О равномерности движения изодинамических мембран и способах ее повышения

Об изодинамических наушниках и их преимуществах перед динамическими написано довольно много. Повторять все это в деталях не вижу смысла.

Отмечается более низкий уровень искажений и более равномерное движение, что даже нашло отражение в самом названии «изодинамика» (от греческого isos — равный, dynamis — сила, движение).

Однако при внимательном рассмотрении (а смотреть пришлось долго, почти 10 лет) — в саму конструкцию изодинамики заложены элементы, которые работают не в сторону обеспечения равномерности движения.

На мембране можно выделить участки «активные» и «пассивные».

Активные — это участки, где расположены дорожки с током, они приводят мембрану в движение (на рисунке помечено синим).

Пассивные — участки, где нет дорожек с током (на рисунке помечено красным).

О равномерности движения изодинамических мембран

Основные силы, формирующие неравномерное движение мембраны, обозначены на рисунке. Синими стрелками обозначены участи приложения ЭДС в местах нахождения дорожек. При колебаниях на мембрану воздействуют силы сопротивления воздуха и инерции массы мембраны (обозначено красным), которые направлены в сторону, противоположную ЭДС и движения мембраны. В результате мембрана при колебаниях изгибается. 

О равномерности движения изодинамических мембран

Данный эффект больше, чем больше амплитуда колебаний и чем меньше степень натяжения мембраны.

В звуке это проявляется в том, что:

  • с ростом звукового давления нарастают специфические искажения.  В данном случае весь «джентельменский набор» — фазовые, амплитудные, гармонические, переходные.
  • поскольку есть зависимость от амплитуды, то нарастание неравномерное. На НЧ больше, на ВЧ меньше.

Данная проблема усугубляется тем, что мембрана находится внутри магнитной системы, которая обладает помимо электромагнитных, также и акустическими и аэродинамическими свойствами. Ее строение значительно влияет на распределение давления внутри излучателя и его воздействие на поведение мембраны.

В типичном изодинамическом излучателе используются довольно широкие магниты, которые сопоставимы по ширине и с «активными» и с «пассивными» участками мембраны, и которые находятся в непосредственной близости с мембраной. В результате при колебаниях в зазорах между магнитами и мембраной создаются области повышенного и пониженного давления, которые буквально зонально демпфируют именно эти участки под магнитами.

В результате рассогласование движения «активных» и «пассивных» участков только нарастает с ростом амплитуды. Использование некоторыми производителями половинных или фрагментарных магнитных систем с одной стороны, проблему не устраняют полностью, но порождают другую. Такие системы порождают шлейф нечетных гармоник, зависящий от амплитуды, и за счет несимметричности магнитного поля, и за счет акустического демпфирования мембраны со стороны магнитной системы.

Нами эта проблема решена, пожалуй, наиболее эффективно за счет использования узких магнитов, а также магнитов сложной геометрической формы (например со скруглением, или эллиптического сечения), где проблема демпфирования мембраны со стороны магнитной системы отсутствует полностью.

О равномерности движения изодинамических мембран

Такие скругленные или эллиптические магниты эффективнее не только по акустическим причинам, но и потому, что магнитное поле в области нахождения дорожек более равномерно. Решение описано в патенте ПМ №158852 от 22.05.2015.

Поговорим о том, какими вообще способами решается эта проблема разными производителями?

Их несколько, каждый со своими плюсами и минусами.

1. Способ первый, ныне самый популярный. Использование сильного натяжения. За счет сильного натяжения изгибы менее выражены, но при этом:

  • ограничивается амплитуда мембраны, появляется специфический окрас как минимум в области НЧ и нижней середины. В удачном случае, который более или менее может нормально восприниматься на слух — это так называемый «быстрый изодинамический бас». На самом деле он не имеет никакого отношения к реальной скорости. Это просто «поджатая» импульсная характеристика.
  • натянутая мембрана получает свою собственную ярко выраженную резонансную частоту. Она зависит от степени натяжения (чем сильнее натянута -тем выше) и чаше всего находится в вокальном диапазоне, а иногда на верхней середине.  Добавляет слышимый окрас на вокале. При этом достаточно случайным образом, который зависит от натяжения. Замечу, что совершенно одинаковое натяжение реализовать невозможно. А по мере «разминки» мембраны, ее резонансная частота натяжения плавно смещается вниз. Очень выражена зависимость результата звучания от каждодневного «прогрева».
  • Для того, чтобы получить приемлемый результат на НЧ по амплитуде хотя бы на мидбасе требуется увеличение площади этой мембраны, габаритов излучателя, массы и т. д. Что мы и наблюдаем в развитии «технической мысли» у ведущих производителей. 
  1. Способ второй. Использование относительно свободного натяжения и рифления мембраны перпендикулярно направления токопроводящих дорожек. Способ изобретен не нами, он известен с 1970-х годов и использовался даже в отечественной продукции тех времен, например, в ТДС-15. Для наших конструкций мы выбрали именно его. Плюсы относительно первого способа:
  • возможность сделать реальный хороший инфра бас без специфических искажений и сохранением размеров музыкальных образов в нижнем регистре без необходимости чрезмерного увеличения мембраны. 
  • значительно слабее выраженный собственный резонанс мембраны.

Из явных минусов — такая конструкция гораздо сложнее в хорошей реализации, повторяемости и т. д. Рифление может быть применено далеко не всех видах пленки. Глубина и пропорции рифления необходимо подгонять под свойства конкретной с учетом ее анизотропии (про анизотропию мембран См. подробнее следующую нашу статью).

Другие способы, с помощью которых можно повлиять на решение проблемы, также  есть. Возможно, мы «догадались» далеко не о всех. Опишем только те, с которыми экспериментировали.

3. Уменьшение соотношения «активных» и «пассивных» участков мембраны в пользу активных. Активные дорожки делать шире, а пассивные уже. 

Минусы в том, что:

  • уменьшение ограничено шириной магнитов. Однако это очень хорошо преодолевается  в патенте ПМ №158852 от 22.05.2015, где предполагается использование узких магнитов. Первые образцы наушников Si-1 были выполнены именно так.
  • слишком близкое расположение параллельных дорожек, направление тока в которых геометрически противоположно.
  • наконец, выяснилось, что увеличение ширины групп дрожек приводит к тому, что нарастет неравномерность магнитного поля, распределенного по ширине дорожки. 
О равномерности движения изодинамических мембран

При этом получается, что формируется изгиб мембраны не только «активными» и «пассивными» участками, но и между отдельными дорожками внутри «активного». Скругление магнитов уменьшает эту неравномерность, но не устраняет ее полностью. 

4. Использование переменной ширины дорожек и расстояний между ними в соответствии с характеристиками магнитного поля.

О равномерности движения изодинамических мембран

На рисунке представлен подобный фрагмент топологии мембраны. Похожих по сути вариантов перепробовали довольно много. Но ощутимых плюсов, оправдывающих усложнение конструкции эти решения не принесли.

В итоге от способов 1,3 и 4 мы отказались и в конструкциях Si-1, 2, 3  и NM-1 остановились на оптимально подобранных:

  • сочетании распределения активных и пассивных участков.
  • пропорций магнитной системы.
  • расстояния от мембраны до магнитов.
  • особом рифлении мембраны, которое эффективно работает только на сочетании свойств материала мембраны.
  1. Ещё одно направление, которое мы нашли для решения проблемы равномерности движения мембраны — это мембраны на основе матричных структур, которым будет посвящена отдельная статья «О планарных матричных излучателях». Но для полного понимания особенностей их работы стоит ознакомиться также со статьей «Об анизотропии свойств мембран планарных наушников».
Планарная мембрана

Контактная информация

Местоположение

г. Краснодар
ул. Красная 113

Социальные сети