Membrana głośnika – materiały, budowa i wpływ na brzmienie

Membrana porusza powietrze. Tylko ona w całym torze robi to dosłownie: wzmacniacz podaje prąd, magnes i cewka zamieniają go na ruch, ale dźwięk powstaje dopiero wtedy, gdy powierzchnia membrany wypycha i zasysa powietrze przed głośnikiem. Dlatego materiał, kształt i masa tego kawałka papieru albo tworzywa ważą dla brzmienia więcej niż niejeden komponent elektroniczny za kilka tysięcy złotych.

Jak membrana zamienia prąd na dźwięk

Głośnik jest przetwornikiem elektroakustycznym, czyli urządzeniem przekształcającym prąd elektryczny w falę akustyczną. Zakres częstotliwości, w którym robi to proporcjonalnie do napięcia, nazywamy pasmem przenoszenia.

W najpopularniejszej konstrukcji dynamicznej w polu magnetycznym magnesu umieszcza się cewkę, przez którą płynie prąd. Magnes i przewodnik z prądem wprawiają cewkę w ruch, a cewka łączy się sztywno z membraną. Zawieszenie prowadzi ją osiowo, żeby nie ocierała o magnes. Ten układ opracowali w 1924 roku Chester Rice i Edward Kellogg z General Electric. Sto lat później nic go z rynku nie wyparło.

Membrana nie jest jednak obowiązkowa. W głośnikach elektrostatycznych jej rolę pełni naelektryzowana folia z napyloną warstwą metaliczną, na którą działają dwie perforowane elektrody po obu stronach. Przetworniki piezoelektryczne wykorzystują zmianę wymiarów materiału pod wpływem pola elektrycznego i trafiają do głośników wysokotonowych oraz ultradźwiękowych. Są nawet głośniki plazmowe, w których dźwięk powstaje ze zmian ciśnienia wywołanych zmianami temperatury łuku elektrycznego, bez żadnej ruchomej powierzchni.

Trzy właściwości, które decydują o brzmieniu

O charakterze membrany przesądzają jej masa, sztywność, tłumienie wewnętrzne i geometria. Te cechy ciągną konstruktora w różne strony:

• Masa – im niższa, tym szybsza odpowiedź impulsowa i większa detaliczność.
• Sztywność – im większa, tym mniejsze zniekształcenia przy wysokim ciśnieniu akustycznym.
• Tłumienie wewnętrzne – im lepsze, tym mniej rezonansów własnych i mniej ostrości w brzmieniu.

Materiał idealny byłby jednocześnie lekki, sztywny i dobrze tłumiony. Taki nie istnieje. Każdy wybór jest kompromisem, dlatego zestawy z membranami z tego samego surowca potrafią brzmieć zupełnie inaczej, zależnie od tego, który parametr konstruktor uznał za ważniejszy.

Materiały membran i ich charakter

Papier wciąż wygrywa rynek. Membrany oparte na celulozie to około 85 procent wszystkich membran sprzedawanych na świecie, a dobrej jakości przetworniki nisko- i średniotonowe powstają zwykle z papieru, papieru kompozytowego i laminatów. Powodów jest kilka. Właściwie dobrany gatunek celulozy nieźle tłumi drgania własne, ma korzystny stosunek masy do wytrzymałości i kosztuje mało w porównaniu z materiałami syntetycznymi. Od lat dwudziestych do siedemdziesiątych XX wieku papier, pulpa celulozowa i impregnowany kompozyt papierowy nie miały właściwie konkurencji.

Po inne materiały sięga się wtedy, gdy potrzebna jest większa moc albo mniejsza deformacja membrany przy dużych głośnościach.

W kartach katalogowych pojawiają się też materiały rzadsze:

• tworzywa i włókna – Mylar, jedwab, włókno szklane, włókno drzewne,
• metale i stopy – tytan, nikiel, beryl, stop aluminiowo-magnezowy.

Sama nazwa surowca niczego nie obiecuje. Dobrze zaprojektowany głośnik papierowy potrafi przewyższyć konstrukcję z materiału o wiele bardziej egzotycznego.

Kształt i średnica, czyli czego nie widać w opisie

Membranę papierową formuje się z pulpy celulozowej przez prasowanie na gorąco, metalowym stemplem i matrycą; nadmiar wody odprowadzają otwory w sitach. O kształcie i użebrowaniu gotowego elementu decyduje sama forma do tłoczenia, a nie późniejsza obróbka.

Użebrowanie, czyli szereg przetłoczeń na obwodzie, chroni membranę przed deformacją przy sygnałach dużej mocy i ogranicza jej dzielenie się na wyższych częstotliwościach. Głośniki subbasowe pracują w wąskim paśmie, więc częściej mają membrany gładkie, ale ukształtowane nie jako prosty stożek, tylko z krzywizną wykładniczą.

Średnica też nie jest przypadkowa. Im wyższa częstotliwość, tym mniejsza powinna być membrana, dlatego przetworniki średniotonowe robi się cieńsze i lżejsze od niskotonowych. Ta sama średnica nie przesądza jednak o przeznaczeniu głośnika. Konstrukcje piętnastocalowe powstają i jako subbasowe, i jako nisko-średniotonowe, na identycznych koszach, a różnicę robią właśnie membrana i zawieszenia. Delikatniejsza wersja wstawiona do paczki basowej zwykle szybko się niszczy.

Wbrew wrażeniu kruchości dobrze wykonana membrana jest zaskakująco wytrzymała. Dwie membrany osiemnastocalowe, każda o masie poniżej 100 gramów i grubości około 1,5 milimetra, wytrzymują statyczne obciążenie 50 kilogramów.

Zawieszenie, czyli druga połowa układu drgającego

Membranę trzyma w koszu zawieszenie górne i dolne, nazywane też resorem. To ono pozwala jej poruszać się w przód i w tył, a od jego jakości w największym stopniu zależy prawidłowe prowadzenie cewki w szczelinie. Zawieszenie godzi dwa sprzeczne wymagania: daje membranie odpowiednią amplitudę wychyleń i jednocześnie tłumi jej drgania.

W sprzęcie domowym spotyka się głównie dwa rozwiązania. Guma jest trwała, stabilna przez lata i twardsza, więc lepiej kontroluje bas. Pianka poliuretanowa jest bardzo miękka, przez co bas schodzi niżej, ale po dziesięciu do dwudziestu lat zaczyna się kruszyć. Wymiana takiego zawieszenia, nazywana refoamingiem, przywraca kolumnom pełną sprawność.

W nagłośnieniu estradowym pianka pojawia się rzadko. Dominują tam zawieszenia z tkaniny, w katalogach oznaczane skrótem CE od angielskiego cloth edge. Przeciwieństwem jest resor wycięty z materiału samej membrany, opisywany jako PE od paper edge i znany z głośników gitarowych. To drugie rozwiązanie ma wadę, o której warto wiedzieć przy kupnie używanego pieca: papierowe zawieszenie z czasem mięknie, a rezonans własny przetwornika zmienia się w trakcie eksploatacji.

Parametry membrany w karcie katalogowej

Producenci opisują układ drgający zestawem skrótów, które przy zakupie mówią więcej niż nazwa materiału:

• Sd – czynna powierzchnia membrany w metrach kwadratowych; odpowiada za ilość wypychanego powietrza.
• Mms – masa układu drgającego w kilogramach, czyli membrana razem z cewką i częścią zawieszeń.
• Xmax – maksymalne liniowe wychylenie membrany w jedną stronę, podawane w milimetrach.
• Xlim – wychylenie graniczne z mechanicznego punktu widzenia, powyżej którego zaczynają się uszkodzenia.
• Cms – podatność mechaniczna zawieszeń, górnego i dolnego.
• Rms – rezystancja mechaniczna, opisująca straty z tarcia wewnętrznego w zawieszeniach.

Sd zestawione z Xmax pokazuje, ile powietrza głośnik przesunie, zanim wejdzie w zakres nieliniowy. Mms tłumaczy z kolei, czemu dwa przetworniki o tej samej średnicy mają zupełnie różną skuteczność.

Typowe uszkodzenia membran i co z nimi zrobić

Membrany o dużej średnicy przełamują się najczęściej w okolicach cewki, bo tam naprężenia materiału są największe. Przyczyną bywa zły gatunek celulozy, źle zaprojektowane wzmocnienia albo brak powtarzalności w produkcji, a nie sposób użytkowania.

Dwa najczęstsze błędy przy samodzielnej naprawie kosztują zwykle więcej niż komplet naprawczy. Pierwszy to podklejanie pękniętej membrany – na dłuższą metę nie działa, więc przy takiej awarii sensowna jest wymiana całego kompletu. Drugi to usztywnianie górnego resoru preparatami bitumicznymi, po którym całe zawieszenie pęka, a głośnik nadaje się już tylko do generalnego remontu.

Jeśli awaria powtarza się w mało używanych głośnikach i nie jest przypadkiem jednostkowym, źródłem kłopotu bywa wada fabryczna danego typu przetwornika. Wtedy rozsądniej zrezygnować z modelu, niż naprawiać go po raz kolejny.

Membrany mikrofonów, czyli ta sama zasada odwrócona

Mikrofon to głośnik działający w drugą stronę. Fala dźwiękowa porusza cienką elastyczną membranę, a jej ruch zamienia się w sygnał elektryczny. Membrany mikrofonowe są przy tym znacznie cieńsze i bardziej giętkie od głośnikowych, bo muszą reagować na fale o niskiej amplitudzie.

W konstrukcji dynamicznej membrana siedzi na cewce umieszczonej w polu magnetycznym, a jej drgania wywołują napięcie na zaciskach cewki. W mikrofonie pojemnościowym membrana pełni funkcję jednej z okładek kondensatora i współpracuje z drugą, nieruchomą elektrodą. Zmiana odległości między nimi zmienia pojemność układu. Taka membrana potrzebuje potencjału rzędu 48 V, który dostarcza zasilanie fantomowe dostępne w większości mikserów.

To samo słowo poza torem audio

Poza akustyką słowo membrana znaczy coś zupełnie innego. W technice separacyjnej jest to fizyczna bariera pozwalająca rozdzielać i zatężać składniki na poziomie molekularnym lub jonowym, bez dodawania chemikaliów do oczyszczanego strumienia. Stąd membrany w uzdatnianiu wody, filtracji i separacji gazów. Z membraną głośnikową łączy je wyłącznie nazwa i intuicja cienkiej przegrody, a nie zasada działania.

Najczęściej zadawane pytania

Z czego zrobić membranę?

Membrany głośników nisko- i średniotonowych powstają najczęściej z papieru, papieru kompozytowego i laminatów, a także z polipropylenu i włókien polipropylenowych. Samodzielne wykonanie membrany w domu nie wchodzi w grę: pulpę celulozową formuje się przez prasowanie na gorąco w metalowej formie, która nadaje kształt i użebrowanie. Praktyczną drogą pozostaje zakup gotowego kompletu naprawczego dopasowanego do konkretnego modelu głośnika.

Jak naprawić uszkodzoną membranę w głośniku?

Wszystko zależy od rodzaju uszkodzenia. Jeśli skruszało piankowe zawieszenie, a sama membrana jest cała, pomaga refoaming, czyli wymiana zawieszenia; kolumny odzyskują po nim pełną sprawność. Pękniętej membrany nie warto podklejać, bo efekt utrzymuje się krótko, a jedynym trwałym rozwiązaniem jest wymiana całego kompletu naprawczego. Usztywnianie resoru preparatami bitumicznymi kończy się popękaniem zawieszenia.

Jakie są zastosowania membran?

W technice audio membrana zamienia prąd na falę akustyczną w głośniku i falę akustyczną na sygnał w mikrofonie. Wariantem bez napędu jest membrana bierna: nie ma cewki i drga pod wpływem ciśnienia powietrza w obudowie, pełniąc funkcję podobną do bas-refleksu, tyle że bez szumu i z możliwością precyzyjnego strojenia w małych obudowach. Poza akustyką membrany służą jako bariery separacyjne w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu gazów.

Źródła:

• Wikipedia – Głośnik
• Wikipedia – Mikrofon
• Akustyka.pl – Parę słów o membranach głośnikowych
• RAS77 – Membrany głośników: materiał, historia, brzmienie i technika
• Muzyka i Technologia – Budowa i serwisowanie głośników: membrany i zawieszenia
• Wigo – Techniczne aspekty procesów membranowych