Historie badawczo-rozwojowe: rola rezonansu w klarowności dźwięku

Lata badań prowadzonych przez ClarityCap, producenta kondensatorów audio, oraz brytyjski Instytut Akustyki na Uniwersytecie w Salford, miały na celu zbadanie, w jaki sposób rezonans korpusu kondensatora w obwodzie zwrotnicy głośnika ma słyszalny wpływ na jakość dźwięku. W artykule szczegółowo opisano szeroko zakrojone badania, pomiary i wnioski, które pozwoliły udoskonalić proces produkcyjny, minimalizując rezonanse w kondensatorach.

Wszystko zaczęło się od dwuletniego programu badawczego Knowledge Transfer Partnership (KTP) prowadzonego przez producenta kondensatorów audio, firmę ClarityCap, i brytyjski Instytut Akustyki na Uniwersytecie w Salford, w ramach którego oceniano wpływ komponentów zwrotnicy głośników na jakość dźwięku. Wniosek był taki, iż nie było mierzalnych elektrycznie różnic pomiędzy standardowymi kondensatorami przemysłowymi i audio.

Choć wynik ten był zaskakujący, badania kontynuowano i ustalono, iż to rezonans kondensatora w obwodzie zwrotnicy miał słyszalny wpływ na jakość dźwięku.

Oryginalne badania były wszechstronne i dokładne. Testom poddano ponad 350 metalizowanych kondensatorów foliowych z polipropylenu. Obejmowały one mieszankę audio i standardowych kondensatorów przemysłowych dostępnych na otwartym rynku, a także niestandardowe kondensatory o różnych parametrach projektowych.

Każdy pojedynczy kondensator poddano łącznie 819 pomiarom elektrycznym przy częstotliwościach do 40 kHz. Celem tych testów było określenie, jak częstotliwość zmienia parametry kondensatora, które obejmują równoważną rezystancję szeregową (ESR), pojemność i współczynnik strat tan delta. Testy te nie dały jednak jednoznacznych wyników.

ESR wszystkich testowanych kondensatorów zmierzono w przedziale od 5 mR do 15 mR przy 1 kHz, co jest wartością pomijalną w typowym obwodzie zwrotnicy i okablowaniu głośnika. Nie zaobserwowano również żadnych anomalii elektrycznych ani odchyleń od przewidywanych wartości, a pojemność i tan delta również odpowiadały przewidywanym krzywym. Wreszcie nie stwierdzono znaczących różnic w proporcjach komponentów, grubości folii ani choćby kosztach.

Badanie rezonansu

Po ścisłej współpracy z kilkoma producentami głośników ClarityCap i Instytut Akustyki kontynuowały badania, aby zrozumieć, w jaki sposób adekwatności komponentów zwrotnicy głośników wpływają na reprodukcję dźwięku.

Obwód zwrotnicy służy do podziału przychodzącego sygnału audio głośnika na podzakresy widma audio. Różne typy zwrotnic są określane na podstawie charakterystyki nachylenia i opadania każdego wyjścia zwrotnicy.

Podczas badań odkryto, iż zastosowanie napięcia, stanów nieustalonych i prądu przemiennego przez kondensator może powodować rezonans uzwojeń.

Rezonans ten mierzono dzięki przemiatanej fali sinusoidalnej i wzbudzenia impulsowego dzięki mikrofonu instrumentalnego i obserwowano go w górnym paśmie częstotliwości audio pomiędzy 10 kHz a 30 kHz. Rezonans częstotliwościowy pokazano na rysunku 1. Średnia amplituda różniła się w zależności od tego, który kondensator był testowany, a w przypadku większości kondensatorów emisje były wyraźnie słyszalne.

Następnie zespół badawczy użył wibrometru skanującego laserowo do przeskanowania wielu punktów na powierzchni kondensatora, aby zapewnić dokładny pomiar przemieszczenia powierzchni. Wygenerowane trójwymiarowe wykresy przedstawiały ruch powierzchni. Nakładając te wykresy na obrazy wykonane z kamery wideo, możliwe było zidentyfikowanie części kondensatora, w których występowały zaburzenia powierzchni.

Obecność trybu rezonansowego została pokazana poprzez punkt węzłowy pośrodku korpusu kondensatora na rysunku 2 oraz obszary korpusu kondensatora, które wykazały maksymalne przemieszczenie powierzchniowe, pokazane na rysunku 3. O ile wcześniejsze badania nie wykazały żadnej różnicy w pomiarach elektrycznych lub akustycznych skanowanie dzięki wibrometru wykazało, iż rezonans mechaniczny różni się w zależności od poszczególnych kondensatorów.

Transformacja kontroli rezonansu

Sygnaturę rezonansową każdego kondensatora określają wymiary fizyczne, a także adekwatności materiału i procesy stosowane do produkcji kondensatora. Kolejnym etapem badań była ocena, czy rezonans mechaniczny spowodował zmianę jakości odtwarzanego dźwięku.

Różnica w dźwięku wytwarzanym przez dwa różne metalizowane kondensatory foliowe w obwodzie sterownika wysokiej częstotliwości zwrotnicy pierwszego rzędu jest bardzo niewielka. Możliwe, iż różnicę tę wykryje jedynie słuchacz przeszkolony w krytycznej ocenie i opracowywaniu systemów audio. Wielogodzinne testy odsłuchowe były niezbędne do zweryfikowania wpływu rezonansu mechanicznego na jakość odtwarzania dźwięku.

Na potrzeby tych testów ClarityCap i Instytut Akustyki Uniwersytetu w Salford przeprowadziły łącznie 33 ślepe testy odsłuchowe. Wyniki wykazały, iż kondensatory zoptymalizowano pod kątem redukcji rezonansu odtwarzanego dźwięku, zapewniając większą klarowność i informację przestrzenną.

Eksperymenty w zakresie projektowania, a także procesów produkcyjnych pozwoliły zidentyfikować dwie zmienne produkcyjne, które wyróżniają się pod względem minimalizowania rezonansu kondensatora. ClarityCap wykorzystał badania do opracowania zoptymalizowanej serii kondensatorów, które zaprojektowano w celu zmniejszenia rezonansu. Seria kondensatorów SA już wykazywała niski rezonans, ale został on dodatkowo zoptymalizowany w celu osiągnięcia redukcji rezonansu o 4,3 dB i wprowadzenia serii kondensatorów Enhanced SA (ESA).

Zastosowano standardowy proces produkcyjny, ze szczególnym uwzględnieniem zmiennych produkcyjnych. Metalizację z czystego aluminium nałożono na rolkę folii polipropylenowej dzięki systemu osadzania próżniowego, a rolkę rozcięto w celu nawinięcia na szybkobieżną nawijarkę w czystym pomieszczeniu z filtrem 5 µm. Nałożono metaliczną warstwę stykową, zwaną schoopage, przed poddaniem kondensatorów obróbce cieplnej w celu usunięcia obszarów naprężeń w uzwojeniu i usunięcia wszelkich pozostałych kieszeni powietrznych. Proces ten utwardził również uzwojenie po jego ochłodzeniu do temperatury pokojowej.

Wady uzwojenia zostały usunięte poprzez proces oczyszczania, podczas którego podawane jest wysokie napięcie. Pozwoliło to oczyścić obszary, w których występowały nieodłączne problemy z powłoką lub metalizacją, lub zanieczyszczenia, które zostały wychwycone podczas procesu nawijania lub budowania. Zastosowano proces oczyszczania, aby skutecznie odparować bardzo mały obszar metalizacji. Kolejnym etapem było wybranie wzoru metalizacji, który mógłby zminimalizować rezonans.

Wzór metalizacji jest zwykle dostosowywany do różnych napięć, prądów znamionowych lub ESR, a także w celu zwiększenia bezpieczeństwa poprzez działanie jako bezpiecznik. W standardowym uzwojeniu jedna metalizowana folia jest nawinięta na drugą, tworząc dwa równoległe przewodniki z oddzielnym dielektrykiem. Jednak ClarityCap zastosował wzór metalizacji, który jest szeroko stosowany w przemyśle, ale nie do produkcji kondensatorów audio. Spowodowało to podzielenie aktywnych sekcji kondensatorów na mniejsze sekcje i zmniejszenie całkowitego rezonansu, jak pokazano na rysunku 4.

Do produkcji serii kondensatorów o minimalnym rezonansie (MR) zastosowano wzór metalizacji, w wyniku czego uzyskano zmniejszony rezonans przy minimalnym wpływie na wartość ESR.

Rola żywicy i miedzi

Chociaż minimalizacja rezonansu była początkiem transformacji w zapewnianiu jakości dźwięku, dodano inne technologie w celu poprawy propagacji sygnału, a także zmniejszenia zniekształceń i przesunięcia fazowego.

Testy twardości przeprowadzone w laboratorium lotniczym wykazały, iż standardowa żywica poliuretanowa może zapewnić pewne tłumienie, ale pozostaje zbyt miękka, aby ograniczyć przemieszczenie w kondensatorze. Zastosowanie żywicy epoksydowej zapewniło najlepsze rezultaty, zapewniając niższy poziom tłumienia, ale umożliwiając kondensatorowi poprawę jakości dźwięku poprzez osiągnięcie doskonałego ograniczenia przemieszczenia.

Kolejną nowością było dodanie 1 mm siatki miedzianej osadzonej na obu końcach kondensatora. Technologia CopperConnect poprawiła interfejs elektryczny pomiędzy przewodem kondensatora a elektrodami kondensatora, które są natryskiwane cynkiem. Spowodowało to zmniejszenie przejść granicznych ziaren na końcach kondensatora, a wprowadzenie węższych folii zapewniło niższy ESR. Kolejną korzyścią było to, iż miedziane przewody o przekroju 1,0 mm2 nie zawierały tlenu.

Wzór metalizacji o minimalnym rezonansie i technologia CopperConnect zostały początkowo połączone w kondensatorach CMR, a następnie w najnowszych kondensatorach Purity, które dodały więcej usprawnień, jak pokazano na rysunku 5.

Oprócz wydłużenia siatki CopperConnect do 10 mm, kondensatory Purity osiągają napięcie do 800 V DC i dodają posrebrzany, wielożyłowy kabel Van den Hul, patrz rysunek 6. Ten kabel jest już używany przez wiele głośników high-end producentów i zapewnia łatwą ścieżkę dotarcia wysokich częstotliwości do głośnika wysokotonowego, aby zapewnić wierną reprodukcję dźwięku.

Oznacza to połączenie tych innowacji Kondensatory czystości zwiększ napęd głośnika wysokotonowego i przekształć reprodukcję w bardziej dopracowaną górę. We wczesnych testach odsłuchowych inżynierowie dźwięku ocenili, iż Purity zapewnia znacznie niższy poziom szumów, więcej „ciemnej przestrzeni” wokół sygnału audio i lepszy zakres dynamiki. Cechy te zapewniają większą klarowność reprodukcji dźwięku, a także lepszą separację przestrzenną poszczególnych instrumentów i wokali. Standardowa tolerancja ą3% umożliwia również ścisłą kontrolę zwrotnicy.

Nowe kondensatory są już stosowane w zwrotnicach kilku producentów głośników high-end. Rozwój trwa i wprowadzimy więcej innowacji, aby kondensatory przez cały czas odgrywały kluczową rolę w zapewnianiu najwyższego osiągalnego poziomu słyszalnej wydajności. topór

Zasoby
„Rezonans kondensatora”, Charcroft Electronics, Ltd., www.claritycap.co.uk/research

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w audioXpress w styczniu 2024 r

o autorze
Roger Tall jest dyrektorem ClarityCap i Charcroft Electronics i od najmłodszych lat interesował się dźwiękiem i muzyką. W latach 80. tworzył składanki, a następnie zajmował się inżynierią dźwięku podczas wydarzeń na żywo i produkował zoptymalizowany, dobrze zmiksowany i zrównoważony dźwięk przy użyciu analogowych i cyfrowych stołów mikserskich. Oprócz chodzenia na lokalne koncerty z muzyką na żywo Roger przyznaje, iż ma w domu trzy systemy hi-fi. Wsparcie techniczne, którego Roger udziela producentom wysokiej klasy sprzętu audio, zaczyna się od wyboru odpowiedniego kondensatora do każdego zastosowania i obejmuje myślenie lateralne, które pozwala śledzić rozwój aż do wprowadzenia na rynek i później.