ДВУХПОЛОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛИНЕЙНОГО МАССИВА Российский патент 2025 года по МПК G10K11/20 H04R1/32 H04R1/26 H04R1/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электроакустике, в частности к аудиосистемам, а именно к устройству двухполосного элемента линейного массива для формирования цилиндрического (тороидального) фронта волны во всем рабочем диапазоне частот.

Уровень техники

Для озвучивания пространств с высоким уровнем отражения звука еще полвека назад стали использовать линейные массивы, что позволяло уменьшить вертикальное рассеивание звука. Применение линейных массивов снижало вертикальное рассеивание звука, что увеличивало разборчивость и четкость звучания, что продемонтрировал еще доктор Гарри Олсон, выдающийся инженер и изобретатель в области акустической инженерии прошлого века.

Линейный массив представляет собой акустическое устройство, состоящее из нескольких модулей, образующих такое же звучание, как и один громкоговоритель, равный по размерам общему набору модулей. Громкоговорители линейного массива обычно выполняют в форме трапеции и соединяют их друг с другом. Характерным для линейных массивов является то, что расстояние между источниками звука меньше или равно половине длины волны воспроизводимой частоты. Фронт звуковых волн создается несколькими источниками звука и имеет форму цилиндра при определенных частотах. На самом деле, идеальная форма фронта напоминает тороид: с удалением от динамиков покрываемая звуком поверхность линейно увеличивается, при этом высота площади остается постоянной, ширина увеличивается, а уровень звукового давления уменьшается.

Линейный массив включает несколько источников звука, что формирует вытянутый волновой фронт вместо сферического, как у отдельного громкоговорителя или нелинейного массива. Длина массива кроме того влияет на передачу звуковых волн определенной длины, соответственно, чем длиннее массив, тем более низкий по частоте звук (более длинные волны) будет иметь узкую форму направленности.

На рынке аудиотехники, а также в патентных источниках представлены различные конструкции линейных массивов. К примеру, компания L-Acoustics выпускает 2-полосные акустические системы https://www.l-acoustics.com/products/kara-ii/ (дата обращения: 15.07.2024 г.). Конструкции этих элементов линейных массивов не имеют низкочастотных волноводов.

В заявке PCT WO2004071129 «MULTIMEDIA LOUDSPEAKER» (МПК H04R1/26; H04R1/32, приоритет: 07.02.2003 г) раскрыт двухполосный громкоговоритель, обладающий следующими тремя характеристиками: рупорный высокочастотный динамик (2) с узким рассеиванием звука в вертикальной плоскости, установленный таким образом, что его опорная ось излучения расположена под углом от 10 до 40 градусов относительно горизонтальной плоскости. поверхность стола; блок НЧ/СЧ (3), установленный близко к поверхности стола так, чтобы его акустический центр находился на расстоянии менее 63 мм от горизонтальной поверхности стола; кроссовер с частотой пересечения ниже первого минимума результирующей АЧХ громкоговорителя НЧ/СЧ, возникающий в результате интерференции прямой звуковой волны и звуковой волны, отраженной от поверхности стола. Изобретение обеспечивает ровную частотную характеристику как стоя на столе, так и в свободном пространстве. Все другие известные мультимедийные громкоговорители (предназначенные для установки на столе) страдают от интерференции между прямой звуковой волной и звуковой волной, отраженной от поверхности стола, что приводит к неравномерности частотной характеристики.

Из заявки PCT WO2017124068 «TWO-WAY LOUDSPEAKER WITH FLOATING WAVEGUIDE» (МПК H04R1/20; H04R1/24; H04R1/26; H04R1/28; H04R1/32; H04R1/34, приоритет 14.01.2016 г.) известен один или несколько вариантов осуществления конструкции двухполосного громкоговорителя, которая обеспечивает сжатую геометрию между низкочастотным (НЧ) и высокочастотным (ВЧ) динамиками, а затем «плавает» волновод среднего диапазона перед НЧ-динамиком. Это гибридная конструкция, призванная извлечь выгоду из непосредственной близости акустических центров без создания препятствий по центральной оси для НЧ-динамика. Кроме того, НЧ- и ВЧ-волноводы и связанные с ними акустические элементы используются для перенаправления очень низкочастотной энергии, которая не поддерживается должным образом НЧ-волноводом, для свободного выхода по другим путям.

Заявка PCT WO9807297 «LINE ARRAY» (МПК H04R1/26, H04R25/00, приоритет: 09.08.1996 г.; 26.02.1997 г.) предлагает громкоговоритель, содержащий корпус, имеющий продольную ось, переднюю (18), заднюю, первую сторону (12) и вторую сторону (14), в которой размещено множество среднечастотных/низкочастотных динамиков (10) типа конусного преобразователя. (5) установлен на передней части коробки параллельно продольной оси; и множество среднечастотных/высокочастотных динамиков (28), установленных на передней части корпуса параллельно продольной оси. Усовершенствование включает в себя, по меньшей мере, одну структуру, выбранную из группы, состоящей из линейного массива, в котором линейный массив среднечастотных/низкочастотных динамиков (10) и отдельный линейный массив среднечастотных/высокочастотных динамиков (28) расположены с механическим фазовым выравниванием. Отдельный линейный массив среднечастотных/высокочастотных динамиков (28) расширяет первую длину, а линейный массив среднечастотных/низкочастотных динамиков (10) расширяет вторую длину, причем первая длина находится в диапазоне от 50% до 200% второй длины.

Заявка PCT WO2008115284 «LOUDSPEAKER LINE ARRAY CONFIGURATIONS AND RELATED SOUND PROCESSING» (МПК H04R1/26; H04R1/40, приоритет: 16.10.2006 г.) раскрывает систему воспроизведения звука, которая включает в себя один или несколько массивов приводных устройств в сочетании с обработкой звука, что позволяет улучшить управляемость, регулировать направление, ширину и / или наложение лучей. Колонка громкоговорителя может содержать две матрицы, обращенные друг к другу, при этом приводные устройства расположены перпендикулярно передней панели громкоговорителя, при этом акустический выход каждой линейной матрицы сжимается, поворачивается и выводится из удлиненной щели. Приводные устройства могут располагаться в шахматном порядке по отношению к блокам в противоположном массиве. Массивы могут быть дугообразными или прямыми. Выборочные задержки для имитации дугообразного рисунка. Дифференциальные задержки, применяемые к приводным устройствам в вспомогательной матрице, позволяют управлять лучом. Дополнительные приводные устройства, такие как высокочастотные драйверы, могут быть добавлены по длине удлиненного гнезда или в другом месте для увеличения динамического частотного диапазона акустической системы. В динамик может быть интегрирован совмещенный звуковой процессор и выходной каскад усилителя.

Прототипом заявляемого технического решения является устройство, описанное в патенте РФ RU2311000 «ВОЛНОВОД С ОДНОКРАТНЫМ И МНОГОКРАТНЫМ ОТРАЖЕНИЕМ» (МПК H04R 1/32, G10K 11/20, приоритет: 09.07.2002 г.) раскрывает способ рассеяния звука с помощью рупорного или отражающего волновода, представляющего собой отражающий волновод для излучения звука в виде вертикальных линейных рядов, где излучение звука начинается от плоскости излучения звука, которая представляет собой плоский источник звука, указанный волновод, характеризующийся наличием поверхности отражения звука, расположенной перед плоскостью излучения звука и конфигурированной таким образом, чтобы преобразовывать вышеуказанную плоскость излучения звука в "реальный" точечный источник, и наличием, по крайней мере, одной поверхности отражения, объединенной с вышеуказанным «реальным» точечным источником, предназначается для рассеяния звука в сторону места измерения или прослушивания. Недостатком технического решения из патента является то, что волновод предназначен лишь для работы с высокочастотными динамическими головками.

Таким образом, недостатком прототипа и известных аналогов устройств двухполосных элементов линейных массивов является то, что при сложении отдельных элементов в линейный массив, все существующие решения в указанном диапазоне частот представляют собой множество близко расположенных источников сферической волны и не обеспечивают когерентного сложения соседних элементов.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема заявляемого технического решения заключается в необходимости создании устройства двухполосного элемента линейного массива, который позволит сформировать цилиндрический (тороидальный) фронт волны, что улучшит импульсную характеристику и увеличит индекс передачи речи во всем рабочем диапазоне частот, что увеличит качество звуковоспроизведения и разборчивость речи / музыки и прочее.

Техническим результатом заявляемого технического решения является устранение или уменьшение недостатков известных устройств и создание устройства, альтернативного известным устройствам, позволяющего сформировать цилиндрический (тороидальный) фронт волны, который обеспечивает формирование единого фронта волны при сложении отдельных элементов в линейный массив, что позволяет улучшить импульсную характеристику, увеличить индекс передачи речи во всем рабочем диапазоне частот, что улучшает качество звуковоспроизведения и разборчивость речи / музыки и прочее.

Технический результат заявляемого технического решения достигается благодаря конструкционному оформлению устройства, являющегося двухполосным элементом линейного массива, содержащим корпус (1), внутри которого располагаются две низкочастотные (2) и две высокочастотные (3) электродинамические головки, нагруженные на волновод, размер поперечного сечения волновода в первой части (4) низкочастотных волноводов меньше четверти длины волны верхней частоты, воспроизводимой низкочастотной (2) динамической головкой, прямоугольное поперечное сечение на выходе (5) из первой части волновода характеризуется двумя размерами, один из которых меньше четверти длины волны верхней воспроизводимой низкочастотной динамической головкой частоты, а второй превышает его, вертикальная направленность формируется во второй части (6) низкочастотного волновода, третья часть (7) низкочастотных волноводов обеспечивает формирование горизонтальной диаграммы направленности в низкочастотном диапазоне, высокочастотный волновод располагается в устье низкочастотного волновода, первые части (8) и (7) высокочастотного и низкочастотного волноводов работают идентично, вторая часть (9) высокочастотного волновода работает идентично третьей части (7) низкочастотного волновода, сложение высокочастотных волноводов происходит после формирования фронта волны для когерентного сложения.

Основное отличие заявляемого технического решения от прототипа и аналогов заключается в том, что в заявляемом техническом решении обеспечивается когерентное сложение соседних элементов в диапазоне частот, который сверху ограничен нижней воспроизводимой высокочастотными излучателями частотой и снизу – частотой, четверть длины волны которой меньше, чем межцентровое расстояние между соседними низкочастотными излучателями.

Краткое описание чертежей

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими фигурами.

На Фиг. 1 показан элемент линейного массива.

Цифрами на Фиг. 1 обозначены:

1 - корпус,

2 - низкочастотные электродинамические головки,

3 - высокочастотные электродинамические головки,

4 - низкочастотный волновод (часть первая),

5 - выход из низкочастотного волновода,

6 - низкочастотный волновод (часть вторая),

7 - низкочастотный волновод (часть третья),

8 - высокочастотный волновод (часть первая),

9 - высокочастотный волновод (часть вторая).

На Фиг. 2 показано объединение элементов в линейный массив.

На Фиг. 3 представлены относительные АЧХ ЭЛМ внутри горизонтальной диаграммы направленности с шагом 5 градусов.

Осуществление изобретения

Предлагаемое техническое решение представляет собой двухполосный элемент линейного массива.

Обычно, в двухполосных линейных массивах, предназначенных для озвучивания средних и крупных концертных площадок, присутствует диапазон частот, в котором формирование цилиндрического (тороидального) фронта волны не происходит, сверху этот диапазон ограничен нижней воспроизводимой высокочастотными излучателями частотой и снизу – частотой, четверть длины волны которой меньше, чем межцентровое расстояние между соседними низкочастотными излучателями, что приводит к значительному ухудшению импульсной характеристики в указанном диапазоне частот, а также к снижению разборчивости.

Предлагаемое техническое решение - это акустическое устройство - двухполосный элемент линейного массива: два традиционных восьмидюймовых электродинамических излучателя, нагруженных на низкочастотные волноводы обеспечивают воспроизведение низкочастотной области рабочего диапазона. Два компрессионных драйвера с кольцевой мембраной, нагруженных на высокочастотный волновод обеспечивают воспроизведение высокочастотной области рабочего диапазона. Устройство обеспечивает когерентное сложение между соседними элементами при объединении их в линейный массив во всем рабочем диапазоне частот, что позволяет получить уникальную импульсную характеристику и обеспечить высокую степень разборчивости воспроизводимого материала.

Особенностью устройства является то, что оно включает в себя дополнительные низкочастотные волноводы, устанавливаемые перед низкочастотным излучателем, предназначенные для трансформации сферического фронта волны в цилиндрический (тороидальный) в указанном диапазоне частот. Это повышает разборчивость и улучшает импульсную характеристику.

Элемент линейного массива (Фиг. 1) представляет собой корпус (1), который может быть сделан из фанеры, внутри которого находятся четыре электродинамические головки, две низкочастотные (НЧ) (2) и две высокочастотные (ВЧ) (3). Каждая динамическая головка нагружена на волновод, выполняющий две основные функции:

1. функция трансформации, позволяет управлять формой фронта звуковой волны за счет изменения длины пути в разных частях волновода, который необходимо преодолеть звуковой волне до достижения устья рупора;

2. функция рупора, позволяет согласовать сопротивление динамика с сопротивлением среды, увеличивает коэффициент полезного действия (КПД) динамической головки и, следовательно, уровень звукового давления.

В первой части (4) НЧ волноводов (ближней к низкочастотной динамической головке) располагаются секции, отвечающие за функцию трансформации. Геометрические размеры поперечных сечений волновода в этой части существенно меньше четверти длины волны верхней воспроизводимой НЧ динамической головкой частоты. Это позволяет избежать формирования направленности и дает возможность работать с областями повышенного давления, перемещающимися вдоль волновода, что необходимо при прохождении поворотов внутри волновода. На выходе (5) из первой части волновода формируется поперечное сечение, приближенное по форме к прямоугольнику и характеризующееся двумя размерами, один из которых все еще меньше четверти длины волны верхней воспроизводимой НЧ динамической головкой частоты, а второй уже превышает это значение, и следовательно уже начала формироваться вертикальная направленность элемента линейного массива на частотах у верхней границы частотного диапазона НЧ головки вдоль большего размера (условно) прямоугольного сечения волновода.

Во второй части (6) НЧ волновода повороты в плоскости, где начала формироваться направленность, уже не допустимы вплоть до самого устья волновода. Вдоль меньшего размера (условно) прямоугольного сечения второй части волновода направленность еще не сформирована, это позволяет осуществить поворот в этой плоскости и объединить сразу после поворота два НЧ волновода в единый волновод.

Третья часть (7) НЧ волноводов имеет уже сформированную в первой части волноводов вертикальную направленность, и обеспечивает формирование горизонтальной диаграммы направленности ЭЛМ в НЧ диапазоне.

ВЧ волновод располагается в устье НЧ волновода. Первая часть (8) ВЧ волновода работает идентично первой части НЧ волновода. Вторая часть (9) ВЧ волновода является аналогом третьей части НЧ волновода. Аналог второй части НЧ волновода в ВЧ секции отсутствует, т.к. повороты волновода за пределами первой части отсутствуют, а сложение ВЧ волноводов происходит в другой плоскости, уже после формирования фронта волны необходимой для когерентного сложения формы.

Вертикальная диаграмма направленности элемента линейного массива определяется цилиндрической (тороидальной) формой фронта звуковой волны, которая формируется волноводами во всем рабочем диапазоне частот, и обеспечивает возможность сложения отдельных элементов массива, при их объединении (Фиг. 2), в единый фронт волны.

Горизонтальная диаграмма направленности элемента линейного массива сформирована таким образом, чтобы внутри рабочего сектора форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) имела минимальные относительные отклонения (относительные АЧХ ЭЛМ внутри горизонтальной диаграммы направленности с шагом 5 градусов см. Фиг. 3), тем самым формируя максимально стабильную частотную характеристику в пределах заданной диаграммы направленности.

Таким образом, заявлено техническое решение, являющееся устройством двухполосного элемента линейного массива, предназначенного для озвучивания средних и крупных концертно-развлекательных площадок, обеспечивающего когерентное сложение между соседними элементами при объединении их в линейный массив во всем рабочем диапазоне частот, что позволяет получить уникальную импульсную характеристику и обеспечить высокую степень разборчивости воспроизводимого звукового материала.

Изобретение относится к электроакустике, в частности к аудиосистемам, а именно к устройству двухполосного элемента линейного массива для формирования цилиндрического (тороидального) фронта волны во всем рабочем диапазоне частот. Техническим результатом изобретения является устранение или уменьшение по меньшей мере одного из недостатков известных устройств или по меньшей мере создание устройства, альтернативного известным устройствам, позволяющего объединить звуковые поля, излучаемые двумя и более компрессионными драйверами, и эффективно складывать эти поля в единое однородное поле для достижения высоких уровней звукового давления и обеспечивающего возможность контролировать параметры системы (частотный диапазон, диаграммы направленности, размеры излучателя). 3 ил.

Двухполосный элемент линейного массива, содержащий корпус (1), внутри которого располагаются две низкочастотные (2) и две высокочастотные (3) электродинамические головки, нагруженные на волновод, размер поперечного сечения волновода в первой части (4) низкочастотных волноводов меньше четверти длины волны верхней частоты, воспроизводимой низкочастотной (2) динамической головкой, прямоугольное поперечное сечение на выходе (5) из первой части волновода характеризуется двумя размерами, один из которых меньше четверти длины волны верхней воспроизводимой низкочастотной динамической головкой частоты, а второй превышает его, вертикальная направленность формируется во второй части (6) низкочастотного волновода, третья часть (7) низкочастотных волноводов обеспечивает формирование горизонтальной диаграммы направленности в низкочастотном диапазоне, высокочастотный волновод располагается в устье низкочастотного волновода, первые части (8) и (7) высокочастотного и низкочастотного волноводов работают идентично, вторая часть (9) высокочастотного волновода работает идентично третьей части (7) низкочастотного волновода, сложение высокочастотных волноводов происходит после формирования фронта волны для когерентного сложения.