Типы излучателей и сферы их применения. Немного о драйверах наушников и акустических систем

Довольно часто из уст многих людей я слышу интерпретацию примерно такого мнения – динамы ни на что не способны, имеют право на жизнь только планары/арматура/(вставить нужный тип излучателя). Что ж, в этом тексте попытаемся разобраться, какие же существуют типы излучателей для наушников и акустических систем. Что они предлагают и так ли плохи динамы?

Разумеется, для прожженных аудиофилов мой текст не будет открытием, и я на него не претендую. Кроме того, никоим образом не являюсь инженером. Не хочу преподавать нудных лекций по физике, так что где-то буду не до конца точным и изложу достаточно обобщенно для большей простоты – прошу простить. Не ставлю за цель описание всех существующих видов излучателей, информации по большинству из них в сети предостаточно. Так что остановлюсь только на тех, которые чаще или реже используются в наушниках или полноразмерных акустических системах.

Текст будет обширным, так что заваривайте чай или плесните себе чего покрепче, прогревайте ламповый усилитель (если у вас его нет, купите уже хотя бы C9) и приступим.

Динамический драйвер

Наиболее распространенный излучатель в силу ряда причин. Одной из таковых есть историческая. Представьте, первые наушники были созданы в 1910 году! А выпущенные незадолго после того Sennheiser HD414 выглядят уже вполне современными. И даже играют неплохо. С другой стороны, сейчас существует великое множество технологий, позволяющих изящно решить те или иные проблемы в производстве или технологические ограничения динамических драйверов, что также повлияло на их распространенность.

В упрощенном варианте динамический излучатель являет собой кольцевой магнит и катушку с обмоткой из множества витков тонкой проволоки, помещенную в отверстие магнита. Поскольку сопротивление меди или алюминия на метр ничтожно мало, можете посчитать, сколько метров надо намотать на катушку для получения 16, 32 или 250 Ом. Катушка движется в магнитном поле перпендикулярно моткам согласно силе Лоуренца. Она прикреплена к мембране, а мембрана, в свою очередь, и издает звук.

Это все помещается в единый корпус для целостности конструкции. В том или ином виде именно такой динамический излучатель используется в совершенно разной технике – от ширпотребных эйрподсов до огромных сабвуферов с комнату размером. Разница, грубо говоря, только в размере и использовании материалов.

Если все так просто, почему же существуют иные виды излучателей и что побуждает искать от добра добра?

Чувствительность

Не такая уж большая проблема. На нее влияет, например, сила магнитного поля, жесткость хода мембраны и некоторые иные параметры, подробно останавливаться на них я не буду. Одним из способов повысить чувствительность есть обеспечение более сильного магнитного поля. Все, наверное, слышали, с какой гордостью некоторые производители до сих пор пишут о неодимовых магнитах – на деле же уже более 10 лет практически все перешли на них.

В чем соль? Для большей силы магнитного поля и намагниченности, которая крайне мало изменяется со временем, применяют различные сплавы на основе железа, никеля и неодима с различными составами и легирующими добавками. Вместе с тем технология позволяет изготавливать самые разные формы магнита. Так в Sennheiser HD800 или Beyerdynamic T1 упор сделан именно на нетривиальный магнит, если верить маркетологам. Можно и изменять конфигурацию катушек, а также материал токопроводящей обмотки. Разумеется, все это влияет на звук.

Мембрана

Для более естественного звука и отсутствия искажений мембрана должна двигаться максимально равномерно. В акустических системах, а реже и в наушниках применяется подвес из более мягкого материала по периметру мембраны. В то же время, она сама должна быть максимально жесткой (впрочем, о том, какой ей быть, ведутся споры и сейчас) для равномерности движения и максимально легкой для быстрого времени отклика и меньшей инерции.

Именно отсюда растут ноги в различных технологиях мембраны. Алмазоподобный углерод в Campfire Audio, Бериллий или Титан в Periodic Audio и прочих, различное напыление. В том числе Topology Diaphragm у Hifiman RE800 и RE2000, мембрана из биоцеллюлозы у Denon и ZMF, еще более экзотические шелк, карбоновые нанотрубки и т.п. – все это так или иначе направлено на достижение того же результата. И применяются динамические излучатели во многом множестве устройствах от микродрайверов в бюджетных VE Monk до огромных мембран в АС Adam. И дело тут в реализации.

Как я уже говорил, на сегодня многие технологии позволяют приготовить динамический драйвер должным образом. И все же те, кто этого не умеют, отмечают в минусах более низкую детальность, скорость и иные важные для звука параметры, которые якобы априори лучше у иных излучателей. Зато динамик может прокачивать достаточный объем воздуха – именно потому их так часто применяют если не в виде широкополосников, то в гибридных конструкциях на НЧ диапазоне. Например, в моих любимых гибридах Campfire Audio Solaris SE. У AAW Canary на НЧ пара динамических драйверов, подключенных в противофазе – таким образом через работу на один объем воздуха достигается минимизация искажений и лучший контроль диапазона. Но есть гибридные конструкции и в редкостных полноразмерных наушниках.

Ленточные излучатели

В борьбе с проклятой инерцией звукоизлучающую мембрану делают все более и более легкой, по сути, превращая ее в тонкую ленту. Отсюда и название целого подразделения драйверов.

Планары

Наиболее распространенные из них в силу ряда причин. Они буквально немного моложе, чем динамические драйвера и сейчас переживают второе рождение после расцвета в 60-80ых годах прошлого века. Обобщенно драйвер являет собой тонкую мембрану с нанесенными на нее токопроводящими дорожками. Она взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов и таким образом движется.

В зависимости от наличия магнитов с одной или двух сторон существуют одно- или двухсторонние магнитные системы. Также конфигурация дорожек и магнитов отличает изодинамические драйвера (Hifiman HE4, ТДС-7) от ортодинамических (Yamaha YH-3). Последние имеют круговое расположение токопроводящих дорожек.

Впрочем, львовские инженеры на Амфитоне, а потом и Rinaro решили объединить все это и разместили и изодинамику и ортодинамику на одной мембране. Только в советских н21/25/28с, а потом Oppo PM 1/2/3 это была комбинированная дорожка, а у Rinaro оба типа дорожек расположены на одной мембране. Хотя сейчас этими нюансами мало интересуются, потому и принято довольно общее определение “планары”. Дорожки могут располагаться с одной или с двух сторон мембраны, у ортодинамических наушников конфигурация может предусматривать (ТДС-16) или не предусматривать (Амфитон Н-28с, Oppo PM3) центрального контакта.

Есть самые различные эксперименты в этом поле:

• частичное крепление квадратной мембраны только с двух противоположных сторон
• дополнительное рифление или прочие способы придания жесткости мембране
• распределение веса путем неполного удаления материала с мембраны в ходе травления (Fostex T50)
• эксперименты с конфигурацией дорожек (зигзагообразные у Fostex T50-RP, обратные витки у Audeze)
• шириной и материалом дорожек (Abyss, Audeze)
• материалом самой мембраны, ее толщиной, натяжением,
• конфигурацией магнитов и прочее и прочее.

Таким образом есть великое множество подвидов ленточных излучателей. Например, т.н. “planamic” у одноимённых наушниках Mee audio. Он, по словам производителя, сочетает плюсы динамика и планара и является чем-то средним по конструкции.

Так или иначе, круг применения планаров очень широк. Также, их используют и в акустических системах в качестве вч-твиттеров (Adam), реже – для всего диапазона (Magnepan). В полноразмерных наушниках планары можно встретить во всех моделях Audeze и массе моделей Hifiman. А еще в последнее время все чаще появляются и в иемах в качестве широкополосного (Tin P1, UM ME. 1, Audeze iLCD3) или в гибридах для части диапазона (IMR, oBravo).

AMT

Одно из интересных ответвлений изодинамики придумал Оскар Хейл. Теперь драйвер носит его имя, или же определяется аббревиатурой AMT – Air Motion Technology. По сути, это изодинамическая мембрана, сложенная гармошкой. В итоге в магнитном поле она движется не поступательно, а на сжатие-расширение соседних складок, обеспечивая прокачивание бо́льшего объема воздуха. Эксклюзивным пожизненным патентом обладает фирма ESS, первые продукты с драйвером по технологии Хейла были выпущены в далеком 1972 году.

Обычно тяжело добиться захвата всего диапазона, потому в ряде высококлассных АС эти драйвера используются в качестве твиттера. В том же качестве они используются и у некоторых моделях полноразмерных и внутриканальных (IEM) наушников oBravo. Среди широкополосных решений – HEDDphones в полноразмерном сегменте, винтажные ESS Mark 1 и IEM от Goldplanar.

Можно и без дорожек вообще

Например, Риббоны (Raal), где вся мембрана является токопроводящей, рифлёная, подвешена с двух сторон, а магниты расположены не спереди и/или сзади мембраны, а сбоку.

Впрочем, говорить на тему ленточников можно очень долго и много, так что продолжим движение в направлении снижении веса мембраны.

Электростатические излучатели

Вот тут информации меньше, особенно что касается применения в наушниках. Так что берем лопату и копаем.

У планаров, в редких случаях толщина мембраны приближается к таковой у электростатических драйверах, но это скорее исключение из правил. Из-за веса мембраны и цены этого типа драйвера вокруг электростатов успешно создан ореол полумистического хай-энда с невиданным доселе уровнем звука.

Не буду в очередной раз о том, что все зависит от реализации технологии. Немного углубимся в историю электростатов. Сейчас вопросом электростатов в наушниковом сегменте успешно занимается по сути полторы фирмы, а синонимом таковых стали японцы Stax. Они выпустили первую такую модель в 1958 году и успешно продолжают выпускать их по сей день. А первые патенты в этом направлении были еще в 1921 году, и касались, естественно, сферы АС. Достаточно широко известны в этом направлении кроме упомянутых Stax, например, фирмы Martin Logan и Quad.

Что касается остальных фирм, производящих наушники, то электростаты в их ассортименте явление редкое и является скорее исключением из правил. Среди относительно успешных и безумно дорогих – Sennheiser HE 90 Orpheus.

Что же уникального в этой технологии? Это ультратонкая мембрана в пару микронов. Настолько тонкая, что нанести на нее дорожки значит заметно увеличить вес, а следовательно, и инерцию. Металлизировать пленку мембраны для ее поляризации или поляризировать как-то иначе тоже нельзя. Ну вернее можно, но тогда мембрана будет или толще (не обязательно, но не суть) или КПД ниже. И это уже будут электреты. О них немного позже.

Электростаты по сути своей – облегченная версия “планаров наоборот”. Только в случае планаров имеем стабильную направленность внешнего магнитного поля. Движущей силой электоростатических излучателей является изменяющий направление ток, и, как следствие, сила Лоренца. В электростатах стабильный высокий заряд подается на мембрану. Сам заряд подается на статоры в противофазе и меняется с “+” на “-” несколько сотен раз на секунду. В этих условиях волей-неволей мембране не остается ничего кроме как колебаться вперд-назад или повеситься. Ну или влево-вправо – с какой стороны посмотреть.

Казалось бы, если все так просто, то почему остальные виды излучателей не вымерли как динозавры? Ну сделали бы во всех источниках выход на электростаты, так сложно что ли? Почему нет? Потому что не все так просто.

Для большей громкости нужно большое напряжение. Но его потолок ограничивается пробивным напряжением воздуха. При его достижении произойдет “молния” и скорее всего, все сгорит к чертям. Ну ладно, пусть не так драматично и с чуть меньшим количеством спецэффектов, но сгорит все равно. А еще это самое напряжение зависит от влажности воздуха. У меня как-то знакомый сжег Стаксы из-за постоянного использования во влажном климате. Так что нужна защита от влаги. И пыли тоже, ее частички так же притягиваются и к статорам, и к мембране. Потому на выставках нередко можно увидеть Стаксы в боксе с низкой влажностью. А для их хранения даже предусмотрены специальные колпаки.

Но на самом деле для работы достаточно напряжения в несколько сотен вольт и малой силы тока. Человек может даже не почувствовать. Это к вопросу безопасности. А еще чувствительность (читай громкость) сильно зависит от расстояния между мембраной и статором. Кроме необходимости сделать это расстояние по возможности меньшим это налагает несколько ограничений. Меньшее расстояние – меньшая амплитуда движения, хуже отдача по НЧ.

Меньшее расстояние – меньший потенциал нужен для упомянутой “молнии”. Вопреки распространенному мнению, мембрана движется не поршнеобразно, а выгибается, образуя трехмерную параболу. Это образует еще один отрицательный момент – концентрацию заряда в одной точке вследствие его миграции по мембране. Во избежание этого она как правило делается высокоомной. Натянуть мембрану очень туго не получится – кроме нежелательных резонансов опять же уменьшается отдача по НЧ.

Кроме того, для совпадения громкости левого и правого излучателя нужно идеальное совпадение размеров, и, как следствие, остальных параметров, что предполагает высокую точность изготовления. А еще имеет значение конфигурация статоров, (обычно они являют собой тонкие перфорированные металлические пластины) ибо они также выступают одновременно демпферами. И прочее и прочее. Но и это еще не все. Схематически повышающий преобразователь рисуют в виде трансформатора, и, казалось бы, его можно сделать каким угодно по размеру, но нет. Нужна более сложная система. Именно потому электростаты не играют без специального “живчика”.

Учитывая все вышеизложенное, не так уж странно, что в форм-факторе электростатических иемов можно на пальцах счесть: Stax SRS001, 002, 003 и Shure KSE1200, KSE1500.

Электретные излучатели

Подождите – скажете вы – а как же электростатические твиттеры скажем, в упомянутых ранее AAW Canary? Дело в том, что физика одна и для Stax, и для AAW, и для Sonion, которые придумали таковой излучатель. И придумали они как раз упомянутые электреты. Вернее переосмыслили, ибо придумано это было столь же давно, и такие наушники были, например, в упомянутых Stax. Тогда что же сделали Sonion и в чем отличия?

Они обезопасили мембрану, поместив драйвер в закрытый корпус, по виду мало чем отличающийся от арматурного. Само собой, площадь и амплитуда движения сильно уменьшились, потому остался только ВЧ-диапазон. Вернее, его часть. Площадь мембраны отразилась и на способности накапливать электрический заряд. Необходимость поляризационного напряжения обошли способом поляризации мембраны. Казалось бы, отличия минимальны, почему же тогда КПД ниже и электреты уступают электростатам технологически?

Начнем с того, что способность материала накапливать заряд поляризации ограничена. Так что заряд поляризированой мембраны ниже, чем заряд мембраны, на которую подается ток поляризации. В итоге при прочих равных меньшая сила взаимодействия со статорами.

Но если так, то как же тогда удалось обойти необходимость поляризационного напряжения на статорах? Меньшая амплитуда движения позволила сделать меньшее расстояние. А еще тот самый трансформатор, который рисуют на схеме и рендерах. Если корпуса наушников прозрачны его тоже можно увидеть.

А теперь вернемся немного назад. Зачем все эти страдания? Для уменьшения веса мембраны. А зачем уменьшение веса? Меньше вес – меньше инерция, меньше время отклика, выше детальность, КНИ порядка 0.05% и т.д.

Так вот, в магнетизме тоже есть инерция. В трансформаторе повышение напряжения происходит благодаря той же силе Лоренца. И чем больше витков, тем она больше. Таким образом в трансформаторе мы имеем суммарное количество витков не особо уступающее, а может и превосходящее таковое у динамических наушников. Но если там влияние этого фактора в сравнении с остальными не столь значительно, то тут оно более заметно. Также из отрицательных моментов со временем мембрана размагничивается. Происходит это при касании к статору (обычно этот момент учитывают) или со временем. Это подобно магнитной ленте, на которую можно было записать аж один альбом, если он не очень длинный. Это если кто не знает.

Правда, в отличии от кассет, мембрана электретов теряет заряд заметно дольше. Для винтажных наушников приводили значение порядка 15-20 лет, сейчас оно заметно больше. Так что не переживайте, семейная реликвия в виде обручального кольца бабушки и кастомов с электретами на вч дедушки еще порадует внучка. После решелла, разумеется.

Кроме того, технически электреты являются скорее подвидом электростатических излучателей. Вместе с тем, электростатами все это назвать заметно более выгодно с точки зрения маркетинга. Потому так делают и производители драйвера, и те, кто его где-либо применяет.

А еще к электростатам относятся конденсатоные излучатели, но постольку в наушниках они не применяются, опустим этот момент и будем двигаться дальше.

Арматурные излучатели

А дальше альтернативный взгляд на все это счастье. Увеличим чувствительность с помощью магнитного поля, а вес мембраны уменьшим путем уменьшения размера, одновременно увеличив жесткость.

Бо́льшая сила магнитного поля дает бо́льшую чувствительность, и как следствие, скорость отклика мембраны. Данный тип тоже придуман в 20ых годах ХХ века, особое распространение получил в слухопротезировании за счет бо́льшей громкости и компактности излучателя.

В иемах одной из первых его использовала фирма Etymotic, выпустив в начале 90ых свои легендарные ER4s. Те, кто не смог их посадить или кому не хватило усердия подобрать насадки и фантазии не ограничиваться стоковыми, вскричали, что баса там нет и диапазон ограничен срединой. Примерно так появились многодрайверы. Одними из первых стали как ни странно профессиональные мониторы, созданные техником Van Halen Джерри Харви. Его имя сейчас широко известно.

Но не проблема напихать кучу драйверов, проблема их согласовать. Обычно для этого применяется кроссовер, распределяющий звук по частотам и скармливающий их каждому драйверу персонально. Редко – бескроссоверная технология. Вместе с тем, еще есть сдвоенные (спаренные) арматурные излучатели. Они имеют полностью раздельные внутренние камеры, но общий звуковод. Да и вообще, уже есть не мало разновидностей арматурных излучателей, и прогресс явно не стоит на месте.

Но и это не всегда устраивает слушателей, потому со временем появились гибриды – динамический драйвер на НЧ и один или несколько арматурных на СЧ/ВЧ. Впрочем, такая конструкция уже стала классикой и в последнее время за арматурным драйвером оставляют в лучшем случае часть диапазона, отдавая ВЧ электретам, пьезокерамике или прочим видам драйверов.

Электромагнитные излучатели или Siren Armature

Но к пьезокерамике мы еще вернемся, а пока рассмотрим бывший некогда достаточно модным (в основном благодаря фирме Ortofon) тип драйвера, названый Siren Armarure. Вообще арматурные драйвера – это сленг от английского Balanced Armature, т.е. излучатели со сбалансированным якорем. Но Siren Armature – это нечто среднее между обычным динамическим и арматурным драйвером. Скорее это напоминает электромагнитный излучатель или динамический драйвер наоборот. Т.е. мембрана движется под действием взаимодействия поля магнитного сердечника с неподвижным электромагнитом, на обмотку которого и подается выходной сигнал источника. Такой компромисс позволяет достаточно хорошо совмещать скорость, очерченность и детальность арматурных драйверов с плотностью и телесностью динамика – мембрана-то больше.

Впрочем, особого распространения технология так и не получила. Несмотря на то, что исторически этот тип излучателя более старый, чем динамический, остались такие излучатели разве что в качестве “пищалок” в различной спецтехнике.

Пьезокерамический драйвер

Большинство из упомянутых видов излучателей использует преобразование электрической энергии в магнитную, но бывают и иные методы. Например, пьезоэлектрический эффект, т.е. возникновение механических деформаций под действием электрического напряжения.

Пьезокерамические излучатели являют собой металлическую пластину со слоем нанесенной на нее пьезоэлектрической керамики, которая покрыта на внешней стороне токопроводящим напылением. Широко используются в качестве пищалок в часах, игрушках и прочих устройствах. А иногда и в качестве твиттера в наушниках, например, 1more H1707.

Итоги

Разумеется, есть и иные типы излучателей, но они используются еще реже, потому говорить о них я не буду. Лучше подведу итог. Технологии не стоят на месте, и если изначально динамические драйвера были необходимым злом, сейчас их использование вовсе не обязательно, но благодаря многим плюсам довольно повсеместно. Также существует множество иных видов, каждый со своими технологическими плюсами и минусами. Но в топовом сегменте все зависит от возможностей производителя. Очень часто определение типа излучателя по звуку не представляется возможным, а тот или иной желаемый звук определяется не типом драйвера, а его реализацией в отдельно взятом устройстве. Так что не стоит превращать аудиофилию в что-то большее, чем любовь к музыке. И до скорой встречи в следующих текстах.