О толщине пленки изодинамических мембран

В обсуждениях разных конструкций изодинамических и электростатических наушников часто можно увидеть утверждение, что «чем пленка тоньше, тем звучание лучше».
Меня иногда спрашивают: «Правда ли это?»
Если совсем кратко ответить, то — нет, это неправда.

Теперь объясню почему.

1. Начну с объяснения некоего теоретического предела для неких идеальных условий, за которым уменьшение толщины (и массы) пленки теряет смысл. Этот передел связан с соотношением массы пленки и массы наиболее активно перемещаемого при колебаниях воздуха. Если эти массы равны или сопоставимы — это и есть тот самый теоретический предел. Допустим, что пленка состоит из одного лишь лавсана и приводится в действие неким идеальным способом (неважно каким, это просто для демонстрации расчета).

Плотность воздуха — около 1,2 кг/м.куб., плотность лавсана 1380 кг/м.куб. Допустим, также, что лавсан идеально ровный, прочный, а в конструкции излучателя нет никаких препятствий в непосредственной близости от мембраны, которые создают при колебаниях избыток давления. Упрощенно будем считать, что мембрана свободно движется в идеальном поршневом режиме равномерно всей поверхностью, и максимальная амплитуда на пиках составляет 1 мм.

Расчет показывает, что в этих условиях масса перемещаемого воздуха и масса мембраны сравняются при ее толщине около 0,87мкм.
Ну то есть в принципе теоретический предел около 1 микрона. Ниже этой границы утверждение по типу «чем тоньше — тем лучше» уже не работает в принципе.
Назовем это «пределом соотношения массы мембраны и плотности акустической среды».

2. Теперь поближе к реальным условиям в конкретных инженерных решениях. В конструкции любого излучателя и любых наушников присутствуют:

• акустические препятствия в непосредственной близости от мембраны в виде магнитов, защитных сеток, корпуса излучателя, краев амбушюр, демпфирования и т. д.
• акустические камеры ограниченного объема (объем чашки, объем под амбушюром).

Представьте поршень в цилиндре с маленьким выходным отверстием. Чем сильнее разница площади поршня и отверстия, тем сильнее сопротивление ему нужно преодолевать. Примерно такие же процессы происходят и с работой мембраны. Работают соотношения площади мембраны и фактической площади излучения, соотношения условного объема перемещения поршня (мембраны) и объемов цилиндров (акустических камер).

Разумеется, для каждой из конструкций излучателей и наушников по этой причине тоже есть теоретический предел, который отличается описанного в пункте 1 как минимум на порядок и выше. Расчеты тут разумеется очень сложны, учитывают множество параметров системы, ну и для каждой отдельной конструкции набор параметров разный.
Данный предел в зависимости от конкретной конструкции можно оценить уже в 8-15 мкм «условного идеального лавсана». Назовем этот предел «пределом конструкции излучателя».

Очевидно, что в более закрытых конструкциях это предел выше.

3. Теперь еще поближе к реальным условиям изготовления конкретных конструкции и используемых в них материалах.
Технология изготовления пленок такова, что даже самые продвинутые производители имеют весьма неидеальные технологические допуски. Например, уважаемая фирма Dupont при изготовлении пленок 10мкм работает с допуском плюс-минус 10% в пределах 1 кв.м. пленки.
Чем пленка тоньше, тем этот технологический разброс в процентах будет выше.
Учитывая, что пленка в изодинамике — это «бутерброд» как минимум из 3 слоев (пленка, клеевой слой, фольга), то допуски складываются.

По моему опыту и убеждению, если основной параметр материала и допуск не укладываются хотя в один порядок (10%) то это ведет к неприемлемой (по крайней мере для меня) нестабильности результата на выходе, повторяемости качества, согласовании параметров излучателей левого и правого каналов и т. д.
Тут около 10мкм, в общем, которые обеспечивают хоть какую-то технологическую повторяемость… Работая с пленкой 6-8 мкм, например, мне приходится выбрасывать в брак до 40% заготовок. Работая с 10 мкм можно довести до приемлемых технологичных 10% брака, хотя это тоже много…
И это «предел технологий».

Кроме этого:

• пленка изготавливается, хранится и т.д в рулонах. В их намотке «плавает» усилие натяжения. При перемещении, кантовании, падении и т.  д. рулоны получают деформацию, которая проявляется в пленке в виде внутренних напряжений, которые ведут к разным неприятным последствиям в конечном изделии. Чем тоньше пленка — тем влияние заметнее.
• в силу специфики самой физической формулы лавсана и технологии изготовления пленки, она имеет выраженную анизотропию (разница свойств от направления). Например, прочность на разрыв, свойства упругости в перпендикулярных направлениях отличается в разы. Вспомните, например, как рвется лавсановый пакет. В одном направлении очень легко, в другом совсем не рвется. В тонких пленках анизотропия сильнее. А это сказывается на поведении натянутой пленки при колебаниях. Такая анизотропия — одна из причин гармонических искажений.
• распределение свойства по площади пленки не является гомогенным. Чем тоньше пленки, тем гетерогенность выше. Это касается толщины, плотности, прочности, упругости отдельных участков пленки. Данная неравномерность тоже причина искажений.
• в работе с пленкой очень много человеческого фактора. Операции раскроя, фотолитографии, натяжения, наклеивания и т.  д. Чем тоньше пленка, тем проще «напортачить». Я для пробы работал с пленками и в 2 мкм. Они деформируются от малейших манипуляций. Самое проблемное — смывать фоторезист. Чуть тампоном по ленке провел — растянул на 1-2 мм. Работать только бесконтактным способом… Ну а надежность такой пленки. Мне, например, удалось прорвать такую пленку, наклеенную на рамку, просто хорошенько на нее дунув. Такого же эффекта можно добиться просто пошевелив на голове хорошо «присосавшиеся» на кожаных амбушюрах наушники.
• есть и другие замеченные мной факторы, ну а перечисленных вполне достаточно, чтобы задуматься.

Если подводить итоги, то утверждение «чем тоньше, тем лучше» здесь точно не работает.

Есть некий оптимум, который складывается из множества факторов, и который на современном технологическом уровне можно оценить в районе 8-10 мкм. Если здорово поднапрячься, то можно и 6-8мкм. В изложении данных фактов я специально не касался описания физических процессов, происходящих в излучателях разных конструкций, при этом будет ну совсем «слишком много букафф». Однако во всех случаях происходит нарастание негативных последствий с уменьшением толщины пленки в виде именно основных параметров качества звучания.

Ну а использование более тонких пленок на современном технологическом уровне превращает как процесс производства, так и приобретения-использования наушников в увлекательную лотерею, где можно делать ставки на то:

• как скоро наушники выйдут из строя;
• насколько сильно будет выражено ухудшение параметров звука со временем;
• насколько вообще повезет, что попадется приемлемый по качеству экземпляр.

Авторская статья (c) Snorry (Сергей Глазырин)
Перепечатка и использование материалов данной статьи запрещено