Акустическая установка для излучения поперечной звуковой волны в газовой среде
ACOUSTIC INSTALLATION FOR THE EMISSION OF A TRANSVERSE SOUND WAVE IN A GAS ENVIRONMENT

Изобретение применимо в акустике. Может быть использовано как громкоговоритель потребительского назначения, в котором принцип его работы основан на способности резонансного возбуждения изгибных противофазных колебаний, с последующим излучением в воздушную среду акустических волн поперечного типа (тип волнового процесса при котором сдвиговые колебания молекул происходят перпендикулярно направлению распространения волны).
Уровень техники
Из статьи (http://selftrans.narod.ru/v2_1/acoustics03/acoustics3rus.html) С.Б. Каравашкин и О.Н. Каравашкина (см.стр. 4) известно, что для возбуждения поперечной волны в газовой среде достаточно, чтобы источником ее возбуждения служили две противофазно излучающие акустические мембраны.
Также из уровня техники можно выделить ряд устройств теоретически способных к генерации поперечных акустических волн. Это ряд общеизвестных музыкальных инструментов, таких как акустическая гитара, рояль, барабан, скрипка и др.., в которых в роли ключевого элемента, формирующего поперечную звуковую волну выступает корпус резонатора, либо мембрана (в случае барабана) При проектировании и изготовлении таких устройств не ставилась задача обеспечить эффективную генерацию поперечноволнового излучения в широком спектре частот и с заданными параметрами характеристик сигнала. Таким образом их способность к излучению звука с поперечноволновой компонентой носит, скорее случайный характер, а невозможность актуально корректировать параметры излучения делает их непригодными к использованию в предлагаемой нами области техники.
Наиболее близким техническим решением можно считать универсальный динамик, раскрытый в патенте РФ №2692096 от 21.06.2019. Данный динамик содержит плоскую мембрану, блок возбуждения, корпус, образующий полость, в которой размещены мембрана и блок возбуждения. Корпус имеет отверстие на одной поверхности, и блок возбуждения упирается торцом в конечный край мембраны так, чтобы она возбуждалась в том же самом направлении, как направление плоскости мембраны, и также жестко устанавливается на корпусе. Мембрана образует изогнутую часть, которая изгибается со стороны одного конца, где установлен блок возбуждения, к противоположной стороне другого конца, и расположена таким образом, чтобы закрывать отверстие корпуса. Недостатками данного решения является недостаточная эффективность работы.
Задачи, которые решает предлагаемое изобретение:
- повышение эффективной работы акустической установки для излучения поперечной волны,
- расширение рабочего частотного диапазона до пределов слышимости 20-20000 Гц,
- обеспечение возможности управления процессами генерации волн в широком диапазоне, компактизация устройства, по сравнению с аналогом, отказ от высоковольтных элементов (10-30 кВ) в схеме устройства,
- повышение КПД генерации низкочастотного сигнала с поперечной составляющей акустической волны.
Технический результат - повышение эффективной работы акустической установки для излучения поперечной волны, расширение рабочего частотного диапазона, повышение КПД генерации низкочастотного сигнала с поперечной составляющей акустической волны.
Технический результат достигается тем, что акустическая установка для излучения поперечной звуковой волны в газовой среде включает: корпус, плоскую мембрану и привод акустических колебаний поперечной акустической волны.
При этом корпус выполнен в виде опорной рамы, а на раме закреплена звукоизлучающая плоская прямоугольная мембрана, мембрана выполнена в виде сотового заполнителя, поверхностного слоя, приклеенного к сотовой структуре с двух сторон и стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков, покрывающего поверхностные слои, привод акустических колебаний выполнен в виде, по меньшей мере, одного возбудителя акустических колебаний, включающего ферритовые детали магнитопровода, а по меньшей мере, один возбудитель акустических колебаний прикреплен одним своим концом к плоской мембране в пределах особой линии, проходящей по плоскости прямоугольной мембраны и выходящей из любой вершины прямоугольной мембраны, а заканчивающейся в точке на противолежащей вершине горизонтальной стороне мембраны, расположенной на расстоянии 2/3 противолежащей стороны мембраны от вершины по горизонтали.
Предлагаемое изобретение позволяет проектировать и внедрять компактное эффективное устройство в областях, где требуется создавать поперечноволновое акустическое излучение в газовой среде, не только для целей исследования свойств такого излучения, но и его практического использования, например в виде громкоговорителя повышенного качества звучания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - общая схема устройства излучающего поперечную акустическую волну в газовой среде, с указанием всех основных элементов,
Фиг. 2 - вид сзади устройства излучающего поперечную акустическую волну в газовой среде,
Фиг. 3 - схематичное изображение условий для возникновения поперечной акустической волны в газовой среде,
Фиг. 4 - внешний вид устройства излучающего поперечную акустическую волну,
Фиг. 5 - положение особой (оранжевой) линии в пределах плоскости звукоизлучающей мембраны, на которой рекомендовано размещение, по крайне мере одного, либо нескольких возбудителей акустических колебаний.
Устройство, предлагаемое нами для излучения поперечной акустической волны (Фиг. 1), включает: опорную раму (1), звукоизлучающую мембрану (2), привод акустических колебаний (3), включающий детали магнитопровода из феррита, а также катушку из предложенных разных типов: плоскую, квадратную (прямоугольную), волнообразную плоскую, цилиндрическую (круглую), звездообразную, заднюю крышку-опору для привода (4).
Например, привод акустических колебаний (3) включает один (или несколько) возбудитель акустических колебаний, содержащий корпус, в котором установлены: магнитная система, цилиндрическая катушка, закрепленная на каркасе, систему удержания катушки в пределах магнитного зазора и гибкие провода для подвода электрического сигнала к катушке. При этом магнитная система выполнена в виде постоянного магнита цилиндрической формы, ферритого кольца, в центре которого установлен, указанный магнит цилиндрической формы и шайбы скрепляющих их в единую конструкцию, цилиндрическая катушка, закрепленная на каркасе, расположена над магнитом цилиндрической формы и в зазоре между магнитом цилиндрической формы и ферритовым кольцом, система удержания катушки в пределах магнитного зазора состоит из двух центрирующих шайб разного диаметра закрепленных на некотором расстоянии друг от друга, в виде концентрически гофрированных дисков, внутренним отверстием, прикрепленным к цилиндрической катушке, закрепленной на каркасе, а внешним периметром к корпусу, при этом гибкие подводящие электрический сигнал к катушке провода вшиты в одну из центрирующих шайб и одним концом припаяны к выводам катушки, а другим к внешней контактной группе. Каркас цилиндрической катушки прикрепляется к звукоизлучающей мембране (2).
Звукоизлучающую мембрану (2) выполняют из легкого и жесткого материала -сэндвич структуры, включающей сотовый заполнитель, поверхностный слой, приклеенный к сотовой структуре с двух сторон и стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков, покрывающего поверхностные слои.
Такая мембрана (2) начинает проводить по поверхности бегущие волновые структуры, сформированные привод акустических колебаний (3), приложенного к поверхности мембраны. Поверхностно бегущие волны, обладающие конечной скоростью распространения в материале мембраны многократно переотражаясь от краев самой мембраны формируют резонансно-обусловленные, частотнозависимые модуляции, зонально локализованные по площади панели. Эти модуляции носят одну отличительную особенность: возникают они в виде строго оппозитных уравновешенных колебаний в пределах одной неделимой звукоизлучающей мембраны (2).
Для простоты понимания эти оппозитные изгибные колебания можно представить как совокупность некогерентных точечных акустических излучателей (динамиков), строго рассогласованных по фазе на уровне 180 градусов см. фиг. 3. Такой режим работы предлагаемого акустического излучателя является основным и необходимым, так как в режимах выходящих за пределы резонансного уравновешенного формирования оппозитных модуляций прекращается процесс эффективной генерации звукового сигнала как такового, а условия необходимые для формирования поперечной составляющей волны не возникают.
Также в результате многочисленных экспериментов практического характера была установлена особая линия ЕВ (см. фиг 5) простирающаяся по поверхности звукоизлучающей мембраны, в пределах которой следует устанавливать возбудитель или возбудители акустических колебаний таким образом, чтобы точку оси вращения возбудителя включала особая линия, либо пересекала собой фронтальную проекцию контура возбудителя, установленного поблизости от особой линии. Так если мы возьмем к рассмотрению звукоизлучающую мембрану, углы которой представляют точки А В С и D (см фиг. 5), то особая "оранжевая" линия крепления возбудителей будет проходить из точки В в точку Е. В свою очередь Е представляет собой такую точку на стороне DC мембраны в которой она поделит отрезок DC в пропорции: DE\EC=1\2. В пределах линии ЕВ может быть установлен по крайней мере один источник возбуждения колебаний, а также несколько таких источников. В случае применения технического решения с одним источником возбуждения акустических колебаний в пределах какой линии следует определить точку X, которая определяется согласно следующей пропорции: ЕВ\ХВ=1,62. Естественно, что оранжевая линия ЕВ может быть симметрично отражено по любой из оси симметрии мембраны.
Преимуществом предлагаемого нами технического решения в виде особой линии в пределах площади мембраны, предполагающих прикрепления источников возбуждения в ее пределах является обеспечение оптимального режима распределения резонансных модуляций в пределах площади мембраны, что в свою очередь положительно влияет на равномерность амплитудно-частотной характеристики, а также обеспечение такого параметра, как натуральность звучания, тесно связанного с суммарным количеством искажений, привнесенных работой акустической системы, снижение фазовых сдвигов, а так же обеспечение максимального диапазона частот в работе такой системы.
В нашем акустическом устройстве для поддержания условия существования поперечной звуковой волны не требуется предпринимать специальные меры. Сам резонансный режим работы такого устройства предполагает постоянное наличие подходящих условия для возникновения и поддержания поперечной волны. Причем эти условия существуют как непрерывная готовность излучения поперечной волны в газе практически на любой частоте акустического диапазона, включая и более широкие пределы в область низких и высоких частот, если это необходимо. Так для осуществления излучения с поперечной составляющей достаточно подвести к излучателю один единственный источник возбуждения, питаемый одноканальным усилителем мощности и подать соответствующий сигнал (например, синусоидальный, определенной частоты, либо широкополосный ("розовый шум", музыкальный контент и др.))
Внешний вид предлагаемой акустической установки для излучения поперечной звуковой волны в газовой среде показан на фиг. 4.
При этом важно подчеркнуть принципиальную невозможность качественной генерации поперечной акустической волны на установке Каравашкиных при одновременной подаче на нее сигналов разных частот и амплитуд. Вызвано это тем, что формирование всех частот одним поршневым излучателем вызывает действие акустического доплер-эффекта. Это однозначно приводит к невозможности сохранить фазовую согласованность во всем диапазоне одновременно поданных частот.
В случае нашего конструктива (выполнения мембраны из сотового материала и определенное расположение на мембране возбудителя акустических колебаний), когда частотные модуляции зонально распределены по площади панели более низкая частота не является несущей для более высоких и доплер-эффект не возникает. Таким образом, только такое решение позволяет непрерывно генерировать и поддерживать поперечную акустическую волну в газе во всем спектре одновременно поданных частот и получить заявленный технический результат.