АКУСТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ACOUSTOMECHANICAL CONVERTER

Изобретение относится к машиностроению, в частности к транспортному машиностроению, преимущественно к автомобилям высокого класса, использующим акустические колебания для информирования водителя о режиме работы силового агрегата (далее СА). Заявляемым изобретением решаются возможные пути генерации такого звука за счет использования акустомеханического генератора спортивного информационного звука и системы передачи «моторного» информационного звука в кабину водителя (пассажирское помещение) автотранспортного средства (дате АТС), улучшающие возможности непрерывного акустического мониторинга водителем режима работы СА.
Одной из тенденций современного автомобилестроения для АТС высокого класса является создание в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС динамического звука, улучшающего адекватное восприятие водителем АТС в потоке движения и повышающего за счет этого безопасность вождения АТС. Покупатели, как правило, хотят видеть АТС, характер шума которых соответствует типу АТС и их персональному восприятию. Для многих клиентов «акустический имидж» и звуковой комфорт представляют принимаемый всерьез мотив покупки. Удовольствие от езды должно повышаться совершенствованием внутренней акустики АТС, созданием специфического, неповторимого характера звука, типичного для выбираемой марки АТС и удовлетворяющего личным ожиданиям клиентов.
Многочисленные попытки создать звуковую информацию о работе СА при помощи «искусственного звука», сила и спектр которого зависел бы от режима работы СА при помощи акустических динамиков, устанавливаемых в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС и управляемых сложными вычислительными комплексами, были предприняты ведущими автомобильными фирмами Европы в 90-е годы. Они не увенчались успехом, т.к. и водитель и пассажиры воспринимали синтезированный звук как искусственный и психологически не воспринимали его как сигнал от СА, требующий мгновенной и незамедлительной реакции. Решение этой проблемы потребовало «доставки» естественных звуковых и вибрационных сигналов идущих непосредственно от СА и его систем. В качестве источника полезного сигнала используются обычно звуковые колебания в патрубках систем газообмена СА и его вибрация.
Из патентных источников информации, например, заявки DE 102007007946 (А1), МПК F01N 1/06, F01N 13/04, опубликованной 04.09.2008; заявки US 2007029133 (А1), МПК F01N 13/04, F01N 1/02, F01N 1/06, опубликованной 08.02.2009 известны устройства для оформления шума АТС регулирующие звук, излучаемый системой выпуска отработавших газов в окружающее пространство, таким образом, чтобы выделить (усилить) шум отдельных основных гармоник и субгармоник для создания спортивного имиджа АТС (спортивного звука). Звук, передающийся в салон АТС, одновременно доносит водителю и подсознательную информацию о режиме работы СА и его оборотах, что согласно работе (Bemd Fuchmann, Patrik Garcia, „Grundsatzuntersuchungen zum Sportsound durch Abgaskrümmer- und Vorrohranpassung", MTZ Motortechnische Teitschrift 62 (2001), 5, pp 356-366) благоприятно сказывается и на безопасности АТС на дороге.
С точки зрения решения проблемы информирования водителя, недостатком рассмотренных выше устройств (и им аналогичным) являются высокие уровни шума, излучаемого системой выпуска отработавших газов в окружающую среду, что приводит к увеличению общего шума АТС. Особенно это актуально для АТС высокого класса, с увеличенной звукоизоляцией салона.
Названные выше недостатки рассмотренных аналогов в значительной степени устраняются при использовании передачи в салон АТС механических колебаний от упругих опор подвески СА, Конструкции таких устройств известны, например, из следующих источников патентной информации: заявка на патент DE 102005025577, МПК F16F 13/10, F16F 13/18, опубликована 07.12.2006; заявка на патент DE 102006003882, МПК F16F 13/10, В60К 5/12, опубликована 02.08.2007; заявка на патент DE 102006058110, МПК F16F 13/18, F16F 13/10, опубликована 12.06.2008. Все три названные аналога конструктивно представляют собой устройства гидравлических опор подвески СА и состоят из следующих основных составляющих элементов: узлов крепления, соединяющих опору с элементом корпуса АТС (кузова, подрамника) и с СА, соответственно; упругого элемента и различным образом взаимодействующих между собой гидравлических полостей, разделенных перегородкой, и наборов гидромеханических элементов для регулирования динамических усилий, передаваемых на корпус АТС, которые далее по «механическим мостикам» передаются в кабину водителя (пассажирское помещение) и создают там звуковое поле. Опоры включают также конические дросселирующие элементы, регулирующие проходные сечения внутренних каналов и динамические характеристики опоры в зависимости от статической деформации опор.
К недостаткам этих аналогов можно отнести ограниченность путей и элементов воздействия на частотные характеристики передачи, так как регулирующие элементы воздействуют одновременно и на низкочастотные (основные) характеристики опоры и на ее динамические характеристики в области частот информативного звука. Другой недостаток - сложность контроля и регулирования передачи колебаний по корпусу АТС.
Из заявки на патент США №2008135330, F01N 1/16, опубликованной 12.06.2008, известен одномембранный акустомеханический преобразователь («импрессор»). В представленном аналоге колебания давления во впускной трубе СА возбуждают звуковые колебания во входной камере «импрессора», которые, в свою очередь, вызывают колебания мембраны и, соответственно, излучение звука в пространство моторного отсека и оттуда в кабину водителя (пространство пассажирского отсека).
Недостатком рассмотренной конструкции, особенно для СА с турбонаддувом, является переменные статические давления в системе впуска, зависящие от режима работы СА, переменные статические силы, действующие на мембраны, изменяющие их жесткостные характеристики и нарушающие стабильность характеристик передачи звука в кабину водителя (пассажирское помещение) (стабильность передаточных функций системы). Другим существенным недостатком устройства является возможность попадания в зону чистого воздуха посторонних предметов при разгерметизации устройства или его поломке.
В качестве прототипа принято устройство механоакустического преобразователя («импрессора»), представленное в патенте Германии №10149169, МПК G10K 9/02, опубликованном 12.12.2002. Рассмотренный акустомеханический преобразователь содержит полый цилиндрический корпус, торцы которого ограничены впускным патрубком и диффузором, внутри которого смонтированы неподвижная воздухонепродуваемая перегородка, разделяющая полость корпуса на два акустически не сообщающихся объема, силовую и излучающую мембраны, гибкая периферийная часть которых закреплена на корпусе и которые образуют внутри корпуса, соответственно, входную камеру высокого давления, компенсирующую камеру высокого давления и камеру атмосферного давления, а также шток, установленный соосно корпусу и неподвижно закрепленный на жесткой центральной части силовой и излучающей мембран и подвижно смонтированный через уплотнительный элемент в неподвижной воздухонепродуваемой перегородке, при этом входная камера высокого давления и компенсирующая камера высокого давления сообщаются посредством калиброванного канала, а между жесткими центральными частями силовой и излучающей мембран и неподвижной воздухонепродуваемой перегородкой, аксиально оси корпуса, установлены пружины растяжения-сжатия.
В прототипе противоречие между требованиями к статической и динамической жесткостям устраняется механическим разделением зон избыточного и атмосферного давления. Статические давления в камерах с избыточным давлением выравниваются через узкий калиброванный дросселирующий канал. Колебания актуальных частот через названный канал практически не передаются.
Наиболее интенсивная передача полезных колебаний из впускной системы через камеры высокого и камеру атмосферного давления и излучающую мембрану происходит на собственной частоте механической системы, включающей массу мембран и штока и упругость, определяемую суммарной жесткостью пружин растяжения-сжатия. Эти пружины растяжения-сжатия и массы подбираются таким образом чтобы резонансная частота механической системы совпадала с частотами колебаний основной гармоники шума впуска наиболее актуальных для передачи информационного сигнала.
Существенным недостатком прототипа является узкая полоса частот усиления колебаний, определяемая узостью ширины полосы усиления передачи стандартного упруго-массового резонансного контура, который составляет менее 1/3 октавы. При изменении частоты вращения коленчатого вала СА основная гармоника изменяется в диапазоне актуальны оборотов в 1.5-1.8 раза и ширина полосы усиления устройства становится недостаточной для обеспечения полноценной передачи информационного сигнала водителю во всем диапазоне актуальных оборотов и соответственно для полного обеспечения повышении качества оформления комфортного шума в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС.
Технический результат достигаемый предлагаемым изобретением заключается в повышении качества оформления комфортного шума в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС.
Сущность технического решения заключается в реализации совокупности существенных признаков, представленных в независимом пункте формулы изобретения, и достигается тем, что в известном устройстве акустомеханического преобразователя, содержащем полый цилиндрический корпус, торцы которого ограничены впускным патрубком и диффузором, внутри которого смонтированы неподвижная воздухонепродуваемая перегородка, разделяющая полость корпуса на два акустически не сообщающихся объема, силовую и излучающую мембраны, гибкая периферийная часть которых закреплена на корпусе и которые образуют внутри корпуса, соответственно, входную камеру высокого давления, компенсирующую камеру высокого давления и камеру атмосферного давления, а так же шток, установленный соосно корпусу и неподвижно закрепленный на жесткой центральной части силовой и излучающей мембран и подвижно смонтированный через уплотнительный элемент в неподвижной воздухонепродуваемой перегородке, при этом входная камера высокого давления и компенсирующая камера высокого давления сообщаются посредством калиброванного канала, а между жесткими центральными частями силовой и излучающей мембран и неподвижной воздухонепродуваемой перегородкой, аксиально оси корпуса, установлены пружины растяжения-сжатия, шток в пределах камеры атмосферного давления выполнен составным, при этом его составные части сопрягаются между собой посредством промежуточного пружинного элемента, допускающего относительное упругое осевое смещение частей штока друг относительно друга. Жесткость промежуточного пружинного элемента выбирается из диапазона 0,15…0,25 от суммарной жесткости пружин растяжения-сжатия. Промежуточный пружинный элемент может иметь форму, по крайней мере, части кольца, или овала.
Таким образом, технический результат достигнут за счет введения в известную конструкцию акустомеханического преобразователя составного штока и дополнительного элемента - промежуточного пружинного элемента, допускающего относительное упругое осевое смещение частей штока друг относительно друга.
Сравнение и анализ научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из чертежей и следующего детального описания заявляемого устройства, где:
На фиг.1 изображена схема заявляемого акустомеханического преобразователя;
На фиг.2 показано положение акустомеханического преобразователя в нейтральном положении. Здесь вертикальная ось O-O располагается в плоскости, совпадающей с плоскостью, проходящей через центр неподвижной воздухонепродуваемой перегородки, вертикальная ось Х-Х располагается в плоскости, совпадающей с плоскостью, проходящей через центр силовой мембраны, вертикальная ось Y-Y располагается в плоскости, совпадающей с плоскостью, проходящей через центр излучающей мембраны;
На фиг.3 показаны колебания первой формы, когда промежуточный пружинный элемент не деформируется. Показано отклонение плоскости силовой мембраны от оси X-X, и плоскости излучающей мембраны от оси Y-Y;
На фиг.4 показаны колебания второй формы, когда мембраны раздвигаются в противоположные стороны, - силовая мембрана от оси Х-Х, излучающая мембрана - от оси Y-Y.
Позициями на чертежах показаны:
1. Полый цилиндрический корпус,
2. Впускной патрубок,
3. Диффузор,
4. Неподвижная воздухонепродуваемая перегородка,
5. Силовая мембрана,
6. Излучающая мембрана,
7. Гибкая периферийная часть силовой мембраны,
8. Гибкая периферийная часть излучающей мембраны,
9. Входная камера высокого давления,
10. Компенсирующая камеры высокого давления,
11. Камера атмосферного давления,
12. Шток,
13. Жесткая центральная часть силовой мембраны,
14. Жесткая центральная часть излучающей мембраны,
15. Уплотнительный элемент,
16. Калиброванный канал,
17. Пружина растяжения сжатия в компенсирующей камере высокого давления,
18. Пружина растяжения сжатия в камере атмосферного давления,
19. Промежуточный пружинный элемент,
20. Полость диффузора.
Акустомеханический преобразователь, изображенный на фиг.1, содержит полый цилиндрический корпус 1, торцы которого ограничены впускным патрубком 2 и диффузором 3. Внутри корпуса 1 смонтированы неподвижная воздухонепродуваемая перегородка 4, разделяющая полость корпуса на два акустически не сообщающихся объема, силовую 5 и излучающую 6 мембраны, гибкая периферийная часть 7 и 8, соответственно, которых закреплена на корпусе 1 и которые образуют внутри корпуса 1, соответственно, входную камеру высокого давления 9, компенсирующую камеру высокого давления 10 и камеру атмосферного давления 11. Шток 12 установлен соосно корпусу 1 и неподвижно закреплен на жесткой центральной части 13 и 14, соответственно, силовой 5 и излучающей 6 мембран и подвижно смонтирован через уплотнительный элемент 15 в неподвижной воздухонепродуваемой перегородке 4. Входная камера высокого давления 9 и компенсирующая камера высокого давления 10 сообщаются посредством калиброванного канала 16, а между жесткими центральными частями 13 и 14 силовой 5 и излучающей 6 мембран и неподвижной воздухонепродуваемой перегородкой 4, аксиально оси А-А корпуса 1, установлены пружины растяжения-сжатия 17 и 18. Шток 12 в пределах камеры атмосферного давления 11 выполнен составным, при этом его составные части сопрягаются между собой посредством промежуточного пружинного элемента 19, допускающего относительное упругое осевое смещение частей штока друг относительно друга. Жесткость промежуточного пружинного элемента 19 выбирается из диапазона 0,15…0,25 от суммарной жесткости пружин растяжения-сжатия 17 и 18. Промежуточный пружинный элемент 19, может иметь форму, по крайней мере, части кольца, или овала. В частности, на представленных фигурах промежуточный пружинный элемент имеет форму замкнутого кольца (овала).
Работает акустомеханический преобразователь следующим образом.
Колебания давления во впускном патрубке 2 возбуждают звуковые колебания во входной камере высокого давления 9, которые, в свою очередь, вызывают колебания силовой мембраны 5. Колебания давления из впускного патрубка 2 передаются в входную камеру высокого давления 9, вызывают продольные колебания силовой мембраны 5 и через составляющие части штока 12, сопряженные между собой посредством промежуточного пружинного элемента 19, передаются далее на излучающую мембрану 6, излучающую звук в моторный отсек или в окружающее пространство через полость диффузора 20, как объемный излучатель. Сторона излучающей мембраны 6, расположенная в камере атмосферного давления 11, создает колебания давления в камере атмосферного давления 11, которые в окружающую среду не передаются. Калиброванный канал 16 выравнивает статические давления в входной камере высокого давления 9 и компенсирующей камере высокого давления 10 и предохраняет легкоподвижные элементы образованного подвижного механического блока от повреждений силами давления (как это имеет место и в прототипе). В неподвижной воздухонепродуваемой перегородке 4 смонтирован уплотнительный элемент 15, предотвращающий проникновение газовой среды (воздуха) из компенсирующей камеры высокого давления 10 в камеру атмосферного давления 11.
При возбуждении силовой мембраны 5 силами переменного давления в механической системе акустомеханического преобразователя возбуждаются собственные формы колебаний, представленные на фиг.3 и 4. В первой форме силовая мембрана 5 и излучающая мембрана 6 перемещаются как единое целое на пружинах 17 и 18 и система не «чувствует» промежуточного пружинного элемента 19, фиг.3. Во второй форме массы двигаются навстречу друг другу и промежуточный пружинный элемент 19 активно вовлечен в колебательный процесс, фиг.4. Частота собственных колебаний второй формы выше частоты собственных колебаний первой формы. Вблизи собственных частот наблюдается наиболее интенсивное излучение колебаний в окружающую среду.
Для достижения эффекта широкополосности частоты должны быть близки друг к другу, чтобы обеспечить передачу и в промежуточной области частот. Для этого жесткость промежуточного пружинного элемента 19 должна быть достаточно маленькой по сравнению с суммарной жесткостью пружин растяжения-сжатия. Однако, при наличии трения в уплотнительном элементе 15 и механических потерь в названных пружинах 17 и 18, слабый промежуточный пружинный элемент 19 не обеспечивает передачу необходимых усилий с силовой мембраны 5 на излучающую мембрану 6. В этой связи, оптимальным является случай, когда жесткость промежуточного пружинного элемента 19 выбирается из диапазона 0,15…0,25 от суммарной жесткости пружин растяжения-сжатия 17 и 18.
Разумеется, заявляемое изобретение не ограничивается приведенными конкретными конструктивными примерами его осуществления, описанными в тексте и показанными на прилагаемых фигурах. Остаются возможными и некоторые несущественные изменения различных элементов или материалов, из которых эти элементы выполнены, либо замена их технически эквивалентными, не выходящими за пределы объема притязаний, обозначенного формулой изобретения.