизведения низких частот и при этом сохранить широкую диаграмму лучевых характеристик — организация одной пары сдвоенных головок, расположенных по принципу ‘диффузор к диффузору’. Этот подход стал популярным у зарубежных производителей через несколько лет после публикации работ о сдвоенных головках.

Использование сдвоенных динамиков за рубежом активно практикуется радиолюбителями и производителями аудиотехники для создания акустических систем с улучшенными характеристиками в низкочастотном диапазоне.

Примерами служат сборки датской компании JAMO (модели PUSH-PULL, РР3000) и изделия С. Гурина. Головки типа ‘диффузор к диффузору’ предназначены исключительно для воспроизведения низких частот.

Объединение двух стандартных НЧ-головок по этому принципу позволяет добиться конструкции с высоким уровнем симметрии, которая превосходит по нелинейным и частотным искажениям обычные решения мощностью аналогичной категории.

Варианты ‘диффузор за диффузором’ в основном применяются в слабом звуковом диапазоне и при этом используют широкополосные головки, способные воспроизводить весь диапазон при отсутствии необходимости высокого качества низкочастотных сигналов, при этом высокие частоты добавляются с помощью отдельной высокочастотной головки.

На рисунке 1 изображены схемы сдвоенных головок двух типов: ‘диффузор к диффузору’ и ‘диффузор за диффузором’.

Параметрические характеристики таких головок отличаются от аналогичных, одиночных моделей. Но исследований, подробно посвященных техническим расчетам и анализу акустических систем с использованием таких элементов, в литературе немного. Некоторые публикации содержат грубые ошибки, что затрудняет правильное проектирование.

Ключевые ошибки связаны с рекомендациями по объединению среднечастотных динамиков или с неправильным использованием нескольких головок, а также с рекомендациями по применению ‘диффузор за диффузором’ в высококачественных акустических системах.

Перед началом расчетов важно понять физические процессы, происходящие внутри сдвоенных головок, чтобы исключить ошибки в проектировании. В частности, в головках типа ‘диффузор к диффузору’ и ‘диффузор за диффузором’ процессы одинаковы, однако качество воспроизведения зависит от нюансов, которые будут раскрыты далее.

Диффузоры парных головок связаны между собой объемом воздуха, удерживаемого в пространстве между ними, причем этот объем должен быть герметичным, чтобы избежать нежелательных эффектов.

При воспроизведении звука оба диффузора движутся синхронно: либо оба наружу, либо оба внутрь корпуса. Соответственно звуковая волна, излучаемая наружной головкой, выходит во внешний воздух, а внутренний диффузор помогает имитировать увеличение объема ящика, преодолевая сопротивление воздуха внутри корпуса и обеспечивая большую амплитуду колебаний по сравнению с одиночным излучателем.

Объем воздуха между диффузорами фактически выступает в роли добавочной массы, что отражается на их акустических характеристиках.

При этом колебания внутри объема воздуха должны быть в полном соответствии по фазе с колебаниями внешнего диффузора. Но на практике с ростом частоты различия в фазе увеличиваются, так как фазовый сдвиг возрастает.

Именно поэтому сдвоенные головки подходят только для фона низкочастотной части спектра, где длина звуковых волн значительно превышает расстояние между диффузорами. Например, для частоты 150 Гц, где длина волны равна примерно 2.3 метра, разница в фазе минимальна.

При более высоких частотах, например, 5 кГц (длина волны около 6,9 см), расстояние между диффузорами (например, 3 см) уже создает значительный фазовый сдвиг, что вызывает интерференционные явления и разрушает качество воспроизведения.

Это главная причина, почему сдваивание среднечастотных головок нецелесообразно, а использование ‘диффузор за диффузором’ в таких случаях — оправдано только при низких и средних частотах.

Для широкополосных головок, предназначенных для всепланетного диапазона, рекомендуется зашунтировать внутреннюю катушку конденсатором с подобранной емкостью. Это позволит эффекту сдвоенных головок проявляться только в низкочастотной области, а в более высоком диапазоне будет работать одна внешняя головка. В этом случае их лучше всего использовать в конфигурации ‘диффузор за диффузором’.

Широкополосные устройства отлично справляются с воспроизведением средних и высоких частот благодаря особенностям конструкции, иногда оснащаются дополнительным конусом для расширения воспроизводимых высот.

Безусловно, в системах с сдвоенными широкополосными головками качество низкочастотного воспроизведения возрастает, а объем корпуса при этом уменьшается относительно решений с одиночными излучателями. Средние и высокие частоты при этом ослабляются посредством фильтров — кроссоверов.

Соединение сдвоенных головок реализуется по схемам, приведенным на рисунке 2, которые учитывают конструктивные особенности и фазовые задержки. Варианты, показанные на рисунках 2 а, б, не требуют дополнительных мер по подавлению фазовых задержек внутри корпуса на соответствующих частотах. В более сложных схемах, показанных на 2 в, г, необходимо использовать реактивные цепи для ограничения диапазона эффективного излучения спутниковых головок.

Если в систему объединить более двух головок, могут возникнуть опасные фазовые сдвиги даже в низкочастотной области, что в свою очередь приведет к ухудшению качества звука. К тому же увеличенная длина такого блока увеличит объем громкоговорителя, что скажется на размере ящика и стоимости всей системы.

Кроме того, амплитуда колебаний диффузора наружной головки в таком случае не превысит уровень, достигнутый при сдвоенных головках, из-за ограничений подвеса и звуковой катушки. В результате, увеличение числа головок ведет к потерям эффективности, снижению полезного объема и высоким затратам, что делает такой подход непродуктивным без особых инженерных решений.

Для изготовления высокоточных акустических систем рекомендуется комбинировать головки по принципу ‘диффузор к диффузору’ исключительно в целях воспроизведения низких частот. Такой подход устраняет большинство видов искажений [5], особенно те, что связаны с четными гармониками, вызывающими заметные нелинейные искажения [6].

На следующем сравнительном обзоре станет ясно, что основные показатели сдвоенных головок в сфере качества звучания значительно превосходят показатели одиночных элементов.

Нелинейные искажения

В основе нелинейных искажений обычных электродинамических динамиков лежат стандартные конструкции магнитных систем, характеризующиеся несимметричным и неоднородным распределением магнитной индукции в зазоре, а также асимметричной конической формой диффузоров, что вызывает ‘парашютный эффект’ сопротивления воздуху. Кроме того, искажения возникают из-за неравномерного расположения звуковых катушек внутри магнитных систем и гибкости подвесов подвижных деталей [1].

На рисунке 3 изображено сечение звуковой катушки 1 внутри магнитной системы 2, а также графики зависимости магнитного поля В1 и В2 в зазорах сдвоенных головок, с обозначением глубины зазора — x и x2.

Конструкция ‘диффузор к диффузору’ дает такие преимущества:

• частичная компенсация нелинейных деформаций подвесов подвижных систем;
• формирование результирующего излучателя в симметричной форме;
• устранение эффекта асимметричного расположения звуковых катушек в магнитных полях — это достигается подбором головок со смещёнными друг относительно друга звуковыми катушками, компенсируя погрешности при сборке;
• выравнивание смещения подвижных систем в поршневом диапазоне за счет взаимной компенсации силы притяжения катушек с током к магнитопроводу и неоднородностей магнитного поля в зазорах системы.

На рисунке 3 показаны сечения катушек и графики зависимости магнитных индукций В1 и В2 в зазорах сдвоенных головок, а также отмечены параметры x и x2, соответствующие глубинам зазоров.

Для головок, собранных по принципу ‘диффузор за диффузором’, устраняются только несимметричные расположения катушек внутри воздушных зазоров, достигается это подбором компонентов с противоположным смещением и стабилизацией низкочастотных характеристик [3].

Паспортная мощность

Паспортная мощность электродинамической акустической головки — это такой уровень мощности, при котором устройство может функционировать в течение длительного времени без риска повреждения. У сдвоенных головок любых типов данная мощность в два раза превышает показатели одиночных аналогичных элементов.

Важно учитывать, что реальная максимальная мощность, которую можно подавать на динамик, может отличаться от паспортной в зависимости от условий эксплуатации и качества подключения. При превышении паспортных значений возрастает риск перегрева и повреждения мембраны или магнитной системы.

Рекомендуется использовать мощность с запасом, чтобы обеспечить надежную работу акустической системы и предотвратить ее повреждение. Также стоит учитывать импульсные нагрузки и короткие пиковые значения сигнала, которые могут превышать средний уровень мощности.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление динамической головки является комплексной величиной, зависящей от частоты звука и достигающей максимума на резонансной частоте. При последовательном соединении двух головок сопротивление удваивается, а при параллельном — уменьшается в два раза относительно одиночных элементов.

Важно отметить, что изменение сопротивления с частотой влияет на работу предусилителя и нагрузки на звуковую карту или усилитель. Поэтому при проектировании аудиосистем рекомендуется учитывать особенности сопротивления динамических головок, чтобы избежать искажения звука и обеспечить устойчивую работу оборудования. Кроме того, резонансная частота определяет, при каком частотном диапазоне головка наиболее эффективно преобразует электромагнитную энергию в акустическую, что важно для достижения качественного звучания.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показывает зависимость звукового давления, создаваемого головкой, от частоты сигнала при постоянной поданной мощности. Все существующие головки имеют определенные неравномерности АЧХ [2], причем каждая модель демонстрирует свои особенности в полосе низких и средних частот, а зафиксировать полностью гладкую кривую практически невозможно.

В сдвоенных головках пики и просадки в низкочастотной области частично компенсируют друг друга, делая АЧХ более ровной. В средних и высокочастотных диапазонах эффект сдвоенности проявляется значительно слабее или отсутствует, поскольку причины этого связаны с особенностями конструкции и взаимодействиями элементов.

Для оценки качества АЧХ часто используют измерения с использованием специализированных приборов, таких как анализаторы спектра. Это позволяет выявить неравномерности и оптимизировать конструкцию головки для достижения более ровного звукового сигнала. Кроме того, правильный подбор характеристик АЧХ важен для достижения желаемого звукового окраса, особенно в профессиональных студиях и высококлассных аудиосистемах.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент эффективности (КПД) акустической головки напрямую зависит от параметров её элементов: формулы, включающей коэффициент пропорциональности, магнитную индукцию в воздушном зазоре, эффективную площадь диффузора и массу движущейся системы.

Наиболее мощные и громкие звуки получают головки с большим и легким диффузором и сильной магнитной системой, что обеспечивает высокий уровень акустического давления. Однако такое решение требует просторных корпусов, поскольку у таких головок увеличиваются габариты, связанные с эффективной площадью диффузора, гибкостью подвесов и массой всего подвижного механизма. В случае с сдвоенными головками эти параметры снижаются в два раза или остаются на уровне двух отдельных элементов, что ведет к уменьшению КПД, но компенсируется снижением искажений, расширением нижней границы диапазона и сокращением объема корпуса [7].

Эквивалентный объем ЭДГ

Эквивалентный объем акустической головки — это объем воздуха внутри корпуса, который обладает такой гибкостью, как и подвижные части головки. В случае сдвоенных элементов подвесы работают параллельно, что вдвое уменьшает их общую гибкость. Следовательно, эквивалентный объем сдвоенной головки в два раза меньше объемов одиночных, а при наличии двух таких головок он сокращается в четыре раза по сравнению с двумя независимыми участниками [7] (по формуле):

где Vосг — эквивалентный объем сдвоенной головки; Vэ1, Vэ2 — объемы одиночных элементов.

Частота основного резонанса ЭДГ

Механическая резонансная частота головки определяется массой и гибкостью подвижного механизма, включающего диффузор, центрирующую шайбу и звуковую катушку. Формула для этого выражения выглядит так:

где М — масса подвижной системы, а Сп — гибкость подвеса.

При параллельной сборке двух головок масса Мг и гибкость Сп изменяются так, что влияние этих параметров на частоту резонанса, при условии отсутствия влияния воздуха между диффузорами, остается практически неизменным.

Все перечисленные параметры служат основой для разработки акустических систем с сдвоенными головками — от классических закрытых корпусов до фазоинверторов и сложных конфигураций, таких как лабиринты, рупоры или пассивные радиаторы. Важным моментом является то, что элементы крепления занимают часть внутреннего объема ящика, что необходимо учитывать при расчетах. Максимальное качество воспроизведения достигается при использовании сдвоенных головок в фазоинверторных системах. Для повышения эффективности и более рационального использования пространства автором разработана высококлассная акустика, защищенная авторским свидетельством [9].

Также рекомендуется рассматривать варианты установки сдвоенных головок, изображенные на рисунке 5. Выходные отверстия могут быть выполнены в виде круговых, овальных или прямоугольных отверстий, и закрываться или открываться декоративными решетками. В качестве материала для корпусов предпочтительнее использовать ДСП, что не только снижает стоимость, но и исключает появление паразитных резонансов, характерных для фанеры или массива дерева.

Благодаря внутреннему демпфированию отраженных внутри корпуса звуковых волн, применение специальных звукопоглощающих покрытий на внутренних стенках необязательно, что упрощает конструкцию и сокращает затраты.

Все рассмотренные варианты акустической конструкции на рисунке 4 предполагают наличие соединения с внешней воздушной средой посредством устройства, напоминающего рупор. Такая схема способствует более эффективному согласованию высокоэффективной механической сопротивляемости электромеханической системы сдвоенных динамических головок с низким уровнем сопротивления излучения. В результате достигается значительное улучшение качества воспроизведения звука акустическими системами.

Автор: А. Журенков, г. Запорожье, Украина. Документ: Р-2010-05.

1. Эфрусси М. ‘Громкоговорители и их применение’, 1976 год.
2. Алдошина И., Войшвилло А. ‘Высококлассные акустические системы и излучатели’, 1985 год.
3. Журенков А. ‘Сдвоенные динамические головки’. Документ: Р-1979-4.
4. Обзор компании JAMO. 1985 год.
5. Гурин С. ‘Акустическое оформление громкоговорителей’. Документ: Р-1991-4.
6. Жбанов В. ‘Про динамические головки в громкоговорителях’. Документ: Р-1983-2.
7. Жбанов В. ‘Методы уменьшения размеров акустических систем’. Документ: Р-1987-2.
8. Журенков А. ‘Громкоговорящие системы с сдвоенной головкой’. Документ: Р-1989-4.
9. Журенков А. ‘Низкочастотный звуковой блок акустической системы’.

Применение и преимущества сдвоенных динамических головок в современных акустических системах

Использование двойных акустических драйверов существенно расширяет диапазон воспроизводимых частот, обеспечивая более точную передачу как низких, так и высоких тонов. В результате достигается улучшенная разборчивость вокала и детали инструментов, особенно в сложных акустических пространствах.

Такие системы позволяют повысить КПД за счет параллельного функционирования элементов, что способствует увеличению мощности излучения без необходимости увеличения размеров модуля. Это особенно важно при создании компактных акустических решений с высокой громкостью.

Механизм комбинирования двух динамиков обеспечивает более равномерное распределение звукового давления, что снижает искажения при повышенных уровнях громкости. В результате достигается стабилизация звукового поля, сохраняя чистоту и насыщенность звучания.

Размещение драйверов в различных конфигурациях дает возможность оптимизировать полосу пропускания и улучшить характеристические параметры. Например, горизонтальные или вертикальные установки помогают максимизировать равномерность звукового давления по высоте или ширине прослушивающего пространства.

Использование двойных элементов выгодно в системах домашнего кинотеатра, караоке-станциях и профессиональных аудиорешениях, где важно обеспечить мощное и точное воспроизведение звука при минимальных искажениях. Точная настройка соединения элементов позволяет достигнуть баланса между мощностью и качеством звука, что особенно актуально в условиях ограниченного пространства.

Подбор параметров двух системных элементов на этапе проектирования способствует снижению акустических мертвых зон и повышению равномерности звучания. В результате создается более натуральное и объемное восприятие музыкального материала и речевых сигналов, что считается важным преимуществом для высокоточых аудиосистем.