УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗВУКОВЫХ ВОЛН Советский патент 1949 года по МПК G10K11/08 

Известны устройства для концентрации звуковых волн, содержащие линейный звукопровод, подсоединенный одним концом к микрофону. Предлагаемое устройство отличается от известных тем, что вдоль линейного звукопровода на равных расстояниях размещают звукоприемники.

Это позволяет приблизить амплитудно-частотную характеристику устройства к прямоугольной.

На фиг. 1 и 2 представлены два варианта построения предлагаемого устройства с трубой в качестве линейного звукопровода; на фиг. 3 - вариант с линейным звукопроводом в виде тонкой проволочной спирали; на фиг. 4 - вариант устройства с линейным звукопроводом, комбинирующимся в поперечном направлении.

Устройство (фиг. 1) содержит трубу 1, сравнительно большой длины и малого диаметра, вдоль которой расположены отверстия 3, через которые внутренняя часть трубы сообщается с окружающим воздухом. Диаметр трубы должен быть мал по сравнению с наименьшей принимаемой длиной волны, а длина трубы должна быть того же порядка, что и длина самой длинной принимаемой волны. С одним концом трубы 1 соединен микрофон 4, а другой конец трубы закрыт крышкой 5 и заполнен звукопоглощающим материалом 6; длина заполненной части трубы должна быть такова, чтобы не происходило отражения звука от заполненного конца.

Звуковая волна 7, распространяющаяся по воздуху в направлении стрелки параллельно трубе 1, через отверстия 3 возбудит звуковые колебания внутри трубы, и, если скорость звука внутри трубы равна скорости звука в атмосфере, то амплитуда колебаний внутри трубы увеличивается за счет добавочной энергии, поступающей через отверстия 3 по мере распространения волн вдоль трубы по направлению к микрофону 4. Волны, поступающие по трубе в противоположном направлении поглощаются материалом 6. Для получения достаточной интенсивности звука у микрофона 6 можно ограничиться очень небольшим диаметром отверстий 3. Например, экспериментальная модель устройства содержала трубу длиной 1,8 метра при диаметре 25 мм а отверстия диаметром 0,8 мм располагались через каждые 25 мм. Если отверстия выполнить большего диаметра, то интенсивность звука у микрофона велика независимо от направления приходящей звуковой волны. Отверстия 3 должны быть настолько малы, чтобы только при совместном действии наружной и внутренней волн интенсивность колебаний внутри трубы приближалась к интенсивности наружной волны, а также чтобы скорость распространения звуковых волн не уменьшалась бы по сравнению со скоростью волн во внешней среде и чтобы не были слишком велики потери внутри трубы. Указанная система имеет удовлетворительную диаграмму направленности, однако диаграмма направленности может быть улучшена, если обеспечить изоляцию отверстий 3 от звуков, приходящих сбоку (фиг. 2). Чтобы добиться таких результатов, в каждое отверстие 3 помещают небольшую диафрагму 8, соединенную при помощи коленчатого рычага 9 с соответствующей первичной диафрагмой 10, расположенной под прямым углом к трубе 1. Диафрагма 10 по очереди реагирует на приходящую волну 7 и через рычаги 9 заставляют вибрировать диафрагмы 8, вызывающие колебания давления в трубе 1. Так как скорость звука снаружи и внутри трубы одинакова, то вызванные действием диафрагм 8 возмущения складываются и доходят до микрофона 4 (в данном случае конденсаторного) спирально только в том случае, если звуковые волны 7 идут параллельно трубе 1 в направлении стрелки. Если волна 7 идет в противоположном направлении, то амплитуда волны внутри трубы достигает максимума у левого конца трубы и там поглощается в звукопоглощающем материале 6. Для того, чтобы внешние звуки не могли непосредственно воздействовать на вторичные диафрагмы и этим ухудшить направленное действие устройства, каждая из диафрагм 8 закрыта экраном 11. Коленчатые рычаги 9 укрепляются на экранах 11.

Одной из причин применения трубчатой линии является легкость получения одинаковых скоростей внутри и снаружи трубы. Это условие соблюдается также и при другой конструкции устройства (фиг. 3), имеющего аналогичную диаграмму направленности. Звукопроизводящей средой здесь служит твердое тело, звуковые волны воздействуют на него черев ряд диаграмм. К раме 12 на шелковых нитях 13 подвешена тонкая проволочная спираль 14; нити 13 не позволяют спирали 14 колебаться в поперечном направлении. Размеры спирали 14 подбираются так, чтобы скорость распространения звука по ней, скорость продольных волн была бы примерно равна скорости звука в воздухе. Вдоль спирали на некотором расстоянии друг от друга находятся диафрагмы 15, перпендикулярные к оси спирали. Диафрагмы 15 должны быть малыми, чтобы избежать их взаимного экранирования. При большом расстоянии между ними происходит завал амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот. Чтобы не было этого, расстояние между диафрагмами должно быть не больше самой короткой волны, деленной на n. Таким образом, если система должна пропускать все частоты вплоть до 6000 гц, то расстояние между диафрагмами должно быть не более 17 мм, так как на этой частоте длина волны немного более 50 мм. Волна в атмосфере, подобная волне 7, проходя слева направо, в последовательном порядке воздействует на диафрагмы 15 так, что вдоль спирали 14 идет продольная волна, действующая на микрофон 4, в данном случае динамический. Микрофон прикреплен к раме 12 и соединен с правым концом спирали 14. Левый конец спирали 14 находится в камере 16, наполненной звукопоглощающей жидкостью 17, например маслом; камера 16 также прикреплена к раме 12. Спираль 14 входит в камеру 16 через легкую и гибку диафрагму 18, которая не дает жидкости 17 возможности вытечь из камеры 16. Способ демфирования линии (фиг. 3) присоединением к ней конца с равномерно распределенными потерями достаточно хорош и гарантирует отсутствие отражений, так как механический импеданс системы (погруженной в масло спирали) очень мало изменяется при изменении вязкости масла. Для полного использования всех преимуществ такого способа забухания необходимо, чтобы распределенное забухание не было слишком велико и не могло бы существенно изменить импеданс погруженной в масло части по сравнению с импедансом свободной части. В то же время длина погруженной части должна быть достаточно велика для того, чтобы погасить почти до нуля любую волну, проходящую по задемпфированной части до конца ее и обратно до начала. Для соблюдения всех этих условий может потребоваться, чтобы длина спирали была бы велика, что затруднит ее погружение в масло, поэтому иногда используется комбинация сосредоточенного и распределенного забухания. Например (фиг. 3) линия (звукопровод) кончается легким перфорированным плунжером 18, сопротивление движению которого при средних условиях по возможности равно импедансу задемпфированной линии. Такая конструкция с сосредоточенным сопротивлением на конце позволяет обойтись значительно более коротким задемпфированным участком. Можно обойтись и одним сосредоточенным сопротивлением, но их комбинация, более удобна для настройки на минимум отражения и менее подвержена влиянию температуры.

Длина активной части линии (звукопровода с диафрагмами) зависит от желаемой степени направленности. Хорошая дискриминация получается при длине линии даже в полволны, но желательно, чтобы длина линии была равна или несколько превышала самую длинную принимаемую волну.

Вариант устройства (фиг. 4) построен на стержне 20, соединенным через коленчатые рычаги 9 с шарнирно связанными с ними диафрагмами 10. Диафрагмы вызывают поперечные колебания передающей линии. Последняя в этом случае имеет вид длинного тонкого стержня 21, упругость и масса которого подобрана так, чтобы скорость распространения звуковых волн в нем была равна скорости звука в воздухе, но такая линия на всегда работает удовлетворительно, так как для различных частот скорости не одинакова. Такую линию удобнее выполнить в виде струны или очень гибкой проволоки, натяжением которой можно регулировать скорость распространения звука. Для натяжения струн 21 служит добавочная струна 22, один конец которой присоединен к правому концу стержня или струны 21, а другой к натягивающему приспособлению, например, к барабану и винту 23. Правый конец струны 21 подсоединен к микрофону 4, а левый конец соединен с поглощающей средой так, как это сделано в устройстве на фиг. 1, однако диафрагма, увеличивающая забухание, в данном случае рассчитана на максимум сопротивления при поперечных волнах Первичные диафрагмы 10 связаны с линией 21 через коленчатые рычаги 9 и сообщают ей поперечные колебания, соответствующие звукам, идущим слева направо, как показано пунктиром 24. Колебания суммируются и действуют на микрофон 4. Если волна идет слева направо, то колебания линии 21 достигают максимума у левого конца и поглощаются в жидкости 17. Для того, чтобы эта система работала в режиме отличном от режима механического фильтра, требуется, чтобы диафрагмы 10 не нагружали линию 21 в случае, если расстояние между ними не мало по сравнению с длиною самой короткой передаваемой волны. В любом случае требуется, чтобы диафрагмы не нагружали линию настолько, чтобы скорость распространения по ней значительно отличалась от скорости звука в воздухе, или, чтобы скорости на различных частотах были бы различны. Для снятия нежелательной нагрузки используются пружинки 25, расположенные между коленчатыми рычагами 9 и линией 21. Общие требования касающиеся нагрузки линии и расстояния между элементами связи с атмосферой во всех случаях одинаковы.

Устройство для концентрации звуковых волн, содержащее линейный звукопровод, подсоединенный одним концом к микрофону, отличающееся тем, что, с целью приближения амплитудно-частотной характеристики к прямоугольной, вдоль линейного звукопровода на равных расстояниях размещаются звукоприемники.