Материал диффузоров

Любая профессиональная информация, касающаяся громкоговорителей, обязательно содержит указание на то, из какого материала изготовлен диффузор (или купол). Если информация имеет рекламный характер, то, разумеется, производитель считает своим долгом убедить читателя, что именно этот, используемый данной фирмой материал – самый лучший, а о других можно забыть. Но реклама – она и есть реклама. Профессионалы предпочитают рекламе систему, и в этой статье сделана попытка очень кратко систематизировать наиболее популярные сегодня материалы с точки зрения присущих им особенностей, которые надо иметь в виду конструктору звуковой системы.

Динамический громкоговоритель, который по стандартам на термины надо величать “головка динамическая прямого излучения”, и который “по жизни” так и остался “динамиком”, был изобретен и запатентован американцами Райсом и Келлогом в 1925 г. Если взглянуть сегодня на их заявку, то о том, что со дня ее подачи прошли три четверти века, можно будет судить в основном по пожелтевшей бумаге и архаичным шрифтам. Так мало изменилось в основных чертах конструкции этого устройства, разве что магнитная система стала поизящнее. И в то же время не приходится сомневаться, что как основной способ преобразования переменного электрического тока в звуковые колебания динамик легко и уверенно шагнет и в третье тысячелетие.

Потому ли это, что электродинамический громкоговоритель – идеальный преобразователь? Да близко этого нет! По всем канонам электроакустики идеальный громкоговоритель должен был бы иметь мембрану или диффузор из материала с плотностью, равной плотности воздуха, при этом абсолютно жесткого, закрепленного на абсолютно линейном подвесе, и так далее. Чистая утопия. В реальном мире диффузор имеет заметную массу, деформируется, подвес – нелинеен, источники искажений и резонансов – на каждом шагу.

Все революционные конструкции – электростатические, ленточные, планарные и пр., как оказалось, приносят больше проблем, чем решают, а потому так и не смогли вытеснить со сцены заслуженного работника культуры, созданного по чертежам Райса и Келлога.

Плавные, эволюционные изменения в облике современного динамика происходят постоянно, так что нельзя сказать, что совсем уж ничего не происходит, но при любых усовершенствованиях это немудреное с виду устройство – неописуемый клубок компромиссов, в которых конструкторы ищут оптимальные решения, а пользователи – должны этими решениями воспользоваться по возможности осознанно, вполне представляя себе, что можно ожидать от динамика той или иной конструкции, а чего – нельзя.

Наиболее заметные усовершенствования в конструкции динамика связаны с появлением новых материалов для изготовления диффузоров. Вслед за бумагой, другими композициями на целлюлозной основе появились полимеры, композиты, металлы и сплавы. Интересно, что в области материалов для изготовления диффузоров наблюдается как бы ситуация кладбища – новые прибывают, а старые – не исчезают. Дело в том, что два важнейших требования, определяющих качество диффузора, не просто противоречивы, а почти антагонисты. Это – жесткость, которая должна быть как можно выше, и внутреннее затухание, которое тоже жизненно необходимо.

Жесткость диффузора означает, что ускорение звуковой катушки передается без изменения всей излучающей поверхности – от центра до краев. Это выражается потом в ровной частотной характеристике, быстрой атаке на импульсном сигнале, низких интермодуляционных искажениях.

Внутреннее демпфирование предотвращает окрашивание звучания, устраняя локальные пики и провалы на АЧХ, снижает слуховую утомляемость, способствует быстрому затуханию импульсных сигналов.

Если бы нужна была только жесткость, все диффузоры делались бы из металла. Некоторые и делаются, но поскольку внутреннее затухание в металле ничтожно, для предотвращения собственного “звона” диффузора конструкторам приходится идти на разнообразные ухищрения, и тем не менее окончательно победить резонансы жестких диффузоров так и не удается.

Если бы требовалось только внутреннее затухание, диффузоры надо было бы делать из полупластичной массы вроде известных всем вибродемпфирующих панелей (Dynamat и прочие). Но в этом случае жесткость диффузора была бы ничтожной, и в процессе колебаний только его центральная часть, прикрепленная к звуковой катушке, двигалась бы вместе с ней, а внешние края болтались бы как лопухи и излучали совершенно не то, что требуется.

Поиск компромисса при таких противоречивых требованиях заставляет конструкторов пробовать все: жесткие материалы (тогда надо заботиться о демпфировании) и материалы с большим затуханием (тогда надо принимать конструктивные меры против нежелательных деформаций).

Удивительно, но до сих пор одним из наиболее удачных вариантов баланса между жесткостью и демпфированием обладает древнейший материал для изготовления диффузоров – бумага.

Бумажные диффузоры

Бумажные диффузоры могут быть прессованные, когда исходным сырьем действительно являются листы бумаги и из них в специальном штампе формуются конические диффузоры. Получается обычно дрянь, и такой метод применяется только в изготовлении маленьких свирестелок для переносных приемников и аналогичных устройств. Среди динамиков для автомобильных установок первые подозреваемые на штампованные бумажные диффузоры двухдиффузорные динамики (dualcone) – самая низшая категория. Для сколько-нибудь серьезного продукта применяется метод литья, когда бумажная масса наносится на матрицу, обычно из металлической сетки и, затвердевая, образует коническую заготовку диффузора.

К примеру, полностью бумажный излучатель 5 ГД-1:

При такой технологии удается отчасти решить проблему жесткости – за счет применения криволинейной образующей и переменной толщины диффузора, уменьшающейся от центра к краям.

Практически все бумажные диффузоры на самом деле – в некотором смысле композитные конструкции, поскольку бумажную массу пропитывают синтетическими составами. Рецепты этих составов фирмами-изготовителями никогда не разглашаются, поскольку от них, как от знаменитого лака Страдивари, в большой степени зависят акустические и эксплуатационные свойства диффузора.

Свойства пропиточных составов и покрытий, используемых при изготовлении бумажных диффузоров, в значительной степени определяют возможность их использования в автомобиле. Как бы привлекательно ни выглядели акустические показатели неавтомобильного динамика с бумажным диффузором, использовать его в мобильной установке можно только при крайней осмотрительности в смысле защиты от влаги.

Достоинства бумажных диффузоров: великолепное внутреннее демпфирование, создающее предпосылки для высокого звукового разрешения и детальности звучания. Потенциально – самая гладкая АЧХ, не испорченная пиками и провалами от местных резонансов. Переход от поршневого режима работы к зонному плавный и предсказуемый. Спокойная АЧХ дает возможность использовать простейшие разделительные фильтры с малой крутизной спада и минимальными фазовыми искажениями. Необходимости в сосредоточенной коррекции локальных аномалий в частотной характеристике почти никогда не возникает. Наконец, динамики с бумажными диффузорами почему-то обычно звучат лучше, чем это следует из измеренных самыми совершенными методами характеристик – а ведь к этому в конечном счете все и стремятся.

Недостатки: жесткость по сравнению с более современными материалами заметно ниже, и это может сказаться на проработке мелких деталей звучания. Механическая прочность также не самая высокая, что часто ограничивает допустимую мощность. Технологический разброс характеристик динамиков даже из одной партии может быть большим, чем у динамиков с синтетическими диффузорами, и при несовпадении характеристик динамиков в стереопаре может ухудшиться стереообраз. Параметры меняются со временем и под воздействием атмосферы несмотря на пропитку бумажной массы и защитные покрытия.

Полипропилен

Полипропилен был впервые применен как материал для изготовления диффузоров при разработке мониторов для звуковых студий BBC примерно в 1975 году. Благодаря довольно большому внутреннему демпфированию, правильно сконструированный полипропиленовый диффузор может обеспечить ровную и гладкую АЧХ при высоких значениях удельного звукового давления.

Полипропиленовый диффузор НЧ динамика Mirage MRM-1:

Материал намного технологичнее, чем бумажные композиции, и может с успехом применяться при автоматизированном производстве. Единственная проблема – неудовлетворительная адгезия при использовании большинства промышленных клеящих составов – была окончательно решена к середине 80-х.

Именно за технологичность и недорогое сырье полипропилен полюбился некоторым производителям массового ширпотреба, что отчасти подпортило репутацию этого по всем статьям первоклассного материала.

Жесткость чистого полипропилена не очень высока, и большинство компаний, выпускающих качественные головки с полипропиленовыми диффузорами, используют минеральные добавки: кварц, слюду, силикат магния для повышения жесткости не в ущерб демпфированию.

Достоинства. Очень гладкая АЧХ, нейтральное звучание, хорошие импульсные характеристики, отсутствие необходимости в сложных кроссоверах высокого порядка. Плавный переход к зонному режиму. Лучшие образцы полипропиленовых диффузоров по прозрачности звучания не уступят бумажным, а это – высокий стандарт. В то же время очень устойчивы к атмосферным воздействиям, так что полипропиленовые динамики, исходно не предназначенные для автомобильного применения, можно со спокойной душой ставить в двери – самые опасные с точки зрения влажности места в машине.

Недостатки. По детальности звучания уступают динамикам с диффузорами высокой жесткости. Из-за ограниченной жесткости – не лучший материал для сабвуферов диаметром больше 10 дюймов, если только не используется материал большой толщины или эффективные минеральные добавки.

Что забавно: наиболее удачные примеры применения полипропиленовых диффузоров почему-то сосредоточились в Скандинавии. Эталонами здесь специалисты считают 7-дюймовые мид-басы от Scan-Speak (18W/8543) и Dynaudio (17W-75); 5-дюймовый VifaP13WH.

Углеволокно

Диффузоры, отформованные из композитных материалов на основе ткани из угольных волокон, сейчас присутствуют в гамме многих производителей, впрочем, чаще всего наряду с другими модификациями, что показывает, углеволокно все же не панацея.

Диффузоры из углеволокна применяются в НЧ динамиках Onkyo D-200 Liverpool:

Композиты на основе углеродных волокон в течение уже более чем 20 лет составляют красу и гордость аэрокосмической техники благодаря уникальному, даже в сравнении со стеклопластиками, сочетанию малого удельного веса с очень высокой жесткостью.

Углепластиковые диффузоры идеально работают в поршневом диапазоне, великолепно обслуживая басовый и мидбасовый регистры. Однако из-за недостаточного внутреннего демпфирования и сложной анизотропной структуры материала переход к зонному режиму сопровождается многочисленными пиками и провалами на АЧХ вблизи верхнего края рабочего диапазона. Для успешного применения углепластиковые динамики необходимо подключать через разделительные фильтры с большой крутизной спада, а иногда становится неизбежным применение избирательных корректирующих цепочек для подавления пиков. Это намного усложняет конструкцию кроссовера и создает проблемы с фазовыми искажениями. Но там, где частота раздела намного ниже верхнего края поршневого диапазона (то есть у сабвуферов), углепластики способны дать действительно мощный, телесно ощущаемый бас.

Современная тенденция использования углепластиковых композитов – преимущественное использование их для диффузоров сабвуферов. В конструкции мид-басов все чаще применяют другой композит – на основе кевлара.

Кевлар

Кевлар – полимер, существующий только и исключительно в форме волокна, – результат почти случайного открытия, сделанного в одной из лабораторий фирмы DuPont. Ведущий исследователь (кстати, дама по фамилии Кволек) почему-то решила вытянуть волокно из раствора, который по всем внешним признакам для этого не подходил. Как хорошо, что женская интуиция победила 25-летний опыт исследователя, потому что выяснилось, что в процессе вытягивания “плохой” полимер полностью реорганизовался, цепочки молекул вытянулись вдоль направления волокон и намертво сцепились между собой поперечными амидными связями. Так родилось волокно, из которого теперь во всем мире делают пуленепробиваемые жилеты.

Кевларовый диффузор СЧ динамика в Bowers & Wilkins Nautilus 801:

Свойства, проявляющиеся в углепластиковых диффузорах, здесь доведены до совершенства, столь велика жесткость кевларовых диффузоров. Так же ярко проявляются и характерные для диффузоров высокой жесткости проблемы. Выбор характеристик кроссовера для оптимальной совместной работы с обычным ВЧ динамиком, скажем, с металлическим куполом, далеко не прост. В двухполосных установках 5 – 7 дюймовым кевларовым мид-басам приходится брать на себя полосу частот до 3 – 4 кГц, а порой и выше, чтобы избавиться от деления полос в наиболее критичном для слухового восприятия диапазоне. А именно на этих частотах проявляется знаменитый “кевларовый” звук – изрезанная частотная характеристика, следствие резкого перехода сверхжесткого диффузора в зонный режим. На слух это воспринимается как выдвинутый вперед, агрессивный звук, явно диссонирующий с идеально сбалансированным звучанием этого же динамика в нижней части среднечастотного диапазона.

Если опустить частоту раздела – возникнут проблемы с ВЧ головкой, резко возрастут интермодуляционные искажения, снизится перегрузочная способность пищалки. Если поднять – в рабочий диапазон мид-баса попадет крайне неприглядная часть АЧХ мид-баса.

Конструкторы таких систем вынуждены ставить довольно сложные кроссоверы с частотой спада 24 дБ/окт, дополненные корректирующей цепочкой, настроенной на частоту “кевларового” резонанса – обычно в диапазоне 5 – 7 кГц.

Кевларовые композиты выдерживают и не такие невзгоды, как повышенная влажность и перепады температур, так что с этой точки зрения никаких противопоказаний к автомобильному применению “нецелевых” головок нет.

В то же время следует иметь в виду, что используемые в составе автомобильной фронтальной акустики кроссоверы обычно не самые сложные по схеме, поскольку их габариты ограничены жесткими условиями компоновки в салоне. Из-за этого возможности кроссоверов по коррекции местных частотных аномалий ограничены, а для головок с жесткими диффузорами это часто бывает просто необходимо.

Эффект “кевларового” звука в основном – следствие сочетания высокой жесткости с малыми внутренними потерями. Чтобы улучшить демпфирование, не отступая от достигнутого в смысле жесткости диффузора, конструкторы пошли на дальнейшие ухищрения. Так, фирма Eton разработала трехслойный материал Nomex, состоящий из сотового слоя-заполнителя, вклеенного между двумя слоями кевларового композита.

Сходное решение использует Focal под названием Aerogel, а Audax выпустил на рынок новую серию динамиков серии HD-A, у которых материал диффузора – композит на основе ориентированных волокон углепластика и кевлара. Лабораторные измерения показывают, что за счет наполнителя переменной жесткости “кевларовый” пик на верхнем краю диапазона практически исчез.

Другие производители применяют конструктивные хитрости для подавления нежелательных резонансов. Поскольку беспорядочному “звону” на верхнем конце рабочего диапазона наиболее подвержен внешний край диффузора, в “жестких” моделях часто можно встретить резиновый гофр, приклеенный к диффузору не узкой кольцевой полоской, а широкой закраиной, так что около 12-15% радиуса диффузора фактически приобретает резиновое вибропоглощающее покрытие (с нижней, обращенной к корзине, стороны).

Металлы и объемные композиты

Многие производители, освоившие логику создания жестких диффузоров, пробовали (а некоторые и продолжают) делать металлические диффузоры мидбасовых головок. Эти попытки нельзя назвать особенно удачными, поскольку несмотря на все усилия по облегчению диффузоров их масса оставалась значительной, а это снижало эффективность часто до величин порядка 85 – 87 дБ (1Вт, 1 м). А практически полное отсутствие внутреннего демпфирования металлического “колокола” приводило к возникновению ярко выраженных пиков на 5 – 10 кГц, с которыми обычные кроссоверы справиться не в состоянии, о чем нередко честно предупреждают сами изготовители в сопроводительной документации.

Алюминиевый диффузор ScanSpeak 30W/4558T00:

Металлические диффузоры сабвуферов – отдельная история. Здесь активно оперируют PhaseLinear, несколько небольших фирм, специализированных на одну-две модели (например американская Alumapro, которая больше ничего и не выпускает), да еще Pioneer выпустил модель в верхней линейке Premier – с характерными объемными выштамповками по кругу. Пока такие головки – скорее исключения, и устойчивой статистики по ним нет, но по отрывочным признакам они находят применение главным образом в установках, рассчитанных больше на предельные уровни звукового давления, нежели на максимально качественное звучание.

Объемные композиты, то есть жесткие трехмерные конструкции с плоской излучающей поверхностью и внутренним заполнителем в виде сот или вспененного полимера, трудно считать новинкой. Такие головки пробовали делать еще в начале 70-х, причем, чтобы подчеркнуть, что они ничего общего не имеют с “устаревшими” диффузорными динамиками, им придавали прямоугольную форму со скругленными углами. Потом как-то тихо, без лишнего шума плоские поршни исчезли со сцены, чтобы появиться снова в продукции наиболее продвинутых и технически бесстрашных компаний в облике сабвуферов.

Объемный поршень – теоретический идеал излучающей поверхности, но реализоваться он мог только, если был бы невесомым и абсолютно недеформируемым. На деле из-за высокой массы диффузора-поршня конструкторам приходится бороться за звуковую отдачу как за урожай, а изгибные колебания обычных диффузоров в зонном диапазоне излучения уступают место ничуть не более приятным объемным колебаниям и поперечной “раскачке” тяжелого диффузора.

Исключение (очень, однако, дорогостоящее) здесь составляют сабвуферы Velodyne, где побочные резонансы во многом контролируются знаменитой сервосистемой.

ВЧ головки с мягким куполом

Пищалки с мягкими куполами быстро и почти без сопротивления вытеснили диффузорные ВЧ-излучатели. Шелковые или синтетические купола доминировали затем на рынке высококачественных ВЧ головок, пока их не стали теснить появившиеся в середине 80-х титановые, алюминиевые и стеклопластиковые жесткие купола. Позже мягкие пищалки вернулись, поскольку усовершенствования их конструкции позволили им успешно конкурировать с жесткими.

Излучатель из мягкого материала Acuflex Morel ET 338-104 Elite Tweeter (вес 0,44 г):

Несмотря на радикально иную конструкцию, при которой вся излучающая поверхность находится внутри звуковой катушки, а не снаружи, как у диффузорных головок, мягкие купола появились на свет благодаря той же концепции, которая ответственна за жизнестойкость бумажных диффузоров. Во главу угла здесь поставлена устойчивость к местным резонансам, дающаяся за счет большого внутреннего демпфирования. А недостаток жесткости с разной степенью успеха компенсируют выбором геометрии и оптимизацией толщины материала купола.

Сильные стороны мягких куполов. Прекрасное внутреннее демпфирование создает предпосылки для гладкой АЧХ и образцовой импульсной реакции. Спад АЧХ на верхнем краю рабочего диапазона – довольно плавный, без всплесков и сюрпризов.

Слабые стороны. Ограниченная перегрузочная способность, что накладывает повышенные требования на частоту и/или крутизну спада кроссовера. Высокий профиль купола (по соображениям жесткости) ухудшает диаграмму направленности по сравнению с более приплюснутыми металлическими куполами и часто требует от конструкторов применения рассеивающих акустических линз, а это – потенциальный источник дифракционных искажений АЧХ.

ВЧ головки с металлическим куполом

Подобно тому, как наряду с классическими бумажными диффузорами появлялись и совершенствовались диффузоры высокой жесткости, с появлением купольных пищалок немедленно были предприняты попытки реализовать концепцию жесткого купола. Для начала в ход пошли наиболее жесткие из известных полимеров – майлар (иными словами, лавсан), поликарбонат (материал, из которого изготовляются компакт-диски), тонкий стеклопластик. Ну и, разумеется, после короткого романа с полимерами взгляд конструкторов упал на еще более жесткий материал – металл.

Бериллиевая диафрагма ScanSpeak D3004/604010 Illuminator:

Сверхтонкие купола из титана и алюминия научились делать (разумеется, в Германии) в середине 80-х, используя методы прецизионного электролиза и вакуумного напыления. Типичная характеристика звука металлических куполов (лучших из них) – прозрачное, чистое звучание, приближающееся к безупречности домашних электростатических излучателей.

Подобно НЧ-СЧ головкам с жесткими диффузорами металлические купола начинают показывать свой норов на верхнем краю своего диапазона, что для современных головок – далеко за пределами слышимости, типично 25-30 кГц. На сегодня все без исключения пищалки с металлическими куполами показывают пик АЧХ в ультразвуковой части рабочего диапазона: от 3 дБ у лучших из них до 12 у средних и хуже. Звукового сигнала в этой части диапазона, понятно, нет, но при определенных условиях могут возникнуть условия для интермодуляции этих составляющих с другими, находящимися в звуковом диапазоне. На слух это может восприниматься как действительно “металлический” тембр звучания.

Сильные стороны. Жесткий купол работает без деформаций во всем рабочем диапазоне частот, обеспечивая звучание высокой детальности и прозрачности. Характеристика направленности намного лучше, чем у мягких куполов, как следствие более низкого профиля купола.

Слабые стороны. Характерный ультразвуковой пик АЧХ может привести к неприятному на слух окрашиванию звучания.

Характерно, что практически все фирмы, специализирующиеся на производстве динамиков как основной продукции, имеют в своей гамме ВЧ головки с мягкими текстильными и с жесткими металлическими куполами, поскольку субъективно воспринимаемое звучание у этих излучателей существенно различное, причем и один, и другой тип имеют убежденных приверженцев.

Керамика

Так уж повелось в конце нашего столетия: всюду, где применяется металл в силу присущей ему жесткости, кто-нибудь пробует использовать керамику как имеющую жесткость еще выше. Одной из самых известных компаний по производству динамиков с керамическими излучателями является Accuton. К примеру их НЧ динамик Accuton C173-6-096 с керамическим диффузором:

Акустическая система на керамических динамиках Marten Heritage Duke 2:

Гамма керамических ВЧ излучателей на сегодня довольно узка. Собственно, по большей части они не керамические, а металлокерамические (как зубные протезы). То есть на тонкую металлическую основу наносится еще более тонкий (5 – 10 микрон) слой керамики чистых окислов, обладающей жесткостью и твердостью просто исключительными. Не зря же окислы кремния, алюминия и хрома – известные абразивы. Эффект керамических покрытий – двоякий. Жесткость купола они увеличивают, но незначительно, из-за малой толщины покрытия. Зато твердая излучающая поверхность создает условия для наиболее точного и когерентного излучения на верхних частотах. Focal, преуспев в свое время со среднечастотными излучателями серии Polyglass, где на поверхность бумажного диффузоров наносился слой стеклянных микросфер, повышающих твердость излучающей поверхности, повторил этот трюк на уровне более тонких структур, переделав титановые купола в композитные (титан – двуокись титана). Специалисты очень хвалят, но ныне выпускаемая гамма по конструкции годится только для применения в домашней акустике. Компактные автомобильные керамические пищалки первой выпустила фирма Infinity, и этим выбор на сегодня, собственно, и ограничен.