О планарном излучателе с матричной структурой

О планарном излучателе с матричной структурой на основе равносторонних треугольников

Обещал написать статью, в которой объясняются особенности его работы и преимущества относительно других конструкций. Когда приступил к написанию, оказалось, что надо писать не одну, а три, чтобы более или менее все «разложить по полочкам».

Поэтому перед прочтением данной статьи рекомендуется ознакомиться с двумя  предыдущими «О равномерности движения изодинамических мембран» и «Об анизотропии свойств мембран планарных наушников», а также с содержанием упомянутых ниже патентов, где объяснено принципиальное устройство матричных излучателей.

Первые эскизы мембран на матричных структурах были созданы мной в 2014 году в результате размышлений о способах достижения максимальной равномерности движения мембраны. Но тема оказалась достаточно сложной для изучения и реализации. Первые работающие прототипы, которые можно послушать и убедиться в работоспособности и перспективности идей были собраны в 2017 году. Надеюсь, что анонс серийного изделия состоится осенью этого (2021) года.

В настоящее время опубликовано два наших патента по этим конструкциям: ПМ №199764 от 09.06.2020 г. и ИЗ №2751582 от 01.10.2020г. Отмечу, что в процессе патентования в патентном поиске был найден прототип US 4337379, 29.01.82, который также имел матричную структуру.

Однако никакой информации об использовании в реальных изделиях найти не удалось. Тем не менее, по причине похожести решения, разработку с матричной структурой на основе квадратов было решено патентовать как полезную модель, а на основе треугольников — уже как изобретение, так как подобные решения неизвестны.

Основное преимущество матричной конструкции в улучшении контроля мембраны и повышении равномерности ее движения.

На рисунке схематично представлено, что происходит с возможной амплитудой паразитных колебаний «пассивных» участков площади мембраны. Буквой «а» обозначен фрагмент традиционной изодинамической мембраны (зеленым выделены «активные» дорожки. Буквой «б» обозначен аналогичный по размерам фрагмент матричной мембраны с квадратными дорожками. Под буквой «в» фрагмент матричного излучателя на основе равносторонних треугольников.

Движения и деформации мембраны при колебаниях подобны тому, как если бы мы взяли парус, натянутый на реи, и начали им махать. Реи — в данном случае аналог «активных» участков с дорожками. Ткань паруса при этом запаздывает по сравнению с движением мачты с реями.

Аналог матричной топологии есть и устройстве современных парусов, их в нескольких местах  пересекают ребра жесткости, именуемые «латы», существенно повышающие эффективность паруса. Физически и математически поведение паруса описывается теми же самыми дифференциальными уравнениями под названием «уравнения цепной мембраны».

При одинаковой амплитуде основных колебаний мембраны — в матричной топологии, где взаимно перпендикулярные дорожки играют роль ребер жесткости, — амплитуда паразитных колебаний в разы ниже.

Еще более эффективными свойствами в этом отношении обладает матричная структура на основе равносторонних треугольников. Где армирование осуществляется прямыми  линиями под углом 60градусов.

Все потому, что при прочих равных условиях, максимальная деформация определяется:

а) Определяется длиной диагонали большого прямоугольника;

б) Длиной диагонали маленького квадрата (ячейка матрицы);

в) Высотой треугольника, которая заведомо короче диагоналей.

Более точная картина деформаций несколько сложнее и требует привлечения серьезного математического аппарата.

В рассмотренном примере речь идет о простой плоской мембране, которая армирована только активными дорожками, а колебания пленки между ними определяется свойствами ее материала и геометрической формой.

В прототипах и наушниках, изготовленных на продажу, каждая ячейка матричной мембраны выполнена как своеобразный купол, жесткости которого достаточно для сохранения формы пленки на применяемых для прослушивания амплитудах без описанных паразитных колебаний.

Такая мембрана с точки зрения обеспечения равномерности движения теоретически не имеет равных при должной реализации. Возможный контроль мембраны здесь теоретически наилучший, и наиболее ощутима разница в колебаниях наибольшей амплитуды, то есть в области средних и низких частот.

Также можно прогнозировать и большую перегрузочную способность и меньшую зависимость уровня искажений от уровня звукового давления.

Рассмотрим, как преодолевается в данной конструкции влияние свойств анизотропии материалов.

Поскольку алюминий существенно хуже растягивается, и он механически изотропен, то при армировании дорожками пленки, ее основные закономерности поведения при колебаниях определяются именно характером этого армирования.

Снова рассмотрим изображение из статьи про анизотропию.

На рисунке изображены направления наибольшего (красные стрелки) и наименьшего (синие стрелки) растяжения для: а) изодинамической мембраны, б) матричной мембраны на основе квадратных ячеек, в) матричной мембраны на основе треугольных ячеек.

Характер этих направлений сказывается на геометрической форме колебаний мембран.

Напомним, что в случае с мембранами, натянутыми на рамку, идеалом является движение, которое в своих крайних точках соответствует поверхности, описываемой так называемым «уравнениями цепной мембраны», где наибольшая амплитуда в центре, а наименьшая по периферии. Идеальный вариант подобного излучателя, который способен воспроизводить звук с самыми минимальными искажениями, представляет собой круглую, абсолютно изотропную по свойствам мембрану, активное движущее усилие в которой приложено равномерно ко всем точкам поверхности.

Вариант в с матричной структурой на основе равносторонних треугольников превосходит два других по:

• Изотропности свойств;
• Равномерности распределения приложенных усилий;
• Естественной приближенности структуры к форме круга.

На повышение равномерности движения мембраны работает также и ее оптимизированная топология, с учетом реальной картины магнитного поля.

Несмотря на то, что магниты в основании круглые, магнитное поле в области нахождения дорожек концентрируется в виде слегка скругленных треугольников. Поэтому токопроводящие дорожки выполнены переменной толщины и своей дугообразной стороной обращены к магнитам.

Все эти технические особенности приводят к тому, что матричный излучатель на основе равносторонних треугольников:

1. Обладает мембраной с наибольшим уровнем изотропии свойств.
2. На уровне физических принципов работы превосходит традиционные изодинамические и ортодинамические излучатели по равномерности движения и контролю мембраны. Это означает снижение уровня всех видов искажений и повышение разрешающей способности.
3. Обладает более высокой перегрузочной способностью. Зависимость уровня искажений от уровня звукового давления выражена существенно меньше.

Пожалуй на сегодняшний день, такая конструкция является самой сложной из планарных для безупречного воплощения.

Конкретный результат очень сильно зависит от реализации в конкретных наушниках, особенностей акустического оформления, свойств материалов, качества исполнения, соблюдения допусков и т. д.