Вуфер

Вуфер, или низкочастотный динамик, — это технический термин, обозначающий громкоговоритель, разработанный для воспроизведения звука низкой частоты, обычно в диапазоне от 50 до 200 Гц. Название происходит от английского звукоподражантельного слова, обозначающего глубокий лай собаки (woof)^[1][2] (в контраст слову твитеру, названию аудиоголовки, разработанной для воспроизведения звуков высокой частоты, которое происходит от птичьего пения — «tweets» – «чириканье»). Наиболее распространённой конструкцией вуфера является электродинамическая головка, которая обычно использует жёсткий бумажный диффузор, приводимый в движение звуковой катушкой, окружённой магнитным полем.

Звуковая катушка крепится к тыльной стороне диффузора головки с помощью клея. Звуковая катушка и магнит образуют линейный электродвигатель. Когда ток проходит через звуковую катушку, она перемещается относительно корпуса в соответствии с правилом левой руки, заставляя толкать или тянуть диффузор головки поршнеобразно. Возникающее движение диффузора создаёт звуковые волны, поскольку он движется вперёд и назад^[3].

При обычных уровнях звукового давления большинство людей слышат звуки частотой вплоть до 20 Гц^[4]. Низкочастотные динамики (вуферы) обычно используются для воспроизведения самых низких октав в акустической системе. В двухполосных системах динамики, отвечающие за низкие частоты, также вынуждены покрывать значительную часть среднего диапазона, часто до 800-1000 Гц. Такие динамики обычно называют среднечастотными вуферами. С 1990-х годов, для воспроизведения очень низких часто стали широко использовать сабвуферы, которые используют обычно в домашних кинотеатрах и системах усиления для дополнения низкой частоты. Диапазон частот сабвуферов обычно составляет от 45 до 100 Гц, хотя профессиональные крупные сабвуферы, используемые на открытых фестивалях, могут воспроизводить частоты до 20 Гц^[5].

Хорошая конструкция низкочастотного динамика требует эффективного преобразования сигнала усилителя низкой частоты в механическое движение воздуха с высокой точностью и приемлемой эффективностью. Этот процесс одновременно облегчается и усложняется необходимостью использования корпуса громкоговорителя для связи движения диффузора с воздухом. При правильном подходе многие другие проблемы проектирования низкочастотного динамика (например, требования к линейному ходу) уменьшаются.

В большинстве случаев низкочастотный динамик и его корпус должны быть спроектированы для совместной работы. Как правило, корпус разрабатывается с учётом характеристик используемого динамика или динамиков. Размер корпуса зависит от самых длинных длин волн (самых низких частот), которые необходимо воспроизвести, и поэтому корпус низкочастотного динамика значительно больше, чем требуется для средних и высоких частот.

Схема кроссовера, пассивного или активного, фильтрует полосы или частоты предназначенные для обработки низкочастотным динамиком и другими акустическими системами. Как правило, ожидается, что кроссовер и акустическая система, включая низкочастотный динамик, преобразуют электрический сигнал, поступающий от усилителя, в акустический сигнал идентичной формы волны без какого-либо другого взаимодействия между усилителем и динамиками, хотя иногда усилитель и динамики разрабатываются вместе, при этом динамики обеспечивают отрицательную обратную связь для коррекции искажений в усилителе.

При разработке и производстве вуферов возникает множество сложностей. В основном они связаны с управлением движением диффузора, так что электрический сигнал, подаваемый на звуковую катушку, точно воспроизводился звуковой волной, создаваемой диффузором. Среди проблем — чистое демпфирование диффузора без слышимых искажений, чтобы он не продолжал двигаться после прекращения сигнала, создавая звон, когда мгновенное входное напряжение в каждом цикле падает до нуля, а также обеспечение низкого уровня искажений при больших амплитудах перемещения диффузора, которые обычно необходимы для воспроизведения громких звуков. Существуют также трудности с обеспечением того, чтобы опротивление представляемое динамиком усилителю, было практически одинаковым на всех частотах.

Ранняя версия широко используемой сегодня конструкции корпуса типа «фазоинвертор» была запатентована Альбертом Л. Турасом из Лаборатории Белла в 1932 году^[6].

В 1965 году компания Sennheiser представила акустическую систему Philharmonic, в которой использовалась электроника для решения некоторых проблем, присущих обычным низкочастотным динамикам. К низкочастотному динамику был добавлен датчик движения, а сигнал, соответствующий его фактическому перемещению, использовался в качестве управляющего входа для специально разработанного усилителя. При тщательном исполнении это может значительно улучшить характеристики (как в плане «чёткости», так и расширения низкочастотного диапазона) за счёт снижения гибкости (усилитель и динамик становятся неразделимыми) и увеличения стоимости^[7].

Снижение стоимости электроники привело к тому, что стали часто устанавливать вуферы оснащённые датчиками, в недорогие 'музыкальные системы', бумбоксы, или даже автомобильные аудиосистемы. Обычно это делается для улучшения звучания недорогих или малогабаритных динамиков в лёгких или плохо спроектированных корпусах. Такой подход создает трудности, поскольку не все виды искажений можно устранить с помощью техники сервопривода, а плохо спроектированный корпус может свести на нет преимущества любой электронной коррекции.

Поскольку характеристики громкоговорителя можно измерить и в значительной степени предсказать, возможно разработать специальную схему, которая в некоторой степени компенсирует недостатки акустической системы.

Техники эквализации применяются в большинстве систем оповещения и звукоусиления. Здесь задача заключается не столько в высококачественном воспроизведении звука, сколько в управлении акустической средой. В таких случаях эквализация должна быть индивидуально настроена в соответствии с особенностями используемых акустических систем и помещения, в котором они установлены.

Компьютерные технологии, в частности, цифровая обработка сигналов (англ. digital signal processing, DSP), позволяют создавать кроссоверы с более высокой точностью. Применение фильтров с конечной импульсной характеристикой (англ. finite impulse response, FIR) и других цифровых технологий даёт возможность реализовать кроссоверы для двух- или трёхполосных систем с такой точностью, которая недостижима для аналоговых фильтров, как пассивных, так и активных. Более того, этот подход позволяет одновременно компенсировать многие особенности динамиков, вплоть до индивидуальных отклонений, как это сделано в недавних разработках компании Кляйн и Хуммель (нем. Klein und Hummel). Этот подход сложен и потому его применение маловероятно для более дешёвого оборудования.

У всех материалов для диффузоров есть свои плюсы и минусы. При разработке акустических систем инженеры обращают внимание на три основных свойства диффузора: малый вес, жёсткость и отсутствие призвуков (которые возникают из-за резонансов). Экзотические материалы, такие как кевлар и магний (сплав алюминий-магний), являются лёгкими и жёсткими, но могут иметь проблемы с резонансами, зависящие от способа изготовления и конструкции. Материалы вроде бумаги (включая бумагу с покрытием) и различных полимеров обычно меньше подвержены резонансам, чем металлические диафрагмы, но могут быть тяжелее и менее жёсткими. Были как удачные, так и неудачные модели низкочастотных динамиков, изготовленные с применением любого типа материала для диффузора. Для диффузоров использовали практически все виды материалов: от стекловолокна и бамбукового волокна до сэндвичей из вспененного алюминия с сотовой структурой и пластиковых диффузоров с добавлением слюды^[9][10].

Корпус представляет собой конструкцию (корзину), удерживающую диффузор, звуковую катушку и магнит в правильном положении. Поскольку зазор звуковой катушки довольно узкий (обычно около миллиметра), жёсткость важна для предотвращения трения звуковой катушки о магнитную систему в зазоре, а также для избежания посторонних движений. Существует два основных типа металлических корзин: штампованные и литые. Штампованные корзины (обычно стальные) являются более бюджетным решением. Недостаток такого типа корзины заключается в том, что она может деформироваться при высокой громкости, поскольку сопротивление изгибу существует только в определённых направлениях. Литые корзины дороже, но, как правило, более жёсткие во всех направлениях, обладают лучшим демпфированием (снижая собственные резонансы), могут иметь более сложную форму и поэтому предпочтительнее в головках высококачественного звука^[11].

Важной характеристикой низкочастотного динамика является его мощность – количество энергии, которое он может выдержать без повреждений. Электрическая мощность не всегда легко подда`тся точной оценке, и многие производители указывают пиковые значения, достижимые лишь на очень короткое время без ущерба. Номинальная мощность низкочастотного динамика становится значимой, когда акустическая система работает на пределе: в условиях высокой громкости, при перегрузке усилителя, при воспроизведении нестандартных сигналов (например, не музыкальных), на очень низких частотах, где акустическое сопротивление корпуса минимально (что приводит к максимальному ходу диффузора), или при отказе усилителя. При высокой громкости звуковая катушка низкочастотного динамика нагревается, увеличивая свое сопротивление, что вызывает «компрессию мощности», – снижение уровня выходной звуковой мощности после длительной работы на высокой мощности. Дальнейший нагрев может привести к физическому повреждению звуковой катушки, появлению потёртостей, короткому замыканию из-за разрушения изоляции провода, или другим электрическим и механическим повреждениям. Внезапный импульс энергии может расплавить участок провода звуковой катушки, вызвав обрыв цепи и полный отказ динамика. Необходимый уровень энергии зависит от характеристик самого динамика. При обычной громкости прослушивания музыки электрическая мощность низкочастотных динамиков, как правило, не имеет значения, в отличие от динамиков, работающих на более высоких частотах.

Существует три типа пределов мощности для динамиков, включая низкочастотные: тепловой (нагрев), электрический (оба рассмотрены выше) и механический. Механический предел мощности достигается, когда ход диффузора достигает своего максимального значения. Тепловой предел мощности может быть достигнут при подаче достаточно высокого уровня мощности на низкочастотный динамик в течение слишком долгого времени, даже если механические пределы при этом не превышаются. Бо́льшая часть энергии, подаваемой на звуковую катушку, преобразуется в тепло, а не в звук, тепло передаётся на полюсной наконечник, остальную часть магнитной системы и каркас. Из конструкции динамика тепло в конечном итоге рассеивается в окружающий воздух. Некоторые динамики имеют конструктивные особенности для лучшего охлаждения (например, вентилируемые полюсные наконечники магнита, специальные теплопроводящие элементы) для снижения температуры катушки/магнита/каркаса во время работы, особенно при высоких уровнях мощности. Если на звуковую катушку подаётся слишком большая мощность по сравнению с её способностью рассеивать тепло, она в конечном итоге превысит максимально допустимую безопасную температуру. Клей может расплавиться, каркас звуковой катушки может расплавиться или деформироваться, или изоляция, разделяющая витки звуковой катушки, может выйти из строя. Любое из этих событий привёдет к повреждению низкочастотного динамика, возможно, до полной непригодности.

Вуферы, предназначенные для систем громкого оповещения и для музыкальных инструментов, по конструкции схожи с домашними аудиоголовками, но обычно изготавливают более прочными. Типичные отличия в конструкции включают: корпуса, рассчитанные на многократную транспортировку и обращение, более крупные диффузоры для обеспечения более высокого уровня звукового давления, более прочные звуковые катушки для большей мощности и более жёсткие подвесы. Как правило, домашний низкочастотный динамик, используемый в системах оповещения или инструментальных усилителях, выйдет из строя быстрее, чем специализированный динамик для таких применений. С другой стороны, динамики для систем оповещения или инструментальных усилителей в домашней аудиосистеме не обеспечит такого же качества звучания, особенно на низкой громкости. Из-за этих различий вуфер для систем оповещения не сможет воспроизвести ту же слышимую высокую точность звука, которая является целью высококачественного домашнего аудио.

Сабвуферы в акустических системах для мероприятий обычно отличаются высокой эффективностью и большой мощностью. Компромиссом для достижения высокой эффективности при разумной цене является, как правило, ограниченная амплитуда колебаний диффузора (то есть, он не может перемещаться вперёд и назад так же далеко, как у многих домашних сабвуферов), поскольку они предназначены для рупорных или больших фазоинверторных корпусов. Также они обычно плохо подходят для воспроизведения глубоких низких частот, так как последний октавный диапазон низких частот значительно увеличивает размер и стоимость, и становится всё менее экономичным пытаться достичь его на высоких уровнях громкости, как в случае систем оповещения. Домашний сабвуфер, используемый при относительно низкой громкости, может справляться с очень низкими частотами. По этой причине большинство сабвуферов для мероприятий плохо подходят для использования в высококачественных домашних аудиосистемах, и наоборот.

При обычных уровнях звукового давления^[4] большинство людей слышат звуки частотой около 20 Гц. Чтобы точно воспроизвести самые низкие тона, низкочастотный динамик (или их группа) должен перемещать достаточно большой объём воздуха. Эта задача становится сложнее с понижением частоты. Чем больше помещение, тем больше воздуха придётся вытеснить динамику для создания необходимой звуковой мощности на низких частотах.

• Акустическая система
• Аудиокроссовер
• Полнодиапазонный динамик
• Твитер
• Супертвитер
• Среднечастотный динамик
• Сабвуфер
• Параметры Тиля — Смолла
• Cистемамf обратной связи по движению