Как работает динамик: устройство, принцип и почему их несколько

Звук — это колебания воздуха. Когда кто-то говорит, голосовые связки заставляют воздух то сжиматься, то разрежаться, и волны давления доходят до уха. Динамик решает ту же задачу с помощью электричества: получает от усилителя переменный ток и превращает его в движение мембраны, которая раскачивает воздух так же, как голос. Устройство он имеет удивительно простое: магнит, катушка и лёгкий конус. Но подбор материалов, формы и размеров занимает у инженеров десятилетия. Ниже — из чего состоит динамик, что происходит внутри при звуке, почему в колонках стоит несколько динамиков, чем похожи динамик и микрофон и как объяснить принцип на уроке физики.

Из чего состоит динамик

Самая распространённая конструкция — электродинамическая. Она стоит в колонках, телевизорах, наушниках и телефонах.

Часть	Что делает
Постоянный магнит	Кольцо или диск из магнитного материала; создаёт постоянное магнитное поле в узком зазоре
Звуковая катушка	Тонкий провод, намотанный на лёгкий каркас; находится в зазоре магнита, по ней течёт ток от усилителя
Диффузор	Конус из бумаги, пластика или другого лёгкого материала; передаёт движение катушки воздуху
Центрирующая шайба (спайдер)	Гофрированная упругая лента; держит катушку в центре зазора и возвращает её на место
Гофр (подвес диффузора)	Мягкое кольцо по краю диффузора: даёт ему двигаться вперёд-назад, но не вбок
Корзина (диффузородержатель)	Металлическая или пластиковая рама, на которой всё закреплено
Пылезащитный колпачок	Закрывает зазор в центре и не пускает пыль в катушку
Выводы	Контакты, к которым подключают провода от усилителя

Подвижная часть — катушка, каркас и диффузор — должна быть как можно легче, чтобы успевать двигаться быстро. Поэтому диффузоры делают из бумаги, пропитанной смолами, из пластика вроде полипропилена, а у высокочастотных динамиков ещё и из ткани или тонкого металла. Материал должен быть одновременно лёгким и жёстким: если диффузор гнётся, он искажает звук.

С магнитом всё наоборот: он неподвижен, и чем сильнее поле в зазоре, тем больше сила на катушку. Дешёвые динамики используют ферритовые магниты, тяжёлые и крупные. В наушниках и тонких колонках часто ставят неодимовые: они сильнее и позволяют сделать динамик компактным.

Как работает динамик

1. Усилитель подаёт сигнал. Это переменный ток: он меняет силу и направление тысячи раз в секунду в такт с музыкой или речью.
2. Ток идёт по катушке. Она лежит в зазоре, где магнитное поле постоянно и направлено поперёк проводов.
3. Появляется сила. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера, которая тем больше, чем сильнее ток, магнитное поле и длина провода. Направление силы зависит от направления тока.
4. Катушка двигается. Ток в одну сторону — катушка выдвигается вперёд, ток в другую — втягивается назад. Раз переменный ток меняет направление, катушка колеблется.
5. Диффузор двигает воздух. Он жёстко связан с катушкой. Идёт вперёд — сжимает воздух перед собой, идёт назад — разрежает. Возникает звуковая волна.
6. Упругость возвращает всё в центр. Подвес и спайдер тянут катушку к среднему положению, поэтому без тока она стоит в покое.
7. Волна достигает уха. Звук распространяется по воздуху со скоростью около 340 метров в секунду.

Частота колебаний диффузора равна частоте электрического сигнала: если ток меняется 440 раз в секунду, диффузор колеблется 440 раз в секунду, и мы слышим ноту ля. На высоких частотах диффузор совершает тысячи колебаний в секунду, но каждое из них измеряется долями миллиметра, а на басах размах заметно больше, поэтому его видно глазом. Громкость определяется размахом: чем больше ток, тем дальше уходит катушка, тем сильнее давление в волне.

Почему в колонке несколько динамиков

Человек слышит примерно от 20 герц до 20 килогерц. Один динамик не успевает работать на всём диапазоне так же хорошо. Для низких частот нужно двигать много воздуха, для этого нужен большой диффузор, но большой тяжёлый конус плохо успевает дрожать тысячи раз в секунду. Для высоких частот нужен малый лёгкий диффузор или купол, зато он почти не двигает воздух на низких.

Поэтому в колонке делят работу.

Динамик	Частоты	Какой он
Низкочастотный (вуфер, сабвуфер)	Басы, примерно до нескольких сотен герц	Большой диффузор, мощный ход
Среднечастотный	Голос, большая часть музыки	Средний размер, точный
Высокочастотный (твитер)	Тарелки, шипящие, верхние ноты	Маленький купол, очень лёгкий

Чтобы каждый динамик получал свои частоты, внутри стоит разделительный фильтр (кроссовер). Он состоит из катушек и конденсаторов: пропускает низкие к вуферу, высокие к твитеру, а на средних делит нагрузку. В телефоне и небольших колонках динамик один, поэтому бас в них слабый: маленький диффузор не двигает много воздуха.

Чем отличается то, что путают

Динамик и колонка. Динамик — сам излучатель, колонка — динамики в корпусе с фильтром и часто с усилителем. Корпус нужен не только ради вида: он разделяет волны с передней и задней сторон, иначе они гасят друг друга. Для басов делают и отверстия-фазоинверторы, они усиливают низкие частоты.

Динамик и наушники. Внутри наушников стоят такие же микродинамики, только диффузор размером с монету. Как выбирать наушники, написано в статье про выбор наушников.

Динамик и микрофон. Принцип обратим: динамический микрофон устроен почти как динамик, только диффузор двигает звуковая волна, а в катушке возникает ток. Про это — в статье о работе микрофона.

Динамик и пьезоизлучатель. Пищалка в будильнике и микроволновке работает по-другому: пластинка из специального материала изгибается под действием напряжения, магнита и катушки нет.

Интересные факты

• Почему басовый динамик можно почувствовать пальцем. Диффузор на низкой частоте качается десятки раз в секунду и заметно двигается. Приложите руку к колонке, и увидите, как звук превращается в вибрацию.
• Почему в телефоне бас слабый, а голос слышен хорошо. Динамик размером с ноготь не способен качать много воздуха, поэтому низкие частоты у него почти пропадают. Голос лежит в средних частотах, которые маленькому диффузору по силам, и телефонная связь передаёт именно их.
• Почему при постоянном токе нет звука. Если подать на катушку постоянное напряжение, диффузор выдвинется и останется выдвинутым, пока идёт ток. Слышен только щелчок в момент подключения и отключения. Звук рождает именно изменение тока, а не сам ток.
• Почему магнит в колонке влияет на телевизор старого типа. Постоянный магнит создаёт сильное поле вокруг: рядом с ним цвета кинескопа искажаются. Поэтому колонки делали с экранированием.

Почему динамик ломается и на что смотреть

• Хрип и дребезг. Порван диффузор или гофр, катушка трётся о магнит, откручен корпус.
• Динамик молчит. Оборвался провод катушки, перегорела обмотка или отошёл вывод.
• Искажения на большой громкости. Усилитель или динамик работает за пределом возможностей.
• Запах гари. Катушка перегрелась от слишком большой мощности.
• Провал баса. Подвес обмяк, диффузор осел; так изнашиваются старые колонки.

Главная защита динамика — не перегружать его: не выкручивать громкость до предела и подбирать усилитель под мощность колонок.

Как ответить на уроке

1. Динамик — устройство, которое превращает электрические колебания в звуковые.
2. Внутри: постоянный магнит, катушка с током, диффузор и упругий подвес.
3. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.
4. Ток переменный, поэтому сила меняет направление, катушка и диффузор колеблются.
5. Диффузор двигает воздух, создаёт волны сжатия и разрежения: это и есть звук.
6. Частота звука равна частоте тока, громкость связана с силой тока.

Проверьте себя: почему в колонках несколько динамиков (у большого диффузора плохие высокие, у маленького — низкие) и почему динамик может служить микрофоном (принцип обратим).