СОСТАВНОЙ СООСНЫЙ ДИФФУЗОР ДИНАМИКА Российский патент 2018 года по МПК H04R1/24 

Изобретение относится к конструкции диффузоров акустических динамиков, для воспроизведения звука.

Лучшей конструкции колонки, для воспроизведения звука, в настоящее время считается закрытый ящик (кабинет), три полосы воспроизведения, три динамические головки (динамики), разделительные фильтры по частотам. Известны системы ABR (Auxiliarye Bass Radiator), в которые устанавливают вспомогательный басс радиатор экспериментальным путем. Он поднимает низкие частоты, но дальше дело не пошло и их применение ограничено. Специалисты работают над конструкцией кабинетов, фильтров, всех деталей системы.

Для того чтобы получить живой звук, звук без искажений специалисты и фирмы не останавливаются ни перед затратами, ни перед сложностью задач. Изготавливаются сложнейшие кабинеты, из дорогих материалов, весом 100 кг и более. Растут мощности колонок и усилителей до 300-1000 Вт. Система воспроизведения соединяется сложными, дорогими кабелями. Особенно сложным оказался вопрос, связанный с нежелательной звуковой энергией, излучаемой плоскими деталями кабинета. Мнение специалистов фирмы Wilson Audio: "Этот ИСТОЧНИК шума, маскировки и окраски должен быть остановлен любой ценой". Остается нерешенным вопрос низкого коэффициента полезного действия динамиков. Для решения накопившихся вопросов есть два пути:

1. Продолжать бороться с нежелательной звуковой энергией во фронтальной плоскости диффузоров, и энергией, отраженной от обратной стороны диффузоров.

2. Использовать эту звуковую энергию для создания живого, не искаженного звука и тем самым вывести на новый уровень саму идею воспроизведения звука.

Целью данного изобретения является создание конструкции диффузора динамика, которая позволит свести к минимуму искажения при воспроизведении звука. В системах воспроизведения звука все работает на конечный результат, который дает динамик. Какими бы ни были остальные детали цепи, обеспечивающие работу динамика, в конечном счете он решает каким быть звуку, живым, реально отражающим все нюансы или плоским, безликим.

Источником звука в акустической системе является диффузор динамика. Звук создается лицевой и тыльной стороной диффузора. От звука, создаваемого тыльной стороной диффузора специалисты отказались, закрыв диффузор металлическим корпусом у ВЧ и СЧ динамиков и ящиком для НЧ динамиков. При воспроизведении звука акустическими системами ухо человека улавливает искажения, которые ухудшают, портят звук, делают его неестественным. Борются с этим разными путями, но искажения остаются. Искажения остаются, проблема не решается - не найден источник искажений.

Путь был долгим и мучительным, чтобы найти в себе силы и отказаться от признанной классической 3-полосной системы воспроизведения звука. Годы экспериментов, изготовление различных вариантов 3-полосных систем привели к тому, что стало ясно, что надо найти теоретически причину искажений звука при воспроизведении, а затем создать систему.

Вопрос, в чем причина искажений звука? Я как физик с университетским образованием пришел к выводу, что причина лежит в выявлении неизвестных физических процессов.

Главный вопрос. Какой элемент динамика создает звук? Конечно, это диффузор. Только в его конструкции надо искать причину.

Нами была разработана теория «Стабилизации активного объема диффузора», на основании физического закона Боля-Мариотта PV=const.

Из теории следует:

1. Звук создается в узкой полоске воздуха, вокруг диффузора, по высоте, равной амплитуде колебаний диффузора.

2. От состояния этого объема воздуха зависит, будет ли диффузор колебаться в строгом соответствии с электрическим сигналом усилителя звуковой частоты или будет отличаться от него и воспроизводимый звук будет с искажениями.

3. Надо создать необходимые условия. Если их не создавать, то любой динамик, имеющий диффузор, по своей природе должен воспроизводить звук с искажениями. Что на самом деле и происходит. Что и привело к созданию многополосных систем воспроизведения звука и еще многим проблемам.

4. Какие это условия? Поддерживать постоянный объем воздуха вокруг диффузора. Как это сделать - родилась конструкция диффузора динамика.

Установлено, что на движущийся (колеблющийся) диффузор действуют силы. На движущийся диффузор действует сила торможения при движении внутрь ящика и такая же сила придерживает его, при движении наружу ящика - вперед. Эти силы изменяют скорость движения диффузора и вносят искажения в воспроизводимый звук.

Для того чтобы диффузор не создавал искажения звука, надо для него создать определенные условия. Нет изменения активного объема диффузора - это объем воздуха вокруг диффузора, по высоте, равный амплитуде колебаний объем воздуха, в котором колеблется диффузор, создавая звук, не возникают силы (дополнительное давление). Нет дополнительного давления на диффузор - нет искажений звука.

Для того чтобы предотвратить изменения активного объема диффузора требуется установить стабилизатор. Таким стабилизатором стала вторая часть диффузора, расположенная вокруг активной части.

Предлагаем конструкцию диффузора динамика, разработанную на основании физического закона.

Он назван: «СОСТАВНОЙ СООСНЫЙ ДИФФУЗОР ДИНАМИКА».

1. Диффузор состоит из двух самостоятельных частей, работающих в одном объеме воздуха, создающих звук совместно.

2. Комбинация свойств двух частей диффузора дает возможность получить звук полного диапазона без искажений.

А теперь изложение доказательств, почему диффузор должен состоять из 2-х самостоятельных частей.

Подсчитано, с помощью закона Бойля-Мариотта, что при движении диффузора, под действием электрического сигнала звуковой частоты усилителя, на диффузор действуют значительные силы - на диффузор 12'' - 7,24 кг, 10'' - 1,8 кг, 4'' - 0,2 кг.

Подтверждением тому, что такие силы есть, служит то, что динамики большого диаметра 10'', 12'' и больше часто выходят из строя, разрываются. Что надо сделать, чтобы эти силы не возникали?

Согласно теории "Стабилизации активного объема диффузора".

Речь идет только о малом объеме воздуха вокруг диффузора - этот объем равен произведению площади диффузора - S на амплитуду колебаний - Н.

V=S×Н

Речи о кабинете или ящике, в котором будет установлен динамик с составным соосным диффузором вообще нет.

Фиг. 1. Принципиальная схема составного соосного диффузора динамика.

1. Активная часть.

2. Стабилизирующая часть.

6. Направление распространения звуковой энергии во фронтальной плоскости.

10. Направление распространения звуковой энергии, обратной стороны активной части диффузора.

11. Кабинет.

После того как были изготовлены первые образцы динамиков, было установлено, что такой динамик, держа в руках вне кабинета, создает хороший звук. Видно, как под действием активной части диффузора колеблется стабилизирующая часть и обе части работают совместно.

Было установлено, что активная часть излучает энергию, как всем известно, не только вперед и назад, но еще и в плоскости диффузора, по окружности в стороны.

Это и есть та энергия, которую не используют существующие конструкции, стараются от нее избавиться. Она вносит искажения и вынуждает конструкторов делать тяжелые кабинеты. А эта энергия может быть использована для создания звука без искажений и значительного повышения КПД динамика.

Фиг. 2. Принципиальная схема работы составного соосного диффузора.

В верхней части схемы показан общепринятый диффузор площадью - S, который колеблется с амплитудой - Н. Он колеблется в определенном объеме воздуха.

Позиция 1. Активная часть и стабилизирующая часть диффузора, создающие звук совместно.

Позиция 2. Когда вокруг активной части диффузора, независимо подвешена стабилизирующая часть диффузора. Под действием сигнала активная часть начала двигаться вперед на H1. Звук будет создан тогда, когда воздух перед активной частью сожмется полностью. Но вокруг диффузора, по диаметру нет препятствий, и часть сжимаемого воздуха уйдет в сторону и понесет с собой энергию, которая и заставит стабилизирующую часть двигаться назад, тем самым снимая нагрузку с активной части, которая вызывает замедление скорости диффузора вперед. Если изменяется скорость движения диффузора - появляются искажения.

Позиция 3. Это возвращение активной части диффузора в исходное положение.

Общий объем воздуха вокруг двух частей диффузора равен

V1+V2=V PV=CONSTANT

Если объем воздуха вокруг диффузора по высоте амплитуды колебаний не меняется, то не возникают дополнительные силы, которые искажают звук.

Фиг. 3. Детальное описание конструкции динамика с составным соосным диффузором.

1. Активная часть диффузора - 1, является источником звука, ее диаметр подбирается по размеру и характеристикам, в комбинации со стабилизирующей частью диффузора. Стабилизирующая часть - 2, расширяет полосу воспроизводимых частот, собирает рассеянную энергию за пределами активной части и отраженную от корпуса, повышая КПД.

2. Стабилизирующая часть диффузора - 2 устанавливается соосно активной части и имеет форму кольца, изготавливается из стандартных материалов. Она имеет с двух сторон гофрированные края, которые формируют два подвеса - верхний - 3 и нижний - 4. Подвесы обеспечивают стабилизирующей части высокую подвижность и устойчивость, при совместной работе с активной частью диффузора. Верхний подвес крепится к металлической корзине - 7, нижний крепится на установочном кольце - 5, которое располагается вокруг активной части диффузора - 1. Стабилизирующая часть диффузора ни по форме, ни по назначению не соответствует "пассивному радиатору".

3. Установочное кольцо - 5 изготавливается из прессованного картона. Оно предназначено для установки и крепления нижнего гофрированного подвеса стабилизирующей части диффузора.

4. Направление распространения звуковой энергии во фронтальной плоскости - 6.

5. Корзина - 7, стандартная, из листовой стали, имеет гнезда для установки и крепления обеих частей диффузора, постоянного магнита и всех остальных частей динамика.

6. Установочный цилиндр - 8 изготавливается из многослойной фанеры, пластмассы или алюминиевых сплавов.

7. Постоянный магнит, с системой подвески активной части диффузора, звуковой катушки - 9.

8. Направление распространения звуковой энергии, обратной стороны активной части диффузора - 10.

9. Кабинет - 11. Кабинет предназначен для оформления акустической системы. Второе его назначение - это собрать энергию, излучаемую обратной стороной активной части и направить ее на стабилизирующую часть, тем самым сразу увеличивая КПД системы в 2 раза. Очень важно, чтобы система была герметична. Собственно это требование ко всем системам.

Предложенная конструкция дает возможность:

1. Из одного динамика получить весь слышимый диапазон звуковых частот без искажений звука.

2. Конструкция не использует сложные фильтры, для разделения частот.

3. Конструкция решает вопрос излучения звука из одного источника.

4. Значительно увеличить КПД (не менее чем в 3 раза).

5. Поскольку такие динамики всю энергию превращают в звук, нет давления на стенки кабинета, нет необходимости кабинет делать дорогим и тяжелым.

Проведено тестирование образцов фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6. Для проверки теории и конструкции динамика с составным соосным диффузором были изготовлены опытные образцы динамиков 12'', 10'' и 4''.

Так выглядит готовый динамик спереди, фиг. 4.

Так выглядит обратная сторона, фиг. 5.

Проведено тестирование колонок, фиг. 6. В каждой колонке установлено по 2 динамика с составными соосными диффузорами. Фиг. 6.

Для проведения испытаний использованы приборы:

1. Генератор тона 10 Hz - 25000 Hz.

2. Spectra Plus-SC Sound Card Edition.

3. Power Meter TS-836/16A 3600w/.

4. Усилитель мощности Yamaha RX-V559.

5. Лазерный проигрыватель дисков Yamaha S 1700.

Прослушивалась классическая музыка, танцевальная, шансон.

Каждое измерение повторялось по 5 раз, а затем вычислялась средняя величина.

1. На холостом ходу усилитель и лазерный проигрыватель потребляют мощность -63 w.

2. Среднее потребление мощности всей системой, при воспроизведении звука, с максимальной громкостью -105 w. Это такая громкость, которую выдерживает слушатель, в помещении площадью 50 м.кв.

При этом амплитуда колебаний активной части диффузора была максимальной, около 6 мм, такой, какая допускает подвес.

3. Таким образом, 4 динамика с составным соосным диффузором потребляли мощность: 105 w - 63 w=42 w.

Один динамик при полной нагрузке потребляет 10,5 w. Паспортные данные динамика, используемого в качестве, активной части диффузора:

Номинальная мощность Pnom 35 w

Максимальная мощность Pmax 70 w

4. С помощью генератора тона был проверен диапазон частот, на который откликается система: 16 Hz - 20000 Hz.

5. Технические данные Hi-Vi F5. Фиг. 7.

Таким образом, предварительное тестирование показало увеличение КПД не менее чем в 3 раза.

Лабораторные тесты, при изготовлении серийных образцов, дадут более точные результаты.

В системах воспроизведения звука вся энергия расходуется на приведение в действие диффузора. Если диффузор будет таким экономичным, то его применение будет равносильно внедрению в радиотехнику полупроводников. Подсчитано, что использование данной конструкции дает возможность только при изготовлении акустических систем, если каждый 10 приобретет такую систему в России, экономия только электрической энергии составит 100 миллионов долларов в год.

Конструкция предлагаемого диффузора может быть использована во всех устройствах воспроизведения звука, где в качестве источника звука используется диффузор: акустические системы, телефоны, наушники и другие устройства.

Технический результат обеспечивается тем, что составной соосный диффузор динамика выполнен с возможностью свести к минимуму искажения при воспроизведении звука и является основным элементом динамика, содержащего корпус, постоянный магнит, систему подвески диффузора, звуковую катушку, отличающийся тем, что диффузор состоит из двух самостоятельных частей: активной части диффузора, которая представляет собой конус или диск, расположенный в центре динамика, приводимый в действие усилителем звуковой частоты и стабилизирующей части диффузора, которая выполнена с возможностью аккумулировать звуковую энергию центральной части, имеет форму кольца с двумя подвесами верхним и нижним, верхний подвес крепится к металлической корзине, нижний крепится на установочном кольце, которое располагается вокруг активной части диффузора, стабилизирующая часть диффузора аккумулирует звуковую энергию центральной части, излучаемую ею во фронтальной плоскости, за пределы активной части и энергию, отраженную от обратной стороны активной части диффузора, превращая ее в звук, активная и стабилизирующая части диффузора выполнены с возможностью работы в одном объеме воздуха и создания звука совместно.

Изобретение относится к акустике, в частности к громкоговорителям. Составной соосный диффузор динамика выполнен с возможностью свести к минимуму искажения при воспроизведении звука и является основным элементом динамика, содержащего корпус, постоянный магнит, систему подвески диффузора, звуковую катушку, отличающийся тем, что диффузор состоит из двух самостоятельных частей: активной части диффузора, которая представляет собой конус или диск, расположенный в центре динамика, приводимый в действие усилителем звуковой частоты и стабилизирующей части диффузора, которая выполнена с возможностью аккумулировать звуковую энергию центральной части, имеет форму кольца с двумя подвесами - верхним и нижним, верхний подвес крепится к металлической корзине, нижний крепится на установочном кольце, которое располагается вокруг активной части диффузора, стабилизирующая часть диффузора аккумулирует звуковую энергию центральной части, излучаемую ею во фронтальной плоскости, за пределы активной части и энергию, отраженную от обратной стороны активной части диффузора, превращая ее в звук, активная и стабилизирующая части диффузора выполнены с возможностью работы в одном объеме воздуха и создания звука совместно. Технический результат – уменьшение искажений при воспроизведении звука. 7 ил.

Составной соосный диффузор динамика выполнен с возможностью свести к минимуму искажения при воспроизведении звука и является основным элементом динамика, содержащего корпус, постоянный магнит, систему подвески диффузора, звуковую катушку, отличающийся тем, что диффузор состоит из двух самостоятельных частей: активной части диффузора, которая представляет собой конус или диск, расположенный в центре динамика, приводимый в действие усилителем звуковой частоты и стабилизирующей части диффузора, которая выполнена с возможностью аккумулировать звуковую энергию центральной части, имеет форму кольца с двумя подвесами - верхним и нижним, верхний подвес крепится к металлической корзине, нижний крепится на установочном кольце, которое располагается вокруг активной части диффузора, стабилизирующая часть диффузора аккумулирует звуковую энергию центральной части, излучаемую ею во фронтальной плоскости, за пределы активной части и энергию, отраженную от обратной стороны активной части диффузора, превращая ее в звук, активная и стабилизирующая части диффузора выполнены с возможностью работы в одном объеме воздуха и создания звука совместно.