Динамик с двойной звуковой катушкой

Материал из МагВики::Справочник по автозвуку и электронике

Не так давно в индустрии автомобильных динамиков появился принципиально новый тип сабвуферов, окрещенный "сабвуфером с двойной звуковой катушкой". Новинка сразу же была оценена по достоинству профессиональными инсталляторами, но для большинства обычных потребителей она так и осталась "темной лошадкой". В рамках настоящей статьи мы постараемся рассказать нашим читателям об этом типе "сабов", о его преимуществах и недостатках.

Устройство

Преобладающее большинство динамиков, представленных сегодня на рынке автомобильного аудио, - это головки электродинамического типа. Их принцип действия основывается на законе физики, согласно которому сила, действующая на проводник с током (звуковая катушка), помещенный в постоянное магнитное поле (создаваемое магнитом динамика), пропорциональна току, протекающему через проводник, длине этого проводника и магнитной индукции. Ее называют силой Ампера. В переводе на более доступный язык это означает, что под воздействием электрического сигнала, поступающего от усилителя мощности, звуковая катушка, помещенная в магнитное поле, под воздействием возникающей силы начинает совершать колебания. Направление движения катушки соответствует полярности электрического сигнала: положительный импульс заставляет ее двигаться в одном направлении (например, вперед), а отрицательный импульс - в противоположную сторону, т.е. назад.

Зная, как ведет себя звуковая катушка под воздействием электрического сигнала, нетрудно понять, что происходит с диффузором динамика, который прикреплен к звуковой катушке. Очевидно, что колебания диффузора будут в точности соответствовать перемещениям катушки, а значит, соответствовать электрическому сигналу. Колебания диффузора вызывают возмущения в окружающей среде (воздухе), вследствие чего рождается акустическая волна, и мы слышим звук.

Динамики с двойной звуковой катушкой - это все те же головки электродинамического типа, да и внешне они мало чем отличаются от аналогов с одной звуковой катушкой. Их можно "вычислить" разве что по дополнительной паре клемм для подключения усилителя мощности. Впрочем, эта пара клемм - уже следствие технологии, а причина состоит в наличии независимого дополнительного провода, который наматывается на каркас звуковой катушки поверх стандартной обмотки. Обычно оба этих проводника изготавливаются из одного материала и имеют идентичное число витков с близкими электрическими характеристиками.

Ясно, что введение дополнительной обмотки приводит к удорожанию конструкции сабвуфера. Но, как ни парадоксально, к явному выигрышу это не ведет, а по таким критериям, как характеристическая чувствительность, КПД и пр. такие сабвуферы вполне могут проиграть традиционным. Так почему же конструкции с двойной звуковой катушкой, точнее говоря - с двойной обмоткой, настолько популярны?

Подключение

Главное и, пожалуй, единственное преимущество таких сабвуферов - гибкость в подключении. Продублированная обмотка позволяет соединить сабвуфер с усилителем тремя способами: последовательно, параллельно или независимо, позволяя менять электрическое сопротивление сабвуфера нужным образом.

В параллельной схеме подключения полное электрическое сопротивление сабвуфера будет составлять половину от сопротивления одной обмотки. Так, например, если сопротивление каждой обмотки - 4 Ом, то при параллельном подключении общее сопротивление сабвуфера снизится до 2 Ом. Достоинство такого варианта включения всего одно, но весомое, - пониженное электрическое сопротивление сабвуфера позволит усилителю мощности развить больший ток в выходных каскадах, а это даст основательную прибавку в мощности.

Последовательная схема подразумевает последовательное включение обмоток. В таком варианте общее сопротивление сабвуфера будет равняться сумме сопротивлений каждой обмотки. Возвращаясь к примеру, описанному чуть выше, легко подсчитать, что в данном случае оно составит 8 Ом. Наиболее очевидный плюс от такого включения - пониженный уровень нелинейных искажений.

Наконец, последний из простейших вариантов включения - независимый. Он назван так потому, что каждая звуковая катушка или обмотка (кому как нравится) подключается к отдельному каналу усилителя мощности. Этот вариант включения особенно полезен для тех усилителей, которые конструктивно не способны работать в мостовом соединении. Именно такой тип включения надо признать родоначальником сабвуферов с двойной звуковой катушкой. И вот почему. В отличие от автомобильных усилителей, их домашние собратья в принципе не могут работать в мостовом включении. По этой причине и были разработаны сабвуферы с двойной звуковой катушкой, чтобы получить возможность независимые каналы усилителя (левый/правый) нагрузить на независимые обмотки сабвуфера.

Однако последний вариант включения нельзя бездумно применять когда вздумается. Почему? Читаем дальше.

Особенности

Ограничения, накладываемые на независимый вариант включения обмоток

Вопрос поставлен ребром, но до того как мы на него ответим, давайте вспомним, из чего состоит звуковой сигнал, и в частности, его низкочастотная составляющая. Как правило, все музыкальные композиции, будь то классика, рок, джаз или популярная музыка, на студиях записываются в стереоварианте, где сигнал одного стереоканала отличается от другого, причем не только в области средних и высоких частот, но и глубокого баса.

Теперь представим, что произойдет, если мы к первой обмотке звуковой катушки подключим один канал усилителя со своим спектром НЧ, а ко второй обмотке - другой канал, с несколько отличающимся спектром. На тех фрагментах композиции, где сигналы в обоих каналах совпадут, наш сабвуфер будет уверенно звучать, радуя слушателя. Но стоит этой гармонии хоть чуть-чуть нарушиться, как двойная звуковая катушка превратится, образно говоря, в повозку, тащить которую будут лебедь, рак и щука. Это довольно грубая аналогия, но на деле произойдет действительно нечто подобное. Возможен случай, когда в одно и то же время по одной обмотке будет проходить положительный импульс сигнала, а по другой - отрицательный. Что произойдет со звуком в таком случае, догадаться несложно, а длительная работа звуковой катушки в столь экстремальных условиях может стать причиной гибели сабвуфера.

Чтобы избежать этого, желательно всякий раз, по возможности, соединять обмотки звуковой катушки параллельно или последовательно. Если же это не представляется возможным, то необходимо помнить, что только в том случае, когда на обе обмотки подается абсолютно одинаковый сигнал, двухобмоточная звуковая катушка и сабвуфер в целом будут функционировать правильно.

Подобное ограничение на казалось бы стандартное включение сабвуферов с двойной звуковой катушкой может насторожить немало слушателей, однако надеемся, что пример включения, о котором мы сейчас расскажем, позволит снять все сомнения в пользе такого технического решения.

Пример

Как мы уже говорили, сабвуферы с двойной звуковой катушкой обладают куда большей гибкостью в подключении, нежели традиционные экземпляры. Продемонстрируем это на примере пятиканального усилителя, у которого пятый канал изначально предназначен для подключения сабвуфера и конструктивно уже включен в мостовом режиме, с ограничением по сопротивлению нагрузки - не менее 4 Ом.

Допустим, мы хотим построить аудиосистему с несколькими сабвуферами, чтобы получить в автомобиле очень высокий уровень баса. Предположим, что у нас имеется по четыре сабвуфера двух типов. Первые подопытные - это четыре традиционных сабвуфера с типичным значением электрического сопротивления 4 Ом, а вторые - четверка двухобмоточных "сабов", у которых сопротивления обмоток равны и составляют 8 Ом.

Помня о том, что минимально допустимая нагрузка для усилителя мощности не должна опускаться ниже 4 Ом, найдем оптимальное соединение однообмоточных сабвуферов. Понятно, что наилучшим вариантом включения является случай, когда два динамика включены параллельно, а затем последовательно с точно такой же параллельной связкой из двух головок. Итоговое сопротивление получившейся цепочки составит 4 Ом. Вроде бы все хорошо, однако на практике такое включение имеет массу недостатков.

Из-за небольших, но неизбежных отличий между динамиками, в поведении их подвижных систем будут наблюдаться тонкие различия. Из-за них, а также из-за эффекта возникновения противо-эдс (явления, когда в движущейся звуковой катушке возникает электродвижущая сила, стремящаяся сохранить неизменным ток в катушке) соединенные последовательно динамики начнут влиять друг на друга. В результате появятся искажения и звучание в целом будет изрядно подпорчено.

Эксперимент

Чтобы объяснить природу этого явления, приведем краткое изложение одного занятного эксперимента. Он очень прост в реализации, поэтому все желающие смогут без труда его повторить. Достаточно иметь под рукой хотя бы пару-тройку динамиков и несколько отрезков провода.

Итак, эксперимент. Суть его заключается в том, что несколько динамиков соединяются последовательно, а выводы "крайних" динамиков закорачиваются - плюс одного динамика соединяется с минусом другого, и таким образом получается замкнутая цепочка. Теперь все, что остается сделать - это нажать на диффузор любого из динамиков, сдвинув его в сторону магнитной системы. Спустя мгновение диффузоры остальных динамиков отклонятся в противоположную сторону. Так проявляется взаимное влияние при последовательном включении нескольких динамиков. Его порождает явление электромагнитной индукции. Проще говоря, если в нормальном режиме работы динамика изменяющийся электрический сигнал вызывает колебания диффузора, то в нашем эксперименте произошел обратный процесс: отклонение диффузора вызвало электрический ток (надеемся, углубляться в физику не нужно, и так все помнят школьный курс), который через последовательное соединение передался остальным динамикам, и они отреагировали отклонениями диффузоров.

В следующем эксперименте изменим тип подключения динамиков на параллельный, а затем, как и в предыдущем случае, надавим на диффузор одного из них. Тех, кто уже собрался порадоваться еще одному фокусу, мы вынуждены огорчить. Именно в этом случае динамики останутся неподвижными, потому что они абсолютно независимы, и ток, возникший благодаря отклонению диффузора одного из динамиков, прошел их, что называется, стороной. Подводя краткое резюме эксперименту, можно заметить, что параллельное соединение динамиков имеет ряд неоспоримых преимуществ перед последовательным.

Выводы

Теперь вернемся к нашим динамикам двух типов. Как проявил себя первый тип динамиков - традиционный - мы уже выяснили, теперь осталось разобраться, как проявят себя двухобмоточные "сабы", чтобы понять, стоит ли игра свеч. Видно, что оптимальным включением четверки двухобмоточных сабов станет параллельная цепочка с последовательным соединением обмоток в каждом сабвуфере. Результирующее сопротивление этой цепочки составит 4 Ом. Может возникнуть сомнение - а не проявится ли здесь эффект наведенного напряжения из-за последовательного соединения двух обмоток?

Однако беспокоиться не о чем, - в вышеописанном эксперименте мы имели дело с независимыми звуковыми катушками, которые были соединены последовательно. Здесь же между собой соединяются не звуковые катушки, а обмотки одной катушки, "раскачивающие" одну и ту же подвижную систему. Именно поэтому они принципиально не способны влиять друг на друга, а значит, и вносить искажения в звучание.

Надеемся, наш несколько затянувшийся эксперимент помог нашим читателям составить хоть небольшое представление о двухобмоточных сабвуферах, оценить их преимущества и выявить победителя "виртуальной дуэли". Тем не менее заметим, что с явным преимуществом победила "команда" двухобмоточных "сабов".

В заключение хотелось бы сказать несколько слов о параметрах Тиля-Смолла для двухобмоточных сабвуферов, а также о том, что с ними происходит при различных вариантах включения обмоток.

В этой связи необходимо сделать очень важное замечание. В представлении многих "самоделкиных" бытует мнение, что ровным счетом ничего не изменится, если у сабвуфера с двумя обмотками задействовать только одну из них. Однако это мнение в корне не верно, потому что в лучшем случае такое включение приводит к потере эффективности - уменьшается глубина баса и уровень звукового давления, а в худшем - к некорректности любых расчетов относительно требуемого объема корпуса: из-за сокращения длины провода уменьшится электрическая добротность Qes, а следовательно, и полная добротность Qts.

Напоследок необходимо сказать несколько слов о том, как трактуется мощность, которую производители двухобмоточных сабвуферов указывают в паспорте своих изделий. Обычно мощность, приводимая в паспорте, относится ко всему сабвуферу, независимо от используемого варианта включения. Это означает, что если в технической документации указано, что максимальная мощность сабвуфера составляет 250 Вт, то и суммарная мощность задействованных каналов усиления не должна превышать эту цифру.