Встраиваемый плоский громкоговоритель Российский патент 2021 года по МПК H04R9/06 

Предлагаемый громкоговоритель предназначен преимущественно для инсталляционных акустических решений, в качестве конечного звена- излучателя акустических волн.

Данный громкоговоритель представляет собой плоскую, квадратную, либо прямоугольную в плане панель для установки в существующую инфраструктуру подвесных потолков типа «Армстронг», либо для потолочного или настенного врезного монтажа в строительные конструкции типа: гипсокартонных, деревянных и иных каркасно-панельных конструкций, а также натяжных потолков. Возможен монтаж таких плоских громкоговорителей в виде свободно подвешенных на тросах в горизонтальном, наклонном или вертикальном положении.

Встраиваемый плоский громкоговоритель применим в акустике. В следующих областях:

* Переговорные комнаты и конференц-залы,

* Линии оповещения,

* Кафе, бары, рестораны,

* Торгово-развлекательные центры, магазины, павильоны,

* Офисы,

* Музеи, выставки, галереи,

* Вокзалы, аэропорты,

* Гостиницы, театры, культурные центры,

* Учебные заведения,

* Производственные помещения,

* Кораблестроение (оповещение в проходах, машинных отделениях, каюткампаниях, каютах)

Из уровня техники известно множество встраиваемых громкоговорителей. Например, большой ассортимент таких изделий предлагает фирма Roxton (http://www.roxton.pro/cat/gromkogovoriteli/potolochnie_gromkogovoriteli.html). Такие громкоговорители — это, по сути, обыкновенные конусные динамики, встроенные в компактный корпус. Из-за особенностей конструкции динамика габаритная установочная глубина такого встраиваемого громкоговорителя редко бывает меньше 100 мм., что затрудняет установку таких изделий в конструкции с малой установочной глубиной. (высота стандартного каркасного профиля для гипсокартона составляет 54 мм). Так как корпус встраиваемого громкоговорителя не может быть достаточно большим по конструктивным соображениям, то это заметно повышает нижний граничный предел частоты в его работе. На практике это обычно 80-100 Гц. Кроме того, конусный динамик обычного громкоговорителя дает угол раскрытия звукового луча около 90°, в отличии от нашего плоского громкоговорителя, обладающего круговой диаграммой направленности (360°) (в случае свободно подвешенного монтажа). Совокупные недостатки обычных встраиваемых громкоговорителей ограничивают сферу их применения и исключают использование в условиях высоких требований к качеству звучания. Достойной альтернативы не предлагается.

Известны также плоские встраиваемые колонки «под штукатурку». Например Ceratec Cerasonar 3060 X1 наиболее близкая к нашей.( https://stereo.ru/to/b43g6-vstraivaemaya-akustika-ceratec-cerasonar-i-steny-zapoyut) Колонка обладает следующими основными характеристиками: глубина 50 мм, ширина 300 мм, длинна 600 мм., частотный диапазон 90-18000гц.

Этот громкоговоритель представляет собой мембрану с наклеенным с тыльной стороны слоем поролона особой зубчатой формы, закрепленным на мембране возбудителем акустических колебаний и клемм подключения к усилителю. Так же в комплекте прилагается специальная установочная рама для закрепления громкоговорителя в отверстии стены. После установки мембрану требуется оштукатурить или зашпатлевать и нанести декор. покрытие или обои. Такая особенность монтажа сильно и непредсказуемо утяжеляет мембрану ухудшая ее акустические свойства. Скрытый под отделкой монтаж делает невозможным доступ к элементам громкоговорителя для обслуживания или в случае поломки. В результате потребителю предлагается громкоговоритель с ограниченным (90гц) нижним диапазоном частот и далеким от идеального звучанием, предполагающим большие траты на установочные мероприятия в привязке к начальному этапу отделочно- строительных работ.

Известен патент US 6,332,029 Bl Генри Азима, в котором на фиг.25 и26 изображена возможность встраивания звукоизлучающей мембраны, работающей по принципу формирования резонансных изгибных мод непосредственно в потолочные конструкции. Недостатками предлагаемого решения можно считать: неоптимальную форму мембраны в виде квадрата, отличающуюся от рекомендованных в этом же патенте пропорций сторон 3/7, 4/9, 5/13. По мнению самого же автора квадрат не может обеспечить необходимо оптимальный режим распределения резонансных мод с неизбежным ухудшением параметров звучания. Отсутствие корпуса, обладающего значительной массой, использующейся в этой технологии как точка опоры для процесса отражения изгибной волны от края мембраны, наряду с отсутствием на рисунке средств удержания корпуса возбудителя, ведет к сильному снижению эффективности такого громкоговорителя и росту суммарных искажений акустического сигнала. Это не позволит использовать такие колонки в условиях повышенных требований к качеству звучания при соблюдении растущих требований к энергоэффективности систем.

Наиболее близким техническим решением можно считать патент JP2010199818A, в котором предлагается громкоговоритель типа «плоский динамик», используемый на потолке или стене жилого помещения, либо офиса.

Предложен громкоговоритель с плоской диафрагмой, приводимой в движение приводным устройством, закрепленным в геометрическом центре диафрагмы. Включает: раму, плоскую диафрагму(выполненную из древесины, металлополимера, прозрачной смолы, либо сотовой структуры, не описанной детально), закрепленную на одной стороне рамы, приводной блок, закрепленный на раме, заднюю пластину, каплеры-проставки из твердой резины.

К фундаментальным недостаткам такого плоского громкоговорителя можно отнести следующее:

В описанной выше конструкции мембрана имеет квадратную форму. Это дает неправильное распределение резонансных модуляций, сильно снижающее акустические качества громкоговорителя.

Излучающую мембрану предлагается делать либо из композита – металл + полимер, либо из дерева, либо из прозрачной смолы что дает повышенную массу мембраны и невозможность реализовать качественные параметры звучания на низких частотах, а также неестественный тембральный окрас.

Для компенсации недостатков конструкции, касающихся неоптимального распределения резонансов по площади мембраны, внутри корпуса между излучающей мембраной и верхней крышкой используются специальные каплеры-проставки из твердой резины, заметно усложняющие конструкцию и снижающие КПД громкоговорителя. Кроме этого, автор предлагает улучшать амплитудно-частотную характеристику путем сложного манипулирования настройки позицией размещения каплеров-роставок и их количеством, что опять-таки ведет к затруднению повторяемости успешного результата в промышленных масштабах серийного производства.

В японском патенте используется сплошная верхняя крышка для изоляции обратной стороны излучения и, по сути, превращающая конструкцию в разновидность акустического оформления, именуемого «закрытый ящик». Такое решение не позволяет реализовать высокие качественные характеристики звукового сигнала, в частности из-за переотражений возникающих от верхней (задней по отношению к излучающей мембране) крышки и возвращающихся на мембрану с фазовым сдвигом. В результате громкоговоритель издает "загрязненный звук" и резко теряет эффективность работы в низкочастотном диапазоне.

Привод возбуждения акустических колебаний мембраны прикреплен в её геометрическом центре. На практике это означает ухудшение акустических свойств громкоговорителя ввиду неоптимального распределения зон резонансного возбуждения, с неизбежным ростом гармонических искажений вплоть десятков процентов и искаженной амплитудно-частотной характеристики в реальности, имеющей разброс вплоть до 30 Дб.

Громкоговоритель имеет корпус, герметично соединенный с мембраной и обладающий внутренним объемом воздуха порядка нескольких литров Такое решение напрочь лишает всех преимуществ технологии плоских громкоговорителей: практический предел нижней звуковой частоты 100 Гц, невозможность реализовать такие качественные параметры звучания, как разборчивость и микро динамика звука и т.д. Такой громкоговоритель неприменим в условиях повышенных требований к качеству звучания.

Установочная глубина японского громкоговорителя составляет аж 110 мм (судя по предоставленному рисунку). Это не несет преимуществ по сравнению с обычными встраиваемыми громкоговорителями в условиях с необходимостью инсталляции с малой установочной глубиной.

Предлагаемое нами техническое решение позволяет решить следующие задачи:

1) Расширение нижней граничной частоты работы громкоговорителя,

2) Получение качественных показателей звучания с помощью минимальных материалозатрат,

3) Снижение установочной глубины для монтажа громкоговорителя в интерьере,

4) Повышение равномерности звукового поля в зоне охвата работающего громкоговорителя,

5) Максимальное упрощение монтажа и снижение затрат на установку в существующую архитектуру зданий.

Технический результат - повышение качества звуковоспроизведения, уменьшение установочной глубины для монтажа громкоговорителя и упрощение монтажа.

Технический результат достигается тем, что: встраиваемый плоский громкоговоритель, включает: корпус, плоскую мембрану и привод акустических колебаний поперечной акустической волны.

При этом корпус выполнен в виде плоской опорной рамы, а на раме закреплена звукоизлучающая плоская прямоугольная мембрана,

мембрана выполнена в виде сотового заполнителя, поверхностного слоя, приклеенного к сотовой структуре с двух сторон и стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков, покрывающего поверхностные слои,

обратная сторона мембраны покрыта демпфирующим слоем,

привод акустических колебаний выполнен в виде, по меньшей мере, одного возбудителя акустических колебаний, включающего ферритовые детали магнитопровода,

а по меньшей мере, один возбудитель акустических колебаний закреплён, на плоской опорной раме посредством перемычки, и прикреплен одним своим концом к плоской мембране в пределах особой линии, проходящей по плоскости прямоугольной мембраны и выходящей из любой вершины прямоугольной мембраны, а заканчивающейся в точке на противолежащей вершине горизонтальной стороне мембраны, расположенной на расстоянии 2/3 противолежащей стороны мембраны от вершины по горизонтали.

Также у предлагаемого громкоговорителя по п.1 демпфирующий слой, которым покрыта обратная сторона мембраны, выполнен из поролона.

Заявленное решение поясняется следующими фигурами:

на фиг.1 показаны все основные элементы конструкции плоского громкоговорителя,

на фиг.2 показана схема, создания торцевой кромки изделия,

на фиг.3-5 показан внешний вид плоского громкоговорителя,

на фиг.6 показан торец мембраны с нанесенным демпфирующим покрытием из поролона,

на фиг.7 показано схематичное изображение геометрической пропорции сторон мембраны, а также особой линии, в пределах которой осуществляется крепление возбудителей,

на фиг.8 показана мембрана в разрезе.

На фигурах позициями обозначены:

1 – плоская опорная рама,

2 – мембрана,

3 – демпфирующий поролоновый слой,

4 – возбудитель акустических колебаний,

5 – перемычка крепления возбудителя к раме,

6 – проставка крепления перемычки к раме устройства,

7 – акустическая защитная ткань,

8 - устройство фиксации громкоговорителя в отверстии стены для накладного монтажа.

Предлагаемый нами встраиваемый плоский громкоговоритель включает: плоскую опорную несущую раму 1 (Фиг.1), выполненную из металлопластикового композита, звукоизлучающую мембрану 2 (Фиг.1), (представляющую собой композит с ячеистой внутренней частью из алюминия, бумаги или арамидного волокна, и бумаги плотностью 40-160 г/м.кв, наклеенной с двух сторон, пропитанной полиуретановыми составами, для придания мембране поверхностной прочности и водостойкости) демпфирующий поролоновый слой, покрывающий обратную сторону мембраны 3 (Фиг.1), возбудитель акустических колебаний 4 (Фиг.1), в том числе включающий детали феррита, перемычку крепления возбудителя к раме 5 (Фиг.1), акустической защитной ткани 7 (Фиг.1) для защиты и эстетической отделки лицевой стороны громкоговорителя, закрепленную на раме с помощью способа, проиллюстрированного на Фиг.2, и устройства фиксации громкоговорителя в отверстии стены для накладного монтажа 8 (Фиг.1).

В плоскую опорную несущую раму 1 квадратной формы установлена мембрана оптимальной для распределения резонансных зон прямоугольной геометрии, близкой к пропорции отношения длины к ширине как 9 к 5 (Фиг.8). А возбудитель колебаний прикреплён одним своим концом к мембране в пределах особой линии, проходящей по плоскости прямоугольной мембраны и выходящей из любой вершины прямоугольной мембраны, а заканчивающейся в точке на противолежащей вершине горизонтальной стороне мембраны, расположенной на расстоянии 2/3 противолежащей стороны мембраны от вершины по горизонтали, а мембрана выполнена в виде сотового заполнителя, поверхностного слоя, приклеенного к сотовой структуре с двух сторон и стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков, покрывающего поверхностные слои.

Мембрана 2 выполнена, как легчайшая сэндвич структура и конструкционно представляет собой материал, оптимальным образом подходящий для реализации качественных показателей звучания в гораздо более широком диапазоне частот. Так мембрана состоит из сотового заполнителя, представляющего собой какую-либо сотовую структуру, состоящую из различных материалов таких как: бумага, арамидное волокно, алюминий, либо другой металл с низкой удельной плотностью. Содержит листы поверхностного слоя , приклеенного к сотовой структуре с двух сторон на клеевой состав, выдерживающий многократные вибрационные изгибные колебания. В качестве покровного материала предлагается использовать бумагу с плотностью от 30 до 125 г на квадратный метр площади. Далее используется стабилизирующий пропиточный состав на основе полиуретановых грунтов и лаков , которым пропитывается покрывная бумага. В случае необходимости применяется слой акрилового полимера, включающий в себя помол микронного масштаба минеральных и органических веществ (кварц, скорлупа грецкого ореха, рис и рисовая шелуха и пр).

Применяемые в нашем громкоговорителе конструктивные решения пропорция мембраны 9 к 5, способ крепления мембраны к раме на виброизоляционную ленту, а также ассиметричное крепление возбудителя в пределах площади мембраны, выполненное по определенной схеме (как раскрыто выше) (Фиг.8). Привод акустических колебаний имеет детали магнитопровода из феррита для снижения частоты и повышения КПД в нижнем регистре звукового диапазона. Например привод может выполнен в виде пластикового корпуса, выполняющего роль опоры, к которой прикреплены магнитная система, система удержания катушки в магнитном зазоре, крепления к опорной раме в виде ряда резьбовых отверстий; деталей магнитной системы, включающей в себя постоянный магнит цилиндрической формы (NeFeB), ферритовое кольцо, образующее собой внешний периметр кольцевого зазора магнитной системы и стальную шайбу, скрепляющую их в единую конструкцию; цилиндрической катушки намотанной медным проводом и закреплённой на каркасе цилиндрической форме из текстолита или иного материала; системы удержания катушки в пределах магнитного зазора с целью обеспечения её свободного возвратно-поступательного движения, и состоящую из двух центрирующих шайб разного диаметра закрепленных на некотором расстоянии друг от друга (на практике расстояние составляет от 5 до 15 мм) и изготовленных из суровой ткани методом прессования в виде концентрически гофрированных дисков, внутренним отверстием, закреплённым к катушке, а внешнем периметром к опорной раме; гибких, подводящих электрический сигнал к катушке, проводов, вшитых в одну из центрирующих шайб и одним концом припаянных к выводам катушки, а другим к внешней контактной группе для подвода электрического сигнала от усилителя; кольцо крепления каркаса катушки к поверхности звукоизлучающей мембраны; и контактов подвода электрического сигнала.

В предлагаемом встраиваемом плоском громкоговорителе крышка задней стороны отсутствует. Вместо этого выполнено поролоновое демпфирование обратной стороны мембраны.

Конструкция громкоговорителя бескорпусная с реализацией всех преимуществ качества звучания технологии плоских громкоговорителей. Конструкция характеризуется исключительно малой установочной глубиной на практике доходящей до 25 мм.

Предлагаемый громкоговоритель основан на способности генерировать поперечную акустическую волну (http://selftrans.narod.ru/v2_1/acoustics/acoustics03/acoustics3rus.html) под действием резонансного возбуждения поверхностно-бегущими волнами, возникающими на мембране и образующими частотно-амплитудные очаги модуляций оппозитных колебаний в пределах определенных зон на поверхности звукоизлучающей мембраны. Отличительной особенностью этого способа звукоизлучения является формирование кругового звукового поля вокруг источника, со свойствами равномерного распределения частотного баланса и амплитуды колебаний в зоне действия такого поля. Степень же затухания сигнала становится обратно пропорциональной к возрастающему расстоянию (а не квадрату расстояния в случае с громкоговорителями на обычных динамиках). На практике, в случае со встраиваемой акустикой диаграмма направленности представляет собой полусферу с источником в ее центре, а угол раскрытия звукового луча составляет 180° практически без деградации частотного баланса и амплитуды сигнала.

Таким образом, становится возможным использование значительно меньшего количества плоских громкоговорителей для более равномерного звукового покрытия пространств и помещений.

Плоский громкоговоритель квадратного типа фиг 3-5. имеет размер в плане 595×595 мм, адаптированный под установку в стандартную ячейку 600×600мм подвесного потолка типа «армстронг». Громкоговоритель укладывается вместо штатной декоративной панели в том месте потолка, где предполагается его использование. В случае врезного монтажа в каркасно-панельную конструкцию плоский громкоговоритель достаточно приложить к поверхности так, чтобы элементы его конструкции с задней стороны оказались в пределах предварительно вырезанного монтажного отверстия, а пружинный механизм фиксации панели обеспечил уверенную фиксацию корпуса с обратной стороны кромки отверстия всех четырех углов корпуса громкоговорителя, либо, по крайней мере двух противостоящих.

Плоский громкоговоритель по предлагаемой технологии может быть выполнен в различных форматах. В виде прямоугольника разных соотношений длин сторон, квадрата, также включать две и более звукоизлучающие мембраны в пределах одного корпуса громкоговорителя для увеличения мощности панели или обеспечения режима стереозвучания в рамках работы одной панели. Следует особо отметить способ закрепления и декорирования тканевой обтяжки изделия, представляющую собой технический прием организации торцевой кромки корпуса громкоговорителя (Фиг 2).

Таким образом, преимущества технологии изготовления плоского громкоговорителя прежде всего реализуются в области повышения качества звуковоспроизведения, повышения уровня психоакустического комфорта потребителя акустического сигнала, а также обеспечения высокой степени удобства монтажа и эксплуатации акустических систем встраиваемого типа.

Для достижения схожего, либо превосходного технического результата требуется меньшее количество громкоговорителей, меньше кабелей и проводов, ниже стоимость работ по их прокладке, выше долговременная надежность, а обслуживание и ремонт вызывают минимум затруднений. Качество звукового материала повышается настолько, что теперь можно слышать музыку именно такой, какой ее задумали и сделали. Теперь Вы не пропустите долгожданного объявления в условиях шумного вокзала о времени отбытия вашего поезда и смене посадочной платформы.

Изобретение относится к акустике, в частности к плоским громкоговорителям. Встраиваемый плоский громкоговоритель включает корпус, плоскую мембрану и привод акустических колебаний поперечной акустической волны. Корпус выполнен в виде плоской опорной рамы, а на раме закреплена звукоизлучающая плоская прямоугольная мембрана, мембрана выполнена в виде сотового заполнителя, поверхностного слоя, приклеенного к сотовой структуре с двух сторон и стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков, покрывающего поверхностные слои, обратная сторона мембраны покрыта демпфирующим слоем. Привод акустических колебаний выполнен в виде по меньшей мере одного возбудителя акустических колебаний, включающего ферритовые детали магнитопровода. Возбудитель акустических колебаний закреплён на плоской опорной раме посредством перемычки и прикреплен одним своим концом к плоской мембране в пределах линии, проходящей по плоскости прямоугольной мембраны и выходящей из любой вершины прямоугольной мембраны, а заканчивающейся в точке на противолежащей вершине горизонтальной стороне мембраны, расположенной на расстоянии 2/3 противолежащей стороны мембраны от вершины по горизонтали. Технический результат - повышение качества звуковоспроизведения, уменьшение установочной глубины для монтажа громкоговорителя и упрощение монтажа. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Встраиваемый плоский громкоговоритель, включающий корпус, плоскую мембрану и привод акустических колебаний поперечной акустической волны, отличающийся тем, что

корпус выполнен в виде плоской опорной рамы, а на раме закреплена звукоизлучающая плоская прямоугольная мембрана,

мембрана выполнена в виде сотового заполнителя, поверхностного слоя, приклеенного к сотовой структуре с двух сторон и стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков, покрывающего поверхностные слои,

обратная сторона мембраны покрыта демпфирующим слоем,

привод акустических колебаний выполнен в виде по меньшей мере одного возбудителя акустических колебаний, включающего ферритовые детали магнитопровода,

а по меньшей мере один возбудитель акустических колебаний закреплён на плоской опорной раме посредством перемычки и прикреплен одним своим концом к плоской мембране в пределах линии, проходящей по плоскости прямоугольной мембраны и выходящей из любой вершины прямоугольной мембраны, а заканчивающейся в точке на противолежащей вершине горизонтальной стороне мембраны, расположенной на расстоянии 2/3 противолежащей стороны мембраны от вершины по горизонтали.

2. Встраиваемый плоский громкоговоритель по п.1 формулы, отличающийся тем, что демпфирующий слой, которым покрыта обратная сторона мембраны, выполнен из поролона.