О ширине токопроводящих дорожек планарных наушников

Поводом для написания этой статьи послужили периодически задаваемые вопросы по типу «Почему вы в в мембранах своих планарных (изодинамических) наушников не используете одну широкую дорожку, как (имярек)?», а также дискуссии по особенностям звучания в разных конструкциях.

О чем собственно речь.

Можно выделить два принципиальных подхода к ширине и толщине дорожек в мембранах планарных наушников.

Первый подход (которого придерживаемся мы) — используется множество узких (насколько технологически возможно) дорожек.

Второй подход — применена одна или две достаточно широкие дорожки.

Следует отметить, что оба подхода известны по патентам еще с 1970-х годов, однако в коммерческих изделиях второй подход не был до недавнего времени распространен.

Поскольку решение с «широкой дорожкой» получило распространение в так называемых «топовых наушниках» нескольких ведущих производителей, рассмотрим, ради чего это в принципе делается.

В первую очередь производители стремятся снизить массу подвижной системы излучателей с целью повысить разрешающую способность. Ну и конечно, тут возникает соблазн «помериться цифрами», по типу «у нас самая тонкая мембрана на рынке», «мы используем нанотехнологии» и т. д.

Каковы реальные последствия широких дорожек и тонкого слоя металла?

Масса диафрагмы действительно при этом немного снижается. Однако вместе с этим неизбежно нарастает и технологическая неравномерность механических свойств пленки, распределение по площади массы, упругости и т. д. Из-за этого нарастают и проблемы, описанные нами в статье «О равномерности движения изодинамических мембран».

Но не только они.

Рассмотрим не механические, а сугубо электрические свойства таких дорожек.

Как известно, электрический ток течет по пути наименьшего сопротивления. Вернее, внутри проводника ток при подаче напряжения течет везде, но бОльшая его часть — по пути наименьшего сопротивления. Величина этого тока подчиняется закону Ома (сила тока = напряжение/сопротивление проводника). Сопротивление проводника в свою очередь прямо пропорционально его длине и удельному сопротивлению, и обратно пропорционально площади сечения.

Рассмотрим характерный фрагмент изогнутого проводника в мембране с широкой токопроводящей дорожкой.

Длина пути тока по внутреннему участку скругления меньше, чем по внешнему на величину Пи(3,14159….), умноженную на разницу между внешним и внутренним радиусом). Например, если  внутренний радиус 3 мм, а внешний 10 мм. Соответственно, длина дуги изгиба внутри составляет примерно 9,42 мм, а снаружи — 31,416 мм. Разница — более 3,3 раза. Соответственно, внутри проводника таким же образом пропорционально будет распределена и плотность тока.  Чем больше разница между внутренним и внешним радиусом скругления дорожки, тем разница в плотности тока будет выражена сильнее. Для приведенного примера (упрощенно) ток по внутреннему скруглению в 3,3 выше, чем по внешнему. На рисунке изображен фрагмент изогнутого проводника, градациями от красного к голубому наглядно показано распределение плотности тока, которая уменьшается к внешнему краю изгиба.

Что происходит при этом с током (и его плотностью) на прямых участках токопроводящих дорожек? Он точно также течет «по пути наименьшего сопротивления». 

Для идеально равномерного по толщине плоского проводника это выглядит примерно так:

Красным цветом схематически обозначена «траектория пути наименьшего сопротивления» для электрического тока. Плотность тока в районе этой красной линии в несколько раз выше, чем у  границы проводника. Если наложить геометрию этой траектории на конфигурацию магнитной системы, то можно обратить внимание, что нарушается принцип параллельности. Что в свою очередь, приводит к увеличению неравномерности вынуждающей силы, приводящей в движение мембрану. По сути  — это источник специфических искажений.

Существуют мембраны с широкими дорожками, построенными и на орто-принципе.

Траектория пути наименьшего сопротивления для одного из примеров таких мембран, обозначена на рисунке красным цветом. Как можно видеть, ширина дорожки не только смещает ток к внутренним дугам, но и усугубляет проблему разрыва дуги. Равномерность приложения вынуждающей силы и согласование с топологией магнитной системой в данной ситуации также ухудшаются, что служит источником дополнительных специфических искажений.

На приведенных иллюстрациях рассмотрены примеры с идеально равномерным слоем проводника. Однако следует понимать, что абсолютная равномерность в данном случае невозможна по сугубо технологическим причинам. Толщина таких широких токопроводящих  дорожек очень мала и достигает даже не микронных размеров, а меньше, вплоть до частичной оптической прозрачности слоя проводника, что соответствует нескольким нанометрам. Надежных способов обеспечить стабильность толщины слоя металла на пленках в этих размерах попросту не существует при нынешнем уровне развития технологий. 

Что представляет собой «траектория пути наименьшего сопротивления тока» для не вполне равномерной по свойствам среды — можно наглядно увидеть на  фотографиях молний или «фигур Лихтенберга».

Это всегда траектория, отличная от прямой, ведущая себя случайным образом. Малейшие неравномерности в слое металла на пленке также приводят к подобному результату. При этом, чем тоньше слой металлизации, тем выше относительный разброс по толщине (и плотности тока).

Как с этим бороться?

Способ известен с 1970-х годов. Это использование массива тонких токопроводящих дорожек, вместо одной широкой. Все описанные проблемы в них точно так же присутствуют, но геометрически ограничены размерами дорожек, что существенно улучшает  равномерность и предсказуемость характеристик электромагнитного поля и вынуждающей силы.

Поэтому ответ на вопрос «Почему в наушниках Snorry используются множество тонких/узких дорожек вместо одной широкой?» является вполне очевидным.

Ради большей равномерности магнитного поля и вынуждающей силы, что улучшает большинство параметров звучания.