Полезно знать. Как работают наушники
Категории: Аудио Видео » Обзоры
Сложно найти более распространенный технический объект, чем наушники. Многообразие форм, цветов и дизайнерских решений порой поражает воображение. Но вот о том, «что внутри» — уже известно заметно меньше. Именно этот пробел мы хотим восполнить и рассказать о том, какие бывают виды наушников «изнутри», зачем они придуманы, и как отличаются.
Категории и теги: Аудио Видео » Обзоры » Наушники, Мониторные, Накладные, Вкладыши, Акустика, Излучатель.
Сразу оговоримся, что в основном будем рассматривать современное состояние рынка наушников, с небольшими экскурсами в историю вопроса, поскольку история наушников уходит корнями в век 19-й, и достойна, пожалуй, отдельного материала.
Для начала, стоит обсудить форм-факторы наушников, чтобы потом можно было делать ссылки на то, какие излучатели где применяются.
В английском языке все гораздо проще, там основные форм-факторы разделены названиями. Наушники, надевающиеся на голову, называются headphones, вставляющиеся в слуховой проход — earphones, вкладыши типа стандартных Apple-овских — earbuds. Также есть термины для разделения двух категорий headphones: circumaural — наушники, амбушюры которых охватывают ухо целиком, supra-aural — накладные наушники, у которых амбушюры выполнены обычно в виде подушечек, прижимающихся к ушам.
В русском языке такого порядка нет, и поэтому наблюдается сильный разброд и шатание. Например под «мониторными» наушниками часто понимают circumaural headphones, хотя иногда «мониторными» называют наушники с ровной АЧХ, используемые для контроля качества звука при записи. Некоторые называют «вкладышами» или «вставками» все маленькие наушники, другие относят этот термин к earbuds. Также запутывает и термин «накладные», иногда относящийся ко всем headphones, иногда только к supra-aural.
Поскольку в данной статье надо четко отделять полноразмерные наушники от внутриканальных, то мы так и будем их называть, делая при необходимости оговорки.
Самая популярная схема излучателей, использующихся в наушниках — это всем известные динамические излучатели с подвижной катушкой.
Схема работы достаточно проста. К корпусу наушника неподвижно крепится постоянный магнит, создающий статическое магнитное поле. Обычно в откровенно дешевых наушниках используют ферритовые магниты, в большинстве моделей среднего и высокого уровня нормой стало использовать неодимовые (хотя некоторые производители до сих пор подчеркивают неодимовые магниты как некую выдающуюся особенность своих моделей).
В статическом магнитном поле находится катушка из провода, по которому проходит переменный ток, промодулированный звуковым сигналом. Изменение тока в проводнике приводит к изменению электромагнитного поля, окружающего его. В свою очередь, взаимодействие двух магнитных полей (постоянного от магнита и переменного от катушки) заставляет катушку перемещаться. Катушка крепится к тонкой мембране, закрепленной на эластичном подвесе, и движение катушки вызывает вибрацию мембраны, которая передается по воздуху и воспринимается нами как звук.
Мембраны изготавливают из разного материала, и это, безусловно, влияет на звук. В дешевых наушниках используются разные синтетические полимерные пленки, в решениях дороже очень популярен майлар, целлюлоза и другие материалы. В некоторых топовых моделях наушников используется титан, хотя сейчас уже есть FA-003Ti, предлагающие динамики с титановой мембраной по доступной цене.
Вот пример типичного динамического излучателя наушников.
Эта схема с минимальными изменениями используется практически во всех современных наушниках любых форм-факторов, хотя встречаются порой и удивительные представители семейства. Например, AKG K1000, по сути являющиеся не наушниками, а двумя маленькими колонками, подвешиваемыми на голову. Благодаря подвесу, их можно поворачивать относительно ушей, регулируя виртуальную сцену, а в силу использованных излучателей — для их раскачивания требуется полноценный усилитель для акустических систем. Сейчас уже эти наушники сняты с производства, но на вторичном рынке продаются по цене около 1300 долларов.
Несмотря на широкую распространенность, динамические излучатели обладают целым рядом недостатков. Первый из них — невысокая порой скорость реакции на изменение звука, особенно в области низких частот. Особенно это характерно для наушников-вставок и вкладышей. Так как там используются излучатели диаметром от 4 мм и где-то до 14 (обычно от 7 до 10), заставить такую мембрану одинаково хорошо играть и низкие частоты, и высокие — очень тяжело. Это привело к появлению динамических моделей с двумя излучателями, наиболее популярны у нас — Fischer Audio Tandem, Ritmix RH-145 Pro и Brainwavz R1.
Так же страдают излучатели подобной конструкции из-за неравномерности магнитного поля, в котором движется катушка, да и сама мембрана с ее подвесом — тоже в реальном мире добавляет звуку неравномерности и непредсказуемости.
Наконец еще один фактор — достаточно большие линейные размеры динамических излучателей. Как ни крути — сделать компактной круглую мембрану не выйдет.
Попыткой решить все эти проблемы стало появление излучателей со сбалансированным (уравновешенным) якорем. Они же — «арматуры», от их английского названия «balanced armature».
Изобретены эти излучатели были в 20-х годах прошлого века, и из-за небольшого размера практически сразу стали использоваться в медицине для слухопротезирования. В годы Второй мировой войны их также активно использовали в военных телефонах, которые благодаря «арматурам» обеспечивали звук на 20–40 % громче динамических собратьев.
Устройство этих излучателей достаточно просто. Как несложно догадаться из названия, в их основе лежит П-образная пластина-якорь с катушкой, расположенной на ее оси. Эта пластина подвешена (уравновешена) в магнитном поле таким образом, что может вращаться в нем. Дальше все просто: звуковой сигнал подводится к катушке, возникает магнитное поле, якорь отклоняется от своего обычного положения. Через соединение движение якоря передается на мембрану, которая и дает звук.
Такая схема обеспечивает сразу несколько преимуществ. Во-первых, она компактна, якорные излучатели выполняются в очень маленьком корпусе, закрытом со всех сторон, кроме небольшого звуковода. Благодаря этому, наушники с такими излучателями можно делать очень маленькими и использовать несколько излучателей в одном наушнике (про это ниже). Кроме этого, за счет закрытой конструкции звук таких излучателей меньше зависит от формы и материалов корпуса наушников. Во-вторых, арматуры избавлены от искажений, вызванных формой диффузора из-за большой массы самого якоря. Таким образом, эти излучатели обходят аналогичные динамические в чувствительности, громкости и четкости звука. Также обычно (хотя не всегда) арматурки обладают более ровной АЧХ.
Как водится, нет плюсов без минусов, минус этих излучателей — более узкий частотный диапазон по сравнению с «динамами». Производители преодолевают это разными способами. Некоторые тюнингуют излучатели, добиваясь максимального диапазона (например, одни из признанных лидеров рынка слухопротезирования Phonak с их линейкой наушников Audeo). Другие производители комбинируют в одном наушнике сразу несколько излучателей, отвечающих за разные участки частотного диапазона. Эту задачу упрощают и производители самих излучателей, выпуская сдвоенные модели в одном корпусе. Гонка вооружений достигла уже невероятных высот, и сейчас есть модели наушников с 4 драйверами на одно ухо (Sony, Westone, и другие), а в кастомных наушниках, изготавливаемых по слепкам ушей, так и вообще есть популярные модели от 6 до 10 драйверов.
Последнее время многие компании выпускают гибридные наушники, в которых динамический излучатель для низких частот сочетается с арматурным для среднего и высокочастотных диапазонов. Я слушал пока только одну модель, но, стоит признать, результаты интересные.
В наушниках часто бывает так, что все новое — это хорошо забытое старое. Также случилось и со следующими типами излучателей: изодинамическими и ортодинамическими (иногда еще встречается название «планарные»). Лет 30 назад они были очень популярны, даже в СССР выпускались несколько моделей с такими излучателями под маркой ТДС, которые сейчас любители качественного звука ищут и реставрируют.
С уходом 80-х годов, эти излучатели как-то «подзабылись», и уступили пальму первенства динамическим, но последние лет 5-7 наблюдается возвращение интереса к ним, они прочно заняли места в пантеоне топовых дорогих моделей, в первую очередь благодаря усилиям компаний HiFiMan и Audeze.
Принцип работы и изо- и ортодинамических моделей одинаков, отличается только формой самого излучателя. На тонкую мембрану наносится токопроводящая спираль-пленка, сама мембрана размещается между двух магнитных решеток. Дальше все традиционно — на спираль подается ток, электромагнитное поле катушки взаимодействует с полем магнитов, мембрана колеблется, получается звук.
Вот мембрана одной из самых популярных моделей изодинамических наушников — Fostex T50RP.
Ортодинамические излучатели работают по тому же принципу, но имеют круглую форму.
В целом, изодинамические наушники отличаются более высоким уровнем детальности, но обычно требуют хорошего усилителя для раскрытия их возможностей.
Еще один малоизвестный тип излучателей — электростатические. Юмор ситуации в том, что появились первые такие модели еще в 80-х годах 19 века, но поскольку способов электрического воспроизведения сигналов тогда еще не было, то использовались они в основном для опытов с ультразвуком. Мощные магниты тогда еще делать не научились, поэтому технология электростатов давала лучшие результаты по сравнению с динамическими излучателями. Уже в начале 20 века, с появлением ламповых усилителей стали появляться первые электростатические системы воспроизведения звука, использовавшиеся для озвучивания кинотеатров.
С появлением нормальных ферромагнетиков, динамические излучатели вырвались вперед, так как для электростатики нужна очень тонкая мембрана, которую было невозможно производить в то время.
Возвращаться в широкое использование электростаты стали где-то с 1950-х годов, в основном в виде больших акустических систем. В 1960 году, японская компания Stax выпустила свою первую модель электростатических наушников SR-1, и в настоящее время Stax и электростатические наушники стали почти синонимами, хотя электростаты выпускают и другие компании, среди них Koss, AKG и Sennheiser (их система Sennheiser Orpheus стоит нездоровых 12 000 долларов).
Как работает этот шедевр аудиофильской промышленности? Мембрана из тончайшего полимера располагается между двумя электродами-сетками, покрытыми изолирующим лаком. На эти электроды подается звуковой сигнал, правда, в отличие от других видов излучателей — с очень большим напряжением (от 100 до 1000 вольт), возникает электрическое поле, которое вызывает колебания мембраны. Через отверстия в электродах звук выходит наружу. Из-за необходимости высокого напряжения, электростатические наушники требуют специальных усилителей (или особых устройств-»энерджайзеров», являющихся по сути повышающими трансформаторами).
Электростатические наушники дороги (некоторые — просто нереально), требуют специального оборудования и не рассчитаны на портативное использование (хотя есть исключения). Взамен они обладают большим динамическим диапазоном: от 20 Гц до 20 КГц, и даже больше, очень ровной АЧХ, малыми искажениями, особенно в области ВЧ, где остальные наушники не так хороши, и массой других достоинств.
Иногда на вторичном рынке появляются электростатические наушники б/у в хорошем состоянии, и это способ обзавестись ими за вменяемые деньги.
Вот основные типы излучателей, используемые в современных наушниках. Не попали в рассмотрение некоторые экзотичные решения типа плазменных излучателей, пьезоэлектрики и ряда других, но они, пожалуй, достойны отдельного рассмотрения.
Категория: Аудио Видео » Обзоры
| 19-04-2013, 21:50 | Просмотров: 14 488 | Комментарии (2)
