Tonsil Bio-speaker

Membrana z modyfikowanej celulozy bakteryjnej do przetworników elektroakustycznych.

Pomysł na przetwornik elektroakustyczny był znany już ponad 70 lat. Czy można było jeszcze wymyślić coś nowego w dziedzinie budowy głośników?

W Tonsilu, zespół inżynierów i projektantów dźwięku wraz z naukowcami z Instytutu Włókien Chemicznych w Łodzi, wymyślił „membranę z modyfikowanej celulozy bakteryjnej do przetworników elektroakustycznych". Wynalazek został zaprezentowany po raz pierwszy w dniach 15-20 listopada 2000 r. na Europejskim Salonie Wynalazczości w Brukseli.

Aby w pełni zrozumieć znaczenie tego wynalazku, krótkie tło teoretyczne.

Było wiele powodów, dla których projektanci głośników z całego świata prowadzili od lat badania nad głośnikiem średniotonowym, który jest jednocześnie tweeterem, tzn. odtwarza dźwięk w zakresie od kilkuset Hz do około 40 kHz.

Aby osiągnąć ten cel najpierw musiał powstać "doskonały" materiał membranowy. "Doskonały" w tym przypadku oznacza: posiadający wysoką sztywność, bardzo małą masę i wysokie tłumienie wewnętrzne. Wszystkie istniejące materiały używane w produkcji membrany mają jedną lub w najlepszym przypadku te dwie ważne funkcje, ale nie wszystkie trzy naraz. Naukowcy z Instytutu Włókien Chemicznych wynaleźli nowy "doskonały" materiał, który idealnie pasował do powyższego wzorca. Nazywał się „Bioceluloza”. Był produkowany przez wybrane gatunki bakterii. Proces produkcji membrany prowadzony był w sterylnych warunkach i dokładnie kontrolowany. W strukturze chemicznej, celuloza zawierała aminoglukozę i dodatkowo została zmodyfikowana przez mikrokryształy chitozanu. Ten materiał został wykorzystany przez projektantów głośników Tonsila, którzy zdołali zaprojektować i wyprodukować membranę, która zamontowana na głośnik, wykazała wybitne parametry elektroakustyczne - bardzo szeroki zakres częstotliwości (300 Hz - 42 kHz) na wysokim poziomie, przekraczającym 91 dB. Tonsil uzyskał wspaniałą reprodukcję dźwięku z nowych głośników.

TONSIL "Bio-speaker" został wyposażony w specjalny system głośników z biocelulozy i bardzo dobrze przyjęty przez międzynarodowe jury w 2000 r. na Europejskim Salonie Wynalazków. Membrany Tonsilu zostały wyróżnione srebrnym medalem.

Poniższy tekst oraz zdjęcie pochodzi z materiałów reklamowych firmy "Tonsil".

Membrany z bio-celulozy.

Prezentowany głośnik średnio-wysokotonowy jest konstrukcją nowoczesną na skalę światową. Membrana do tego przetwornika z modyfikowanej celulozy bakteryjnej została opatentowana (polskie zgłoszenia patentowe: P- 342956 i P- 342957) i wysoko oceniona przez Międzynarodowe i Belgijskie Jury. Otrzymała srebrny medal na 49 światowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technologii w Brukseli "Eureka 2000" (49th World Fairs of Invention, Researches and New Technology, Brussels "Eureka 2000"). Opracowanie głośnika średnio-wysokotonowego wymagało przeprowadzenia następujących prac:

  • matematyczna analiza promieniowania dźwięku przez idealnie sztywny płaski tłok drgający,
  • optymalizacja kształtu i wymiarów membrany z zawieszeniem przy wykorzystaniu modelowania komputerowego,
  • dobranie parametrów biosyntezy materiału pod membranę,
  • wykonanie odpowiedniej formy do tłoczenia membrany,
  • dobranie parametrów tłoczenia membrany (temperatura, czas prasowania, itp.),
  • odpowiednia konstrukcja obwodu magnetycznego oraz elementów głośnika znajdujących się w polu akustycznym membrany (konstrukcja rdzenia, korpusu cewki, płyty czołowej głośnika),
  • przeprowadzenie badań wytrzymałościowych i klimatycznych.

Rozważania matematyczne wykazały, że zgodnie z teorią promieniowania dźwięku przez element promieniujący oraz teorią jego drgań własnych istnieje możliwość uzyskania głośnika o znacznie lepszych parametrach akustycznych od parametrów produkowanych dotychczas urządzeń, celuloza pochodzenia bakteryjnego jest materiałem, który w dużo większym niż inne stopniu pozwala na zbliżenie się do właściwości tzw. "idealnie sztywnego płaskiego tłoka". Ponadto odpowiednie wykorzystanie drgań własnych tego materiału, które w rzeczywistości zawsze występują, pozwala na dalszą poprawę właściwości akustycznych urządzenia głośnikowego.

Po przeprowadzeniu wielokrotnego modelowania komputerowego, wykonaniu kilku form do tłoczenia, dobraniu parametrów tłoczenia, itp., uzyskano membranę o niespotykanych dotychczas parametrach. Otrzymany kształt i skład bakteryjnej celulozy pozwolił na odpowiednie dobranie rozkładu drgań własnych membrany, a także sposobu promieniowania przez nią dźwięku. Kolejne prace dotyczyły projektowania elementów głośnika znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie membrany. Sporządzono odpowiednie schematy zastępcze układu drgającego w zakresie małych częstotliwości, które pozwoliły na dokonanie optymalizacji dwóch objętości oraz masy akustycznej pod membraną głośnika.

Jak wynika z charakterystyki otrzymano głośnik wysokotonowy wysokiej jakości o wyjątkowo szerokim paśmie przenoszenia: 520 Hz - 22 kHz (- 3 dB), który można określić jako średnio-wysokotonowy. Otrzymano następujące parametry:

  • pasmo częstotliwości (- 3 dB): 520 Hz - 22 kHz,
  • pasmo częstotliwości (- 15 dB): 210 Hz - 42 kHz,
  • impedancja: 8 Ω,
  • efektywność: 91,5 dB,
  • moc znamionowa: 60 W,
  • masa: nie większa niż 0,85 kg.

Sprawdzenie mocy znamionowej przeprowadzono ze zwrotnicą o częstotliwości granicznej 1 kHz i nachyleniu 12 dB/okt. Moc znamionowa na głośniku: 18 W.

Poniżej podano masę membrany średnio-wysokotonowej z celulozy bakteryjnej i dla porównania masę membran średniotonowych i nisko-średniotonowych:

  • Masa membrany średnio-wysokotonowej z modyfikowanej biocelulozy: 284 mg (160 do 400 mg w zależności od grubości i składu).
  • Masa membrany głośników średniotonowych: 700 do 3000 mg.
  • Masa membrany głośników nisko-średniotonowych: 1000 do 5000 mg.

Głośnik średnio-wysokotonowy z modyfikowanej biocelulozy ma bez wątpienia przewagę nad głośnikami średniotonowymi i nisko-średniotonowymi pod względem masy membrany, której wartość w jego przypadku dorównuje głośnikom wysokotonowym.

Należy ponadto zwrócić uwagę na bardzo ważny wskaźnik ze względu na zagadnienie przenoszenia "transjentów”, a mianowicie stosunek pola powierzchni promieniującej do masy membrany. W przypadku głośnika średnio-wysokotonowego z modyfikowanej biocelulozy jest on większy od takiego samego wskaźnika zarówno dla głośników wysokotonowych, jak i średniotonowych i nisko-średniotonowych. Dźwięki odtwarzane są przez ten głośnik w sposób bardzo dynamiczny. Można powołać się tutaj na brzmienie głośników elektrostatycznych, które jest przez wielu słuchaczy uznawane za szczyt osiągnięć technologicznych. W głośnikach takich membrana, o powierzchni większej niż powierzchnia membrany dynamicznego głośnika niskotonowego, odtwarza również tony z okolicy 20 kHz. Nie są znane opinie, że głośniki elektrostatyczne o dużej przecież powierzchni membrany charakteryzują się szczególnie złą "detalicznością". Przeciwnie, uznawane są one za szczególnie "detaliczne". Podobnie można ocenić brzmienie opisywanego tutaj głośnika średnio-wysokotonowego.

Kolejna istotna sprawa to bardzo duży moduł Younga. Głośnik średnio-wysokotonowy pracuje jak tłok sztywny w paśmie akustycznym od zakresu średnich tonów aż do ok. 20 kHz. (tak jak w przypadku wysokotonowych głośników tytanowych, które nie potrafią odtwarzać tonów średnich). Tony średnie i wysokie są odtwarzane przez całą powierzchnię promieniującą głośnika średnio-wysokotonowego drgającą w tej samej fazie. Odtwarzane dźwięki są zatem czyste i również dynamiczne. W przypadku głośników wysokotonowych tkaninowych (np. z membraną jedwabną), membrana wpada w drgania własne już w zakresie od 4 kHz do 10 kHz. Głośniki stożkowe średniotonowe i nisko-średniotonowe odtwarzają praktycznie cały zakres tonów średnich i wysokich dzięki drganiom własnym membrany. Oznacza to, że słyszany dźwięk jest wypadkową dźwięków promieniowanych przez różne części membrany drgające w różnych fazach. Głośnik średnio-wysokotonowy z modyfikowanej biocelulozy realizuje również ideę źródła punktowego, który ma szczególne znaczenie dla tonów średnich wysokich (mała długość fali w porównaniu z wymiarami źródła i dźwięku).

Wymienione powyżej cechy obiektywne są zgodne z subiektywnym odbiorem brzemienia np. ludzkiego głosu, czy też instrumentów akustycznych.

Zestaw głośnikowy z głośnikiem średnio-wysokotonowym.

Głośnik średnio-wysokotonowy pozwala zastąpić w zestawie dwa głośniki wysokotonowy i średniotonowy. Prezentowany poniżej zestaw jest więc dwudrożny, nie zaś trójdrożny. Jest to zestaw głośnikowy z jednym głośnikiem średnio-wysokotonowym umieszczonym na przedniej ścianie zestawu oraz dwoma głośnikami niskotonowymi o średnicy membrany 16 cm rozmieszczonymi na przedniej płycie w układzie D'Appolito powyżej i poniżej głośnika średnio-wysokotonowego. Z przodu w dolnej części umiejscowiono wylot kanału bass-reflex.

Wymiary zestawu:

  • wysokość: 80cm,
  • szerokość: 24cm,
  • głębokość: 27cm.

Zestaw ten był prezentowany na 49 światowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technologii w Brukseli "Eureka 2000", gdzie, jak wspomniano wcześniej, otrzymał medal srebrny.

Wybrane parametry zestawu głośnikowego Tonsil "Bio-speaker":

  • pasmo częstotliwości (- 3 dB): 78 Hz – 22 kHz,
  • pasmo częstotliwości (- 15 dB): 32 Hz - 42 kHz,
  • impedancja: 8 Ω,
  • efektywność: 90 dB,
  • częstotliwość podziału: 800 Hz.

Ograniczenia gabarytowe związane z wystawą w Brukseli były przyczyną osłabienia zakresu niskich tonów, które można poprawić w pewnych granicach poprzez umieszczenie zestawu w narożniku pomieszczenia. Należy zwrócić uwagę na bardzo dużą efektywność - 90 dB, przy tak małych gabarytach urządzenia. Poprawność odtwarzania dolnego zakresu częstotliwości zestawu można uzyskać poprzez zaprojektowanie urządzenia głośnikowego z odpowiednio większą objętością obudowy. Korzystne ze względów brzmieniowych jest znaczne obniżenie częstotliwości podziału, tak aby jak największy zakres częstotliwości odtwarzał głośnik średnio-wysokotonowy. Ustalono częstotliwość podziału zwrotnicy 800 Hz, co pozwoliło na dynamiczne i detaliczne odtworzenie od tonów najwyższych, aż do dolnego zakresu tonów średnich.

Zwrotnicę zaprojektowano tak, aby uzyskać maksymalnie możliwie wyrównaną częstotliwościową charakterystykę amplitudową zestawu. Dążono do jak największej detaliczności zestawu również w zakresie tonów niskich i nisko-średnich poprzez umieszczenie dwóch głośników niskotonowych z przodu w układzie D'Appolito, przy jednoczesnej wybitnej detaliczności głośnika średnio-wysokotonowego.

Układ D'Appolito jest korzystny ze względu na brzmienie częstotliwości małych i średnich odtwarzanych przez głośnik niskotonowy. Głośniki niskotonowe nie mogły być jednak zbyt blisko głośnika średnio-wysokotonowego, gdyż mają negatywny wpływ na promieniowanie dźwięku w jego dolnym zakresie częstotliwości, w przypadku wykonanego zestawu w zakresie 1,5 kHz do 3 kHz. Cechą charakterystyczną zestawu jest umiejscowienie odtwarzania najdrobniejszych detali w zakresie tonów średnich i wysokich. Ponadto partie wokalne są odtwarzane niezwykle precyzyjnie i wydobywają się z jednego punktu.

W klasycznych trójdrożnych zestawach głośnikowych z oddzielnymi głośnikami wysokotonowym i średniotonowym ustala się częstotliwość podziału pasma zwrotnicy w okolicy ok. 3-4 kHz. Jest to zakres najlepszej słyszalności ucha ludzkiego. Słyszalny jest niekorzystny podział pasma pomiędzy głośnikami (dźwięk dociera z dwóch źródeł), co nie występuje w przypadku zastosowania głośnika średnio-wysokotonowego.

Możliwa jest również realizacja idei źródła punktowego poprzez umieszczenie na frontowej płycie jedynie głośnika średnio-wysokotonowego. Tony niskie, których źródło nie jest percypowane przez człowieka, ze względu na dużą długość fali, mogą być odtwarzane przez głośnik umieszczony na płycie bocznej.

Głośnik wysokotonowy.

Materiał pochodzenia bakteryjnego pozwala również na realizację membrany o geometrii zbliżonej do membrany tytanowej. Możliwe jest więc również otrzymanie klasycznych głośników wysokotonowych.

Wykorzystując modyfikowaną biocelulozę wykonano głośniki odznaczające się większym poziomem, a także lepszą równomiernością charakterystyki w porównaniu z głośnikami z membraną tytanową.

Otrzymano następujące parametry głośnika:

  • pasmo częstotliwości (- 3 dB): 1,4 kHz - 22 kHz,
  • pasmo częstotliwości (- 15 dB): 700 Hz - 44 kHz,
  • impedancja: 8 Ω,
  • efektywność 91 dB,
  • moc znamionowa: 80 W,
  • masa: nie większa niż 0,6 kg.

Sprawdzenie mocy znamionowej przeprowadzono ze zwrotnicą o częstotliwości granicznej 4 kHz i nachyleniu 12 dB/okt. Moc znamionowa na głośniku: 4 W.

Poniżej podano masę membran wysokotonowych wykonanych z różnych materiałów:

  • modyfikowana bioceluloza: 41 mg, (30 do 60 mg w zależności od grubości i składu),
  • tytanowa: 110 do 150 mg,
  • tkaninowa: 100 do 200 mg.

Jak widać masa membrany z modyfikowanej biocelulozy jest wielokrotnie mniejsza niż masa membran powszechnie stosowanych. Głośnik z taką membraną powinien dobrze odtwarzać tzw. "transjenty" i charakteryzować się dobrą detalicznością, a także dużą efektywnością. Ponadto posiada bardzo duży moduł Younga, który można regulować w dużych granicach, a więc uzyskać głośnik posiadający zalety głośnika tytanowego (pracuje jak sztywny tłok w paśmie akustycznym) i jednocześnie pozbawiony jego wad. Trudno go oskarżyć o tzw. "metaliczne" brzmienie.

Wyjaśnienia teoretyczne.

Z punktu widzenia wpływu membrany na pracę głośnika wysokotonowego istotne są dwa zjawiska:

  • drgania własne membrany,
  • sposób promieniowania dźwięku przez membranę (np. charakterystyki kierunkowe).

Podstawowe znaczenie mają więc rodzaj materiału, z którego wykonano membranę oraz jej kształt.

Ze względu na rodzaj materiału można rozróżnić dwie zasady działania głośnika wysokotonowego.

1. Pierwsza (I) z nich traktuje membranę, jej zawieszenie jako sztywny układ drgający. Występuje to w przypadku wykonania membrany z materiałów twardych", np. z biocelulozy, aluminium, czy tytanu, gdy drgania własne występują w zakresie częstotliwości poza pasmem akustycznym (f > 20 kHz).

2. Druga (II) dotyczy pracy głośnika, w przypadku występowania drgań własnych membrany w paśmie akustycznym - np. membrana z tkaniny. Głośnik pracuje wtedy jak sztywny układ drgający dla częstotliwości najczęściej mniejszych niż 10 kHz, natomiast w zakresie dużych częstotliwości wykorzystywane są drgania własne membrany.

W celu uzyskania zadawalających wyników podstawowe znaczenie ma dobór kształtu membrany. Kształt ten ma wpływ na:

  • kierunek promieniowania głośnika - charakterystyki kierunkowości, np. charakterystyka częstotliwościowa na osi głośnika,
  • drgania własne membrany - zakres częstotliwości, w której się pojawiają, ich rozkład i amplituda, co ma wpływ m.in. na charakterystykę częstotliwościową na osi głośnika.

Charakterystyka częstotliwościowa na osi głośnika jest w głównej mierze odpowiedzialna za wrażenia subiektywne podczas odsłuchu sygnałów dźwiękowych. Dobre głośniki wysokotonowe są zdolne do równomiernego odtworzenia tonów w zakresie częstotliwości od ok. 1,5kHz (1500 Hz) do ok. 22 kHz, podczas gdy pasmo słyszenia człowieka określa się w zakresie od 20 Hz do 20 kHz.

Dokładna analiza teoretyczna zjawisk fizycznych związanych z promieniowaniem dźwięku przez powierzchnię promieniującą i jego propagacją w polu akustycznym, wskazuje na dwa odmienne sposoby konstruowania membrany głośnika:

  • zmniejszenie wypukłości membrany w porównaniu z membranami tkaninowymi, co wiąże się z zastosowaniem konstrukcji membrany klasycznych wysokotonowych głośników tytanowych,
  • zmiana kształtu czaszy i zawieszenia membrany, a w szczególności wielkości membrany i proporcji pomiędzy rozmiarem czaszy i zawieszenia.

Drugi sposób konstruowania membrany głośnika jest całkowicie nowatorskim rozwiązaniem. Pozwolił on na obniżenie dolnej częstotliwości granicznej głośnika wysokotonowego z częstotliwości ok. 1,5 kHz do wartości poniżej 0,6 kHz. Głośnik pracujący w paśmie 600 Hz do 22 kHz jest w stanie odtwarzać średnie i wysokie tony, więc może być nazywany głośnikiem średnio-wysokotonowym.
----------------------

Przedstawione zestawy głośnikowe nie mają zastosowania komercyjnego. Powstały na potrzeby demonstracji opracowania technologicznego, którym jest innowacyjny materiał membrany głośnika wysokotonowego. Elementy i założenia konstrukcji zestawu miały na celu jedynie jego ekspozycje [zastosowano np. pozłacane membrany niskotonowe mające raczej znaczenie wizualne]. Nie przywiązywano wagi do uzyskanych efektów dźwiękowych. Zestaw nadal znajduje się w posiadaniu firmy TONSIL [obecnie PRO-TONSIL]

Materiał membrany głośnika wysokotonowego, jest to celuloza bakteryjna [z zawartością związków chityny]. Skonstruowana i produkowana przez Instytut Biopolimerów i Włókien Chemicznych w Łodzi - IBWCh [ http://www.iwch.lodz.pl/Strony/kontakty_pl.htm ]. Pracami nad biocelulozą zajmowała się dr inż. Danuta Ciechańska

Głośnik z biocelulozy [celuloza bakteryjna] powstał jako projekt sfinansowany z grantu naukowego na prace badawczo-rozwojowe [dotacja Komitetu Badań Naukowych]. Projektu ze strony PRO-TONSIL kierował Marek Dutkiewcz – Dyrektor Biura Rozwoju.

Głośnik został zgłoszony w Urzędzie Patentowym 02-10-2000 roku pod numerem 342957 [ szanse na uzyskanie prawa ochronnego są raczej niewielkie, obecnie w UP zgłoszono 4 zastrzeżenia do patentu, bardziej prawdopodobne jest uzyskanie prawa ochronnego na technologię produkcji biocelulozy lub na membrany głośnika ].

Głośnik z biocelulozy jest obecnie skończoną konstrukcją. Miał być stosowany w konstrukcjach klasy hi-tech, planowanych do wdrożenia przez PRO-TONSIL z Wrześni. Prawdopodobnie nie nastąpi, to w najbliższym czasie.

Obecnie PRO-TONSIL planuje przeniesienie całości zakładu do specjalnej strefy ekonomicznej, w celu obniżenia kosztów i uniknięcia roszczeń ze strony byłych właścicieli gruntów.
Nadal otwarte postępowanie patentowe, może być kolejnym powodem zwlekania z wdrożeniem głośnika do produkcji.

Ostatnio edytowano: 08/03/2015 - 17:34