Поршневой и волновой режимы работы динамика. Широкополосные и узкополосные излучатели

Часто приходиться слышать примерно такое: поршневой режим — это наше всё (к нему нужно стремиться), выход  динамика из поршневого режима — зло (с ним нужно бороться).  Казалось бы, такая простая и понятная логика, ведущая к созданию узкополосных излучателей и многополосных акустических систем. Но в жизни все сложнее, а раз так, окончательных и идеальных решений быть не может. Поэтому давайте разбираться в деталях.

Начнем с того, как вообще работает динамическая головка. Простейший пример: головка низкочастотная (диффузор достаточно большого диаметра, мягкий резиновый подвес, основная резонансная частота в области нижней границы слышимого диапазона). Как такая головка работает? Очевидно, что на низких частотах весь диффузор полностью (несмотря на вполне измеримую массу) будет работать именно как поршень, а подвес будет выполнять свою непосредственную функцию.

И если головка живет в трехполосной акустической системе, где герц примерно с 200 звучать будет уже среднечастотный динамик, низкочастотная головка имеет право работать так, как мы описали выше. Но что если это не чисто басовый динамик, а мид-бас? Ему тогда еще нужно доиграть до диапазона, который возьмет на себя твитер.  Какие процессы будут происходить в диффузоре излучателя тогда?

Очевидно, что с возрастанием частоты у диффузора будет всё меньше шансов работать полностью, и внешний его диаметр начнет изгибаться, выполняя уже функцию более жесткого (по сравнению с основным) и меньшего по диаметру подвеса. Здесь говорят о выходе динамика из поршневого режима. На еще более высоких частотах будет работать все более внутренняя часть, а область подвеса также будет смещаться к центру. Это будет происходить вплоть до превращения в излучатель только пылезащитного колпачка.

Конечно, все динамики разные, у них разная жесткость диффузора, различен его вес, разный диаметр,  и переходные процессы будут иметь свои особенности. Общее то, что поведение диффузора на каждом участке частотного диапазона будет различным, и предсказать его достаточно сложно. Однако в целом на средних частотах волны на поверхности диффузора будут иметь не только круговую, но и радиальную направленность (создавая сложный рисунок колебаний), на высоких – в основном круговую.

Понятно, что все это акустических свойств динамика не улучшает, а так как количество точек излучения на поверхности диффузора увеличивается, появляются и множество новых резонансов. Усложняется ФЧХ, что, естественно, приводит и к горбам АЧХ. И если мы хотим построить акустическую систему с высокой линейностью, то все это, конечно, нам совершенно не нужно. Другое дело, что необходимость высокой линейности для домашней акустики сильно преувеличивается, но это вопрос уже другой.

Как же описанные проблемы будут выглядеть на АЧХ среднестатистического мид-баса? У такого динамика будет более-менее ровный график внизу и гармошка изломов выше. И, к сожалению, при построении двухполосной акустики с этим нужно мириться.

Ну а если вы настроены с этим бороться, то просматриваются два направления: увеличение количества полос вашей акустической системы и повышение жесткости диффузора низкочастотного динамика.

До определенной степени создание более жестких диффузоров помогает, что привело к разработкам  диффузоров из различных композитных материалов и диффузоров с ребрами жесткости. Стоят такие головки, как правило, недешево.

Ну и, конечно, переход от двухполосности к трехполосности. Среднечастотный динамик в данном случа берёт на себя тот, диапазон, на котором «лихорадит» мид-бас. Исходя из свойств среднестатистических динамических головок получается, что именно трехполосная система является достаточным решением для корректного охвата слышимого диапазона, поэтому четырехполосные системы являются редкостью. Хотя каких только решений не бывает.

Как мы уже поняли выше, популярная двухполоска является решением компромисным. Ну а как же однополосные (широкополосные) системы, набирающие популярность сегодня? Давайте прикидывать плюсы и минусы таких решений. Начнем с некоторых особенностей широкополосной головки.

Понятно, что работать она будет как в поршневом (в самом низу), так и в волновом (в середине и наверху) режимах.  Получается, что задачи при ее разработке, в отличие от головки низкочастотной, будут стоять совсем противоположные. Ведь нужно создать условия для того, чтобы при работе во всем слышимом диапазоне формировались зоны, берущие на себя нужную длину волны. Обычно это достигается делением диффузора на зоны специальными насечками и его особой формой. Для самого верха применяют ставший уже визитной карточкой широкополосного динамика конус-визер (небольшой рупор в центре).

Раз диффузор должен работать во всем диапазоне, то он должен быть достаточно легким. Такие диффузоры обычно делают бумажным (и с присадками), и это позволяет достигать для широкополосника, как правило, существенно большей чувствительности, чем для динамиков, специализирующихся исключительно на низкочастотном диапазоне.

Давайте попробуем теперь составить таблицу сравнения многополосной и широкополосной акустики.

Многополосная акустика	Широкополосная акустика
Диапазон частот
Может охватить более широкий диапазон за счет отдельных НЧ и ВЧ излучателей	Обычно имеет завал уже, по крайней мере, герц от 60 снизу и редко играет более 20 кГц
Равномерность АЧХ
АЧХ более равномерна при правильном сведении	АЧХ менее равномерна
Детальность звука
Детали труднее выделить на общем фоне	Звук более детальный
Добротность динамика
Обычно ниже	Обычно выше
Чувствительность динамика
Обычно ниже	Обычно выше
Предпочтительное оформление
Закрытый ящик, пассивный излучатель, фазоинвертор	Щит, открытый ящик, трансмиссионная линия
Сцена звучания
Так как излучатель не один, сцена хуже локализуется	Звук исходит из одного излучателя, что дает более четкую сцену
Музыкальные стили
Стили электронной музыки, эстрада, рок	Классика, джаз, вокал
Усилители
В силу низкой чувствительности лучше использовать с мощными, твердотельными усилителями	В силу высокой чувствительности лучше использовать с ламповыми усилителями

Теперь подведем итоги. Широкополосный динамик по сравнению с узкополосным суммарно обладает бо́льшими искажениями, в том числе интермодуляционными, и менее равномерным АЧХ, однако способен воспроизвести больше деталей, обеспечить более выраженную сцену.

Таким образом, чисто технически многополосная акустика однозначно более совершенна, но для некоторых жанров предпочтительнее использовать акустику на широкополосных динамиках.