Акустическая система Российский патент 2021 года по МПК G10K11/18 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к области электроакустики и может быть использовано для озвучивания помещений и в бытовой электроакустической аппаратуре.

Уровень техники

В зависимости от типа акустического оформления акустические системы делятся на системы с открытым акустическим оформлением, закрытым акустическим оформлением, с фазоинверторным оформлением, с акустическим лабиринтом и так далее.

Системы открытого типа применяются достаточно давно, но у этих систем есть определенные ограничения, которые не дают им возможности широко их использовать в системах высококачественного звучания, поскольку, чтобы обеспечить комфортное звучание низких частот, без которых современный потребитель уже не представляет звуковоспроизведение, такие системы имеют большие габариты.

Известна акустическая система с открытым акустическим оформлением (далее АС открытого типа) (В.К. Иофе, М.В. Лизунков. «Бытовые акустические системы». Стр. 34, рис. 28. Опубликовано 1984 г.) [1]. В известной АС открытого типа (фиг. 1) задняя сторона звукоизлучающей поверхности диффузора электродинамической головки прямого излучения (далее головка) не изолирована акустически от передней. В качестве открытого оформления применяется плоский экран (щит), либо ящик, обычно имеющий форму параллелепипеда без задней стенки (В.К. Иофе, М.В. Лизунков. «Бытовые акустические системы», стр. 41, рис. 36) [1]. Известная АС состоит из головки и открытого акустического оформления, например щита с отверстием в котором закреплена головка. Достоинством известной АС является простота и отсутствие явления повышения основной резонансной частоты головки после её установки в такую АС. Недостатком АС открытого типа является её большие габариты, причем, чем ниже требуемая граница воспроизводимых частот, тем больше должны быть её габариты. Например, для воспроизведения без ослабления звука частотой 50 Гц, длина волны которого равна λ₁ = 6.8 м, необходимо, чтобы сторона щита была не менее 0.5λ₁ = 3.4 м. Если же сторона щита меньше 0.5λ₁, то приходящие, благодаря явлению дифракции, в точку пространства, где находится слушатель, прямая и обратная (от передней и задней стороны диффузора) волны, взаимодействуя одна с другой, благодаря интерференции, будут взаимно уничтожаться, и уровень звукового давления на этих частотах будет частично или полностью снижен. Причем степень такого снижения будет тем больше, чем сторона щита меньше 0.5λ₁. При этом вместо того, чтобы возбуждать звуковые волны в окружающем пространстве, АС будет «перегонять» воздух с одной своей стороны на другую. Этот эффект называется акустическим коротким замыканием. Он проявляется на частотах, для которых размер стороны щита меньше 0.5λ₁. Для исключения эффекта акустического короткого замыкания АС с расширенным в область низших частот звукового диапазона (30-50 Гц) должна иметь большие габариты (3-5 м). Это является основным недостатком известной АС [1].

Известны акустические системы АС с закрытым акустическим оформлением (В.К. Иофе, М.В. Лизунков. «Бытовые акустические системы», cтр. 42, рис. 37) [1], в которых отсутствует акустическое короткое замыкание, т.к. исключается выход в окружающее АС пространство звуковой волны, излучаемой задней стороной диффузора её головки. Основным недостатком АС с закрытым акустическим оформлением является то, что упругость находящегося в закрытом ящике такой АС объема воздуха складывается с упругостью подвижной системы головки и повышает её основную резонансную частоту, сужая таким образом рабочую полосу АС со стороны низших частот.

Устранение акустического короткого замыкания в АС при создании простого и энергетически эффективного устройства АС с открытым акустическим оформлением, практически без потерь звуковой энергии, является в настоящее время важной и нерешенной проблемой.

Проблемы создания АС открытого типа описаны, например, в статье «Открытая акустика. Открывая заново». Интернет-ресурс http://www.salonav.com/arch/2016/05/otkrytaya-akustika.htm. (Размещено 12.05.2016 г.). В публикации говорится о том, что поднятая тема непростая и слабо освещена в литературе. При конструировании приходится руководствоваться эмпирическими расчетами и результатами бесконечных экспериментов и прослушиваний.

Из источника https://volgograd.pult.ru/product/napolnaya-akustika-pure-audio-project-trio-15-tb (Опубликовано 5 июня 2018 г.) известна акустическая система открытого типа: напольная акустика Pure Audio Project Trio 15 TB.

Все модели Trio15 и конфигурации основаны на эксклюзивной, тщательно разработанной открытой раме с лучшими аудиокомпонентами. С момента начала продаж, Trio15TB (с динамиками Tang Band W8-1808 и Eminence Alpha15a) была высоко оценена клиентами и СМИ. Новая алюминиевая рама тщательно спроектирована, отличается отсутствием вибрации и легкостью транспортировки и монтажа. Два НЧ-динамика размером 15", разработанные специально для открытой системы с модульной архитектурой.

Характеристики

Чувствительность, дБ/Вт/м: 93.

Частотный диапазон: 36Hz - 20,000Hz.

Сопротивление: от 3,5 до 8 Ом.

Усилитель номинальное сопротивление: 8 Ом.

Рекомендуемые усилители: 3,5 Вт (Tubes SE) и выше (Tubes, Solid State, Class D).

Количество головок 3.

Головки:

OB-A15se, OB-A15neo.

ТБ W8-1808, Beyma TPL150 / Н, ESS Heil AMT 1.

Основными недостатками системы Trio15 являются ее высокая стоимость, сложность и необходимость использования специальных головок.

У всех предлагаемых на рынке акустических систем открытого типа в низкочастотном диапазоне наблюдается значительный спад отдачи из-за возникающего именно на низких частотах (от 20 до 300 Гц) акустического замыкания. Для увеличения отдачи в НЧ диапазоне производители вынуждены устанавливать несколько головок на щите и увеличивать площадь щита, что принципиально все равно не решает задачу устранения акустического замыкания и увеличивает габариты. Для уменьшения акустических искажений и расширения диапазона воспроизводимых частот в низкочастотную область применяют «системы с лабиринтом», например: «Акустическая система» (Патент США № 4,930,596, Loudspeaker system, 05.06, 1990, класс США: 181/152, МПК: H04R1/28) ; или «системы с фазоинвертором», например: патент США № 5,535,284 Woofer speaker and acoustically coupled sub-woofer speaker system; July 9, 1996, класс США: 381/338, МКИ H04R 1/34, H04R 1/32) и другие конструкции акустического оформления.

Недостатком известных систем, использующих вышеуказанное акустическое оформление головок, является то, что акустические свойства таких оформлений приводят к окраске излучаемого звука (благодаря тому, что их АЧХ имеют большую неравномерность из-за наличия стоячих волн, резонансов, колебаний элементов конструкции и т.д.), а фазоинверторы сложны в настройке и их параметры нестабильны во времени.

Известна акустическая система (варианты) по патенту № 133378 на полезную модель (заявка № 2013133407; МПК H04R 5/02; опубликовано 10.10.2013) [2], техническим результатом которой является исключение окраски звука, вызванной свойствами корпуса, выравнивание частотных характеристик громкоговорителя. Технический результат достигается за счет того, что в акустической системе, содержащей корпус, в котором закреплены, по меньшей мере, один низкочастотный громкоговоритель, установленный над ним, по меньшей мере, один высокочастотный громкоговоритель, или коаксиальный громкоговоритель, причем коаксиальный громкоговоритель представляет собой высокочастотный громкоговоритель, установленный на низкочастотном громкоговорителе и работающий через него, диффузоры громкоговорителей направлены в сторону установленного на верхнем торце корпуса тела, предназначенного для взаимодействия с потоком звуковой энергии, каждое последующее поперечное сечение упомянутого тела в направлении от каждого громкоговорителя больше, чем предыдущее поперечное сечение тела, корпус выполнен открытым со стороны нижнего торца и предназначен для установки на расстоянии от горизонтальной поверхности, между нижним торцом корпуса и обратной стороной диффузора нижнего громкоговорителя установлен блок акустического демпфирования (БАД). Оба корпуса 1 и 8 и рассеивающие конуса соединены между собой несущими элементами. Расстояние от нижнего торца корпуса 1 до горизонтальной поверхности пола и место расположения БАД подбирается экспериментально по качеству воспроизведения низких частот. Стойки 6 задают расстояние до пола.

Недостатками данной АС являются сложность в изготовлении и настройке, а также её большие габариты и нестабильность параметров во времени.

Известно устройство акустической системы, которое состоит из низкочастотного канала, громкоговорителя, прямого звуковода и двух отводов (патент США № 5,535,284 Woofer speaker and acoustically coupled sub-woofer speaker system; July 9, 1996, МПК H04R 1/34, H04R 1/32) [3]. В известном устройстве обратная сторона диффузора громкоговорителя излучает звук в фазе 180 градусов по отношению к прямому диффузору. Для того, чтобы излучать звук синфазно с прямым диффузором необходимо пропустить звук по звуководу длиной, равной половине длины волны. Длина звуковой волны на 20 Гц составляет 16 метров. С учетом разнесенности прямого и обратного выходов акустической системы длина прямого звуковода должна быть около 4 метров. В устройстве для этого используется прямой звуковод (короб в виде прямого кругового цилиндра) с общей высотой более 3 метров. Используемый способ крепления неизбежно вызывает механические напряжения в трубе, а это, как известно, приводит к резонированию звуковода на собственной частоте. Поэтому частотный диапазон ограничен только низкими частотами. Кроме того, для уменьшения резонансных эффектов внутренний объем звуковода заполнен полиэфирным волокном. Достоинством устройства являются малые акустические искажения, поскольку акустическая система открыта. Недостаток – большие габариты и большая неравномерность амплитудно-частотной характеристики, сложность в настройке и нестабильность параметров устройства во времени.

В поисках решения проблемы, связанной с явлением акустического замыкания в АС открытого типа, авторы обратились к способам и устройствам активного шумоподавления.

Для устранения эффекта акустического короткого замыкания в АС открытого типа авторы предположили, что имеется возможность подавлять звуковую волну, излучаемую задней стороной диффузора её головки, известными способами активного подавления акустических шумов.

Основа активных методов гашения акустических шумов и вибраций состоит в возбуждении таких дополнительных шумовых и вибрационных полей, интерференция которых с первичными полями приводит к заданному снижению остаточного уровня шумов в помещении. Разнообразие систем активного шумо- и виброгашения определяется способами формирования сигналов, обеспечивающих возбуждение дополнительных полей, разнообразием средств их возбуждения, особенностями объектов или характеристиками пространства, в котором обеспечивается активное гашение, и т.п.

При этом наилучшими динамическими характеристиками эффективности обладают активные устройства шумогашения, в которых сигналы для возбуждения дополнительных полей формируются с помощью цепей отрицательной обратной связи. Такие устройства содержат хотя бы один возбудитель акустического поля (громкоговоритель, нагруженный на среду) и соответствующий акустический приемник давления (микрофон), расположенный в непосредственной близости от этого громкоговорителя.

Из уровня техники известно большое количество патентов, относящихся к активному шумоподавлению.

Известны устройства для подавления шума (Авторские свидетельства СССР: № 349011, 356819, 590807, 832578, 836655), суть работы которых заключается в том, что звуковой сигнал шума, воспринятый микрофоном, преобразуют в электрический и после обработки подают на динамик, который излучает звуковые волны той же частоты, но с фазой, противоположной падающим на микрофон волнам.

Известно устройство для подавления шума, содержащее микрофон, диффузор для излучения волн в противофазе волнам шума и усилитель, подключенный к микрофону, расположенному с внутренней стороны диффузора, отличающееся тем, что содержит один или несколько вибраторов, расположенных на наружной стороне диффузора со стороны приходящих волн шума, при этом усилитель имеет регулируемый коэффициент усиления и подключен к вибраторам, причем для равномерного подавления шума во всей зоне подавления диффузор имеет форму, близкую форме волнового фронта волн приходящего шума. Патент Российской Федерации № 2115960, МПК G10K 11/16, 1998 г. [4].

Известен способ активного звукогашения, который заключается в том, что в направление распространения подавляемой сигнальной волны совместно и коллинеарно с нею излучают волну накачки с амплитудой, значительно большей амплитуды сигнальной волны, а частота и начальная фаза излучаемой волны больше в два раза частоты и начальной фазы подавляемой волны. В результате увеличивается эффективность звукогашения, обеспечивается подавление низкочастотного сигнала высокочастотной накачкой. Предотвращается попадание накачки в полосу пропускания приемного тракта локатора. Патент Российской Федерации № 2185666, МПК G10K 11/16, 2002 г. [5].

Известно устройство активного гашения шума, содержащее возбудитель акустического поля (громкоговоритель, нагруженный на среду) и соответствующий акустический приемник давления (микрофон), расположенный напротив этого громкоговорителя. Инвертирующий усилитель и компенсатор включены в цепь отрицательной обратной связи. В состав цепи отрицательной обратной связи входят и громкоговоритель, и микрофон, причем выход микрофона соединен с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с входом компенсатора, а выход компенсатора - с входом инвертирующего усилителя, к выходу которого подключен громкоговоритель. Патент США № 4527282, МПК G11K 11/00, 1985 [6].

Известен способ и устройство для активного гашения акустического шума, содержащее возбудитель акустического поля (громкоговоритель), нагруженный на среду, и соответствующий акустический приемник давления (микрофон), расположенный напротив этого громкоговорителя. Инвертирующий усилитель и компенсатор включены в цепь обратной связи, в состав которой входят и громкоговоритель и микрофон, причем выход микрофона соединен с входом предварительного усилителя с электрически управляемым коэффициентом передачи, выход предварительного усилителя соединен с входом компенсатора, выход компенсатора соединен с входом инвертирующего усилителя, к выходу которого подключен громкоговоритель, а управляющий вход предварительного усилителя соединен с выходом формирователя управляющего напряжения, вход которого соединен с выходом микрофона. Патент США № 5848169, МПК G11К 11/00, 1998 г. [7].

Однако все известные из уровня техники патенты относятся к защите от акустических шумов различного происхождения: в производственных и жилых помещениях, театрах, концертных залах, офисах, а также на открытой местности, от неприятных или мешающих работе звуков. Применение известных патентов для устранения акустического короткого замыкания значительно усложняет АС открытого типа и может приводить к значительным линейным, нелинейным и интермодуляционным искажениям акустического сигнала, излучаемого АС из-за инерционности используемых схем и их нелинейности.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого технического решения по совокупности признаков выбрана акустическая система с открытым акустическим оформлением (далее АС открытого типа) (В.К. Иофе, М.В. Лизунков. «Бытовые акустические системы». Стр. 34, рис. 28. Опубликовано 1984 г.) [1], состоящая из головки и открытого акустического оформления в виде щита с отверстием, в котором закреплена головка. Преимуществом известной АС открытого типа является отсутствие увеличения резонансной частоты головки. Недостатком является наличие эффекта акустического короткого замыкания между передней и задней сторонами диффузора, для устранения действия которого приходится увеличивать её габариты, причем, чем ниже требуемая граница воспроизводимых частот, тем больше должны быть её габариты.

Техническим результатом является создание акустической системы открытого типа, с исключением акустического короткого замыкания между передней и задней сторонами диффузора, и имеющей за счет этого небольшие габариты и расширенный в низкочастотную область диапазон воспроизводимых частот до 20 Гц.

Раскрытие изобретения

Технический результат достигается тем, что акустическая система (АС), содержащая АС открытого типа, включающую электродинамическую головку, закрепленную в отверстии щита, дополнительно содержит устройство поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки акустической системы открытого типа, которое представляет собой акустическую систему закрытого типа, состоящую из электродинамической головки, размещенной в закрытом ящике, причем акустическая система закрытого типа расположена с тыльной стороны щита, при этом расстояние между головкой акустической системы открытого типа и головкой акустической системы закрытого типа составляет менее 0.3λ2, где λ2 - длина волны верхней частоты рабочей полосы заявляемой акустической системы;

причем головка акустической системы закрытого типа расположена на верхней стенке закрытого ящика, а верхняя стенка закрытого ящика выполнена под углом β от 0 до 80 градусов по отношению к плоскости щита;

причем головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и подключены к источнику электрического сигнала.

При этом головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа подключены к источнику электрического сигнала параллельно друг другу и синфазно.

При этом головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа подключены к источнику электрического сигнала последовательно и синфазно.

Технический результат достигается также тем, что акустическая система (АС), содержащая акустическую систему открытого типа, включающую электродинамическую головку, закрепленную в отверстии щита, дополнительно содержит устройство поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки акустической системы открытого типа, которое представляет собой акустическую систему закрытого типа, состоящую из электродинамической головки, размещенной в закрытом ящике, причем головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа установлены на щите в одной плоскости, вследствие чего их оси параллельны, и на расстоянии менее 0.3λ2, где λ2 - длина волны верхней частоты рабочей полосы заявляемой акустической системы, при этом закрытый ящик акустической системы закрытого типа располагается с фронтальной стороны щита акустической системы;

причем головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и подключены к источнику электрического сигнала.

При этом головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа подключены к источнику электрического сигнала параллельно друг другу и противофазно.

При этом головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа подключены к источнику электрического сигнала последовательно и противофазно.

Перечень фигур

Фиг. 1. Структурная схема акустической системы.

Фиг. 2. Схема распространения звуковых волн от акустической системы к точке прослушивания.

Фиг. 3а. Схема параллельного подключения электродинамических головок 2 и 6 акустической системы.

Фиг. 3б. Схема последовательного подключения электродинамических головок 2 и 6 акустической системы.

Фиг. 4. Заявляемая акустическая система по примеру 1, вид спереди.

Фиг. 5. Разрез А-А на фиг. 4.

Фиг. 6. Заявляемая акустическая система по примеру 5.

Фиг. 7. Разрез Б-Б на фиг. 6.

Фиг. 8. Заявляемая акустическая система по примеру 6.

Фиг. 9. Разрез В-В на фиг. 8.

Фиг. 10. Заявляемая акустическая система по примеру 7.

Фиг. 11. Разрез Г-Г на фиг. 10.

Фиг. 12. Заявляемая акустическая система по примеру 8.

Фиг. 13. Разрез Д-Д на фиг. 12.

Фиг. 14а. Схема параллельного подключения электродинамических головок 2 и 6 акустической системы по примеру 8.

Фиг. 14б. Схема последовательного подключения электродинамических головок 2 и 6 акустической системы по примеру 8.

Фиг. 15. Графики, показывающие эффективность устройства поглощения обратной волны.

Перечень позиций

1 – акустическая система (АС) открытого типа;

2 – электродинамическая головка прямого излучения (далее головка) АС 1 открытого типа;

3 – щит;

4 – установочное отверстие в щите 3;

5 – акустическая система (АС) закрытого типа;

6 – электродинамическая головка прямого излучения АС 5 закрытого типа;

7 – закрытый ящик АС 5 закрытого типа;

8 – точка прослушивания;

9 – путь звуковой волны, излучаемой передней стенкой диффузора головки 2, к точке 8 прослушивания (условно);

10 – путь звуковой волны, излучаемой задней стенкой диффузора головки 2, к точке 8 прослушивания (условно);

11 – путь звуковой волны, излучаемой передней стенкой диффузора головки 6, к точке 8 прослушивания (условно);

12 – заявляемая АС;

13 – верхняя стенка закрытого ящика;

14 – источник электрического сигнала;

15 – кабель, обеспечивающий электрическое соединение источника электрического сигнала 14 с головками 2 и 6;

16 – блок акустический, включающий среднечастотный и высокочастотный каналы примера 1 выполнения заявляемой АС;

17 – среднечастотная головка примера выполнения заявляемой АС;

18 – высокочастотная головка примера выполнения заявляемой АС;

19 – элемент жесткости конструкции примера выполнения заявляемой АС;

20 – ось электродинамической головки 2;

21 – ось электродинамической головки 6;

22 – передняя сторона АС 5 для примера 5;

23 – график АЧХ заявляемой АС с включенным устройством поглощения обратной волны.

24 – АЧХ заявляемой АС с выключенным устройством поглощения обратной волны.

25 – арифметическая разница значений амплитуды в первом и втором случае.

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство акустической системы 12 (фиг. 1) содержит акустическую систему АС 1 с открытым акустическим оформлением (далее - АС открытого типа), состоящую из щита 3 с установочным отверстием 4, в котором помещена электродинамическая головка 2 прямого излучения (далее - головка 2).

Заявляемая АС 12 содержит также устройство 5 поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки 2. Устройство 5 поглощения обратной волны может представлять собой акустическую систему закрытого типа АС 5, состоящую из электродинамической головки 6 прямого излучения (далее головка 6) и закрытого ящика 7. Головка 6 установлена на верхней стенке 13 ящика 7. Верхняя стенка 13 закрытого ящика 7 выполнена под углом β по отношению к плоскости щита 3.

Заявляемая система 12 может быть выполнена в двух исполнениях: в одном исполнении АС 1 открытого типа и АС 5 закрытого типа объединены в единую конструкцию элементом 19 жесткости (фиг. 4, 5). В другом исполнении АС 1 открытого типа и АС 5 закрытого типа выполнены в виде отдельных устройств (фиг. 6, 7). При этом угол β между осью 20 электродинамической головки 2 и осью 21 электродинамической головки 6 может варьироваться в широких пределах от 0 до 80 градусов. В конструкции на фиг. 4 угол β равен 70 градусам. В конструкции на фиг. 6 оптимальным является соосное расположение электродинамических головок 2 и 6, когда угол β = 0. Также допускается отклонение от соосности до 80 градусов, (пример 6, фиг. 8, 9).

Ниже будет дано детальное описание каждого из исполнений на конкретных примерах.

Устройство 5 поглощения обратной волны размещено позади АС 1 с тыльной стороны щита 3, в непосредственной близости от задней стороны диффузора головки 2 АС 1 открытого типа (фиг. 1).

Расстояние l между головкой 2 АС 1 открытого типа и головкой 6 АС 5 закрытого типа составляет: l < 0.3λ_в, где λ_в – длина звуковой волны на верхней частоте f_в рабочей полосы заявляемой АС 12. Предпочтительно f_в = 350 Гц, для которой λ_в = 0.97 м.

Головка 2 АС 1 открытого типа и головка 6 АС 5 закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и с помощью кабеля 15 подключены синфазно к источнику 14 электрического сигнала, при этом головки 2 и 6 могут быть подключены как параллельно друг другу (фиг. 3а), так и последовательно (фиг. 3б).

В заявляемой АС 12 в качестве головок 2 и 6 могут быть использованы низкочастотные головки, например, 150ГДН45-8 (http://noema.ru/catalog/64/234. Опубликовано 11.04.2020 г.). Диаметр указанных головок 260 мм.

Корпус 7 АС 5 и щит 3 АС 1 должны быть выполнены из плотного материала с высоким уровнем внутреннего звукопоглощения. Одним из материалов соответствующим этим требованиям является фанера из твердых пород дерева.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Ниже приведен пример конкретного выполнения заявляемой акустической системы 12 в исполнении, изготовленном авторами опытным путем, когда АС 1 открытого типа и АС 5 закрытого типа объединены в единую конструкцию (фиг. 4, 5).

На фиг. 4 показан вид спереди, а на фиг. 5 показан в разрезе А-А изготовленного авторами образца.

Акустическая система 1 открытого типа выполнена состоящей из щита 3 с установочным отверстием 4, в котором помещена электродинамическая головка 2 прямого излучения (далее головка 2). Позади АС 1, в непосредственной близости от задней стороны диффузора головки 2 АС открытого типа, размещено устройство 5 поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки 2. Устройство поглощения обратной волны представляет собой акустическую систему АС 5 закрытого типа, состоящую из электродинамической головки 6 прямого излучения (далее головка 6) и закрытого ящика 7. Головка 6 АС 5 закрытого типа расположена на верхней стороне 13 закрытого ящика 7, передняя стенка которого является продолжением щита 3. Верхняя сторона 13 закрытого ящика 7 расположена наклонно к горизонтальной плоскости. При этом угол β между осью 20 электродинамической головки 2 и осью 21 электродинамической головки 6 находится в диапазоне от 0 до 80 градусов. В примере 1 угол β равен 70 градусов. Расстояние l между центрами диффузоров головки 2 и головки 6 АС 5 закрытого типа равно 255 мм.

Диапазон воспроизводимых заявляемой АС 12 частот - рабочий диапазон частот - расположен в пределах 20-350 Гц. Диапазон слышимых человеческим ухом частот распространяется от 20 до 20 000 Гц. Поэтому заявляемая АС 12 является низкочастотным каналом звуковоспроизводящей системы. Для расширения диапазона воспроизводимых частот до 20 000 Гц, образец практической реализации заявляемой АС 12 дополнен блоком 16 акустическим, содержащим среднечастотный (головка 17) и высокочастотный (головка 18) каналы (фиг. 4 и 5). Блок 16 конструктивно расположен в верхней части образца практической реализации, над заявляемой АС 12.

Щит 3 АС 1 открытого типа  и  закрытый ящик 7 АС 5 закрытого типа в примере 1 представляют собой единую конструкцию. Элементы жесткости 19 обеспечивают целостность конструкции АС 12, являясь при этом ее боковыми стенками. Фронтальный щит 3 имеет  размеры: ширина b = 360 мм; высота h = 1077 мм. Размеры заявляемой АС определяются жесткостью крепления головки 2 и размерами АС 5. Поэтому высота h заявляемой АС может иметь значение, равное 900-1600 мм, ширина b=350-450 мм.

В данном примере высота АС от пола до верхней плоскости дана с учетом высоты блока 16 акустического и равна =1573 мм. Высота h заявляемой АС 12, без учета блока 16, равна 1077 мм. Глубина k закрытой АС = 450 мм.

В качестве материала использована березовая фанера толщиной 22 мм.

Головка 2 АС открытого типа и головка 6 АС закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры. В качестве этих головок могут быть использованы, например, головки 150ГДН45-8 (http://noema.ru/catalog/64/234. Опубликовано 11.04.2020 г.). Диаметр головок 260 мм.

Головки 2 и 6 включены параллельно друг другу и подключены с помощью кабеля 15 к источнику 14 электрического сигнала синфазно (фиг. 3а). Источник 14 сигнала представляет собой усилитель мощности низкой частоты, обладающий достаточной мощностью для работы с головками 2 и 6.

В качестве среднечастотной головки 17 может быть использована широкополосная головка фирмы «Ноэма» например 100ГДШ65-4 (http://noema.ru/catalog/81/226. Опубликовано 11.04.2020 г). В качестве головки 18 для воспроизведения высоких частот может быть использована широкополосная головка фирмы «Ноэма», например, 50ГДШ83-4 (http://noema.ru/catalog/81/216. Опубликовано 11.04.2020 г). Т.к. акустическое короткое замыкание в среднечастотном и высокочастотном каналах блока 16 акустического отсутствует из-за малых длин волн, возбуждаемых их головками, в них применено акустическое оформление открытого типа.

Пример 2. Пример выполнен аналогично примеру 1, однако угол β между осью 20 электродинамической головки 2 и осью 21 электродинамической головки 6 равен 40 градусам.

Пример 3. Пример выполнен аналогично примеру 1, однако угол β между осью 20 электродинамической головки 2 и осью 21 электродинамической головки 6 равен 80 градусам, а электродинамические головки 2 и 6, подключенные к источнику 14 электрического сигнала, включены, последовательно друг с другом и синфазно (фиг. 3б).

Пример 4. Пример выполнен аналогично примеру 1, однако без дополнения блоком 16 акустическим, содержащим среднечастотный (головка 17) и высокочастотный (головка 18) каналы 16, при этом высота h заявляемой АС равна 1077 мм, ширина b=350 мм. В качестве материала использована березовая фанера толщиной 16 мм.

Пример 5. В заявляемой акустической системе АС открытого типа 1 и АС закрытого типа 5 выполнены в виде отдельных устройств, как показано на фиг. 6, 7.

Акустическая система 1 открытого типа выполнена состоящей из щита 3 с установочным отверстием 4, в котором помещена электродинамическая головка 2 прямого излучения (далее головка 2). При этом щит 3 может быть выполнен с некоторым наклоном по отношению к горизонтальной плоскости (фиг. 7). Позади АС 1, в непосредственной близости от задней стороны диффузора головки 2 АС открытого типа, размещено устройство 5 поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки 2. Устройство поглощения обратной волны представляет собой акустическую систему АС 5 закрытого типа, состоящую из электродинамической головки 6 прямого излучения (далее головка 6) и закрытого ящика 7.

Головка 6 АС 5 закрытого типа расположена на передней стороне 22 закрытого ящика 7, которая расположена к горизонтальной плоскости под тем же углом, что и щит 3, для обеспечения соосности головок 2 и 6. В данном примере используется соосное их расположение, т.е. угол β=0.

При соосном расположении достигается минимальное расстояние l между головкой 2 и головкой 6 АС 5 закрытого типа менее 300 мм.

Таким образом расстояние l между головкой 2 АС открытого типа и головкой 6 АС закрытого типа составляет: l < 0.3λ_в, где λ_в - длина волны верхней частоты f_в рабочей полосы заявляемой АС. Предпочтительно f_в = 350 Гц, для которой λ_в = 0.97 м.

Головка 2 АС открытого типа и головка 6 АС закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и подключены к источнику 14 электрического сигнала синфазно и последовательно (фиг. 3а).

В заявляемой АС 12 в качестве головок 2 и 6 могут быть использованы низкочастотные головки, например, 150ГДН45-8 (http://noema.ru/catalog/64/234. Опубликовано 11.04.2020 г.). Диаметр указанных головок 260 мм.

Корпус 7 АС 5 и Щит 3 АС 1 выполнены из плотного материала с высоким уровнем внутреннего звукопоглощения, а именно из фанеры толщиной 42 мм.

Пример 6. Заявляемая акустическая система выполнена по примеру 5, однако угол β между осями электродинамических головок 2 и 6 в исполнении, показанном на фиг. 8 и 9, имеет значение 80 градусов. Головки 2 и 6 подключены с помощью кабеля 15 к источнику 14 электрического сигнала синфазно, с последовательным включением (фиг. 3б). Высота щита 3 значительно увеличена, при этом головка 6 расположена на верхней грани АС закрытого типа. В качестве материала использована березовая фанера толщиной 22 мм.

Пример 7. Заявляемая акустическая система выполнена по примеру 5, однако щит 3 АС 1 открытого типа и закрытый ящик 7 АС 5 закрытого типа связаны между собой соединительными элементами, типа планок или резьбовых втулок (не показаны), для фиксации оптимального расстояния между АС открытого типа 1 и АС закрытого типа 5. Угол β между осями электродинамических головок 2 и 6 в исполнении, показанном на фиг. 10 и 11, имеет значение 0 градусов (соосное расположение головок 2 и 6).

Пример 8. Заявляемая акустическая система выполнена по примеру 1, однако динамические головки 2 и 6 установлены на щите 3 в одной плоскости, на расстоянии немного превышающем их диаметр. Вследствие чего оси 20 и 21 головок 2 и 6 параллельны (сонаправленное расположение головок 2 и 6, β = 0 градусов). При этом закрытый ящик 7 АС 5 располагается с фронтальной стороны акустической системы (со стороны слушателя).

Головка 2 АС 1 открытого типа и головка 6 АС 5 закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и с помощью кабеля 15 подключены к источнику 14 электрического сигнала противофазно, при этом головки 2 и 6 могут быть подключены как параллельно друг другу (фиг. 14а), так и последовательно (фиг. 14б).

Данная конструкция является наиболее выгодной с точки зрения верности звучания и способности закрытой АС 5 поглощать обратную волну АС 1, поскольку геометрические длины пути звуковых волн от обратной стороны головки 2 и обратной стороны головки 6 до слушателя практически одинаковы, а диффузоры движутся противофазно. Следовательно, две противофазные, интерферирующие, волны в точке прослушивания практически гасят друг друга.

Работа

Устранение акустического короткого замыкания в открытой АС 1 заявляемого устройства достигается за счет уничтожения звуковой волны, излучаемой задней стороной диффузора головки 2 АС 1, т.е. обратной волны. Достигается это за счет включения в заявляемое устройство дополнительного источника звука, расположенного в непосредственной близости от задней стороны диффузора головки 2 АС 1. При этом дополнительный источник звука и задняя сторона диффузора головки 2, в рабочем диапазоне частот, излучают в окружающее пространство звуковые волны, равные по амплитуде, но противоположные по фазе. Такое соотношение этих волн приводит к их взаимному уничтожению в окружающем пространстве благодаря их интерференции. Сказанное справедливо для звуковых волн, длина которых значительно больше расстояния между дополнительным источником и задней стороной диффузора головки 2, что имеет место в области низких частот звукового диапазона (20-350 Гц), для которого и предназначена заявляемая акустическая система 12. Для указанного диапазона частот, при скорости звука в воздухе 340 м/с, звуковые волны имеют длину от 0.97 м до 17 м. Дополнительным источником звука в заявляемом устройстве 12 является АС 5 закрытого типа (фиг. 1). При этом на головку 2 и на головку 6 поступает один и тот же электрический сигнал от источника 14 (фиг. 3).

Работает заявляемое устройство 12 следующим образом. При подаче электрического сигнала от источника 14 на головки 2 и 6 (фиг. 3), их диффузоры начинают синфазно колебаться в соответствии с формой подаваемого звукового сигнала. Спектр указанного сигнала не выходит за пределы рабочего диапазона частот заявляемого устройства 12. При этом в окружающее пространство излучаются звуковые волны тремя излучателями, а именно: передней и задней сторонами диффузора головки 2 и передней стороной диффузора головки 6 (фиг. 2). Минимальную длину λ_в эти волны имеют на верхней частоте f_в = 350 Гц рабочего диапазона частот заявляемой АС 12, где λ_в = 0.97 м, что значительно больше размеров головок 2 и 6, благодаря чему диаграмма направленности каждого из трех указанных выше излучателей во всем диапазоне рабочих частот имеет форму сферы. При этом передняя стенка диффузора головки 2 излучает звуковую волну 9 (фиг. 2), задняя стенка этого диффузора, излучает звуковую волну 10, а передняя стенка диффузора головки 6 излучает звуковую волну 11. Благодаря дифракции этих волн и большой их длине по сравнению с размерами огибаемых ими препятствий, эти волны достигают точки 8 прослушивания практически с одинаковыми фазовой задержкой и затуханием. При этом в точке 8 расположения слушателя звуковые волны 9, 10 и 11 имеют звуковые давления B₈, C₈, D_8, соответственно. Т.к. головки 2 и 6 подключены синфазно, то и колебания их диффузоров синфазны. Кроме того, электроакустические параметры головок 2 и 6 одинаковы, поэтому для звуковых давлений C₈ и D₈ справедливо равенство:

D₈ = -C₈ (1)

В точке 8 прослушивания (фиг. 2) результатом интерференции волн 9, 10 и 11 будет их сумма. Следовательно, звуковое давление А₈ в точке 8 прослушивания имеет вид:

А₈ = B₈ + C₈ + D₈ = B₈ + (C₈ + D₈) = B₈, (2)

т.к. из (1) следует, что выражение в скобках (C₈ + D₈) равно нулю.

Из (2) видно, что в точке 8 прослушивания, волны, излучаемые задней стороной диффузора головки 2 и передней стороной диффузора головки 6, благодаря интерференции, полностью погасили друг друга, и слушатель слышит только волну 9, излученную передней стенкой диффузора головки 2. Аналогичные результаты будут при изменении точки прослушивания. Таким образом достигнута цель создания АС открытого типа с малыми габаритами, позволяющим использовать заявляемую АС 12 в помещении небольших размеров, в т.ч. в обычных квартирах. Для работы заявляемой акустической системы щит 3 не должен иметь размеры, сопоставимые с длиной волны. Он может иметь размеры значительно меньше, достаточные для жесткого крепления головки 2, и при этом диапазон воспроизводимых частот в низкочастотной области, заявляемой АС, распространяется до нижней границы воспроизводимых головкой 2 частот.

На фиг. 15 представлены графики, показывающие эффективность устройства поглощения обратной волны. Зависимость звукового давления в децибелах от частоты сигнала в диапазоне от 20 до 440 Гц.

График 1 23 - АЧХ заявляемой АС с включенным устройством поглощения обратной волны. График 2 24 - АЧХ заявляемой АС с выключенным устройством поглощения обратной волны. График 3 25- арифметическая разница значений амплитуды в первом и втором случае, показывающая эффективность применения устройства поглощения обратной волны. На частоте 20 Гц эффективность заявляемого устройства составляет 24 дБ, что существенно повышает уровень воспроизведения низких частот звукового диапазона.

Эксплуатация образца заявляемой АС 12 в составе стереофонической системы показала, что образец обеспечивает высокое качество звучания. Эксперты отметили, что низкие частоты звучат эффектно, без бубнения и с хорошей динамикой. Звучание низких частот образца предпочтительней звучанию АС с другим акустическим оформлением, например с таким как фазоинвертор. Прослушивались музыкальные произведения разных стилей: классика, джаз, рок, оркестр, электронные инструменты, орган, мужской и женский вокал, опера. Также оценивалось звучание отдельных инструментов: фортепиано, ударные, духовые (саксофон, труба), струнные (скрипка, виолончель, контрабас). Ни один из нескольких независимых экспертов не указал каких-либо отрицательных ощущений при восприятии услышанных произведений. Напротив, все отметили очень правильное, легкое, ровное, естественное звучание. Бас звучит объемно, низкие частоты как бы возникают сразу во всем объеме комнаты, при этом не «давят» на слушателя. Контрабас, как и бас гитара, прослушиваются во всем диапазоне ровно, без усиления отдельных нот (как это часто бывает при прослушивании АС фазоинверторного типа). Ударные инструменты звучат ярко. Отчетливо слышны звуки мембран барабанов. Звук очень объемный. Впечатление, будто он порождается не в колонках, а непосредственно в пространстве комнаты. При прослушивании оркестровых произведений эксперты отмечали, что звучание очень напоминает звук живых инструментов.

Важной характеристикой предлагаемой конструкции АС является отсутствие внутренних резонансов. АС 1 открытого типа не способна порождать резонансы в силу отсутствия параллельно расположенных, отражающих звук, поверхностей. Внутри корпуса АС 5 закрытого типа резонансы не возникают, поскольку его собственные резонансные частоты находятся за пределами диапазона воспроизводимого электродинамической головкой 6.

Промышленная применимость

Заявляемая акустическая система изготовлена из промышленно применимых компонентов (комплектующих) и материалов.

Опытный образец показал возможность достижения технического результата: исключение акустического короткого замыкания между передней и задней сторонами диффузора головки открытой АС, и имеющей за счет этого небольшие габариты и расширенный в низкочастотную область диапазон воспроизводимых частот до 20 Гц.

Заявляемая акустическая система может найти применение в бытовой электроакустической аппаратуре.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. В.К. Иофе, М.В. Лизунков. «Бытовые акустические системы». Опубликовано 1984 г. - наиболее близкий аналог.

2. Патент на полезную модель № 133378 «Акустическая система (варианты)» (заявка № 2013133407; МПК H04R 5/02; опубликовано 10.10.2013).

3. Патент США № 5,535,284 Woofer speaker and acoustically coupled sub-woofer speaker system; July 9, 1996, МПК H04R 1/34, H04R 1/32.

4. Патент Российской Федерации № 2115960, МПК G10K 11/16, 1998 г.

5. Патент Российской Федерации № 2185666, МПК G10K 11/16, 2002 г.

6. Патент США № 4527282, МПК G11K 11/00, 1985 г.

7. Патент США № 5848169, МПК G11К 11/00, 1998 г.

Изобретение относится к акустике. Акустическая система, содержащая акустическую систему открытого типа, включающую электродинамическую головку, закрепленную в отверстии щита, дополнительно содержит устройство поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки акустической системы открытого типа, которое представляет собой акустическую систему закрытого типа, состоящую из электродинамической головки, размещенной в закрытом ящике, причем акустическая система закрытого типа расположена с тыльной стороны щита, при этом расстояние между головкой акустической системы открытого типа и головкой акустической системы закрытого типа составляет менее 0.3λ2, где λ2 – длина волны верхней частоты рабочей полосы заявляемой акустической системы; причем головка акустической системы закрытого типа расположена на верхней стенке закрытого ящика, а верхняя стенка закрытого ящика выполнена под углом β от 0 до 80 градусов по отношению к плоскости щита; причем головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и подключены к источнику электрического сигнала. Технический результат – исключение замыкания между передней и задней сторонами диффузора. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 15 ил., 8 пр.

1. Акустическая система, содержащая акустическую систему открытого типа, включающую электродинамическую головку, закрепленную в отверстии щита, дополнительно содержит устройство поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки акустической системы открытого типа, которое представляет собой акустическую систему закрытого типа, состоящую из электродинамической головки, размещенной в закрытом ящике, причем акустическая система закрытого типа расположена с тыльной стороны щита, при этом расстояние между головкой акустической системы открытого типа и головкой акустической системы закрытого типа составляет менее 0.32, где 2 – длина волны верхней частоты рабочей полосы заявляемой акустической системы;

причем головка акустической системы закрытого типа расположена на верхней стенке закрытого ящика, а верхняя стенка закрытого ящика выполнена под углом β от 0 до 80 градусов по отношению к плоскости щита;

причем головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и подключены к источнику электрического сигнала.

2. Акустическая система по п. 1, отличающаяся тем, что головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа подключены к источнику электрического сигнала параллельно друг другу и синфазно.

3. Акустическая система по п. 1, отличающаяся тем, что головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа подключены к источнику электрического сигнала последовательно и синфазно.

4. Акустическая система, содержащая акустическую систему открытого типа, включающую электродинамическую головку, закрепленную в отверстии щита, дополнительно содержит устройство поглощения обратной волны, излучаемой задней стороной диффузора головки акустической системы открытого типа, которое представляет собой акустическую систему закрытого типа, состоящую из электродинамической головки, размещенной в закрытом ящике, причем головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа установлены на щите в одной плоскости, вследствие чего их оси параллельны, и на расстоянии менее 0.32, где 2 - длина волны верхней частоты рабочей полосы заявляемой акустической системы, при этом закрытый ящик акустической системы закрытого типа располагается с фронтальной стороны щита акустической системы;

причем головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа имеют одинаковые электроакустические параметры и подключены к источнику электрического сигнала.

5. Акустическая система по п. 4, отличающаяся тем, что головка акустической системы открытого типа и головка акустической системы закрытого типа подключены к источнику электрического сигнала параллельно друг другу и противофазно или последовательно и противофазно.