Плоский низкочастотный громкоговоритель
FLAT LOW FREQUENCY LOUDSPEAKER

Предлагаемое устройство относится к акустике и представляет собой плоский низкочастотный громкоговоритель (плоский сабвуфер).
Плоский сабвуфер применим в областях техники, связанных с акустикой. Устройство предназначено для использования в составе различных акустических систем в качестве субнизкочастотного (20-200 Гц) громкоговорителя. Применение устройства целесообразно в тех случаях, когда от звуковоспроизводящей аппаратуры требуется воспроизведение полного акустического спектра слышимых человеческим ухом частот, касаемо нижнего регистра.
Применение в виде субнизкочастотного звена возможно в домашней акустической системе, в акустике для проведения конференций, для мобильной звуковой аппаратуры на выездных мероприятиях, в концертной звуковой аппаратуре для больших и малых залов.
Уровень техники.
Из уровня техники известно несколько типов и множество вариантов исполнения низкочастотного громкоговорителя. Наибольшее распространение получили сабвуферы типа: фазоинвертор, закрытый ящик, бандпас, четвертьволновой. Эти сабвуферы имеют в своей основе динамик, специализированный для работы в низком диапазоне частоты установленный в корпус, имеющий множество параметров геометрических размеров, объема, степени открытости канала сообщения внутреннего объема корпуса с внешней воздушной средой и т.д. Тем не менее недостатки у них общие, а количество их таково, что не позволяет эффективно использовать такие сабвуферы в звуковой аппаратуре высшего класса. Наличие объема воздуха в корпусе сабвуфера главный источник вносимых искажений. Инертность нарастания волны давления создает неразрешимые трудности в фазовом согласовании движения диффузора динамика и движения воздуха в отверстии фазоинвертора (в случае фазоинверторного сабвуфера), внутрикорпусной объем воздуха, наряду с упругими свойствами механической системы динамика вносит лепту в суммарные искажения такого громкоговорителя, которые еще и частотнозависимые. Проще говоря, такой громкоговоритель может быть настроен на согласованную работу динамика и порта лишь на определенной частоте. А обычный диапазон работы сабвуфера составляет 25-120 Гц. Получается, что при традиционном подходе невозможно создать универсальный сабвуфер с безупречной работой во всем требуемом диапазоне частот:
https://www.bhphotovideo.com/c/product/1417290-REG/jbl jbla100pblkam 10 300w powered subwoofer.html,
https://stageconcepts.co.uk/product/amate-audio-xcellence-disco-x21d-passive21-inch-subwoofer-speaker-3600w/.
Для создания более качественного звуковоспроизведения в области низких частот целесообразно использовать плоские громкоговорители мембранного типа. Известны патенты, описывающие устройства подобного типа. Например, патент RU 2043003 предлагает устройство, содержащее постоянные магниты, обращенные друг к другу своими плоскостями и одноименными полюсами; в магнитах выполнены звуковые окна, причем магниты образуют между собой сквозной рабочий зазор однородного магнитного поля, в который помещена мембрана с нанесенными на нее электропроводными полосками, являющимися частью звуковой катушки.
Громкоговоритель, в котором излучающий элемент выполнен в виде мембраны, описан в патенте RU 2210163. Этот громкоговоритель содержит магнитопровод в виде двух стальных пластин с помещенными на них рядами плоских постоянных идентично зеркально направленных магнитов, между которыми на крепящей основе в виде двух пластин с центральными отверстиями установлена плоская диэлектрическая мембрана, с обеих сторон которой нанесены плоские звуковые катушки, причём наполняемость магнитной системы и размеры магнитов удовлетворяют соотношению:
0,05==0,75,
где Wg — расстояние между рядами магнитов в пластине, Wm-ширина магнита, а форма и размеры центральных отверстий пластин крепящей основы соответствуют по форме и размерам рабочей поверхности мембраны и размеру поля, занимаемого магнитами на поверхности каждой из пластин магнитной системы.
Электродинамический громкоговоритель Карфидова В.Н. (патент RU 2073959) включает герметичный корпус с вакуумированным внутренним объемом, внутри которого размещены: звукоизлучающий элемент, содержащий плоскую изогнутую звукоизлучающую мембрану, магнитная система, звуковые катушки, гофрированные центрирующие шайбы, связанные с корпусом и со звукоизлучающим элементом. В прототипе используется вогнутая мембрана, нагруженная атмосферным давлением; катушка жестко связана с мембраной и упругим гофрированным кольцом, закрепленным на рамке корпуса.
Известен громкоговоритель, включающий опорную раму, звукоизлучающую мембрану, магнитопровод, постоянный магнит, установленный внутри магнитопровода так, подвижную катушку (патент RU 2227331).
Данное устройство можно принять в качестве ближайшего аналога.
Недостатком этого устройства так же, как и других вышеописанных аналогов, является то, что они не обеспечивают возможности такого перемещения мембраны, при котором бы небольшие по амплитуде колебания катушки внутри магнитного поля, вызывали бы гораздо большие амплитуды колебаний областей звукоизлучающей мембраны. Конструкции описанных устройств не позволяют уменьшить их габариты, особенно в случае необходимости воспроизведения низких частот звукового диапазона, выдвигают высокие требования по центровке мембраны, не отвечают требованиям правильного распределения зон амплитудного возбуждения на мембране, не предоставляют подходящих условий для эффективного переотражения волн от краев мембраны.
В результате, несмотря на принципиально верное направление в конструировании низкочастотного громкоговорителя, вышеупомянутые конструкции не позволят создать достаточно мощные и эффективные сабвуферы с низким уровнем акустических искажений.
Техническом проблемой является высоким уровень акустических искажении.
Предлагается плоский низкочастотный громкоговоритель, включающий опорную раму, звукоизлучающую мембрану, магнитопровод, постоянный магнит, установленный внутри магнитопровода, подвижную катушку, причём звукоизлучающая мембрана фиксирована к опорной раме в области их периметров через поролоновый демпфер, магнитопровод жёстко фиксирован к опорной раме, постоянный магнит установлен так, что с торца жёстко закреплён к магнитопроводу, а между боковой поверхностью магнита и магнитопроводом образован зазор, подвижная катушка жёстко фиксирована к звукоизлучающей мембране и выполнена с возможностью перемещения в зазоре между магнитом и магнитопроводом, а на опорной раме установлена центрирующая шайба, обеспечивающая удержание катушки в зазоре между магнитом и магнитопроводом.
Звукоизлучающая мембрана может быть выполнена из сэндвич-материала с вспененной структурой внутри и картонными листами снаружи.
Звукоизлучающая мембрана может быть изготовлена из бумаги, крафт-бумаги, материала, включающего арамидные волокна, из алюминия.
Звукоизлучающая мембрана может иметь форму прямоугольника.
Магнитопровод предпочтительно выполняется из низкоуглеродистой стали или феррита.
В частных случаях подвижная катушка может иметь вид: цилиндрическая катушка, плоская катушка, плоская гофрированная катушка, прямоугольная катушка, квадратная катушка, звездообразная катушка, зигзагообразная катушка.
Техническим результатом является высокое качество звучания в области низких и субнизких частот акустического диапазона за счёт гармоничного формирования и распределения на поверхности звукоизлучающей мембраны амплитудных модуляций, сформированных поверхностно-бегущими волнами на мембране от источника акустического возбуждения, действующего на нее. Также техническим результатом является одновременное снижение массогабаритных параметров изделия.
На фиг.1 показана схема устройства плоского низкочастотного громкоговорителя, где обозначены:
1) звукоизлучающая мембрана,
2) подвижная катушка,
3) постоянный магнит,
4) магнитопровод,
5) центрирующая шайба удержания катушки в магнитном зазоре,
6) опорная рама громкоговорителя,
7) поролоновый демпфер крепления мембраны к раме,
8) клеммы подключения к усилителю.
На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая место крепления источника возбуждения колебаний в пределах звукоизлучающей мембраны, где ЕВ (AF,GC,HD) - линия крепления возбудителя, Х - точка крепления возбудителя.
На фиг.3-6 показаны сравнительные графики амплитудно-частотной характеристики сабвуфера на традиционных динамиках (фиг.3-5) и плоского сабвуфера (фиг.6).
На фиг.7 показана схема метода программируемой деформации мембраны с целью снижения ее жесткости,
а) вид в разрезе, б) вид в плане.
На фиг.8 обозначены виды катушек в электродинамическом приводе и типы привода плоского сабвуфера:
а) цилиндрическая катушка,
б) плоская катушка,
в) плоская гофрированная катушка,
г) прямоугольная (в т.ч. квадратная),
д) звездообразная разных видов,
е) зигзагообразная разных видов,
ж) пневматический привод,
з) гидравлический привод.
На фиг.9 показаны фотографии готового изделия.
Прирост качественных акустических показателей становится возможен за счет перевода режима работы громкоговорителя из поршневого в режим работы, связанный с гармоничным формированием и распределением на поверхности звукоизлучающей мембраны амплитудных частотно-зависимых модуляций, сформированных поверхностно-бегущими волнами на мембране от источника акустического возбуждения, действующего на нее. Такой режим работы напрямую связан с конструкцией предлагаемого громкоговорителя.
Устройство включает в себя: звукоизлучающую мембрану 1 фиг 1, выполненную из сэндвич материала с вспененной внутренней структурой и картонными листами с двух сторон (пенокартон), либо с сотовой внутренней структурой из бумаги, арамидного волокна, алюминия и др. и поверхностного слоя из любого подходящего материала, чаще всего крафт-бумаги или картона;
электродинамический привод, состоящий из подвижной катушки 2 фиг 1. намотанной исходя из параметров работы на низкой частоте и жестко закрепленной на мембране в определенной зоне ее площади (см. фиг.2), постоянного магнита 3 (фиг. 1), магнитопровода 4, выполненного из низкоуглеродистой стали либо, предпочтительно феррита, гофрированной центрирующей шайбы 5, являющейся частью системы удержания катушки в магнитном зазоре; опорную раму 6, поролоновый демпфер крепления мембраны к опорной раме 7, клеммы подключения к усилителю 8.
Так как звукоизлучающая мембрана имеет вид прямоугольника, она может иметь различные соотношения сторон. Это будет влиять на распределение амплитудных зон возбуждения. Но так как они различаются по частоте, геометрия их формирования - важный параметр, так как от него будет зависеть один из ключевых параметров качества звучания громкоговорителя - график кривой амплитудно- частотной характеристики (АЧХ). Опытным путем установлено предпочтительное соотношение сторон мембраны при котором распределение амплитудных зон становится сбалансированным, а АЧХ предельно ровной. Рекомендуется оптимальное соотношение сторон мембраны как 5:9, либо в диапазоне 4:9 - 6:9 в случае неравномерности жесткости мембраны в одном из направлений длинны или ширины.
http://selftrans.narod.ru/v2 1/acoustics/acoustics03/acoustics3ras.htmL
В случае применения правильных параметров геометрии мембраны небольшая амплитуда движения подвижной катушки акустического возбудителя перерастает в значительно большую амплитуду в зоне модуляции соответствующей частоты из-за резонансного наложения первичной поверхностно-бегущей волны, имеющей скорость распространения в мембране значительно превышающей скорость звука в воздухе и вторичной (отраженной от краев мембраны) поверхностно-бегущей волны. Таким образом резонансный режим работы обеспечивает высокую степень эффективности такого громкоговорителя. Резонансный режим формирования амплитудных модуляций характеризуется тем, что возникают они исключительно в виде оппозитных пар, обладающих свойством фазовой некогерентности, что в свою очередь создает условия необходимые для формирования и поддержания таким громкогоговорителем поперечной акустической волны в воздухе. Такая волна обладает рядом специфических особенностей и преимуществ. Это повышает акустические качества изделия:
Параметр жёсткости мембраны в отношении к ее абсолютному размеру определяет некоторые акустические свойства плоского низкочастотного громкоговорителя: нижнюю граничную частоту звучания, степень энергетической плотности сигнала, скорость нарастания фронта акустической волны, кривая графика амплитудно-частотной характеристики. Поэтому для контролируемой коррекции этих параметров нами применяется метод изменения жесткости мембраны путем нанесения на ее поверхность методичного рисунка специальных углублений, снижающих силу поверхностного натяжения покрывного картона мембраны, тем самым уменьшая итоговую жесткость мембраны и увеличивая ее гибкость. Другой метод, позволяющий добиться того же результата состоит в следующем: материал покрывного слоя мембраны (крафт-бумага, картон) перед нанесением ее на несущую структуру подвергается предварительной деформации (мнется) в той или иной степени, затем разглаживается и наклеивается. Степень ее поверхностного натяжения в готовом композите мембраны уменьшается вместе с итоговой жесткостью самой мембраны. Корректировка жесткости в сторону увеличения обеспечивается путем покрытия (пропитки) поверхностного слоя мембраны специальными составами на основе полиуретана, так же хитина, органических лаков и грунтовок, в том числе с добавлением порошков нанометрового уровня помола (нанопорошков) органических и минеральных веществ.
В качестве привода акустических колебаний для возбуждения звукоизлучающей мембраны могут применяться различные варианты исполнения на основе электропроводящих катушек (см. фиг.8, а, б, в, г, д, е), либо пневматическое устройство (ж), или же гидравлический актуатор (з), способные эффективно возбуждать колебания на рабочих частотах предлагаемого плоского сабвуфера (20-150 Гц) с достаточной амплитудой.
Устройство реализуется на практике в виде довольно компактного низкочастотного громкоговорителя с малой габаритной глубиной, порядка нескольких сантиметров (фиг.9).
Упрощается логистика доставки и монтажа таких сабвуферов в условиях туровой концертной деятельности за счет более компактной конструкции, а превосходные показатели качества звуковоспроизведения субнизкочастотного акустического диапазона выводят звуковые системы с их применением на новый, ранее недостижимый уровень.
Устройство может применяться в составе акустических систем различного назначения в качестве низкочастотного и субнизкочастотного звукоизлучателя, в том случае, если частотного диапазона работы основных систем в нижнем регистре недостаточно. Акустические свойства плоского сабвуфера делают его идеально подходящим для акустических систем на основе громкоговорителей плоского мембранного типа, например колонок 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
https://www.pioneerdi.com/ru-ru/product/accessories/archive/s-
или Pioneer:
fl1/speaker/overview/
.