FAQ по драйверам с уравновешенным якорем

Введение

Технически верным термином для данного типа драйверов является "приемник с уравновешенным якорем". Это может немного сбить с толку, ведь кажется, что это скорее “передатчик” звука, а неспециалисты обычно называют его арматурным драйвером (от английского названия Balanced Armature — уравновешенный или сбалансированный якорь). В данной статье мы будем использовать все эти понятия как взаимозаменяемые — для простоты понимания и поиска в Google.

Многие удивятся, но драйверы с уравновешенным якорем производятся еще с 1920-х годов. Тогда они применялись прежде всего в наушниках детекторных радиоприемников. Конечно, эти драйверы были гораздо больше и принципиально отличались от сегодняшних устройств, а их мембраны иногда изготавливались из слюды.

Одним из основных преимуществ BA-драйверов была и остается их высокая эффективность. Это позволяло использовать их для воспроизведения слабых сигналов детекторного радио или для военных телефонных аппаратов с питанием от голоса. Причина по которой BA-драйверы настолько эффективны заключается в том, что якорь —  подвижная часть драйвера (в отличие от статора, неподвижной части) — является нестабильно сбалансированным между двумя магнитами. Он мог бы легко, если бы не другие части механизма, “прилипнуть” к магниту. Эта неустойчивость позволяет ему быстро и легко перемещаться с помощью электрических сигналов, обеспечивая очень высокую эффективность. К сожалению, из-за этого арматурные драйверы также демонстрируют сильные резонансные характеристики. Поэтому для удаления резонансных пиков в АЧХ BA-драйверов применяются методы демпфирования.

Приемники с уравновешенным якорем в современных внутриканальных наушниках и слуховых аппаратах отличаются от тех, что использовались в старых наушниках. Основная концептуальная разница в том, что современные BA-драйверы не имеют "возвратно-поступательно" вращающегося якоря, как на рисунке выше. В новых драйверах используется якорь, который действует механически, как трамплин для прыжков в воду. Давайте заглянем внутрь типичного современного приемника с уравновешенным якорем.

Анимированный gif в начале данной статьи даст вам хорошее представление о том, как якорь движется и с помощью направляющего штифта приводит в движение диафрагму, расположенную в верхней части приемника. На рисунке выше внутренности приемника показаны более детально.

Поступающий аудиосигнал проходит через катушку (1), окружающую якорь (2). Электрический сигнал индуцирует магнитный поток в якоре, что, в свою очередь, притягивает его конец к одному из полюсов постоянных магнитов. Якорь движется вслед за изменением электрического сигнала (верхняя часть "U" образного якоря зафиксирована в нужном положении, а нижняя движется вверх и вниз, напоминая трамплин). Направляющий штифт (3) на конце якоря передает движение диафрагме (4). Двигаясь вверх и вниз, диафрагма изменяет объем воздуха, расположенного над диафрагмой (5) и производит звук, который выходит из звуковода (6).

Типичная АЧХ приемника с уравновешенным якорем

График справа демонстрирует АЧХ типичного BA-драйвера и получен при помещении звуковода непосредственно в 2cc-измерительную камеру. Первый пик связан с общим резонансом якоря, демпферов и заднего давления. Второй пик обусловлен комбинированным резонансом диафрагмы, настроечных отверстий мембраны, фронтального давления, фильтра звуковода, любой трубкой между звуководом и измерительным микрофоном и демпфирующими фильтрами трубки.

Варианты конструкции

Сегодня выпускаются BA-драйверы разных форм, размеров и внутренних конфигураций — достаточно посмотреть на ассортимент продукции от Knowles и Sonion. Эффективность, диапазон частот, тональная характеристика и износостойкость — всё это зависит от многочисленных конструктивных изменений в различных вариантах драйверов. Рассмотрим некоторые из наиболее важных переменных, используемых для контроля производительности арматурного драйвера.

Внутренний объем

Размер и внутренний объем приемника с уравновешенным якорем оказывают сильное влияние на максимальный уровень выходного сигнала. Чем крупнее BA-драйвер, тем больше его диафрагма, а значит, она может вытеснить больше воздуха, что делает драйвер потенциально громче. 

Кроме того, с уменьшением объема драйвера увеличивается акустическое сопротивление задней части диафрагмы, уменьшая таким образом ее размах колебаний. Некоторые BA-драйверы имеют небольшие отверстия в корпусе за диафрагмой, что позволяет увеличить внутренний объем и получить большую громкость.

Якорь

Центральное значение для производительности BA-приемника имеет сам якорь. Он в значительной степени определяет массу и жесткость акустической системы и, следовательно, ее эффективность и резонансные характеристики драйвера. Например, для оптимизации эффективности под низкие частоты жесткость якоря подбирают под задний объем камеры и мембраны. Для максимизации низкочастотного выхода производители увеличивают массу якоря, что обеспечивает возможность справляться с большим магнитным потоком. Для расширения частотного диапазона массу уменьшают, а жесткость увеличивают.

На приведенном выше графике синей линией обозначен стандартный BA-приемник Sonion 26A01C. Светло-голубая линия — это широкополосный приемник с более толстым якорем для увеличения жесткости, но и более узким — для уменьшения массы. Оранжевая линия показывает драйвер с увеличенным количеством низких частот, достигнутым за счет увеличения массы якоря. 

ДиафрагмаЖесткость и резонансные свойства диафрагмы могут быть отрегулированы аналогичным якорю образом. Диафрагма BA-приемника — это как правило небольшая металлическая пластина. Тонкая мембрана заполняет пространство между диафрагмой и окружающей поверхностью, действуя в виде подвеса и акустически разделяя переднюю и заднюю часть камеры драйвера.

Как правило, размещая диафрагму как можно выше в корпусе, можно увеличить объем задней камеры. Таким образом можно увеличить уровень выходного сигнала драйвера. Большая площадь поверхности мембраны приводит к большей громкости, но увеличенная масса снизит высокочастотный выход. Резонансные пики для приемника с уравновешенным якорем неизбежны, но жесткость мембраны и массу диафрагмы можно регулировать, чтобы изменить положение, относительную амплитуду и показатель добротности этих пиков.

Демпфирование якоря

BA-приемники могут быть весьма чувствительны к механическим воздействиям. Удар от падения внутриканальных арматурных наушников на твердую поверхность может деформировать хрупкий якорь в одном направлении, что приведет к значительному увеличению искажений и к потере уровня громкости.

Чтобы предотвратить такую ситуацию производители часто устанавливают в структуру постоянных магнитов маленькие бамперы, которые ограничивают перемещение якоря. К сожалению, это также может ограничить максимальный уровень громкости на выходе.

В недавней разработке от компании Knowles для ограничения хода якоря между ним и постоянными магнитами используется ферромагнитная жидкость. На рисунке ниже вы можете увидеть две капли магнитной жидкости между якорем и магнитами. Эти капли удерживаются на месте с помощью самого магнитного поля. Характеристики демпфирования и сопротивления могут быть изменены путем регулирования количества вводимой жидкости.

Диаграмма выше показывает изменения в АЧХ в зависимости от количества ферромагнитной жидкости между магнитами и якорем. Этот метод также гасит резонансные пики, не влияя на общую чувствительность драйвера. Еще одним преимуществом этого метода является то, что он имеет тенденцию к демпфированию всех резонансов — как самого драйвера, так и тех, что возникают в звуководе. Одна из проблем, связанных с фильтром на выходе BA-приемника в том, что с течением времени он может забиться ушной серой. Магнитная жидкость позволяет использовать конструкцию без подверженных загрязнению фильтров.

Тонкая настройка драйвера с уравновешенным якорем

Перед тем как BA-приемник полностью собран, остается последний шанс для тонкой настройки и получения нескольких вариантов данной модели. Внутри звуковода может быть размещен акустический фильтр (обычно для уменьшения амплитуды первого пика). В подвесной мембране диафрагмы с помощью лазера могут быть перфорированы очень маленькие отверстия — таким образом можно снизить второй пик и низкочастотный отклик. Эти методы могут быть использованы и в комбинации.

Методы внешней подстройки

Как видите, настройка BA-драйверов имеет свои сложности. Но их становится еще больше, когда мы рассматриваем реальное применение этих драйверов непосредственно для внутриканальных наушников. Трубка, идущая от сопла драйвера к звуководу наушника, оказывает влияние на конечную АЧХ. Длина и диаметр трубки будут изменять звуковой профиль так же, как и разнообразные акустические фильтры и их положение внутри трубки. Кроме того, для моделирования желаемой частотной характеристики может применяться конструкция с несколькими драйверами и системой кроссовера. Давайте рассмотрим эти методы.

Длина трубки

График выше отражает изменения в АЧХ арматурного драйвера Sonion 26A005 в зависимости от длины трубки. Напоминаем, что первый пик — это внутренние резонансы драйвера, а второй пик зависит как раз от длины трубки. Как видите, с увеличением длины трубки, пик уходит вниз по частотному диапазону. Инженеры как правило стремятся к тому, чтобы второй пик попал аккурат между первым резонансом на 2 кГц и резонансами ушного канала, которые происходят на 10 кГц и выше (в зависимости от глубины размещения наушника). 10 мм является распространенной длиной трубки.

Диаметр трубки

Увеличение диаметра трубки, как правило, сужает кривую отклика в области низких- и средне-высоких частот. На графике вы можете увидеть, как АЧХ в этом регионе становится все более остроконечной с увеличением диаметра трубки от 1,35 мм до 1,91 мм.

Демпфирующие фильтры внутри трубки

Аналогичные по сути к уменьшению диаметра трубки, демпфирующие фильтры ограничивают поток воздуха в трубке, снижая отклик в регионе от 1 кГц до 8 кГц. Что интересно — поскольку фильтры выступают в качестве резистивных элементов, их принято калибровать в Омах.

Эффект фильтров также зависит от того, насколько глубоко в трубке они расположены. При размещении рядом с BA-приемником, малый объем воздуха в трубке достаточно жесткий, что позволяет драйверу эффективно проталкивать воздух через фильтр. Когда фильтр находится дальше от приемника, эластичность воздуха затрудняет прохождение сигнала через фильтр, в результате чего выходной сигнал демпфируется сильнее.

Настройка с несколькими BA-драйверамиИспользование нескольких драйверов с системой кроссовера (разделительный фильтр) позволяет инженерам производить еще большие изменения кривой отклика, недоступные при использовании рассмотренных выше методов или однодрайверного дизайна. Низкочастотные BA-драйверы приподнимают уровень низких частот с меньшими искажениями. BA-твитеры используются для расширения высокочастотного диапазона (широкополосные BA-приемники имеют проблемы с частотами выше 10 кГц).

Иллюстрации выше демонстрируют в упрощенном виде то, как Sony настроили свои арматурные наушники из серии XBA в зависимости от количества драйверов.

Выводы

Приемники с уравновешенным якорем — это не самые “ровные” с акустической точки зрения устройства, имеющие свои проблемы с резонансами. Но из-за своих малых размеров и высокой эффективности они являются привлекательными преобразователи для производителей внутриканальных наушников и слуховых устройств.

К счастью, разработаны многочисленные способы акустического демпфирования и контроля АЧХ (как внешние, так и внутренние), что позволяет производителям приемников и создателям IEM-наушников добиваться нужных звуковых характеристик. Кроме того, моделировать желаемую АЧХ можно и с помощью многодрайверного дизайна с кроссовером.

Наушники с BA-драйверами требуют бережного обращения, удары и падения на твердые поверхности могут привести к ухудшению производительности.

Я хотел бы поблагодарить Knowles и Sonion за их великолепные материалы, заметки и технические бюллетени, практически всю информацию из этой статьи можно найти в более детальной форме на сайтах этих компаний. Это действительно приятно, когда производители находят время, чтобы объяснить, как устроена их продукция. 

Оригинал статьи на сайте www.personalaudio.ru, по материалам InnerFidelity.