СОСТАВНАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
COMPOSITE DYNAMIC HEAD OF LOUD SPEAKER

Область техники
Изобретение относится к громкоговорителям. Более конкретно, оно относится к динамической головке нового типа, которая, согласно одному из предпочтительных вариантов, может быть составной динамической головкой, особенно эффективной в применениях со среднечастотным и высокочастотным воспроизведением звука.
Уровень техники
Комбинированные громкоговорители обычно содержат, по меньшей мере, две динамические головки, которые обеспечивают воспроизведение в соответствующих низкочастотной и высокочастотной полосах. Низкочастотные и высокочастотные динамические головки традиционно выполнялись в виде отдельных узлов. При этом для обеспечения высококачественного воспроизведения, без выбросов по интенсивности и направлению, динамические головки устанавливались более или менее соосно. Подобные улучшенные составные динамические головки громкоговорителей обычно являются низко- или среднечастотными узлами, интегрированными с высокочастотными динамическими головками. При этом каждая высокочастотная головка крепится отдельно, впереди или в непосредственной близости относительно низкочастотной звуковой катушки в составе системы. В US 5548657 описаны примеры подобных устройств, в которых высокочастотная динамическая головка была встроена в низкочастотную звуковую катушку и отделена от обмотки этой катушки зазором, достаточным для обеспечения бесконтактного осевого перемещения звуковой катушки.
Другие известные из уровня техники примеры составных или соосных динамических головок могут быть найдены в следующих публикациях: US 6493452; US 5604815; US 6356640; US 6745867.
Качество известных конструкций обычно страдает от акустического рассогласования между высокочастотной диафрагмой и смежными акустическими поверхностями, в основном низкочастотным конусом и окружающими его деталями. Если высокочастотная диафрагма выдвинута вперед относительно горловины низкочастотного конуса (см. US 6493452 и US 6356640), часть излучения от высокочастотной диафрагмы будет направляться назад, к низкочастотному конусу, а затем отражаться от него обратно, т.е. вперед. В результате возникнет интерференция с излучением высокочастотной диафрагмы, распространяющимся вперед. Это ухудшит высокочастотные параметры высокочастотной диафрагмы вследствие эффекта гребенчатого фильтра в акустической частотной характеристике системы.
В US 5548657 описан другой тип акустического рассогласования между конусом (21) и высокочастотной диафрагмой (27), когда между конусом и кольцевым экраном (44) высокочастотной динамической головки оставлен круговой зазор, чтобы обеспечить возможность осевого перемещения низкочастотного конуса. Наличие такого зазора создает рассогласование в акустическом сопряжении высокочастотной диафрагмы. В результате, вследствие круглой формы этой диафрагмы и радиального характера излучаемого ею волнового фронта, как правило, имеет место значительная дифракция на оси излучения, испускаемого системой. Частотный интервал для подобной дифракции, в зависимости от используемой геометрии динамической головки, обычно соответствует 2-20 кГц. Аналогичное явление может вызываться также наличием гибкого охватывающего наружного компонента (22), приводящего к акустическому рассогласованию, результатом которого является, как и в описанном случае со звуковой катушкой, радиальная дифракция, но на других частотах. В US 6745867 описана попытка устранить эту проблему путем повышения гладкости указанного наружного компонента.
В целом известным попыткам создания громкоговорителя с составной головкой свойственны недостатки, состоящие в сложности механических конструкций и в дифракционных проблемах, обусловленных геометрическими неоднородностями диафрагмы. Дифракционные проблемы обычно приводят к ухудшению частотной характеристики и управления направленностью.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании низко- или среднечастотной динамической головки, которая может использоваться в громкоговорителях с составной головкой и которая обеспечивает преодоление, по меньшей мере, одного из рассмотренных недостатков. Для решения этой задачи предлагается новый принцип построения среднечастотной динамической головки, на основе которого обеспечивается акустическое сопряжение, реализуемое посредством двойной радиальной подвески диафрагмы с использованием пушпульного принципа линеаризации осевого перемещения с целью уменьшения акустических искажений для среднечастотной динамической головки.
Другая задача, решаемая изобретением, состоит в реализации принципа, согласно которому акустическое сопряжение высокочастотной диафрагмы с воздушной средой является, насколько это возможно, непрерывным, т.е. геометрия частей, непосредственно ограничивающих диафрагму с передней стороны, свободна от резких переходов и разрывов, особенно радиального типа, которые могли бы вызвать вторичное акустическое излучение, что привело бы к акустической интерференции между излучением, испускаемым непосредственно диафрагмой, и этим вторичным излучением. В результате достигается улучшение частотной характеристики высокочастотной динамической головки системы в осевом и внеосевых направлениях.
Изобретение основано на использовании нового типа динамической головки громкоговорителя, содержащей, по существу, жесткое шасси и, по существу, гибкие элементы подвески, которые приводятся в движение, по существу, жесткой основной (т.е. звукоизлучающей) вибрирующей диафрагмой.
Более конкретно, устройство согласно изобретению характеризуется признаками, включенными в независимый пункт формулы изобретения.
Использование изобретения дает существенные преимущества. По сравнению с известными конструкциями изобретение обеспечивает ослабление дифракционных компонентов в составе акустического излучения, что приводит к более гладкой частотной характеристике и к улучшенной управляемости по направлению. Благодаря улучшенной линейности подвески изобретение обеспечивает уменьшение нелинейных акустических искажений. Кроме того, поскольку изобретение обеспечивает простую механическую конструкцию, при его изготовлении могут быть использованы известные компоненты и технологии, что обеспечит экономическую эффективность осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее будут подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, описаны некоторые варианты изобретения.
На фиг.1 в разрезе представлена динамическая головка с цельной диафрагмой, используемая в соосном варианте.
На фиг.2 в разрезе представлена динамическая головка с разделенной диафрагмой, используемая в соосном варианте.
На фиг.3 составная динамическая головка показана с пространственным разделением ее частей.
На фиг.4 представлен график, иллюстрирующий зависимость между осевым смещением и жесткостью подвески диафрагмы.
На фиг.5 иллюстрируется влияние использования внутреннего радиального зазора шириной 1 мм на частотную характеристику малогабаритного громкоговорителя для воспроизведения верхних звуковых частот (твитера), использующего купол диаметром 25 мм и установленного внутри каркаса звуковой катушки диаметром 40 мм.
Осуществление изобретения
В контексте изобретения термин жесткие относится к конструктивным элементам, которые не испытывают существенных вибраций в результате приложения к ним электромеханической силы, генерируемой какой-либо звуковой катушкой в составе системы, тогда как термин упругие соответствует конструктивным элементам, которые под действием приложения к ним электромеханической силы, генерируемой какой-либо звуковой катушкой в составе системы, изгибаются, сжимаются или расширяются. Далее, термин направление вперед (прямое направление) означает направление, в котором начинают распространяться звуковые волны, формируемые громкоговорителем, т.е. направление, при движении по которому диафрагма приближается к предполагаемому приемнику звука. И, наоборот, термин направление назад (обратное направление) означает направление, противоположное прямому направлению. Соответственно, термины передняя и задняя соответствуют сторонам громкоговорителя, которые расположены по направлениям вперед или назад. Термин "каркас звуковой катушки" используется применительно к любому конструктивному элементу, способному обеспечить механическое сопряжение звуковой катушки и вибрирующей диафрагмы, хотя подразумевается, что между названными компонентами может существовать и непосредственная связь.
Как показано на фиг.1, согласно одному из вариантов изобретения громкоговоритель образован жесткой рамой, содержащей следующие компоненты: жесткую наружную часть 11 и жесткую внутреннюю часть 8, а также следующие дополнительные компоненты: сопрягающий элемент 12 (для высокочастотной динамической головки), магнитный полюсный наконечник 19, а также передний и задний фланцы 14, 15 магнитопровода, которые будут рассмотрены далее. Жесткая рама присоединена к корпусу громкоговорителя или образует, по меньшей мере, его часть. Внутри рамы находится жесткая внутренняя часть 8 и звукоизлучающие, т.е. вибрирующие, части, которые расположены либо между наружной и внутренней жесткими частями 11, 8, либо в пределах жесткой внутренней части 8. Далее эти наружная и внутренняя жесткие части 11, 8 будут именоваться шасси 11 узла головок и шасси 8 высокочастотной динамической головки соответственно.
Более конкретно, узел 22 головок (т.е. составная динамическая головка) имеет составную конструкцию, смонтированную на шасси 11 узла головок. Другими словами, на шасси 11 узла головок установлены среднечастотная динамическая головка и высокочастотная динамическая головка, которая встроена в каркас 6 звуковой катушки в составе среднечастотной динамической головки, показанный на фиг.1 и 2. На этих фигурах, соответствующих видам в разрезе, вертикальная пунктирная линия соответствует воображаемым осям вращательной симметрии. Ось симметрии каркаса 6 звуковой катушки среднечастотной динамической головки необязательно совпадает с осью звуковой катушки 20 высокочастотной динамической головки, хотя такое выполнение представляется наиболее практичным. Звуковая катушка 20 высокочастотной головки всегда является небольшой: ее диаметр обычно составляет 10-55 мм. Шасси 11 узла головок соединено своей задней стенкой с фланцем 14 магнитопровода. Указанный фланец 14 прикреплен также к заднему фланцу 15 магнитопровода. Между этими двумя фланцами установлен постоянный магнит 13, создающий постоянное магнитное поле в воздушном зазоре 23. Согласно одному из вариантов постоянный магнит 13 имеет форму кольца из ферритного материала (например, марки "Ferroxdure 300") с наружным диаметром 134 мм и высотой 20 мм. Плотность В магнитного потока в воздушном зазоре 23, которая предпочтительно должна составлять 1,4 Т, обеспечивается при выборе высоты и ширины зазора, составляющих соответственно 6 мм и 1,35 мм.
Фланцы 14 и 15, центральный полюсный наконечник 19 и постоянный магнит 13 образуют магнитную систему, относительно которой перемещаются звуковые катушки динамических головок. Центральный полюсный наконечник 19 магнитной системы прикреплен также к сопрягающему элементу 12 (для высокочастотной головки), который соединяет шасси 11 узла головок с шасси 8 высокочастотной динамической головки. Шасси 8 высокочастотной динамической головки может быть использовано для размещения на нем диафрагмы 7 высокочастотной динамической головки, содержащей, как это показано на фиг.1, магнит и обмотку звуковой катушки 20 этой головки. Шасси 8 высокочастотной динамической головки можно рассматривать также как монтажный компонент для диафрагменного блока 21. Шасси 8 высокочастотной динамической головки предпочтительно может иметь угол раскрытия между 30° и 80° (данный угол измеряется, как угол между осью перемещения звуковой катушки 20 и касательной к указанному шасси 8 в радиальном направлении). Блок звуковой катушки - содержащий ее обмотку 9 и каркас 6 - перемещается под действием электромагнитных сил, возникающих в результате взаимодействия постоянного магнита 13 и обмотки 9 звуковой катушки при протекании через нее тока. Приемлемый диаметр данной обмотки может быть выбран между 15 мм и 110 мм.
Диафрагменный блок 21 прикреплен по своей внешней кромке 5 к шасси 11 узла головок, а по своей внутренней кромке 10 - к шасси 8 высокочастотной динамической головки. Данный блок содержит, по существу, жесткую основную вибрирующую диафрагму 4, прикрепленную к его поверхности. В типичных вариантах это прикрепление осуществляется приклеиванием, термоламинированием, сваркой или отливанием диафрагм 1 и 4 в виде единой детали, причем основная вибрирующая диафрагма 4 может находиться с передней или с задней стороны упругой диафрагмы 1 или составлять с ней неразрывное целое. Сама упругая диафрагма 1 предпочтительно выполнена из упругой пенорезины, в частности из резины EPDM-NR-SBR с закрытыми порами, приемлемая толщина слоя которой может составлять 0,1-6 мм, предпочтительно около 2 мм, твердость которой составляет 20-50 единиц по Шору, а диаметр - около 120 мм. Диафрагма 1 и основная вибрирующая диафрагма 4 могут быть соединены посредством неопренового адгезива. В любом варианте необходимо обеспечить прочную связь с основной вибрирующей диафрагмой 4, приемлемый диаметр которой может составлять 35-250 мм, а приемлемая толщина - 0,05-5 мм. В конкретном варианте основная вибрирующая диафрагма 4 предпочтительно изготовлена из глубокотянутого алюминиевого листа толщиной 0,2 мм и имеет диаметр 100 мм. При этом основная вибрирующая диафрагма 4 может иметь угол раскрытия между 30° и 80° (данный узел измеряется, как угол между осью перемещения звуковой катушки 20 и касательной к диафрагме 1 в радиальном направлении). В предпочтительном варианте данный угол равен 63°.
Между основной вибрирующей диафрагмой 4 и шасси 11 узла головок оставлен зазор, чтобы упругая диафрагма 1 могла функционировать как гибкий элемент подвески, допускающий осевое перемещение основной вибрирующей диафрагмы 4. Этот зазор далее именуется наружным радиальным зазором. Наружный радиальный зазор полностью перекрыт наружной радиальной секцией 2 упругой диафрагмы 1. Чтобы упругая диафрагма 1 могла функционировать как гибкий элемент подвески, допускающий осевое перемещение основной вибрирующей диафрагмы 4, оставлен также зазор между основной вибрирующей диафрагмой 4 и шасси 8 высокочастотной динамической головки. Этот зазор, который далее именуется внутренним радиальным зазором, полностью перекрыт внутренней радиальной секцией 3 упругой диафрагмы 1. Стык между гибкой диафрагмой и шасси 11 узла головок, т.е. интерфейс между внешней кромкой 5 диафрагменного узла и шасси 11, выполнен гладким и непрерывным, чтобы минимизировать акустическую дифракцию и улучшить акустическую связь с диафрагмой 7 высокочастотной динамической головки, особенно при соосном варианте размещения. В общем случае приемлемая гладкость (непрерывность) радиального профиля может характеризоваться осевым смещением между диафрагмой 1 и шасси 11 узла головок (измеренным у внешней кромки 5), меньшим 2 мм, и осевым смещением между диафрагмой 1 и высокочастотным шасси 8 (измеренным у внутренней кромки 18), также меньшим 2 мм.
Основная вибрирующая диафрагма 4 присоединена к каркасу 6 звуковой катушки, на другом конце которого находится обмотка 9 звуковой катушки. Каркас 6 звуковой катушки может быть изготовлен из катаного алюминиевого листа толщиной 0,1 мм и иметь диаметр 51 мм и длину 30 мм. При этом обмотка 9 звуковой катушки может быть выполнена из алюминиевой проволоки диаметром 0,3 мм, плакированной медью, причем обмотка может быть двухслойной и быть навита на длине 7 мм. Обмотка 9 звуковой катушки взаимодействует с постоянным магнитом 13 посредством индуцированных электромагнитных сил. Осевое перемещение обмотки 9 звуковой катушки передается ее каркасом 6 основной вибрирующей диафрагме 4. Поскольку основная вибрирующая диафрагма 4 соединена с обмоткой 9 звуковой катушки через каркас 6 этой катушки, а диафрагменный блок 21 присоединен к шасси 8 высокочастотной динамической головки, как правило, отпадает необходимость в применении традиционной осевой подвески типа крестовины.
При осевом перемещении основной вибрирующей диафрагмы 4 ее движение передается диафрагменному блоку 21. Это осевое движение вынуждает наружную и внутреннюю радиальные секции 2, 3 деформироваться в осевом и радиальном направлениях в зависимости от указанного движения. Взаимосвязь между жесткостью радиальных перемычек и осевым смещением диафрагменного блока 21 иллюстрируется фиг.4. Геометрия указанной деформации для наружной и внутренней гибких радиальных перемычек имеет симметричный характер в отношении положительного и отрицательного (т.е. прямого и обратного) смещений. Комбинация наружной радиальной секции 2, основной вибрирующей диафрагмы 4 и внутренней радиальной секции 3 может рассматриваться как эквивалент комбинации пружинный элемент - жесткий компонент - пружинный элемент, в которой каждый из пружинных элементов имеет нелинейный характеристический график жесткость - смещение, причем графики для обоих элементов, по существу, взаимно симметричны в отношении смещения. Такая характеристика обеспечивает повышение линейности (линеаризацию) суммарной жесткости осевой подвески диафрагменного блока 21. Это, в свою очередь, обеспечивает существенное ослабление генерируемых динамической головкой акустических искажений в виде четных гармоник по сравнению с использованием единственной гибкой радиальной секции.
Как показано на фиг.2, основная вибрирующая диафрагма 4 может быть прикреплена к диафрагменному блоку 21 таким образом, что она образует радиальную секцию между наружной и внутренней радиальными секциями 2, 3. В этом варианте отсутствует гибкая диафрагма 1, перекрывающая основную вибрирующую диафрагму 4, как это имело место в варианте по фиг.1. Действительно, при рассмотрении динамической головки спереди диафрагменный блок 21 будет разделен на три соосных кольцевых секции, причем основная вибрирующая диафрагма 4 образует среднюю радиальную секцию, совершающую осевое перемещение. Основная вибрирующая диафрагма 4 прикреплена к внутренней и наружной радиальным секциям 3, 2 своими выступающими присоединительными фланцами. Это прикрепление обычно осуществляется приклеиванием, термоламинированием или совместным формованием. Внутренняя радиальная секция 3 прикреплена к шасси 8 высокочастотной динамической головки по своей внутренней кромке 10 подобно тому, как это было сделано в варианте по фиг.1. Это относится и к прикреплению наружной радиальной секции 2 к шасси 11 узла головок. Прикрепление внутренней радиальной секции 3 к шасси 8 высокочастотной динамической головки является критичным, поскольку требуется сформировать интерфейс, который должен быть гладким, насколько это возможно, чтобы минимизировать акустическую дифракцию и улучшить акустическую связь с диафрагмой 7 высокочастотной динамической головки, особенно при соосном варианте размещения. Это требование, как было отмечено выше, относится и к соединению между внешней кромкой 5 диафрагменного блока и шасси 11 узла головок. Если бы между внутренней радиальной секцией 3 и высокочастотным шасси 8 имелся зазор, это привело бы (как показано на фиг.5) к ухудшению частотной характеристики. В конструкции согласно изобретению высокочастотная полоса в типичном варианте соответствует интервалу 3-20 кГц при средней чувствительности 88 дБ/Вт/м. Среднечастотная полоса в типичном варианте соответствует интервалу от 450 Гц до 3 кГц при средней чувствительности 94 дБ/Вт/м.
Как и в варианте, описанном со ссылкой на фиг.1, основная вибрирующая диафрагма 4 дополнительно связана с обмоткой 9 звуковой катушки, которая присоединена к внутреннему выступающему присоединительному фланцу данной диафрагмы 4 через каркас 6 звуковой катушки. Наружная и внутренняя радиальные секции 2, 3 реагируют на осевое перемещение основной вибрирующей диафрагмы 4 соответствующей деформацией, как это было описано применительно к варианту по фиг.1. Данная деформация соответствует модели, представленной на фиг.4.
На фиг.3 вариант по фиг.1 представлен с пространственным разделением частей и в собранном виде, чтобы лучше проиллюстрировать части конструкции.
Наружное установочное кольцо 31 имеет опорную поверхность 17 (см. фиг.1 и 2), которая наклонена внутрь и которая формируется с высокой точностью, чтобы принять внешнюю кромку 5 диафрагменного блока 21. На фиг.3 показаны два гибких вывода 32 звуковой катушки, которые отходят от ее обмотки 9. Усилитель мощности или аналогичный компонент может быть подключен к обмотке 9 звуковой катушки (к ее гибким выводам 32) через пассивные разделительные фильтры (не изображены). Эти фильтры могут быть заменены активными электронными фильтрами, включенными перед усилителями мощности, каждый из которых приводит в действие свою звуковую катушку 9, 20 сигналами в соответствующей полосе частот при возможном использовании частотной коррекции в дополнение к динамическим головкам.
Описанные варианты представляют только две возможные предпочтительные альтернативы. Существует, разумеется, множество путей осуществления изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле. Например, основная вибрирующая диафрагма 4 может быть выполнена аналогично наружной и внутренней радиальным секциям 2, 3, образуя вместе с ними единую конструкцию, соответствующие части которой обладают жесткими и гибкими свойствами. Такие свойства могут быть, по меньшей мере, теоретически реализованы при изготовлении диафрагмы из однородного материала, имеющего на различных участках различные толщины или значения жесткости.