Dynamiczne, ortodynamiczne, elektrostatyczne, armaturowe - rodzaje przetworników w słuchawkach

W słuchawkach stosowane są różne rodzaje przetworników zamieniających energię elektryczną sygnału audio na dźwięk. Omówimy skrótowo cztery najważniejsze rozwiązania.

Dynamiczne

Najpopularniejsze są słuchawki wykorzystujące przetwornik dynamiczny, który czasami jest obrazowo określany mianem miniaturowego głośnika. Faktycznie tak wygląda jego konstrukcja. Do membrany zawieszonej na swoim obwodzie przytwierdzona jest cewka, która znajduje się w polu magnetycznym, w szczelinie układu magnetycznego. Do cewki podłączane jest napięcie sygnału wejściowego. Kiedy przez cewkę popłynie prąd to będzie się ona poruszać, a wraz z nią membrana.

W języku angielskim stosuje się odpowiednik terminu polskiego czyli dynamic driver lub dynamic transducer. Oprócz tego funkcjonuje też bardziej opisowe określenie moving coil driver.

Współcześnie w słuchawkach dynamicznych najczęściej stosowane są magnesy neodymowe, które zapewniają silne pole magnetyczne i mają przy tym małą masę. Membrany są cienkie i lekkie, wykonuje się je z tworzyw sztucznych, papieru, kompozytów, a także z metali jak choćby stopy aluminium czy nawet beryl.

Przetworniki dynamiczne stosuje się we wszystkich rodzajach słuchawek, począwszy od miniaturowych modeli dokanałowych aż do dużych wokółusznych. Na rynku są dostępne słuchawki dynamiczne w bardzo zróżnicowanych cenach, od bardzo tanich do bardzo drogich.

Magnetyczne planarne (ortodynamiczne)

W przypadku tych przetworników przyjęło się kilka różnych określeń stosowanych dla tego samego rozwiązania. Tak więc kiedy mowa jest o słuchawkach planarnych, ortodynamicznych czy izodynamicznych ciągle jest to ten sam typ. Angielskie terminy to planar magnetic, orthodynamic, isodynamic.

Zasada pracy przetworników ortodynamicznych jest w ogólności taka sama jak dynamicznych, ale rozmieszczenie, kształt i sposób montażu poszczególnych elementów są całkowicie inne. Znowu mamy tu przewodnik poruszający się w polu magnesu w takt podłączonego sygnału. W ortodynamikach prąd nie płynie przez cewkę, lecz przez płaski przewodnik poprowadzony płasko na powierzchni membrany i z tą membraną trwale połączony. Membrana jest umieszczona pomiędzy ażurowymi magnesami.

Przewodniki są wtopione lub przyklejone do membrany. Pozwala to by oddziaływanie pola magnetycznego z przepływającym prądem napędzało membranę na niemal całej jej powierzchni. Membrany są wykonywane z tworzyw sztucznych, mogą być płaskie lub w specjalny sposób sfałdowane w postaci przypominającej harmonijkę. Płaskie membrany są lekko naciągnięte by wracały samorzutnie do położenia równowagi. W przeciwieństwie do przetworników dynamicznych membrany nie muszą być sztywne i dzięki temu można obniżyć ich grubość i masę.

Ażurowe magnesy po obu stronach membrany wykonuje się na różne sposoby. Można zastosować zestaw magnesów sztabkowych albo magnesy w postaci perforowanych dysków. W porównaniu do innych typów słuchawek magnesy w ortodynamikach są większe, cięższe i bardziej skomplikowane, a poza tym ich obecność rzutuje na akustyczne charakterystyki membrany. Trzeba też zadbać by pole magnetyczne było jednorodne, tak więc jest tu sporo problemów dla projektantów. A oprócz tego niemała siła oddziaływania magnesów wymaga zastosowania solidnej obudowy.

Rozpiętość cenowa słuchawek ortodynamicznych jest spora, ale nie spotyka się tego rozwiązania w tanich modelach. Ta konstrukcja nie nadaje się do miniaturyzacji, także jest wykorzystywana tylko w większych słuchawkach.

Elektrostatyczne

Ze względu na obecność płaskiej, lekkiej membrany na pierwszy rzut oka przetworniki elektrostatyczne przypominają ortodynamiczne, ale ich zasada działania jest inna. Membrana jest naładowana i umieszczona pomiędzy elektrodami. Do elektrod podłączony jest sygnał audio modulujący pole elektrostatyczne, co prowadzi do ruchu naładowanej membrany.

Aby na membranie zgromadził się ładunek elektryczny jest ona powlekana i podłączona do wysokiego napięcia. Membrana może być cienka i lekka, zazwyczaj wykonana jest z tworzywa PET. O ile wykonanie akustycznie nieszkodliwych magnesów w ortodynamikach jest kłopotliwe, to elektrody w elektrostatach nie nastręczają w tej materii poważniejszych problemów. Dużo łatwiej jest wykonać elektrody o ażurowej konstrukcji, która nie przeszkadza w emisji dźwięku.

Niestety do pracy przetwornika elektrostatycznego wymagane są wysokie napięcia. Jak już wspomnieliśmy potrzebne jest specjalnie wygenerowane wysokie napięcie do polaryzacji membrany. Po drugie trzeba też zwiększyć napięcie sygnału wejściowego zanim zostanie on podany do elektrod. To wymusza stosowanie specjalnie przystosowanych wzmacniaczy słuchawkowych. Ze względu na wysokie napięcia w słuchawkach elektrostatycznych trzeba też stosować odpowiednie rozwiązania dla zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika - generalnie stosowane są wysokie rezystancje ograniczające wielkość możliwych prądów.

Membrany stosowane w elektrostatach mogą być najcieńsze i najlżejsze. Można uzyskać pasmo przenoszenia sięgające bardzo wysokich częstotliwości, gładszą charakterystykę, a także niski poziom zniekształceń nieliniowych.

Elektrostaty są generalnie najdroższe i najmniej popularne w gronie czterech wiodących typów słuchawek. Na tle całego rynku nawet najtańsze modele to de facto produkty drogie. Ten typ nie nadaje się do miniaturyzacji i wykorzystywany jest tylko większych słuchawkach.

Ze zrównoważoną kotwicą (armaturowe)

Przetworniki armaturowe z zewnątrz mają zwykle postać małego pudełka z ujściem, przez które wydostaje się dźwięk. W środku znajdują się odpowiednio ukształtowane komory, a także magnesy stałe i ruchoma kotwica z nawiniętą cewką. Kotwica znajduje się w polu magnetycznym magnesu. Kiedy przez uzwojenie cewki nie płynie żaden prąd kotwica znajduje się w stabilnej, czyli inaczej mówiąc zrównoważonej pozycji - właśnie stąd pochodzi angielska nazwa balanced armature. Kiedy przez cewkę przepuścimy sygnał audio kotwica zacznie drgać zgodnie z sygnałem. Kotwica jest trwale, na sztywno połączona przy pomocy elementu w formie pręta z bardzo sztywną membraną, która generuje dźwięk. Dźwięk ten wydobywa się na zewnątrz przez uformowane ujście komory z membraną.

Z nazewnictwem jest trochę zamieszania. Najbardziej poprawną nazwą jest przetwornik ze zrównoważoną kotwicą, ale jak widać jest to termin długi i niewygodny w użytku, a przez to niechętnie stosowany. Określenia przetwornik kotwiczkowy, lub kotwicowy mogą być mylące, bo są też konstrukcje z kotwicą niezrównoważoną. Mylące może być spotykane nieraz określenie przetwornik zbalansowany, bo niektóre słuchawki korzystają z połączeń symetrycznych - obiegowo nazywanych zbalansowanymi - do połączenia ze wzmacniaczem. Przejęty z angielskiego termin przetwornik armaturowy to w zasadzie odpowiednik polskiego przetwornika kotwicowego. No ale właśnie to określenie się szeroko przyjęło i w codziennej praktyce nie ma nieporozumień co do jego znaczenia - ten wariant stosujemy najchętniej. W literaturze angielskiej często stosowany jest skrót BA (balanced armature).

Przetworniki armaturowe to stare rozwiązanie, stosowane głównie w sprzęcie wojskowym i w aparatach słuchowych. Są one cenione zwłaszcza ze względu na wysoką sprawność i możliwość miniaturyzacji, a w kontekście hi-fi jako zalety podaje się szybkość reakcji i detaliczność dźwięku. Jako wady wymienia się ograniczone pasmo i problemy z powstającymi w konstrukcji rezonansami.

Przetworniki armaturowe dość często są stosowane w wersji wielodrożnej, współpracujące przetworniki są optymalizowane do obsługi różnych części pasma. Spotyka się też konstrukcje wielodrożne gdzie przetworniki armaturowe pracują z dynamicznymi - w takich przypadkach dynamiczne są stosowane dla niższych częstotliwości.

Armaturowa konstrukcja jest stosowana w słuchawkach dokanałowych. Dobrej jakości przetwornik armaturowy to precyzyjna mechanika i jego koszt nie jest niski, także ceny słuchawek też są generalnie dość wysokie, co w szczególności dotyczy konstrukcji wielodrożnych.

Charakterystyczną cechą przetworników armaturowych są też mocno pofałdowane charakterystyki impedancji o dużej rozpiętości między minimum a maksimum. Tak więc szczególnie istotne jest w tym przypadku stosowanie dobrej jakości wzmacniaczy słuchawkowych z niską impedancją wyjściową.

Inne rodzaje przetworników

Wymienione cztery rodzaje przetworników są najpopularniejsze, ale istnieją też inne rozwiązania. Przykładowo można w słuchawkach wykorzystać efekt piezoelektryczny, pokrewną do elektrostatów konstrukcję elektretową, przetwornik typu AMT (air motion transformer), a także przetworniki wstęgowe, ale są to jednak rzadko spotykane przypadki.