Об изодинамических мембранах с двусторонней металлизацией
Данная статья появилась благодаря вопросу, который задал мне Максим Кривонос (Maksim_Krivonos, nano3 – его ники в разных форумах): «Метализация с двух сторон лавсана, как такая идея?» (орфография автора сохранена).
Поскольку вопрос показался мне интересным и полезным для рассмотрения всеми теми, кто занимается самостоятельным изготовлением, проектированием изодинамических наушников, а также всем интересующимся данным техническим направлением, то свои наблюдения решил оформить в виде связного структурированного текста.
Нами в течение нескольких лет эксперименты с такими конструкциями проводились и был накоплен некоторый материал о их свойствах.
По поводу общей оценки идеи. Сразу скажу, что данная идея не обладает какой-либо технической новизной. Различные варианты конструкций с расположением токопроводящих дорожек известны с 1970-х годов. В виде серийных изделий, предлагавшихся к продаже, это в первую очередь ортодинамические излучатели «без центрального контакта», которые одними из первых стали делаться фирмой Yamaha. В СССР и России в 1980-90-х гг. изготавливались некие видоизмененные и доработанные аналоги таких конструкций в виде наушников Н21С и Н25С, представляющих ныне коллекционную ценность из-за их относительно небольшого количества. Из более современных известных, выпускаемых уже в 21 веке — это наушники OPPO PM-1,2,3. Применялась ли такая технология для создания изодинамических излучателей? Разумеется, да. Примером тому может послужить иллюстрация из одного из множества патентов 1970-1980 гг, когда был буквально «бум» увлечения проектированием различных «планарных излучателей».
Пример рисунка из патента изодинамического излучателя (1984 г.) с токопроводящими дорожками с обеих сторон (изображение получено из открытых источников).
Тут представлены два варианта, при одном из них мембрана изготовлена путем склейки двух мембран с односторонней металлизацией, а на другом — выполнена на однослойной полимерной пленке, фольгированной с двух сторон.
В патентах того времени можно найти и другие вариации.
Таким образом никакой новизны данного решения применительно к ортодинамическим или изодинамическим мембранам действительно нет.
Почему же в предлагаемых на продажу изделиях в ортодинамике данное решение все же получило распространение, а в изодинамике нет?
Ответ кроется в следующем: В ортодинамике до момента использования двусторонних мембран существовала «проблема неподвижного центрального контакта».
Проблема заключалась в том, что центр мембраны оставался неподвижным, колебания мембраны имели кольцеобразную форму. Переход на двусторонние мембраны позволил избавиться от центрального контакта, что позволило мембране колебаться всей площадью без ограничения амплитуды в центре. На тот момент это было весьма кстати, так как наступала эпоха Sony Walkman, производители были заинтересованны в получении технологичных, дешевых, более компактных решений, пригодных для прослушивания с не очень качественных носителей (компакт-кассет) и соответствующих их уровню плееров. Избавление от центрального контакта, к примеру, позволило фирме Yamaha отказаться от крупных и тяжелых излучателей излучателей диаметром 50-55 мм в пользу 40 мм и создать более легкие и портативные наушники на их основе в линейке YHD (хоть это и не помогло, и Yamaha в итоге прикрыла направление ортодинамики полностью). Задача получить на этой технологии действительно высококачественного звучания просто не была актуальной. Наушниковая индустрия переживала жесточайший кризис.
Существовавшая параллельно изодинамика в нише «наушников для плеера» никогда не всерьез не рассматривалась, а оставалась в в сегменте профессиональных наушников и наушников для высококачественного прослушивания музыки.
Почему, несмотря на наличие патентов и безусловно осуществляемых экспериментов с двусторонней металлизацией, подобный принцип не получил распространения в изодинамических мембранах?
Во-первых, в изодинамике вообще не было «проблемы центрального контакта» в силу конструктивных особенностей.
А во-вторых, данное решение обладает рядом довольно значимых недостатков по сравнению с односторонними мембранами. Данный вывод основывается мной на полученных лично результатах экспериментов, а также знакомства с десятками разновидностей конструкций как ортодинамических, так и изодинамичеких наушников. Об этом подробнее.
В проводимых нами экспериментах изначально предполагалось, что должно произойти некое повышение эффективности излучателя, которое проявится в увеличение звукового давления, чувствительности и разрешающей способности. На деле же оказалось, что это по большей части заблуждения всё, как всегда, оказалось несколько сложнее.
1. Основное предположение состояло в том, что при дублировании дорожек с обеих сторон произойдет по крайней мере рост в два раза импеданса (это полностью оправдалось), а также увеличение в два раза чувствительности при измерении в дБ/В. Оказалось, что при 100% дублировании прирост оказался не в 2 раза, а меньше. Я на момент проведения экспериментов не нашел для себя этому приемлемого объяснения. Я его в принципе и не искал, так общие результаты экспериментов меня не устроили и углубляться в явно неперспективное направление не счел полезным. Объяснение было дано только после общения с упомянутым в начале статьи Максимом (несмотря на все странные обстоятельства этого общения, за что ему безусловно спасибо).
Я вспомнил, что мной изготавливались мембраны с разной топологией, в том числе со смещением дорожек относительно друг друга, где действительно получался разный уровень звукового давления, на которую я тогда не обратил особого внимания, списав ее на погрешности измерительного тракта, а также недостаточную точность изготовления. Меня в первую очередь в этих экспериментах интересовала не чувствительность, а снижение искажений в виде равномерности отклика мембраны по всей площади.
Однако данное мной объяснение выглядит разумным.
На рисунке представлены апробированные варианты смещения дорожек. относительно друг друга. Черным обозначена полимерная пленка, красным — дорожки из фольги.
При простом дублировании дорожек (вариант 1 на рисунке) — прирост чувствительности был меньше, чем в вариантах 2 и 3.
Происходит это по причине того, что сам материал дорожки, расположенной по одну сторону от пленки, является своеобразным экраном для электромагнитного поля, содаваемым в дорожке, находящейся напротив нее.
При частичном перекрытии (вариант 2) чувствительность будет выше. При конфигурации дорожек с минимальным перекрытием (вариант 3) — ешё выше.
Про вариант 4 стоит сказать отдельно. Несмотря на то, что выглядит это решение очень интересно, так как на самой мембране дорожки не видны, я его не стал бы рекомендовать для использования с двусторонней магнитной системой, так как один ряд просто экранируется слоем фольги, что делает его практически бесполезным.
Позже мной был также сделан вывод и о нецелесообразности «борьбы за чувствительность» путем такого удвоения дорожек, хотя бы из соображения, что это не приводит к росту других параметров звучания, отвечающих за его качество. При этом пониженная чувствительность компенсируется использование более мощного усиления.
Более того, полученное на том же положении регулятора громкости звуковое давление для вариантов 2 и 5 при двукратной разнице импеданса — примерно одинаково. Объясняется просто. Звуковое давление формируется движением мембраны, создаваемой силой Ампера. Сила Ампера зависит от силы тока в цепи. При увеличении импеданса цепи в 2 раза по закону Ома на тот же уровень напряжения будет падение силы тока в 2 раза. Получим 2 проводника с уменьшенной силой тока вместо одного (где ток в 2 раза больше). Сила Ампера, воздействующая на проводники будет примерно около одной величины.
При этом есть условные плюсы в виде того, что цифру чувствительности в Дб/В можно увеличить до 6 дБ (в самом идеальном случае), что соответствует удвоению, а также для конструкции усилителя предъявляется меньше требований, так как сила тока меньше, питание можно сделать попроще, режимы работы схемы будут другие. Для большинства современных усилителей среднего уровня и ниже, для которых низкоомная нагрузка с большими токами это экстрим — конечно это может быть облегчением. Актуально, пожалуй, лишь для тех, кто любит послушать изодинамику с маломощного усилителя или вообще с портативного плеера.
А вот благодаря остальным минусам целесообразность применения двойной металлизации в высококачественных наушниках (по сравниванию аналогичным решеним на односторонних пленках) под большим вопросом.
2. Удвоение металла на пленке приводит к увеличению ее массы. Растут переходные искажения, возникающие при резкой смене направления движения мембраны.
3. Два слоя дорожек (и клеевого слоя) дополнительно армируют мембрану, причем локально. Нарастает разница в свойствах упругости мембраны вдоль дорожек и поперек них. На участках, занятых дорожками, и свободных от них. В результате характер колебаний мембраны отдаляется от идеальной модели описываемой «уравнениями цепной мембраны». У мембраны появляются дополнительные амплитудные, фазовые и гармонические искажения, в сравнении с аналогичной односторонней. В направлении решения проблемы анизотропности свойств мембраны нами проводились эксперименты с формами и взаимным расположений дорожек в группах. На рисунке представлены апробированные варианты. Разным цветом схематично обозначены дорожки по разные стороны пленки).
Наилучшие результаты показали варианты 2 и 5, но эксперименты в данном направлении были прекращены в связи с общей неперспективностью направления.
4. Поскольку у мембраны добавляется дополнительный слой металла и клея, то нарастает общий технологический разброс, который проявляется не только в разнице свойств отдельно взятых мембран, но и в распределении свойств массы и упругости по площади самой мембраны. И то, и другое способствует и уменьшению технологической повторяемости, и разбросу свойств мембран в сторону ухудшения, особенно при кустарном способе изготовления.
5. По понятным причинам растет трудоемкость и себестоимость изготовления мембран. Усложняется конструкция, появляются дополнительные точки контактов или пайки, а также проводники в цепи, которые также могут влиять на конечный результат. Положив на одну чашу весов описанные недостатки, которые ведут к ухудшению параметров звучания, а на другую условные плюсы в виде некоторого облегчения работы не очень качественных усилителей, и увеличенные цифры чувствительности в Дб/В, становится понятным, почему ни один производитель не стал доводить до создания готового продукта на основе такого решения. Значимых преимуществ в изодинамике по сравнению с аналогичными «односторонними» мембранами у «двухсторонних» нет.