УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКА Российский патент 1998 года по МПК G10K11/00 G10K11/16 H04R1/22 

Изобретение относится к технике воспроизведения звуковых колебаний и может быть широко использовано при изготовлении звуковых колонок, акустических систем, безэховых камер и других приборов, обеспечивающих высококачественное воспроизведение звука.

Одной из основных проблем воспроизведения звука является качество звучания, эффективное функционирование источников звука. В этой области техники давно существуют трудноразрешимые противоречия между возможностью записи и воспроизведения электрических сигналов звукового диапазона с высокой достоверностью и низким качеством преобразования электрических сигналов в звуковые. Так, возможности цифровой записи электрических сигналов практически сняли все вопросы, касающиеся качества записи, однако существенное использование этих достижений затруднено в связи с неразрешимыми проблемами, имеющими место при воспроизведении низких частот и паразитными гармониками, обусловленными пневматической реакцией объема звуковых колонок.

Обозначенные проблемы, стоящие перед данной отраслью техники, разрешаются различными путями. Один из них касается формы выполнения корпуса звуковых колонок и материала (породы древесины), из которых их изготавливают. Известен корпус громкоговорителя (DE, A1, N 4224811, кл. Н 04 R 1/02) склеенный из массивных деревянных планок, обработанный до шарообразной формы снаружи и внутри. Такое выполнение корпуса, даже при очень больших нагрузках, не имеет вибраций, не дребезжит, характеризуется стабильностью звуковоспроизведения, обеспечивает полноту звучания, прозрачность и чистоту.

Другим направлением совершенствования звуковоспроизведения являются схемные решения, то есть повышение качества звучания за счет обработки электрического сигнала. Одно из таких решений - громкоговоритель с регулированием амплитуды сигналов в зависимости от их частоты, описан в заявке РСТ/ЕР93/00941. В известных устройствах для улучшения воспроизведения в области нижних частот в громкоговорителях обычно усиливают амплитуду сигналов на этих частотах, что приводит к перегрузке при воспроизведении сигналов с большой амплитудой. Для устранения перегрузки выявляют уровни сигналов, для которых необходимо уменьшать усиление амплитуды, пропускают их через детектор с размещенным перед ним полосовым фильтром высокой частоты. Однако возникающая при этом задержка приводит к искажениям воспроизводимых максимумов сигналов. Возникающую задержку устраняют путем прохождения сигнала через фильтр с изменяемой полосой пропускания и детектор. При этом нижнюю частоту среза фильтра изменяют таким образом, чтобы в диапазоне нижних частот получить максимальное ослабление сигнала. С выхода этого фильтра сигнал поступает в фильтр высоких частот с постоянным усилением на нижних частотах, после чего на дифференциальном усилителе сигнал усиливается с учетом ослабления, внесенного фильтром. Обработанный таким образом, он обеспечивает качественное звучание за счет устранения имевших место перегрузок при воспроизведении.

Другим примером схемного решения части упомянутых проблем является схема и способ коррекции диапазона нижних частот в громкоговорителе, заключающийся в определении динамического импеданса колебательной системы головки, воспроизводящей звуковой сигнал, в зависимости от скорости движения этой системы при ее возбуждении звуковым сигналом (US, A 5226089, кл. Н 04 R 3/00). Преобразователь ускорения отфильтровывает первый низкочастотный диапазон динамического импеданса, преобразуя его в составляющую ускорения, для компенсации наименьшей резонансной частоты головки и обеспечения низкочастотной соразмерности динамического импеданса. Преобразователь скорости формирует составляющую скорости динамического импеданса, отфильтровывания при этом диапазон верхних частот и второй диапазон нижних частот динамического импеданса для компенсации остроты резонанса головки. Отрицательная обратная связь формируется с учетом составляющих скорости и ускорения, а положительная обратная связь - с учетом составляющей скорости. Таким образом, характеристика воспроизведения головкой громкоговорителя диапазона нижних частот корректируется посредством обратной связи динамического импеданса для колебательной системы, используя составляющие скорости и ускорения.

Другое известное направление может быть представлено способом воспроизведения нижних звуковых частот, заключающимся в разделении корпуса громкоговорителя диафрагмами на несколько камер, одна из которых примыкает к диафрагме громкоговорителя (GB, A1, N 2260464, кл. Н 04 R 1/22, 3/00). При перемещении передней диафрагмы под воздействием звука изменяется расстояние между нею и внутренней диафрагмой, а следовательно, и объем, ограниченный этими диафрагмами. Это вносит определенные искажения в воспроизведение нижних звуковых частот. Существо способа заключается в поддержании постоянного расстояния между средней и последней диафрагмой. Это осуществляется посредством цепи обратной связи, которая включает электродинамический преобразователь, закрепленный на мембране, сигнал которого нормируется и подается на исполнительный механизм, возвращающий мембрану в исходное положение, сохраняя постоянным заданное расстояние между средней и последней мембранами, а следовательно, и требуемое качество воспроизведения нижних звуковых частот.

Другим примером, относящимся к устройствам, используемым в системах качественного воспроизведения звука, является корпус громкоговорителя, содержащий громкоговоритель, прикрепленный к передней стенке корпуса, на противоположной стенке которого имеется одно или несколько резонансных средств (GB, A1, N 2264610, кл. Н 04 R 1/28). При этом каждое резонансное средство имеет камеру для компенсации давления воздуха, образованную жестким проводящим кожухом, и резонатор, окруженный стенкой. Между камерами расположена пластина. Прокладка из мягкого расширяющегося материала расположена между упомянутой пластиной и кожухом, вторая такая же прокладка размещена между стенкой, противоположной передней, и упомянутым кожухом. В процессе излучения звуковых колебаний пластина колеблется одновременно и синхронно с мембраной громкоговорителя в соответствии с изменением давления воздуха в резонансных камерах. Такое выполнение устройства позволяет значительно повысить качество воспроизведения звуковых колебаний.

Известна также акустическая система, описанная в заявке РСТ/JP92/01721, имеющая корпус, образованный боковыми стенками, передней и задней перегородками. Внутри корпуса размещены бумажные цилиндры, вложенные друг в друга таким образом, что в первом цилиндре расположены два цилиндра, длина которых равна половине длины первого цилиндра. В каждом из этих внутренних цилиндров размещены еще по два цилиндра, длина которых также выбрана равной половине длины окружающего их цилиндра. Такое выполнение системы позволяет подавлять возникающие в ней стоячие волны без использования звукопоглощающих материалов и воспроизводить без искажения чистые звуки низкой частоты, то есть обеспечивает высокое качество воспроизведения звука.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату при использовании к изобретению является устройство для улучшения воспроизведения низкочастотных сигналов в системе громкоговорителей, работающей при акустически закрытом корпусе [1] . Устройство содержит громкоговоритель, установленный в закрытом корпусе, который в свою очередь размещен в другом закрытом корпусе, где размещен чувствительный элемент датчика давления, а на первом громкоговорителе - электродинамический преобразователь. Устройство обеспечивает равенство давления воздуха внутри корпуса громкоговорителя давлению среды, окружающей внешний корпус громкоговорителя. разность между этими давлениями поступает на регулятор, усиливается и подается на вход электродинамического преобразователя. Последний воздействует на второй громкоговоритель, который компенсирует возникшую разность давлений. Это позволяет обеспечивать высококачественное воспроизведение низкочастотных сигналов в системах громкоговорителей, работающих в закрытых корпусах.

Для всех технических решений, перечисленных выше, представляющих известный уровень техники, характерны достаточно сложная технология изготовления, усложнена аппаратурная реализация в процессе их использования, а, кроме того, они недостаточно эффективны в части качества воспроизведения звуковых сигналов.

Так, выполнение корпуса из склеенных деревянных планок с последующей обработкой достаточно трудоемко, использование достижений микроэлектроники в применяемых многочисленных схемах электрической обработки сигнала частично решает проблемы повышения качества воспроизведения при значительном усложнении их аппаратурной реализации. Применяемые различные приемы по нейтрализации возникающих паразитных гармоник, стоячих волн и др., ведут к усложнению как самих акустических систем, так и технологии их изготовления.

Задача изобретения - создание устройства для высококачественного воспроизведения звука путем создания звукопоглощающего элемента, обеспечивающего эффективное регулирование звукового давления в звуковых колонках и, как следствие, высококачественное воспроизведение звука в области низких частот.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для высококачественного воспроизведения звука, содержащем источник звука и узел регулировки звукового давления, размещенные в корпусе со звукоотражающими поверхностями, узел регулировки звукового давления в корпусе устройства выполнен в виде звукопоглощающего элемента, включающего систему жидкость - насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора, причем система жидкость-насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора, герметизированы.

В качестве теплового аккумулятора может быть использовано твердое вещество, развитая поверхность которого смочена этой жидкостью.

В качестве теплового аккумулятора может быть использована и сама жидкость системы. В этом случае формирование развитой поверхности границы раздела жидкость-насыщенный пар осуществляется посредством вещества - адсорбента жидкости, насыщенного ею.

Система жидкость-насыщенный пар с границей раздела на поверхности теплового аккумулятора может дополнительно содержать газ в этом объеме.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

Герметизация системы жидкость-насыщенный пар с границей раздела на поверхности теплового аккумулятора может быть выполнена посредством звукопрозрачных: оболочки, сильфона, мембраны (на фиг.1 не показаны) или посредством корпуса и звуковой головки (источника звука) в газонепроницаемом исполнении.

В качестве жидкости в системе может использоваться многокомпонентный раствор.

Такое выполнение устройства обеспечивает достижение технического результата при его использовании, заключающегося в устранении недостатков, присущих наиболее близкому аналогу, позволяет расширить диапазон и эффективность регулировки звукового давления в корпусе устройства, а, следовательно, повысить качество воспроизведения звука в области низких частот, а также упростить его конструкцию.

Возможность практической реализации предлагаемого устройства подтверждается следующими теоретическими предпосылками и полученными результатами экспериментальных исследований.

Известно, что давление насыщенного пара над жидкостью зависит только от температуры системы. Увеличение давления насыщенного пара приводит к переходу его части в жидкую фазу, и наоборот, уменьшение - к испарению части жидкости, поэтому граница раздела жидкость-насыщенный пар с фиксированной температурой является практически идеальным поглотителем любого отклонения давления от термодинамически равновесного, в частности давления звукового поля. Вместе с те м конденсация и испарение жидкости сопровождаются отдачей или поглощением тепла, следовательно изменением температуры этой границы. Вот почему возникает необходимость термостатирования этой границы при техническом использовании фазового перехода пар - жидкость в качестве поглотителя звука. Чем сильнее сглажены температурные колебания границы, тем выше уровень поглощения звука.

Граница раздела жидкость-насыщенный пар формируется на поверхности термостата смачиванием за счет конденсации или сил адгезии.

На практике удобно пользоваться многокомпонентными растворами при температуре кипения или вблизи ее. Кипение раствора обеспечивает равенство атмосферного давления и давления насыщенного пара в замкнутом объеме. Многокомпонентность позволяет плавно регулировать температуру кипения путем изменения концентрации компонентов в растворе для адаптации к внешним условиям в соответствии с законом Рауля
p_i(Т) х_i = у_iР(Т)

где p_i (Т) - парциальное давление пара i-той компоненты при температуре Т,
х_i - молярная доля i-той компоненты в растворе,
у_i - молярная доля i-той компоненты в парах,
Р(Т) - общее давление насыщенного пара.

Оптимальным вариантом термостата для этих целей является тепловой аккумулятор. Самый простой тепловой аккумулятор - сам раствор или твердое тело с развитой поверхностью, смоченное этим раствором. Исследования, проведенные для варианта с однокомпонентной жидкостью, показывают, что коэффициент уменьшения звукового поля К в замкнутом объеме емкостью V может быть определен из следующего выражения:

где С - тепловая емкость термостата, Дж/^oС,
V₀ - объем граммоля пара, дм³,
Е₀ - теплота парообразования граммоля, Дж,
ΔT - интервал температур удвоения парциального давления пара над жидкость, ^oС.

На фиг. 1 представлено устройство для высококачественного воспроизведения звука по данному изобретению; на фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика излучения устройства.

Как отмечалось, изобретение решает задачу создания устройства для высококачественного воспроизведения звука, позволяющего расширить диапазон регулирования звукового давления в корпусе устройства, что в свою очередь обеспечивает высококачественное воспроизведение звука в области низких частот.

Устройство содержит звукоотражающие поверхности, ограничивающие замкнутый объем, образующие герметичный корпус 1, в котором размещены источник звука 2 и узел регулировки звукового давления в корпусе, включающий тепловой аккумулятор 3, поверхность которого покрыта конденсирующим паром, испаряющуюся жидкость 4, насыщенный пар с газом 5. Узел регулировки звукового давления отделен газонепроницаемой звукопрозрачной мембраной 6 от источника звука 2.

Устройство работает следующим образом. Звуковое поле от источника звука 2 через звукопрозрачную мембрану 6 распространяется в среде насыщенного пара 5. Достигнув границы раздела жидкость-насыщенный пар. сформированной на поверхности теплового аккумулятора 3 путем смачивания его поверхности конденсатом за счет разности температур жидкости 4 и теплового аккумулятора 3, звуковые колебания поглощаются на этой границе раздела.

Устройство в соответствии с изобретением реализовано в образце, состоящем из герметичного корпуса объемом 9 дм³, в отверстие передней стенки которого вмонтирован стандартный громкоговоритель с диффузором диаметром 300 мм, отделенный от остальной части объема звукопрозрачной фторопластовой мембраной, тепловой аккумулятор в форме радиатора из вертикальных алюминиевых пластин был прикреплен к потолку корпуса, на дне корпуса размещалась жидкость - раствор углеводородных соединений этановой группы с температурой кипения 25^oС, объем корпуса частично был заполнен азотом.

Результаты эксперимента иллюстрируются графиком на фиг.2: кривая 1 получена при использовании узла звукопоглощения, кривая 2 - без него.

Для подтверждения возможности технической реализации изобретения был произведен оптимальный выбор материала для изготовления звукопрозрачной оболочки, испаряющейся жидкости, а также материала и конструкции термостата.

В качестве материала для звукопроницаемой мембраны удовлетворяют требованиям полиэтиленовые, лавсановые, полиамидные, фторопластовые пленки, металлические фольги.

В качестве жидкостей могут быть использованы предельные углеводородные соединения, достаточно безопасные в эксплуатации и пригодные для использования в широком интервале температуре.

Наиболее существенным элементом в технической реализации изобретения является тепловой аккумулятор. В качестве такового можно использовать саму жидкость, твердое вещество, развитая поверхность которого смочена этой жидкостью, частично закристаллизованный расплав твердого вещества, открытая или закрытая поверхность которого смочена этой жидкостью. Тепловые аккумуляторы, использующие фазовый переход жидкость - твердое тело имеют массогабаритные параметры на два порядка меньше, чем аккумуляторы, использующие просто теплоемкость вещества.

Устройство для высококачественного воспроизведения звука не имеет ограничений на габариты и форму, на температурные условия использования, на величину звукового давления, обеспечивает высокий уровень поглощения звуковых колебаний. Оно значительно проще в части аппаратурной реализации по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения. В силу отмеченных преимуществ устройство для высококачественного воспроизведения звука в соответствии с изобретением получит широкое использование в современной электронной технике, обеспечивающей высококачественное воспроизведение звука.

Изобретение относится к технике воспроизведения звуковых колебаний и может быть использовано при изготовлении звуковых колонок, акустических систем и других приборов высококачественного воспроизведения звука. Достижение высококачественного воспроизведения звука создается тем, что в устройстве для высококачественного воспроизведения звука, содержащем источник звука и узел регулировки звукового давления, размещенные в корпусе со звукоотражающей поверхностью, узел регулировки звукового давления в корпусе устройства выполнен в виде звукопоглощающего элемента, включающего систему жидкость-насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора, причем система жидкость-насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора, герметизирована. В качестве теплового аккумулятора может быть использовано твердое вещество, развитая поверхность которого смочена жидкостью системы, либо сама жидкость системы. Система жидкость-насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора может дополнительно содержать газ в этом объеме. Герметизация системы жидкость- насыщенный пар может быть осуществлена посредством звукопрозрачной оболочки, звукопрозрачных сильфона и мембраны, а также посредством корпуса и источника звука в газонепроницаемом исполнении. В качестве жидкости в системе жидкость-насыщенный пар может использоваться многокомпонентный раствор. 9 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Устройство для высококачественного воспроизведения звука, содержащее источник звука и узел регулировки звукового давления, размещенные в корпусе со звукоотражающей поверхностью, отличающееся тем, что узел регулировки звукового давления в корпусе выполнен в виде звукопоглощающего элемента, включающего систему жидкость - насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора, причем система жидкость - насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора, герметизирована. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тепловой аккумулятор выполнен из твердого вещества, развитая поверхность которого смочена этой жидкостью. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тепловой аккумулятор выполнен из частично закристаллизованного расплава твердого вещества, открытая или закрытая поверхность которого смочена этой жидкостью. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тепловой аккумулятор выполнен из вещества с развитой поврехностью - адсорбента жидкости, насыщенного этой жидкостью. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для предвращения утечки пара герметизация системы жидкость - насыщенный пар с термостатированной границей раздела осуществлена посредством звукопрозрачной оболочки. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для предотвращения утечки пара герметизация системы жидкость - насыщенный пар с границей раздела на поверхности теплового аккумулятора осуществлена посредством звукопрозрачного сильфона. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предотвращения утечки пара герметизация системы жидкость - насыщенный пар с границей раздела на поверхности теплового аккумулятора осуществлена посредством газонепроницаемого корпуса и звукопрозрачной мембраны. 8. Устройство по п.1, отличающееся тм, что для предотвращения утечки пара герметизация системы жидкость - насыщенный пар с границей раздела на поверхности теплового аккумулятора осуществлена посредством корпуса и источника звука в газонепроницаемом исполнении. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения равенства давлений пара внутри герметичного объема и вне его в широком интервале температур система жидкость - насыщенный пар с границей раздела, сформированной на поверхности теплового аккумулятора дополнительно содержит газ в этом объеме. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения заданного давления насыщенного пара при заданной температуре в качестве жидкости используется многокомпонентный раствор.