ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H04R1/02 H04R1/28 H04R5/00 H04R9/06 

Изобретение относится к области электроакустики и может быть использовано в конструкциях громкоговорителей для высококачественного воспроизведения музыки и речи в домашних условиях, а также в общественно-культурных и профессиональных системах звуковоспроизведения, в частности в трактах звукорежиссуры, в информационных системах вокзалов, в салонах транспортных средств и других местах, где требуется повышенная артикуляция, особенно в условиях зашумленности и помех.

Хорошо известны и наиболее широко применяются громкоговорители с электродинамической головкой (ЭДГ) прямого излучения, установленной на внешней поверхности корпуса ее акустического оформления (см. В.К.Иофе и др. Справочник по акустике, М.: Связь, 1979).

Недостатки этих устройств - невысокие детальность и артикулированность звучания, резкая зависимость громкости от расстояния R до ЭДГ (по закону 1/R²) - связаны со значительным преобладанием реактивной (векторной) составляющей в их излучении над необходимой активной (скалярной).

Эти недостатки успешно преодолены в контрапертурном громкоговорителе, содержащем модуль с парой идентичных, соосных и синфазно-противоизлучающих электродинамических головок, преобразующих электрический сигнал в акустический, по крайней мере, в среднечастотной части звукового диапазона частот (см. международную заявку WO 95/05057, МКИ⁶ H 04 R 5/02, 1995 г.).

В указанном контрапертурном громкоговорителе активные составляющие противонаправленных излучений идентичных пар электродинамических головок складываются, а векторные - взаимно вычитаются и тем самым компенсируются.

К недостаткам таких устройств следует отнести необходимость парного количества электродинамических головок с идентичными свойствами в парах и увеличенные за счет объема межапертурного пространства габариты громкоговорителя.

Основной задачей настоящего изобретения является создание такой конструкции громкоговорителя, которая, с одной стороны, обеспечивала бы высококачественное звуковоспроизведение путем снижения реактивной составляющей излучения громкоговорителя и связанных с ней параметрических искажений (эффект Допплера), а с другой стороны, не требовала бы использования пар идентичных полосовых электродинамических головок, за счет чего могла бы быть более компактной и более простой в изготовлении и настройке и тем самым имела бы сравнительно невысокую себестоимость изготовления.

В основу настоящего изобретения положены принцип работы контрапертурного громкоговорителя и физико-математическое представление о том, что плоскость симметрии известного контрапертурного громкоговорителя, перпендикулярная общей оси излучающих апертур, является плоскостью зеркальной симметрии. Под симметрией здесь понимается не только конструктивная симметрия, но и симметрия динамики физических процессов, происходящих при работе громкоговорителя. Поэтому, если в этой плоскости поместить какой- либо отражатель, перекрывающий площадь взаимодействия векторных, скоростных потоков, излучаемых электродинамическими головками контрапертурных пар, то ни физические явления, ни степень их проявления при работе громкоговорителя не изменятся. Таким образом, контрапертурный громкоговоритель, имеющий отражатель, расположенный в вышеуказанной плоскости, можно формально представить в виде пары соосных, встречно размещенных самостоятельных полуконтрапертурных громкоговорителей, каждый из которых есть самостоятельный модуль, все аспекты излучения которого обладают полным комплексом уникальных позитивных качеств контрапертурного громкоговорителя и который является более компактным и менее материалоемким в сравнении с контрапертурным громкоговорителем.

Решение основной задачи настоящего изобретения достигается тем, что в громкоговорителе, содержащем модуль с основной ЭДГ прямого излучения для преобразования электрического сигнала в акустический, по крайней мере, в среднечастотной части звукового диапазона частот и корпусом акустического оформления основной ЭДГ, диффузор которой перекрывает отверстие во внешней поверхности этого корпуса, согласно изобретению, модуль снабжен обращенным к излучающему отверстию основной ЭДГ осесимметричным звукоотражателем, установленным вне корпуса акустического оформления соосно с основной ЭДГ, причем расстояние Δ от излучающего отверстия основной ЭДГ до звукоотражателя составляет не менее половины радиуса R_E эффективной площади излучающей поверхности основной ЭДГ и не более четверти максимальной длины λ_max звуковой волны в воздухе, воспроизводимой основной ЭДГ, а площадь S_R звукоотражателя составляет не менее одной трети и не более учетверенной эффективной площади S_E излучающей поверхности основной ЭДГ, т.е.:
0,5R_E ≤ Δ < 0,25λ_max, (1)
S_R=(1/3-4)S_E.

С целью обеспечения максимальной однородности звукового поля в области комфортного озвучивания, в частности в плоскости комфортного озвучивания (т. е. в плоскости, где предполагается наличие голов слушателей), предлагаемый громкоговоритель размещают в помещении таким образом, чтобы ось основной ЭДГ была перпендикулярна плоскости комфортного озвучивания, причем последняя пересекала бы указанную ось между основной ЭДГ и ее звукоотражателем. Так, если озвучиваемая аудитория имеет горизонтальный пол (например, танцзал или зал демонстрации моделей мод), ось основной ЭДГ громкоговорителя устанавливают вертикально, а высота расположения громкоговорителя соответствует положению голов слушателей. В случае, когда аудитория имеет наклонный пол, ось основной ЭДГ модуля громкоговорителя располагают перпендикулярно плоскости огибающей пола аудитории. Если озвучивается помещение с потолком, то основная ЭДГ направлена по существу вверх, а звукоотражатель расположен над основной ЭДГ. Если озвучивание осуществляют на открытом пространстве, основную ЭДГ направляют вниз (в пол), а звукоотражатель устанавливают под основной ЭДГ.

Далее, согласно изобретению, модуль громкоговорителя может быть снабжен, по крайней мере, одной высокочастотной ЭДГ (далее ВЧ ЭДГ), которая может быть установлена соосно с основной ЭДГ. Соосные ВЧ ЭДГ и основная ЭДГ могут быть расположены как однонаправленно, так и противонаправленно. При противонаправленном расположении ВЧ ЭДГ и основной ЭДГ расстояние Δ_H между их излучающими отверстиями составляет не менее радиуса R_EH эффективной площади излучающей поверхности ВЧ ЭДГ и не более расстояния Δ от излучающего отверстия основной ЭДГ до звукоотражателя, т.е.:
R_EH ≤ Δ_H ≤ Δ. (3)
Одна из ВЧ ЭДГ может быть установлена соосно и однонаправленно с основной ЭДГ за задней стороной звукоотражателя.

Вышеуказанное (соосное с основной ЭДГ) размещение ВЧ ЭДГ способствует получению максимальной радиальной однородности (ненаправленности) результирующего излучения громкоговорителя.

В случае необходимости обеспечения направленности излучения ось, по крайней мере, одной ВЧ ЭДГ, согласно изобретению, расположена перпендикулярно оси основной ЭДГ.

Далее, модуль предложенного громкоговорителя может быть снабжен низкочастотной ЭДГ (далее НЧ ЭДГ) прямого излучения, диффузор которой перекрывает отверстие во внешней поверхности корпуса акустического оформления НЧ ЭДГ, а также осесимметричным звукоотражателем низкочастотного излучения (далее НЧ звукоотражатель), обращенным к излучающему отверстию НЧ ЭДГ и установленным вне корпуса акустического оформления НЧ ЭДГ соосно с основной и НЧ ЭДГ. Таким образом, НЧ ЭДГ установлена соосно с основной ЭДГ. При этом расстояние Δ_L от излучающего отверстия НЧ ЭДГ до НЧ звукоотражателя составляет не менее половины радиуса R_EL эффективной площади излучающей поверхности НЧ ЭДГ и не более четверти максимальной длины λ_Lmax звуковой волны в воздухе, воспроизводимой НЧ ЭДГ, а площадь S_RL НЧ звукоотражателя составляет не менее одной трети и не более учетверенной эффективной площади S_EL излучающей поверхности НЧ ЭДГ, т.е.:
0,5R_EL ≤ Δ_L ≤ 0,25λ_Lmax; (4)
S_RL = (1/3-4)S_EL. (5)
Под эффективной площадью излучающей поверхности какой-либо ЭДГ следует понимать площадь круглого плоского поршня, объемная колебательная скорость торцевой поверхности которого равна объемной колебательной скорости ЭДГ, равной в свою очередь поверхностному интегралу колебательной скорости участков диффузора ЭДГ:

где объемная колебательная скорость элементарного участка диффузора ЭДГ;
dS_E - площадь элементарного участка диффузора.

Кроме того, должно быть понятно, что под площадью того или иного звукоотражателя понимается площадь его именно рабочей поверхности, т. е. поверхности, обращенной к излучающему отверстию соответствующей данному звукоотражателю ЭДГ, и в данном описании только эта поверхность понимается под термином "поверхность звукоотражателя".

Пределы расстояний Δ и Δ_L выбраны из условия обеспечения режима работы громкоговорителя в пределах действия механизма бегущей волны для радиально распространяющихся в диффузоре изгибных волн возбуждения.

Каждый диффузор ЭДГ одновременно работает в двух качествах: он служит радиальной линией передачи осевого возбуждения от звуковой катушки ко всем периферийным участкам поверхности диффузора, кроме того, возбужденные, смещающиеся участки диффузора воздействуют на прилегающие молекулы воздуха, вовлекая их в движение. Эффективная работа диффузора в качестве радиальной линии передачи сигнала, как и в случаях любой другой линии передачи, требует ее согласования, т. е. уменьшения, исключения или компенсации отражений (в данном случае - изгибных волн) от неизбежных неоднородностей. Расстояния Δ и Δ_L выбирают такими, чтобы в соответствующей паре "диффузор-звукоотражатель" отраженный скоростной напор, возбужденный центральной прикатушечной (случай конусного диффузора) частью диффузора, пришел к его периферийной части в противофазе с распространившейся за это время по диффузору радиальной изгибной волной и погасил ее на краю диффузора, исключив при этом стоячие волны в диффузоре и многократность отклика преобразователя на конкретное локальное во времени возбуждение.

Диффузор представляет собой среду, более жесткую, чем воздух, но и не абсолютно жесткую, поэтому расстояния Δ и Δ_L должны быть не менее половины радиуса соответствующего диффузора (условие противофазности отраженного сигнала для абсолютно жесткого диффузора, двигающегося как единое целое), но не более четверти длины соответственно λ_max и λ_Lmax для самого нежесткого диффузора со скоростью распространения изгибной волны возбуждения равной скорости звука в воздухе.

Площадь того или иного звукоотражателя выбирают в пределах, обуславливающих эффективное использование соколеблющейся недеформированной части возбужденного воздуха для отражения, обеспечивающего, с одной стороны, приблизительное равенство противофазных векторных продуктов возбуждения, а с другой стороны, - описанное выше подавление отраженных от неоднородностей изгибных колебаний в диффузоре соответствующей данному звукоотражателю ЭДГ. Поэтому минимальная величина площади S_R и S_RL составляет 1/3 от S_E и S_EL соответственно (например, для диффузоров с большими потерями на вязкость), а максимальная - не должна превышать величину площади соответственно S_E и S_EL более чем в четыре раза, т.к. при большей площади звукоотражателя возникает радиально-кольцевая линия передач с постоянным зазором за пределами эффективного радиуса диффузора. Такая линия работает как резонатор Фабри-Пьеро со всеми нежелательными последствиями. Таким образом, конкретные величины параметров Δ, Δ_L, S_R и S_RL зависят от материала диффузора, его геометрии, толщины, плотности, жесткости, вязкости, то есть определяются для конкретной ЭДГ.

НЧ звукоотражатель может быть закреплен на задней стороне корпуса акустического оформления основной ЭДГ. В частности, указанная задняя поверхность сама может служить в качестве НЧ-звукоотражателя.

Поверхность того или иного звукоотражателя может иметь плоскую или криволинейную форму, в том числе выпуклую, вогнутую или ступенчатую.

Для того чтобы в предлагаемом громкоговорителе обеспечить постоянство времени распространения звуковых волн по воздуху и по диффузору, огибающая частей поверхности звукоотражателя может быть выполнена подобной огибающей частей поверхности соответствующего этому звукоотражателю диффузора, при этом масштабный коэффициент подобия находится в пределах от -2 до + 2. Знак "минус" означает, что кривизна отражателя обратна кривизне диффузора.

Для целей определения расстояний Δ и Δ_L считается, что излучающее отверстие соответствующей ЭДГ расположено в плоскости крепления периферийной части диффузора этой ЭДГ к корпусу ее акустического оформления. При этом, если поверхность какого-либо звукоотражателя неплоская, то указанные расстояния Δ и Δ_L измеряются до эквивалентной плоскости звукоотражателя. Таким образом, расстояние от излучающего отверстия какой-либо ЭДГ до соответствующего этой ЭДГ звукоотражателя является по существу расстоянием от плоскости крепления периферийной части диффузора ЭДГ к корпусу ее акустического оформления до эквивалентной плоскости звукоотражателя. Раскрытие понятия "эквивалентная плоскость" звукоотражателя будет дано ниже с использованием схем на фиг. 4 и 5.

При виде вдоль оси основной ЭДГ тот или иной звукоотражатель может иметь различную форму, например, круглую, закругленную (овальную), многоугольную, звездообразную, многолепестковую.

При необходимости, с целью снижения добротности колебаний, по крайней мере, часть площади одного или обоих звукоотражателей может быть выполнена перфорированной.

Один или оба звукоотражателя могут быть прикреплены к корпусу акустического оформления соответствующей ЭДГ посредством одного или нескольких ребер, расположенных радиально относительно оси основной ЭДГ. Поперечное сечение этих ребер может иметь различную форму, например, прямоугольную, а также клиновидную, каплевидную или ромбовидную. В случае если толщина поперечного сечения ребер непостоянна в радиальном направлении (вышеуказанные клиновидная, каплевидная или ромбовидная формы), то эти ребра направляют более узкой частью поперечного сечения к оси основной ЭДГ или (что то же самое) к оси НЧ ЭДГ. Такое расположение крепежных ребер соответствует распространению звука в радиальном от оси основной ЭДГ направлении и обеспечивает отсутствие в данном случае вредных отражений звуковых волн от поверхности ребер, обращенной к оси основной или НЧ ЭДГ.

Если звукоотражатель прикреплен к корпусу акустического оформления соответствующей ЭДГ посредством двух или более ребер, то для дополнительного акцентирования или коррекции диаграммы направленности звука в вертикальной плоскости эти ребра могут быть скреплены друг с другом плоскими или конусообразными кольцами, которые образуют совместно с ребрами рупорные ячейки акустической радиальной линзы. При этом величины внутренних диаметров этих колец выбраны такими, чтобы кольца не перекрывали хотя бы частично поперечное сечение воображаемого конуса с прямолинейной образующей, проходящей через наружные края звукоотражателя и диффузора соответствующей ЭДГ. Данное условие необходимо для обеспечения беспрепятственного прохождения звуковых потоковых волн от ЭДГ до соответствующего ей звукоотражателя.

Указанные ребра и скрепляющие их кольца размещают преимущественно симметрично по отношению к оси основной ЭДГ. Однако в случае, если не требуется равномерное распространение звука во всех радиальных направлениях от оси основной ЭДГ, т.е. радиальная однородность (ненаправленность) излучения, то вышеотмеченное симметричное размещение ребер и колец не является обязательным.

Если диффузор основной и/или НЧ ЭДГ выполнен с центральным возбуждением без пылезащитного колпака, то звукоотражатель может быть прикреплен к керну магнитной системы соответствующей ЭДГ посредством центрального стержня различной формы, например цилиндрической или конусной. При этом, с целью снижения мате- риалоемкости при обеспечении достаточной жесткости конструкции, центральный стержень может быть выполнен оребренным.

Для увеличения площади озвучивания и/или динамического диапазона звуковоспроизведения (звукоусиления) предложенный громкоговоритель может быть составлен из четного числа попарно расположенных модулей, выполненных по одному из вышеуказанных и заявленных в формуле изобретения вариантов. Основные электродинамические головки в каждой паре модулей расположены соосно. При этом пара модулей может содержать как идентичные, так и неодинаковые модули, основные электродинамические головки которых могут быть расположены как одно-, так и противонаправленно.

Если основные электродинамические головки в паре модулей направлены навстречу друг другу, то расстояние между их звукоотражателями выбрано таким, чтобы звукоотражатель и корпус акустического оформления одной из указанных основных электродинамических головок пары не выходил бы за пределы поперечного сечения воображаемого конуса с прямолинейной образующей, проходящей через наружные края другого звукоотражателя и соответствующего ему диффузора другой ЭДГ. Указанное условие выбора расстояния между звукоотражателями необходимо соблюдать для того, чтобы обеспечить отсутствие попадания излучения, отраженного звукоотражателем и корпусом акустического оформления одной из ЭДГ пары, на диффузор другой ЭДГ этой пары.

В случае если пара модулей составлена из идентичных модулей, основные электродинамические головки которых направлены навстречу друг другу, расстояние между их звукоотражателями может быть равно нулю, и тогда для обеих основных электродинамических головок пары может быть использован один общий звукоотражатель, выполненный с двухсторонней рабочей поверхностью.

В случае необходимости получения диаграммы направленности излучения, несимметричной в вертикальной плоскости (при озвучивании спортивных площадок, бассейнов, больших залов, платформ вокзалов и т. п.), основные электродинамические головки в паре модулей располагают однонаправленно, при этом расстояние между звукоотражателем основной ЭДГ, расположенной первой по направлению излучения основных ЭДГ пары, и корпусом акустического оформления второй основной ЭДГ выбрано таким, чтобы звукоотражатель и корпус акустического оформления второй основной ЭДГ не выходили за пределы поперечного сечения воображаемого конуса с прямолинейной образующей, проходящей через наружные края звукоотражателя и диффузора первой основной ЭДГ.

В любом многомодульном варианте предлагаемого громкоговорителя должно быть соблюдено вышеуказанное условие отсутствия для какой- либо ЭДГ отражений от звукоотражателя или корпуса акустического оформления другой ЭДГ. При этом для того, чтобы избежать неоправданного увеличения габаритов громкоговорителя, расстояние между каким-либо звукоотражателем в одном из модулей громкоговорителя и конструктивным элементом другого модуля, способным выполнить функцию звукоотражателя, выбирается минимальным из возможных, при котором упомянутый звукоотражатель перекрывает створ взаимодействия с его диффузором, экранируя при этом какие-либо другие конструктивные элементы, способные повлиять на отражения.

Далее изобретение поясняется описанием некоторых конкретных вариантов исполнения предлагаемого громкоговорителя с использованием ниже перечисленных иллюстраций.

На фиг. 1 изображена схема модуля предложенного громкоговорителе содержащего только одну, основную ЭДГ;
на фиг. 2 представлена схема расположения модуля предлагаемого громкоговорителя в случае озвучивания помещения с наклонным (ступенчатым) полом;
на фиг. 3 - вариант выполнения модуля громкоговорителя с НЧ ЭДГ;
на фиг. 4 представлена схема, поясняющая понятие "эквивалентная плоскость" звукоотражателя для общего случая выполнения его поверхности неплоской;
на фиг. 5 - то же, для частного случая выполнения поверхности звукоотражателя ступенчатой формы;
на фиг. 6 показаны варианты формы звукоотражателя при виде вдоль оси основной ЭДГ;
на фиг. 7 - вариант крепления звукоотражателя посредством одного ребра;
на фиг. 8 - варианты форм поперечного сечения ребер;
на фиг. 9 - вариант скрепления нескольких ребер друг с другом при помощи колец, а также вариант выполнения громкоговорителя с первой, второй и дополнительными высокочастотными электродинамическими головками;
на фиг. 10 - вариант крепления звукоотражателя посредством центрального стержня;
на фиг. 11 - варианты форм поперечного сечения центрального стержня;
на фиг. 12 - вариант выполнения предложенного громкоговорителя из двух соосных модулей при направлении их основных ЭДГ навстречу друг другу; на фиг. 13 - вариант выполнения предложенного громкоговорителя из двух соосных модулей при однонаправленном расположении их основных ЭДГ.

В одном из наиболее простых вариантов выполнения модуль предлагаемого громкоговорителя 1 (фиг.1) имеет основную ЭДГ 2 прямого излучения (в отличие от ЭДГ рупорного типа), которая преобразует электрические сигналы в акустические, по крайней мере, в среднечастотной части звукового диапазона частот, корпус акустического оформления ЭДГ 2, а также звукоотражатель 4 прямого излучения ЭДГ 2. Последняя расположена в корпусе 3 так, что ее диффузор 5 перекрывает отверстие во внешней поверхности этого корпуса 3. Звукоотражатель 4 обращен к излучающему отверстию (к диффузору 5) ЭДГ 2, имеет симметричную относительно оси 6 ЭДГ 2 форму (осесимметричную форму) и неподвижно закреплен вне корпуса 3 соосно с ЭДГ 2 на расстоянии Δ от излучающего отверстия ЭДГ 2. Указанное расстояние находится в пределах, определяемых соотношением (1), а площадь S_R звукоотражателя 4 выбирают в пределах, определяемых соотношением (2). Корпус 3 может быть выполнен в виде ящика закрытой или фазоинверсной конструкции, а также в виде ящика с панелью акустического сопротивления, или со сложенной длинной линией и т. д. Звукоотражатель 4 прикреплен к корпусу 3 посредством нескольких ребер 7, расположенных радиально относительно оси 6, или при помощи одного такого ребра (фиг. 7). Соединение ребер 7 со звукоотражателем 4 и корпусом 3 осуществляют каким-либо подходящим известным способом (сваркой, пайкой, клепкой и т.д.).

Фиг. 2 иллюстрирует установку модуля предложенного громкоговорителя 1 в аудитории со ступенчатым полом 8. Ось 6 основной ЭДГ 2 (эта ось является также осью звукоотражателя 4, т.е. по существу осью модуля громкоговорителя 1 в целом) громкоговорителя 1 отклоняют от вертикали на угол α наклона плоскости 9 огибающей пола 8, чтобы эта ось была расположена перпендикулярно плоскости 10 комфортного озвучивания, при этом плоскость 10 должна пересекать громкоговоритель 1 преимущественно в промежутке между его ЭДГ 2 и отражателем 4.

На фиг. 3 изображен модуль предложенного громкоговорителя, имеющий помимо основной ЭДГ 2 также НЧ ЭДГ 11 прямого излучения с соответствующим корпусом 12 ее акустического оформления. Диффузор 13 НЧ ЭДГ 11 перекрывает соответствующее отверстие во внешней поверхности корпуса 12. НЧ ЭДГ 11 расположена соосно с основной ЭДГ 2. Вне корпуса 12 соосно с НЧ ЭДГ 11 неподвижно расположен осесимметричный звукоотражатель 14 низкочастотного излучения (далее НЧ звукоотражатель) от НЧ ЭДГ 11. Расстояние Δ_L от излучающего отверстия НЧ ЭДГ 11 до НЧ звукоотражателя 14 выбирают из вышеуказанного соотношения (4) по аналогии с выбором расстояния Δ, а площадь S_RL НЧ звукоотражателя 14 - из соотношения (5), аналогично выбору площади S_R звукоотражателя 4 основной ЭДГ 2. Из фиг. 3 видно, что НЧ звукоотражатель 14 может быть закреплен на задней стороне корпуса 3 акустического оформления основной ЭДГ 2 или же эта сторона корпуса 3 может сама выполнять функцию НЧ звукоотражателя 14.

Для целей определения расстояний (Δ и Δ_L) от излучающего отверстия основной или НЧ ЭДГ до соответствующего звукоотражателя в случае неплоской (например, конусной или ступенчатой) формы поверхности звукоотражателя необходимо использовать понятие эквивалентной плоскости звукоотражателя. В общем случае (см. фиг. 4) эквивалентной плоскостью 15 звукоотражателя 4 или 14 является перпендикулярная оси 6 воображаемая плоскость, для которой интеграл произведений проекции элементарной площади 16 звукоотражателя 4 или 14 на плоскость, нормальную оси 6, на измеряемое вдоль оси 6 расстояние от этой элементарной площади 16 до эквивалентной плоскости 15 равен нулю, т.е.:

где A_i - измеряемое вдоль оси 6 расстояние (с учетом знака) от i-го элементарного участка поверхности звукоотражателя до эквивалентной плоскости этого звукоотражателя;
ϕ_i - угол наклона указанного i-гo элементарного участка к плоскости, нормальной оси основной ЭДГ;
dF_i - площадь указанного i-гo элементарного участка.

Если поверхность звукоотражателя имеет ступенчатую форму, когда плоскости ступеней расположены перпендикулярно оси 6 (см. фиг. 5), то для этого частного случая интегральное выражение (7) упрощается, преобразуясь в сумму произведений площадей F_n n-ных ступенчатых участков поверхности звукоотражателя на их измеряемые вдоль оси 6 расстояния A_n (с учетом знака) до эквивалентной плоскости 15:

где m - число указанных ступенчатых участков;
n - целое число от 1 до m.

Поверхность звукоотражателя 4 (или 14), изображенного на фиг. 5, имеет три ступенчатых участка: первый круглый с площадью F₁ и два кольцевых с площадями F₂ и F₃, при этом место расположения эквивалентной плоскости 15 удовлетворяет условию:
F₁ • A₁ + F₂ • A₂ + F₃ • A₃ = 0. (9)
При виде вдоль оси 6 основной ЭДГ 2 звукоотражатель 4 или 14 может иметь различную осесимметричную форму (см. фиг. 6), в частности форму круга (вариант А), округлую, например эллипсную, форму (вариант В), многоугольную (вариант С), звездообразную (вариант D), а также многолепестковую форму (вариант Е).

Ребра 7, используемые для крепления отражателя 4 или 14 к корпусу 3 или 12 соответственно, в своем поперечном сечении (см. фиг. 8) могут быть выполнены прямоугольной формы (вариант А), а также клиновидной (вариант В), каплевидной (вариант С) или ромбовидной формы (вариант D). Если поперечное сечение ребер имеет форму в соответствии с вариантами В, С или D, то более узкая часть этого сечения направлена к оси основной ЭДГ.

Если звукоотражатель 4 (или 14) прикреплен к корпусу 3 (или 12 соответственно) при помощи нескольких ребер 7, размещенных вокруг оси 6, то эти ребра скреплены друг с другом посредством плоских или конусообразных колец 17 (см. фиг. 9), которые совместно с ребрами 7 образуют ячейки акустической радиальной линзы. Кольца 17 не должны, хотя бы частично, перекрывать поперечное сечение воображаемого конуса, ось которого расположена на оси 6, а прямолинейная образующая 18 проходит через наружные края звукоотражателя 4 (или 14) и диффузора 5 (или 13 соответственно), поэтому величину внутреннего диаметра колец 17 выбирают исходя из данного условия.

На фиг. 9 показан также вариант громкоговорителя, имеющего согласно изобретению, помимо основной ЭДГ 2, первую ВЧ ЭДГ 19, вторую ВЧ ЭДГ 20 и дополнительные ВЧ ЭДГ 21. Первая и вторая ВЧ ЭДГ 19, 20 расположены соосно с основной ЭДГ 2, при этом первая ВЧ ЭДГ 19 установлена между основной ЭДГ 2 и звукоотражателем 4 и направлена навстречу основной ЭДГ 2, а вторая ВЧ ЭДГ 20 расположена за задней стороной звукоотражателя 4 однонаправленно с основной ЭДГ 2. Дополнительные ВЧ ЭДГ 21 размещены вокруг оси 6 основной ЭДГ 2 между плоскостями расположения излучающих отверстий основной ЭДГ 2 и второй ВЧ ЭДГ 20. Оси дополнительных ВЧ ЭДГ 21 перпендикулярны оси 6. ВЧ ЭДГ 19- 21 могут быть как прямого излучения, так и рупорного типа. Возможны сочетания разнотипных и неидентичных ВЧ ЭДГ в одном громкоговорителе.

На фиг. 10 показан вариант предложенного громкоговорителя, когда диффузор 5 (или 13) основной ЭДГ 2 (или НЧ ЭДГ 11 соответственно) выполнен с центральным возбуждением без пылезащитного колпака. В этом случае звукоотражатель 4 (или 14) прикреплен к керну 22 магнитной системы 23 ЭДГ 2 (или НЧ ЭДГ 11 соответственно) при помощи центрального стержня 24 конусной формы.

Стержень 24 может быть выполнен полым и снаружи имеет круглую (фиг. 11А) или оребренную (фиг. 11В) форму.

На фиг. 11 показан громкоговоритель, составленный согласно изобретению из двух неидентичных модулей: нижнего модуля 25 и верхнего модуля 26, основные ЭДГ 2 которых расположены противонаправленно и соосно. Расстояние L₁ между звукоотражателями 4 этих модулей выбрано таким, чтобы звукоотражатель и корпус акустического оформления основной ЭДГ нижнего модуля 25 не выходили за пределы какого-либо поперечного сечения воображаемого конуса с прямолинейной образующей 27, проходящей через наружные края звукоотражателя и диффузора основной ЭДГ верхнего модуля 26, и, наоборот, чтобы звукоотражатель и корпус акустического оформления основной ЭДГ верхнего модуля 26 не выходили за пределы какого-либо поперечного сечения воображаемого конуса, прямолинейная образующая 28 которого проходит через наружные края звукоотражателя и диффузора основной ЭДГ нижнего модуля 25.

На фиг. 12 изображен вариант модульной конструкции предложенного громкоговорителя, в котором основные ЭДГ 2 модулей 25, 26 расположены соосно и однонаправленно, причем модуль 25 расположен первым по направлению излучения основных ЭДГ 2, а модуль 26 - вторым. В этом случае расстояние L₂ от звукоотражателя основной ЭДГ первого модуля 25 до корпуса акустического оформления основной ЭДГ второго модуля 26 выбрано таким, чтобы звукоотражатель и корпус акустического оформления основной ЭДГ второго модуля 26 не выходили за пределы какого-либо поперечного сечения воображаемого конуса, прямолинейная образующая 28 которого проходит через наружные края звукоотражателя и диффузора основной ЭДГ первого модуля 25.

Принцип работы предлагаемого громкоговорителя заключается в следующем. Напряжение сигнала, возникающее на выходе усилителя, вызывает ток в звуковой катушке ЭДГ. Магнитное поле этого тока взаимодействует с постоянным радиальным полем магнитной системы ЭДГ, формируя осевую силу, приводящую диффузор ЭДГ в движение. Это движение происходит за счет радиально распространяющихся по диффузору кольцевых изгибных волн. При этом ускорение участков диффузора вызывает частичную деформацию сжатия-разрежения воздуха, образующую непосредственно необходимое звуковое давление (скалярный продукт), а скорость колебаний диффузора вызывает осевое соколебание недеформируемых прилежащих к диффузору слоев воздуха (векторный продукт). ЭДГ эффективно преобразуют сигнал только на тех частотах, на которых длина звуковой волны в воздухе больше диаметра диффузора. В этой частотной области реактивная (векторная) составляющая сопротивления излучения во много раз превышает активную (скалярную). Поэтому основу излучения составляет суррогатная, ненужная сама по себе, реактивная составляющая, для которой действует закон сохранения количества движения в телесном угле излучения, а не закон сохранения энергии (mV²/2), поэтому звуковое давление, обусловленное в основном объемной колебательной скоростью, убывает по закону 1/R² (здесь R - расстояние от излучателя до приемника). Кроме того, в такой системе, даже если она выполнена абсолютно линейной, возникают параметрические искажения в виде допплеровской частотной интермодуляции, связанные с движением излучающей поверхности в направлении излучатель-слушатель.

Введение в конструкцию громкоговорителя соосного звукоотражателя для основной ЭДГ и для НЧ ЭДГ позволяет организовать противонаправленный, почти равный по величине, скоростной напор, компенсируя тем самым векторную составляющую излучения и связанные с ней параметрические искажения. Более того, указанный скоростной противонапор преобразует прямую и отраженную скорости в изменение локальной концентрации молекул воздуха, то есть в активную составляющую излучения, изменяя тем самым соотношение между активной и реактивной составляющими сопротивления излучения среды возбудителю в пользу активной составляющей.

Площадь, форму и расстояние звукоотражателя от конкретной ЭДГ для конкретного корпуса ее акустического оформления подбирают из условия обеспечения режима бегущей волны для радиально распространяющихся кольцевых изгибных волн в диффузоре, так как диффузор не только воздействует на воздух, но и служит линией передачи возбуждения от звуковой катушки ко всем элементам своей же поверхности, воздействующим на воздух. Любые неоднородности в этой радиальной линии передачи вызывают отражения изгибных волн. Отраженные волны интерферируют с прямыми, создавая стоячие волны, тоже возбуждающие воздушную среду. Это приводит как к нарушению временной когерентности преобразуемых сигналов, так и к частотной дискриминации - нелинейности амплитудно-частотной характеристики. Использование звукоотражателя позволяет дополнительно воздействовать на основные неоднородности диффузора - его сочленения с периферийной манжетой и диффузородержателем - аналогично тому, как в оптике действуют просветляющие покрытия: если два одинаковых по величине отраженных сигнала накладываются друг на друга в противофазе, то взаимно уничтожают друг друга. Этот же подход одновременно решает задачу самосогласования распределенного во времени и пространстве взаимодействия элементов поверхности диффузора с атмосферой.

Таким образом, использование звукоотражателя в предлагаемом громкоговорителе, в котором правильно выбраны вышерассмотренные параметры Δ, Δ_L, S_R и S_RL, позволяет в комплексе решить основные вопросы эффективности и качества звуковоспроизведения.

Использование данного изобретения позволяет за счет незначительного по сложности и несущественного по цене изменения конструкции громкоговорителя повысить качество звуковоспроизведения. Потребители любого ценового и претенциозного уровня получают возможность звуковоспроизведения с качеством, соответствующим категории High-End, когда улучшается не только информационное содержание, но обеспечиваются натуральность, живая атмосфера исполнения, воспроизведение мельчайших деталей исполнительского мастерства и дирижерской индивидуальности, не достижимая ранее прозрачность и артикулированность (разборчивость) звуковоспроизведения. При этом цена изделий, обусловленная материальными, трудовыми и энергозатратами, фактически остается неизменной и характерна для стандартной массовой продукции категории Hi-Fi.

Объем данного изобретения не исчерпывается вышеприведенными примерами выполнения. В пределах приложенной формулы изобретения возможны и другие конкретные варианты конструктивного исполнения громкоговорителей.

Изобретение относится к области электроакустики, а именно к элементам конструкции громкоговорителей для высококачественного воспроизведения звука. Громкоговоритель содержит модуль, включающий основную электродинамическую головку (ЭДГ) прямого излучения, преобразующую электрический сигнал в акустический по крайней мере среднечастотной части звукового диапазона частот, также корпус акустического оформления этой ЭДГ; диффузор ЭДГ перекрывает отверстие во внешней поверхности этого корпуса. Устройство снабжено обращенным к излучающему отверстию основной ЭДГ осесимметричным звукоотражателем, установленным вне корпуса акустического оформления соосно с основной ЭДГ, причем 0,5R_E ≤ Δ < 0,25λ_max, a S_R=(1/3...4)S_E, где R_E -радиус эффективной площади излучающей поверхности основной электродинамической головки; Δ - расстояние от излучающего отверстия основной электродинамической головки до звукоотражателя; λ_max - максимальная длина звуковой волны в воздухе, воспроизводимая основной электродинамической головкой, S_R - площадь звукоотражателя; S_E -эффективная площадь излучающей поверхности основной электродинамической головки. Модуль может также содержать высокочастотную ЭДГ и низкочастотную ЭДГ прямого излучения с соответствующим звукоотражателем низкочастотного излучения. Данная конструкция громкоговорителя обеспечивает повышение качества воспроизводимого звука. 22 з.п.ф-лы, 13 ил.

1. Громкоговоритель, содержащий модуль с основной электродинамической головкой прямого излучения для преобразования электрического сигнала в акустический по крайней мере в среднечастотной части звукового диапазона частот и корпусом акустического оформления основной электродинамической головки, диффузор которой перекрывает отверстие во внешней поверхности этого корпуса, отличающийся тем, что модуль снабжен обращенным к излучающему отверстию основной электродинамической головки осесимметричным звукоотражателем, установленным вне корпуса акустического оформления соосно с основной электродинамической головкой, причем
0,5R_E ≤ Δ < 0,25λ_max;
S_R=(1/3-4)S_E,
где R_E - радиус эффективной площади излучающей поверхности основной электродинамической головки;
Δ - расстояние от излучающего отверстия основной электродинамической головки до звукоотражателя;
λ_max - максимальная длина звуковой волны в воздухе, воспроизводимая основной электродинамической головкой;
S_R - площадь звукоотражателя;
S_E - эффективная площадь излучающей поверхности основной электродинамической головки. 2. Громкоговоритель по п.1, отличающийся тем, что совместная ось основной электродинамической головки и звукоотражателя расположена, по существу, перпендикулярно плоскости комфортного озвучивания. 3. Громкоговоритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что модуль снабжен по крайней мере одной высокочастотной электродинамической головкой. 4. Громкоговоритель по п.3, отличающийся тем, что по крайней мере одна высокочастотная электродинамическая головка расположена соосно с основной. 5. Громкоговоритель по п.4, отличающийся тем, что основная и соосная с ней высокочастотная электродинамические головки противонаправлены, а расстояние между их излучающими отверстиями не менее радиуса эффективной площади излучающей поверхности высокочастотной электродинамической головки и не более расстояния от излучающего отверстия основной электродинамической головки до звукоотражателя. 6. Громкоговоритель по п.3, или 4, или 5, отличающийся тем, что одна из высокочастотных электродинамических головок установлена соосно и однонаправленно с основной головкой за задней стороной звукоотражателя. 7. Громкоговоритель по одному из пп.3-6, отличающийся тем, что ось по крайней мере одной высокочастотной электродинамической головки перпендикулярна оси основной головки. 8. Громкоговоритель по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что модуль снабжен низкочастотной электродинамической головкой прямого излучения, корпусом акустического оформления низкочастотной электродинамической головки, которая расположена соосно с основной и диффузор которой перекрывает отверстие во внешней поверхности корпуса акустического оформления низкочастотной электродинамической головки, а также осесимметричным звукоотражателем низкочастотного излучения, обращенным к излучающему отверстию низкочастотной электродинамической головки и установленным вне корпуса ее акустического оформления соосно с ней, причем
0,5R_EL < Δ_L < 0,25λ_Lmax;
S_RL=(1/3-4)S_EL,
где R_EL - радиус эффективной площади излучающей поверхности низкочастотной электродинамической головки;
Δ_L - расстояние от излучающего отверстия низкочастотной электродинамической головки до звукоотражателя низкочастотного излучения;
λ_Lmax - максимальная длина звуковой волны в воздухе, воспроизводимая низкочастотной электродинамической головкой;
S_RL - площадь звукоотражателя низкочастотного излучения;
S_EL - эффективная площадь излучающей поверхности низкочастотной электродинамической головки. 9. Громкоговоритель по п.8, отличающийся тем, что звукоотражатель низкочастотного излучения закреплен на задней стороне корпуса акустического оформления основной электродинамической головки. 10. Громкоговоритель по п.9, отличающийся тем, что в качестве звукоотражателя низкочастотного излучения используют заднюю поверхность корпуса акустического оформления основной электродинамической головки. 11. Громкоговоритель по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что огибающая частей поверхности любого звукоотражателя подобна огибающей частей поверхности диффузора соответствующей этому звукоотражателю электродинамической головки, причем масштабный коэффициент указанного подобия находится в пределах от -2 до +2. 12. Громкоговоритель по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что при виде вдоль оси основной электродинамической головки любой звукоотражатель имеет круглую, или закругленную, или многоугольную, или звездообразную, или многолепестковую форму. 13. Громкоговоритель по одному из пп.1-12, отличающийся тем, что по крайней мере часть площади обоих звукоотражателей или одного из них выполнена перфорированной. 14. Громкоговоритель по одному из пп.1-13, отличающийся тем, что по крайней мере один из звукоотражателей прикреплен к корпусу акустического оформления соответствующей этому звукоотражателю электродинамической головки посредством не менее одного ребра, расположенного радиально относительно оси основной электродинамической головки. 15. Громкоговоритель по п.14, отличающийся тем, что поперечное сечение ребер имеет прямоугольную форму. 16. Громкоговоритель по п.14, отличающийся тем, что поперечное сечение ребер имеет клиновидную, или каплевидную, или ромбовидную форму, более узкая часть которой направлена к оси основной электродинамической головки. 17. Громкоговоритель по п.14, или 15, или 16, отличающийся тем, что по крайней мере один из звукоотражателей прикреплен к корпусу акустического оформления соответствующей этому звукоотражателю электродинамической головки посредством не менее двух ребер, скрепленных друг с другом плоскими или конусообразными кольцами, образующими совместно с ребрами ячейки акустической радиальной линзы, причем величины внутренних диаметров этих колец выбраны такими, чтобы кольца не перекрывали хотя бы частично поперечное сечение воображаемого конуса с прямолинейной образующей, проходящей через наружные края звукоотражателя и диффузора соответствующей этому звукоотражателю электродинамической головки. 18. Громкоговоритель по одному из пп.1-13, отличающийся тем, что основная и/или низкочастотная электродинамическая головка имеет диффузор с центральным возбуждением без пылезащитного колпака, а звукоотражатель прикреплен к керну магнитной системы соответствующей электродинамической головки посредством центрального стержня. 19. Громкоговоритель по п.18, отличающийся тем, что центральный стержень выполнен цилиндрическим или конусным. 20. Громкоговоритель по п.18 или 19, отличающийся тем, что центральный стержень выполнен оребренным. 21. Громкоговоритель по одному из пп.1-20, отличающийся тем, что он составлен из четного числа модулей, выполненных по одному из предыдущих пунктов и расположенных попарно, причем основные электродинамические головки в каждой паре расположены соосно. 22. Громкоговоритель по п.21, отличающийся тем, что основные электродинамические головки в паре модулей направлены одна навстречу другой, а расстояние между звукоотражателями этих электродинамических головок выбрано таким, чтобы звукоотражатель и корпус акустического оформления одной из указанных основных электродинамических головок пары не выходили за пределы поперечного сечения воображаемого конуса с прямолинейной образующей, проходящей через наружные края другого звукоотражателя и соответствующего ему диффузора другой основной электродинамической головки. 23. Громкоговоритель по п.21, отличающийся тем, что основные электродинамические головки в паре модулей расположены однонаправленно, а расстояние между звукоотражателем основной электродинамической головки, расположенной первой по направлению излучения основных электродинамических головок пары, и корпусом акустического оформления второй основной электродинамической головки выбрано таким, чтобы звукоотражатель и корпус акустического оформления второй основной электродинамической головки не выходили за пределы поперечного сечения воображаемого конуса с прямолинейной образующей, проходящей через наружные края звукоотражателя и диффузора первой основной электродинамической головки.