ПОДВЕС МЕМБРАНЫ ДИНАМИКА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к области акустики и может быть использована в конструкциях громкоговорителей, прецизионных датчиков давления и в других устройствах в качестве подвеса мембраны динамика с улучшенной линейной характеристикой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники, более 40 лет известны электростатические наушники, которые являются эталоном высококачественного звуковоспроизведения. Электростатические излучатели имеют широкий и практически прямой диапазон частот, а также низкие нелинейные и интермодуляционные искажения во всем спектре воспроизведения частот. Но у них есть два существенных недостатка. Первый - они очень дорогие, так как требуют крайне высокой точности изготовления и дорогой высоковольтный усилитель звука, который необходим для поляризации центральной мембраны. Второй – они имеют три постоянно меняющиеся резонансные частоты, которые вносят искажения. Это происходит по причине присутствия в конструкции излучателя двух дополнительных мембран, ограждающих пользователя от высоковольтного напряжения и сами излучатели от попадания влаги.
Вторыми по качеству звука считаются изодинамические наушники. Этот тип предлагает очень высокое качество звука, но он, как и электростатические наушники, требует усилителя (хоть и не такого мощного) и находится в высокой ценовой категории, поскольку изготовление магнитной системы для наушников является сложной конструкторской задачей. Хотя изодинамические наушники были изобретены очень давно, они не получили широкого распространения.
Третий вид наушников – динамические. Они уступают по качеству первым двум типам, из-за сильных нелинейных и интермодуляционных искажений в большом диапазоне частот, но находятся в доступном ценовом сегменте, что делает их самым распространенным типом наушников на рынке.
Однако, независимо от типа наушников, общей и самой главной проблемой являются сильные искажения в области частот ниже 50 Гц. В самых дорогих динамических наушниках коэффициент нелинейных искажений составляет 10-15%.
В настоящее время наиболее развиваемый тип наушников – динамические. Они обладают самой простой конструкцией. Изначально, они сильно уступали по качеству звука изодинамическим, но с ростом технологий, динамические наушники стали уверенно вытеснять изодинамические сначала из низкого ценового сегмента, а затем и из среднего сегмента. Таким образом, остался только дорогой премиум класс, способный конкурировать с новыми технологиями динамических наушников.
Следует заметить, что на сегодняшний день не существует технологии проектирования динамических наушников, которая могла бы приблизить их качество звука к электростатическим и твердо обойти изодинамические.
В поисках решения этой острой задачи, различными компаниями были предприняты попытки использовать новейшие материалы для изготовления мембраны, такие как жидкие кристаллы, углеродные нано трубки и другие. Замена материала не дала улучшений в чистоте звука, но заметно увеличила стоимость мембраны. Но главный недостаток - невозможность равномерного распределения нано материалов по поверхности подвеса мембраны, что вызывает перекос мембраны во время работы динамика и создает дополнительные нелинейные искажения.
Другим возможным вариантом решения этой задачи является нахождение оптимальной формы подвеса мембраны с наивысшей линейной характеристикой, что позволит снизить нелинейные искажения. Способов решения этой задачи среди известных производителей, Заявителем не найдено.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков известных технических решений и создание такой полезной модели, которая максимально снизит искажения звука при минимальных затратах.
Основная причина появления нелинейных искажений в динамике кроется в нелинейной зависимости силы, с которой подвижная часть динамика перемещается за счет того, что катушка втягивается в сердечник, от перемещения этой подвижной конструкции.
В идеальном динамике, где нет искажений, эта зависимость выглядит следующим образом:
F = k×z, где
F – это сила,
k – постоянный коэффициент, а
z – это перемещение.
Но реальный подвес имеет следующую зависимость:
1
2
3
2
3
F = k×z+k×z+k×z
2
3
Это означает, что для того, чтобы уменьшить искажения и приблизиться к идеальному динамику, или к качеству звука в электростатических наушниках, необходимо максимально снизить коэффициенты k и k. Сделать это можно только одним способом – найти такую форму подвеса, который бы имел более линейную характеристику. Сразу обозначим, что подвес для мембраны, который не вносил бы искажений и имел бы зависимость F = k×z при малых перемещениях изготовить в промышленности практически не возможно.
Основной технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание такого подвеса мембраны для динамика, который позволит снизить нелинейные и интермодуляционные искажения и, как следствие, улучшить качество звука.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение нелинейных и интермодуляционных искажений и, как следствие, улучшение качества звука.
Технический результат реализуется благодаря такой конструкции подвеса мембраны, в соответствии с заявляемой полезной моделью, которая включает первое основание и второе основание, связанные между собой посредством тела подвеса, выполненного в виде дуги, радиус кривизны которой плавно уменьшается от ребра динамика к его центру, при этом второе основание связано с диффузором и является подвижным, а первое основание соединено с диффузородержателем и является неподвижным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен общий вид подвеса мембраны с выделенной элементарной поверхностью.
На фиг. 2 представлена элементарная поверхность подвеса мембраны с приложенными к ней силами.
На фиг. 3 представлены углы  на стыках между подвесом мембраны и основаниями 1 и 3.
На фиг. 4 и 5 представлен вид в поперечном сечении мембраны динамика, связанной с подвесом, на которых:
1. Первое основание подвеса.
2. Тело подвеса.
3. Второе основание подвеса.
4. Диффузор.
5. Диффузородержатель.
6. Линия перехода мембрана-подвес.
7. Гофрировка.
На фиг. 6 представлен вариант осуществления полезной модели, когда подвес и диффузор выполнены как одно целое.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Для громкоговорителей, использующих подвес, как отдельный элемент, который прикрепляется к диффузору или мембране при помощи клеевых растворов или любым другим известным способом, а также в системах мембрана-подвес или диффузор-подвес, представляющих собой единую, неделимую систему, характерны нелинейные и интермодуляционные искажения, преимущественно, вызванные нелинейной характеристикой подвеса – зависимости усилия от перемещения, которая выражается уравнением:
1
2
3
2
3
F=k×z+k×z+k×z, где
z - это перемещение, вызванное приложенной силой к подвесу (например, для динамического  громкоговорителя, это расстояние, на которое катушка втянулась в сердечник динамика, при подаче тока на катушку),
F – сила, приложенная к подвесу напрямую или посредством другого элемента или конструкции (например, для динамического громкоговорителя, это электромагнитная сила, с которой катушка втягивается в сердечник динамика),
1
2
3
k, k и k – коэффициенты пропорциональности между силой F и перемещением z.
Рассмотрим упрощенную механику сплошного тела, а именно внутренние силы сопротивления в мембране при действии на нее силы, на примере элементарного объема (поверхности), представленного на фиг. 1.
2
3
Силы по поверхности подвеса мембраны (см. фиг. 2), проекции которых лежат в радиальном направлении обозначены Fr, а в проекции которых лежат в тангенциальном направлении обозначены Ft, почти равны этим же силам из других элементарных объемов. Однако эти силы возрастают у внешнего края мембраны у подложки – как нам показывают расчеты и опыты. И это само собой разумеющийся факт, так как там происходит разрыв – конец гладкой кривой, задающей форму мембраны. Это означает, что в этом месте для уменьшения k и k, необходимо сделать радиус кривизны максимально возможным, так как в этом месте образуются нелинейные составляющие и указанным способом, возможно существенно их снизить.
Силы на элементарном объеме (поверхности), представленном на фиг. 1, направленные тангенциально, имеют природу сжатия и растяжения в элементарных объемах мембраны и зависят от длины образующей окружности. Соответственно, чем длина окружности меньше, тем тангенциальные внутренние силы сопротивления больше, при этом относительное удлинение предпочтительно, чтобы было одинаковым. В таком случае подвес будет иметь наиболее оптимальную форму и конструкцию, при условии, что подвес имеет постоянную и не изменяющуюся толщину. Таким образом, участки подвеса, которые испытывают наибольший изгиб при прогибе мембраны, находятся на наиболее удаленном расстоянии от центра. А это значит, что их радиус кривизны должен быть больше.
2
3
1
Для существенного уменьшения нелинейных и интермодуляционных искажений в низкочастотной и среднечастотной области, а это основная часть плотности мощности звукового диапазона, предлагается плавно увеличивать радиус кривизны в каждой точке поперечного сечения подвеса от центра динамика до его периферии. Такое решение позволит получать заметно более линейную зависимость усилия от перемещения подвеса, то есть для указанного подвеса коэффициенты k и k станут практически равными нулю, и мы получим зависимость: F≈k×z.
На основании выше изложенного, для создания наиболее оптимальной формы и конструкции подвеса необходимо соблюдение следующих условий:
1) Чем ближе образующие области подвеса мембраны к центру, тем их радиус кривизны должен быть меньше, а наиболее удаленные образующие области должны иметь наибольший радиус кривизны.
2) Кривая, задающая уравнение формы подвеса должна быть гладкой, то есть радиус кривизны должен изменяться плавно.
3) Углы на стыках между подвесом мембраны и основаниями ) должны быть как можно меньше, но не меньше 0 градусов (см. фиг. 3).
Следует заметить, что во многих динамиках толщина подвеса увеличивается при приближении к центру от ребра динамика. Таким образом, указанные условия усиливаются для таких конструкций.
Общий вид подвеса мембраны представлен на фиг. 1
На фиг. 4 и 5 представлено поперечное сечение диффузора 4 динамика, который соединен с подвесом, при этом подвес содержит два основания, а именно, первое основание 1 и второе основание 3, связанные между собой посредством тела 2 подвеса. Тело 2 подвеса выполнено в виде дуги, при этом радиус кривизны дуги плавно уменьшается от внешней части к центру динамика. Соединение диффузора 4 с подвесом осуществляется посредством второго основания 3. Подвес может быть изготовлен из резины, различных полимеров, бумаги и других гибких, но прочных материалов.
Диффузор 4 соединятся со вторым основанием 3 с помощью клеевого раствора или плавления, в зависимости от того, из какого материала выполнены диффузор 4 и подвес. Первое основание 1 подвеса крепится к диффузородержателю 5 также при помощи клея или плавлением, при этом клей можно использовать любой, но в предпочтительном варианте лучше применять клей, обладающий вибропоглощающими свойствами.
Мембрана состоит из двух составляющих, диффузора 4 и подвеса.
Тело 2 подвеса, второе основание 3 и диффузор 4 являются подвижной частью динамика, а первое основание 1 подвеса и диффузородержатель 5 являются неподвижной частью динамика (см. фиг. 4 и 5).
В вариантах осуществления полезной модели возможно наличие дополнительных элементов и конструкций, между вторым основанием 3 и диффузором 4, а также между первым основанием 1 и диффузородержателем 5. В качестве примера, могут быть использованы резиновые кольца и вибропоглощающий клей для того, чтобы уменьшить добротность динамика за счёт увеличения потерь свободных колебаний. Добротность колебательной системы, в данном случае динамика, это параметр, который характеризует ширину резонансной области. Если добротность равна или ниже единицы, то динамик имеет широкий частотный диапазон. Что положительно влияет на качество звука.
Под действием электромагнитной силы катушки или другого рода силы, приложенной (или передаваемой посредством различного рода конструкций) к диффузору 4, позиции 3 и 4 смещаются по направлению силы, преимущественно по оси z (см. фиг. 4)
В другом варианте осуществления полезной модели подвес и диффузор 4 выполнены как одно целое, как показано на фиг. 6. Позицией 6 обозначена линия перехода мембрана – подвес. Дополнительно диффузор 4 может быть армирован гофрировкой, которая показана позицией 7 на фиг. 6.
Предложенное техническое решение подвеса мембраны позволяет снизить нелинейные и интермодуляционные искажения и, как следствие, повысить качество звука, а также снизить материалоемкость из-за разности высот концов подвеса.