Поводом для написания этой статьи послужили периодически задаваемые вопросы по типу «Почему вы 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.
Комментарии (10)
MinimumLaw
05.12.2023 03:31+3Красным 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.
Ой, как сейчас больно было... Наушники - это про переменный ток. И уже даже на звуковых частотах это не соответствует действительности.
Отметки времени от 32:50 до 37:27
atd
05.12.2023 03:31+1Да, всё так, но в данном случае красная линия окажется близка к правде. У нас электромагнитная система, и паразитные поля вокруг проводника совсем не паразитные, мы как раз хотим их использовать. Ещё надо учесть то, что return path у наушников находится далеко снаружи, а не где-то рядом. Тут в основном будут взаимодействовать соседние витки, но в целом результат будет близок к нарисованному.
P.S.: за ссылку на видос спасибо! не знал, что его уже перевели, теперь можно скидывать тем, у кого непереносимость иностранных языков ;)
usego
05.12.2023 03:31Как-то голословно всё это. Не хватает методики измерений и самих измерений.
Sergey_2023
05.12.2023 03:31+1Это про ролик или про статью? И то, и другое не является строго научной истиной. Это скорее некое обобщение практического опыта, который работает, с некими попытками хотя бы частично объяснить физику процессов. Ну а методики измерений и сами измерения на этой основе - делайте, конечно, никто вам не запрещает. Подтвердите - хорошо, опровергнете - тоже хорошо, надо будет искать другие объяснения. Чтобы что-то измерять, надо же для начала определиться, что именно, где и как измерять... Собственно, статья как раз об этом - первичное объяснение, пригодное для применения в практике. Оно может и должно быть скорректировано при появлении любой новой полезной информации. Не забывайте про "правила конструктивной критики". Утверждения по типу "голословно это всё", "фигня", "вы всё врете" к этому точно не относятся.
Sergey_2023
05.12.2023 03:31+2Да, видел этот ролик. Но... 1. Если его внимательно смотреть, то там сам спикер говорит про то, что если ваша плата работает на десятках килогерец, то всеми этими особенностями разводки земли, расположения проводящих слоев и диэлетерикка можно и не заморачиваться. Также стоит внимательно просмотреть в тех частях, где спикер рассуждает про платы с разной толщиной слоев, и о каких расстояних там идет речь, при которых начинаются проблемы с палатами работающие в мегагегцах. 2. Ну а нас не "многослойная плата", слой ровно ОДИН, направление тока в соседних дорожках, которые ближе всего друг к другу в одном направлении. Так что упрощенные объяснения взаимодействий "по диэлектрику", как в ролике - тоже не объясняют толком ничего. И по крайней мере - совершенно точно одно никак не противоречит другому, а в определенной мере дополняет объяснение процессов. А они там ой какие непростые.
MinimumLaw
05.12.2023 03:31Да, но во-первых в статье было про "вообще", а не про "у нас". Во вторых, график, сходный представленному на 37:05 будет иметь место в любых цепях переменного тока, а не только петле из коаксиала из видео. Потому на частоте в 20КГц, мы возможно будем иметь не 10% тока на "пути наименьшего сопротивления", а чуть больше (или меньше) - но точно будем. В третьих - а в случае плоской катушки и не нужны слои. Их роль будет выполнять пространство между витками, а физика останется той же (с поправкой на параметры диэлектрика, конечно).
Конечно, "работает на десятках килогерец - можно не заморачиваться". Достаточно золотого разъема и платинового провода, как это принято в целевых кругах. Потому скажу так - да, действительно что русскому хорошо, то немцу смерть (и наоборот). Потому что в платах зло, для производителя наушников 100% благо. Но ведь вся статья - она про максимальную равномерность. А вот ее достижение указанным методом, вызывает некоторые сомнения. Не в последнюю очередь по причине некоторой неясности топологии.
Плюс я еще раз приведу цитату из статьи (чуть выше того, что я цитировал ранее)
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.
Это справедливо исключительно для постоянного тока, который в наушниках злейший враг.
Sergey_2023
05.12.2023 03:31+1По факту крайне мало людей, в возрасте старше 20 лет, которые реально слышат 20 кГц. Также по факту не так уж много записей, где бы хоть какая-то полезная музыкальная информация в области 20 кГц присутствует. Основная музыкальная информация, с нотами и основными тембровыми обертонами - примерно до 10 кГц. Это факты. И именно ниже 10 кГц, а точнее и даже еще ниже - и происходит все самое интересное в музыке. Причем замечу, что равномерность движения мембраны именно на низких частотах вызывает больше всего проблем, ибо там и амплитуды колебаний, и токи больше.
Даже если допустить, что какие-то негативные эффекты от тонких дорожек присутствует на самых высоких звуковых частотах (а кстати какие? как их услышать или измерить?), то более равномерное распределение плотности тока по ширине массива дорожек в магнитном поле, а также его максимальное приближение к геометрии магнитной системы разве повлияют как-то негативно на основные звуковые частоты, где максимум музыкальной информации? Хотя бы как-то объясните - в чем вы видите (или слышите) здесь какое-то негативное влияние. Желательно на какой-то физической основе.
Утверждаю, что в цепи "движка" излучателя работает на движение именно сила Ампера. Собственно, других объяснений, почему работает звуковой излучатель, пока не придумали. К передаче цифрового сигнала и помехам в платах цифровых устройств, работающих на частотах в мегагерцах, все это не имеет никакого отношения. Кстати, в "обычных динамиках" с катушкой проводники тоже близко расположены, и их много. И...?
Когда высказываете "сомнение" - будьте добры, не оставляйте его голословным. Вот вы написали: " Но ведь вся статья - она про максимальную равномерность. А вот ее достижение указанным методом, вызывает некоторые сомнения. Не в последнюю очередь по причине некоторой неясности топологии.". Хотя бы поясните -в чем именно у вас возникают сомнения, и в чем именно вам неясна топология.
Отрицаете наличие "пути наименьшего сопротивления тока" для частот в звуковом диапазоне и заметные отличия в плотности тока в широком плоском проводнике? Хотя бы минимально обоснуйте.
Пишете про " золотые разъемы" и "платиновый провод" - потрудитесь объяснить, какое это отношение имеет к данной статье.
Sergey_2023
05.12.2023 03:31И про график 37:05 .... Вот честно - вроде один и тот же ролик смотрим, а понимание? Вы вот что - предлагаете всю физику в помойку просто на основе уведенного (и нифига не понятого вами) графика? Пересмотрите ролик. Поймите, о каком именно проводнике идет речь на этом графике. Если сильно трудно - поясню. Речь о "коротком" проводнике, который представляет собой металлический слой печатной платы, в направлении, где этот проводник "максимально короткий". Ну а в катушке планарного излучателя на мембране длина проводника несколько метров, если он состоит из множеств узких дорожек. А все явления, которые работают перпендикулярно этого проводника (и магнитов) - для извлечения звуковых колебаний ПОФИГ. Ибо таково направление силы Ампера, которая приводит в действие мембрану. Если бы этот график можно было распространить на любой проводник (а не сверхкороткий), то на ВЧ, скажем 20кГц ни один динамик ничего бы толком не пищал. Ибо на приведенном графике спад до 10% и ниже. Однако же это не так. Почему? Потому что проводник не "короткий". Немного вникнуть в суть стоило бы, прежде чем комментировать. График имеет свою строго узкую сферу применения, за пределами которой он не имеет смысла. Точка.
MaxxONE
А как соединены узкие дорожки в этом массиве - параллельно? Можно наглядно увидеть сравнение, как будут выглядеть катушки с узкими и широкими дорожками?
Sergey_2023
В массиве - это одна последовательная дорожка, свернутая в плоскую катушку меандровой формы. При параллельном соединении проводники в каждой дорожке будут неизбежно немного, но отличаться по сопротивлению, соответственно ток будет тоже разным, что для итогового результата плохо. Поэтому лучше использовать последовательное соединение. Честно говоря, ни разу не не видел мембраны с параллельным соединением.