Оскар Хейл, видатний фізик і винахідник транзистора Field Effect, почав свої дослідження з конструювання спікерів, не з допомогою абстрактної теорії того, як спікер повинен працювати, а за допомогою вивчення особливостей слухового апарату людини. Результати такого інтенсивного дослідження
привели до відкриття принципу, на якому ґрунтується трансформатор Heil Air Motion.
Застосувавши цей принцип в дизайні діафрагми спікера, він зміг досягти революційного прориву у вирішенні фундаментальних проблем маси діафрагми, інерції і власного резонансу. У наступному документі ми описуємо результати досліджень доктора Хейла, і то, як вони привели до розробки спікера Heil Air Motion Transformer.
Здатність розрізняти звуки:
Важливою функцією вуха є ідентифікація голосів, щоб це стало можливим, слуховий апарат розвинув неординарну здатність розрізняти звуки. Поодинокі джерела звуків, такі як віддалений голос, можуть бути відмінними від інших звуків завдяки концентрації нашого слухового апарату на голосі і завдяки ігнорування шуму або інших голосів, які ми не хочемо чути. Оскільки розпізнавання звуку або голосу є найважливішим аспектом слуху, наше вухо більш відчутно до певних аспектів звуку, в той час як стосовно до інших аспектів, чутливість вуха не так розвинена. Тут ми покажемо вам відносну важливість, яку має кожен аспект звуку, як кожен аспект відноситься до відтворення музики, і продемонструємо вам відносну важливість конструкції і виробництва спікерів.
Варіації гучності (інтенсивності):
Вухо має маленької чутливістю в «перепадів» рівня гучності або до відносної гучності різних звуків, які можна почути в один і той же час. Для спікера вихідні рівні звуку (амплітуда) над частотним діапазоном - цінний діючий критерій, але для наших вух він має меншу важливість. Наші вуха захищені від ушкоджень такою будовою, яке робить їх відносно нечутливими до змін амплітуди. Різниця в амплітуді між пошепки і нормальної гучністю не просто 1: 2 або 1: 4, а 1: 100'000. Відносна гучність різних звуків, тому не дуже важлива для нас, оскільки вухо має здатність налаштовуватися на різні рівні. Це пояснює те, чому шум вулиці не обов'язково буде заважати нам в розмові. Це також пояснює те, чому ми можемо чути оперного співака, незважаючи на те, що звуковий рівень оркестру у багато разів перевершує по гучності голос.
Частотні варіації проти варіацій амплітуди:
Прийнято, що найменше зміна в амплітуді, яке може розпізнати вухо, так само 1дБ, що становить різницю в потужності - 26%. У порівнянні з чутливістю вуха до варіацій частот 0,06%. Протиставляючи відносну чутливість вуха до амплітуди з високою чутливістю варіації частот, важко зрозуміти затяте захоплення індустрії спікерів маленькими варіаціями гучності, в той час як вона ігнорує явне зрушення від 1 до 2 дБ в частотному діапазоні спікера або високі частоти, що може викликати зсув мембрани, коли звукова хвиля поширюється по діафрагмі.
Здатність локалізувати звуки.
Здатність слухача локалізувати звуки стає можливою завдяки фазовому відмінності (тимчасові затримки), яке стає результатом в звукових доріжках від джерела звуку до вуха. Наші вуха дуже сприйнятливі до фазовим відмінностей. Це легко можна продемонструвати, попросивши друга закрити очі. Потім необхідно взяти ключі і потрясти їх поруч з його головою. З закритими очима він зможе визначити розташування ключів з точністю 1o або 2o. Якщо він поверне голову на 1o вправо, праве вухо пересунеться вперед приблизно на 0,5 см, а ліве назад на теж відстань. Розділивши 0,5 см на швидкість звуку, результатом стане приблизно 0,000015 секунд, що показує те, що вухо може розпізнавати тимчасові затримки менш ніж в 0,5 мілісекунд. Ця здатність залежить від частоти, і більш помітна на критичному діапазоні 500-3000 Гц, ніж на більш низьких або високих частотах. У своєму вивченні локалізації звуку, Dr. Heil виявив, що найважливіша інформація, завдяки якій стає можливою локалізація, переноситься в початковій частині підйому входить звукової хвилі. Це «прозорість», яка починає комплексну звукову хвилю. Ось чому швидкість відповіді діафрагми спікера дуже важлива для правильного і реалістичного відтворення музики. Якщо діафрагма спікера не може досить швидко відгукнутися на відтворення цієї прозорості, або ж вона спотворює це, здатність слухача до розпізнавання і локалізації джерела звуку, сильно знижується, і сильно скорочується реалістичність відтворення і задоволення від прослуховування.
Проблеми конструкції спікерів
Ілюзорний резонанс діафрагми:
Будь-який твердий матеріал при ударі вібрує, або ж іншими словами, якщо його помацати, ми отримаємо унікальний зразок резонансних характеристик цього окремо взятого матеріалу.
Якщо зробити так, щоб матеріал вібрував з певною частотою завдяки зовнішньому впливу, на додаток до цієї частоті ми введемо його власний резонанс.
У музиці зразок таких резонансів або гармоніки є особливим для кожного інструменту, наприклад, гобой (дерево) - навіть коли інструменти відтворюють ту саму ноту.
Ця характеристика корисна при розпізнаванні музичних інструментів, але в той же час представляє основну трудність для конструктора спікерів, оскільки ілюзорний резонанс, який генерується діафрагмою, буде спотворювати і маскувати музичний сигнал. Для того щоб перемістити великий об'єм повітря з мінімальними втратами і забезпечити швидкий відгук по відношенню до прозорості, діафрагма повинна бути дуже легкою. Однак якщо матюкав діафрагми дуже тонкий і легкий, він не буде достатньо стійким до спотворення і відтворення свого власного резонансу. Якщо має місце деформація між центральною областю і краями, цей відрізок буде вібрувати незалежно від музичного сигналу, і буде відтворювати стоячі хвилі або вібрації в формі дзвони, які розпізнаються як спотворення. На додаток до цього, діафрагма буде зберігати енергію резонансу, і коли, музичний сигнал буде зупинений, вона буде продовжувати рухатися з метою розсіювання цієї енергії.
Тривала вібрація діафрагми буде поглинати (демпфіровать) різкі підйоми, що сильно позначиться на якості музичного відтворення.
Спроби елімінувати небажаний резонанс. Зазвичай спроби конструкторів мінімізувати резонанс діафрагми складаються в покритті діафрагми силіконової гумою або іншим матеріалом (це називається «демпфірування»), щоб збільшити її твердість і запобігти перегини. Однак, демпфуючий матеріал, скорочуючи резонанс, додає вагу до діафрагми, результатом чого стає уповільнення швидкості відгуку в комплексних формах музичних хвиль. Здатність діафрагми ефективно переміщати повітря також скорочується, і багато спікери ефективністю 25% вимагають значної потужності посилення, щоб забезпечити адекватну гучність прослуховування. Більш того, коли діафрагма покрита демпфирующим матеріалом, окремі волокна труться одна об одну під час вібрації, і вироблена енергія частково трансформується в тепло, яке повинно бути розсіяно. Коли амплітуда рухає сили скорочена, молекулярна структура демпфуючого матеріалу змінюється і збільшує внутрішній резонанс і спотворення.
Великі діафрагми і диференційована провідна сила
Було докладено зусиль для мінімізації небажано резонансу діафрагми за допомогою застосування рушійної сили більш рівномірно на великій площі діафрагми. Електростатичні спікери поширюють рушійну силу по великій, гнучкої пластикової панелі, підвішеною до несучої конструкції.
Магнітостатіческіе спікери утилізує диференційовану рушійну силу, яка застосовується до різних областей діафрагми, щоб компенсувати варіюється гнучкість її поверхні. Однак коли плоска або конусоподібна діафрагма підтримується по краях і вібрує, тільки частина діафрагми рухається в напрямку перпендикулярному її поверхні. На зовнішніх краях, де конструкція підвішена, вона не може рухатися таким же чином, оскільки поверхня на одній стороні буде сягати з кожним + синусом руху, в той час як зворотна сторона буде стиснута або «зім'ята» і навпаки. Таким чином, вся діафрагма НЕ буде цілком одночасно пересуватися як тверда речовина, вона буде вібрувати як гнучка мембрана і буде виробляти свій власний резонанс (ефект «співає» пилки).
Дослідження за Heil A.M.T.
Як фізик, доктор Хейл в своїх дослідженнях сконцентрувався на тому, як створила природа людське вухо. Потім його вивчення сконцентрувалося на деяких тварин, які могли відтворювати гучні звуки, особливо в порівнянні зі своїм розміром.
Він зауважив, що багато птахів і комахи в змозі виробляти дуже високі звуки одним рухом крил або іншим механізмом виробництва звуків з малими витратами енергії. Наприклад, звук цвіркуна з його маленькими крилами, чути на великій відстані. Ці дослідження привели доктора Хейла до формулювання основної теорії конструкції діафрагми і згодом до розробки Heil A.M.T. Air Motion Transformer.
Як працює A.M.T.
Унікальна характеристика конструкції HEIL A.M.T. яка виділяє його серед всіх інших спікерів, полягає в напрочуд легкій діафрагми, яка представляє собою деталі у формі гармошки, до якої прикріплені алюмінієві смужки. Це змушує складки альтернативно поширяться і контактувати в манері дзвіночків з повітрям, форсують музичний сигнал з складок і поглинає повітря з іншого боку. Рух повітря в п'ять разів сильніше, ніж рух мембрани, тому швидкість повинна бути в п'ять разів більше. Загальна пересувається маса становить приблизно 5 грам - таким чином ми отримуємо практично досконалу систему перетворювача. Цей принцип може бути легко продемонстровано, якщо взяти аркуш паперу DIN A 4 розміром 616 см2, зігнути її по центру по довжині, поєднати довгі кінці разом для формування відкритого місця з одного боку розміром 5 см. Ми представляємо, що верхня і нижня частини структури закриті і разом пересуваються на 2,5 см. з фронтальною поверхнею в 140 см2, ми перемістили 770 см повітря в порівнянні з плоскою діафрагмою, яка переміщує 350 см повітря. Тепер наша трансформація становить 1: 2.2, зробивши трикутник (вид зверху) в квадратній формі, ми подвоїли трансформацію до 1: 4.4. Обраний аспект трансформації з Heil A.M.T. - 1: 5.3. (В залежності від глибини складок і їх відкритих частин).
На відміну від традиційних спікерів, чиї діафрагми переміщують повітря тільки в прямій пропорції до свого власного руху з успадкованою інерцією. A.M.T. збільшує (трансформує) рух повітря фактором 5.3 (із загальною масою менше ніж 1 грам), тому ця система і називається відповідно "AIR MOTION TRANSFORMER" - трансформатор РУХУ ПОВІТРЯ
Ілюзорний резонанс діафрагми
Конструкція діафрагм Heil A.M.T. призводить до непотрібності використання демпфуючого матеріалу з усіма нетермінальнимі ефектами при однорідності рушійної сили.
У Heil A.M.T. рушійна сила застосовується на всій поверхні структурно твердої діафрагми завдяки провідникові смужках з алюмінієвої фольги.
Здатність ефективно переміщати повітря
Складки діафрагми A.M.T. приводять в рух повітря зі швидкістю в 5,3 більше їх власної.
«Коефіцієнт трансформації» - 1: 5.3 в результаті переміщує повітря на 430% швидше, ніж традиційні спікери, що дає A.M.T. високу ефективність і дуже низький резонансний фактор в 300 Гц для великого апарату і 650 Гц для маленького апарату.
Якщо повітря може вільно циркулювати на задній стороні A.M.T. ви виявите практично 360 градусів дисперсії. Причина цього полягає в тому, що тиск повітря в центральній складці буде підштовхувати повітря до сторони, що знову створює анти тиск і наступна складка буде проштовхувати повітря ще далі в сторону. Маючи практично досконалий фазовий зразок, спікер зможе випромінювати, як інструмент, 360 градусів. Багато виробників спробували домогтися цього шляхом додавання більшого числа драйверів, особливо в високих частотах, але знову стикалися з проблемами фази.
Якщо ви уважно подивитеся на Kithara, Syrinx і Aulos, ви побачите, що A.M.T. розташований дуже близько до вуферів, вуфер і AMT мають поверхню випромінювання. Ви виявите, що насправді ви дивитеся на спікери джерела критичної точки.
Ми б хотіли представити на ринку квадратний витончений спікер, що набагато б полегшило нам життя і вирішило б питання маркетингу і дизайну, проте тоді б ми випали з суспільства виробників спікерів, які використовують просунуту конструкцію AMT. Причини цього різноманітні:
1) Відповідність фази між A.M.T. і вуфером, переходить над 650 Гц на "Kithara" відповідно при 1000 Гц з Aulos і Syrinx.
2) Оскільки вуфер в Kithara 10 ", ви можете очікувати те, що він буде прямим в дисперсії звуку при приблизно 700 Гц, що означає те, що частоти вище будуть спрямовані на стелю. Оскільки перехрещення відбувається при приблизно 450 Гц, це буде означати, що ви отримуєте порцію звуку вуферов в області 700 Гц, а при 900 Гц вона буде на 12 дБ нижче, ніж A.M.T. Насправді ми можемо отримати інтерференцію фаз в тому частотному відрізку, тоді як з A.M.T. цього можна ненав'язливо уникнути. Це застосовується до Syrinx і Aulos приблизно при 1200 Гц. (6 "вуфер)
3) Дерево відіграє важливу роль у відтворенні баса, тому ми у всіх трьох апаратах використовуємо три різні породи дерева, за розміром, матеріалу і щільності. Це дозволяє досягти нам три дрібніших піку резонансу, але не великий резонанс. Ці дослідження були останніми дослідженнями Оскара. Насправді, будь то виробництво піаніно, або скрипок, або духових інструментів, ці матеріали грають дуже важливу роль. У виробництві музичних інструментів важливість така, що навіть має значення, де виростали дерева. Наприклад, для скрипок дуже добре підходять сосни, які ростуть в Швейцарії на висоті 800 - 1000 метрів над рівнем моря.
4) Над Syrinx ми працювали більш ніж один рік, розробляючи різні кабінети, використовуючи різні породи дерев і їх щільність, до того, як ми вирішили запускати виробництво.
Як управляти спікерами Heil
Ми використовували багато різних комбінації для управління цими спікерів, і як було сказано в Італійській рецензії «Kithara» легко керувати, але важко обдурити.
Спікери Heil досить чутливі до кабелів, що означає те, що чим більше відповідної інформації отримує апарат, тим краще відтворення буде досягнуто. Ми зайшли так далеко, що зробили свої власні кабелі - MDM Ace, які частково використовуються як внутрішнє з'єднання спікерів. Ми також використовували різні роз'єми, навіть тоді було помітно явне відмінність у відтворенні.
Kithara буде дуже добре грати на тріодном підсилювачі, через його досить високу ефективність - 94 дБ. Але в той же час, ви також можете використовувати транзисторний підсилювач хорошої якості, щоб домогтися вражаючих результатів.
Aulos будуть дуже добре грати з ламповими підсилювачами, однак вам буде необхідно пошукати апарати приблизно 20 - 30 W rms, якщо ви захочете домогтися гарного рівня тиску звуку. Також ці апарати будуть добре працювати з транзисторними підсилювачами.
Syrinx, будучи кілька сучасним витвором, що не будуть також добре грати з ламповими підсилювачами, оскільки бас потребує більш якісному контролі, проте в більшості випадків хороший транзисторний підсилювач перевершить ламповий.
Ви помітили, що всі три апарати користуються перевагами «bi - wire» або ж навіть більш кращою формою подвійного посилення.
Розташування спікерів досить просте внаслідок їх характеристик. проте, всі вони повинні бути розташовані на відстані 30 см від задньої стіни і мати простір в 30 см для повітря. Причина цього полягає в тому, що ви будете отримувати певне відображення звуку, яке буде створювати перешкоди прямому випромінювання звуку.