#чтиво | Как работают наушники?

30 560 просмотров
Об авторе

Коллекция наушников

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 я хочу восполнить и рассказать о том, какие бывают виды наушников «изнутри», зачем они придуманы, и как отличаются.

Сразу оговорюсь, что в основном буду 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 erabuds. 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 я так и буду их называть, делая при необходимости оговорки.

Самая популярная схема излучателей, использующихся в наушниках — это всем известные динамические излучатели с подвижной катушкой.

Динамический излучатель, вскрытие

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.

Динамический излучатель в естественной среде обитания

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.

AKG K1000 — сложно, дорого и круто

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.

Сбалансированный якорь, схема работы

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.

Ambient Acoustics AM4

Кстати, про кастомные многодрайверные наушники я писал обзор на AppleInsider.

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.

ТДС-16

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.

Мембрана 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.

HiFiMan HE-500, аудиофилы одобряют

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).

Драйвер электростатических наушников в расчлененном виде

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. Я, например, весьма недорого купил винтажные «золотые» Stax SR-5 с энерджайзером, и очень доволен покупкой.

Stax SR5 — просто и со вкусом

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, если я соберу достаточно материала про них.

#чтиво | Как работают наушники?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

18 комментариев

  1. кирилл

    Много букв, однако осилил , спасибо за статью

  2. cx75

    Вот почему я люблю этот сайт!Спасибо большое за статью.

  3. Александр

    И правда было интересно почитать. Спасибо!

  4. Sam

    Полезно было почиткать!

  5. Владимир

    Весьма позновательно, а то в жизни пришлось разбирать лишь "Тон-2".
    Спасибо за статью.

  6. FreeDIM

    Советская "изодинамика": http://img7.imageshack.us/img7/9048/amfitontds7.jpg ... В середине 80-х юзал лет пять (весьма достойный, надо сказать звук), пока не сломалось оголовье.

  7. славик

    Спасибо большое за статью,очень интересно.

  8. джихарнян

    я вообще люблю муз особенно в наушниках благодоря этой статье многое об этом узнал
    спасибо

  9. илья

    о наушниках вообще ничего не знал
    но благодаря этой статье многое понял
    спасибо

  10. array

    очень интересно, спасибо

  11. chakky18

    Просто, понятно написано! Вроде все знал или где то догадывался, но все же освежил в памяти. Спасибо!

  12. Cellard

    Инженерная магия

  13. Королев Михаил

    Спасибо Павел

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.