Изодинамические излучатели своими руками

Акустические системы: альтернативные варианты излучателей звука (часть 4)

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.

Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Источник

Самодельные изодинамические излучатели на мембранах 10ГИ и 3-х полосная АС с ними

Изготовление описанных ниже изодинамических головок преследовало цель не только повторить хорошую ранее выпускавшуюся конструкцию (10 ГИ-1), но и по возможности снизить нижнюю границу воспроизводимых частот, захватив полосу СЧ звуковых сигналов. Для снижения границы воспроизводимых частот потребовалось расширить зазор между магнитами для увеличения свободного хода мембраны. Применение вместо ферритовых более сильных неодимовых магнитов скомпенсировало последствия уменьшения магнитного потока.

Для повторения описанной ниже конструкции потребуется 12 стержневых магнитов размерами 50×10×5 мм (в каждом излучателе). Мембраны с плоскими катушками можно заказать в СПБ ООО “Диффузор” (ремкомплект 10 ГИ-1-16) или изготовить самостоятельно по технологиям, описанным в соответствующих ветках специализированных Интернет-ресурсов (форумов).

На рисунке представлена рассматриваемая конструкция в развёрнутом виде:

Далее, на рисунке показан вид на конструкцию сверху. Здесь на два перфорированных стальных листа толщиной 2 мм наклеены три ряда стержневых магнитов с указанной полярностью:

По двум краям каждого листа закреплены стальные прутки квадратного сечения 10×10 мм. В них и в перфорированных листах просверлены отверстия, через которые проходят четыре шпильки, скрепляющие при окончательной сборке обе половинки магнитной системы:

На фото видна подготовка (обрезка) мембраны с плоской катушкой. Внешнюю часть основы в том месте, где заканчивается печатный рисунок катушки, удаляют:

Затем с помощью закреплённых на валах шестерён (например, от старых принтеров), проводится гофрирование мембраны. Полученная форма позволяет без проблем закрепить мембрану между магнитными системами, не ограничивая при этом её свободный ход:

Перед приклеиванием мембраны на одной из половинок магнитной системы необходимо расположить, как показано на фото, три демпфирующие прокладки из тонкого файбера (материал-утеплитель для одежды).

Боковые прокладки должны немного касаться краев мембраны, но не перекрывать всей поверхности излучения. Средняя демпфирующая полоска должна приходиться на широкую центральную проводящую дорожку:

После приклеивания плёнки и припаивания токоподводящих проводников к медным лепесткам-выводам образуется фронтальная половина необходимой конструкции:

Затем сверху аккуратно укладывают ещё один слой тонкого файбера, закрывающего всю тыльную часть поверхности. Таким образом, формируются «центровка» и фактические воздушные зазоры между магнитной системой и мембраной с катушкой.

Применение демпфирующих прокладок устраняет резонансы мембраны и позволяет получить чистый звук на частотах выше 450 Гц:

Далее в рамку продевают шпильки, и на них надевают вторую часть магнитной системы. Чтобы не повредить нежную мембрану случайным хаотичным слипанием частей, верхнюю половину конструкции сначала фиксируют только одной шпилькой при максимальном разведении половин конструкции друг от друга:

Шпильку наживляют гайкой на пару оборотов, и затем обе половинки магнитной системы поворачивают до совмещения остальных крепёжных отверстий, контролируя прохождение зон “слипания” магнитов. Наживлённая шпилька не позволит уйти половинам в неконтролируемое “слипание” при повороте. Взаимную тягу магнитов при повороте можно несколько ослабить, если на магниты второй части сборки временно наложить тонкий стальной лист, который после совмещения удаляют, осторожно вытягивая в сторону. При правильно “сфазированных” магнитах собранные половины конструкции должны проявлять взаимно отталкивающую силу.

Фиксацию производят на оставшиеся шпильки, затем конструкцию равномерно стягивают:

В фиксируемом при сборке положении магнитной системы противоположно расположенные магниты создают силовые линии магнитного поля, направленные вдоль плоскости катушки и мембраны.

Готовая конструкция изодинамиков, в настоящий момент используется в составе трёхполосной АС в качестве СЧ-излучателей с полосой рабочих частот 800-10000 Гц через фильтр первого порядка, который обеспечивает минимальные переходные и фазовые искажения.

В качестве ВЧ-излучателей используется самодельные ленточные динамические головки, принцип работы которых описан в журнале «Радио» №1 за 2012 год (статья на диске).

Необходимость использования дополнительных ВЧ-излучателей обусловлена спадом звукового давления изодинамического излучателя выше 10 кГц. Причина недостаточного звукового давления в этой области, возможно, обусловлена малой площадью апертуры отверстий перед передней частью излучателя, так как у оригинальной головки 10 ГИ-1 фронтальная часть перед мембраной выполнена в виде открытых прямоугольных портов.

Самодельный изодинамический СЧ излучатель был представлен в журнале «Радио» №1 за 2017 г (статья на диске), но в настоящий момент имеет НЧ секцию, отличную от описанной в статье.

Низкочастотные излучатели АС выполнены в виде двух динамических головок 10 ГД-30, установленных в закрытом корпусе (ЗЯ) большого объема, как описано в журнале «Радио» №10 за 1983 год или в этой статье.

С обратной стороны корпуса дополнительно установлены две аналогичные головки, но без магнитных систем. При помощи дополнительного утяжелителя (пластилина) резонансная частота Пассивного Излучателя (ПИ) настроена на 30 Гц, что практически в два раза ниже (55 Гц) резонансной частоты двух 10 ГД-30 в этом акустическом оформлении. Магниты от ПИ приклеены к основным динамикам (в «противофазе»), с целью повышения КПД. Окна диффузородержателя заклеены марлей (ПАС), что немного повышает резонансную частоту головки, но значительно снижает «резиновый призвук», характерный компрессионным головкам с резиновым подвесом.

Использование ПИ против ФИ позволяет получить более низкий бас, без эффекта «долбежки», как у пресловутой линейки 35АС: «Амфитон», S90 и т.п.

Источник