ТОННЕЛЬНАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С УМЕНЬШЕННОЙ ВОЗДУШНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТЬЮ, БИПОЛЯРНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ УРОВНЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗВУКА И НОВЫМ ДИЗАЙНОМ И СПОСОБ ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЯ
TUNNEL ACOUSTIC SYSTEM WITH REDUCED AIR TURBULENCE, BIPOLAR DEPENDENCE OF SOUND PRESSURE LEVEL FROM DIRECTION OF SOUND RADIATION AND NEW DESIGN AND METHOD FOR ITS REALISATION

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к акустическим системам, и в особенности к усовершенствованной акустической системе, характеризующейся уникальной геометрией тоннеля или отверстия, соответствующим эффективным способом размещения тоннеля акустической системы и новым внешним видом.
2. Уровень техники
Акустические системы в корпусах с отверстием последние 50 лет были популярны как средства достижения более эффективной генерации низких частот при данном объеме корпуса. Значительный прогресс в области понимания и анализа акустических систем в корпусах с отверстием был достигнут благодаря работе Тиле и Смолла в 1970-х годах. С тех пор широкодоступные компьютерные программы сделали возможным легко оптимизировать конструкцию корпуса акустической системы. Однако на практике эти конструкции, оптимизированные в теории, зачастую либо вовсе не могут быть реализованы, либо работают совсем не так, как задумано.
Существует два основных общепринятых направления в проектировании акустических систем в корпусах с отверстиями: трубчатый тоннель и пассивный излучатель. Несмотря на то, что пассивный излучатель имеет ряд преимуществ, трубчатый тоннель являлся более популярным благодаря низкой стоимости, легкости исполнения и компактности.
Однако трубчатый тоннель обладает и недостатками. Главным образом, к ним относятся нежелательный шум, который может генерироваться в тоннеле при высокой объемной скорости движения воздуха, требуемой для повышения низкочастотного уровня звукового давления, и связанные с этим потери. Например, как известно специалистам, акустические системы в корпусах с отверстием имеют характерную настроечную частоту fp, которая зависит от объема воздуха в корпусе и акустической массы воздуха, поступающей из тоннеля, в соответствии с соотношением
где MAP - это акустическая масса тоннеля, а САВ - это акустическая податливость воздуха в корпусе. Как правило, для создания звукоусилительных акустических систем высокого качества желательно обеспечить низкую настроечную частоту. Можно заключить, что для достижения более низкой настроечной частоты требуется увеличение либо акустической массы в тоннеле, либо акустической податливости, которое достигается в результате увеличения объема корпуса. Акустическая масса тоннеля прямо пропорциональна массе воздуха, находящегося в тоннеле, и обратно пропорциональна площади поперечного сечения тоннеля. Это говорит о том, что для достижения более низкой настроечной частоты следует использовать более длинный тоннель с уменьшенным поперечным сечением. Однако малое поперечное сечение не способствует достижению больших объемных скоростей воздуха, требуемых для воспроизведения высоких уровней звукового давления при низких частотах. Например, если диаметр тоннеля слишком мал или неправильно рассчитан, нелинейное поведение, такое как возмущение или тоннельные помехи вследствие турбулентности воздуха, может вызывать акустические искажения и потери эффективности на низких частотах, в особенности при высоких режимах. Кроме того, вязкостное сопротивление перемещению воздуха в тоннеле может вызывать дополнительные потери эффективности при низких частотах. Увеличение площади поперечного сечения тоннеля может сократить турбулентность воздуха и потери, но при этом необходимо пропорциональное увеличение длины тоннеля для поддержания акустической массы, соответствующей данной настроечной частоте. Однако требуемое увеличение длины может быть неосуществимо на практике. При увеличении длины и поперечного сечения тоннеля могут появиться и другие трудности. В открытых каналах при частоте, обратно пропорциональной длине канала, возникают органно-трубные резонансы. Такие резонансы в определенном диапазоне частот вполне могут вызвать различимые искажения. Например, канал длиной девять дюймов будет вызывать вполне различимый акустический резонанс с основной частотой приблизительно 700 Гц, а канал длиной всего 3 дюйма - гораздо менее различимый акустический резонанс с основной частотой 2100 Гц. В сущности, типичная стратегия, используемая при проектировании акустических систем в корпусах с отверстием, заключается в применении более коротких тоннелей, чтобы органно-трубные резонансы возникали при высоких частотах, при которых они в меньшей степени слышны и при которых менее вероятно попадание их частоты в диапазон частот преобразователей, установленных в корпусе. Кроме того, наличие большей площади поперечного сечения может привести к нежелательной трансмиссии частот среднего диапазона, возникающих внутри корпуса, за пределы корпуса. Это также может привести к ощутимым искажениям в виде изменения частотной характеристики вследствие интерференции с прямым звуком, производимым акустической системой.
Следовательно, при конструировании тоннелей акустических систем с отверстием сталкиваются противоречивые требования. Во избежание акустических помех и потерь вследствие нелинейного турбулентного потока требуется большая площадь поперечного сечения тоннеля, но это усложняет достижение требуемой акустической массы для обеспечения достаточно низкой настроечной частоты с учетом того, что размеры ограничены требованиями практичности. Специалистам известны различные способы конструирования тоннелей с уменьшенной турбулентностью и потерями. Один из них иллюстрирует фиг.1, на которой показан поперечный разрез корпуса 100 акустической системы, включающей преобразователь 102 и тоннель 104, расширяющийся на одном конце или на обоих концах для того, чтобы уменьшить турбулентность. Выполнение тоннеля 104 с расширением способствует уменьшению турбулентности ввиду того, что площадь его поперечного сечения увеличивается на одном конце или на обоих концах, вследствие чего скорость частиц воздуха у выходов из тоннеля уменьшается. Это позволяет уменьшить площадь поперечного сечения середины тоннеля и увеличить акустическую массу при заданной длине тоннеля. Однако для эффективного обеспечения указанного результата расширяющиеся концы 106, 108 должны быть весьма большими, так что они могут сами по себе значительно увеличивать общую длину канала, не оказывая значительного влияния на акустическую массу. Увеличенная площадь поперечного сечения раструба может увеличить трансмиссию нежелательных частот среднего диапазона из корпуса, а неправильно выбранная степень расширения на практике может привести к повышению турбулентности.
Другой традиционный способ, используемый для уменьшения турбулентности и потерь, проиллюстрирован на фиг.2, на которой показан вид в поперечном разрезе корпуса акустической системы 200 и 206. Применение тоннелей 200 и 206 уменьшает турбулентность и потери благодаря совокупной площади поперечного сечения нескольких тоннелей. Однако, так же как и в случае с единственным тоннелем, требуется увеличение длины каждого тоннеля как плата за увеличение общей площади поперечного сечения. Например, если применяют два одинаковых тоннеля, то оба они должны быть приблизительно в два раза длиннее одного тоннеля такой же площади поперечного сечения для достижения такой же акустической массы и настроечной частоты. Как рассмотрено выше, в результате длина тоннеля может оказаться чрезмерной с точки зрения практики, а органно-трубные резонансы более различимыми.
Для уменьшения турбулентности и потерь используются также и другие способы, для которых характерны свои трудности, связанные с конструкцией тоннелей, обсуждаемой выше. Эти способы включают использование тоннелей с закругленными или расширяющимися концами и геометрическими параметрами, которые позволяют сократить органно-трубные резонансы, а также множество способов получения более длинных тоннелей путем их складывания или другого искривления.
Патенты США 5517573 и 5809154, выданные на имя Полк и др., включенные в настоящее описание посредством ссылки на них, раскрывают усовершенствованный способ размещения тоннелей, который позволяет достичь требуемой акустической массы в небольшом пространстве, уменьшить турбулентность и потери. Фиг.3 воспроизводит фиг.7 патента US 5517573. Способ согласно этому патенту включает использование диска, размещенного на конце или концах простого канала и предназначенного для эффективного увеличения площади поперечного сечения на концах тоннеля. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации изобретения для дальнейшего увеличения эффективности тоннельной конструкции используются направляющие приспособления. Преимуществом такого способа является подавление трансмиссии частот среднего диапазона из внутренней части корпуса и обеспечение требуемой акустической массы при большей компактности, а также уменьшения турбулентности и потерь.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованную конфигурацию тоннелей и способ ее использования в акустической системе с уменьшенной турбулентностью и потерями, сокращенной трансмиссией частот среднего диапазона и менее различимыми акустическими органно-трубными резонансами.
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в создании эффективной тоннельной конструкции с новым дизайном, который является более компактным, более простым в исполнении и имеет биполярную зависимость уровня звукового давления от направления излучения звука.
Коротко, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения, в фронтальной панели акустической системы имеется первый тоннель заданной длины, проходящий вглубь корпуса акустической системы. На стенке корпуса акустической системы, противоположной фронтальной панели, имеется второй тоннель такого же поперечного сечения, как и первый, также проходящий вглубь корпуса акустической системы по направлению к первому тоннелю и расположенный на общей оси с первым тоннелем, так что внутренние концы тоннелей отделены друг от друга заданным промежутком в корпусе акустической системы, причем оба тоннеля образуют открытый сквозной канал, беспрепятственно проходящий через весь корпус акустической системы от фронтальной его поверхности до задней. Дополнительная акустическая масса, требуемая для достижения желательной настроечной частоты, обеспечивается благодаря фланцам заданного диаметра, превосходящего диаметр тоннелей, прикрепленным концентрически к внутреннему концу каждого из тоннелей и отделенным друг от друга заданным промежутком. Эти два фланца или диска обеспечивают периферическое увеличение этого внутреннего промежутка между двумя тоннелями. Результатом такой конфигурации является увеличение площади поперечного сечения внутреннего конца тоннеля для уменьшения турбулентности и потерь. Трансмиссия частот среднего диапазона из внутренней части корпуса акустической системы подавляется, поскольку высокие частоты будут стремиться пройти через объем, разделяющий два тоннеля, с очень малой энергией средних частот, покидающих тоннели и выходящих наружу из корпуса акустической системы. Основная частота трубно-органного резонанса, имеющего место вследствие комбинированной длины тоннелей, также подавляется благодаря зазору между двумя тоннелями. Благодаря фронтальному и заднему отверстиям зависимость уровня звукового давления от направления излучения звука на низких частотах в предлагаемой тоннельной конструкции близка к биполярной. Под биполярным излучением звука понимается излучение синфазной акустической энергии спереди и сзади акустической системы в близких, но не обязательно равных количествах. Биполярное излучение звука приводит к более равномерному распределению энергии низких частот в зоне прослушивания. Кроме того, два отверстия тоннелей обеспечивают большую площадь поперечного сечения, которая способствует уменьшению турбулентности и потерь. Наконец, иллюзия сквозного канала, беспрепятственно проходящего через весь корпус акустической системы, создает новый внешний вид.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает поперечное сечение акустической системы с отверстием, имеющей расширяющийся тоннель.
Фиг.2 изображает поперечное сечение акустической системы с отверстием, имеющей несколько тоннелей.
Фиг.3 изображает поперечное сечение акустической системы с отверстием, имеющей геометрию тоннеля по принципу согласно патенту US 5517573.
Фиг.4 изображает поперечное сечение акустической системы с отверстием, имеющей геометрию тоннеля согласно настоящему изобретению.
Фиг.5 изображает вид поперечное сечение акустической системы с отверстием, имеющей геометрию тоннеля согласно настоящему изобретению и снабженной дисками, установленными на внешних отверстиях трубы тоннеля.
Фиг.6 изображает поперечное сечение акустической системы, имеющей геометрию тоннеля согласно настоящему изобретению и включающей направляющее приспособление.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как рассмотрено выше, существуют различные компромиссные решения, используемые в проектировании трубчатых тоннелей для акустических систем. Увеличение площади поперечного сечения, необходимое для уменьшения турбулентности и потерь, требует увеличения длины тоннеля с целью достижения требуемой акустической массы. Увеличенная длина тоннеля может оказаться слишком большой для габаритов системы и также может привести к возникновению органно-трубных резонансов на частотах, которые вероятнее всего могут вызвать проблемы акустического характера. Использование конструкции тоннеля с расширенными концами, наподобие представленной на фиг.1, может уменьшить турбулентность и потери для заданной площади поперечного сечения центральной части тоннеля, но расширяющиеся концы сами по себе не вносят большого вклада в требуемую акустическую массу, однако значительно увеличивают размеры конструкции. Как указано выше, патенты США 5517573 и 5809 154 на имя Полк и др. раскрывают способ расположения тоннелей, который позволяет уменьшить турбулентность и потери и при этом является более компактным и обладает некоторыми другими преимуществами, связанными с подавлением нежелательной трансмиссии частот среднего диапазона и органно-трубных резонансов.
В настоящем изобретении используется новый способ расположения тоннелей, позволяющий достичь дополнительного полезного результата и преимуществ по сравнению с прототипом.
На фиг.4 представлена акустическая система, содержащая корпус 400 по меньшей мере с одним преобразователем 102, установленным на фронтальной панели 402. На фронтальной панели 402 установлена первая тоннельная труба 404 внутреннего диаметра D1 и длины L с наружным отверстием 406, а на задней панели 402 установлена вторая тоннельная труба 408 внутреннего диаметра D1 и длины L с наружным отверстием 410 так, что два тоннеля размещены на общей оси 414 и образуют открытый сквозной канал, беспрепятственно проходящий через весь корпус акустической системы от фронтальной до задней поверхности. Длина L каждой тоннельной трубы 404, 408 выбрана таким образом, чтобы обеспечить заданный промежуток S между внутренними концами этих двух труб. Как показано на чертеже, к внутренним концам тоннельных труб 404 и 408 соответственно прикреплены круглые фланцы 416 и 418 наружного диаметра D2, который превышает внутренний диаметр D1.
Если рассматривать тоннельную конструкцию, представленную на фиг.4, как единое целое, она представляет собой трубчатый канал с окружным отверстием 420 между наружными концами 424, 426 фланцев соответственно 416, 418 в корпусе акустической системы 400 и два наружных отверстия 406 и 410 соответственно во фронтальной панели 402 и задней стенке 412. Конструкция тоннелей содержит воздушный объем между двумя фланцами 416 и 418 и воздушный объем в обоих тоннелях 404 и 408. Полный воздушный объем, который содержится в конструкции тоннелей, предназначен для функционирования в качестве единой акустической массы, определяющей настроечную частоту системы. Если тоннели 404 и 408 абсолютно идентичны, акустическая масса конструкции тоннелей приблизительно равна половине акустической массы единого тоннеля, включая акустическую массу воздуха в пространстве между фланцами 416 и 418, с учетом дополнительных поправок. Для данного диаметра D1 тоннельных труб 404 и 408 акустическую массу конструкции тоннелей удобно регулировать изменением промежутка S или наружного диаметра D2 фланцев 416 и 418. Увеличение наружного диаметра фланцев D2 или уменьшение промежутка S приводит к увеличению общей акустической массы и понижению настроечной частоты. Таким образом, конструкция тоннелей согласно настоящему изобретению позволяет достичь большей акустической массы при более компактном расположении, в сравнении с использованием нескольких традиционных тоннелей, как показано на фиг.2.
На фиг.3, воспроизводящей фиг.7 патента США 5517573, представлена полностью укомплектованная низкочастотная система, указанная в этом патенте как предпочтительный пример реализации изобретения. Как показано на фиг.3, корпус 33 снабжен перегородкой 34, разделяющей внутреннюю часть корпуса на герметичную камеру 36 и камеру 37 с отверстием. Как показано на фиг.3, на перегородке 34 установлено два громкоговорителя 38 и 39. Отверстие 41 тоннеля ведет в камеру 37 через тоннельную трубу 42, проходящую от отверстия 41 внутрь камеры 37. На концах тоннельной трубы установлены диски или дефлекторные пластины 43 и 44, имеющие присоединенные к ним направляющие 45 и 46 для направления потока. Соединитель 47 соединяет направляющие и проходит вдоль трубы. Следовательно, согласно способу, раскрытому в патенте США 5517573, для формирования увеличивающейся площади поперечного сечения на внутреннем конце одной тоннельной трубы 42 используют диск 43 и направляющую 45.
Напротив, в настоящем изобретении, представленном на фиг.4, для формирования увеличивающейся площади поперечного сечения на внутреннем конце тоннельной конструкции используют два фланца 416 и 418, расположенных на концах двух противоположных тоннелей 404 и 408. Большая излучающая площадь объединенных фронтального 406 и заднего 410 отверстий и большая общая площадь поперечного сечения двух тоннелей обеспечивает преимущества, заключающиеся в дальнейшем уменьшении турбулентности и потерь на внешних концах, и наделяет эту тоннельную конструкцию уникальной биполярной зависимостью уровня звукового давления от направления излучения звука. Площадь поперечного сечения пространства между фланцами 416 и 418 отверстия 420 равна π·D2·S и превышает площадь поперечного сечения пространства между фланцами внутреннего отверстия 422, которое равно π·D1·S. Таким образом, тоннельная конструкция, представленная на фиг.4, позволяет в результате создать канал с площадью поперечного сечения, которая возрастает от некоторого минимального значения до большего значения у отверстия 420 конструкции тоннелей, функционирующий по аналогии с расширяющимся тоннелем, представленным на фиг.1 или в патенте US 5809154, и способный уменьшить турбулентность и потери. Благодаря коротким длинам волн средне- и высокочастотные колебания, создаваемые в корпусе 400, стремятся проходить через воздушное пространство между фланцами 416 и 418, не проникая в тоннели 404 и 408. Поэтому трансмиссия этих высоких частот из внутренней части корпуса 400 наружу уменьшается. Органно-трубные резонансы обычно возникают на низких частотах, длина волны которых приблизительно в два раза превышает длину полости, открытой на обоих концах. Согласно настоящему изобретению внутренние концы двух тоннелей 404 и 408 разделены промежутком S. Этот промежуток в значительной степени позволяет устранить любые резонансы, связанные с общей длиной обоих тоннелей, и повышает самый низкий органно-трубный резонанс более чем на одну октаву до частоты, длина волны которой приблизительно составляет удвоенную длину L одного тоннеля 404 или 408. Вероятность того, что этот высокочастотный резонанс будет слышимым, уменьшена. Кроме того, благодаря тому же самому механизму, который подавляет трансмиссию нежелаемых частот среднего диапазона, он будет менее интенсивно возбуждаться под действием акустической энергии, созданной в корпусе 400. Тоннельная конструкция согласно фиг.4 также предлагает новое решение внешнего вида с иллюзией открытого канала, беспрепятственно проходящего насквозь через весь корпус акустической системы.
В первом предпочтительном примере реализации настоящего изобретения параметры Тиле-Смолла системы приблизительно следующие:
BL=12,6 Вб/м;
Cms=0,000487 м/Н;
2
Sd=0,038 м;
Re=3,6 Ом;
Mmd=0,1065 кг;
Qms=5,5;
fs=37,6 Гц;
fc=45,6 Гц (резонансная частота преобразователя, укрепленного в корпусе);
V=60,5 л (объем корпуса);
fp=45,6 Гц (настроечная частота тоннеля),
где BL - показатель мощности привода громкоговорителя; Cms - механическая податливость подвеса громкоговорителя; Re - сопротивление по постоянному току звуковой катушки громкоговорителя; Mmd - динамически движимая масса громкоговорителя; Qms -механическая добротность Q громкоговорителя; fs - частота собственного резонанса громкоговорителя в открытом пространстве; fc - резонансная частота преобразователей, установленных в корпусе; V - объем корпуса и fp - настроечная частота тоннеля.
Согласно фиг.4, примерные размеры тоннельной конструкции для первого предпочтительного примера реализации изобретения могут быть следующими:
D1=4 дюйма (0,1016 м);
D2=6,.5 дюймов (0,1651 м);
S=2 дюйма (0,0508 м);
L=5 дюймов (0,127 м).
Эксперименты показали, что система, сконструированная в соответствии с предпочтительным примером реализации настоящего изобретения, имеет значительно меньшие вентиляционные помехи и больший выход низких частот, чем аналогичная система, сконструированная с использованием традиционных способов, раскрытая в патентах США 5517573 и 5809154.
Возможно несколько вариантов использования основных принципов настоящего изобретения. Например, для дальнейшего уменьшения турбулентности и потерь к одному или обоим наружным концам тоннельных труб 404 и 408, представленных на фиг.4, может быть присоединен раструб 106, наподобие того, что показан на фиг.1. Еще в одном примере, представленном на фиг.5, у одного или обоих наружных отверстий 406 и 410 тоннельных труб 404 и 408 на заданном расстоянии S2 могут быть установлены диски соответственно 502 и 504. Согласно патенту США 5809154, это приводит к увеличению поперечного сечения у внешних концов тоннельной конструкции, что способствует снижению турбулентности и потерь. Дополнительной эффективности системы тоннелей можно добиться благодаря присоединению направляющих приспособлений 506 и 508 для фиг.6, дополнительно увеличить эффективность тоннелей можно путем присоединения направляющего приспособления 602, расположенного посередине между фланцами 416 и 418.
2
В отношении варианта, представленного на фиг.4, следует отметить, что, как правило, желательно, чтобы промежуток S был выбран таким образом, чтобы площадь поперечного сечения канала, где тоннели примыкают к внутреннему диаметру отверстия 422 фланцев, определяющаяся соотношением π·D1·S, приблизительно была равна совокупной площади поперечного сечения обоих тоннелей 404 и 408, которая определяется соотношением 2·π·(0.5·D1). Может, однако, понадобиться выбирать меньшее или большее значение промежутка S, чтобы регулировать акустическую массу конструкции тоннелей для достижения желательной настроечной частоты. Эксперименты показали, что способ расположения каналов согласно настоящему изобретению эффективен при значениях промежутка S от значительно меньших, чем половина диаметра 01, до значительно превышающих удвоенный диаметр D1. Для значений S, которые находятся вне этого диапазона, эффективность способа расположения каналов согласно настоящему изобретению снижается. Однако исключительные преимущества биполярной зависимости уровня звукового давления от направления излучения звука, большой площади поперечного сечения и нового дизайна сохраняются независимо от размера промежутка S или диаметра D2 фланцев 416 и 418, показанных на фиг.4, поэтому любые их значения следует считать частью объема притязаний по настоящему изобретению.
Кроме того, как правило, желательно, чтобы два тоннеля 404 и 408 были по существу одинаковыми. Однако, исходя из практических соображений, может оказаться целесообразным использование тоннелей с различными поперечными сечениями, различной длиной и различными акустическими массами. Очевидно, что такие варианты выполнения изобретения также находятся в пределах объема притязаний по настоящему изобретению и имею вышерассмотренные преимущества. Аналогично, тоннели не обязательно должны быть круглой формы. Можно применять различные формы поперечного сечения тоннелей 404 и 408, и соблюдая основные принципы настоящего изобретения, выбирать различные формы фланцев 416 и 418, например прямоугольную, квадратную, треугольную или другие формы. Кроме того, нет необходимости того, чтобы корпус акустической системы был прямоугольной или какой-либо особенной формы; главное, чтобы тоннельная конструкция была выполнена согласно раскрытому здесь настоящему изобретению. В качестве примера, не ограничивающего настоящее изобретение, корпус акустической системы может иметь цилиндрическую или круглую форму, имея при этом одно отверстие тоннеля на одной изогнутой поверхности и другое отверстие тоннеля на другой изогнутой поверхности. Для специалиста в этой области очевидно, что возможны другие варианты в рамках объема притязаний согласно настоящему изобретению.