Strona główna > Sprzęt Audio > FAQ na temat przetworników z armaturą zrównoważoną

Wstęp

Technicznie poprawny termin dla tego typu przetwornika to "Balanced Armature Receiver". Może to być nieco mylące, ponieważ wydaje się, że jest to bardziej "transmiter" dźwięku, podczas gdy laicy zwykle odnoszą się do niego jako do armaturowego przetwornika (od angielskiej nazwy Balanced Armature, czyli zbalansowana kotwica). W tym artykule będziemy używać wszystkich tych terminów zamiennie - dla ułatwienia zrozumienia i wyszukiwania w Google.

Wiele osób będzie zaskoczonych, ale przetworniki z armaturą zrównoważoną są produkowane od lat 20-tych XX wieku. W tamtych czasach były one stosowane głównie w słuchawkach radia detektorowego. Oczywiście, te przetworniki były znacznie większe i zasadniczo różniły się od dzisiejszych urządzeń, a ich membrany były czasami wykonane z miki.

Jedną z głównych zalet sterowników BA była i jest ich wysoka sprawność. Dzięki temu mogły one być używane do odtwarzania słabych sygnałów radiowych z detektorów lub w telefonach wojskowych sterowanych głosem. Powodem, dla którego BA-drivers są tak wydajne jest to, że armatura, ruchoma część sterownika (w przeciwieństwie do stojana, części nieruchomej), jest niestabilnie wyważona pomiędzy dwoma magnesami. Mógłby on łatwo, gdyby nie inne części mechanizmu, "przykleić się" do magnesu. Ta niestabilność pozwala mu poruszać się szybko i łatwo z sygnałami elektrycznymi, zapewniając bardzo wysoką wydajność. Niestety, z tego powodu, przetworniki armaturowe wykazują również silną charakterystykę rezonansową. Dlatego techniki tłumienia są stosowane w celu usunięcia szczytów rezonansowych w AFC przetworników BA.

Zbalansowane odbiorniki armaturowe we współczesnych słuchawkach wewnątrzkanałowych i aparatach słuchowych różnią się od tych stosowanych w starszych słuchawkach. Główna różnica konceptualna polega na tym, że nowoczesne sterowniki BA nie posiadają "przeciwsobnego" wirującego uzwojenia jak na powyższym rysunku. Nowsze sterowniki wykorzystują kotwicę, która działa mechanicznie, jak deska do nurkowania. Zajrzyjmy do wnętrza typowego współczesnego odbiornika z armaturą zrównoważoną.

Animowany gif na początku tego artykułu da Ci dobre wyobrażenie o tym, jak kotwica porusza się i poprzez trzpień prowadzący napędza otwór znajdujący się w górnej części odbiornika. Powyższa ilustracja przedstawia wnętrze odbiornika w sposób bardziej szczegółowy.

Przychodzący sygnał audio przechodzi przez cewkę (1) otaczającą twornik (2). Sygnał elektryczny indukuje strumień magnetyczny w tworniku, który z kolei przyciąga jego koniec do jednego bieguna magnesów stałych. Armatura porusza się w odpowiedzi na zmianę sygnału elektrycznego (górna część armatury "U" jest nieruchoma, a dolna porusza się w górę i w dół jak trampolina). Trzpień prowadzący (3) na końcu twornika przenosi ruch na membranę (4). Poruszając się w górę i w dół, membrana zmienia objętość powietrza nad membraną (5) i wytwarza dźwięk, który wydobywa się z rurki dźwiękowej (6).

Typowa charakterystyka częstotliwościowa odbiornika z armaturą zrównoważoną

Wykres po prawej stronie przedstawia charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową typowego przetwornika BA i jest uzyskany poprzez umieszczenie jednostki napędowej bezpośrednio w komorze pomiarowej o pojemności 2 cm3. Pierwszy szczyt jest spowodowany połączonym rezonansem twornika, tłumików i ciśnienia wstecznego. Drugi szczyt jest spowodowany połączonym rezonansem membrany, otworów do strojenia membrany, ciśnienia przedniego, filtra rurki dźwiękowej, wszelkich rurek pomiędzy rurką dźwiękową a mikrofonem pomiarowym oraz filtrów tłumiących rurki.

Warianty konstrukcyjne

Obecnie sterowniki BA są dostępne we wszystkich kształtach, rozmiarach i konfiguracjach wewnętrznych - wystarczy spojrzeć na asortyment produktów firm Knowles i Sonion. Wydajność, zakres częstotliwości, charakterystyka tonalna i trwałość zależą od licznych zmian konstrukcyjnych w różnych wariantach przetworników. Przyjrzyjmy się kilku najważniejszym zmiennym używanym do kontroli wydajności sterownika armatury.

Objętość wewnętrzna

Rozmiar i objętość wewnętrzna przetwornika z armaturą zrównoważoną ma ogromny wpływ na maksymalny poziom wyjściowy. Im większy przetwornik BA, tym większa jest jego membrana, co oznacza, że może on wyprzeć więcej powietrza, czyniąc go potencjalnie głośniejszym.

Ponadto, w miarę zmniejszania się objętości przetwornika, wzrasta impedancja akustyczna z tyłu membrany, co zmniejsza oscylacje przetwornika. Niektóre przetworniki BA mają małe otwory w obudowie za membraną, które zwiększają objętość wewnętrzną i sprawiają, że głośnik jest głośniejszy.

Anchor

Centralnym czynnikiem wpływającym na wydajność przetwornika BA jest sama armatura. Określa ona w dużym stopniu masę i sztywność głośnika, a tym samym wydajność i odpowiedź rezonansową przetwornika. Na przykład, aby zoptymalizować wydajność przy niskich częstotliwościach, sztywność armatury jest dostosowana do objętości komory i membrany. Aby zmaksymalizować moc wyjściową przy niskich częstotliwościach, producenci zwiększają masę twornika, aby mógł on poradzić sobie z większym strumieniem magnetycznym. Aby rozszerzyć zakres częstotliwości, masa jest zmniejszana, a sztywność zwiększana.

Na powyższym schemacie, niebieska linia reprezentuje standardowy odbiornik Sonion 26A01C BA. Jasnoniebieska linia to odbiornik szerokopasmowy z grubszą armaturą dla zwiększenia sztywności, ale również z węższą armaturą dla zmniejszenia masy. Pomarańczowa linia pokazuje głośnik z większą ilością basu uzyskaną poprzez zwiększenie masy armatury.

Membrana Sztywność i właściwości rezonansowe membrany mogą być regulowane w podobny sposób jak w przypadku armatury. Membrana BA jest zazwyczaj małą metalową płytką. Cienka membrana wypełnia przestrzeń pomiędzy membraną a otaczającą ją powierzchnią, działając jako zawieszenie i akustycznie oddzielając przód i tył komory głośnika.

Zazwyczaj, umieszczając membranę jak najwyżej w obudowie, można zwiększyć objętość komory tylnej. W ten sposób można zwiększyć poziom wyjściowy przetwornika. Większa powierzchnia membrany skutkuje większą objętością, ale zwiększona masa zmniejsza moc wyjściową w zakresie wysokich częstotliwości. Piki rezonansowe w przypadku odbiornika o zrównoważonej armaturze są nieuniknione, ale sztywność membrany i masa membrany mogą być regulowane w celu zmiany położenia, względnej amplitudy i współczynnika jakości tych pików.

Tłumienie armatury

Odbiorniki BA mogą być dość wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne. Uderzenie słuchawek z armaturą wewnątrzkanałową o twardą powierzchnię może spowodować deformację delikatnej armatury w jednym kierunku, powodując znaczny wzrost zniekształceń i utratę głośności.

Aby zapobiec takiej sytuacji, producenci często wbudowują w strukturę magnesu stałego małe zderzaki, które ograniczają ruch armatury. Niestety, może to również ograniczyć maksymalny poziom głośności wyjściowej.

W najnowszym rozwiązaniu firmy Knowles, płyn ferromagnetyczny jest wykorzystywany do ograniczenia ruchu armatury pomiędzy nią a magnesami stałymi. Na poniższej ilustracji widać dwie krople płynu magnetycznego pomiędzy armaturą a magnesami. Kropelki te są utrzymywane w miejscu przez samo pole magnetyczne. Charakterystyka tłumienia i oporu może być zmieniana poprzez regulację ilości wtryskiwanego płynu.

Powyższy wykres przedstawia zmiany AFC w zależności od ilości cieczy ferromagnetycznej pomiędzy magnesami a twornikiem. Metoda ta tłumi również szczyty rezonansowe bez wpływu na ogólną czułość przetwornika. Kolejną zaletą tej metody jest to, że ma ona tendencję do tłumienia wszystkich rezonansów - zarówno w samym przetworniku, jak i tych, które występują w przetworniku dźwięku. Problem z filtrem wyjściowym BA polega na tym, że z czasem może on zostać zatkany przez woskowinę uszną. Magnetyczny płyn pozwala na stosowanie konstrukcji bez podatnych na zanieczyszczenia filtrów.

Precyzyjne dostrojenie przetwornika z armaturą zrównoważoną

Zanim BA zostanie w pełni zmontowany, jest jeszcze ostatnia szansa na dopracowanie i wyprodukowanie kilku wariantów tego modelu. Wewnątrz przetwornika może być umieszczony filtr akustyczny (zwykle w celu zmniejszenia amplitudy pierwszego piku). Bardzo małe otwory mogą być perforowane w membranie zawieszenia membrany za pomocą lasera - w ten sposób redukując drugi szczyt i odpowiedź niskich częstotliwości. Metody te mogą być również stosowane w połączeniu.

Metody trymowania zewnętrznego

Jak widać, tuning sterowników BA ma swoje wyzwania. Stają się one jednak jeszcze większe, gdy weźmiemy pod uwagę faktyczne zastosowanie tych przetworników bezpośrednio w słuchawkach dousznych. Przewód biegnący od dyszy przetwornika do dźwiękowodu słuchawki ma wpływ na ostateczną charakterystykę częstotliwościową. Długość i średnica tuby wpływają na zmianę profilu dźwiękowego, podobnie jak różne filtry akustyczne i ich umiejscowienie w tubie. Alternatywnie można zastosować konstrukcję wieloprzetwornikową ze zwrotnicą, aby zasymulować pożądaną charakterystykę częstotliwościową. Przyjrzyjmy się tym metodom.

Długość rury

Powyższy wykres przedstawia odpowiedź przetwornika Sonion 26A005, w zależności od długości tuby. Przypomnijmy, że pierwszy pik to rezonanse wewnętrzne przetwornika, a drugi zależy od długości tuby. Jak widać, wraz ze wzrostem długości tuby, szczyt spada w dół w zakresie częstotliwości. Inżynierowie dążą do tego, aby drugi szczyt wypadał dokładnie pomiędzy pierwszym rezonansem przy 2kHz a rezonansami kanału słuchowego, które występują przy 10kHz i wyżej (w zależności od głębokości umieszczenia słuchawek). 10mm jest powszechnie stosowaną długością rurki.

Średnica rury

Zwiększenie średnicy tuby będzie miało tendencję do zawężania krzywej odpowiedzi w zakresie niskich i średnio-wysokich częstotliwości. Na wykresie widać, jak krzywa odpowiedzi w tym regionie staje się coraz ostrzejsza, gdy średnica rury wzrasta z 1,35 mm do 1,91 mm.

Filtry tłumiące wewnątrz rury

Podobnie jak w przypadku zmniejszenia średnicy rurki, filtry tłumiące ograniczają przepływ powietrza wewnątrz rurki, redukując odpowiedź w zakresie od 1kHz do 8kHz. Co ciekawe, ponieważ filtry działają jak elementy rezystancyjne, zwyczajowo kalibruje się je w omach.

Efekt działania filtrów zależy również od tego, jak głęboko w rurze są one umieszczone. Po umieszczeniu w pobliżu odbiornika BA, niewielka ilość powietrza w rurce jest wystarczająco sztywna, aby sterownik mógł skutecznie przepchnąć powietrze przez filtr. Gdy filtr znajduje się dalej od odbiornika, sprężystość powietrza utrudnia przejście sygnału przez filtr, co powoduje większe tłumienie sygnału wyjściowego.

Konfiguracja z wieloma sterownikami BA Użycie wielu przetworników ze zwrotnicą (filtrem zwrotnicy) pozwala inżynierom na dokonanie jeszcze większych zmian w krzywej odpowiedzi, niż jest to możliwe przy użyciu metod omówionych powyżej, lub w przypadku konstrukcji z jednym przetwornikiem. Niskoczęstotliwościowe przetworniki BA podnoszą poziom basu z mniejszymi zniekształceniami. Głośniki wysokotonowe BA są stosowane w celu rozszerzenia zakresu wysokich częstotliwości (szerokopasmowe odbiorniki BA mają problemy z częstotliwościami powyżej 10kHz).

Powyższe ilustracje pokazują, w uproszczeniu, jak Sony zestroiło swoje słuchawki armaturowe z serii XBA w zależności od liczby przetworników.

Wnioski

Odbiorniki z armaturą zrównoważoną nie są najbardziej "równe" akustycznie, mają swoje problemy z rezonansami. Jednak ze względu na niewielkie rozmiary i wysoką efektywność są atrakcyjnymi przetwornikami dla producentów słuchawek wewnątrzkanałowych i urządzeń odsłuchowych.

Na szczęście opracowano wiele metod tłumienia akustycznego i kontroli AFC (zarówno zewnętrznych, jak i wewnętrznych), dzięki którym producenci odbiorników i słuchawek IEM mogą osiągnąć pożądane parametry brzmieniowe. Dodatkowo, możliwe jest również symulowanie pożądanej charakterystyki częstotliwościowej przy użyciu konstrukcji wieloprzetwornikowej ze zwrotnicą.

Słuchawki z przetwornikiem BA wymagają ostrożnego obchodzenia się z nimi; wstrząsy i upadki na twarde powierzchnie mogą spowodować słabe działanie.

Chciałbym podziękować firmom Knowles i Sonion za ich doskonałe materiały, notatki i biuletyny techniczne, prawie wszystkie informacje zawarte w tym artykule można znaleźć bardziej szczegółowo na ich stronach internetowych. To naprawdę miłe, gdy producenci poświęcają czas, aby wyjaśnić, jak działają ich produkty.

Oryginalny artykuł na www.personalaudio.ru, dzięki uprzejmości InnerFidelity.