Cenniejsze niż złoto. Głośniki z membraną berylową

Sztandarowym przykładem są „nieśmiertelne” kable „jednokierunkowe” w systemach audiofilskich, kosztujące tyle, co dobry wzmacniacz estradowy. Niektóre jednak rozwiązania, choć również nie tanie, dają wymierne efekty w postaci faktycznej (a nie iluzorycznej) poprawy brzmienia, co można udowodnić prezentując konkretne, mierzalne parametry. Przykładem takiego rozwiązania są stosowane w driverach wysokotonowych membrany wykonane z berylu.

W zasadzie nikt nie ma wątpliwości, że pozytywnie wpływają na jakość odtwarzanego przez takie głośniki dźwięku, zaś to, czy taka poprawa warta jest ceny, którą trzeba zapłacić za taki przetwornik, to już osobna kwestia.

W tym artykule przyjrzymy się berylowi, a konkretnie membranom berylowym, przedstawiając właśnie takie mierzalne parametry – na tle rozwiązań konkurencyjnych – zostawiając Czytelnikom do własnego osądu, czy „gra jest warta świeczki”.

BERYL

Beryl to stosunkowo rzadko występujący metal, od niedawna stosowany w rozwiązaniach typu high-tech, począwszy od lamp rentgenowskich, po instrumenty naukowe i precyzyjne komponenty używane w technologiach kosmicznych. Zalety berylu są też od dawna znane i potwierdzone w dziedzinie projektowania przetworników głośnikowych. Wyjątkowo wysoki stosunek sztywności do masy tego materiału jest znacznie większy, niż aluminium czy tytanu, dzięki czemu beryl zapewnia znaczne lepsze odtwarzanie zakresu najwyższych częstotliwości, z mniejszymi zniekształceniami.

Sukcesy pierwszych konstrukcji driverów z berylową membraną, takich jak przetwornik TAD firmy Pioneer z lat 70. ubiegłego stulecia, potwierdziły tę tezę, stąd kolejne konstrukcje, np. firm JBL czy Focal, które pojawiały się sukcesywnie na przestrzeni lat. Pomimo jednak jego bezspornych zalet beryl nigdy nie upowszechnił się tak, jak aluminium czy tytan, pojawiając się głównie w konstrukcjach hi-fi i urządzeniach audiofilskich – czyli takich, w których cena ma drugorzędne znacznie.

Wynikało to właśnie z dużych kosztów berylu, ponieważ jego występowanie na Ziemi jest bardzo rzadkie, a ówczesny proces uzyskiwania był złożony i również bardzo kosztowny. Technika jednak idzie naprzód i obecnie proces ten jest już znacznie tańszy, co też wpłynęło na cenę samego materiału (choć w dalszym ciągu nie można jej porównywać np. z ceną aluminium czy nawet tytanu). W rezultacie tego coraz większa liczba producentów głośników i zestawów głośnikowych zaczęła sięgać po to rozwiązanie, a jedną z nich jest opisywana w tym numerze VUE Audiotechnik, która wykorzystuje drivery z berylową membraną w dużej liczbie swoich produktów.

 

WYTWARZANIE

Wczesne elementy berylowe wytwarzano metodą znaną jako PVD (Physical Vapor Deposition), co oznacza proces osadzania cienkich warstw poprzez kondensację odparowanego elementu na formie. Niestety metoda ta nie tylko ogranicza grubość, ale także wytwarza stosunkowo grubą strukturę ziarna, która w przypadku uszkodzenia w dużym stopniu generuje potencjalnie szkodliwe dla układu oddechowego cząstki. W ostatnich latach Materion Electrofusion opracował pionierską metodę produkcji folii walcowanej na bazie berylu, wytwarzaną do zastosowań elektroakustycznych. Folia berylowa tejże firmy, o nazwie Truextend, dzięki procesowi walcowania uzyskuje bardziej trwałą strukturę ziarna oraz zminimalizowanie resztkowych odkształceń wewnętrznych. W rezultacie elementy z folii berylowej są znacznie bardziej wytrzymałe, i nawet gdy pojawią się uszkodzenia, nie powodują one respiracji cząstek. Oprócz poprawionej trwałości i wytrzymałości wysiłki firmy Materion przyczyniły się również do zwiększenia efektywności produkcji, co zmniejsza koszty uzyskania. Dzięki temu jest szansa, że przetworniki berylowe wyjdą poza wąskie grono urządzeń high-endowych i coraz powszechniej będą pojawiać się w systemach dźwiękowych pro-audio.

PRĘDKOŚĆ DŹWIĘKU A RUCH TŁOKOWY

Aby zrozumieć jak stosowanie berylowej membrany przekłada się na lepszą jakość dźwięku w zakresie wysokich częstotliwości, musimy przyjrzeć się bliżej temu, co dzieje się wewnątrz takiego przetwornika podczas jego pracy.

Przetwornik głośnikowy jest wysoce skomplikowanym ekosystemem elektroakustycznym, w którym wszystkie jego elementy muszą poruszać się bardzo szybko, w doskonałej wzajemnej synchronizacji. Każde odchylenie od normy, jeśli chodzi o ten ruch, lub odkształcenie spowodowane naprężeniami może spowodować powstawanie niepożądanych rezonansów lub „przełamań” membrany, które słyszymy jako zniekształcenia dźwięku. Aby zrozumieć, na czym owe „przełamania” polegają, trzeba przyjrzeć się temu na poziomie komponentów. W idealnym przypadku membrana powinna poruszać się jak sztywny tłok, czyli wszystkie jej punkty poruszają się równomiernie i w tym samym kierunku. Przełamanie pojawia się wtedy, gdy siły działające na membranę przewyższają jej strukturalną integralność, a różne punkty na jej powierzchni zaczynają się przemieszczać w różnym czasie względem siebie (czasem wręcz w różnych kierunkach). Ponieważ beryl jest materiałem bardzo lekkim i sztywnym, jego strukturalna integralność jest zachowana przy większych siłach naprężających, niż w innych materiałach, z których wykonuje się membrany, dłużej unikając „rozłamów”.

Równie istotnym, jak sztywność, parametrem jest prędkość rozchodzenia się dźwięku w materiale. Jest to ważne, ponieważ częstotliwość, przy której następuje pierwsze załamanie membrany, jest proporcjonalna właśnie do prędkości dźwięku w materiale, z którego membrana jest wykonana. Prędkość dźwięku w berylu jest prawie 2,5 razy większa, niż w aluminium czy tytanie. Oznacza to, że pierwsze załamanie w membranie berylowej wystąpi przy częstotliwości znacznie przewyższającej górną granicę słyszenia człowieka. Co więcej, gdy nastąpi załamanie, większa sztywność berylu wpływa finalnie na zmniejszenie wielkości (amplitudy) tych przełamań. Poniżej zaprezentujemy, jak to wygląda w teorii (korzystając z modelowania matematycznego) oraz w praktyce (zbadamy właściwości fizyczne membrany w testach wibracyjnych oraz dokonamy analizy akustycznej kompletnego, zmontowanego już przetwornika), porównując membranę berylową z konkurentami z aluminium i tytanu.

MODELOWANIE RÓŻNICY

Stosując modelowanie matematyczne (z wykorzystaniem analizy elementów skończonych – FEA) stosunkowo łatwo można przeanalizować ruch membrany. Model został skonstruowany – dla berylu, tytanu i aluminium – w oparciu o taką samą 100-milimetrową membranę, a jedynym zmieniającym się czynnikiem jest rodzaj materiału. Z założenia też zignorowany jest wpływ czynników zewnętrznych, jak obciążenie akustyczne, korektor fazy czy geometria tuby, aby skupić się wyłącznie na wpływie materiału. Na rysunku 1 przedstawione jest sześć pierwszych modów przełamań membrany wykonanej z poszczególnych materiałów, zaś w tabeli 1 wartości częstotliwości, przy których one występują, i ich stosunek w porównaniu do konkurentów.

Jak widać, potwierdza się fakt, że o ile dla tytanu i aluminium mody przełamań występują w podobnym zakresie częstotliwości, o tyle beryl osiąga prawie 2,5-krotnie większe częstotliwości.

POMIARY DRGAŃ

Pomiarów drgań aluminiowych, tytanowych i berylowych kopułek driverów ciśnieniowych dokonano za pomocą skanera laserowego Klippel SCN. Skanowania te pozwoliły na skonfrontowanie teorii (modelowania matematycznego) z praktyką, czyli ocenę, w jakim stopniu wyniki modelowania okazały się zgodne ze zmierzonymi.

Dla uproszczenia na rysunku 2 przedstawione są wyniki pomiarów 2D (przekroje) całkowitych drgań każdej kopułki, przy czterech różnych częstotliwościach. Począwszy od 5 kHz na wszystkich kopułkach występuje stosunkowo niewielkie zginanie (przełamanie). Gdy częstotliwość wzrasta, fale zginające stają się coraz bardziej widoczne.

Patrząc na przekroje poprzeczne na rysunku 2 widać wyraźnie, że kopułka berylowa jest znacznie bardziej „gładka” przy dużych częstotliwościach niż pozostałe dwie. Pomiary te potwierdzają, że prawie 2,5-krotnie większa prędkość dźwięku w materiale skutkuje przesunięciem zakresu istotnych ugięć membrany poza zakres częstotliwości słyszalnych.

WALORY AKUSTYCZNE

Czas przejść do tego, co dla nas najbardziej interesujące, a więc jak powyższe parametry przekładają się na jakość odtwarzanych dźwięków. Potwierdzają to pomiary charakterystyki amplitudowej oraz zniekształceń wykonane programem Clio, które zaprezentowane są na rysunku 3.

Aluminium było jednym z pierwszych i wciąż jest chętnie używanym materiałem do produkcji membran driverów, ponieważ jest lekkie i względnie sztywne. Jest również powszechnie dostępne i łatwe w obróbce. Pomiary potwierdzają, że aluminium wykazuje dobrą odpowiedź częstotliwościową powyżej 10 kHz, jak również przyzwoity poziom zniekształceń poniżej 12 kHz.

Jednakże aluminium nie jest najlepszym materiałem na membrany driverów dużej mocy, ze względu na stosunkowo małą wytrzymałość. Zastosowanie do tego celu tytanu zyskało w ostatnich dziesięcioleciach sporą popularność, dzięki dobrej wytrzymałości tego materiału i zdolności do uzyskania wyższej wydajności niż aluminium. Piętą achillesową w tym przypadku są zniekształcenia w zakresie wyższych częstotliwości – widoczne na wykresie trzecim od góry z rysunku 3, co potwierdza powszechne twierdzenie, że tytan nie brzmi tak dobrze, jak aluminium. Karbowanie kopułki tytanowej jest popularną metodą dodawania sztywności, rozszerzającą tym samym odpowiedź częstotliwościową w zakresie wysokich częstotliwości. Ujemnym tego efektem jest rezonans o dużej dobroci Q, co powoduje wyraźne nieliniowości powyżej 10 kHz.

Analiza drgań wykazuje, iż zarówno aluminiowe, jak i tytanowe membrany kopułkowe mają na charakterystykach amplitudowych i zniekształceń ostre piki i wcięcia w okolicy 10 kHz, będące rezultatem desktuktywnych (niezgodnych fazowo) interferencji podczas ruchu membrany. Membrana berylowa na tym tle może „pochwalić się” najlepszymi wynikami. Ma gładką, szeroką odpowiedź częstotliwościową, ze zniekształceniami poniżej 10 kHz na porównywalnym poziomie, jak pozostałe materiały. Jednakże powyżej tej częstotliwości beryl jest znacznie lepszy w kwestii poziomu zniekształceń, niż pozostałe.

Aby w pełni zrozumieć wpływ trybów załamania membrany w zakresie dużych częstotliwości i związane z nią „piki” na przedstawionych powyżej charakterystykach amplitudowych/zniekształceń, warto przyjrzeć się zachowaniu tychże membran w domenie czasu. Tego typu pomiary stały się dostępne dopiero w ciągu ostatnich 20 lat i są coraz częściej używane w celu określenia jakości dźwięku odtwarzanego przez przetwornik – wcześniej niestety niemożliwe do uzyskania. Przełamania membrany w zakresie dużych częstotliwości skutkują „poszarpaną” charakterystyką amplitudową, co zazwyczaj prowadzi do długiego jej zanikania w dziedzinie czasu (powszechnie określanego jako dzwonienie). Efekt ten jest szczególnie widoczny na charakterystyce w najwyższej oktawie (10-20 kHz) – od dość gładkiego i szybko zanikającego dla membrany berylowej, po poszarpaną i „ciągnącą” się dla karbowanej membrany z tytanu – co pokazują wykresy w ramce. Dla porównania, jak taka charakterystyka (tzw. wavelet) powinna wyglądać w idealnym przypadku, możemy je skonfrontować z rysunkiem 4.

Możemy też zobaczyć w trójwymiarze (na jednym wykresie) przebieg charakterystyki w funkcji częstotliwości i zanikanie w funkcji czasu – tzw. wodospad (rysunek 5 – lewy membrany aluminiowej, prawy berylowej).

Możemy tu wyraźnie zobaczyć „rozpad” membrany aluminiowej powyżej 10 kHz, z rezonansem wyraźnie „dzwoniącym” przez 5 ms. Membrana berylowa zachowuje się bardzo poprawnie w najwyższej oktawie i nie ma widocznego dzwonienia po czasie około 2,8 ms.

REASUMUJĄC

Jak widać, choć z pozoru zasady pracy i budowy głośników dynamicznych nie zmieniły się od ponad 100 lat, nadal istnieje wiele możliwości poprawienia współcześnie projektowanych i wytwarzanych konstrukcji przetworników głośnikowych. Przykładem tego są drivery wysokotonowe z membraną wykonywaną z berylu, które – dzięki wysiłkom takich firm jak Materion Electrofusion – z wyrobu wybitnie ekskluzywnego mogą stać się produktami, które w najbliższym czasie trafią pod przysłowiowe „strzechy”.

Wykorzystanie zalet berylu (patrz tabelka 2) jest najlepszym i najbardziej bezpośrednim sposobem na uzyskanie zauważalnej (a w zasadzie słyszalnej) i mierzalnej poprawy brzmienia i wydajności driverów ciśnieniowych dużej mocy. Dlaczegóż więc z tego nie skorzystać?

Piotr Sadłoń
ilustracje – VUE Audiotechnik
www.vueaudio.com