Компендиум, или краткое руководство по High End-аудио. Акустические системы, статья. Журнал "АудиоМагазин"

Знаете ли вы, какая часть электродинамического излучателя самая дорогая? Нет, не золотая катушка и не диффузор из японской бумаги, а магнит.

---

СКОВАННЫЕ ОДНОЙ ЦЕПЬЮ

Изложенная в предыдущей части задача магнитной цепи — создать высоколинейное и мощное магнитное поле в воздушном зазоре, в котором перемещается звуковая катушка, — возложена не только на магнит, а на весь магнитопровод: магнит (магнитомягкий материал), задний и передний фланцы плюс керн (магнитотвердые материалы). Да что там, геометрия воздушного зазора и воздух в нем могут как помочь, так и навредить, причем в такой степени, что никакой магнит не исправит положения. Ведь вместо воздуха в зазоре может быть специальная магнитопроводящая среда, например ферромагнитная жидкость. Но об этом позже.

ЧТО ОБЩЕГО У АНГЛИЧАНИНА ДЖИЛБЕРТА, ДАТЧАНИНА ЭРСТЕДА, ФРАНЦУЗА АМПЕРА И ХОЛОДИЛЬНИКА?

Магнит — это вещь, природа которой понятна всем. Для звукотехники вроде все предельно просто: нужен магнит помощнее. Так оно и есть, но при этом в мощном излучателе, например низкочастотном, магнитная цепь нагревается. По звуковой катушке течет ток, и вследствие ее сопротивления выделяется тепло.

А теперь вспомните про паспортную мощность НЧ-динамика. 100 Вт? Пожалуйста! 200 Вт — тоже не редкость.

При большом сигнале катушка такого динамика может разогреваться до 200 градусов, а его магнит - до 100 градусов. Не без помощи постоянной Стефана-Больцмана, конечно.

Нагрев звуковой катушки вызывает такое неприятное явление, как компрессия, когда за счет роста сопротивления при нагреве начинает снижаться чувствительность и ухудшаются другие электроакустические параметры излучателя.

Подобная деградация особо характерна для медного провода звуковой катушки, будь он чистотой 99% или 99,9999%. Нагрев же магнита чреват потерей его намагниченности. Причем в отличие от случая со звуковой катушкой тут тепловые последствия будут необратимыми и заметными на слух даже в условиях домашнего, а не концертного применения.

Исторически первым шагом в погоне за мощностью магнитного поля в излучателе стал электромагнит, то есть дополнительная обмотка вокруг керна, на которую подавался постоянный ток и которая повышала напряженность магнитного поля в зазоре магнитной цепи. В 30-е годы из сплава железа, алюминия, никеля и кобальта под названием альнико научились отливать удобной формы магниты, отлично подходившие для тогдашних динамиков, которые, напомню, использовались с ламповыми усилителями небольшой мощности и, соответственно, должны были иметь высочайшую чувствительность; к мощности особых требований не предъявлялось. Иными словами, в них были немыслимы температуры нагрева выше 50°. С появлением более мощных усилителей выяснилось, что альнико после нескольких циклов нагрева теряет намагниченность, к тому же из-за политической ситуации в бассейне реки Конго в конце 1970-х кобальт стал роскошью (за год его цена поднялась на 2000%), и магниты снова стали электромагнитными... Нет, не так, конечно. К счастью, с 1950-х годов стал использоваться порошок феррита бария (или стронция), который можно добавить в железный порошок (магнетит и другие оксиды железа), а затем запечь и отформовать. Получится дешевый и удобный ферритовый магнит. Он хорош всем: выносит нагрев и при старении сохраняет без ухудшения свои характеристики, кроме одной: его магнитная энергия оставляет желать лучшего, особенно если учесть, что в условиях реальной жизни электроакустического преобразователя лишняя масса никогда не приветствуется. Еще феррит не любит мороз, но для сферы High End это малосущественно...

В 1960-х годах в авангарде исследователей, искавших альтернативу альнико, долгое время оставался американский ученый Карл Стрнат, который придумал самарие-во-кобальтовые сплавы, но с возникновением дефицита кобальта его идеи устарели. В 1983 году General Motors, Sumitomo Corporation и Китайская академия наук вроде бы независимо друг от друга создали соединение неодим-железо-бор. Мощные редкоземельные магниты, имея крошечные размеры и колоссальную магнитную индукцию, заняли с тех пор трон наиболее эффективного материала для магнита излучателей. Делают их двумя способами: порошок из смеси металлов либо запекается в специальной печи под давлением (и при температуре 1200 градусов), либо впрыскивается в расплавленный полимер и затем формуется.

Неодимовые магниты подвержены коррозии, но это преодолимо. Они не любят нагрев даже больше, чем альнико. Но главная их проблема — цена, стремительно скакнувшая вверх с 2009 года. Дело в том, ч то 95% редкоземельных металлов добывается в Китае, а поскольку тамошней автомобильной промышленности они тоже нужны, то страна ввела квоты на экспорт. За 2011 год неодим подорожал к 5 раз. Сплав самария и кобальта прекрасно выдерживает перегрев, но он еще дороже. Так что редкоземельные магниты чаще всего встречаются в ВЧ-динамиках, а остальные по-прежнему верны ферритам.

Кстати, магниты поставляются на заводы по производству громкоговорителей ненамагниченными — иначе их было бы трудно перевозить.

И еще: магнитная полоса на кредитной карте сделана из феррита бария.

Наконец, знаете ли вы, какая часть электродинамического излучателя самая дорогая? Нет, не золотая катушка и не диффузор из японской бумаги, а магнит.

Исторический период	1920	1930	1950	1960	1970	1980	1990-...
Электро-магниты
Литые магниты
Железо-хром, сталь
Сталь-кобальт (Япония, 1917)
Альнико (Япония, 1930) тиконал и т.п.
Самарий-кобальт (К. Стрнат, 1966-1972)
Неодим-железо-бор (1983)
Нитрид, карбид самария, железа (Sm2Fe17(N,C)x)
Прессованные магниты
Феррит-барий-стронций (Philips, 1952)

ПРИКЛАДНАЯ ГЕОМЕТРИЯ

Перейдем к более скучному, но не менее важному предмету. Что делает магнитная цепь в излучателе, мы обсудили в предыдущей части руководства: она концентрирует магнитное поле в воздушном зазоре, в котором движется звуковая катушка.

Расположить магнит в магнитной цепи можно двумя основными способами, и в этих случаях он носит названия магнит кольцевой или керновый.

Поскольку в звуковой катушке течет переменный ток звуковой частоты, она будет двигаться в магнитном поле в воздушном зазоре в двух направлениях: вверх и вниз. И при движении вверх, и при движении вниз собственное электромагнитное поле катушки должно сталкиваться с симметричным постоянным магнитным полем. Если напряженность поля будет гулять, то искажения звукового сигнала, рождаемого нашим электроакустическим преобразователем, неизбежны.

Распределение эквипотенциальных линий магнитного потока вокруг зазора (по материалам расчетного ПО FEMM 4.2) 

Казалось бы, в небольшом по длине воздушном зазоре совсем нетрудно обеспечить равномерное магнитное поле.

Так и было бы, если бы магнитное поле хотело в этом зазоре оставаться. Ан нет — оно не хочет и из-за разброса магнитной проницаемости керна, воздуха и нижнего фланца норовит разбежаться по сторонам.

Для начала можно, например, изменить края керна у зазора, сделать их фигурными: с выемкой или выступом. Тогда магнитный поток стабилизируется и лучше сконцентрируется в зазоре. Это замечательно, но такое решение предъявляет более жесткие требования к качеству станочных работ и пресса, вбивающего керн в задний фланец.

Чем уже зазор, тем больше полезный магнитный поток в витках катушки, но и здесь очевидны ограничения: если катушка начнет скрести по керну или переднему фланцу, о качестве звука можно забыть.

ДЛИНА ХОДА

Осталось, наконец, привлечь к делу звуковую катушку. Пока как некую теоретическую концепцию, без технологий и материалов. В НЧ-излучателе катушка должна двигать диффузор не с таким уж малым смещением — иначе не получить нужное звуковое давление на самых низких частотах. Чтобы сбалансировать равномерность и мощность магнитного потока при минимуме нелинейных искажений и максимуме отдачи, конструкторам динамиков приходится думать над соотношением высоты намотки катушки и высоты зазора. Есть два полярных способа выбрать это соотношение.

Намного шире распространен случай, когда высота катушки больше высоты зазора, поскольку сила поля (зависящая от произведения магнитной индукции в зазоре на длину катушки) будет явно больше, как и максимальное смещение катушки. Главное, чтобы при смещении число витков в зазоре оставалось таким же, как и в положении покоя, и тогда линейность преобразования сохраняется на должном уровне. Случай, когда высота катушки меньше высоты зазора, дает более высокую линейность, но лишь в узком диапазоне смещений. Масса звуковой катушки меньше, но поскольку произведение магнитной индукции в зазоре на длину катушки меньше, то меньше и чувствительность. Поэтому системы, у которых высота катушки меньше высоты зазора, встречаются редко.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В общем заключительные выводы сводятся к тому, что однозначный вердикт тем или иным материалам, используемым в High End-динамиках, вынести нельзя, не углубившись в функции и особенности реализации (в том числе и в производстве) конструктивных узлов, в которых эти материалы применяются. В следующей части мы подробнее рассмотрим вопрос о материалах диффузоров и других элементов подвижной системы, а также поговорим о средне- и высокочастотных динамиках, которые пока остаются за пределами нашего с вами компендиума.

 

Подготовлено по материалам журнала "АудиоМагазин", №3 (110) 2013 г. www.audiomagazine.ru