ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в электроакустике для высококачественного воспроизведения звука. В частности, рассматривается конструкция электродинамического громкоговорителя, состоящего из трех независимых диффузоров ВЧ, СЧ и НЧ диапазонов излучения расположенных на одной оси, что позволяет получить полный диапазон воспроизведения из одной точки с практически идеальной частотной характеристикой и минимальными провалами.
Из известных технических решений наиболее близким к предложенному является электродинамический громкоговоритель, содержащий магнитную систему со звуковой катушкой в зазоре магнитной системы и диффузор, прикрепленный к диффузородержателю через верхний подвес и центрирующую шайбу, при этом центральная часть диффузора напротив звуковой катушки закрыта пыльником (Шифман Д.Х. «Громкоговорители», М, «Энергия», 1965, стр.25-26).
Однако известный громкоговоритель отличается неравномерностью его частотной характеристики. Этот недостаток обусловлен тем, что в диффузоре в качестве рабочей резонирующей поверхности используется только периферическая поверхность диффузора, так как центральная его часть прикреплена к каркасу катушки и центрирующей шайбе, закрыта пыльником и не участвует в рабочем процессе. В диффузорном громкоговорителе диффузор (рассеиватель), входящий в его механическую подвижную систему, выполняет функции преобразования механических колебаний в акустические и излучения звука. Процесс излучения звуковых волн довольно прост: при своих колебаниях диафрагма приводит в движение частицы прилегающего к ней воздуха, создавая попеременно его сжатие и разрежение. Колебания этих частиц передаются соседним слоям воздуха и т.д., создаются волны сжатия и разрежения, которые движутся со скоростью звука вдаль. В результате диффузор является поршневым излучателем и имеет одну степень свободы колебаний (только по осевому направлению). Чтобы диффузор не изгибался как мембрана и для создания необходимой жесткости, ему обычно придают форму усеченного конуса с круговым или эллиптическим основанием. Тем не менее, на высших частотах диффузор, изгибаясь, колеблется как мембрана: волны изгиба двигаются от центра к периферии и обратно, создавая стоячие волны по радиусам диффузора. Для больших диаметров диффузора (около 25 см) эти колебания начинают появляться на частотах выше 1500 Гц, для меньших - на более высоких частотах и воспринимаются слушателем как искажения звука. Частотная зависимость осевой чувствительности громкоговорителя (отношение звукового давления на оси к подводимому напряжению) без учета резких пиков и провалов близка к равномерной до частот примерно 6…7 кГц. Это объясняется тем, что с увеличением частоты перестает колебаться внешняя, часть диффузора. Выше 7…8 кГц частотная характеристика круто падает. По мере повышения частоты сигнала, начиная с граничной частоты зоны поршневого действия, диффузор перестает колебаться как единое целое. Возникающая при этом интерференция звуковых волн, от различных участков диффузора, приводит к появлению локальных пиков и провалов на АЧХ, окрашивающих звучание. Вызванные недостаточной жесткостью деформации реального диффузора, приводят к появлению в материале диффузора собственных колебаний. Они должны быть эффективно подавлены, в противном случае неизбежно появление интермодуляционных искажений (призвуков) и "смазывание" атаки импульсного сигнала. Нелинейность подвеса также вызывает интермодуляционные искажения.
Традиционные громкоговорители, точнее, те из них, которые используют отдельные редукторы для схватывания разных диапазонов частот установленные рядом друг с другом в передней части корпуса, обладают одними и теми же характеристиками. Их суммированное амплитудно-частотное значение не может изменяться симметрично, поскольку точка суммирования удалена от выбранной оси проектирования. То же самое происходит в акустически нейтральной окружающей среде полупространственного звукопоглощающего щита (2р стерадиан). Причина существования данного феномена заключается в физическом барьере между редукторами, и сопутствующее время вызывает задержку прибытия звука на определенную ось измерения. Вполне возможно разработать обычные громкоговорители, имеющие ровные амплитудные характеристики и выводящие когерентное стереоизображение, не выходящее за определенные рамки окна прослушивания. К сожалению, даже самые лучшие разработки подобных устройств неизменно подвержены сильным изменениям амплитудных характеристик и стереоизображения в том случае, если слушатель выходит за границы окна прослушивания. Подходящий дизайн редукторов, разделительных центров и корпусов может минимизировать различия внеосевых характеристик за пределами ограниченного количества углов оптимального расположения слушателя, но невозможно полностью их устранить. Этот эффект сокращает количество позиций, в которых слушатель может услышать именно тот звук, который подразумевал разработчик данного устройства.
Для снижения внеосевых эффектов звука из рассредоточенных источников, были разработаны устройства с громкоговорителями, расположенными коаксиально (коаксиальные громкоговорители). Используется обычное расположение всех составляющих, но в этой конструкции высокочастотный динамик находится впереди устройства, определяющего характеристики средних/низких частот, но в этом случае этот ВЧ-динамик является акустической преградой для процесса излучения НЧ диапазона. Из-за снижения фронтальной характеристики подобная схема используется только для сохранения экранного пространства, а не для уменьшения разницы в показателях задержки времени прибытия звука из разных внеосевых источников, как, например, в случае со встроенной в автомобиль акустической системой. Другой, более эффективный, метод заключается в установке высокочастотного динамика между устройствами средних/низких частот. Таким образом, звук из высокочастотного репродуктора должен быть пропущен через магнитное поле устройства средних/низких частот. Бреши, или система каналов через это поле, а также конусообразный контур устройства средних/низких частот должны быть разработаны в виде интегрального акустического радиоволновода, или же системы рупоров, для получения желаемого результата. Оба пути получения симметричных внеосевых характеристик являются эффективными, но по-прежнему присутствует позитивная или негативная задержка времени, которая должна учитываться при создании конечных фильтров.
Первый громкоговоритель коаксиального (точечного) типа компания Tannoy впервые представила в 1948 году на Лондонском Радио-шоу. Система коаксиального устройства имела название "Dual Concentric". Данные системы не имеют искажений пространственной звуковой картины, создаваемой акустической системой. Высокочастотная катушка размещается внутри низкочастотной, чуть позади ее, и обе они работают независимо друг от друга. В центре низкочастотного диффузора находятся купольная диафрагма (титановая или алюминиевая) и рассеивающая линза высокочастотного излучателя. Линза имеет рупорную горловину и является продолжением диффузора басового динамика. Обе головки находятся на одной продольной геометрической оси, т.е. звуковые колебания исходят из одной точки, как это происходит в природе (US 4164631, H04R 1/20, H04R 9/06, опубл. 14.08.1979).
Для уменьшения временной разницы между показаниями прибытия звука от обоих источников высокочастотный динамик должен быть расположен внутри звуковой катушки низкочастотного устройства. В таком случае, эти приводные устройства будут не «коаксиальными», а «совмещенными». В случае уменьшения размера магнита в катушке высокочастотного приспособления будет получено настоящее совмещенное устройство. В типичных средне/низкочастотных устройствах диаметр звуковой катушки варьируется от 25 до 50 сантиметров в диаметре. Размер звуковых катушек высокочастотного динамика составляет от 12 до 33 миллиметров в диаметре. До тех пор, пока не будет изобретено менее чувствительное устройство, что подразумевает цилиндрическую форму магнита, то есть возможно использование магнита меньшего размера по сравнению с используемым в звуковой катушке высокочастотного динамика. Это ограничение предотвращает использование ферритовых магнитов по причине их низкой остаточной магнитной индукции и высокой коэрцитивности. При использовании обладающих высокой остаточной магнитной индукцией алико магнитов можно получить высокую трубку потока, необходимую в магнитах маленького диаметра, но их низкая коэрцитивность может означать тот факт, что необходимая для получения устойчивой конструкции длина магнита может продлиться намного дальше назад в звук, который доступен для магнитного поля средне/низкочастотного устройства. Но это может привести к поиску компромиссных решений при разработке магнита для низкочастотного динамика.
В 1980 году компания KEF разработала систему совмещенного устройства. Естественно предложить, что для уменьшения временной разницы между показаниями прибытия звука от обоих источников, высокочастотный динамик должен быть расположен внутри звуковой катушки низкочастотного устройства. В таком случае, эти приводные устройства будут не "коаксиальными", а "совмещенными". В случае уменьшения размера магнита в катушке высокочастотного приспособления возможно получить настоящее совмещенное устройство, что и было создано компанией KEF. Составного редуктора акустической системы с подвижной катушкой, поскольку началось коммерческое производство высокоэнергетического магнитного материала типа неодим. Неодимовые магниты сделали возможным реализацию магнитного узла малого высокочастотного динамика. Импульсная характеристика типичной совмещенной ведущей системы, при сравнении ее с коаксиальными системами демонстрирует значительный прогресс в выравнивании временной характеристики устройств (Статья «Модели Uni-Q Series», выложенная на сайте «KEF The science of Loudspeakers» компании KEF в Интернет в режиме он-лайн по адресу: http://www.kef-acoustics.ru/advice/, 2010) (принято в качестве прототипа).
Настоящая триаксиальная полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении качества звуковоспроизведения звука в совмещенном электродинамическом громкоговорителе за счет выстраивания на одной оси трех подвижных магнитных катушек и трех диффузоров, формирующих источник звука со значительно выровненными временной и амплитудно-частотной характеристиками звуковой системы.
Поставленный технический результат достигается тем, что электродинамический громкоговоритель, содержащий магнитную систему со звуковой катушкой в зазоре магнитной системы и основной диффузор, прикрепленный к диффузородержателю в центральной части напротив звуковой катушки и по периметру для излучения звуковых волн в низкочастотном и среднечастотном диапазоне, источник возбуждения звуковых волн в среднечастотном диапазоне в виде неодимового магнита с катушкой и собственным диффузором, прикрепленный к центральгому керну и являющийся независимым, а к нему сверху по центру крепится ВЧ излучатель со своим неодимовым магнитом и катушкой, или пьезокерамического типа прикрепленный к основному диффузору в центральной части напротив звуковой катушки и соосно ей и связанный с дополнительным диффузором, закрепленным по периметру к поверхности основного диффузора со стороны магнитной системы, снабжен вторым дополнительным диффузором выпуклой формы для излучения звуковых волн в высокочастотном диапазоне, размещенным снаружи первого дополнительного диффузора в центральной его части соосно ему и прикрепленным по периметру к поверхности первого дополнительного диффузора, и источником возбуждения звуковых волн в высокочастотном диапазоне пьезокерамического типа, закрепленным под вторым дополнительным диффузором в центральной его части напротив звуковой катушки и соосно ей.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - конструкция электродинамического громкоговорителя;
фиг.2 - частотная характеристика давления электродинамического громкоговорителя с дополнительным диффузором СЧ-диапазона.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция динамической головки с тремя геометрическими диффузорами, расположенными на одной оси и находящимися в одной плоскости бумажного диффузора с независимыми системами возбуждения звуковых волн. Уникальность данного устройства заключается в том, что она имеет всего один динамик, а излучает полноценный, трехполосный звук из одной точки.
Согласно настоящей полезной модели конструктивно электродинамический громкоговоритель (фиг.1) содержит три магнитных системы с отдельными независимыми диффузорами:
- первую магнитную систему со звуковой катушкой в зазоре магнитной системы и основной диффузор, прикрепленный к диффузородержателю в центральной части напротив звуковой катушки и по периметру для излучения звуковых волн в низкочастотном и среднечастотном диапазоне;
- источник возбуждения звуковых волн в среднечастотном диапазоне с неодимовой магнитной системой, прикрепленной по центру к керну, или пьезокерамического типа, прикрепленный к основному диффузору в центральной части напротив звуковой катушки и соосно ей и связанный с первым дополнительным диффузором, закрепленным по периметру к поверхности основного диффузора со стороны магнитной системы;
- источник возбуждения звуковых волн в высокочастотном диапазоне с неодимовой магнитной системой, закрепленной над СЧ неодимовой системой, или пьезокерамического типа, закрепленный под вторым дополнительным диффузором в центральной его части напротив звуковой катушки и соосно ей, и второй дополнительный диффузор выпуклой формы для излучения звуковых волн в высокочастотном диапазоне, размещенным снаружи первого дополнительного диффузора в центральной его части соосно ему и прикрепленным по периметру к поверхности первого дополнительного диффузора.
На фиг.1 показан заявляемый громкоговоритель, который содержит звуковую катушку 1 с керном внутри, магнитную систему 2, основной диффузор 3 НЧ-диапазона (или СЧ-НЧ-диапазона), диффузодержатель 4. К звуковой катушке 1, расположенной в зазоре магнитной системы 2, подводят напряжение звуковой частоты. Звуковая катушка 1 совершает колебания, которые передаются прикрепленной к ней центрирующей шайбе и основному диффузору 3. Громкоговоритель снабжен первым дополнительным диффузором 5 формы для излучения звуковых волн в среднечастотном диапазоне (СЧ-диапазоне), этот диффузор 5 размещен снаружи основного диффузора 3 соосно ему в центральной его части напротив звуковой катушки 1 и прикреплен по периметру к поверхности основного диффузора. Поперечный размер дополнительного диффузора 5 выполнен больше поперечного размера магнитной системы, но меньше поперечного размера основного диффузора настолько, чтобы гарантировано закрыть зону каркаса катушки или пыльника. В полости между каркасной катушки и керна к дополнительному диффузору к точке острия купола прикреплен источник 6 возбуждения звуковых волн в среднечастотном диапазоне (прикрепленный к дополнительному диффузору в вершине его конуса). Положительный 7 и отрицательный 8 контактные лепестки диффузора НЧ-диапазона, связанные с выводами звуковой катушки возбуждения звуковых волн в низкочастотном диапазоне, выведены на тыльную сторону основного диффузодержателя. Источник 6 возбуждения звуковых волн в среднечастотном диапазоне выполнен пьезокерамического типа и прикрепляется к диффузору 5 в вершине его конуса и имеет на концах отрицательного 9 и положительного 10 проводников контактные лепестки. Положительный 9 и отрицательный 10 контактные лепестки диффузора СЧ-диапазона выведены на тыльную сторону основного диффузодержателя. Источник возбуждения звуковых волн в среднечастотном диапазоне пьезокерамического типа, прикреплен к основному диффузору в центральной части напротив звуковой катушки и соосно ей.
Устройство по фиг.1 так же снабжено источником 11 возбуждения звуковых волн в высокочастотном диапазоне пьезокерамического типа, закрепленный под вторым дополнительным диффузором 12 в центральной его части напротив звуковой катушки и соосно ей. Второй дополнительный диффузор 12 выпуклой формы для излучения звуковых волн в высокочастотном диапазоне размещен снаружи первого дополнительного диффузора в центральной его части соосно ему и прикреплен по периметру к поверхности первого дополнительного диффузора в центральной его части. Положительный 13 и отрицательный 14 контактные лепестки диффузора СЧ-диапазона выведены на тыльную сторону основного диффузодержателя.
Данная динамическая головка имеет трехполосную конструкцию и состоит из трех независимых диффузоров ВЧ, СЧ и НЧ диапазонов. Данный конструктив позволил получить полный диапазон воспроизведения из одной точки с практически идеальной частотной характеристикой и минимальными провалами (фиг.2). Акустика обладает идеальным воспроизведением тонального баланса живого звука в отличие от коаксиальных к широкополосных конструкций. Данная модификация акустики имеет минимальные фильтры с навесным монтажом первого порядка и малые длины кабелей, специально разработанные для данной акустики. Акустика имеет закрытый корпус и аудиофильские разъемы. Динамические головки НЧ имеют только бумажные диффузоры из натуральной целлюлозы. Купола ВЧ головок изготовлены из тончайшего шелка. СЧ купол имеет уникальную фирменную конструкцию, разработанную в компании ALEKS. Все купола покрыты фирменным компаундом уникального звукового лака ALEKS. Корпуса изготавливаются из древесных материалов высокой плотности с элементами отделки массива и шпонов американского орехового дерева. Демпфирование производится прогрессивным акустическим материалом сентиватой, что позволило практически к нулю свести возможные резонансы внутри корпуса и тем самым удалить искажения музыкальных инструментов и голоса.
Предлагаемый громкоговоритель может быть применен в различных областях электроакустики для высококачественного воспроизведения звука.