Історія музики сповнена драматичних змін. Ми пам’ятаємо винахід перших музичних інструментів. Я також пам’ятаю, як технології запису уможливили створення нескінченної множини звуків. Ми досі пам’ятаємо момент, коли Боб Ділан увімкнув свою електрогітару та відштовхнув від себе пуристів фолк-музики. Але, мабуть, найбільша зміна за останні десятиліття стосується не самої музики. Воно стосується того, як ми її споживаємо.
Перехід на мобільні пристрої як основну систему доставки музики змінює все. Смартфони, планшети та MP3-плеєри поміщають усю вашу музичну бібліотеку в кишеню. Зручність перемагає. Але ця зручність має свою ціну. Звичайно, прослуховування в навушниках створює інтимнішу атмосферу. Але це також ізоляція. Більшість мобільних пристроїв не мають вбудованих динаміків, здатних забезпечити достатню гучність для кімнати, повної людей. Звук виходить тонким. Йому не вистачає одного інгредієнта.
Портативна Bluetooth-колонка видається очевидним рішенням. Але багато хто з них все ж таки не дотягує. Вони хриплять. Вони щосили намагаються видати значний бас. Звучить як іграшка, яка намагається бути побутовим приладом.
Існує інший метод. Введіть Vibration Speaker (також відомий як Vibration Sensor ). Ці пристрої повністю оминають традиційні схеми з дифузором та магнітом. Замість штовхати повітря, вони вібрують на поверхні, до якої прикріплені. Прикріпіть один такий елемент до шибки. Покладіть його на скляний стіл. Несподівано вся ця поверхня стає випромінювачем. Результати можуть бути дуже задовільними. Непомітний маленький диск здатний наповнити кімнату глибоким, резонуючим звуком.
Як пристрій розміром із підставку під склянку може видавати таку потужність? Щоб зрозуміти це, нам потрібно вийти за межі цього гаджета і звернутися до фізики самого звуку.
Зміст
Фізика поширення
Суть звуку – у русі. Не магія. Це зіткнення молекул. Коли ви щипаєте струну або ударяєте по барабану, ви створюєте імпульс. Молекули довкілля реагують нею. Вони штовхають своїх сусідів, а ті, своєю чергою, штовхають своїх сусідів. Ми вважаємо цю ланцюгову реакцію звуком.
У газі, такому як повітря, молекули переміщуються хаотично. Їхня швидкість залежить від температури. Холодне повітря означає, що молекули рухаються повільніше і зіштовхуються рідше. Чим гаряче повітря, тим більше хаосу він створює.
Але повітря – не єдине середовище. Звук поширюється швидше в рідинах та твердих тілах. Чому? Тому що молекули у них щільно упаковані. У газах вони розпорошені. І рідини, і тверді тіла мають міцну упаковку. Більш щільна упаковка означає швидші зіткнення, отже, швидшу передачу енергії.
Погляньмо на цифри. При 0 градусах Цельсія (32 градуси за Фаренгейтом) звук поширюється в повітрі зі швидкістю 331 метр в секунду. Близько 740 миль на годину. Швидко для людини, повільно для фізики. Звук поширюється у рідкій ртуті зі швидкістю 1450 метрів за секунду. Він пролітає через тверде скло зі швидкістю 5640 метрів за секунду. Що щільніше середовище, то швидше поширюється звук.
Звук випромінюється від джерела у вигляді хвиль, подібно до хвиль, що виникають від кинутого в ставок каменю. Ці хвилі втрачають енергію з розширенням. Чим далі ви знаходитесь від джерела звуку, тим тихіше він стає. Звукові хвилі визначаються двома основними чинниками: частотою та інтенсивністю. Чим вища частота, тим вищий тон. Інтенсивність визначає гучність, яка залежить від того, наскільки сильно хвиля змінює тиск повітря. Чим більша зміна тиску, тим гучніший звук.
Від вуха до мозку
То що насправді звучать ці молекулярні зіткнення? Завдяки барабанній перетинці.
Ця мембрана знаходиться усередині слухового проходу. Вона вібрує, коли стикаються молекули ударяють по ній. Ці вібрації вловлюються кісточками середнього вуха і передають їх рух у равлик. Равлик – це заповнена рідиною спіралеподібна структура, розташована у внутрішньому вусі.
Вібрація викликає рідини хвильові процеси тиску. У вусі знаходиться орган Корті, сенсорна структура, яка перетворює ці зміни тиску в електричні імпульси. Ці імпульси по слуховому нерву передаються у мозок. Мозок виконує основну роботу, інтерпретуючи сигнали у музику, мовлення чи шум.
Цей процес залежить від середовища. Якщо молекули зіштовхуються, звуку немає.
Проблеми вакууму
Саме тому у космосі ніхто не почує вашого крику. Космос – це вакуум. Молекули знаходяться надто далеко один від одного, щоб взаємодіяти. Зіткнень немає. Немає ланцюгової реакції. Нема звуку. Якщо ви бажаєте повного спокою, подивіться на зірки. Це єдине місце, яке справді його забезпечує.
Підключення динаміка
Традиційні динаміки працюють за рахунок вібрації дифузора, який виштовхує повітря. Вібродинаміки використовують інший підхід. Вони передають механічну енергію безпосередньо на тверді поверхні. Сама поверхня стає мембраною. Вона вібрує і надає руху повітря над собою. Оскільки тверді тіла передають звук ефективніше, ніж повітря, ці пристрої можуть видавати напрочуд гучний звук при малих габаритах. Важлива площа поверхні. Чим більше стіл або вікно, тим більше вібрує маса і багатший звук.
Це розумне рішення обмежень сучасних маленьких електронних пристроїв. Ці перетворювачі перетворюють повсякденні предмети на джерела звуку, використовуючи фізичні властивості щільних матеріалів.
Ви, напевно, вже знайомі з пристроєм звичайного динаміка. Видимі частини, такі як підвіс, дифузор і пилезахисний ковпачок, – це лише верхівка айсберга. Підвіс утримує дифузор на місці. Дифузор має конічну форму, як ви можете бачити, з пилозахисним ковпачком посередині. За ним ховається справжній робочий конячок: звукова котушка.
Котушка – це рухливий електромагніт. Коли через неї протікає струм, створюється магнітне поле. Змініть напрямок струму і змініть полярність. У нижній частині динаміка знаходиться постійний магніт. Коли магнітне поле котушки збігається з магнітним полем постійного магніту, вони відштовхуються одна від одної. Котушка виштовхується назовні, штовхаючи дифузор вперед. Змініть полярність? Вони притягуються. Котушка втягується назад, захоплюючи у себе дифузор.
Швидкий змінний струм змушує котушку швидко коливатися вгору та вниз. Дифузор стискає та розріджує навколишнє повітря таким же чином. Ці хвилі тиску є звук. Підсилювач подає специфічні електричні сигнали, необхідні відтворення аудіосигналу.
Тепер подивіться на вібруючий динамік. Він повністю позбавляється дифузора. Натомість звукова котушка безпосередньо з’єднана з рухомою пластиною. Розміщення цієї пластини на твердій поверхні створює інший тип детектора. Перетворювач — це пристрій, який перетворює один вид енергії на інший. Тут електрична енергія перетворюється на механічну, а потім на звукові хвилі в повітрі.
Коли котушка вібрує, вона рухає пластину. Пластина тисне на поверхню. Ця поверхня теж починає вібрувати. Вона зміщує молекули повітря так само, як це робив би конус. Ваші вуха вловлюють ці коливання. Проте чи всі матеріали однакові. Скло та дерево, як правило, резонують краще, ніж щільні метали або товстий пластик. Ці динаміки можна заховати усередині стін. Самі стіни починають працювати як динаміки, невидимо розповсюджуючи звук по всій кімнаті.
Виробники вже виявляють креативність у використанні цієї технології. Вібруючий динамік можна прикріпити до шолома для лиж. Він надійно фіксується, доки ви слухаєте музику на схилі. Настільна версія усуває безлад з видимих коробок і перетворює весь робочий стіл на єдине джерело звуку. Потім є варіанти з кістковою провідністю. Вони повністю обходять вуха та передають вібрацію безпосередньо через череп. Ви чуєте музику, але також і відчуваєте її.
Фізика процесу проста. А ось застосування аж ніяк ні.
