Снорри, фазоры, невидимые стелс-магниты и все-все-все… (тотальный патентный БАТТЛ) Содержание: Магнитные и акустические свойства магнитных систем планаров и их сравнительная оценка. Краткий обзор и оценка патентов по теме Сравнительная оценка технических решений в патентах Казалось бы, причем тут Снорри и фазоры, Снорри и стелс магниты? Так спросит практически любой, кто немного интересуется конструкцией современных изодинамических или планарных наушников. Поэтому попробуем себя немного в новом для нас жанре патентной аналитики. Устроим «патентный БАТТЛ». И пусть победит технически более совершенный… Существует по крайней мере 2 серьезные группы технических проблем в конструкции изодинамических излучателей, активный интерес к которым наблюдается в течение последних 8-10 лет. Проблема равномерности магнитного поля.   Особенностью магнитной сборки традиционной изодинамики является достаточно неравномерное (в первую очередь по силе, а иногда и направлению) магнитное поле в области нахождения токопроводящих дорожек. В ряде наших статей мы уже касались проблем магнитных систем, поэтому подробно повторяться не станем. Можно ознакомиться тут: Статьи о планарных наушниках Ниже мы также рассмотрим для сравнения с другими решениями некую «традиционную изодинамику». Группа проблем, связанных с акустическими свойствами решетки магнитной системы. Магниты находятся между мембраной и ухом излучателя и представляют собой значимый акустический элемент, который негативно сказывается на распространении акустических волн. В результате оно происходит с преобразованиями(и искажениями). Тут немного нужно разложить «по-полочкам», это понадобится нам для дальнейших оценок технических решений.   2.1. Проблема избытка давления в зазоре между мембраной и плоскими поверхностями магнитов. Рассмотрим, что происходит с движением воздуха при колебаниях мембраны, и как это влияет на звуковые колебания. Черными стрелками и пунктиром обозначена амплитуда колебаний мембраны. Зелеными стрелками обозначены области в которых формируются упругие колебания воздуха, перпендикулярные мембране. В открытых промежутках между магнитами формирование и распространение звуковых волн происходят относительно беспрепятственно. Красными стрелками обозначены зоны, где происходит перемещение воздуха параллельно поверхности мембраны. Эти перемещения по сути являются паразитными, подмешиваются к основным полезным колебаниям и искажают волновую картину.  Волновой фронт формируется из параллельных мембране упругих волн и двух встречных друг другу и перпендикулярных паразитных волн. Это источник искажений. В реальности же картина несколько сложнее. Мы частично это описывали в статье: О равномерности движения изодинамических мембран и способах ее повышения Вынуждающая сила приложена обычно в промежутках между дорожек. Чаще всего именно там расположены токопроводящие дорожки. Из-за малого зазора происходит зональное демпфирование (с уменьшением амплитуды колебаний). Поэтому форма колебаний мембраны получается со своеобразными изгибами. На мембране присутствует устойчивая конфигурация стоячих волн, которые являются источником окрасов/искажений. Эта проблема может быть решена уменьшением ширины магнитов и отказом от плоских поверхностей, обращенных к мембране.   2.2. Проблема акустической тени от решетки магнитной системы. К сожалению, сама решетка магнитной системы является значимым препятствием для прохождения акустических волн и создает заметную частичную акустическую тень. Прохождение звукового волнового фронта через нее происходит с потерями. Чем шире магниты, и чем меньше промежутки между ними, тем заметнее влияние.   2.3. Проблемы дифракции и интерференции при прохождении звукового волнового фронта через решетку магнитной системы. Промежутки между магнитами физически представляют собой ни что иное, как дифракционную решетку. Вспомним иллюстрацию из учебника по физике, показывающую прохождение волн через решетку: Таким образом: излучатель находится в непосредственной близости от ушного канала, длина звуковых волн в диапазоне 20-20000Гц от 17 м до 17мм. расстояния между магнитами  обычно порядка нескольких мм, в среднем — около 5 мм. Набор этих факторов и определяет специфику дифракционных явлений, происходящих в полноразмерных наушниках на планарных излучателях. Конкретная дифракционная и интерференционаня картина зависит от частоты (и длины) волны. При прохождении изначально плоского звукового волнового фронта через решетку магнитной системы происходит его дополнительное преобразование. Неизбежно с потерями, искажениями. Результат звучания складывается из взаимодействия основного и вторичных волновых фронтов. В случае со стержневыми магнитами и промежутками между ними — волны вторичного фронта цилиндрические, а в случае с маленькими круглыми отверстиями сферические. Сложение вторичных волновых фронтов в свою очередь образует интерференционную картину, которая зависит от формы решетки и пропорций магнитной системы. Особо заметно влияние пропорций и геометрических форм решетки в области высоких частот, поскольку размеры в одном математическом порядке (или в соседнем) с длиной волны. Равномерность магнитного поля в области токопроводящих дорожек мы можем количественно выразить его через коэффициент. Изготовление планарных изодинамических наушников где K(B) – коэффициент неравномерности магнитного поля в %; Bmax – максимальное значение магнитной индукции (B) в области токопроводящих дорожек; Bmin — минимальное значение магнитной индукции (B) в области токопроводящих дорожек; Для сравнительных оценок шкала перевода значений K(B) в баллы: 50 и более% — 1 балл; 41-50% — 2 балла; 31-40% — 3 балла, 21-30% — 4 балла; 11-20% — 5 баллов; 10 и менее% — 6 баллов. Проблему избытка давления в зазоре между мембраной и плоскими поверхностями магнитов для количественно сравнения в виде формулы или количественного показателя выразить непросто.  Однако, очевидно, что избыток давления (при равном зазоре) зависит от формы поверхности (плоская или скругленная) и ширины магнитов (относительно широкие или относительно узкие). Это позволяет нам по крайней мере построить четырехуровневую сравнительную шкалу на основе двух объективных геометрических параметров. Широкие магниты и плоская поверхность — 1 балл (наихудший показатель) Широкие магниты и скругленная поверхность — 2 балла Узкие магниты и плоская поверхность — 3 балла Узкие магниты и скругленная поверхность — 4 балла (наилучший показатель) Акустическую тень можно количественно выразить через коэффициент. Изготовление планарных изодинамических наушников Где К(АТ) — коэффициент акустической тени; Sмаг – суммарная площадь мембраны, перекрываемая магнитной системой; Sмемб – площадь мембраны. Шкала для перевода К(АТ) в баллы: 70% и более — 1 балл; 51-60% — 2 балла; 41-50% — 3 балла;  31-40% — 4 балла; 21-30% — 5 баллов; 20  и менее% — 6 баллов. Для оценки преодоления негативных дифракционных явлений тоже придется использовать сравнительную шкалу в баллах. Будем учитывать: «ширину отверстия/щели» дифракционной решетки. Чем она уже, тем негативные дифракционные явления более выражены. Сильнее преобразование плоского волнового фронта в цилиндрический. «ширину магнита» — чем шире магнит, тем сильнее перекрытие, тем сильнее преобразование плоского волнового фронта во вторичные цилиндрические фронты. При очень узких магнитах — суммарные отклонения от плоского фронта минимальны. наличие эффекта акустического рупора. Акустический рупор позволяет получить на выходе приближенный к плоскому волновой фронт, но с потерей акустической энергии. Для каждого из параметров используем шкалу в баллах, а для общей оценки технического решения по проблеме дифракции — их сумму. Ширина отверстия/щели: очень узкая щель — 0 баллов, средняя — 1 балл, широкая — 2 балла. Ширина магнитов и других закрывающих мембрану элементов: очень широкая (0 баллов, средняя — 1 балл, узкая — 2 балла. Отсутствие «рупора» — 0 баллов, наличие —  1 балл. Считаем, что рупор заведомо сделан грамотно, поэтому промежуточные градации не вводим. На наш взгляд, большими весовыми коэффициентами должны обладать параметры, которые способствуют снижению искажений на этапе формирования звукового фронта непосредственно от мембраны. Именно здесь формируется потенциально максимально возможный уровень разрешения излучателя. Это параметры равномерности магнитного поля и передачи его без искажений (акустическая открытость/акустическая тень), а также характеристика «зонального демпфирования» и избытка давления. Параметры устранения последствий искажения волнового фронта в виде элементов рупора — должны оцениваться как менее значимые. Примечание: мы прекрасно понимаем, что предлагаемый набор инструментов сравнения далек от идеального. Поэтому конечно нужно его совершенствовать. Однако сравнения на его основе можно делать уже с достаточной степенью объективности. Рассмотрим, какие есть технические решения в интересующем нас направлении в виде патентов (или реальных наушников), и дадим им оценку о степени эффективности этих решений. В качестве «точки отсчета» возьмем некую условную «традиционную изодинамику», выполненную из стержневых магнитов квадратного или прямоугольного сечения (ширина больше высоты), расстояние между магнитами близкое к ширине магнитов. Оценим равномерность магнитного поля на симуляторе: Для «традиционной изодинамики» K(B) = (0,65-0,38)/0,65 x 100% = 41% Широкие магниты и плоская поверхность — 1 балл (наихудший показатель) по оценке проблемы избытка давления внутри излучателя. Коэффициент акустической тени К(АТ) = 40-50% в подавляющем большинстве конструкций. Ниже он только у винтажных конструкций с цельными перфорированными магнитами, а также с магнитами, установленными в перфорированные рамки с маленткими отверстиями (типа Fostex t50rp или отдельных моделей от DanClark). Оценка решения проблем дифракции: 1 балл(средняя щель) + 1 балл (средняя ширина магнита) + 0 баллов (нет рупора) = 2 балла. Самый старый из патентов на эту тему для планарных излучателей. К сожалению, он не нашел своего воплощения в каких-либо изделиях, предлагаемых на продажу, но заложенные идеи как минимум любопытные. На каждом магните предусмотрены «полюсные наконечники», которые вместе с магнитами образуют «аэродинамически гладкую конструкцию». «Полюсные наконечники» — выполнены как магнитопровод и кроме функции улучшения акустических свойств — меняют картину силовых линий магнитного поля. Элементы крепления поперек магнитов также имеют «гладкое сечение». Таким образом, довольно эффективно решаются проблемы, связанные с избытком давления в излучателе и дифракцией — за счет такой обтекаемой формы. Но общая открытость конструкции остается на обычном уровне — не более 40-50% площади мембраны. Коэффициент неравномерности магнитного поля K(B) = (0,29-0,1)/0,29 х 100% = 65% Это очень много, даже в сравнении с традиционной конструкцией. Широкие магниты и скругленная поверхность — 2 балла (проблема избытка давления внутри излучателя решена хорошо). Коэффициент акустической тени К(АТ) = 40-50% (на уровне «обычной изодинамики»). Оценка решения проблем дифракции: 1 балл(средняя щель) + 1 балл (средняя ширина магнита) + 1 балл (есть рупор) = 3 балла. Следующий (по линии времени) патент по данной теме принадлежит уважаемой фирме Audeze и касается он такого элемента конструкции, который получил название «фазоры». Суть конструкции в том, что применены похожие на то, что есть в патенте от 1959 года.  «Антидифракционные структуры» по форме и сути практически аналогичны. Принципиальная разница в том, что здесь они не являются частью магнитной системы или магнитопровода, не формируют магнитное поле, а выполнены из пластика. В патенте предусмотрены варианты расположение над магнитами и под ними. Однако в изделиях на продажу со стороны магнитов «фазор» не ставится, так как при этом мембрана слишком далеко от магнитов и у излучателей сильно снижается чувствительность. Неравномерность магнитного поля в области токопроводящих дорожек зависит от примененного типа магнитной системы и колеблется от 15 до 90% в конкретных изделиях. Для примера — симуляция магнитной системы под названием fluxor от Audeze: Она дает существенный прирост в силе магнитной индукции и соответственно чувствительности. Но при этом магнитное поле с ярко выраженным острым пиком и крайне высокой неравномерностью магнитного поля в области дорожек. Но мы этот фактор не станем рассматривать в сравнительных оценках, а примем его «равным» традиционной конструкции, поскольку само это решение с «фазором» может быть использовано с любыми типами магнитных систем. Стоит однако отметить, что по сути «фазор» является давно известным и широко применяемым в аудиотехнике «акустическим рупором». Итак: Коэффициент неравномерности магнитного поля примем равным «традиционной изодинамике», поскольку решение никак не касается магнитного поля. K(B) = (0,29-0,1)/0,29 х 100% = 41% Широкие магниты и плоская поверхность — 0 балла (проблема избытка давления внутри излучателя не решается). Коэффициент акустической тени К(АТ) = 40-50% (на уровне «обычной изодинамики»). Оценка решения проблем дифракции: 1 балл(средняя щель) + 1 балл (средняя ширина магнита) + 1 балл (есть рупор) = 3 балла. Еще одна похожая по принципу работы конструкция (акустические рупоры) запатентована Mrspeakers (Dan Clark). Здесь присутствуют акустические структуры, решающие проблемы дифракции. По сути панель, состоящая и из множества мини-рупоров, обращенных как к мембране, так и  от нее. Решение никак не затрагивает эффективность магнитной системы (она на уровне традиционной). Поэтому Коэффициент неравномерности магнитного поля примем равным «традиционной изодинамике», K(B) = 41% Коэффициент акустической тени К(АТ) = 70-75%. Конструктив излучателей очень закрытый относительно «обычной изодинамики», излучение звука происходит через отверстия небольшого диаметра. Несмотря на то, что внутри около отверстий присутствуют частичные скругления, при таком высоком уровне акустической тени — проблему избытка давления можно оценить несколько хуже, чем у «традиционной изодинамики», несмотря на внутренние «рупорные структуры». Пусть 0,5 балла. Оценка решения проблем дифракции: 0 балла(малые отверстия) + 0 баллов (большая закрытость) + 1 балл (есть рупор) = 1балл. Следующие далее относительно свежие патенты связаны не только с акустическими параметрами магнитных систем, но и затрагивают конфигурацию магнитного поля. Суть патента в применении цилиндрических магнитов: Коэффициент неравномерности K(B)= (0,55-0,45)/0,55 х 100% = 18,2% — кратно лучше, чем всех предыдущих вариантов. Широкие магниты и скругленная поверхность — 1 балл по оценке проблемы избытка давления внутри излучателя. Коэффициент акустической тени К(АТ) = 40-50%. Оценка решения проблем дифракции: 1 балл(средняя щель) + 1 балл (средняя ширина магнита) + 1 балл (есть рупор) = 3 балла. Суть патента в применении трапециевидных или полуцилиндрических магнитов, обращенных сужающейся частью к диафрагме. Технически наиболее эффективным здесь является решение с полуцилиндрами, которые и используются в изделиях, поэтому оценим только его. Коэффициент неравномерности поля K(B) = (0,41-0,27)/0,41 х 100% = 34% Для оценки в симуляторе мы использовали пропорции, которые зафиксированы в патенте. Если уменьшить промежутки между магнитами, то К(В) будет снижаться, а К открытости увеличиваться. Проблема избытка давления и демпфирования мембраны решается хорошо за счет отсутствия плоских поверхностей, обращенных к мембране. Широкие магниты и скругленная поверхность — 2 балла. Акустическая тень — К(АТ) = 50-60%. Оценка решения проблем дифракции: 1 балл(средние отверстия) + 1 баллов (средняя закрытость) + 0 баллов (нет рупора) = 2балла. Фирма HiFiMan и широко рекламируемые стелс-магниты. В гугл-переводе патента «Invisible magnet structure» Суть патента в применении магнитов разных сечений, где есть одна плоская сторона, обращенная к мембране, и «фигурная сторона», обращенная к уху. Есть несколько вариантов, самая технически интересная — это тоже полуцилиндрическая форма, как и в патенте Kennerton. Однако формулы этих патентов не пересекаются, так как разная физическая основа. У Кеннертон — это снижение паразитного давления внутри излучателя и улучшение магнитных характеристик. У Hi-FiMan же по сути — только функция рупора. Коэффициент неравномерности K(B)= (0,52-0,28)/0,52 х 100% = 46% —  ниже уровня «традиционного решения» и заметно хуже решения от Кеннертон и Sennheiser. Проблема избытка давления и демпфирования мембраны: широкие магниты и плоская поверхность — 1 балл (наихудший показатель). Акустическая тень — К(АТ) = 50-60%. Оценка решения проблем дифракции: 1 балл(средние отверстия) + 1 баллов (средняя закрытость) + 1 балл (есть рупор) = 3балла. Суть патента в том, что узкие магниты расположены вертикально и между ними увеличенные  промежутки. В патентной формуле прописаны пропорции сечений магнитной системы: высота > 1,25 х ширины магнита расстояние между соседними магнитами > 1,25 x ширина магнита. Пример пропорций магнитной системы, основанной на этом патенте: Кроме этого, предусмотрены разные формы сечения магнита, вписанного в прямоугольник: овал/элипс, каплевидная форма, ромб, произвольный многоугольник. Рассмотрим два примера реализации магнитной системы на основе этого патента: Snorry c магнитами прямоугольного сечения. Неравномерность поля низкая, существенно лучше, чем всех рассмотренных ранее вариантов. К(B) = (0,24-0,22)/0,24 х100% = 8% Проблема избытка давления и демпфирования мембраны: узкие магниты с широкими промежуткам и плоская поверхность — 3 балла. Акустическая тень — К(АТ) = 30%. Оценка решения проблем дифракции: 1 балл(средние отверстия) + 1 баллов (средняя закрытость) + 1 балл (есть рупор) = 3балла. Оценка проблем дифракции: широкая щель — 2 балла, узкая ширина магнитов — 2 балла, отсутствие рупора — 0 баллов. Итого 4 балла. Отдельного рассмотрения заслуживает решение по патенту RU158852 с магнитами эллиптического сечения. К(B) = (0,14-0,13)/0,14 х100% = 7% Проблема избытка давления и демпфирования мембраны: узкие магниты с широкими промежуткам и широкие магниты и скругленная поверхность — 4 балла. Акустическая тень (для конкретного примера) — К(АТ) = 20%. Оценка проблем дифракции: широкая щель — 2 балла, узкая ширина магнитов — 2 балла, наличие рупора — 1 балл. Итого 5 баллов. Напомним, что в данной статье, мы не оцениваем конкретные наушники, не сравниваем качество из звучания, дизайн, эргономику и проч. Мы сравниваем только технический уровень патентных решений, которые лежат в основе конструкции излучателей. Для наглядности сравнительных оценок соберем все рассмотренные данные в таблицу. (низкий балл — наихудшая оценка, высокий балл — наилучшая оценка). В обоих вариантах от Snorry, по сравнению со всеми остальными, все процессы преобразований звукового волнового фронта сведены к минимуму на уровне возможностей их возникновения. Показатели равномерности магнитного поля (а значит и контроля) движения мембраны — существенно выше. Следовательно, реальная разрешающая способность излучателей на основе таких магнитных систем — ВЫШЕ. Это реализовано на уровне принципов примененных технических решений. Приятно осознавать, что техническая мысль не стоит на месте и что буквально последние несколько лет наблюдается «бум» новых интересных разработок в планарных излучателях. Не менее приятно осознавать, что в процессе участвуют и отечественные разработчики. Причем стоит отметить — 3 из 4 лучших технических решений по рассмотренным в этой статье вопросам — РОССИЙСКИЕ, и все они носят характер разработок, опережающих мировой уровень. Наивысший технический уровень и потенциал — у конструкции Snorry (патент RU158852, приоритет от 22.05.2015) — магнитная система с узкими магнитами овального/эллиптического сечения и широкими промежутками между ними.  Звук как искусство