АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С САБВУФЕРОМ В ЕДИНОМ ГИБРИДНОМ АКУСТИЧЕСКОМ ОФОРМЛЕНИИ

Полезная модель относится к конструктивным элементам акустического оформления громкоговорителей электродинамического типа и может быть использована для реализации многополосных и многоканальных акустических систем, позволяет значительно уменьшить их габариты и увеличить уровень отдачи звуковых волн в области крайних низких частот.
Из уровня техники известны акустические системы (в дальнейшем АС) с одной и большим числом динамиков. При наличие в АС нескольких динамиков, как правило, между ними происходит разделение спектра воспроизводимых звуковых частот на полосы. Традиционно принято разделять спектр звукового сигнала на высокие частоты (ВЧ), средние частоты (СЧ), низкие частоты (НЧ). Такое решение позволяет значительно повысить качество звучания АС. Так как для качественного воспроизведения различных групп частот (НЧ, ВЧ, СЧ) в силу законов физики требуются динамики с различными техническими характеристиками.
Не существует четко оговоренных границ частотных полос, которые воспроизводят в АС динамики НЧ, СЧ и ВЧ. Традиционно, НЧ динамики воспроизводят звуковые частоты в диапазоне от максимально возможной для данного динамика нижней границы до 300 Гц-700 Гц. Для воспроизведения более НЧ, применяются специализированы АС, - сабвуферы. Традиционно они воспроизводят звук в полосе частот до 160-200 Гц.
Основную сложность с экономической и технической стороны вызывает воспроизведение звуковых колебаний максимально низких по частоте. Существует почти линейная зависимость габаритов АС и их возможности воспроизводить крайние НЧ. Чем больше габариты имеет АС, тем более качественно они способны воспроизводить крайние НЧ. Для качественного воспроизведения крайних НЧ габариты АС приходится увеличивать до размеров неприемлемого для большинства потребителей. Для того, что бы АС оставались в приемлемых габаритах, но при этом качественно воспроизводили крайние НЧ, к АС добавляют специализированные АС, - сабвуферы. За счет использования сабвуфера удается значительно уменьшить суммарные габариты АС.
АС не имеющие в своем составе сабвуфера, для того, что бы воспроизводить аналогичные по уровню и частоте крайние НЧ, потребуется иметь приблизительно в три раза большие суммарные габариты, нежели АС имеющей в своем составе сабвуфер.
Сабвуферы всегда дополняют основные АС, так как воспроизводят только очень небольшой участок крайних НЧ.
Сабвуферы всегда представляют из себя отдельное устройство. В некоторых редких случаях сабвуферы и АС воспроизводящие основной спектр звукового сигнала объединяют в одном предмете. Но при этом это всегда дизайнерское решение. Так как сабвуфер всегда отдельное независимое устройство, акустически изолированное от АС воспроизводящих основной спектр звукового сигнала.
Как правило, в сабвуферах применяют динамики с большим диаметром диффузора (8-12 дюймов). Большой диффузор динамика по своим физическим свойствам значительно упрощает задачу воспроизведения крайних НЧ. В месте с тем в большом объеме производятся сабвуферы с небольшим диаметром диффузора, - от 3 дюймов. Не существует жестко огорченных границ частот, которые воспроизводят сабвуферы. Большинство словарей трактуют сабвуфер как устройство воспроизводящие звуковые сигналы крайних НЧ. Как правило, до 160-200 Гц.
Сабвуфер характеризует: применение специализированных динамиков, которым не требуется воспроизводить частоты выше 200 Гц, и их физические свойства оптимизированы исключительно для воспроизведения крайних НЧ (предельно низкая резонансная частота, предельно большой ход диффузора).
В сабвуферах вся мощность динамика используется исключительно для воспроизведения очень узкой полосы крайних НЧ. За счет этого удается значительно повысить уровень звуковой отдачи на этих крайних НЧ.
Увеличение звуковой отдачи на крайних НЧ достигается применением для сабвуфера отдельного усилителя с активными фильтрами на его входе. Это позволяет отказаться от пассивных фильтров и как следствие полностью исключить потерю в них мощности. Пассивная фильтрация для сабвуферов является экзотическим решением. Так как применение пассивных фильтров на стандартных необходимых для сабвуферов частотах 30-200 Гц экономически и технически сложно реализуемо и всегда ведет к неприемлемой потере мощности в пассивных фильтрах.
Для увеличения звукового давления на крайних НЧ применяют специальные сабвуферные виды акустического оформления динамиков, - бандпасс (bandpass) 4 и 6 порядков. Бандпасс представляет из себя ящик, разделенный в середине дополнительной стенкой на две камеры. Динамик помещен на перегородку между двумя камерами. Одна или обе из этих камер включают себя фазоинвертор (Fig №1). Фазоинвертор представляет из себя трубку, как правило, круглого сечения, которая настраивается на определенную частоту. Фазоинвертор (см. Фиг.1) в силу своих физических свойств ограничивает линейный ход диффузора на частоте своей настройки, при этом пропускает через себя частоты ниже частоты своей настройки.
Это позволяет механически ограничивать перемещение диффузора в пределах его рабочего линейного хода. Вследствие этого звуковое давление в области крайних НЧ создаваемое динамиком в акустическом оформлении бандпасс значительно выше, чем у акустического оформления фазоинвертор или закрытый ящик.
Из области техники известно устройство пассивный излучатель. Пассивный излучатель представляет из себя аналог динамика без звуковой катушки и магнитной системы (Фиг.2).
При своей работе динамик обратной стороной своего диффузора создает внутри АС звуковое давление. В случаи если в месте с ним в едином объеме будет находиться пассивный излучатель, диффузор пассивного излучателя будет излучать колебания звуковой частоты в полосе частот резонанса диффузора пассивного излучателя. Задачей пассивного излучателя является использования излучения тыльной стороны активного динамика, которые не гасятся внутри корпуса АС, а по средством диффузора пассивного излучателя преобразовываются в звуковые частоты, которые излучаются во внешнее пространство.
Традиционно частота резонанса пассивного излучателя выбирается ниже частоты резонанса активного динамика. Как следствие, звуковые частоты излучаемые пассивным излучателем будут ниже звуковых частот, излучаемых активным динамиком. Тем самым пассивный излучатель (А) позволяет расширить диапазон частот в крайней НЧ области, которые не воспроизводит активный динамик (В). В инженерной литературе принято указывать на схожесть технического результата акустического оформления пассивный излучатель и фазоинвертор. Так же как и в акустическом оформлении фазоинвертор, акустическое оформление пассивный излучатель приводит к расширению нижней границы воспроизводимых частот за счет того, фазоинвертор и пассивный излучатель излучают звуковые частоты ниже полосы звукового излучения динамика.
Традиционно принято выполнять акустическое оформления АС в одном из вариантов, - фазоинвертор или пассивный излучатель. Оба этих решения схожи по достигаемому техническому результату и его качеству. При этом акустическое оформление пассивный излучатель по большинству параметров является более дорогим и как следствие менее распространенным.
Так же из области техники известно использование динамика одновременно в двух качествах, - динамика и пассивного излучателя. Динамик (А) и (В) располагаются в едином корпусе без герметичны преград. Динамик (А) воспроизводит СЧ, по средством подачи на его звуковую катушку выделенного электрического звукового сигнала СЧ. Так же он воспроизводит НЧ по средством того, что его диффузор выполняет функцию пассивного излучателя, который воспроизводит звуковой сигнал ниже полосы воспроизводимых частоты динамика (В) (Фиг.3).
Указанное выше решение не имеет практического применения в силу того, что использование динамика в качестве СЧ динамика и пассивного излучателя требует одновременного наличия у динамика противоречивых физических свойств. Так воспроизведение динамиком (А) частот ниже полосы частот динамика (В) потребует применения в динамике (А) тяжелого диффузора с низкой частотой резонанса и большой амплитудой его перемещения. Одновременное использование динамика с такими физическими свойствами в качестве СЧ динамика не позволит качественно воспроизводить СЧ. Так как для качественного воспроизведения СЧ требуются динамики с более легким диффузором, более высокой резонансной частотой. А большой линейный ход его диффузора приведет к сильным искажением воспроизводимых им СЧ. Так как возникнет «эффект Доплера» - источник сигнала (диффузор) будет перемещаться в пространстве. А величина этого перемещения будет сопоставима с длиной излучаемой волны на СЧ/ВЧ.
Человек в силу своих физиологических способностей не способен определить направление звучания крайних НЧ. Это позволяет использовать для воспроизведения крайних НЧ в многоканальных аудио системах один единственный сабвуфер, который воспроизводит сумму крайних НЧ всех каналов.
Традиционно многоканальные принято выполнять в разделенных акустических объемах, так как объединение нескольких каналов в единое акустическое оформление не дает ни каких известных из области техники преимуществ.
Технический результат заявленного устройства: обеспечение расширения нижней границы воспроизводимых частот и увеличение мощности излучения акустической системы, при уменьшении габаритов акустической системы, за счет того, что в одном общем объеме акустической системы работают несколько динамиков, один или несколько из которых имеют сабвуферные технические характеристики.
Заявленный технический результат достигается за счет интеграции сабвуфера и широкополосной АС в одном акустическом оформлении.
Заявляется акустическая система, содержащая не менее двух динамиков, не менее одного из которых выполнен сабвуферным, отличающаяся тем, что сабвуферный и другие динамики расположены в едином корпусе акустической системы без герметичных преград, причем один динамик при общем количестве два динамика или два динамика при общем количестве не менее четырех, имеющие функцию сабвуферных динамиков, выполнены воспроизводящими звуковой сигнал выделенный фильтром НЧ настроенным на частоту до 200 Гц, от отдельного усилителя или усилителей, а другие один или несколько динамиков выполнены воспроизводящими звуковой сигнал за исключением полосы частот воспроизводимых сабвуферным динамиком по средством подачи на их звуковые катушки электрического звукового сигнала, а так же одновременно являются пассивными излучателями и выполнены воспроизводящими звуковые частоты в полосе частот сабуферного динамика или выше.
Кроме того акустическая система содержит один или несколько фазоинверторов.
Кроме того перед диффузором сабвуферного динамика расположена герметичная камера.
Кроме того перед диффузором сабвуферного динамика расположена герметичная камера с одним или несколькими фазоинверторами.
Кроме того акустическая система содержит дополнительные устройства воспроизведения более высоких частот, которые не воспроизводит система, описанная выше.
На Фиг.4 (а, б) показано конструктивное устройство акустической системы, где 1 - сабвуферный динамик, 2 - широкополосный (или НЧ/СЧ) динамик, 3 - корпус акустической системы, 4 - усилители, 5 - фазоинвертор, 6 - фильтр ВЧ, 7 - фильтр НЧ, 8 - вход, 9 - устройство воспроизведения более высоких частот, 10 - сумматор звуковых каналов, 11 - вход первого канала, 12 - вход второго канала, 13 - устройство воспроизведения более высоких частот первого канала, 14 - устройство воспроизведения более высоких частот второго канала.
При соблюдении ряда условий существует способ интеграции сабвуфера и широкополосной АС в одном акустическом оформлении. Для достижения результата используется не менее двух динамиков. Один из динамиков, динамик (А) (1) имеет сабвуферные технические характеристики, а второй, динамик (В) (2) широкополосной или НЧ/СЧ. Их размещают в корпусе (3) АС без герметичных преград между ними (см. поясняющую схему Фиг.5).
Общепринято, что сабвуферный динамик (1) имеет как правило значительно большую площадью диффузора и величину рабочего хода. Совместная работа в одном объеме сабвуферного (1) динамика и широкополосного (2) (или НЧ/СЧ) динамика при использовании сабвуферов с большой площадью диффузора невозможна, так как сабвуферный динамик обратной стороной своего диффузора создаст высокое давление внутри АС.
Это давление будет оказывать воздействие на широкополосной (или НЧ/СЧ) динамик, которое заблокирует нормальную его работу, - выведет диффузор за пределы рабочего хода. Давление создаваемое сабвуфером внутри АС может быть настолько высоко, что в ряде случаев может привести к механическому повреждению широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика.
Величина давления создаваемого динамиком пропорциональна площади диффузора и величине его рабочего хода. Для реализации работы сабвуферного динамика в едином воздушном пространстве с широкополосным (или НЧ/СЧ) динамиком требуется, что бы давление, создаваемое сабвуферным динамиком внутри АС, не превышало величины, при котором амплитуда перемещения диффузора широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика выходила за пределы его рабочего хода.
Давление внутри АС можно регулировать:
1. Площадью диффузора сабвуферного динамика. Изначальное ограничение величины давления, создаваемого сабвуферным динамиком внутри АС, по средством использования сабвуферных динамиков с небольшой площадью диффузора. С задачей воспроизведения крайних НЧ справляются сабвуферы и с небольшим диаметром диффузора. Сабвуферы с диффузорами от 3 дюймов массово применяются в составе компактных АС. Как правило, в компьютерных, или настольных АС. А так же в других случаях, когда требуется при минимальных суммарных габаритах АС добиться максимально большей звуковой отдачи крайних НЧ.
2. Применением акустического оформления фазоинвертор и регулированием его площади. Давление, создаваемое сабвуферным динамиком внутри АС, можно выводить за пределы АС применением акустического оформления фазоинвертор. А также регулировать его величину площадью сечения фазоинвертора.
3. Использование нескольких широкополосных (или НЧ/СЧ) динамиков. Использование множества широкополосных (или НЧ/СЧ) динамиков. Тем самым, давление создаваемое сабвуферным динамиком внутри АС, будет распределятся между множеством диффузоров широкополосных (или НЧ/СЧ) динамиков. Важным моментом является характер воздействия сабвуферного динамика на широкополосный (или НЧ/СЧ) динамик. В случае их работы в одной фазе давление создаваемой обратной стороной диффузора сабвуферного динамика внутри АС будет противофазно широкополосному (или НЧ/СЧ) динамику. Для того, что бы избежать противофазного силового воздействия сабвуферного динамика на широкополосный (или НЧ/СЧ) динамик их включают в противофазе друг к другу. В реальных условиях при воспроизведении динамиком крайних низких частот происходит неизбежное смещение фазы, в силу не идеальности фазовых характеристик динамиков при работе на крайних НЧ. По этой причине под противофазой подразумевается подключение, при котором динамики в большей степени находятся в противофазе друг другу. Это изменение полярности подключения динамиков или применение для одного из них устройства плавного регулирования фазы.
Обязательным условием подключения динамиков со смещением фазы является исключение из полосы частот воспроизводимых широкополосным (или НЧ/СЧ) динамиком совместной полосы частот воспроизводимых сабвуферным динамиком. Так как в случае, если динамики будут воспроизводить совместные частоты в противофазе, возникнет «акустическое короткое замыкание», - волны одной частоты в противофазе будут взаимно уничтожаться. Разделение полос динамиков можно реализовать электрическим либо механическим способом.
В первом случае перед широкополосным (или НЧ/СЧ) динамиком (2) или его усилителем (4) устанавливается фильтр ВЧ (6), который ограничивает воспроизведение широкополосным (или НЧ/СЧ) динамиком участка звуковых частот воспроизводимых сабвуферным динамиком (1). Во втором случае характеристики широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика (2) подбираются таким образом, чтобы спектр воспроизводимых им частот изначально не содержал участка звуковых частот воспроизводимых сабвуферным динамиком.
При работе сабвуферного динамика и широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика в противофазе и разделении спектра полос их совместного звучания, достигается результат, при котором сабвуферный динамик в процессе своей работы не будет оказывать встречного силового давления на широкополосный (или НЧ/СЧ) динамик. Так как его воздействие сведется к модуляции диффузором широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика звуковых частот на частоте резонанса широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика.
Модуляции диффузором широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика звуковых частот на частоте резонанса окажутся в одной фазе с воспроизводимым им звуковым сигналом по средством подачи на его звуковую катушку электрического сигнала.
Для демпфирования динамика его располагают в ящике определенного объема. Объем воздуха в ящике должен обладать упругость эквивалентной упругости подвеса диффузора динамика. Именно необходимый эквивалентный объем динамика задает габариты АС.
В случае традиционного акустическое разделение АС на сабвуфер и АС воспроизводящих основной спектр сигнала, общие габариты АС равняются сумме габаритов сабвуфера и габаритов АС воспроизводящих основной спектр сигнала.
В случае если сабвуфер и широкополосный (или НЧ/СЧ) динамик работают в едином корпусе в противофазе и будет соблюдено условие, при котором они не будут излучать совместного спектра звуковых частот, габариты такой АС будут равны только габаритам эквивалентного объема сабвуфера. Так как широкополосный (или НЧ/СЧ) динамик при своей работе в противофазе уменьшит общую упругость воздуха в ящике, что позволит даже незначительно уменьшить объем ящика требуемый сабвуферу для своей работы. Как следствие, суммарные габариты АС при работе динамиков в одном объеме будут меньше, нежели при работе динамиков в акустически разделенных объемах.
В большом ряде случаев, у потребителей существует потребность в АС ближнего поля. К примеру, компьютерная акустика, где расстояние между акустическим стерео системами обычно составляет 0,4-1 м. Так же в ряде случаев от АС требуется быть многоканальной в едином монолитном корпусе.
Слух человека не локализует направления источника звучания на крайних НЧ. Для реализации многоканального или стерео звучания достаточно использовать один сабвуфер, который воспроизводит сумму всех звуковых каналов (Фиг.6).
Размещение в одном объеме сабвуфера и нескольких широкополосных (или НЧ/СЧ) динамиков, которые воспроизводят независимые звуковые каналы, приводит к значительному снижению общего суммарного объема АС/ так как габариты полученной АС будут равны только эквивалентному объему сабвуферного динамика.
При работе сабвуферного динамика в едином с широкополосным (или НЧ/СЧ) динамиком объеме, диффузор широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика естественным образом приобретает дополнительное свойство, - быть пассивным излучателем звуковых частот. Диффузор широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика, выполняя функцию пассивного излучателя, будет излучать полосу звуковых частот близких к частоте своего резонанса. Использование динамика широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика в качестве пассивного излучателя, который работает в полосе частот ниже, чем динамик, активизирующий его свойства быть пассивным излучателем, приводит к появлению неприемлемо больших искажений в полосе частот воспроизводимых широкополосным (или НЧ/СЧ) динамиком по средством подачи на его звуковую катушку электрического сигнала. Величина этих искажений будут на прямую зависеть от величины амплитуды перемещения его диффузора, так как чем ниже частота резонанса широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика, тем с большой амплитудой будет совершать движение его диффузор.
Снизить искажения до приемлемого уровня позволяет гибридное акустическое оформление. В АС реализуется одновременно два типа акустического оформления, - фазоинверторное и акустическое оформление пассивный излучатель. При этом фазоинвертор (5) берет на себя традиционную задачу воспроизведения полосы частот на самых крайних НЧ. А пассивный излучатель, которым является диффузор широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика, воспроизводит звуковые излучения в более высокой полосе частот, чем фазоинвертор, которые находится в полосе частот воспроизводимых сабвуферным динамиком или выше. Что достигается соответствующим выбором резонансной частоты широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика.
Перед пассивным излучателем, которым является диффузор широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика не ставится задача воспроизводить максимально крайние НЧ, что позволяет значительно снизить искажения в основном спектре воспроизводимого им звукового сигнала. Задачу воспроизведения крайних НЧ выполняет фазоинвертор (5), а пассивный излучатель дополняет его в более высокой полосе частот. Важным результатом при использовании гибридного акустического оформления является распределение давления создаваемого сабвуферным динамиком (1) внутри АС между фазоинвертором (5) и пассивным излучателем (2). Фазоинвертор (5) заберет на себя большую часть давления создаваемого сабвуферным динамиком внутри корпуса АС (3). Как следствие амплитуда перемещения диффузора широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика уменьшиться в несколько раз, что снизит в несколько раз искажения широкополосного (или НЧ/СЧ) динамика в основном спектре воспроизводимого им звукового сигнала.
Для увеличения отдачи в области крайних НЧ в устройстве можно применить специальные традиционные виды сабвуферного акустического оформления - бандпасс.
На Фиг.7 показана АС в акустическом оформление сабвуфера бандпасс 4 порядка, где 15 - герметичная камера, которая служит для механического ограничения амплитуды перемещения диффузора сабвуферного динамика.
На Фиг.8 показана АС в акустическом оформление сабвуфера бандпасс 6 порядка.
На Фиг.9 показана многоканальная АС в акустическом оформление сабвуфера бандпасс 4 порядка.
На Фиг.10 показана многоканальная АС в акустическом оформление сабвуфера бандпасс 6 порядка.
Акустическая система по Фиг.5, Фиг.6, Фиг.7, фиг.8, Фиг.9, Фиг.10 способна воспроизводить весь спектр звуковых частот. Вместе с тем, в ряде случаев, для более качественного воспроизведения ВЧ и части СЧ, возможна его модификация, при которой к устройству по Фиг.5, Фиг.6, Фиг.7, Фиг.8, Фиг.9, Фиг.10 добавляют отдельные акустически изолированные устройства, имеющие более качественные характеристики в области воспроизведения СЧ и ВЧ, нежели у устройства по Фиг.4.