Почему в колонках до сих пор используют бумажные диффузоры, хотя появились пластик и металл

У старых домашних колонок часто можно увидеть серые бумажные диффузоры. У современных встречаются гладкие пластиковые и блестящие металлические. По внешнему виду можно подумать, что бумага постепенно уступила место более современным материалам. Примерно так же, как это произошло со многими деталями бытовой техники.

Но стоит открыть описание DALI EPIKORE 11, и возникает вопрос. В дорогой современной акустике по-прежнему используются диффузоры из бумаги с древесными волокнами. Причём речь не о попытке сэкономить. У такого материала есть свойства, ради которых производители продолжают его использовать.

Каким должен быть диффузор

Для начала уточню, что бумажным называют не весь динамик, а его диффузор. Это подвижная деталь, которая передаёт колебания окружающему воздуху. В обычном электродинамическом громкоговорителе её приводит в движение звуковая катушка, находящаяся в магнитном поле.

На первый взгляд задача простая: диффузор должен двигаться вперёд и назад. Но здесь есть несколько требований, которые не так легко совместить. Небольшая масса облегчает разгон при заданной силе. Достаточная жёсткость позволяет диффузору сохранять форму во время движения. А внутреннее демпфирование помогает уменьшать выраженность собственных резонансов.

Дело в том, что на определённых частотах разные участки диффузора могут двигаться уже не совсем согласованно. Поверхность начинает изгибаться, и это отражается на частотной характеристике динамика. Поэтому одного названия материала недостаточно, чтобы понять, как будет работать динамик. Имеют значение толщина, форма диффузора, способ изготовления и даже то, какие частоты ему предстоит воспроизводить.

Почему для динамиков выбрали бумагу

Бумага подошла для изготовления диффузоров сразу по нескольким причинам. Из неё можно получить лёгкий конус нужной формы, а внутреннее трение в материале помогает уменьшать выраженность резонансов. Невысокая стоимость также сыграла свою роль. Правда, представлять такой диффузор как обычный лист бумаги, которому придали форму конуса, было бы неправильно.

Производители подбирают состав волокнистой массы под конкретные требования. Например, в каталоге Loudspeaker Components представлены материалы с добавлением хлопковых, стеклянных и синтетических волокон. Изменяя состав смеси и толщину готовой детали, можно влиять на её массу, жёсткость и внутреннее демпфирование. И обработка тоже имеет значение. При изготовлении бумажные диффузоры могут прессовать, добиваясь нужной формы, плотности и толщины. Существуют и непрессованные варианты. Пропитки меняют механические свойства материала, а покрытия могут придавать поверхности гладкость и блеск. Кстати, по фотографии не всегда получится определить, из чего сделан диффузор. Бумажный с покрытием иногда выглядит почти как пластиковый.

Есть у бумаги и ограничение. Без специальной защиты она чувствительна к влаге. При намокании материал может увеличивать массу и терять жёсткость, что влияет на работу динамика. Поэтому производители используют защитные составы и специальные добавки. Например, в патенте Bose описана бумажная композиция с древесной массой, акриловыми и стеклянными волокнами, а также водоотталкивающими компонентами. Такой материал рассчитан на лучшее сохранение механических свойств при воздействии воды. Но здесь важно не путать влагостойкость диффузора с влагозащитой всей колонки. Остальные её элементы тоже должны быть рассчитаны на соответствующие условия.

Зачем понадобился пластик

У полипропилена есть свойство, которого обычной бумаге не хватает: он практически не впитывает воду. Поэтому его удобно использовать там, где динамик может сталкиваться с повышенной влажностью. Например, MISCO применяет полипропиленовые диффузоры в динамиках, предназначенных для эксплуатации на открытом воздухе. При этом для защиты готового изделия учитываются и другие детали конструкции. Ещё одна особенность полипропилена заключается в его внутреннем демпфировании. Оно помогает уменьшать выраженность резонансов диффузора. Сам материал можно формовать из нагретого листа или использовать технологии литья под давлением. Любопытно, что пластиковые диффузоры появились вовсе не вместе с современной портативной акустикой. Британскую патентную заявку на полипропиленовые диафрагмы подали ещё 19 марта 1976 года. Само патентное описание опубликовали 26 марта 1980 года.

Получается, инженеры работают с этим материалом уже несколько десятилетий. Однако полипропилен нельзя назвать универсальной заменой бумаги. Его жёсткость как материала значительно ниже, чем у алюминия. Поэтому при разработке диффузора приходится внимательно подбирать толщину и геометрию, чтобы получить нужные характеристики. Кроме того, полипропилен можно смешивать с наполнителями. Например, SEAS использует минеральные добавки, позволяющие увеличить жёсткость материала. Так что даже два внешне похожих пластиковых диффузора могут заметно различаться по своим свойствам.

Что даёт металлический диффузор

Алюминий обладает высокой жёсткостью по сравнению со многими полимерами. Из него можно изготовить тонкий диффузор, который в определённом диапазоне частот будет двигаться почти как единое целое. Казалось бы, именно такой материал и нужен динамику. Но есть нюанс. Внутреннее демпфирование алюминия сравнительно невелико. Когда диффузор начинает испытывать собственные изгибные колебания, на частотной характеристике могут появляться выраженные пики.

При разработке акустической системы это приходится учитывать. Если такие резонансы находятся выше рабочего диапазона динамика, разделительный фильтр может уменьшить их влияние на звучание. В некоторых конструкциях для дополнительного подавления отдельных пиков используют специальные корректирующие цепи. Поэтому металлический диффузор сам по себе ещё ничего не говорит о качестве воспроизведения. Важно, как его свойства сочетаются с конструкцией динамика и настройкой акустической системы.

Почему форма иногда важнее материала

Мне кажется, здесь стоит привести один пример, который хорошо показывает, насколько многое зависит от геометрии. В исследовании Питера Ларсена 2003 года рассматривалось влияние формы алюминиевой мембраны на её работу. Автор использовал компьютерное моделирование 6,5-дюймового динамика и сравнивал несколько вариантов геометрии. У плоской мембраны заметные неровности частотной характеристики появлялись уже примерно со 100 Гц.

Затем исследователь рассмотрел неглубокий конус с углом 10° относительно плоскости. В этом случае характеристика оставалась относительно ровной приблизительно до 1 кГц. Разумеется, эти цифры относятся к конкретной модели. Переносить их на все алюминиевые диффузоры нельзя. Но сам результат любопытный. Материал остался прежним, а изменение формы заметно повлияло на поведение мембраны. Причём для этого не потребовалось менять её на бумажную или пластиковую. Вот почему сравнение диффузоров только по материалу мало что объясняет. Даже при использовании одного и того же алюминия можно получить совершенно разные результаты.

Итого

Бумага никуда не исчезла из современных акустических систем. Она позволяет изготавливать лёгкие диффузоры с хорошим внутренним демпфированием, а состав волокон, пропитки и способ обработки дают возможность менять свойства материала. Пластик добавил другие возможности, в том числе устойчивость к влаге. Металл позволил создавать жёсткие и сравнительно тонкие мембраны, хотя потребовал особого внимания к собственным резонансам. При выборе колонок я бы не стала ориентироваться только на материал диффузора. Бумажный не обязательно уступает металлическому, а металлический сам по себе не гарантирует более ровного звучания. Гораздо полезнее посмотреть измерения готовой акустики и послушать знакомые записи. Ведь мы выбираем не отдельный диффузор, а колонку, в которой все элементы должны работать вместе.