РЕЗОНАНСНАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 1999 года по МПК H04S5/00 H04R1/28 

Изобретение относится к области акустических средств и может быть применено при воспроизведении музыки и речи с созданием эффекта объемного звучания, активно воздействующего на психофизиологическое состояние человека.

Известна монофоническая система звукопередачи, содержащая источник колебаний звуковой частоты, усилитель и громкоговоритель /Д.И.Гаклин и др. Стереофоническое радиовещание и звукозапись. М., Л., 1962, с. 7-8/. Известная система звукопередачи характеризуется тем, что звук исходит из одной точки, а восприятие звучания зависит от положения слушателя относительно этой точки.

Известна стереофоническая система звукопередачи /Д.И.Гаклин и др., указ. соч., с. 12-13/, включающая источник колебания звуковой частоты, усилитель и многоканальный тракт передачи, а также громкоговорители, подключенные к каждому тракту. При идентичности каналов громкоговорители возбуждают идентичные звуковые поля, а при звукопередаче не сохраняется полная пространственная перспектива. Последняя улучшается с увеличением числа каналов, изменяющим пространственную структуру звука, однако это усложняет аппаратуру в целом, а при малом количестве каналов из-за большого расстояния между громкоговорителями возникают фазовые искажения вторичного звукового сигнала, приводящие к изменению тембральной окраски звука. Известная конструкция акустической системы не отвечает условию оптимального согласования звукового поля с психоакустическим восприятием человека.

Известно устройство для формирования стереофонического звукового поля /Япония, заявка N 61-50440, МПК H 04 S 5/00, опубл. 04.11.86/, содержащая источник монофонического звука, блоки задержки звукового сигнала и блоки смешения монофонического сигнала с задержанными сигналами. Выбором времени задержки и сдвига фаз можно добиться удовлетворительного звучания, однако известное устройство отличается сложностью конструкции, создаваемое звуковое поле не согласовано с психоакустическими характеристиками человека, система шунтирует биологически ценные параметры живой речи и музыки вследствие фазовых искажений. В подобных системах стереофоническое звуковое поле, формируемое прямыми компрессионными волнами, воспроизводит объемность тембра звука лишь в некоторых пространственных точках "оптимального звучания".

Известна акустическая система, содержащая источник звукового сигнала, усилитель и электроакустический преобразователь, выполняющий функции резонатора /СССР, авт.св. N 936462, МПК H 04 S 5/00, 1982/. Резонатор содержит корпус, ряд головок громкоговорителей, которые образуют пары, включенные синфазно и расположенные оппозитно излучающими поверхностями на расстоянии, определяемым минимальной частотой данной пары, а система в целом обращена раскрывом в зону прослушивания. Наименьшее расстояние между поверхностями громкоговорителей - излучающими - выбрано равным характерному диаметру головы человека. При воспроизведении звука сигнал через усилитель подается на синфазно включенные громкоговорители, которые за счет изменяющегося расстояния между соседними парами формируют часть фронта сферической волны, дающей высокую степень диффузности звукового поля и объемность звуковой картины, воспринимаемой слушателем. Для создания равноценных условий воспроизведения сигнала на разных частотах необходимо установить не менее трех пар излучателей, поскольку каждая пара излучателей является резонатором, собственная резонансная частота которого определяется расстоянием между элементами пары. Для пары излучателей с наименьшей базой устанавливается основная частота вблизи 1760 Гц, в других звеньях основные частоты ниже этой величины.

Известная система звукопередачи характеризуется хорошим качеством звучания, объемным звуком. Однако систему отличает громоздкость, высокие требования к идентичности излучателей в паре, искажения частотной характеристики - срез на высоких и низких частотах. Также трудно добиться симметричной в пространстве диаграммы направленности, что является существенным недостатком устройства.

Известная система принята за наиболее близкий аналог предлагаемой резонансной акустической системы.

Задача, решаемая изобретением, состоит в улучшении объемных резонансных характеристик звучания за счет формирования пространственно симметричной диаграммы направленности и согласования этих характеристик с психофизиологическими особенностями человека.

Задача решена тем, что известная резонансная акустическая система, содержащая источник звукового сигнала, усилитель и электроакустический преобразователь в виде резонатора, включающего корпус, ряд головок громкоговорителей, разнесенных вдоль оси резонатора, в соответствии с изобретением снабжена акустическими отражателями, выполненными в виде дисков, которые установлены оппозитно диффузорам громкоговорителей вдоль оси резонатора, при этом один громкоговоритель и соответствующий ему отражатель выбраны в качестве базовых, а остальные громкоговорители удалены от базового отражателя на расстояние h, определяемое величиной
h_m= C/(2•f_n•m^±1/2) (1)
где f_n - частота музыкального звукоряда,
C - скорость звука в среде,
m = 1, 2, 3... K - целые числа, равные порядковому номеру громкоговорителя,
при этом корпус резонатора в раскрыве связан с одним из отражателей и имеет характерные размеры, пропорциональные длине волны основного тона, а сам корпус выполнен из акустически активного материала.

Задача решена тем, что корпус резонатора выполнен в форме тела вращения, например коническим.

Задача решена также тем, что корпус резонатора выполнен в форме усеченного конуса.

Задача решена тем, что отражатель, связанный с раскрывом корпуса резонатора, установлен на торце корпуса и удален от раскрыва на расстояние, кратное одной четверти длины волны основного тона.

Задача решена тем, что по крайней мере один громкоговоритель и соответствующий ему отражатель установлены над отражателем, связанным с раскрывом корпуса резонатора, при этом отражатели разнесены на расстояние, равное одной четвертой длины волны основного тона.

Задача решена тем, что диаметры отражателей составляют величину D_k, равную
D_k = C • k^1/3/f_on, (2)
где C - скорость звука в среде;
k - порядковый номер отражателя,
f_on - основная частота звучания (основной тон).

Задача решена тем, что частота основного тона выбрана равной 440 Гц.

Задача решена тем, что в качестве акустически активного материала корпуса резонатора выбрана древесно-стружечная плита с сотовым наполнителем.

Задача решена тем, что отражатели выполнены из акустически активных материалов с модулем упругости, пропорциональным частоте основного тона соответствующей акустической пары громкоговоритель - отражатель, например из металла или керамики.

Задача решена тем, что в системе использованы громкоговорители с плоским сотовым диффузором, характеризующимся гладкой передаточной функцией электромеханического резонанса.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-6, на которых представлены: фиг.1 - структурная схема акустической системы, фиг.2 - выполнение резонатора в коническом корпусе с двумя акустическими парами громкоговоритель - отражатель, фиг.3 - амплитудно-частотная характеристика акустической системы, фиг.4 - схема формирования внутреннего акустического поля в резонаторе, фиг.5 - диаграмма направленности резонатора, фиг.6 - конструкция корпуса резонатора: а) коническая форма, б) цилиндрическая форма, в) форма рупора.

Сущность изобретения заключается в следующем. После подключения источника звукового сигнала через усилитель к системе последовательно включенных катушек громкоговорителей в резонаторе происходит формирование и преобразование акустического поля, обеспечивающего его новые, качества. В каждой акустической паре основной процесс взаимодействия связан с излучением и отражением волны, которая тензорными токами взаимодействует с магнитоэлектрическими полями и токами катушек /Г.Крон, Тензорный анализ сетей, М., 1978/. Можно показать, что вторичное акустическое поле резонатора имеет структуру и топологию, определяемую тензорными величинами возбужденной кроновской сети (полиэдра). Пульсирующее объемное поле каждой акустической пары приобретает форму гипертора, который трансформируется в гиперсферу, а согласованный реактивный акустический резонатор вместо компрессионных звуковых волн, поглощаемых средой, формирует солитонный звук (в режиме нагрузки волнового резонатора на эквивалентное волновое сопротивление гиперсферы).

Экспериментально снятая диаграмма направленности (фиг.5) показывает равномерность пространственной характеристики звука. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) резонатора имеет гребенчатую форму, которая характеризует не искажения звукового поля, а первичные форманты живого звука. Вид и характер передаточной функции может корректироваться в зависимости от геометрических, спектральных и энергетических параметров резонатора и системы в целом (фиг. 3). При установке электродинамических громкоговорителей разных диапазонов частот вдоль оси симметрии корпуса (фиг. 1, 2) формируются вложенные друг в друга тороидальные полевые структуры, обладающие аналогичными свойствами. При этом в случае совмещения верхнего основания корпуса резонатора с основным отражательным диском, составляющим акустическую пару с громкоговорителем низких частот, происходит формирование гипертора магнитно-акустического поля максимального диаметра, в который индуктивно вкладываются акустические поля акустических пар среднего и высшего диапазона частот.

Выполнение корпуса резонатора в форме тела вращения (усеченного конуса, цилиндра, рупора и др.) способно оптимальным образом сформировать геометрию поля (фиг. 4). Акустическая пара для диапазона высоких частот может быть размещена над верхним основанием корпуса, причем расстояние между активными поверхностями выбирается равным одной четвертой длины волны основного тона пары.

Акустическая пара для высоких частот, размещенная таким образом, формирует целостную звуковую картину в данном частотном диапазоне. Дополнительная корректировка общего звукового поля достигается выбором акустически активного материала для отражательных дисков, имеющего модуль упругости, возрастающий пропорционально частоте основного тона акустических пар, например металл или керамика, что позволяет формировать вторичное акустическое поле с линейными параметрами. При выборе громкоговорителей с плоскими сотовыми диффузорами и с пологой характеристикой собственного электромеханического резонанса добротность полевого резонатора возрастает.

Для получения естественного тембра звука в качестве акустически активного материала отражательных дисков и корпуса целесообразно использовать натуральную целлюлозу хвойных пород древесины, многослойные конструкции дисков с сотовыми заполнителями позволяют получать необходимую упругость и линейность характеристик при малой плотности (удельном весе). Сам принцип многослойности конструкции резонатора соответствует структуре эквивалентного акустического поля в виде вложенных торов или сфер.

Помимо набора основных резонансных частот акустических пар, определяемых формулой (1), резонатор эффективно воспроизводит дополнительные резонансные частоты, определяющие тембр звуковой картины. Для этого воспроизводится структура музыкального звукоряда при выборе в качестве основной частоты f_on= 440 Гц и отношении диаметров отражательных дисков D_k по формуле (2). Пики и провалы АЧХ в этом случае располагаются в соответствии с последовательностью интервалов музыкального звукоряда, построенного на опорной частоте 440 Гц. При этом сам механизм воспроизводства звука максимально соответствует натуральным источникам звука (голоса птиц, человека, музыкальные инструменты и т.п.), которые функционируют как резонаторы, генерирующие целостную звуковую картину, содержащую наряду с основным тоном и все обертоны.

Таким образом, формирование стоячих (пульсирующих) гиперсферических волн, состоящих из уравновешенных волновых пар, обеспечивает получение устойчивой объемной звуковой картины, слуховое восприятие которой практически не зависит от местоположения слушателя по отношению к акустической системе.

Резонансная акустическая система (фиг. 1) содержит источник звукового сигнала 1, усилитель 2 и резонатор 3, состоящий из корпуса 4 и головок громкоговорителей 5, 6, 7 со звуковыми катушками 8, которые установлены вдоль оси симметрии корпуса 4 с помощью опорных деталей - колец 9 и стержней 10.

Устройство содержит акустические отражатели 12, выполненные в виде плоских дисков, установленных параллельно горизонтально излучающим диффузорам 13, 14 и 15 громкоговорителей (фиг. 1, 2). Внутренняя поверхность 16 каждого отражателя, расположенная против диффузора, формирует стоячую сферическую волну основного тона соответствующего громкоговорителя. Громкоговорители 5, 6, 7, расположенные по вертикали друг под другом, соответствуют диапазонам нижних, средних и верхних частот формируемого общего звукового поля.

Внешние поверхности 17 отражателей участвуют в преобразовании и формировании внешнего объемного поля резонатора, корпус резонатора, представляющий собой геометрически тело вращения (фиг.6) выполнен из акустически активного материала (например, целлюлоза со слоистой структурой и сотовыми заполнителями). Звуковые катушки громкоговорителей 8 включены между собой последовательно и подключены кабелем 18 к источнику звукового сигнала через усилитель. Над верхним основанием корпуса 12, выполняющим функции основного отражателя (нижнего диапазона частот), установлена акустическая пара 19, отражательный диск 20 и громкоговоритель 21 для высшего диапазона частот. Расстояние между их активными поверхностями 22 и 23 выбрано равным одной четвертой длины волны основного тона. Дополнительная акустическая пара зафиксирована равномерно расположенными вдоль окружности диска 20 опорными стержнями 24. А основной громкоговоритель зафиксирован на опорном кольце 25 (фиг. 2).

Расстояния от основного отражателя 12, совмещенного конструктивно с верхним основанием корпуса, до излучающих поверхностей диффузоров громкоговорителей трех диапазонов частот (фиг. 1) определяются из соотношения (1), а диаметры отражателей - из соотношения (2).

Верхнее основание (отражатель) 12 корпуса резонатора 4 установлено на опорных стержнях 10 выше торца корпуса 26 на величину, равную или кратную четверти длины волны основного тона нижнего диапазона частот.

Корпус резонатора монет быть выполнен в виде усеченного конуса 27 (фиг.6 а), установленного вертикально на меньшем основании 28, либо в форме цилиндра 29 (фиг. 6 б), или в форме рупора (фиг. 6 в), установленного на основании, находящемся в цилиндрической части корпуса.

Частота основного тона нижнечастотного громкоговорителя во всех формах конструктивного исполнения может быть выбрана равной 440 Гц. Эта величина однозначно определяет размеры (габариты) корпуса резонатора, если определено число акустических пар, громкоговорителей и отражательных дисков. Минимальное количество отражателей k = 1, когда основной отражательный диск совмещен с верхним основанием корпуса резонатора. Минимальное количество громкоговорителей m = 1, оптимальным является m = 2 (фиг. 2) и m = 3 (фиг.1), возможно создание объемного резонансного акустического поля при m > 3 и k > 2.

Звуковой сигнал, воспроизводимый предлагаемой резонансной системой, становясь источником пульсирующих гиперсферических волн, распространяется в пространстве равномерно, его восприятие не зависит от взаимного расположения прибора и слушателя.

В качестве модельного примера исследован резонатор с тремя громкоговорителями, удаленными от дискового отражателя соответственно на 39 см, 31 см и 24 см, настроенный на основной тон 440 Гц. Экспериментальной группе слушателей (36 человек) с разными психофизиологическими типами восприятия, разных возрастов и т.д. предъявлялись фрагменты музыкальных произведений длительностью от 10 минут до двух часов - классическая, эстрадная, медитативная музыка. Приборными методами на субъективном уровне зафиксировано благоприятное влияние объемного звука на человека (нормализация ряда нервно-психических функций, повышение устойчивости к стрессам, устранение переутомлений и т.п.). Было установлено снижение и стабилизация частоты сердечных сокращений (на 10%), снижение числа перебоев сердца невротического характера, дисперсия межпульсовых интервалом снизилась на 50%, что говорит о росте общей ритмичности пульса.

Предлагаемая акустическая система выполняет функцию профилактического и биотерапевтического прибора, обеспечивающего передачу биологически ценной для восприятия информации в процессе преобразования физического колебательного процесса в целостные образы музыкальных произведений и речи.

Система относится к средствам воспроизведения звука с достижением эффекта объемного звучания. Система содержит источник звукового сигнала, усилитель и электроакустический преобразователь резонансного типа. Преобразователь включает корпус, ряд головок громкоговорителей и акустических отражателей в виде дисков, установленных оппозитно диффузорам громкоговорителей вдоль оси резонатора. Одна акустическая пара громкоговоритель - отражатель выбрана в качестве базовой и настроена на основной тон. Другие громкоговорители и отражатели удалены от базовых на расстояние, обеспечивающее формирование амплитудно-частотной характеристики системы гребенчатой формы с максимумами, соответствующими частотам натурального звукоряда, за счет чего формируются обертоны и подавляются диссонансные составляющие. Звуковой сигнал распространяется в пространстве в форме гиперсферических волн звуковой частоты, что обеспечивает объемное звучание в любой точке помещения, вне зависимости от положения слушателя. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Резонансная акустическая система, содержащая источник звукового канала, усилитель и электроакустический преобразователь в виде резонатора, включающего корпус, ряд головок громкоговорителей, разнесенных вдоль оси резонатора, отличающаяся тем, что она снабжена акустическими отражателями, выполненными в виде дисков, которые установлены оппозитно диффузорам громкоговорителей вдоль оси резонатора, при этом один громкоговоритель и соответствующий ему отражатель выбраны в качестве базовых, а остальные громкоговорители удалены от базового отражателя на расстоянии h_m, определяемое величиной
h_m = (C/2)•(f_n•m^{^}(±1/2))^{^}(-1),
где f_n - частоты музыкального звукоряда;
С - скорость звука в среде,
m = 1,2,3 - целые числа, равные порядковому номеру громкоговорителя,
один из отражателей совмещен с верхним основанием корпуса резонатора, характерные размеры корпуса резонатора пропорциональны длине волны основного тона, а сам корпус выполнен из акустически активного материала. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что корпус резонатора выполнен в виде тела вращения. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что корпус резонатора выполнен в виде усеченного конуса. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что верхнее основание корпуса резонатора с совмещенным с ним отражателем установлено на опорных стержнях над торцом корпуса и удалено от торца корпуса на расстояние, кратное одной четверти длины волны основного тона. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один дополнительный громкоговоритель и соответствующий ему дополнительный отражатель установлены над отражателем, совмещенным с верхним основанием корпуса, при этом упомянутые отражатели разнесены на расстояние, равное одной четверти длины волны основного тона. 6. Система по п.1, отличающаяся тем, что диаметры отражателей D_k составляют величину
D_k = C • k^{^}(1/3)/f₀,
где С - скорость звука в среде;
k - порядковый номер отражателя;
f₀ - основная частота звучания (основной тон). 7. Система по любому из пп.1, 4, 5 и 6, отличающаяся тем, что частота основного тона выбрана равной 440 Гц. 8. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве акустически активного материала корпуса резонатора выбрана древесно-стружечная плита с сотовым наполнителем. 9. Система по п.1, отличающаяся тем, что отражатели выполнены из металла или керамики. 10. Система по п.1, отличающаяся тем, что громкоговорители имеют плоские сотовые диффузоры.