АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 1994 года по МПК H04R1/34 

Изобретение относится к электроакустическим преобразователям, в частности к акустическим системам, предназначенным для воспроизведения низких частот звукового диапазона, и может быть использовано в производстве электроакустических устройств.

Общеизвестно использование рупорных излучателей для повышения отдачи головок громкоговорителей. Повышение отдачи (увеличение КПД) происходит в этом случае за счет улучшения согласования сопротивления излучения головки громкоговорителя с сопротивлением нагрузки (окружающее пространство). Однако на низких частотах звукового диапазона размеры эффективно работающего рупора оказываются слишком большими и могут быть использованы лишь для озвучивания больших помещений - кинотеатров, концертных залов и т.п.

Для повышения эффективности излучения головок громкоговорителей в бытовой радиоаппаратуре чаще всего используют акустические системы с фазоинвертором, в которых повышение отдачи головки громкоговорителя достигается за счет использования излучения от задней стороны диффузора, при этом упругость объема воздуха в корпусе акустической системы и массу воздуха в трубе фазоинвертора рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить синфазность излучения на выходе трубы фазоинвертора с прямым излучением головки громкоговорителя. Суммируясь, эти излучения обеспечивают повышение отдачи акустической системы.

Наиболее близкой по совокупности признаков к предлагаемому решению является акустическая система, описанная в заявке Японии N 58-3437, кл. Н 04 R 1/34, опубл. 1983, в которой низкочастотная головка громкоговорителя установлена в акустической камере, открытой в окружающую среду. Излучение обратной стороны диффузора головки громкоговорителя через акустический канал направлено в отверстие на передней стенке акустической системы, расположенной рядом с отверстием акустической камеры.

Недостатком решения, описанного в прототипе, является недостаточная эффективность системы в области низких частот, не превышающая эффективности обычного фазоинвертора.

Целью изобретения является повышение эффективности акустической системы в области низких частот. Другой целью изобретения является создание акустической системы лабиринтного типа, обладающей свойствами акустического фильтра нижних частот. Еще одной целью изобретения является создание акустической системы лабиринтного типа, имеющей простую и технологичную в производстве конструкцию. Дополнительной целью изобретения является создание акустической системы, обладающей возможностью плавной (непрерывной) регулировки АЧХ в процессе эксплуатации.

Указанные цели достигаются тем, что в акустической системе, содержащей акустическую камеру со звукоизлучающим отверстием, на одной из стенок которой размещена головка громкоговорителя, и акустический канал, обеспечивающий синфазность прямого и обратного излучения головки громкоговорителя, выходное отверстие акустического канала расположено внутри акустической камеры.

В результате проведенного патентного поиска известных технических решений, обладающих совокупностью признаков, совпадающих с признаками заявляемого устройства, не обнаружено, что позволяет сделать вывод о новизне заявляемого устройства.

Совокупность признаков заявляемого устройства позволяет получить положительный эффект, заключающийся в повышении эффективности и расширении функциональных возможностей акустической системы лабиринтного типа и превышающий эффект, достигаемый в известных акустических системах, что позволяет утверждать о наличии существенных отличий заявляемого устройства от известных.

На фиг. 1 показана упрощенная конструктивная схема заявляемого устройства, поясняющая принцип работы акустической системы; на фиг.2 - один из вариантов выполнения акустической системы согласно изобретению; на фиг.3 - предпочтительный вариант конструктивного выполнения акустической системы согласно изобретению; на фиг.4 - другой предпочтительный вариант выполнения устройства; на фиг. 5 - вариант устройства по фиг.3, обеспечивающий регулировку АЧХ акустической системы; на фиг.6 - вариант устройства по фиг.4, обеспечивающий регулировку АЧХ акустической системы; на фиг.7 - сравнительные кривые АЧХ акустической системы известного типа и заявляемой акустической системы; на фиг.8 и 9 - графики, иллюстрирующие изменение АЧХ акустических систем, выполненных по фиг.5 и 6, в двух крайних положениях регулировочного механизма.

Акустическая система, схематически представленная на фиг.1, содержит головку 1 громкоговорителя, установленную в отверстии одной из стенок акустической камеры 2, акустический канал 3. Длина которого соизмерима с 1/4 длины волны на нижней границе воспроизводимого диапазона звуковых частот, выход 4 акустического канала 3, расположенный внутри акустической камеры 2, и звукоизлучающее отверстие 5, соединяющее камеру 2 с окружающим пространством.

Площади поперечных сечений S₁ и S₂ акустического канала 3 и его выходного отверстия 4 соизмеримы с эффективной площадью диффузора головки 1 громкоговорителя и могут незначительно отклоняться в ту или иную сторону в зависимости от конкретного конструктивного исполнения акустической системы. Площадь S_з звукоизлучающего отверстия 5 камеры 2 выбрана меньшей площади S₂ выходного отверстия 4 акустического канала 3 для увеличения сопротивления нагрузки головки 1 громкоговорителя.

Объем V₁ акустической камеры 2 выбран достаточно малым с тем, чтобы его резонансные частоты лежали за пределами диапазона воспроизводимых низких частот. При этим камера 2 работает не как резонатор, а как компрессионная камера, суммирующая и перераспределяющая прямое и обратное излучение головки 1 громкоговорителя и трансформирующая сопротивление нагрузки для передней и задней стороны диффузора головки 1 громкоговорителя относительно окружающего пространства.

На фиг. 2 схематически представлен один из вариантов практического выполнения заявляемой акустической системы. Акустическая система выполнена в виде закрытой с одного торца трубы 6 круглого или прямоугольного сечения, разделенной продольной перегородкой 7 на две части, сообщающиеся друг с другом через внутреннее отверстие 8 в верхней части корпуса и образующие акустический канал 3. На нижнем по рисунку конце канала 3 выполнено отверстие, в котором установлена головка 1 громкоговорителя, а второй конец канала 3 имеет выходное отверстие 4, открытое в продолжение трубы 6, которое образует акустическую камеру 2, снабженную звукоизлучающим отверстием 5.

Эта конструкция очень близка к описанной в патенте США N 4567959, кл. Н 05 К 5/00, опублик. 1986, но отличается от нее наличием акустической камеры 2 со звукоизлучающим отверстием 5. Некоторым недостатком конструкции акустической системы по фиг.2 является технологическая сложность выполнения Г-образной перегородки 7 и крепление к ней головки 1 громкоговорителя.

Более простой и технологичной в изготовлении является конструкция акустической системы, приведенная на фиг.3, у которой корпус выполнен в виде удлиненного параллелепипеда 9, внутренний объем которого разделен на две части вертикальной перегородкой 7. Верхний конец перегородки 7 укорочен, так что разделяемые ею объемы V₂ и V₃ образуют акустический канал 3. На нижнем по рисунку конце перегородки 7 выполнено отверстие, в котором установлена головка 1 громкоговорителя. На оной из стенок корпуса выполнено звукоизлучающее отверстие 5, соединяющее один из внутренних объемов V₂ (или V₃) с окружающим пространством. Звукоизлучающее отверстие 5 может находиться как на одной из стенок корпуса 9, параллельных перегородке 7, так и на торцовой поверхности корпуса, однако во всех случаях оно должно располагаться вблизи головки громкоговорителя, с учетом того, что расстояние от отверстия 5 до головки 1 громкоговорителя формирует объем V₁ акустической камеры 2, резонансные частоты которой должны лежать вне пределов воспроизводимых низких частот. Преимуществом этого варианта акустической системы является то, что ее корпус имеет только одну внутреннюю деталь - плоскую продольную перегородку 7, которая одновременно является элементом, повышающим жесткость корпуса.

Вариант акустической системы, показанный на фиг.4, представляет корпус в виде полой колонны 10 круглого или прямоугольного сечения. Предпочтительным является выполнение корпуса в виде цилиндрической колонны 10, один конец которой заглушен, а второй имеет звукоизлучающее отверстие 5. Это отверстие может быть сформировано, например, с помощью ножек определенной длины, или путем выполнения ряда прорезей по периметру колонны 10 вблизи ее нижнего конца. Суммарная площадь этих прорезей образует звукоизлучающее отверстие 5.

Внутри колонны 10 на некотором расстоянии от ее концов укреплена полая цилиндрическая колона 11, поперечное сечение которой меньше, чем у колонны 10, при этом колонна 11 установлена коаксиально колонне 10. На торце колонны 11, обращенной к открытому концу колонны 10, установлена головка 1 гpомкоговорителя. Колонна 11 отстоит от концов и стенок колонны 10, так что с одной стороны образует акустическую камеру 2, а с другой стороны обеспечивает зазор между заглушенным концом колонны 10 и открытым концом колонны 11, соединяя таким образом внутренний объем V₃ колонны 11 с объемом V₂ кольцевого зазора 12 между стенками колонн в единый акустический канал 3. Колонна 11 может быть закреплена внутри колонны 10 любым способом, обеспечивающим свободное прохождение воздуха между стенками колонн, например, с помощью распорок (не показаны).

Такая конструкция обладает большей жесткостью и технологична в изготовлении, позволяет организовать непрерывное производство труб разнообразного профиля.

На фиг. 5 представлен еще один вариант выполнения акустической системы согласно изобретению, позволяющий осуществлять регулировку АЧХ акустической системы. Он отличается от конструкции, показанной на фиг.3, тем, что в нем продольная перегородка 7 выполнена на поворотной, так как она установлена на шарнире 13, ось вращения которого проходит вдоль короткой стенки вблизи головки 1 громкоговорителя. К верхнему по рисунку концу перегородки 7 на упругом кронштейне 14 закреплена гайка 15, через которую перпендикулярно плоскости перегородки 7 пропущен винт 16. Один конец винта 16 упирается в стенку корпуса акустической системы, а другой его конец выведен через отверстие в противоположной стенке корпуса наружу и снабжен рукояткой 17.

При повороте винта 16 за рукоятку 17 изменяется наклон перегородки 7 и изменяется соотношение разделяемых ею объемов V₂ и V₃ внутри акустического канала 3, а также объем V₁ акустической камеры 2, что позволяет регулировать АЧХ акустической системы (см. фиг.8). Для обеспечения герметичности и сохранения длины акустического канала 3 по периметру продольной перегородки 7 может быть укреплен уплотнительный материал 18.

На фиг.6 представлен вариант выполнения акустической системы, обладающей более широкими возможностями регулировки амплитудно-частотной характеристики. Он отличается от варианта, показанного на фиг.4, тем, что в нем имеется третья полая и открытая с обоих концов колонна 19, коаксиально установленная внутри колонны 11. При этом колонна 19 неподвижно закреплена относительно колонны 10, например, с помощью распорок 20. Колонна 11 может телескопически вдвигаться в колонну 19 или выдвигаться из нее при помощи винта 21, один конец которого неподвижно закреплен относительно колонны 11, а другой через гайку 15 в торце колонны 10 выведен наружу и снабжен рукояткой 22. Между внутренней поверхностью колонны 11 и наружной поверхностью колонны 19 укреплено уплотнительное кольцо 23, позволяющее колонне 11 перемещаться относительно колонны 19 и колонны 10 при вращении винта 21 за рукоятку 22. При вращении винта 21 изменяется длина акустического канала 3 и объем акустической камеры 2, что позволяет в более широких пределах регулировать АЧХ акустической системы по сравнению с вариантом по фиг.4.

На фиг. 7 показаны кривые АЧХ обычной лабиринтной или фазоинверторной акустической системы (кривая А и заявляемой акустической системы (кривая В), имеющих равный объем и однотипные головки громкоговорителей. Из сравнения кривых А и В фиг.7 видно, что уровень воспроизводимых частот заявляемой акустической системы ("В") превышает уровень тех же частот на нижней границе воспроизведения известной акустической системы на 2 дБ, что свидетельствует о повышенной отдаче в области низких частот в заявляемой акустической системе, т.е. о достижении цели изобретения. Кроме того, из рассмотрения кривой В фиг.7 также следует, что заявляемая конструкция обладает свойствами акустического фильтра нижних частот, что позволяет улучшить разделение полос в многополосных акустических системах и снижает требования к используемому в акустических системах электрическому разделительному фильтру.

На фиг.8 представлена АЧХ акустической системы, выполненной в соответствии с фиг. 5, обладающей возможностью механической регулировки АЧХ при вращении винта 16 рукояткой 17. Принцип регулировки АЧХ заключается в механическом изменении объемов V₂ и V₃ акустического канала 3 и объема V₁ акустической камеры 2 за счет изменения угла наклона перегородки 7 при вращении винта 16 за рукоятку 17. Если при этом объем V₂ становится больше V₃, АЧХ акустической системы принимает вид кривой С (фиг.8), т.е. увеличивается отдача, но несколько сужается полоса воспроизводимых частот, если же объем V₂ становится меньше объема V₃, АЧХ акустической системы принимает вид кривой D (фиг. 8), т. е. имеет несколько меньший уровень, но максимально расширенный диапазон воспроизводимых частот.

На фиг. 9 представлена АЧХ акустической системы, выполненной по фиг.6, обладающей более широкими возможностями регулировки АЧХ. В одном из крайних положений регулировочного винта 21 при максимальной суммарной длине колонн 11 и 19 АЧХ акустической системы принимает вид кривой F (фиг.9) с максимально расширенным в низкочастотную область диапазоном воспроизводимых частот. В другом крайнем положении регулировочного винта 21 при минимальной длине вдвинутых друг в друга колонн 11 и 19 АЧХ акустической системы принимает вид кривой Е (фиг.9) с повышенной отдачей по звуковому давлению, но с несколько суженной полосой воспроизводимых частот. В другом крайнем положении регулировочного винта 21 при минимальной длине вдвинутых друг в друга колонн 11 и 19 АЧХ акустической системы принимает вид кривой Е (фиг.9) с повышенной отдачей по звуковому давлению, но с несколько суженной полосой воспроизводимых частот.

Промежуточные положения регулировочного винта 16, 21 в заявленных конструкциях позволяют получить желаемую амплитудно-частотную характеристику. Наличие такой регулировки позволяет потребителю согласовать параметры своей акустической системы в области низких частот с параметрами помещения, т.е. с его акустическими свойствами, а также с параметрами различных акустических устройств средне- и высокочастотного диапазона, что особенно желательно в случае, когда низкочастотная акустическая система выполнена в виде отдельного изделия, предназначенного служить дополнением обычных малогабаритных акустических систем, неэффективно воспроизводящих именно низкие частоты. Наличие регулировки АЧХ позволяет в этом случае потребителю самому в домашних условиях устанавливать полосу воспроизведения и уровень низких частот в зависимости от акустических свойств помещения, в котором ведется прослушивание, параметров имеющегося у него комплекта акустических систем и собственного желания.

Использование: для воспроизведения низких частот звукового диапазона. Система содержит камеру, корпус которой снабжен отверстием, в котором установлена головка громкоговорителя, и звукоизлучающим отверстием, связанным с окружающим пространством, а также акустический канал, согласующий по фазе излучения заднюю и переднюю стороны диффузора головки громкоговорителя, при этом корпус камеры снабжен дополнительным отверстием, совмещенным с выходным отверстием акустического канала. Корпус может быть выполнен в виде уплотненного полого параллелепипеда с установленной внутри него продольной перегородкой, разделяющей его полость на камеру и акустический канал. Корпус может быть выполнен в виде закрытой с торцов трубы, внутри которой с зазором установлена вторая труба. Система может быть снабжена третьей трубой, размещенной коаксиально второй трубе с уплотнительной прокладкой между ними, и жестко закрепленной на первой трубе, причем вторая труба снабжена средством осевого перемещения относительно третьей трубы. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, содержащая корпус, включающий акустический канал, согласующий по фазе излучения переднюю и заднюю стороны диффузора головки громкоговорителя, и камеру, в стенках которой выполнены звукоизлучающее отверстие, связанное с окружающим пространством, и отверстие с установленной в нем головкой громкоговорителя, совмещенное с входным отверстием акустического канала, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности воспроизведения низких частот, в стенке камеры выполнено дополнительное отверстие, совмещенное с выходным отверстием акустического канала. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде удлиненного полого параллелепипеда с установленной внутри него продольной перегородкой, разделяющей внутренний объем корпуса на две полости, на одном конце перегородки выполнено отверстие, соединяющее обе полости в акустический канал, на другом ее конце выполнено отверстие, в котором установлена головка громкоговорителя, а звукоизлучающее отверстие выполнено в одной из стенок корпуса вблизи головки громкоговорителя. 3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что продольная перегородка со стороны головки громкоговорителя закреплена на корпусе с помощью шарнира и снабжена упругим кронштейном с гайкой, закрепленным на другом конце перегородки, и винтом с рукояткой, установленным параллельно торцам корпуса и соединенным с гайкой. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде закрытой с торцов трубы, внутри которой на заданном расстоянии от стенок и торцов установлена вторая труба, причем отверстие, в котором установлена головка громкоговорителя, выполнено на одном из торцов второй трубы, а звукоизлучающее отверстие - на стенке первой трубы со стороны головки громкоговорителя. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что она снабжена третьей трубой, размещенной коаксиально второй трубе с уплотнительной прокладкой между ними и жестко закрепленной на первой трубе, причем вторая труба снабжена средством осевого перемещения относительно третьей трубы, выполненным в виде гайки, закрепленной на торце первой трубы, и винта с рукояткой, закрепленного относительно второй трубы.