акустическая система

Формула изобретения

Акустическая система, содержащая громкоговоритель, фронтальная часть которого служит излучателем первичного акустического сигнала, и акустический рупор в виде объемной симметричной плавно расширяющейся фигуры с круглым поперечным сечением, имеющий, например, форму усеченного конуса, через который проходит акустический сигнал тыловой части громкоговорителя, отличающаяся тем, что акустический рупор выполнен из тонкого, эластичного, способного сохранять первоначально заданную форму материала, при этом в меньшем отверстии рупора плотно установлен громкоговоритель, тыловая часть которого обращена вовнутрь акустического рупора, а раскрыв рупора состыкован с двухслойным покрытием, внутренний слой которого изготовлен из звукопоглощающего материала, а внешний слой выполнен из твердого материала, служащего основанием для крепления или установки устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроакустики. Как широкополосная акустическая система и как сабвуфер (subwoofer) устройство может быть использовано в бытовой и профессиональной звуковоспроизводящей технике, в частности для высококачественного воспроизведения музыкальных произведений.

Одной из центральных задач современной электроакустики является создание относительно малогабаритных и небольших по весу акустических систем, обеспечивающих качественное воспроизведение звука, в том числе и в области низких частот. Уменьшение габаритов и улучшение характеристик акустической системы на низких частотах являются двумя взаимно исключающими друг друга тенденциями.

Решающим фактором улучшения характеристик малогабаритных акустических систем на низких частотах является выбор оптимального типа акустического оформления, основанного на использовании одного из следующих компонентов или их комбинаций: фазоинвертера; дополнительного пассивного излучателя; акустического лабиринта; акустического фильтра нижних частот (см., например, Радиовещание и акустика, под редакцией Ю.А.Ковалгина. - Радио и связь, 1998).

В настоящее время известно несколько десятков конструкций акустических систем с фазоинвертером (см., например, патент США US 05696357: "Bass-reflex loudspeaker" - "Громкоговоритель с отражением басов"). Известное устройство содержит акустический ящик, в который установлено два трубчатых резонатора, выполняющих роль фазоинвертеров на двух разных частотах. Звуковые волны, излучаемые задней стороной диффузора низкочастотного громкоговорителя, находятся в противофазе по отношению к волнам, излучаемым передней стороной диффузора. Фазоинвертер включают таким образом, чтобы через него проходили звуковые волны, излучаемые тыловой стороной диффузора. Назначение фазоинвертера, образованного внутренним объемом корпуса акустической системы и двумя резонаторами, заключается в том, чтобы на низких частотах воспроизведения звука в пространственном секторе прослушивания акустической системы сделать приблизительно синфазными между собой звуковые волны, излучаемые тыловой и фронтальной частями диффузора громкоговорителя. Это приводит к усилению звукового давления на низких частотах.

Основными недостатками известного устройства является относительно большой объем корпуса, эффект "бубнения" на низких частотах, быстрый спад амплитудно-частотной характеристики звукового давления на низких частотах за пределами рабочего диапазона акустической системы, "органная" стилизованность звучания басов на частотах настройки фазоинвертеров, акустический шум воздушных потоков в трубах фазоинвертеров.

Наиболее близкой к заявляемому устройству служит акустическая система по патенту США US 04930596 "Loudspeaker system". Известное устройство содержит громкоговоритель, установленный в предрупорном корпусе закрытого типа. Фронтальная часть диффузора громкоговорителя служит излучателем первичного акустического сигнала. В задней части предрупорного корпуса имеется отверстие, к которому плотно подсоединен акустический волновод, выполненный в виде тонкой трубы. Для обеспечения одномодового режима работы волновода диаметр трубы выбран намного меньшим ее длины. Другой конец акустического волновода подсоединен ко входу акустического рупора, выполненного в виде объемной плавно расширяющейся фигуры с круглым сечением, например, в форме усеченного конуса или с экспоненциальным продольным профилем. Длина трубы L акустического волновода выбрана приблизительно равной половине длины волны, соответствующей нижней граничной частоте f_L АЧХ акустической системы. В связи с этим излучаемый тыловой частью громкоговорителя акустический сигнал, частота f_L которого близка к нижней граничной частоте устройства, при прохождении через акустический волновод и акустический рупор испытывает задержку по фазе приблизительно на 180^o. Поэтому на частоте f_L излучаемые фронтальной частью громкоговорителя звуковые волны синфазны звуковым волнам, излучаемым рупором. Все это обеспечивает улучшение АЧХ акустической системы в области низких частот.

Остановимся на основных недостатках известного устройства.

К первому недостатку известной акустической системы можно отнести относительно большую длину L трубы волновода, достигающую нескольких метров. В связи с этим для уменьшения линейных размеров известного устройства волновод приходится изготавливать в виде изогнутой трубы (лабиринта). Наличие изгибов приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления устройства, к появлению дополнительного шума воздушного потока и отраженных акустических волн.

Ко второму недостатку отнесем трудность правильного расчета длины трубы волновода. Действительно, в реальных условиях с известной долей приближения воздушную среду в трубе можно рассматривать в качестве колебательной системы как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами. В первом случае воздух в трубе, имеющей поперечное сечение S, рассматривается как несжимаемая среда, колебания которой происходят за счет упругих сил со стороны воздушного объема V, сосредоточенного внутри корпуса акустической системы. Резонанс достигается для звуковых колебаний, длина волны которых Если ²V/S>L, то в зависимости от величины V/S длина трубы может оказаться в несколько раз меньшей, чем половина длины волны, соответствующей резонансной частоте.

Во случае рассмотрения волновода как колебательной системы с распределенными параметрами воздух в трубе рассматривается как упругая среда, обеспечивающая распространение звуковых волн. В идеальном случае, если волновод согласован по входу и выходу и отраженные волны отсутствуют, то реализуется режим бегущей волны. Для инвертирования фазы колебаний длина L выбирается равной половине длины волны, соответствующей частоте f_L настройки фазоинвертера. В реальных условиях всегда в той или иной мере существуют отраженные волны, приводящие к появлению стоячих акустических волн. В этом случае при расчете резонансных частот необходимо учитывать отражение волн (и фазовые соотношения отраженных волн) во всех местах неоднородностей акустического тракта (соединение трубы с предрупорной камерой, соединение трубы с рупором, выход рупора и т.д.). На практике второй недостаток известного устройства означает невозможность точного предварительного расчета всех компонентов системы и необходимость длительной и трудоемкой экспериментальной доводки изделия для достижения требуемых технических характеристик.

В качестве третьего недостатка известного устройства укажем на то, что правильные фазовые соотношения акустического волновода, способствующие усилению звука в секторе прослушивания (задержка по фазе от 90 до 270^o) приблизительно достигаются в пределах одной октавы. При попытке увеличения звукового давления на низких частотах за счет усиления действия рупорной системы на амплитудно-частотной характеристике акустической системы появляется пик, высота которого прямо зависит от соотношения между звуковыми давлениями, создаваемыми рупором и фронтальной стороной диффузора громкоговорителя. Чем выше высота пика на амплитудно-частотной характеристике, тем субъективно выше оценивается эффективность звучания на низких частотах. Наряду с этим, при выраженном пике на амплитудно-частотной характеристике известная акустическая система эффективнее всего излучает стилизованные звуки приблизительно одного тона, напоминающие звучание органа по атаке и послезвучанию. В этой ситуации приходится искать компромиссное решение между эффективностью воспроизведения низких частот и равномерностью амплитудно-частотной характеристики.

Техническим результатом данного изобретения является улучшение амплитудно-частотной характеристики по звуковому давлению, придание объемности звучанию, упрощение конструкции, снижение габаритов и веса акустической системы.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем громкоговоритель и акустический рупор круглого сечения, введены следующие изменения. Громкоговоритель смонтирован в меньшем отверстии рупора таким образом, что его тыловая часть обращена вовнутрь акустического рупора. Раскрыв рупора закрыт двухслойным покрытием, внутренний слой которого изготовлен из звукопоглощающего материала, а внешний слой выполнен из твердого материала, например дерева. Внешняя сторона двухслойного покрытия служит основанием для крепления или установки устройства. Акустический рупор выполнен из тонкого эластичного материала, обладающего способностью сохранения первоначально заданной формы. Для получения более низких значений нижней граничной частоты устройства при выборе материала, из которого изготовлен рупор, предпочтение должно отдаваться образцам, имеющим низкие значения коэффициента упругости (Е<5 МПа) и высокие значения коэффициента затухания поверхностных акустических волн.

На чертеже изображен рисунок заявляемого устройства. Устройство содержит однополосный или многополосный динамический громкоговоритель 1, фронтальная часть диффузора которого служит излучателем первичного сигнала. Громкоговоритель тыльной стороной плотно установлен в отверстие сужающейся части корпуса акустического рупора 2, имеющего форму усеченного конуса. Стенки 3 рупора 2 изготовлены из тонкого эластичного способного сохранять первоначально заданную форму материала. Своим раскрывом рупор вплотную состыкован с двухслойным покрытием, внутренний слой которого образован звукопоглощающей панелью 4, которая полностью перекрывает широкое отверстие рупора. Устройство устанавливается или прикрепляется к жесткому основанию 5, выполненному, например, из дерева. В качестве основания 5 акустической системы может быть использован фрагмент пола, потолка, стен или мебели помещения. Для этого устройство плотно крепится к соответствующей части интерьера помещения.

Корпус экспериментального образца акустической системы выполнен в виде рупора, имеющего форму усеченного конуса. Рупор изготовлен из эластичного материала с коэффициентом упругости Е3 МПа. В качестве материала для изготовления стенок рупора могут быть использованы, например, некоторые сорта резины или полимерных материалов. Толщина стенок рупора составляет 2 мм. Расстояние от места крепления громкоговорителя к рупору до звукопоглощающего покрытия составляет 110 мм. Внутренний объем рупора равен примерно 4,5 л. Звукопоглощающая панель 4 представляет собой ворсистый синтетический ковер, обращенный ворсом вовнутрь рупора. Основание 5 изготовлено из плотно подогнанных друг к другу досок (деревянный пол помещения). Испытания, проведенные с динамическим громкоговорителем 10ГДШ-2, показали, что диапазон эффективно воспроизводимых частот составляет 40 - 20 кГц.

Устройство работает следующим образом. Звуковые волны, излучаемые тыловой частью диффузора громкоговорителя 1, попадают на вход акустического рупора 2. Суммарная мощность ₀(t) этих волн разделяется на три компоненты

P₀(t)=P_f(t)+P_b(t)+P_osc(t),

где P_f(t), P_b(t), P_osc(t) - соответственно мощности прямой волны, прошедшей через рупор; обратной (отраженной) волны, возвращающейся на вход рупора, и мощность колебаний стенок 3 акустического рупора. Несложно заметить, что за счет поглощения панелью 4 и направленного отражения от боковых поверхностей рупора по направлению к его раскрыву мощность P_b(t) отраженных обратных акустических волн существенно меньше по величине по сравнению с величиной полной мощности на входе акустического рупора, т.е.

P_f(t)>>P_b(t).

Это свойство рупора используется в заявляемом устройстве для уменьшения упругого сопротивления замкнутого воздушного столба колебаниям диффузора громкоговорителя. В свою очередь, уменьшение упругости воздуха по отношению к диффузору можно использовать для компенсации увеличения упругости воздушной среды, происходящее в связи с уменьшением объема акустической системы. Таким образом, ясно, что применение рупора в качестве корпуса акустической системы позволяет уменьшить эквивалентный объем акустической системы без ухудшения электромеханических характеристик излучателя на низких частотах.

Для сохранения высоких показателей акустической системы по звуковому давлению, сопоставимых с прототипом, необходимо хотя бы часть энергии, излучаемой тыловой частью диффузора, использовать как добавочную составляющую для звуковых волн, излучаемых фронтальной частью диффузора. В заявляемом устройстве этому способствует то, что часть энергии P_osc(t) используется для возбуждения колебаний боковых стенок 3 рупора. Заметим, что такой подход идет вразрез с общепринятыми концепциями создания высококачественных акустических систем (см., например, книгу Бытовая электроакустическая аппаратура: Справочник / И. С. Алдошина, В. Б.Бревко, Г.В.Веселов и др. - М.: Радио и связь, 1992, с. 7). Во избежании появления дополнительных нелинейных искажений и неприятных призвуков конструкция корпусов известных акустических систем выполняется достаточно жесткой, чтобы избежать заметных колебаний их стенок.

В ходе теоретического анализа результатов расчетов и проведенных экспериментов удалось найти такое оптимальное сочетание материала и конструкции корпуса акустической системы, совместное использование которых позволяет существенным образом пересмотреть требования к механическим свойствам материала корпуса акустической системы. В заявляемом устройстве стенки рупора круглого сечения, выполненного, например, в виде усеченного конуса, должны быть изготовлены из тонкого высокоэластичного способного сохранять первоначально заданную форму материала. При выполнении этих условий достигается отсутствие заметных гармонических составляющих в колебаниях стенок корпуса в достаточно широком диапазоне мощностей громкоговорителя. Это позволяет использовать корпус рупора как дополнительный пассивный излучатель акустической системы.

По физическим принципам работа заявляемого устройства частично напоминает работу акустической системы с пассивным громкоговорителем (см., например, Бытовая электроакустическая аппаратура: Справочник / И.С.Алдошина, В.Б. Бревко, Г.В.Веселов и др. - М.: Радио и связь, 1992, с. 6). Отличие заключается в том, что в известном устройстве излучателем звуковых волн является диффузор пассивного громкоговорителя, а в заявляемом устройстве - боковые стенки акустического рупора.

Создание точной теории колебаний стенок рупора является самостоятельной и достаточно сложной теоретической задачей расчета неоднородных полых упругих акустических волноводов. Но и сильно упрощенное теоретическое приближение, которое приводится ниже, позволяет прояснить суть работы устройства.

Пусть рупор круглого сечения и громкоговоритель имеют общую ось симметрии. Колебания стенок рупора лучше всего рассмотреть в цилиндрической системе координат. Мысленно разобьем рупор на ряд параллельных между собой и перпендикулярных оси симметрии тонких слоев высотой h. За счет выбранной формы рупора радиус r (t, h) тонкого слоя рупора будет зависеть только от его высоты h относительно основания рупора (раскрыва рупора) и текущего времени t (за счет звуковых колебаний). Рассмотрим дифференциальное уравнение, описывающее колебания тонкого кругового слоя стенок рупора высотой h. В силу аксиальной симметрии рупора и в пренебрежении поверхностными волнами можно рассмотреть одномерный случай колебаний. Расчеты показывают, что на достаточно низких частотах дифференциальное уравнение, описывающее изменение радиуса r (t), будет иметь вид



где P(t) - звуковое давление внутри рупора, которое на достаточно низких частотах приблизительно синфазно для всех рассматриваемых слоев;

- угловая частота собственных колебаний слоя.

- показатель затухания собственных колебаний слоя, где b₁ - удельный фактор потерь на единицу площади слоя стенки рупора;

r₀=r₀(h) - радиус рассматриваемого слоя рупора в состоянии равновесия;

- плотность вещества, d - толщина стенок рупора;

Е - модуль упругости материала рупора на растяжение и сжатие.

Решение уравнения (1) показывает, что при гармоническом внешнем воздействии с амплитудой P₀ установившиеся колебания слоя стенки рупора будут представлять собой гармонические колебания с частотой внешнего воздействия



где - комплексная амплитуда колебаний, модуль которой равен



По отношению к внешнему возбуждению колебания слоя стенки рупора будут отставать по фазе от возбуждающего воздействия на величину (r₀), равную



Анализ последней формулы показывает, что вынужденные колебания слоев стенок рупора происходят с задержкой по фазе на угол , который меняется в пределах от 0 до 180^o. На частотах, лежащих выше собственной частоты ₀(r₀), задержка по фазе удовлетворяет условию 90^o<180. В этом случае колебания стенок содержат квадратурную и противофазную компоненты колебаний. Это означает, что на частотах, выше ₀, стенки рупора могут выполнять функцию фазоинвертера.

Если учесть, что рупор состоит из многих слоев с разными r₀ и если принять во внимание механическую связь между слоями, то резонансный пик будет существенно размыт по частоте в некотором диапазоне, а зависимость угла задержки от частоты будет более плавной, чем в приведенном выше выражении. Данное обстоятельство является благоприятным с точки зрения получения положительного эффекта по заявляемому устройству. Действительно, во-первых, амплитудно-частотная характеристика акустической системы будет более равномерной, чем в известных устройствах с трубчатыми фазоинверторами-резонаторами. Во-вторых, для получения необходимых фазово-частотных характеристик не требуется точный расчет размеров и высокая точность при изготовлении рупора. В-третьих, полностью отпадает необходимость в настройке каких-либо элементов конструкции акустической системы.

Учитывая приведенные выше результаты расчетов, несложно заметить, что фазы колебаний фронтальной части диффузора и стенок рупора будут отличаться друг от друга не более чем на 90^o. В связи с этим в рабочей полосе частот звуковые волны, излучаемые фронтальной частью диффузора и боковыми частями рупора, будут являться синфазными и (или) квадратурными компонентами. И те, и другие колебания в совокупности усиливают друг друга. Наличие квадратурных компонент колебаний стенок рупора по отношению к первичному сигналу придает объемность звучанию акустической системы.

Следует заметить, что выполнение фазовых соотношений между звуковыми волнами, излучаемыми фронтальной стороной диффузора и боковыми стенками рупора, будет выполняться в широкой полосе частот. Поэтому по сравнению с прототипом амплитудно-частотная характеристика акустической системы по звуковому давлению будет существенно равномернее.