Для чего нужна мембрана в наушниках
Как выбрать наушники для телефона? Секрет чистого звука
Как выбрать наушники для телефона?
Большинство современных смартфонов (и простых мобильных телефонов) поставляются в комплекте с проводной гарнитурой (наушниками), однако не каждая пара стандартных наушников может похвастаться четким звучанием, удобством и уж тем более дизайном. Прослушивание музыки, аудиокниг, радио и просмотр любимых фильмов на смартфоне будет гораздо более приятным, если правильно подобрать наушники.
Для начала вам стоит определиться с видом наушников: вкладыши, вставные (их еще называют “затычки”, или “пробки”), накладные (среди них много складных моделей; иногда их называют дуговые), и мониторные. Кроме этого, наушники могут быть проводные или беспроводные. Для телефона больше всего подойдут вкладыши, вставные и накладные небольшого размера. У каждого из этих видов есть свои достоинства: накладные дают более объемное и качественное звучание за счет большей мембраны, но они не столь компактны, как вставные или накладные; вставные — удобные, доступные по цене, но если такие наушники подобрать не по форме своей ушной раковины, то они могут выпадать из уха, что неудобно; пробковые “затычки” наоборот сидят в ухе очень плотно, но не всем комфортно носить такие наушники, кроме этого долго ими пользоваться не рекомендуют врачи, это может повлиять на ваш слуховой аппарат, еще один важный факт — на улице вы можете ничего не слышать, кроме своей музыки, что может быть опасно, если вы, например, едите на велосипеде.
Чтобы понять какой вид наушников вам подходит больше, подумайте, где вы больше всего будете их использовать вместе с телефоном. Если они должны быть незаметны, и занимать мало места, то лучше выбрать вкладыши или вставные. Для долгих поездок и путешествий больше подойдут накладные, так как от них меньше устают голова и уши.
Некоторые модели наушников изначально разработаны именно для мобильных телефонов. При покупке наушников в интернет-магазине внимательно читайте описание, и тогда вы точно сделаете правильный выбор.
# чтиво | Как работают наушники?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
В целом, изодинамические наушники отличаются более высоким уровнем детальности, но обычно требуют хорошего усилителя для раскрытия их возможностей.
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).
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.
О толщине пленки изодинамических мембран
В обсуждениях разных конструкций изодинамических и электростатических наушников часто можно увидеть утверждение, что «чем пленка тоньше, тем звучание лучше».
Меня иногда спрашивают: «Правда ли это?»
Если совсем кратко ответить, то — нет, это неправда.
Теперь объясню почему.
1. Начну с объяснения некоего теоретического предела для неких идеальных условий, за которым уменьшение толщины (и массы) пленки теряет смысл. Этот передел связан с соотношением массы пленки и массы наиболее активно перемещаемого при колебаниях воздуха. Если эти массы равны или сопоставимы — это и есть тот самый теоретический предел. Допустим, что пленка состоит из одного лишь лавсана и приводится в действие неким идеальным способом (неважно каким, это просто для демонстрации расчета).
Плотность воздуха — около 1,2 кг/м.куб., плотность лавсана 1380 кг/м.куб. Допустим, также, что лавсан идеально ровный, прочный, а в конструкции излучателя нет никаких препятствий в непосредственной близости от мембраны, которые создают при колебаниях избыток давления. Упрощенно будем считать, что мембрана свободно движется в идеальном поршневом режиме равномерно всей поверхностью, и максимальная амплитуда на пиках составляет 1 мм.
Расчет показывает, что в этих условиях масса перемещаемого воздуха и масса мембраны сравняются при ее толщине около 0,87мкм.
Ну то есть в принципе теоретический предел около 1 микрона. Ниже этой границы утверждение по типу «чем тоньше — тем лучше» уже не работает в принципе.
Назовем это «пределом соотношения массы мембраны и плотности акустической среды».
2. Теперь поближе к реальным условиям в конкретных инженерных решениях. В конструкции любого излучателя и любых наушников присутствуют:
Представьте поршень в цилиндре с маленьким выходным отверстием. Чем сильнее разница площади поршня и отверстия, тем сильнее сопротивление ему нужно преодолевать. Примерно такие же процессы происходят и с работой мембраны. Работают соотношения площади мембраны и фактической площади излучения, соотношения условного объема перемещения поршня (мембраны) и объемов цилиндров (акустических камер).
Разумеется, для каждой из конструкций излучателей и наушников по этой причине тоже есть теоретический предел, который отличается описанного в пункте 1 как минимум на порядок и выше. Расчеты тут разумеется очень сложны, учитывают множество параметров системы, ну и для каждой отдельной конструкции набор параметров разный.
Данный предел в зависимости от конкретной конструкции можно оценить уже в 8-15 мкм «условного идеального лавсана». Назовем этот предел «пределом конструкции излучателя».
Очевидно, что в более закрытых конструкциях это предел выше.
3. Теперь еще поближе к реальным условиям изготовления конкретных конструкции и используемых в них материалах.
Технология изготовления пленок такова, что даже самые продвинутые производители имеют весьма неидеальные технологические допуски. Например, уважаемая фирма Dupont при изготовлении пленок 10мкм работает с допуском плюс-минус 10% в пределах 1 кв.м. пленки.
Чем пленка тоньше, тем этот технологический разброс в процентах будет выше.
Учитывая, что пленка в изодинамике — это «бутерброд» как минимум из 3 слоев (пленка, клеевой слой, фольга), то допуски складываются.
По моему опыту и убеждению, если основной параметр материала и допуск не укладываются хотя в один порядок (10%) то это ведет к неприемлемой (по крайней мере для меня) нестабильности результата на выходе, повторяемости качества, согласовании параметров излучателей левого и правого каналов и т. д.
Тут около 10мкм, в общем, которые обеспечивают хоть какую-то технологическую повторяемость… Работая с пленкой 6-8 мкм, например, мне приходится выбрасывать в брак до 40% заготовок. Работая с 10 мкм можно довести до приемлемых технологичных 10% брака, хотя это тоже много…
И это «предел технологий».
Кроме этого:
Если подводить итоги, то утверждение «чем тоньше, тем лучше» здесь точно не работает.
Есть некий оптимум, который складывается из множества факторов, и который на современном технологическом уровне можно оценить в районе 8-10 мкм. Если здорово поднапрячься, то можно и 6-8мкм. В изложении данных фактов я специально не касался описания физических процессов, происходящих в излучателях разных конструкций, при этом будет ну совсем «слишком много букафф». Однако во всех случаях происходит нарастание негативных последствий с уменьшением толщины пленки в виде именно основных параметров качества звучания.
Ну а использование более тонких пленок на современном технологическом уровне превращает как процесс производства, так и приобретения-использования наушников в увлекательную лотерею, где можно делать ставки на то:
Авторская статья (c) Snorry (Сергей Глазырин)
Перепечатка и использование материалов данной статьи запрещено
Вся правда про наушники
Разберёмся в подробностях.
Это чудо или попытка обмануть собственный организм?
Давайте разберемся с тем, как мы слышим и почему в мире аудио забота о собственных ушах, как правило, влетает в копеечку.
Как мы слышим
Прорвавшись сквозь толпу ожидающих поезд граждан, вы уютно уселись в мягкое кресло вагона метро. Привычный и такой родной жест: достаем наушники, подключаем их к смартфону или плееру, выбираем любимый плейлист и уверенно жмем на Play.
Как работает ухо. С первым аккордами композиции, звук устремляется в слуховой проход. То, что наши уши имеют рупорообразную форму, еще раз подтверждает совершенство природы. На конце такой «трубки рупора» располагается барабанная перепонка. Под действием звуковой волны возникает ее колебание, которое, в свою очередь, приводит к движению трех слуховых косточек. Их название нам хорошо известно из курса анатомии и вызывает самые приятные эмоции: молоточек, наковальня и стремя.
Вибрация слуховых косточек воздействует на жидкость, расположенную во внутреннем ухе или улитке, а та, в свою очередь, вызывает колебание волосковых клеток – ресничек. На этом заканчивается механика и начинается электричество. Реснички преобразуют колебания в нервные импульсы, которые мгновенно передаются в кору головного мозга. Все реснички имеют зональную структуру и воспринимают лишь определенный диапазон частот (о чем мы поговорим в конце данной статьи).
Как работают наушники. С анатомией человеческого органа слуха вроде бы все понятно. Описанная выше схема восприятия звука, характерна для всех людей, любых национальностей, возраста, религиозных взглядов и социального уровня. Она – едина. Теперь разберемся с наушниками.
Примечание. Здесь и далее, всецело не погружаясь в аудиофилию, мы будем говорить исключительно о динамических наушниках.
Какие типы наушников бывают
Здесь все намного сложнее. И главная сложность заключается в механизме их исполнения и форм-факторе, но определенная закономерность формирования звука все же прослеживается. Цифровая комбинация нулей и единиц (полагаю, разумно будет упустить прослушивание музыки с кассетного плеера) с помощью процессора и микрочипа преобразуется в аналоговый звуковой сигнал, представляющий собой электрический импульс, который тут же поступает по проводам к главному элементу наушников – излучателю.
Используемый в конструкции излучателя магнит вызывает постоянное магнитное поле, а поступивший на миниатюрную катушку (многократно скрученный медный провод в виде кольца) ток создает переменное поле. Воздействие этих полей друг на друга приводит к движению мембраны – тонкой пленки на которой и закреплена катушка. В свою очередь, мембрана создает звук, который затем и проецируется в ушной канал слушателя.
Чем вызвана дороговизна наушников
Столкнувшись с выбором наушников вы неоднократно задавали себе вопрос: «Чем мотивирована столь высокая цена на этот раскрученный бренд». И действительно, если принцип звукообразования практически во всех моделях один и тот же (смотрите примечание выше), есть ли смысл переплачивать несколько тысяч рублей?
Итак, отбрасываем в сторону бессонные ночи промышленных дизайнеров, работавших над «изящной конструкцией и экстерьером» наушников. Не будем обращать внимание и на все производственные издержки, которые несет завод-изготовитель с выпуском каждой единицы наушников. Остановимся на параметре, который действительно влияет на качество звучания – материалы.
Провод. Индуктивность, сопротивление, емкость – все это те технические характеристики, на которые неискушенный слушатель вряд ли обращает внимание. И, в большинстве случаев, допускает ошибку.
Изменение АЧХ при увеличении сопротивления
Средняя длина кабеля для наушников варьируется в пределах от 1,5 до 4,5 метров. И даже столь незначительный отрезок способен кардинально изменить звук. Добросовестный производитель уделяет внимание сразу нескольким свойствам кабеля: степень очистки метала (позволяет значительно снизить сопротивление), качество экранирования (позволяет избежать искажений, вызванных волнами «из вне»), размеру сечения (большее сечение – меньшее сопротивление, но и меньшая эластичность).
Использование благородных металлов при производстве акустических кабелей вполне оправдано – задача шнура не повлиять на частотные характеристики звука, который передает усилитель.
Потребителю: Реально ощутить «что такое хорошо», а что такое «плохо» можно при прослушивании 200–300 метрового шнура. В противном случае, изменения будут незначительными.
Магнит. В основе принципа работы динамического излучателя лежит магнитное поле и от того, какой магнит будет использоваться зависит упругость и мощность звучания.
В моделях подешевле производитель отдает предпочтение недорогим ферритовым магнитам. В качественных наушниках устанавливается неодимовый.
Мембрана. Десятки лет исследований, экспериментов, поисков идеального материала и все ради одного элемента – мембраны наушников. От тонкой акустической пленки зависит все: и частотные характеристики, и детализация, и гармоники, и обертона наушников.
В дешевых наушниках используются недорогие синтетические полимерные пленки. Синтетический материал и, соответственно, на выходе мы получаем синтетический звук.
При производстве более дорогих моделей фирмы отдают предпочтение майлару или целлюлозе. Абсолютный эталон качества – титановая мембрана. Узнать такие наушники вы сможете по впечатляющему ценнику.
Амбушюры. Еще один элемент наушников, которому ленивый производитель уделяет минимум внимания. Но ведь именно от амбушюр зависит уровень шумоизоляции и комфорт при ношении.
У дорогих моделей упор сделан на натуральные материалы и амбушюры из кожи – это один из лучших вариантов по всем параметрам. В хороших наушниках вставного типа качественный продукт вы сможете узнать по насадкам из пенного полиуретана. Силикон и синтетические ткани – откровенное зло как для ваших ушей, так и для звука.
Чаши. Владельцы дорогостоящих моделей наушников делятся на две категории: те, кому важна эстетическая индивидуальность, и те, кому важен хороший звук. Первые любят глазами, вторые – ушами.
Вы не задумывались, почему в эпоху, когда химическая промышленность в лабораторных условиях способна создавать вкус клубники, абрикоса или вишни; производить ткань, к которой не прилипает грязь и генерировать синтетические материалы, которые сложно отличить от натуральных в сфере акустики по-прежнему отдает предпочтение натуральному дереву?
Деревянная чаша наушников служит звуковой камерой для их динамика. И если именитый музыкант готов отдать баснословные деньги за гитару, изготовленную из палисандра, красной ели или кедра определенной породы, почему в мире наушников, где качество звука – определяющая характеристика, должно быть иначе?
Частотные характеристики: где правда, а где ложь
Этот параметр хотелось бы выделить отдельно и, вполне заслуженно. Об амплитудно-частотных характеристиках ходят легенды. Одни выбирают наушники руководствуясь широким диапазоном, другие обращают внимание на область низких и «сочных» звуковых частот. Еще одна категория – покупатели, которые попросту игнорируют показатель АЧХ и выбирают наушники по принципу: «нравятся» или «не нравятся». Кто прав?
Итак, возвращаясь на урок анатомии, посвященный «Органам слуха» и, не позволяя себе прогулять урок-другой по физике, во время изучения раздела «Акустика», вспомним, что человек слышит наушники в диапазоне от 20 до 20 000 Гц. Основная задача наушников – воспроизвести музыкальное произведение уравновешенным звучанием по всему частотному диапазону в этих пределах.
Другими словами, амплитудно-частотная характеристика хороших наушников – это не просто предельный диапазон частот, которые они способны воспроизводить, а эффективный диапазон с минимальным искажением амплитуды.
Линейность – это то, чего боятся производители недорогих и, зачастую некачественных наушников. Человек, который хоть немного разбирается в принципах чтения графиков с изображением АЧХ очень быстро отличит «хорошие» от «плохих». И при детальном рассмотрении графика легко понять, что предпочтительнее будет не охват частот, а равномерность и линейность этого частотного диапазона. Чем ровнее кривая (как бы абсурдно это не звучало), тем естественнее будет звучание.
Приведенные в статье примеры наушников попали на страницу этой статьи неслучайно. Их стоимость подкреплена не только используемыми материалами, качеством сборки, уникальным дизайном, но и соответствию написанного на коробке суровой реальности. А ведь она, порой, способна искажаться не хуже графика АЧХ…