Пульт дистанционного управления ФИЗИКА
Через сколько комнат можно управлять телевизором от пульта? А можно ли через зеркало? А можно ли из полиэтиленового пакета? И т. п.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
Магия звука с точки зрения физики: всё, что полезно знать об электростатических громкоговорителях
По сравнению с широко распространёнными динамическими и ленточными излучателями, электростатические громкоговорители — весьма экзотическая вещь и достаточно большая редкость. Что ж, тем интереснее будет узнать об особенностях, преимуществах и недостатках «электростатов»: рассказываем обо всём по порядку в нашем материале.
Обсуждение электростатических преобразователей редко обходится без упоминания акустической системы Quad ESL-57, представленной в 1957 году Питером Уокером. В своё время ESL-57 произвела революцию детальности звучания и даже спустя более 60 лет не предана забвению: у некоторых разработчиков акустических систем всё ещё есть под рукой пара ESL-57 в качестве эталона. Эти колонки не могут похвастаться завидной басовитостью и не играют очень громко, однако с поправкой на некоторые свои ограничения звучат просто превосходно. Как в ленточном излучателе, так и в электростатическом драйвере для формирования звуковых колебаний применяется тонкая мембрана. Однако на этом сходства двух технологий заканчиваются. В то время как динамические и ленточные громкоговорители являются электромагнитными преобразователями — то есть, работают за счет электрически индуцируемого магнитного взаимодействия — электростатический громкоговоритель работает по совершенно иному принципу, который основан, соответственно, на электростатическом взаимодействии.
Тонкая подвижная мембрана электростатического излучателя зачастую изготавливается из прозрачной майларовой плёнки и размещается между двумя электродами, которые называют статорами. На упомянутую мембрану подаётся очень высокое напряжение относительно статоров. Звуковой сигнал подаётся на статоры, которые формируют вокруг себя соответствующие пульсирующие электростатические поля. Эти пульсирующие электростатические поля взаимодействуют с постоянным электростатическим полем мембраны: один статор притягивает мембрану, а другой отталкивает её, что и позволяет воспроизводить звук. Стоит отметить, что в электростатических громкоговорителях присутствуют очень высокие напряжения. Так, поляризующее напряжение, подведённое к диафрагме, может достигать 10 000 В. Кроме того, при помощи повышающего трансформатора, расположенного в электростатическом громкоговорителе, напряжение звукового сигнала повышается с десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Всё это требуется для формирования электростатических полей достаточной напряжённости вокруг диафрагмы и статоров.
Для того, чтобы предотвратить искрение (появление электрических разрядов), статоры зачастую покрывают специальным изоляционным материалом. Однако если на электростатический громкоговоритель подаётся избыточное напряжение, электростатическое поле отнимает свободные электроны у кислорода, находящегося в воздухе, тем самым ионизируя его. Таким образом, это создаёт проводящий путь для электрического разряда. Вдобавок, значительные отклонения диафрагмы (при большом уровне громкости) перемещают её ближе к статорам, что также способствует искрению и может привести к повреждению электростатической панели. Искрение — более насущная проблема во влажном климате, чем в сухом, поскольку влага повышает электропроводность воздуха между статорами. Для того, чтобы снизить вредное влияние резонанса диафрагмы, электростатические панели зачастую делятся на несколько сегментов меньшего размера. Вдобавок, нередко панели делаются изогнутыми — с целью расширить диаграмму направленности.
Примечательно, что электростатические панели порой весят даже меньше, чем магнито-планарные преобразователи. К примеру, в отличие от ленточного драйвера, в котором мембрана проводит ток звукового сигнала, от диафрагмы электростатического излучателя этого не требуется. Таким образом, диафрагма может быть очень тонкой, нередко менее 25 мкм. Небольшая масса позволяет моментально приводить в движение и останавливать тонкую мембрану, что обеспечивает новый уровень точности и детальности звучания. Электростатические громкоговорители, как и планарные электромагнитные (ленточные) драйверы, отличаются достаточно узкой диаграммой направленности, а это значит, что непосредственно к слушателю будет поступать меньшее количество звука, отраженного от боковых стен и потолка. К тому же, у электростатических панелей, как и у ленточных широкополосных громкоговорителей, нет корпуса (ящика), который может ухудшать качество звучания. Поскольку излучатель в данном случае устанавливается в открытой панели, электростатическая акустическая система воспроизводит столько же звука позади себя, сколько и спереди. И, наконец, большая площадь поверхности электростатического громкоговорителя позволяет максимально точно передавать звуковые образы музыкальных инструментов.
Стоит отметить, что электростатические громкоговорители необходимо подключать к сети переменного тока: это требуется для создания поляризующего напряжения. Поскольку электростатическая панель, как правило, является дипольным излучателем, качество звука в данном случае сильно зависит от правильного размещения в комнате. Для того, чтобы в полной мере ощутить объёмность звуковой сцены, электростатический громкоговоритель лучше всего разместить на достаточном расстоянии от задней стены. Для электростатической акустики характерна невысокая чувствительность: она требует энерговооружённых усилителей мощности. Вдобавок, её импеданс имеет более реактивный характер, чем в случае с динамическими громкоговорителями, что ещё больше нагружает усилитель, предъявляя к нему повышенные требования. Широкополосные «электростаты» не будут играть так же громко, как типичные динамические драйверы — для них не характерно мощное звучание и глубокий бас. Однако они превосходят динамические излучатели в плане прозрачности и утончённости, обладают потрясающей детальностью, разрешением и слитностью звучания. Электростатические громкоговорители могут быть дополнены сабвуфером — с целью улучшения динамичности и отдачи на низких частотах. Схожего результата можно достичь разместив басовые динамики в корпусах, сопряженных с электростатическими панелями. Подобные гибридные системы позволяют сочетать наилучшие качества динамического драйвера и электростатического излучателя. При этом важно внимательно оценить звучание такой акустики перед покупкой: у гибридных систем может проявляться ощутимая неравномерность в районе частоты среза кроссовера, где басовый динамик «передаёт эстафету» электростатической панели. Во время демонстрационного прослушивания бывает полезно оценить тембр фортепиано и естественность его звучания в разных регистрах. Акустический бас в джазовых композициях — ещё один хороший тест на слитность звучания гибридных громкоговорителей, включающих в себя и динамики, и электростатические панели.
Большое достоинство широкополосной ленточной и электростатической акустики — это отсутствие кроссовера. Таким образом, диафрагма приводится в движение полным спектром звукового сигнала, что исключает неоднородность при воспроизведении разных звуковых частот разными драйверами. Кроме того, отсутствие резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, находящихся в кроссоверах на пути сигнала, повышает прозрачность и точность воспроизведения музыки полнодиапазонной планарной акустикой. Что же касается гибридных систем, частота раздела между басовым динамиком и планарной панелью, как правило, достаточно низкая (ниже 800 Гц), в связи с чем неоднородность звучания на слух практически не заметна. Ещё один интересный нюанс заключается в том, что большие диафрагмы электростатических и ленточных драйверов приводятся в движение под действием сил, равномерно распределённых по всей поверхности излучающей мембраны, в то время как в динамических драйверах они приложены к относительно небольшой части диффузора, на которой закреплена звуковая катушка. Значительная сила, действующая на небольшой локальный участок диффузора, приводит к возникновению так называемых изгибных волн (деформаций) и связанных с ними искажений. У больших планарных диафрагм подобные недостатки встречаются гораздо реже. Подведём итоги Электростатическая акустика — крайне любопытная и весьма необычная вещь, со своими ощутимыми преимуществами, а также определёнными ограничениями, с которыми, впрочем, научились справляться опытные разработчики. К примеру, компания Martin Logan выпускает превосходные гибридные системы, состоящие из электростатической панели и динамического вуфера, что позволяет использовать преимущества обеих технологий.
Магия звука с точки зрения физики: всё, что полезно знать о динамиках
На протяжении долгих лет были испробованы различные механизмы формирования звука в ответ на подачу электрического сигнала. Три из них достаточно хороши для разработки серийно выпускаемых акустических систем: это динамический драйвер, ленточный преобразователь и электростатическая панель. В нашей статье – много интересной и познавательной информации о самых распространённых на сегодняшний день, динамических излучателях. Акустические системы с динамическими драйверами (динамиками) легко идентифицировать по характерным для них конусам и куполам диффузоров. Такие драйверы очень популярны из-за их многочисленных преимуществ: широкий динамический диапазон, высокая чувствительность, а также надёжность.
В акустических системах с динамическими драйверами, как правило, используется комбинация из нескольких излучателей разного размера. Низкие частоты воспроизводятся конусным басовым динамиком, за высокие частоты отвечает твитер – как правило, с небольшим металлическим или тканевым куполом. Многие модели акустических систем также оснащены третьим динамическим драйвером – для воспроизведения отдельно средних частот. Несмотря на множество возможных вариаций конструкции динамических драйверов, все они работают по одному и тому же принципу. Электрический ток от усилителя мощности протекает через звуковую катушку драйвера и создаёт вокруг неё магнитное поле, которое пульсирует на той же частоте, что и звуковой сигнал. При этом звуковая катушка находится в постоянном магнитном поле, создаваемом установленными в драйвере магнитами. Это постоянное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем, генерируемым током, проходящим через звуковую катушку, попеременно толкая и втягивая катушку. Поскольку звуковая катушка закреплена на конусе драйвера, это магнитное взаимодействие приводит в движение диффузор, формируя звуковые колебания.
Конструкция динамического драйвера также включает в себя центрирующую шайбу, которая удерживает звуковую катушку точно в середине зазора магнитной системы. Корзина динамика представляет собой литую или штампованную металлическую конструкцию, удерживающую всю сборку вместе. Как правило, литые корзины встречаются в высококачественных громкоговорителях, а штампованные – в бюджетных моделях. Кольцо из податливого резинового или полимерного материала, называемое подвесом, соединяет диффузор с ободом корзины. Гибкий подвес позволяет диффузору перемещаться, будучи при этом закрепленным на корзине динамика. Диффузоры зачастую изготавливают из бумаги, которая может быть пропитана упрочняющим веществом, а также различных видов пластиков, например, полипропилена, либо металлов и других экзотических материалов – углеродного волокна, кевлара (материал, используемый в пуленепробиваемых жилетах) и запатентованных композитов. Иногда разработчики используют специальную комбинацию («сэндвич») из нескольких материалов, чтобы предотвратить искажения, называемые волнами изгиба: они происходят когда материал диафрагмы (конуса) изгибается вместо того, чтобы двигаться как идеальный поршень. Поскольку конус приводится в движение на небольшой площади внутри (размером с звуковую катушку), он имеет тенденцию изгибаться, что приводит к нелинейным искажениям. Предотвратить подобные искажения помогают более жесткие материалы диффузора. Хотя все динамические драйверы демонстрируют склонность к появлению волн изгиба на определенной частоте, опытные разработчики акустических систем гарантируют, что на драйвер не будут поступать частоты, которые могли бы вызвать подобные искажения. В идеале, конус должен быть легким, а также жестким. Более легкий конус обладает меньшей инерцией, что позволяет ему быстрее реагировать на звуковой сигнал и быстрее останавливаться после его прекращения. Представьте себе удар бас-барабана. Большой и тяжелый конус может быть не в состоянии двигаться достаточно быстро, чтобы точно воспроизвести атаку, и это уменьшит динамическое воздействие музыкального инструмента. Аналогичным образом, как только удар барабана закончится, тяжёлый конус будет стремиться продолжить движение. Именно поэтому разработчики акустических систем и динамиков находятся в постоянном поиске новых материалов для производства диффузоров, сочетающих в себе высокую жесткость с небольшой массой. Многие достижения в области проектирования громкоговорителей за последние 20 лет стали результатом исследований, которые позволили создать более лёгкие и одновременно более жёсткие диафрагмы.
Высокочастотные динамики (твитеры) работают по аналогичному принципу, но как правило, вместо конуса в них используется 1-дюймовый купол: он может быть выполнен из пластика, прорезиненного плетёного волокна, титана, алюминиевых сплавов. В последнее время наблюдается тенденция к изготовлению диафрагм твитеров из бериллия и даже алмазов. Эти материалы, некогда использовавшиеся только в очень дорогих флагманских моделях, теперь устанавливаются и в более доступные акустические системы. В отличие от конических драйверов, которые приводятся в движение на вершине конуса, излучение купольных диафрагм исходит от внешней части купола. В некоторых твитерах также используется ферромагнитная жидкость – специальный хладагент, предназначенный для отвода тепла от звуковой катушки. Среднечастотные драйверы – это, как правило, уменьшенные версии конусных НЧ-динамиков. Однако некоторые среднечастотные динамики используют купольные диафрагмы вместо более привычных конусов.
Динамическая компрессия
Когда динамический драйвер играет громко, ему необходимо рассеивать большое количество тепла от своей звуковой катушки. По мере того как звуковая катушка нагревается, её электрическое сопротивление возрастает, уменьшая количество тока, проходящего через проводник. Поскольку именно ток, проходящий через звуковую катушку, приводит конус динамика в движение, повышенное сопротивление катушки уменьшает количество воспроизводимого звука. Другими словами, вы можете продолжать увеличивать подаваемую мощность, однако динамик достигнет определённого уровня, после которого он уже не будет играть громче. Это явление, называемое динамической компрессией, очевидным образом влияет на звучание. В частности, на пиках громкости воспроизведение может быть не таким уверенным, как следовало бы. Разработчики динамиков борются с этим явлением, создавая драйверы с увеличенными звуковыми катушками и специальными субстанциями, которые естественным образом охлаждают катушку.
Существует ещё один механизм, из-за которого звуковые излучатели могут производить искажения. Когда динамик, двигаясь с большой амплитудой, воспроизводит громкий звук, края его звуковой катушки могут на мгновение покинуть магнитное поле, что лишает драйвер его способности двигаться точно в ответ на подводимый сигнал, ухудшает динамику звучания и формирует искажения. Эта проблема решается путем разработки драйверов с короткой звуковой катушкой и более длинным зазором магнитной системы. Стоит отметить, что динамический драйвер также может достичь предела своей производительности, что проявляется хлопающими звуками или треском из НЧ-динамика. Это происходит, поскольку каркас звуковой катушки ударяется о тыльную часть магнитной системы. Если вы услышите подобные посторонние звуки, самое лучшее решение – немедленно уменьшить громкость.
Возможные неисправности динамических драйверов
Самая распространённая проблема – это перегоревший динамический драйвер. Как правило, «жертвами» становятся твитеры, которые внезапно попросту перестают воспроизводить звук. Высокочастотные динамики часто выходят из строя из-за слишком большого тока, протекающего через их звуковые катушки. Из-за того, что твитер не может достаточно быстро рассеять тепло, его звуковая катушка сгорает и перестаёт пропускать ток. Другая распространённая причина отказа динамиков – дребезжание, обусловленное ослабленной звуковой катушкой. Слишком большой ток, проходящий через катушку, расплавляет клей и ослабляет намотку проволоки, которая затем трется о магнит, вызывая жужжащий призвук. К тому же, крепёжные болты могут со временем ослабнуть и ухудшить производительность, позволяя вибрировать всему динамику, а не только его диффузору.
Электромагнитный динамический драйвер
Динамические драйверы, описанные выше, в конечном счёте сталкиваются с определёнными ограничениями. В частности, сила магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, ограничена, что, в свою очередь, накладывает ограничения на массу диффузора, нижнюю частоту и чувствительность драйвера. Тяжелый диффузор способен воспроизводить более низкие частоты (при прочих равных условиях), однако требует более мощного магнитного поля, чтобы привести звуковую катушку в движение. Это особенно актуально для больших низкочастотных динамиков.
Решением этой проблемы являются электромагнитные драйверы, в которых вместо постоянных магнитов используется большая катушка, выступающая в роли электромагнита. Катушка приводится в действие током, поступающим от подключенного в сеть внешнего источника питания. Этот ток создает магнитное поле, при взаимодействии с которым поле, генерируемое звуковой катушкой, приводит диффузор в движение. Электромагнит гораздо более эффективен, а следовательно, низкочастотный динамик можно сделать более тяжелым, что дает ему более низкую резонансную частоту. Кроме того, басовую отдачу НЧ-динамика можно регулировать, изменяя силу тока, проходящего через катушку, при помощи регулятора на сетевом блоке питания. Таким образом, можно настроить басовую отдачу электромагнитного НЧ-динамика, исходя из собственных вкусов и акустики помещения.
Хороший пример использования электромагнитного драйвера – низкочастотные динамики в акустических системах Focal Grande Utopia EM. Их басовые динамики отличается очень высокой чувствительностью (97 дБ / 1 Вт), но очень низким резонансом (24 Гц). Другими словами, НЧ-динамик воспроизводит много очень басов при малой входной мощности. Цена такой производительности – потребность во внешнем источнике питания, который должен быть подключен к розетке переменного тока, а также большой вес: 16-дюймовый басовик Grande Utopia EM весит почти 30 кг, 20 из которых приходится на электромагнитную катушку.
Выводы
Динамические драйверы обрели свою популярность совершенно заслуженно, ведь даже с учётом всех имеющихся у подобной конструкции недостатков, они остаются максимально сбалансированным и универсальным решением, позволяющим создавать высококлассные акустические системы, доступные большинству ценителей качественного звучания. По материалам theabsolutesound.com
Российские физики придумали 3D-очки для телевизора без пульта
В ФИАН создан прототип активных 3D очков, способных не просто фильтровать изображения для правого и левого глаза, но также динамически подстраиваться под картинку и стандарты разных дисплеев. О том, какие материалы для этого нужны и как новая технология поможет забыть о вечной борьбе за пульт управления телевизором, рассказал ФИАН-Информ заведующий отделом оптоэлектроники ФИАН Компанец И.Н.
Для получения трехмерного изображения в настоящее время обычно используются специальные очки, которые с точки зрения оптики представляют собой пассивные или активные оптические затворы.
Комментирует заведующий отделом оптоэлектроники, профессор Игорь Компанец:
«Пассивные оптические затворы широко известны – они используются в самых простых 3D очках. Например, для левого глаза через затвор проходит свет с одной поляризацией, а для правого с другой. Обе картинки, формируемые экраном, мозг собирает в единое изображение. А в активных оптических затворах по очереди для левого и правого глаза включается – выключается пропускание света, и его поляризация значения не имеет, что снижает требования к экрану. На сегодняшний день 64 % всех 3D устройств оснащаются очками с активными затворами, и этот рынок растёт до 30 % в год. Но есть и проблемы. Это сами нематические жидкие кристаллы (НЖК), которые используются в экранах современных ТВ и в оптических затворах»
В НЖК каждая молекула имеет вытянутую форму, а слой НЖК с одинаково ориентированными молекулами приобретает оптическую ось (становится анизотропным), причем в зависимости от направления оси относительно поляроидов меняются оптические характеристики всего слоя. Как раз этот эффект и используют при создании активных оптических затворов. Небольшое электрическое напряжение, приложенное к прозрачным электродам (на обеих стеклянных пластинках), примыкающим к слою НЖК, переориентирует все молекулы НЖК вдоль другого направления, меняется оптическое пропускание слоя и в результате, предположим, на правый глаз уже не поступает картинка, а на левый поступает.
Но насколько быстро можно изменять оптические характеристики НЖК? Как раз ответ на этот вопрос раскрывает основные трудности современного подхода – время изменения даже в самых «быстрых» ячейках с НЖК составляет не менее 8 миллисекунд. Но самое неприятное здесь связано не с «включением» электрическим полем нового оптического состояния, а с его «выключением» – возвращением НЖК в исходное состояние, которое происходит обязательно после снятия внешнего напряжения и только под действием упругих сил. Время такой релаксации превосходит время включения в несколько раз, а потому возможно нежелательное наложение «остатка» изображения, предназначенного для одного глаза, на изображение в другом глазу.
«Для работы оптических затворов нужно резкое включение и резкое выключение картинки. Поэтому в современных 3D очках во время выключения свет на экране или в самих очках часто просто перекрывают, что приводит к снижению общей яркости. Мы предлагаем другое решение – использование смектических ЖК (СЖК) с сегнетоэлектрическими свойствами. Они очень чувствительны к электрическому полю и при этом реагируют на его знак. Поэтому выключение осуществляется электрическим напряжением обратного знака, т.е. тоже «принудительно», и с тем же временем, что и включение. Оба времени составляют доли миллисекунды, а наш лучший результат – всего 25 микросекунд! Более того, для переключения оптических затворов с СЖК требуется и гораздо меньшее управляющее напряжение. Не 12 или 20 вольт, как в очках с НЖК, а всего ±1,5 или максимум ±3,0 Вольта », — рассказывает Игорь Компанец.
На рисунке: Схема и временны’е характеристики включения-выключения
оптического отклика в ячейках с НЖК и СЖК (предоставлено И.Н. Компанцом)
Ограниченное быстродействие НЖК не позволяет без усталости долго наслаждаться программами трехмерного ТВ, так как при частоте кадров 120 Гц, т. е. при 60 Гц для каждого глаза, мерцания изображений и смазанность быстро перемещаемых объектов не обеспечивают должной комфортности наблюдения (по медицинским показаниям частота кадров для каждого глаза должна быть 90. 100 Гц). В то же время дисплейная ячейка СЖК может переключаться с частотой в несколько килогерц (лучший результат – 7 кГц при управляющем напряжении ±1,5 Вольта), и при этом впервые демонстрирует полутона, необходимые для получения цветного изображения.
На рисунке: Лабораторный образец СЖК-ячейки (сверху) и схема его структуры (снизу)
(предоставлено И.Н. Компанцом)
Это позволяет мечтать о создании телевизора для всей семьи. На его экране вперемешку могут меняться кадры самых разных ТВ передач, из которых очки отца, к примеру, будут «выбирать» трансляцию футбольного матча, очки матери – сериал, а ребёнка – мультфильм. То есть каждый член семейства со своими очками и беспроводными наушниками будет видеть на одном и том же экране совершенно разные программы.
В коллективе наряду с исследователями ФИАН работают специалисты ИОФАН и НИИСИ РАН.
«Василий Ежов из ИОФАН совместно с коллегами из Саратова уже сделал 3D очки на основе НЖК, которые пользуются спросом. Теперь мы вместе разрабатываем 3D очки на основе СЖК. При этом необходимо решить две главных задачи. Во-первых, отработать технологию, чтобы обеспечить однородность ориентации слоя СЖК и высокий оптический контраст. Во-вторых, надо сделать плату электронного управления (поместится в оправе очков), чтобы она синхронизовала работу оптических затворов по управляющим сигналам от различных дисплеев. В НИИСИ уже разработана микросхема, которую скоро будем тестировать вместе с затворами. Так что работаем. И верим в успех – ведь наш СЖК по многим характеристикам ощутимо превосходит аналоги. А следующим устройством, где хотелось бы реализовать в полной мере его быстродействие, мог бы быть скоростной видеопроектор типа «СЖК на управляющей кремниевой пластине» с частотой кадров в несколько килогерц для ввода данных в систему их оптической обработки или для ввода сечений изображений, визуализируемых в трёхмерном жидкокристаллическом экране » – отметил Игорь Компанец.
Ранее по этой теме на СУН: https://sdelanounas.ru/blogs/44445/
Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.