вихревой демпфер акустической системы

Формула изобретения

Акустическая система, содержащая громкоговоритель, размещенный в объемном корпусе из звукопоглощающего материала, фронтальная часть которого служит излучателем первичного акустического сигнала, отличающаяся тем, что содержит по крайней мере один конусный вихревой демпфер в тыловой части громкоговорителя в виде жестких радиально-секторных скрученных вдоль длины лопастей, плавно меняющих угол атаки к потоку проходящего акустического сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроакустике и может использоваться для улучшения качества звучания акустической системы на низких частотах при уменьшении габаритов. Предложена акустическая система, содержащая громкоговоритель размещенный в объемном корпусе из звукопоглощающего материала, например из высоконаполненного композиционного материала на полимерной основе, фронтальная часть которого служит излучателем первичного акустического сигнала, отличающаяся тем, что содержит по крайней мере один вихревой демпфер в тыловой части громкоговорителя в виде радиальных профилированных скрученных лопастей, плавно меняющих угол атаки по потоку, через которые проходит акустический сигнал внутри корпуса. При этом вихревой демпфер, закрепленный на оси громкоговорителя внутри корпуса, создает конусный купол, выполненный из тонкого, жесткого, звукоотражающего материала в виде секторных лопастей, закрученных по длине лепестков. В результате взаимодействия тыловой акустической волны с демпфером возникает турбулентное вихреобразование, разбивающее поток на вращающиеся части, которые теряют кинетическую энергию от столкновения между собой, подавляя источник вибрации корпуса. Тем самым происходит эффективное гашение паразитной низкочастотной составляющей, улучшается амплитудно-частотная характеристика акустической системы по звуковому давлению, снижаются габариты и вес.

Изобретение относится к области электроакустики. Устройство целесообразно применять как в широкополосных акустических системах, так и в низкочастотных сабвуферах (Bassreflex, Vented box, Ported box subwoofer, boombox). Может быть использовано в бытовой и профессиональной звуковоспроизводящей технике для высококачественного воспроизведения музыкальных произведений, а также в автомобильной акустике, где существует ограничения на габариты.

Уменьшение габаритов и улучшение динамических характеристик акустической системы на низких частотах являются двумя взаимно противоборствующими параметрами.

Известны наиболее распространенные способы улучшения характеристик акустических систем на низких частотах, которые подразделяются на:

- фазоинверторы

- дополнительные пассивные излучатели

- акустические лабиринты

- акустические фильтры нижних частот

- демпфирующие наполнители, покрытия

(см., например, Радиовещание и акустика. Под ред. Ю.А.Ковалгина. - Радио и связь, 1998).

Каждому из вышеперечисленных пунктов присущи свои характерные недостатки, но общим является паразитная вибрация корпуса, мешающая качественной передаче звука.

Предложенное изобретение относится к группе акустических систем с демпфирующим наполнителем.

Известна акустическая система, содержащая цилиндрический корпус с размещенным в нем громкоговорителем, установленным на смотанный рулон волокнистого материала, заполняющего некоторую часть корпуса. (Патент США N 3884326, кл. G10K 13/00, Н04R 1/28, 1980 г.) Недостатком известного устройства является значительное ухудшение гашения вибрации корпуса на низких частотах при большой мощности из-за раскачки демпферов, выполненных в виде рулона волокнистого материала. Так же неудобства вызывают большие габариты корпуса акустической системы, выполненные в виде цилиндра.

Наиболее близкой к заявляемому устройству служит акустическая система, корпус которой выполнен в виде монолитной призмы с монтажными полостями для установки в них динамиков, причем полости имеют форму конусов, а корпус выполнен из материала с высокими демпфирующими способностями (Патент RU 2124818, заявка 18.07.1997 г. МПК 7 H04R 1/28). Согласно описанию в этой акустической системе колебания от тыльной поверхности динамика излучаются в монтажные конусные полости, где рассеиваются рифлеными поверхностями и гасятся материалом корпуса. В результате акустические колебания тыльной поверхности диафрагмы динамика не создают помех и не накладываются на акустические колебания рабочей стороны диафрагмы.

Недостатком известного устройства, выбранного прототипом, является наличие в воспроизводимом сигнале нелинейных искажений особенно на большой мощности вследствие вибраций стенок корпуса, возникающих из-за слабого гашения рифлеными поверхностями конусного демпфера низкочастотной составляющей звукового спектра, т.к. шаг рифления значительно меньше длины низкочастотной волны, которая огибает и гасится незначительно. Уменьшится отдача динамика по низким частотам в результате сокращения эффективного внутреннего объема вследствие его заполнения звукопоглощающим материалом, имеющим значительное динамическое сопротивление.

Общими существенными признаками известного устройства и заявляемого технического решения является наличие конусообразного демпфера, гасящего колебания внутри корпуса.

Основной целью изобретения является улучшение качества звучания акустической системы за счет эффективного снижения нелинейных искажений при уменьшении габаритов.

Указанная цель достигается тем, что акустическая система, содержащая корпус с размещенными в нем громкоговорителем (динамиком), включающим диффузор, магнитную систему и по крайней мере один вихревой демпфер в тыловой части громкоговорителя, выполненный в виде набора радиальных профилированных скрученных лопастей, плавно меняющих угол атаки по потоку, через которые проходит акустический сигнал со стороны магнитной системы. При этом конусный демпфер, жестко закрепленный основанием на оси громкоговорителя внутри корпуса, создает купол с чередующимися скрученными секторными лепестками и секторными щелями, преобразующий ламинарный поток в турбулентный.

Сущность изобретения заключается в том, что акустическая волна, представляющая собой набегающие на лопасть демпфера области повышенного и пониженного давления, разделяется скрученным профилем на части, плавно изменяя направление отражения, приводит поток во вращение. Вращение носит объемный характер типа вихревого тороида, генерируется кинетической энергией поступательного движения тыльной части динамика во вращательные моменты в трех координатах: вокруг оси динамика и радиально от центра вокруг осей секторных лепестков.

Вихревое движение эффективно перемешивает и гасит энергию низкочастотных волн уже в пределах самого демпфера, не задевая стенок корпуса, а там, где контакт со стенками происходит, то оно носит касательный характер из-за углового вращения, что значительно уменьшает энергию воздействия и передачи колебаний в окружающую среду. Кроме того, вихревое движение на демпфере разлагает акустическую волну на ряд волн более высокой частоты в результате скручивания и уплотнения фронта приходящего сигнала, которые легче гасятся материалом звукопоглощающих стенок по сравнению с низкочастотным эхом. Демпфер внешней частью конуса вторично ослабляет незатухшие отраженные волны, двигающиеся в направлении тыльной части динамика, препятствует возврату их на диффузор в виде искажений. Тем самым достигается улучшение качества сигнала, в большей степени выполняется гашение вибрации корпуса на низких частотах по сравнению с прототипом особенно на большой мощности, когда завихрения происходят интенсивнее. Помимо этого по сравнению с прототипом увеличивается динамический объем корпуса вследствие отсутствия объемного наполнителя. Диаметральное уплотнение вихря на периферии и разрежения в его приосевой части сопутствует более свободному ходу диффузора.

На фиг.1 изображено устройство предложенной акустической системы. В корпусе акустической системы 1 расположен динамический громкоговоритель (динамик), состоящий из диффузора 2 и магнитной системы 3, обращенных внутрь корпуса 1 по оси Y. Над магнитной системой 3 в виде конуса закреплены между собой на вершине 4 секторные лопасти демпфера 5, каждая лопасть равномерно скручена по часовой стрелке на угол 90° вдоль длины от вершины конуса 4 к основанию 9, все лопасти жестко закреплены в плоскости основания XZ, где закреплен динамик на корпусе 1.

На фиг.2 изображена секторная лопасть демпфера 5, скрученная по часовой стрелке 6 от вершины 4 к основанию 9 со схемой движения завихренного потока 8 по спирали вдоль длины лопасти от основания 9 к вершине 4, а так же объемного закручивания потока по траектории 7 на профиле лопасти, имеющем переменный разнонаправленый угол атаки по потоку, исходящему от диффузора 2 в приосевой части у вершины конуса 4 и в периферийной части у основания 9.

Предпочтительно изготавливать демпфер с четырьмя одинаковыми секторными лопастями. В различных исполнениях количество лопастей может быть отлично от четырех.

Предпочтительно выполнять демпфер из жесткого материала.

Высоту демпферного конуса предпочтительно выбирать равной двум диаметрам диффузора динамика. В различных вариантах исполнения высота демпферного конуса может иметь значение, отличное от удвоенного диаметра диффузора динамика.

Радиус основания демпферного конуса целесообразно выбирать минимально возможным в зависимости от конфигурации внутренней части динамика, но не менее радиуса диффузора.

Возможен вариант выполнения демпфирующего конуса в составе корпуса динамика. Каскадная, последовательная установка нескольких демпферов по глубине на оси динамика позволит усилить его положительные свойства.

Предпочтительно, чтобы площадь развертки секторных лопастей была равной площади конуса без учета основания. В других вариантах выполнения может отличаться от указанной.

Устройство работает следующим образом. Обратный ход поршня диффузора создает акустические волны тыльного излучения динамика, которые двигаются раскрывающимся рупором, т.е. по направлению в тыл по оси динамика и диаметрально расширяются от оси динамика к периферии. Составляющая направленная диаметрально от оси достигает скрученных секторных лепестков у основания конусного демпфера, где угол атаки составляет около 45°, отражаются от них в левую сторону. Составляющая волны, направленная диаметрально от оси, падающая на секторные лепестки у вершины конуса, где угол атаки составляет около 45°, отражается в противоположную правую сторону, тем самым производится закручивание потока вокруг "пропеллера" с центром в точке, где угол атаки лопасти по потоку равен нулю. В то же время акустическая волна, движущаяся внутрь тыла по оси динамика, совершает касательное взаимодействие с закрученными лопастями по их длине от основания к вершине, закручиваясь по часовой стрелке и фокусируясь к вершине демпфера. Тем самым каждая лопасть разделяет фронт волны на составляющие вихри, которые, смешиваясь и взаимодействуя, гасят сами себя без контакта с корпусом акустической системы. Прямой ход поршня диффузора внутри корпуса акустической системы создает акустическую волну, противофазную предыдущей, с траекториями закручивания, прямо противоположными выше описанным, разгоняя вихри, встречно гася их кинетическую энергию. В итоге происходит эффективное подавление паразитной вибрации самого корпуса акустической системы при существенном уменьшении динамического сопротивления, способствующим отдаче на низких частотах. Эффективность вихревого демпфера повышается с увеличением мощности.