СПОСОБ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ ВО ВНЕШНЕЕ ПРОСТРАНСТВО И АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2004 года по МПК H04R1/28 H04R1/02 

Устройство относится к системам звукоусиления и, в частности, к конструктивным элементам акустического оформления громкоговорителей электродинамического типа.

Известна акустическая система, содержащая электродинамический громкоговоритель, установленный на одной из стенок открытого с тыльной стороны корпуса [1].

Недостатком указанной акустической системы является малый электроакустический коэффициент полезного действия К_еа - менее 50% излучается в озвучиваемое пространство, а остальная акустическая мощность не излучается вследствие акустического короткого замыкания между колебаниями фронтальной и тыльной поверхностей диффузора громкоговорителя.

Известна акустическая система, содержащая закрытый корпус, на одной из стенок которой установлен электродинамический громкоговоритель [2].

Недостатком известной акустической системы является малый электроакустический коэффициент полезного действия К_еа вследствие превращения колебательной мощности, создаваемой тыльной поверхностью диффузора громкоговорителя, в тепло - более 50%.

Известна акустическая система, содержащая закрытый корпус, на одной из стенок которого установлен электродинамический громкоговоритель и выполнен волновод - фазоинвертор для выхода колебательной мощности, развиваемой тыльной поверхностью диффузора громкоговорителя, в озвучиваемое пространство [3].

По большинству признаков это устройство может быть принято за прототип.

Устройству-прототипу свойственны следующие недостатки:

- малый электроакустический коэффициент полезного действия К_еа вследствие малой площади выходного отверстия волновода, являющегося основным, и возникновения в нем остаточной упругости, уменьшающей амплитуду колебаний диффузора громкоговорителя, а также вследствие того, что звуковые колебания на выходе волновода имеют максимальный сдвиг по фазе, равный только 90°, хотя для полной фазировки колебаний требуется сдвиг по фазе, равный 180°; максимально возможный сдвиг выходных колебаний волновода, равный 180°, получается только на одной частоте, равной резонансной частоте резонатора Геймгольца, каким и является устройство-прототип;

- значительные нелинейные искажения, возникающие вблизи резонансной частоты акустической системы, вследствие чего музыкальные инструменты басового регистра звучат неестественно, сходно и искаженно, по данным акустических измерений величина нелинейных искажений доходит до 5-7%; на более высоких частотах фазоинвертор бесполезен.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение электроакустического коэффициента полезного действия и уменьшение нелинейных искажений звука.

Указанная техническая задача решается тем, что известная акустическая система, содержащая по меньшей мере один громкоговоритель, установленный на одной из стенок корпуса, утренний объем которого образует основной волновод, имеющий выходное отверстие во внешнее пространство, согласно изобретению выполнена по меньшей мере с одним дополнительным волноводом, присоединенным к выходному отверстию основного волновода и имеющим собственный выход во внешнее пространство, направленный под углом от 60° до 120° по отношению к продольной оси громкоговорителя, причем площадь поперечного сечения каждого волновода равна или больше площади активной поверхности диффузора громкоговорителя, при этом громкоговоритель установлен на фронтальной стенке корпуса.

В варианте устройства дополнительный волновод совмещен с тыльной стенкой корпуса и имеет акустически жесткий экран.

В другом варианте устройства дополнительный волновод совмещен с фронтальной стенкой корпуса, установленной под углом с наклоном во внутренний объем основного волновода и выполненной короче по высоте по сравнению с тыльной стенкой корпуса на величину t=s/b, где s - площадь поперечного сечения дополнительного волновода, a b - ширина фронтальной или тыльной стенок корпуса, при этом проходное сечение дополнительного волновода образовано частями боковых стенок корпуса, фронтальной стенкой и акустически жестким экраном, перекрывающим выходное отверстие основного волновода на величину не менее чем L=(1-2t).

В следующем варианте система выполнена в виде соединенных между собой одинаковых акустических систем с корпусами открытого типа, тыльные стенки которых имеют выпуклую форму, при этом дополнительный волновод образован выпуклыми стенками корпусов, обращенными навстречу друг другу и отстоящими друг от друга на расстояние h=r_a, где r_а - радиус активной поверхности диффузора.

В акустической системе, выполненной в соответствии с предложенным техническим решением, потери колебательной системы уменьшаются в связи с тем, что энергия, развиваемая тыльной поверхностью диффузора громкоговорителя, посредством присоединенного волновода, дополнительного к основному, направляется в озвучиваемое пространство в дополнение к звуковому потоку от фронтальной поверхности. При этом в соответствии с теорией колебаний [см. 4] исключается возможность возникновения акустического короткого замыкания между колебаниями фронтальной и тыльной поверхностей диффузора громкоговорителя, характеризующимися фазовым сдвигом в 180°. В предложенной акустической системе акустическое короткое замыкание полностью отсутствует, если угол α направленности между фронтальными колебаниями и колебаниями на выходе дополнительного волновода равен 90°. Технически допустимая акустическая мощность, равная 50% максимально возможного, излучается, если угол α равен 60° или 120°. Граничные значения 60° и 120° соответствуют значению половинной мощности, т.е. при частичном проявлении явления акустического короткого замыкания между фронтальными и тыльными колебаниями значение суммарной колебательной энергии будет на уровне 3 дБ. Эти колебания имеют круговую или эллиптическую поляризацию, т.к. их амплитуды равны или почти равны, но направлены по отношению друг к другу под углом в пределах от 60° до 120°. В связи с тем, что указанные колебания не влияют друг на друга [см. 4], теоретически вся развиваемая громкоговорителем акустическая мощность передается в озвучиваемое пространство, что и приводит к увеличению электроакустического коэффициента полезного действия К_еа=Р_а/Р_э, где P_a - развиваемая громкоговорителем акустическая мощность, а Р_э - подводимая к электродинамическому громкоговорителю электрическая мощность в Вт.

Нелинейные искажения при работе системы уменьшаются за счет исключения вредного влияния внутренней среды - воздуха, и различных звукопоглотителей в корпусе системы на движения диффузора громкоговорителя при возбуждении с помощью звуковой катушки, подключенной к выходу усилителя низкой частоты, а также за счет исключения деформации стенок диффузора и увеличения амплитуды колебаний, особенно на низких частотах при значительном уменьшении упругости воздуха внутри корпуса.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вариант конструктивного выполнения акустической системы с основным и дополнительным волноводами, где последний присоединен к тыльной стенке корпуса; на фиг.2 приведен вид С на фиг.1; на фиг.3 дана диаграмма, поясняющая взаимодействие векторных характеристик направленностей колебательных звуковых потоков от фронтальной и тыльной поверхностей диффузора; на фиг.4 изображен вариант акустической системы с фронтальным совмещением дополнительного волновода; на фиг.5 приведен вид Д на фиг.5; на фиг.6 приведен вариант конструкции акустической системы в виде двух одинаковых совмещенных друг с другом акустических систем; на фиг. 7 приведена экспериментально снятая характеристика направленности акустической системы, представленной на фиг.1; на фиг.8 - частотная характеристика этой же акустической системы при частоте 100 Гц; на фиг.9 приведена частотная характеристика фронтального излучения акустической системы (вектор А), изображенной на фиг.4 и 5; на фиг.10 представлена частотная характеристика тыльного излучения этой же акустической системы (вектор В); на фиг.11 приведена характеристика направленности акустической системы, изображенной на фиг.6; на фиг.12 изображена частотная характеристика фронтального излучения (вектор А), а на фиг.13 - частотная характеристика тыльного излучения (вектор В) той же акустической системы; на фиг.14 приведена частотная характеристика акустической системы, изображенной на фиг.1.

Частотные характеристики на фиг.8 и 14 сняты с использованием громкоговорителей типа 10 ГДШ-1, на фиг.9 и 10 - с использованием громкоговорителя типа 4А32, на фиг.11 - с использованием громкоговорителей типа 3ГД-38Е.

На чертежах приняты следующие обозначения:

А и В - векторы, характеризующие направление распространения акустических колебаний, соответствующих работе фронтальной и тыльной поверхностей диффузора громкоговорителя, соответственно;

α - угол между направлениями распространения акустических колебаний, характеризуемых векторами А и В;

b - линейный размер корпуса акустической системы;

t - линейный размер, на величину которого укорочена фронтальная стенка корпуса в варианте выполнения акустической системы;

β - угол наклона фронтальной стенки корпуса в варианте выполнения акустической системы;

h - расстояние между выпуклыми тыльными стенками корпуса в варианте выполнения сдвоенной акустической системы;

r_а - радиус активной поверхности диффузора громкоговорителя;

r - радиус выходного отверстия на выходе основного волновода.

“1” - экспериментальная частотная характеристика для различных вариантов исполнения предлагаемых акустических систем с использованием указанных выше типов стандартных громкоговорителей;

“2”- паспортные частотные характеристики указанных выше типов стандартных громкоговорителей.

Акустическая система содержит по меньшей мере один громкоговоритель 1 с двумя звуковыми катушками (не показаны), но может количественно содержать и два громкоговорителя, как показано на фиг.1. Громкоговорители 1 установлены на одной из стенок, а именно на фронтальной стенке 2 корпуса 3, внутренний объем которого образует основной волновод 4. Последний имеет выходное отверстие 5 во внешнее озвучиваемое пространство, выполненное в тыльной стенке 6 корпуса 3. При этом акустическая система выполнена по меньшей мере с одним дополнительным волноводом 7, присоединенным к выходному отверстию 5 основного волновода 4. Волновод 7 выполнен с собственным выходом 8 во внешнее пространство, в данном случае двухсторонним выходом 8 с левой и правой стороны акустической системы. Каждый выход 8 дополнительного волновода 7 направлен под углом 60°≤α≤120° по отношению к продольной оси громкоговорителей 1. На фиг.1 угол α равнозначно показан, как угол между векторами А и В, характеризующими направления распространения акустических колебаний, формируемых соответственно фронтальной и тыльной активными поверхностями диффузора (условно не обозначены) громкоговорителей 1 и находящихся, по существу, в противофазе, т.е. имеющих противоположные знаки для одного и того же момента времени. При этом направление вектора В распространения акустических колебаний сформировано путем использования присоединенного дополнительного волновода 7. Причем площадь поперечного сечения каждого из волноводов 8 - левого и правого, равна или больше площади активной поверхности диффузора громкоговорителей 1.

Показанная на фиг.1 и 2 конструкция акустической системы представляет собой вариант выполнения системы в той части, что дополнительный волновод 7 совмещен с тыльной стенкой 6 корпуса 3 и имеет акустически жесткий плоский экран 9.

В качестве другого варианта представленная на фиг.4 и 5 акустическая система (вариант с ломаной декой) может быть выполнена так, что дополнительный волновод 7 совмещен с фронтальной стенкой 2 корпуса 3. При этом стенка 2 установлена под углом β с наклоном во внутренний объем основного волновода 4 и выполнена короче по сравнению с тыльной стенкой 6 корпуса 3 на величину t=s/b, где s - площадь поперечного сечения дополнительного волновода; а b - ширина фронтальной или тыльной стенок 2 или 6, соответственно, корпуса 3. Проходное сечение дополнительного волновода 7 образовано частями боковых стенок 10 корпуса 3, фронтальной стенкой 2 и акустически жестким плоским экраном 11, перекрывающим выходное отверстие 5 основного волновода 4 на величину не менее чем L=(1-2)t.

Согласно еще одному варианту акустическая система может быть выполнена в виде двух, соединенных между собой элементами 12 крепления, одинаковых акустических систем (вариант обращенного рупора) с корпусами 3 открытого типа, тыльные стенки 6 которых имеют выпуклую форму (см. фиг.6). Дополнительный волновод 7 образован выпуклыми тыльными стенками 6 корпусов 3, обращенными навстречу друг другу. Выпуклые тыльные стенки 6 отстоят друг от друга на расстоянии h=r_а, где r_а - радиус активной поверхности диффузора. Для предохранения системы от загрязнений предусмотрена звукопроницаемая мембрана 13.

Акустическая система, представленная на фиг.1 и 2, работает следующим образом.

При подаче напряжения звуковой частоты на звуковые катушки громкоговорителя 1 диффузор последнего совершает движения в продольном направлении, что приводит в возбуждение молекулы воздуха точно в соответствии с законом входного напряжения. Возникающие при этом акустические колебания, связанные с ростом и спадом давления воздуха, направлены как во фронтальном направлении - со стороны фронтальной поверхности диффузора, по направлению вектора А, так и со стороны тыльной поверхности диффузора. Акустические колебания со стороны тыльной поверхности диффузора посредством выходного отверстия 5 основного волновода 4 направляются в объем присоединенного дополнительного волновода 7 и далее, отражаясь от акустически жесткого плоского экрана 9, выходят через собственные выходы 8, распространяясь в озвучиваемом пространстве в направлении вектора В в дополнение к акустическим колебаниям в направлении вектора А с разворотом на угол α по отношению к продольной оси громкоговорителя 1, который выбирается в интервале 60°≤α≤120° и определяется, таким образом, геометрическими параметрами дополнительного волновода 7. На фиг. 1 угол α=90°, как частный случай, который является оптимальным значением из предлагаемого углового интервала. В предлагаемом интервале углов α акустические колебания в направлении векторов А и В, хотя и проходят со сдвигом по фазе на 180°, но минимально воздействуют друг на друга в отношении потерь акустической мощности, особенно при α=90°, ввиду того, что эти векторы взаимно перпендикулярны и в соответствии с [4] акустического короткого замыкания между ними не происходит. В противоположность акустическому замыканию в озвучиваемом пространстве происходит по крайней мере удвоение акустической энергии, т.е. удваивается и значение акустического коэффициента полезного действия К_еа.

При выборе значений угла α вне указанного интервала, т.е. для α<60 и α>120°, постепенно нарастают потери суммарной акустической мощности, направленных в направлении векторов А и В из-за их возрастающего взаимного влияния друг на друга вследствие интерференции. Поэтому с технической точки зрения приведенные выше неравенства для углов α<60° и α>120° использовать нецелесообразно.

Следует отметить, что в действительности, как показывают экспериментальные данные, полученные в безэховой камере при испытании опытных образцов, подобных описанной акустической системе (см. частотные характеристики на фиг.8, 9, 10, 12, и 13), получается увеличение значения К_еа более чем в 2 раза. Это объясняется тем, что в корпусе 3 отсутствует звукопоглотитель, обычно размещаемый внутри корпуса, что обычно приводит к превращению части акустической мощности от тыльной поверхности диффузора в тепло, а также отсутствует механическая отрицательная реакция со стороны собственно массы звукопоглотителя.

Кроме этого описанная конструкция акустической системы позволяет снизить потери акустической мощности, получаемой от тыльной поверхности диффузора, за счет выполнения того условия, что площадь поперечного сечения каждого из волноводов 4 и 7 равна или больше площади активной поверхности диффузора громкоговорителя, что определяется размерами выходного отверстия 5 - для основного волновода 4, и выхода 8 - для дополнительного волновода 7. Благодаря выполнению этого важного условия появляется возможность еще более снизить потери колебательной энергии за счет исключения отрицательного влияния повышенного сопротивления со стороны упругих масс воздуха, находящихся внутри корпуса 3. По существу работа системы организована так, как если бы громкоговоритель работал бы без механических потерь в свободном пространстве. При этом становится реальным увеличение значения К_еа в 6 раз и более.

Что касается нелинейных искажений звука, то они также уменьшаются одновременно с увеличением К_еа. Это объясняется опять же тем, что вся акустическая мощность каждого громкоговорителя, создаваемая внутри корпуса 3, излучается в озвучиваемое пространство через основной и дополнительный волноводы 4 и 7, соответственно. Это ведет к исключению возникновения стоячих волн и к значительному уменьшению вероятности возбуждения колебаний во всех корпусных элементах акустической системы. Последнее обстоятельство является особенно важным для нижней части звукового спектра колебаний. Используя изобретение, нелинейные искажения могут быть уменьшены в среднем в 3-8 раз.

Кроме всего прочего при анализе частотной характеристики, приведенной на фиг.7, соответствующей рассматриваемой акустической системе, следует, что звук получается объемным. То есть подобная акустическая система может быть использована в качестве стереофонической при рациональном ее размещении в помещении или в салоне автомобиля.

Положительным моментом при работе данной акустической системы можно считать тот факт, что увеличенный в несколько раз электроакустический коэффициент полезного действия К_еа позволяет уменьшить мощность применяемых в акустических системах усилителей низкой частоты, что особенно важно для автономных звуковых систем с питанием от батарей и аккумуляторов.

Работа акустической системы, выполненной согласно представленного на фиг.4 и 5 варианта, происходит аналогично вышеописанному случаю. Благодаря особенности конструкции, имеющей наклоненную под углом β и укороченную по высоте на величину t фронтальную стенку 2, а также присоединенный к ней дополнительный волновод 7, образованный с использованием акустически жесткого плоского экрана 11, становится возможным направить акустические колебания, создаваемые тыльной поверхностью диффузора громкоговорителя 1, через выходное отверстие 5 основного волновода 4 и далее, осуществив разворот потока акустической энергии вокруг верхней части фронтальной стенки 2, направить его с использованием объема дополнительного волновода 7 через выход 8 в озвучиваемое пространство по направлению вектора В как дополнение к акустическим колебаниям от фронтальной поверхности диффузора, распространяющихся в направлении вектора А, под углом α к последнему. В данном случае угол α=90°, как самый оптимальный. Оговоренные параметры t=s/b и L=(1-2)t необходимо выдерживать, так как они обеспечивают свободное прохождение и выход акустической энергии от тыльной поверхности диффузора громкоговорителя 1. Акустические колебания, распространяющиеся по направлению вектора В, многократно отражаясь от пола и потолка, будут создавать в помещении ощущение объемного звучания.

В варианте с двумя одинаковыми акустическими системами, тыльные стенки 6 которых имеют выпуклую форму, акустическая мощность со стороны тыльных поверхностей диффузоров от двух симметрично установленных громкоговорителей 1, пройдя выходные отверстия 5 основного волновода 4, суммируются и с помощью общего дополнительного волновода 7 разворачиваются и направляются в озвучиваемое пространство по направлениям векторов В дополнение к двухсторонним акустическим колебаниям, распространяющимся по направлению векторов А от фронтальных поверхностей диффузоров двух громкоговорителей 1. Тыльные стенки 6 корпусов 3 отстоят друг от друга на расстоянии h, которое определяется радиусом r_а активной поверхности каждого из диффузоров. При этом необходимо выполнить условие, касающееся площади проходного сечения основного волновода 4 в сечении с выходным отверстием 5, обеспечивающее свободное прохождение акустической энергии в объем дополнительного волновода 7. Исходя из этого радиус r выходного отверстия 5 должен выбираться не менее чем радиус r_а активной поверхности диффузора каждого громкоговорителя 1. Обеспечивая указанные выше конструктивные соотношения для h и r, автоматически обеспечивается процесс перехода полной акустической энергии из основного волновода 4 в дополнительный волновод 7 и далее - в озвучиваемое пространство. Причем на выходе дополнительного волновода 7 формируются акустические колебания по направлению вектора В, которые распространяются в объемном круговом секторе, значительно дополняя два акустических потока, распространяющихся по направлению векторов А, создавая ощущение объемного звучания без потери мощности звучания низких частот. Подобная акустическая система весьма предпочтительна к использованию в условиях скрытого пространства, например на улицах города, стадионах и т.п..

Таким образом, изобретение позволяет увеличить электроакустический коэффициент полезного действия К_еа акустической системы за счет дополнительного использования акустической мощности, создаваемой тыльной поверхностью диффузора громкоговорителя. Акустическая мощность с помощью присоединенного дополнительного волновода выводится под оптимальным углом в озвучиваемое пространство и направляется как дополнение к основной акустической мощности от фронтальной поверхности диффузора громкоговорителя. Одновременно изобретение позволяет уменьшить нелинейные искажения звука.

Источники информации

1. Шишковский З. Основы электроакустики, Польша, Варшава, Научно-техническое изд-во, 1965 г., с.491, рис.15.21а.

2. Шишковский З. Основы электроакустики, Польша, Варшава, Научно-техническое изд-во, 1965 г., с.491, рис.15.216.

3. Патент США №1869178, опубл. 1932 г. (прототип).

4. Малов Н.Н. Основы теории колебаний. М.: Просвещение, 1971 г., с.62.

Изобретение относится к технике звукоусиления и может быть использовано при изготовлении акустического оформления электродинамического типа. Техническим результатом является увеличение электроакустического коэффициента полезного действия и уменьшение нелинейных искажений звука. Акустическая система содержит по меньшей мере один громкоговоритель, установленный на фронтальной стенке корпуса. Внутренний объем корпуса образует основной волновод с выходным отверстием. При этом в системе предусмотрен дополнительный волновод, присоединенный к выходному отверстию основного и имеющий собственный выход во внешнее пространство, направленный под углом от 60° до 120° по отношению к продольной оси громкоговорителя. Причем площадь поперечного сечения каждого из волноводов равна или больше площади активной поверхности диффузора громкоговорителя. При работе системы звуковая энергия, развиваемая тыльной поверхностью диффузора, посредством дополнительного волновода направляется в озвучиваемое пространство в дополнение к основному фронтальному потоку звуковых колебаний. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ излучения звуковых сигналов во внешнее пространство с помощью акустической системы, содержащей громкоговоритель, заключающийся в том, что формируют один звуковой поток от фронтальной поверхности диффузора громкоговорителя, совпадающий по направлению с его продольной осью, а другой - от тыльной поверхности диффузора, последний направляют во внешнее пространство в дополнение к первому звуковому потоку с помощью волноводов акустической системы, отличающийся тем, что звуковой поток от тыльной поверхности диффузора направляют на выход из акустической системы посредством волноводов, площадь проходного поперечного сечения каждого из которых не менее чем площадь активной поверхности диффузора, а на выходе из акустической системы - под углом 60°≤α≤120° по отношению к звуковому потоку от фронтальной поверхности диффузора громкоговорителя.2. Акустическая система, содержащая по меньшей мере один громкоговоритель, установленный на одной из стенок корпуса, внутренний объем которого образует основной волновод, имеющий выходное отверстие во внешнее пространство, отличающаяся тем, что система выполнена по меньшей мере с одним дополнительным волноводом, присоединенным к выходному отверстию основного волновода и имеющим собственный выход во внешнее пространство, направленный под углом α = 60 - 120° по отношению к продольной оси громкоговорителя, причем площадь поперечного сечения каждого волновода равна или больше площади активной поверхности диффузора громкоговорителя, при этом громкоговоритель установлен на фронтальной стенке корпуса.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный волновод совмещен с тыльной стенкой корпуса и имеет акустически жесткий экран.4. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный волновод совмещен с фронтальной стенкой корпуса, установленной под углом с наклоном во внутренний объем основного волновода и выполненной короче по высоте по сравнению с тыльной стенкой корпуса на величину t=s/b, где s - площадь поперечного сечения дополнительного волновода, а b - ширина фронтальной или тыльной стенки корпуса, при этом проходное сечение дополнительного волновода образовано частями боковых стенок корпуса, фронтальной стенкой и акустически жестким экраном, перекрывающим выходное отверстие основного волновода на величину не менее чем L=1-2t.5. Система по п.1, отличающаяся тем, что система выполнена в виде соединенных между собой одинаковых акустических систем с корпусами открытого типа, тыльные стенки которых имеют выпуклую форму, при этом дополнительный волновод образован выпуклыми стенками корпусов, обращенными навстречу друг другу и отстоящими друг от друга на расстояние h=r, где r - радиус активной поверхности диффузора.