История музыки полна драматических перемен. Мы помним изобретение первых музыкальных инструментов. Я также помню, как технологии записи сделали возможным создание бесконечного множества звуков. Мы до сих пор помним момент, когда Боб Дилан включил свою электрогитару и оттолкнул от себя пуристов фолк-музыки. Но, пожалуй, самое большое изменение за последние десятилетия касается не самой музыки. Оно касается того, как мы её потребляем.
Переход на мобильные устройства как основную систему доставки музыки меняет всё. Смартфоны, планшеты и MP3-плееры помещают всю вашу музыкальную библиотеку в карман. Удобство побеждает. Но это удобство имеет свою цену. Конечно, прослушивание в наушниках создаёт более интимную атмосферу. Но это также изоляция. Большинство мобильных устройств не имеют встроенных динамиков, способных обеспечить достаточную громкость для комнаты, полной людей. Звук получается тонким. Ему не хватает одного ингредиента.
Портативная Bluetooth-колонка кажется очевидным решением. Но многие из них всё же не дотягивают. Они хрипят. Они изо всех сил стараются выдать значимый бас. Звучит как игрушка, пытающаяся быть бытовым прибором.
Существует другой метод. Введите Vibration Speaker (также известный как Vibration Sensor ). Эти устройства полностью обходят традиционные схемы с диффузором и магнитом. Вместо того чтобы толкать воздух, они вибрируют на поверхности, к которой прикреплены. Прикрепите один такой элемент к оконному стеклу. Положите его на стеклянный стол. Внезапно вся эта поверхность становится излучателем. Результаты могут быть очень удовлетворительными. Неброский маленький диск способен наполнить комнату глубоким, резонирующим звуком.
Как устройство размером с подставку под стакан может выдавать такую мощность? Чтобы понять это, нам нужно выйти за рамки этого гаджета и обратиться к физике самого звука.
Зміст
Физика распространения
Суть звука — в движении. Это не магия. Это столкновение молекул. Когда вы щипаете струну или ударяете по барабану, вы создаёте импульс. Молекулы окружающей среды реагируют на него. Они толкают своих соседей, а те, в свою очередь, толкают своих соседей. Мы считаем эту цепную реакцию звуком.
В газе, таком как воздух, молекулы хаотично перемещаются. Их скорость зависит от температуры. Холодный воздух означает, что молекулы движутся медленнее и сталкиваются реже. Чем горячее воздух, тем больше хаоса он создаёт.
Но воздух — не единственная среда. Звук распространяется быстрее в жидкостях и твёрдых телах. Почему? Потому что молекулы в них плотно упакованы. В газах они рассеяны. И жидкости, и твёрдые тела имеют плотную упаковку. Более плотная упаковка означает более быстрые столкновения, а значит, более быструю передачу энергии.
Давайте посмотрим на цифры. При 0 градусах Цельсия (32 градусах по Фаренгейту) звук распространяется в воздухе со скоростью 331 метр в секунду. Около 740 миль в час. Быстро для человека, медленно для физики. Звук распространяется в жидкой ртути со скоростью 1450 метров в секунду. Он пролетает через твёрдое стекло со скоростью 5640 метров в секунду. Чем плотнее среда, тем быстрее распространяется звук.
Звук излучается от источника в виде волн, подобно волнам, возникающим от брошенного в пруд камня. Эти волны теряют энергию по мере расширения. Чем дальше вы находитесь от источника звука, тем тише он становится. Звуковые волны определяются двумя основными факторами: частотой и интенсивностью. Чем выше частота, тем выше тон. Интенсивность определяет громкость, которая зависит от того, насколько сильно волна изменяет давление воздуха. Чем больше изменение давления, тем громче звук.
От уха к мозгу
Так что же на самом деле звучат эти молекулярные столкновения? Благодаря барабанной перепонке.
Эта мембрана находится внутри слухового прохода. Она вибрирует, когда сталкивающиеся молекулы ударяют по ней. Эти вибрации улавливаются косточками среднего уха и передают их движение в улитку. Улитка — это заполненная жидкостью спиралевидная структура, расположенная во внутреннем ухе.
Вибрация вызывает в жидкости волновые процессы давления. Во внутреннем ухе находится орган Корти, сенсорная структура, которая преобразует эти изменения давления в электрические импульсы. Эти импульсы по слуховому нерву передаются в мозг. Мозг выполняет основную работу, интерпретируя сигналы в музыку, речь или шум.
Этот процесс полностью зависит от среды. Если молекулы не сталкиваются, звука нет.
Проблемы вакуума
Именно поэтому в космосе никто не услышит ваш крик. Космос — это вакуум. Молекулы находятся слишком далеко друг от друга, чтобы взаимодействовать. Столкновений нет. Нет цепной реакции. Нет звука. Если вы хотите полного покоя, посмотрите на звёзды. Это единственное место, которое действительно его обеспечивает.
Подключение динамика
Традиционные динамики работают за счёт вибрации диффузора, который выталкивает воздух. Вибродинамики используют другой подход. Они передают механическую энергию непосредственно на твёрдые поверхности. Сама поверхность становится мембраной. Она вибрирует и приводит в движение воздух над собой. Поскольку твёрдые тела передают звук эффективнее, чем воздух, эти устройства могут выдавать удивительно громкий звук при малых габаритах. Важна площадь поверхности. Чем больше стол или окно, тем больше вибрирующая масса и богаче звук.
Это умное решение ограничений современных маленьких электронных устройств. Эти преобразователи превращают повседневные предметы в источники звука, используя физические свойства плотных материалов.
Вы, вероятно, уже знакомы с устройством обычного динамика. Видимые части, такие как подвес, диффузор и пылезащитный колпачок, — это лишь верхушка айсберга. Подвес удерживает диффузор на месте. Диффузор имеет коническую форму, как вы можете видеть, с пылезащитным колпачком посередине. За ним скрывается настоящая рабочая лошадка: звуковая катушка.
Катушка — это подвижный электромагнит. Когда через неё протекает ток, создаётся магнитное поле. Измените направление тока, и вы измените полярность. В нижней части динамика находится постоянный магнит. Когда магнитное поле катушки совпадает с магнитным полем постоянного магнита, они отталкиваются друг от друга. Катушка выталкивается наружу, толкая диффузор вперёд. Измените полярность? Они притягиваются. Катушка втягивается назад, увлекая за собой диффузор.
Быстрый переменный ток заставляет катушку быстро колебаться вверх и вниз. Диффузор сжимает и разрежает окружающий воздух таким же образом. Эти волны давления и есть звук. Усилитель подаёт специфические электрические сигналы, необходимые для воспроизведения аудиосигнала.
Теперь посмотрите на вибрирующий динамик. Он полностью избавляется от диффузора. Вместо этого звуковая катушка напрямую соединена с подвижной пластиной. Размещение этой пластины на твёрдой поверхности создаёт другой тип сенсора. Преобразователь — это устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. Здесь электрическая энергия преобразуется в механическую, а затем в звуковые волны в воздухе.
Когда катушка вибрирует, она приводит в движение пластину. Пластина давит на поверхность. Эта поверхность тоже начинает вибрировать. Она смещает молекулы воздуха так же, как это делал бы конус. Ваши уши улавливают эти колебания. Однако не все материалы одинаковы. Стекло и дерево, как правило, резонируют лучше, чем плотные металлы или толстый пластик. Эти динамики можно спрятать внутри стен. Сами стены начинают работать как динамики, невидимо распространяя звук по всей комнате.
Производители уже проявляют креативность в использовании этой технологии. Вибрирующий динамик можно прикрепить к шлему для лыж. Он надёжно фиксируется, пока вы слушаете музыку на склоне. Настольная версия устраняет беспорядок из видимых коробок и превращает весь рабочий стол в единый источник звука. Затем есть варианты с костной проводимостью. Они полностью обходят уши и передают вибрацию непосредственно через череп. Вы слышите музыку, но также и чувствуете её.
Физика процесса проста. А вот применение — отнюдь нет.
