ДИНАМИЧЕСКИЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ С ВНУТРЕННИМ РЕЗОНАТОРОМ
DYNAMIC LOUDSPEAKER WITH INTERNAL RESONATOR

Изобретение относится к акустической технике, в частности к использованию его в качестве громкоговорителя с резонансным устройством в акустических системах высококачественного звучания, а так же в радиоприемниках, телевизорах и другой звуковоспроизводящей аппаратуре.
Акустика - одна из прикладных дисциплин, где явления резонанса оказывают влияние на все колебательные процессы. Нежелательные резонансы стремятся подавить, полезные - использовать в виде полостей, каналов, объемных резонаторов, которые в сочетании образуют сложные устройства, аналогичные резонансным контурам, фильтрам и т.д.
Так известна акустическая система (патент РФ №2129762, М.кл. H04S 5/00, H04R 1/28, опубл. 27.04.1999), которая содержит источник звукового сигнала, усилитель и электроакустический преобразователь в виде резонатора, включающего корпус, ряд головок громкоговорителей, связанных с резонатором посредством опорных колец и разнесенных вдоль оси резонатора, акустический отражатель, выполненный в виде диска, который установлен оппозитно диффузорам громкоговорителей вдоль оси резонатора посредством стержней.
Известная система характеризуется хорошим качеством звучания, объемным звуком. Однако систему отличает громоздкость, высокие требования к идентичности излучателей в паре, искажения частотной характеристики - срез на высоких и низких частотах. Также трудно добиться симметричной в пространстве диаграммы направленности, что является существенным недостатком устройства.
Так же известно портативное аудиоустройство (патент РФ №2462829, м.кл. H04R 1/02, Н04М 1/11, опубл. 29.09.2012), включающее в себя отверстие ближе к резонатору динамика устройства, шторку или дверцу, чтобы открывать и закрывать отверстие так, что устройство взаимодействует со стыковочной станцией пассивной акустической структуры, в виде лабиринта или системы линии передачи, которая может увеличивать частотный диапазон системы. Вышеописанная пассивная акустическая структура может предоставлять повышение нижних частот для типично небольшого громкоговорителя портативного аудиоустройства без дополнительного громкоговорителя. Улучшение частотной характеристики происходит за счет создания регулируемого резонатора Гельмгольца при контакте устройства мобильной связи с предлагаемым устройством. Система может быть применена только в мобильных устройствах связи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является патент IP №11346395, М.кл. H04R 1/02, опубл. 14.12.1999. В прототипе Д.Г. установлен резонатор типа Гельмгольца с соосным отверстием - горловиной в пылезащитном колпачке. Дно полости резонатора сплошное, т.е. она не имеет акустической связи с тыльным пространством. Результатом действия резонатора заявлено снижение излучательной способности диффузора в диапазоне 50-200 Гц, т.е. возможности диапазона работы резонатора ограничены, т.к. объем полости V в пределах каркаса звуковой катушки 14 и колпачка 15 без изменения конструкции Д.Г. изменить невозможно. Эффект расширения зоны стереозвучания не заявлен.
Недостатки прототипа - невозможно сформировать необходимые параметры и качественные характеристики звучания для достижения естественности звуковоспроизведения на уровне оригинальных источников звука.
Как известно, одним из акустических приборов является резонатор Гельмгольца - сосуд сферической формы с открытой горловиной. Собственная частота резонанса вычисляется по формуле:
н
F - частота, Гц
и - скорость звука в воздухе (340 м/сек)
2
S - сечение отверстия, м
L - длина отверстия, м
0
3
V - объем резонатора, м
н
В негармоническом звуковом поле такой прибор реагирует только на колебания с частотой F, а амплитуда возникающих колебаний во много раз превышает амплитуду звукового поля.
Особенностью резонатора Гельмгольца является то, что длина волны резонансной частоты значительно выше характерных размеров резонаторов, что удобно для практического использования, - с ростом частоты настройки габариты резонаторов существенно уменьшаются.
Используя этот принцип, нами были проведены поиски возможности использования резонансных явлений в конструкции непосредственно самого динамического громкоговорителя.
Задача изобретения - создание устройства, расширяющего арсенал известных устройств воспроизведения высококачественного звука.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества звука за счет более качественного и естественного звучания с расширением стереоэффекта на всю зону прослушивания.
Поставленная задача достигается тем, что в динамическом громкоговорителе, содержащем жесткую раму, к которой прикреплены постоянный магнит, звукообразующий диффузор на верхнем подвесе, нижняя центрующая диафрагма, звуковая катушка на каркасе, установлен резонатор, представляющий объемную полость, расположенную соосно с каркасом звуковой катушки и соединенную в нижней части с диффузором, а сверху закрытую колпачком с фронтальным соосным отверстием, в которой, согласно заявляемого решения, дополнительно в нижней части диффузора выполнено отверстие, или нижняя центрующая диафрагма выполнена акустически прозрачной, а объемная полость выполнена в виде цилиндра или усеченного конуса или сферической формы, при этом диаметр резонатора цилиндрической формы составляет 1,0-2,0 диаметра каркаса звуковой катушки а диаметр нижней части резонатора конусной или сферической формы составляет 0,3-0,5 диаметра диффузора, а площадь отверстия в нижней части диффузора составляет 0,5-1,0 от площади фронтального отверстия.
Заявляемое решение дополняют частные отличительные признаки, способствующие достижению заявленных результатов.
Колпачок выполнен вогнутым или выпуклым.
Высота резонатора составляет 0,3-1,0 от высоты диффузора.
Диаметр фронтального отверстия составляет 0,1-0,2 диаметра каркаса звуковой катушки.
Сущность заявляемого изобретения заключается во встраивании в конструкцию динамического громкоговорителя конструктивного элемента - объемного резонатора, взаимодействие излучения которого с излучением основного диффузора ДГ привело к повышению четкости, пространственное™ и натуральности звучания, появлению новых звуковых нюансов, не слышимых в базовом ДГ. В конструкцию Д.Г. введены два обязательных параметра - наличие отверстия в выпуклом или вогнутом (не принципиально) колпачке и наличие акустической связи полости резонатора с тыловым пространством Д.Г. через щель звуковой катушки и акустически прозрачную центрирующую диафрагму или, при отсутствии ее прозрачности, через специальное отверстие в нижней части диффузора внутри полости резонатора.
Именно сочетание этих двух конструктивных элементов обеспечивает получение заявленного эффекта - повышение естественности звучания и расширение стереоэффекта на всю зону прослушивания, т.е. полноценное стереозвучание воспринимается практически в любой ее точке. Так же резко снизилась критичность места установки звуковых колонок и их положения в комнате прослушивания - поворот колонок на +/- 30° к их оси практически не влияет на качество звуковой картинки.
Считаем, что получение этого эффекта является важным этапом в процессе совершенствования конструкции Д.Г. для повышения качества звучания, т.к. - решается одна из главных проблем стереозвучания в бытовых условиях и в концертных залах -ограниченность пространства комфортного восприятия звуковой сцены.
Причиной такого эффекта, возможно, является то, что звуковые процессы в таком резонаторе имеют более сложный характер (две акустических связи с окружающим пространством), чем в простом резонаторе Гельмгольца.
Особенность такого резонатора состоит еще в том, что он работает в широком диапазоне звуковых частот и расширением этого диапазона можно управлять, изменяя основной параметр - объем полости резонатора без изменения других конструктивных параметров Д.Г. при разных вариантах форм резонатора - в виде цилиндра или усеченного конуса или сферической формы.
Заявляемое изобретение показано на следующих фигурах:
Фиг. 1а. Динамический громкоговоритель с резонатором цилиндрической формы.
Фиг.1б. Динамический громкоговоритель с резонатором в форме усеченного конуса.
Фиг. 1в. Динамический громкоговоритель с резонатором сферической формы.
Фиг. 2. Фотография динамического громкоговорителя с резонатором цилиндрической формы, образованным удлинением каркаса звуковой катушки.
Фиг. 3. Фотография динамического громкоговорителя с резонатором цилиндрической формы, прикрепленным к прилегающей к каркасу ЗК поверхности диффузора.
Фиг. 4. Фотография динамического громкоговорителя с резонатором в форме усеченного конуса.
Фиг. 5. Фотография динамического громкоговорителя с резонатором сферической формы.
Фиг. 6. Фотография динамического громкоговорителя с резонатором сферической формы, где показаны фронтальное отверстие и тыловое отверстие в нижней части диффузора резонатора.
Фиг. 7. Амплитудно-частотная характеристика динамического громкоговорителя без резонатора (кривая А) и того же громкоговорителя с резонатором (кривая В).
Фиг. 8. Амплитудно-частотная характеристика динамического громкоговорителя с резонатором при соосном положении микрофона с ДГ (кривая С) и при отклонении от оси ДГ на 45° (кривая D)
Фиг. 9. Амплитудно-частотная характеристика динамического громкоговорителя с резонатором при соосном положении микрофона с ДГ (кривая С) и при отклонении от оси ДГ на 90° (кривая Е).
Список позиционных обозначений: Жесткая рама ДГ 1 Постоянный магнит 2
Нижняя сетчатая центрующая диафрагма 3 Звукообразующий диффузор 4 Верхний подвес 5 Звуковая катушка 6 Каркас звуковой катушки 7 Резонатор 8
Боковые стенки резонатора 9 Крышка или колпачок резонатора 10 Отверстие фронтальное резонатора 11
Отверстие тыловое резонатора в нижней части диффузора 12.
Заявляемый динамический громкоговоритель, включающий жесткую раму 1, к которой прикреплены постоянный магнит 2, нижняя центрующая диафрагма 3, звукообразующий диффузор 4 на верхнем подвесе 5 и звуковая катушка 6, закрепленная на каркасе 7. ДГ, дополнительно содержит резонатор 8, представляющий объемную полость, расположенную соосно с каркасом 7 звуковой катушки 6 и соединенную в нижней части со звукообразующим диффузором 4. Объемная полость ограничена боковой поверхностью 9, выполненной цилиндрической или усеченной конической или сферической формы. Резонатор 8 в верхней части закрыт вогнутым или выпуклым колпачком или крышкой 10 с фронтальным соосным отверстием 11. В нижней части звукообразующего диффузора 4 внутри полости резонатора выполнено отверстие 12 при отсутствии акустической связи ее с тыловым пространством.
Объемный резонатор может быть получен несколькими способами. Резонатор малого объема можно получить за счет удлинения каркаса ЗК 7 до верхней кромки диффузора 4 и установки сверху колпачка или крышки 10. На громкоговорителях с малым диаметром каркаса звуковой катушки 6 можно установить резонаторы 8 большего диаметра с приклеиванием основания цилиндра к плоскости диффузора 4. Еще большего объема резонатор 8 получается при форме в виде усеченного конуса или сферы. В последнем варианте роль колпачка выполняет купол сферы. В центре колпачка или купола сферы проделывалось фронтальное отверстие 11.
Учитывая, что конструкции центрующей диафрагмы бывают акустически прозрачными и не прозрачными, гарантированную акустическую связь объема с тыловым пространством диффузора резонатора можно устанавливать через отверстие в нижней части диффузора.
При установке в конструкцию ДГ резонатора без отверстия в колпачке наблюдается изменение его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), вероятно за счет изменения геометрии звукообразующей поверхности диффузора (фиг. 7). После проделывания отверстия заметных изменений АЧХ не отмечалось, но менялся характер звучания.
Резонаторы опробованы на динамических громкоговорителях среднечастотного и низкочастотного звукового диапазона в разных оформлениях- открытый ящик, закрытый ящик, фазоинвертор. Эффект одинаково положительный. В качестве материала резонаторов использовалась купюрная бумага.
На фиг. 8 и фиг. 9 приведены амплитудно-частотные характеристики ДГ с резонатором среднечастотной полосы 3х полосного усилителя при положении микрофона 0°, 45° и 90° отклонения от оси ДГ и удалении от него на 2м. Как видно, кривые практически идентичны.
Таким образом Д.Г., вследствие взаимодействия звуковых волн диффузора и резонатора, приобретает новые качественные характеристики направленности их излучения, что обеспечивает более качественное и естественное звучание и расширение стереоэффекта на всю зону прослушивания. Использование ДГ заявляемой конструкции в акустических системах принципиально меняет и упрощает условия получения качественного звуковоспроизведения в бытовых и концертных помещениях.
Объем резонатора и диаметр фронтального отверстия в заявляемом устройстве являются регулировочными параметрами качества звучания громкоговорителя, учитывающими его специфику и формирующие требуемые параметры и качественные характеристики звучания.