АКУСТИЧЕСКАЯ КОЛОНКА

Изобретение относится к электротехнике, в частности касается способа повышения качества аудио звучания акустических систем, в частности изобретение рассматривает конструкцию акустической колонки, в которой размещены динамики низкой, средней и высокой частоты звучания.
Известна акустическая колонка, содержащая коробчатой формы корпус с лицевой панелью, предназначенной для пропуска звуковой волны по крайней мере от высокочастотного и/или среднечастотного динамика (см. статью «Ceram(ic) Полочники на базе компонентов THIEL», выложенная в режиме он-лайн в Интернет на официальном сайте «N-audio Лаборатория» компании «N-audio» в разделе «По страницам акустических журналов. Акустические системы - конструкции и чертежи», обнаружено 20.11.2009 г.).
Недостаток данного решения заключается в том, что корпус, как правило, выполняемый из тонкостенного материала типа дерева или фанеры, представляет собой резонатор. Внутри корпуса закреплены динамики, в том числе либо высокочастотного звукового диапазона, либо среднечастотного звукового диапазона, либо оба динамика сразу один под другим. Эти динамики раствором направлены в сторону передней деки, выполненной с возможностью пропуска наружу звуковой волны от динамиков. Но при этом в полости коробчатого корпуса формируется фронт отраженных от стенок корпуса звуковых волн, которые так же направляются в сторону передней деки. В результате на выходе происходит сложение прямого и отраженного фронтов, приводящее к искажению чистого звучания. Кроме того. В корпусе происходят резонансные явления от наложения отраженных волн, которые так же приводят к тому, что исходящий от корпуса фронт волн так же накладывается на фронт прямой волны, что так же вноеит искажение в звучание.
В настоящем изобретении решается техническая задача по снижению влияния резонансных явлений на качество чистого звука, исходящего из колонок в диапазоне средних и высоких частот, что решается введением в корпус колонки эфов по типу резонаторных прорезей скрипичных музыкальных инструментов типа скрипки.
Достигаемый технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик акустической колонки и улучшении качества звукового сигнала путем приближения его к чистому звучанию музыкального струнного инструмента, имеющего коробчатый тонкостенный корпус за счет снятия резонансных явлений внутри корпуса колонки.
Технический результат достигается тем, что в акустической колонке, содержащей коробчатой формы корпус с лицевой декой, предназначенной для пропуска звуковой волны по крайней мере от высокочастотного и/или среднечастотного динамика, в лицевой деке рядом с зоной пропуска звуковой волны по крайней мере от высокочастотного и/или среднечастотного динамика выполнены фигурно вырезанные резонаторные отверстия или прорези типа эфов.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - общий вид акустической колонки.
Акустическая колонка (фиг.1) содержит коробчатой формы корпус 1 с лицевой декой 2, предназначенной для пропуска звуковой волны по крайней мере от высокочастотного 3 и/или среднечастотного динамика 4, при этом в лицевой деке рядом с зоной пропуска звуковой волны по крайней мере от высокочастотного и/или среднечастотного динамика выполнены фигурно вырезанные резонаторные отверстия или прорези 5 типа эфов.
Эфы - это фигурно вырезанные отверстия на деках некоторых акустических инструментов. Эфы есть у скрипки, виолончели, контрабаса и многих других известных струнных. Формой эфы похожи на двуглавую змею, но главное - похожи на букву «f». В скрипке или ином струнном инструменте с корпусом коробчатой формы эфы выполняются в верхней деке в виде двух резонаторных отверстий. Данное техническое усовершенствование обеспечивает очень четкое и реалистичное, как живое, звучание.
Оценке качества звучания музыкального инструмента осуществляется двумя способами: субъективным, основанном на слуховых возможностях исследователя, и так называемым объективным (измерение силы звука на заданных частотах, исследование спектрального состава звука. Так как тембр является качеством слуховых ощущений, возникающих от воздействия звуковой волны на орган слуха, то тембр конкретного тона зависит не только от формы этой звуковой волны, которая варьируется в зависимости от составляющих ее обертонов, или гармоник, с их частотами и интенсивностью, но и от некоторых субъективных особенностей слуховых ощущений слушателя. Дело в том, что любая гармоника которую слышит музыкант, является составным звуком, состоящим из объективно-существующего обертона, который может быть зафиксирован спектрографом, и субъективных разностных и суммарных тонов, которые возникают только в нашем сознании от взаимодействия объективно-существующих гармоник звука. Поэтому тембр любого музыкального инструмента с такими объективно-субъективными составляющими трудно поддается описанию только с помощью приборов и нуждается в личностной оценке музыканта.
Звук производится, когда вибрирующая поверхность взаимодействует с окружающим ее воздухом. Двигаясь вперед и назад дека скрипки сжимает и разряжает воздух вокруг себя. В результате этих сжатий и разряжений воздуха, прилегающего к деке, создаются звуковые волны, распространяющиеся со скоростью 331.29 м/сек. Звуковые волны от внешней и внутренней сторон деки различаются по фазе на 180 градусов, что соответствует половине длины волны. Если бы корпус скрипки представлял собой только одну деку, т.е. дека была бы в свободном воздухе, она бы вела себя как рыба на берегу.
При смешении воздуха обеих зон наступает акустическое короткое замыкание. Звуки высоких частот смешиваются мало, однако длинные волны низких частот огибают поверхность деки и взаимоуничтожаются. Одна из важнейших задач корпуса скрипки - это ограничить нежелательное смешение разнофазовых волн. Так как скрипичный корпус имеет небольшие отверстия (эфы), воздух внутри корпуса имеет возможность взаимодействовать с внешним воздухом как пружина, тогда как воздух в эфах действует как излучатель. Этот дополнительный воздушный источник звука вибрирует в фазе с одними частотами и противофазе с другими. Таким образом, звук производится не только от движения деки и дна, но и от движения воздуха вовнутрь и наружу через эфы, образуя резонансную систему (как в резонаторе Гельмгольца). Частота резонанса в такой системе зависит от воздушного объема внутри корпуса и массы воздуха в отверстии.
Благодаря конфигурации скрипичного корпуса, фазы гармоник при выходе через эфы имеют уже другой угол, что способствует не только вычитанию, но и сложению их амплитуд. Одной из особенностей резонатора Гельмгольца является то, что излучение из отверстия не сильно зависит от размера последнего, если оно круглое (как в гитаре). При щелевидном отверстии (как в скрипке) изменения в спектре звука становятся заметными, когда мы меняем пропорциональное отношение между длиной и шириной щели. Таким образом, щелевая конфигурация эфов в скрипках помогает мастерам регулировать звучание инструмента.
Так как эфы с внутренним объемом воздуха корпуса скрипки образуют резонансную систему, для скрипичного мастера очень важно контролировать соотношение между этими двумя объемами воздуха. Баланс достигается как увеличением или уменьшением объема воздуха в корпусе инструмента за счет обечаек, так и изменением параметров эфов.
В одной из первых работ по акустике скрипки «Ученые записки о конструкции струнных инструментов» (Париж, 1818) французского мастера Феликса Савара (1791-1841) доказательно определена независимость акустической характеристики струнно-смычкового инструмента от конфигурации его корпуса. Учитывая данный вывод, была проведена экспериментальная работа по созданию акустического короба для динамиков средней и высокой частоты с эфами на передней деке в зонах около этих динамиков.
Анализ работы такой акустической системы показал, что волновые процессы, происходящие в системе «корпус-эфы-помещение», имеют сложный характер и должны описываться различными системами уравнений. Однако для понимания наиболее важных явлений, происходящих в данной системе {интерференции, дифракции, отражения и преломления, рассеяния и т.д.) нет необходимости анализировать исходные, вообще говоря, сложные системы уравнений. Простые эффекты, как правило, описываются простыми и потому универсальными математическими моделями. Корпус акустической колонки является замкнутым пространством для звукового поля (для данных объяснений эфы пока значения не имеют). Звуковые волны в замкнутом пространстве, многократно отражаясь от границ, образуют сложное поле колебательного движения воздуха, которое определяется не только свойствами источника звука (в колонке такими источниками служат передняя дека и задняя стенка), но также геометрической формой и размерами пространства, и способностью границ пространства отражать, пропускать и поглощать акустическую энергию. Из-за малого объема корпус колонки не может быть диффузным, поэтому волны этого поля когерентны и в нем присутствуют устойчивые явления интерференции. В результате этого в корпусе колонки появляются вторичные источники звука, которые расположены между реальными источниками (передняя дека и задняя стенка) в некоторой точке пространства (принцип Гюйгенса-Френеля). Благодаря своей конфигурации корпус акустической колонки формирует этот вторичный источник в районе эфов. На выходе из корпуса через эфы звуковая волна превращается в волновой пучок. Иногда такой пучок можно рассматривать как луч, поведение которого описывается законами геометрической оптики. Однако распространение реальных волновых пучков отличается от поведения лучей. Причина этого отличия заключается в явлении дифракции.
Точное и математически строгое решение дифракции звуковой волны при прохождении ее через эфы получить не удается, так как это связано с большими трудностями: очень сложная форма передней деки, выполненная не менее сложной формы щели (эфы). Поэтому очень важное значение здесь (определение качества звуковой волны, выходящей через эфы) имеет слух мастера. Современная теоретическая физика (метод Кирхгофа) доказывает, что при прохождении плоской волны через экран с отверстием ее спектр расширяется. Ширина углового спектра определяется отношением длины волны к размерам отверстия и зависит также от направления распространения волны. Последнее замечание относится к расстоянию между эфами. Действительно, чем шире расположены эфы на деке, тем явственней выделяются нижние обертоны и басовые звуки.
Именно эти особенности и позволили создать акустическую колонку с почти живым звучанием.
Настоящее изобретение промышленно применимо, изготовлены опытные образцы и проведены испытания, которые показали, что с помощью акустических эфов на фронтальной деке (панели) все перечисленные выше инструменты со своими особенностями звучания воспроизводятся акустическими колонками очень четко и реалистично, как живые.