Излучатель хейла своими руками

Акустические системы: альтернативные варианты излучателей звука (часть 4)

Сохранить и прочитать потом —

После того, как мы достаточно подробно разобрались с устройством и вариантами использования динамика, стоит обратить внимание и на то, что на свете существуют другие варианты преобразования электрического сигнала в акустический.

Магнитопланар (изодинамический излучатель)

Этот планарный (плоский, пленочный) излучатель звука работает по тому же принципу, что и динамик: проводник с током движется в магнитном поле. Но в отличие от традиционного динамика голосовая катушка здесь фактически равномерно распределена по всей площади излучения, и вся эта излучающая поверхность находится в магнитном поле.

В случае с магнитопланарным излучателем источником звука является синтетическая пленка с нанесенными на нее проводниками с током. Эта плёнка размещается в поле решетки, сделанной из магнитов. Таким образом, вся площадь плёнки оказывается в магнитном поле, и пленка излучает звук равномерно со всей поверхности.

В начале существования магнитопланарных систем проводники из фольги просто наклеивали на пленку. Проблемой такого варианта было отслоение проводника после интенсивной эксплуатации: он нагревался, и клей не выдерживал. Наглядным примером могут служить выпускавшиеся в СССР динамические пищалки 10ГИ-1, наушники ТДС-7, ТДС-17.

Затем технология совершенствовалась, для приклеивания проводника на пленку стали применять температурную адгезию, закрепляя, например, алюминий (реже — медь) на майлар (лавсан, тефлон). Это более дорогой вариант технологии планарного излучателя — чуть дешевле обходится прошивание пленки токопроводящей проволокой.

Преимущества технологии состоят в том, что масса планарной подвижной системы на несколько порядков меньше, чем у классического динамика. В результате резко уменьшаются искажения. С другой стороны, магнитопланары предполагают излучение с большой площади, что, как минимум, создает проблему стереосцены.

Особое развитие принцип получил в наушниках, где используются различные его варианты, например, ортодинамические излучатели.

Электростат

Неплохие результаты удалось получить с электростатическим вариантом планарного (пленочного) излучателя. Принцип действия следует из названия: речь идет о движении диэлектрической пленки в электрическом поле. До этого пленку натягивают между двумя токопроводящими сетками (статорами), на которые подается модулированное звуковым сигналом напряжение, а на саму пленку — потенциал приблизительно в 3 000 В.

Преимущество такого варианта излучения по сравнению с магнитопланарным — отсутствие проблем с нанесенными на пленку проводниками тока. Их просто нет. С другой стороны, такой излучатель нуждается в объемистой мощной электронике и, естественно, требует отдельного питания. В остальном электростат и магнитопланар схожи.

Стоит подробнее остановиться на вопросе воспроизведения низкочастотного диапазона с помощью планарных систем. Они по определению не готовы обеспечить серьезную амплитуду. И если в магнитопланарных громкоговорителях более распространена конфигурация в виде сочетания узкого высокочастотного излучателя и низкочастотной секции большей площади, то в электростатических системах, чаще всего, сам электростат занимается средне- и высокочастотным диапазоном, хотя бы потому, что модели большой площади достаточно дороги.

Поэтому за низкочастотный диапазон у них отвечает, как правило, интегрированный в систему сабвуфер, работающий с применением классического динамика. Такие системы называются гибридными. Изготовители магнитопланарных спикеров также иногда предлагают доукомплектование своих изделий сабвуферами на базе классических динамиков.

Кроме того, оба основных варианта с применением плёнки являются дипольными системами. То есть назад и вперед они излучают (звучат) практически одинаково. Это приводит к определенным проблемам с правильным размещением таких колонок в комнате прослушивания.

Излучатель Хейла и другие излучатели с гофрированными пленочными мембранами

В принципе, логично было бы разделить звуковой диапазон на несколько полос и в каждой полосе использовать наиболее подходящей для нее вариант звуковоспроизведения. Например, магнитопланарные излучатели часто используются в верхнем диапазоне в качестве твитеров (пищалок). То же самое можно сказать об излучателях Хейла — Air Motion Transformer (AMT).

Речь идет о системе на базе волнообразно-гофрированной пленки с нанесенными на нее проводниками из фольги, помещенной в сильное магнитное поле. Пропускание тока по таким проводникам приводит к тому, что соседние участки притягиваются или отталкиваются, выталкивая или втягивая воздух между гофров. Такой вариант источника звука имеет все преимущества пленочного излучателя, поскольку вес подвижной системы очень мал.

Внешне на излучатель Хейла очень похож ленточный алюминиевый твитер, в котором гофрированная тончайшая фольга окружает постоянный магнит. Ввиду малого сопротивления, сигнал на концы фольги подводится через понижающий трансформатор.

Естественно, что излучатели Хейла и их аналоги используются, в основном, в верхнем частотном диапазоне.

Ионофон (электродуговой плазменный громкоговоритель)

Именно в диапазоне верхних частот важен минимальный вес подвижной системы и ее минимальная инерционность. Идеальным излучателем для верхних частот стало бы невесомое тело, механически никак не связанное с опорами и колеблющееся (изменяющее свой объем) под воздействием электрического сигнала.

И такой вариант, использовавший, по сути, принцип работы радиолампы, был найден в начале второй половины прошлого века. Он получил название ионофон. Принцип действия системы основан на пульсациях электродуговой плазмы в переменном электрическом поле. Первые образцы устройства, представленные на ВДНХ в начале 50-х, имели определенные побочные проблемы. В частности, легкий треск разряда, от которого затем смогли избавиться.

В семидесятых годах прошлого века были выпущены серийные образцы акустических систем с верхнечастотным звеном на базе плазменного излучателя. Сейчас такие излучатели доступны для установки в современную пользовательскую акустику и даже в мощные концертные системы.

Недостатком ионофона можно считать необходимость достаточно мощного электропитания и, как следствие, требования устройства к отводу тепла. В результате, устанавливая такой твитер в замкнутый объем обычной колонки, стоит задуматься о том, как бороться с его перегревом. Повышенное энергопотребление также не добавляет энтузиазма, к тому же внутри устройства — источник сверхвысокого напряжения.

С другой стороны, на базе плазменного излучателя можно получить поистине аудиофильскую систему, поскольку качество его звучания, по идее, приближается к абсолютному.

Пьезоизлучатель

Известное свойство пьезокристалла: генерировать электрический ток в случае приложения к нему деформирующей силы, либо наоборот — деформироваться в случае приложения к нему электрического тока. Этот эффект применяется во многих областях, начиная от производства весов и зажигалок и заканчивая звуковоспроизведением.

Поскольку в данном случае не получается получить большую амплитуду колебаний, рассчитывать на возникновение низкочастотных устройств звуковоспроизведения на базе пьезокристаллов не приходится. Зато пьезокристаллы могут работать на высокой частоте. Поэтому на их базе изготавливаются твитеры.

Данный принцип применяется в недорогих моделях, благодаря дешевизне технологии. К сожалению, и результаты, получаемые с помощью этой технологии — не самые лучшие, а качество звука, как правило, невысокое.

НЧ-система с механическим приводом

Естественно, что в области звуковоспроизведения возможны и экзотические решения. Ведь если проанализировать все существующие технологии, то у них можно найти один общий недостаток — очень низкий коэффициент полезного действия.

Этого недостатка лишены генераторы низкой частоты с механическим приводом. Собственно говоря, эти излучатели не работают со звуковым сигналом. Они применяются для различных технологических целей, в частности — для испытаний готовой продукции на виброустойчивость, выдавая синусоидальные колебания заданной частоты. При этом может обеспечиваться очень большая громкость!

Устройство состоит из жесткой пластины, на которую через шатун с двумя шарнирами передается возвратно-поступательное движение от диска, укрепленного на оси электродвигателя. Все это, очевидно, нужно как следует закрепить.

Частота колебаний такой системы зависит от скорости вращения электродвигателя. Получаем высокоэффективный генератор практически синусоидальных низкочастотных звуковых волн. Интересно, что в далеких восьмидесятых одна из дискотек в США купила такой генератор у НАСА. Он, якобы, затем использовался в составе низкочастотного звена акустики танцевального зала. Или в чисто рекламных целях. О реальном эффекте такого устройства можно только догадываться.

Источник

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.

Источник