Громковоритель
LOUDSPEAKER

Изобретение относится к акустике, в частности к плоским громкоговорителям акустических систем.
Известен громкоговоритель, описанный в патенте РФ №2595649 C2 от 27.08.2016. Данный громкоговоритель содержит: магнит кольцеобразной формы; ярмо, содержащее участок центрального полюса, вставленный в центр магнита; пластину кольцеобразной формы, размещенную снаружи периферийной поверхности указанного участка центрального полюса ярма и прикрепленную к магниту; каркас катушки цилиндрической формы, установленный с возможностью перемещения в осевом направлении указанного участка центрального полюса, причем каркас катушки частично прилегает к указанному участку центрального полюса ярма; звуковую катушку, намотанную вокруг каркаса катушки, причем по меньшей мере часть звуковой катушки расположена в магнитном зазоре, образованном между указанной пластиной и указанным участком центрального полюса ярма; диафрагму, внутренняя окружность которой соединена с каркасом катушки, причем диафрагма совершает колебания при перемещении каркаса катушки; и магнитную текучую среду, заполняющую магнитный зазор. Данный громкоговоритель, по сути, не является плоским и относится к общему уровню техники.
Из уровня техники известные технические решения схожие с предлагаемым нами решением. Например, международный патент WO 9601547 от 18.01.1996 предлагает использовать плоские панельные громкоговорители с пьезодинамическим приводом в приложении к непосредственной инсталляции в стенку крышки ноутбука. Недостатком данного громкоговорителя является то, что он не может эффективно работать в диапазоне частот, ниже двухсот герц, а его непосредственно рабочий диапазон обладает высокой степенью неравномерности, с провалами и всплесками на уровне 30 дБ громкости, при том что в аппаратуре класса hi-end, нормы не равномерности АЧХ (+- ) 3 дБ во всем рабочем диапазоне частот.
В другом международном патенте – WO 9531805 от 23.11.1995  предлагается использовать плоские акустические системы, установленные в планшетный компьютер с системой активного шумоподавления включающую в себя возбудители колебаний на основе пьезоэлектрического привода.
Все указанные выше изобретения обладают рядом недостатков таких как: узкий частотный диапазон работы громкоговорителя, обычно не превышающий 200 Гц. Недостаточно качественные показатели, касаемые амплитудно-частотных характеристик громкоговорителя, а также невысокий уровень развиваемой мощности колонок.
Наиболее близким аналогом к нашему изобретению является устройство, описанное в патенте US 6,332,029 Генри Азима от 18.12.2001. В нём описано акустическое устройство включающая плоскую мембрану и содержащую по крайней мере, один привод акустических колебаний, установленный в пространстве напротив особого места, прикреплённого к мембране работающее по принципу изгибных резонансных мод. В этом патенте обозначена возможность использования одного либо нескольких проводов акустических колебаний в пределах одной мембраны. В случае если применяется множественные количество приводов для создания необходимого уровня мощности возникают вредные модуляции на определенной частоте, для устранения которых прибегают к различным сложным техническим решениям таким как разрезы торцов мембраны сложной формы, изменяемая по площади мембраны её жесткость, различные варианты демпфирования, установка балансирных масс и т.д. Все эти меры так или иначе ведут к потерям энергии такого громкоговорителя и снижению его общей эффективности. От действия нескольких приводов, работающих синфазно, в итоге возникают паразитные резонансы и модуляции снижающие качественные характеристики звучания. Также в этом патенте описан максимально возможный (рекомендованный) диаметр катушки, связанный с частотой совпадения данного типа мембраны в пределах одного привода, в общем и целом, это означает, что понижение диаметра катушки крайне эффективно.
Также известно, что диаметр катушки, количество витков и уровень подведенного напряжения катушки определяют её мощностные показатели. Таким образом, при прочих равных, мощность катушки напрямую зависит от её диаметра, так как от её диаметра полностью зависит длина её окружности, то есть длина одного витка медной проволоки.
В случае использования звездообразной катушки в электродинамическом приводе громкоговорителя появляется возможность увеличить длину одного витка в катушке. Таким образом, как бы свёрнутая система позволяет в пределах небольшого радиуса и габаритов электромагнитного привода получить достаточно мощную электромагнитную систему, тем самым снизив паразитные резонансы в виду возможности использования одного привода, вместо нескольких маломощных.
Технический результат – повышение мощности и эффективности громкоговорителя, снижение массогабаритных параметров и повышение качества звучания.
Технический результат достигается тем, что громкоговоритель включает корпус, в котором установлены: магнитопровод, постоянный магнит, катушка, система позиционирования катушки в зазоре между корпусом и постоянным магнитом, резонирующая мембрана - диффузор, прикрепленная посредством устройства крепления к катушке и подводящие провода с клеммами.  При этом катушка выполнена звездообразной.
Также очевидно, что форма окончаний лучей звездообразной катушки может представлять собой либо угол, либо дугу, либо прямоугольник, либо комбинацию вышеуказанных форм.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого громкоговорителя.
На фиг. 2 показана разница в длине одного витка проволоки цилиндрической (а), и звездообразной (б), катушки D1=D2; L1<L2.
На фиг. 3 показаны преимущества звездообразной намотки катушки. Цилиндрическая намотка диаметром 50 мм имеет длину витка 157 мм (смотри а). Аналогичная по диаметру «звездообразная катушка» (смотри б) имеет протяженность одного витка равную 357 мм, что соответствовало бы увеличению диаметра цилиндрической катушки до 126 мм (смотри в). Это вело бы за собой значительное увеличения габаритов изделия.
На фиг.4 показаны различные варианты исполнения звездообразных катушек.
На фиг. 1 обозначены:
1. Звездообразная катушка.
2. Постоянный магнит.
3. Магнитопровод.
4. Резонирующая мембрана (диффузор).
5. Корпус.
6. Система позиционирования катушки в зазоре.
7. Подводящие провода.
8. Клеммы.
9. Устройство крепления катушки к мембране.
Предлагаемое техническое решение представляет собой электродинамический привод для преобразования электрического сигнала акустического диапазона от усилителя в механическую энергию амплитуды колебаний звукоизлучающей системы конусных динамиков и акустики плоского типа, работающей по принципу резонирующей мембраны.
Изобретение включает в себя собственно звездообразную катушку 1 (см. фиг. 1). Это сложная, особой конфигурации, трубчато-каркасная конструкция в сечении представляющая собой звезду с намотанной на неё и закрепленной в ней токопроводящей проволокой определенного сечения, также в сечении представляющая собой звезду. При подключении электрического тока к такой катушке индуцируется магнитное поле в общем приближении тороидальный конфигурации. Также включает в себя магнитную систему, состоящую из постоянного магнита 2 и предпочтительно ферритового магнитопровода 3. Замкнутой или открытой конфигурации, образующую тонкий магнитный зазор напряженности магнитного поля, по форме соответствующий звездообразной катушке, имеющий толщину, предполагающую беспрепятственное возвратно-поступательное движение катушки в пределах этого зазора. А также включает систему удержания, позиционирования катушки в зазоре 6, обычно состоящую из двух центрирующих шайб выполненных из какой-либо ткани, и имеющих гофрированную кольцевую форму, либо, представляющих собой тонкий металлический стержень входящий одним концом в соответствующую втулку, прикрепленную к центральной оси магнитной системы, а другим концом прикреплен непосредственно к звездообразной катушке. Также предлагаемое устройство включает корпус 5, токоподводящие гибкие провода для подачи сигнала к подвижной катушке 7, клеммы подключения 8 и устройство 9 для крепления катушки к телу резонирующей мембраны (диффузора) 4.
Обычный динамик, используемый в ближайших аналогах, состоит из подвижной катушки круглого сечения с диаметром D1 и длиной окружности L1 (смотри фиг. 2, позиция а). Количество витков провода катушки умноженная на длину одного витка L1 определяет общую механическую эффективность. Параметр L1 длина окружности соответствует протяженности рабочего магнитного зазора с определённым магнитным потоком. Звездообразная катушка при внешнем диаметре равном D2 (см. фиг. 2, поз. б) имеет внешние габариты D1, а L2 в n раз больше L1. Так что мощность будет определяться количеством витков в отношении к параметру L2 длины одного витка, которая соответствует протяжённости магнитного зазора.
При этом форма окончаний лучей звездообразной катушки может быть разной (см. фиг. 4): так она может представлять собой угол (причем он может быть, как острый, так и тупой), а может быть прямой (т.е. каждый луч звезды представляет собой прямоугольник) или радиусной (т.е. окончание каждого луча звезды представляет дугу) или может быть комбинированной.
Преимущество звездообразной катушки можно рассмотреть на конкретном примере. При использовании цилиндрической катушки диаметром 50 мм длина одного витка проволоки будет составлять 157 мм, (см. фиг. 3,позиция а) в случае замены её звездообразной катушкой такого же внешнего диаметра, состоящего из 12 лучей, длина одного витка проволоки составит уже 357 мм (см. фиг. 3, позиция б), что в более чем 2 раза больше. При одинаковом номинальном сопротивлении обеих катушек, мощность звездообразной окажется выше, тепловыделение меньше. Если создавать цилиндрическую катушку такой же мощности, то она бы соответствовала диаметру в 126 мм (см. фиг.3, позиция в). Монтаж такой катушки в компактную акустическую систему окажется весьма затруднительным, а акустические свойства станут отличаться большей неравномерностью характеристик, таких как всплеск амплитуды паразитных колебаний внутри пределов кольца крепления катушки, что не позволит использовать такую акустическую систему в условиях, требовательных к качеству звучания.
В акустической колонке плоского типа фирмы «Carlsbro» (https://musicland.ru/catalogue/model/Carlsbro-NlightN-Flat-Panel/), (https://www.fast-and-wide.com/equipment-releases/loudspeakers-sound-reinforcement/1324-carlsbro-nlightn) применена сборка из электродинамических возбудителей в количестве 6 штук определяющих общую мощность панели на уровне 100 Вт электрической мощности такое решение имеет существенный недостаток, интермодуляция поверхностно бегущих волн возникающих от многочисленных источников акустического возбуждения, таким образом искажается первичная звуковая картина на уровне звукоизлучения в среду, искажается амплитудно-частотная характеристика акустической системы, появляется паразитный окрас в звучании. В идеальных условиях такой мощностью должен обладать один единственный привод, прикрепленный в строго определенном месте геометрического положения на мембране. При этом диаметр катушки должен быть сведен к возможному минимуму, чтобы снизить модуляционные искажения в пределах кольца крепления катушки.
При использовании предлагаемого технического решения - "звездообразной катушки" в вышеуказанном решении позволит получить ряд существенных преимуществ:
- амплитудно-частотная характеристика будет обладать ровной составляющей в пределах всего рабочего диапазона;
- сам рабочий диапазон значительно расширен в нижнем регистре со 100 Гц на панели «Carlsbro» до 28 Гц на  панели со звездообразным приводом.
При использовании предлагаемого технического решения, а именно "звездообразной катушки", в различных известных громкоговорителях (динамиках) позволит увеличить мощность такой акустической системы. Так в одном корпусе инсталлируются два и более динамиков, чтобы создать необходимый предел акустического давления. В случае применения электродинамического привода со звездообразной катушкой появляется возможность создавать более мощный и компактный динамик который способен заменить собой два и более обычных динамиков.
Так на эксперименте с плоской колонкой были достигнуты следующие результаты. В случае с применением стандартных электродинамических возбудителей, фирмы «Dayton» (https://www.parts-express.com/dayton-audio-daex30hesf-4-high-efficiency-steered-flux-exciter-with-shielding-30mm-40w-4-oh--295-240) для создания плоского громкоговорителя мощностью 160 Вт, было применено 4 возбудителя мощностью по 40 Вт. В результате сборка из 4 эксайтеров растянулась в пределах длины панели более чем на 220 мм. На уровне 800 Гц был зарегистрирован интермодуляционный рост амплитуды, что исказило амплитудно-частотную характеристику панели в этом диапазоне приведя к выбросу на уровне 6 дБ. В результате применения одного привода со звездообразной катушкой при внешнем диаметре 32 мм, что полностью соответствует диаметру катушки стандартного электродинамического возбудителя фирмы «Dayton», был получен результат в 160 Вт на одном устройстве, что позволило с неизменной мощностью сократить количество электровозбудителей с четырех до одного. Как итог данного усовершенствования итоговая амплитудно-частотная характеристика панели вернулась в норму и укладывается в диапазон плюс-минус 3 дБ от 40 Гц до 18 кГц, а рабочий диапазон частот расширился в области низких часто от 50 до 40 Гц.