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.

Драйверы с уравновешенным якорем производятся еще с 1920-х годов

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.

Приемники с уравновешенным якорем в современных внутриканальных наушниках

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 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 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.

Якорь

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. 

Диафрагма Жесткость 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.

Диафрагма

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.

Демпфирование якоря

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 Демпфирование якоря

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 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 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-драйверами Использование 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).

Настройка с несколькими BA-драйверами

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.

 

Комментарии (0):
Текст сообщения*
Загрузить файл или картинкуПеретащить с помощью Drag'n'drop
Перетащите файлы
Ничего не найдено
 
1MORE Ableton Abyss ADAM AUDIO Adam Hall Adidas ADL AfterShokz AIAIAI AKAI AKG Alctron Alesis Alive Audio Allen & Heath Allocacoc Alpine Amphenol Amphion Analog Renaissance Anker APOGEE Apple Arcam Arozzi Arturia Astell&Kern Aston Asus ATC Atex Atlas Audeze Audient Audio Pro Audio-Technica Audiolab AudioQuest AudioValve Audix
Aukey AURATONE Aurender Aurisonics Austrian Audio Avantone AVM Audio Axelvox AXES BAE Bang&Olufsen Baseus Bassocontinuo Beats Behringer Belkin Belsis Beyerdynamic Biamp Biopor Black Fox Blacknote Bluesound BMW Bose Bowers&Wilkins Boya Braun Brauner Bryston BSS Burson Audio Cambridge Audio Campfire Audio Canton Cary Audio Case-Mate Cayin Chord Clearaudio
Colorful Cooler Master Cordial Corsair Cowon Creative Crosley CTM Dali DBX Dekoni Denon Deppa DiGiCo DiGiGrid Digitech DJ Bag DPA Dr.Head Dreamwave Dreve DUNU Dutch&Dutch Dynaudio EDIC-mini Elari Elecom Elgato Elite Core Energizer EPOS ERATO ESI Esoteric Etymotic Research EVE Audio EVENTIDE Exposure Fender FiiO
Final Audio Fir Audio Fluid Audio Focal Focusrite Force Fostex Fujimi Furutech Gamdias Gator Genelec Gigawatt Gissar Gold Note Golla Gravity Groneberg Harman/Kardon HECO HEDD Hercules Hewlett Packard HIFIMAN Hiper Honor HUAWEI Hybrid Audio HyperX ICE-Q iFi IK Multimedia In-ear Inakustik inCharge Ion Audio IsoAcoustics IsoTek iSound j5create
Jabra Jade Audio Jam JBL JH Audio JVC K&M Kingston KLANG KLARK TEKNIK Klipsch Klotz Korg Koss KRK L‑Acoustics Labkable Laconic Lake People Lanchiya LAudio LD Systems Le Cord Lehmann Audio Lenco Lewitt Line 6 Logitech Luxman Lyambda M-Audio Mac Audio Mackie Mag-Lev Magnat Manley Maono Marantz Marley Marshall
Master&Dynamic Maxell Mcintosh MEE Audio MELCO Meters Meze Michi MoFi Monitor Audio MONKEY BANANA Monster Mpow Musatoff Musical Fidelity Myburgh Mytek NAD Naim Native Instruments Native Union Neumann Neutrik Ningbo Noble Nobunaga Labs Noise Killer Nordost Novation Nyne oBravo Oehlbach Onkyo Oppo Ortofon Otovita Oyaide Padmate PATTERN BREAKER Pelican
Perfect sound Phiaton Philips Pioneer Plantronics Polk Audio Popsockets PreSonus PrimeLine Prism Sound Pro-Ject Promate PS Audio PSB QCY QED Quad Questyle Quik Lok Razer RCF Real Cable ReCables RECORD PRO Rega RHA Ritmix RME Rock Rockdale Rockport Technologies ROCKWOOD RODE Roland ROLI Rombica ROOMs Rotel Royer Ruark
Rupert Neve Designs Rycote SAMSON Samsung SanDisk Saramonic Satechi Schiit SE Electronics Sennheiser Shanling Sharkoon Shure Sieveking Sound Silicon Power Sim Audio SIMGOT Simpleway Simply Analog Skullcandy SleepPhones SMARTIX SMSL Softube SOL Republic Solid State Logic Solove Sonarworks Sonus Faber Sony Soundcraft Soundking SoundLink Spectral Spigen SpinFit SPL Stax Stealth Sonics SteelSeries
Steinberg Sumiko Superlux Switchcrft Synco Synergistic Research T+A Tannoy Target Tascam TC Electronic TC HELICON Tchernov Cable TEAC Technics Telefunken The Bit Thorens Thronmax TiTech Tonar Townsend Labs Tralucent Transparent Audio Triangle TS cable Tula Tutti Frutti Twelve South UAG Ultimate Ultimate Ears Ultralink Ultrasone Unipads Unison Universal Audio Urbanears V-Moda Van Den Hul
Venture Craft Violectric Vivanco Vogels Warm Audio Westone Wharfedale Whiplash Wireworld Xiaomi Xtrfy Yamaha YAXI Zoom СОЮЗ Яндекс