АКУСТИЧЕСКИЙ РУПОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ACOUSTIC HORN AND METHOD OF MAKING SAME (VERSIONS)

Изобретение относится к акустике и касается конструкции акустической колонки рупорного типа и способа ее изготовления с приближением характеристик кривых внутренней поверхности во взаимно-перпендикулярных направлениях к идеальной форме - трактрисе или экспоненте.
Рупор (HORN) с древних времен был средством усиления голоса человека, например, руки кричащего человека, сложенные воронкой около его рта, полый рог животного, являвшимся средством передачи и усиления звука и т.д. Человек давно заметил эти свойства постоянно расширяющейся трубы, и только впервые лорд Рэлей в 1878 году дал математическое описание рупора и его построения. Позже, вплоть до середины прошлого века великие математики, акустики и инженеры завершили построение математической теории рупора. Профиль идеального рупора расширяется по экспоненциальной зависимости, а также в виде другой кривой - трактрисы. Эти две кривые имеют некоторые преимущества и недостатки друг перед другом, но, скорее, являются делом вкуса конструктора. Другими словами, сечение рупора, сделанное перпендикулярной плоскостью к его оси, имеет площадь, изменяющуюся по экспоненциальному закону или формуле построения трактрисы, причем математически строго «связаны» между собой длина рупора, площадь входного отверстия (горла), площадь выходного отверстия (устья) и площадь диффузора громкоговорителя. Все расчеты ведутся для идеального рупора - рупора с прямой осью симметрии и имеющим в своем сечении круг. Любые отходы от идеала являются большими или меньшими компромиссами.
До сих пор акустическое оформление динамика в виде переднего (Front Loaded Horn Enclosure) или заднего (Back Loaded Horn Enclosure) является средством самой достоверной передачи музыкального материала, почти волшебным образом передающим замысел автора произведения и эмоции исполнителя. В рупорных системах применяют специальные широкополосные динамики, которые перекрывают практически весь слышимый частотный диапазон. Наиболее предпочтительным для усиления звука является ламповый усилитель звуковой частоты, а в качестве источника - виниловый проигрыватель. Обладатели таких систем являются элитой среди аудиофилов и меломанов.
Но, как всегда, выдающиеся качества одной стороны даются ценою сложностей с другой. Рупорная акустическая система является крайне громоздкой, дорогостоящей в изготовлении и чрезвычайно трудоемкой. Этому «виной» является постоянно и плавно расширяющаяся труба, имеющая длину в несколько метров (ее «сворачивают») и «горло» от нескольких десятков кв. см. до более одного кв. м в «устье».
Причем идеальный рупор должен быть в сечении круглым или точно квадратным (хотя это компромисс, но допустимый и не принципиальный). Понятно, что изготовить такое изделие из досок практически невозможно или с очень большими и принципиальными компромиссами, практически «уничтожающими» смысл рупора.
Сейчас рупора изготавливают в крайне малых количествах путем гибки фанеры на пару, причем тонкой фанеры, от чего акустическая система сильно резонирует и вибрирует, что недопустимо. Также делают псевдорупора, имеющие линейное расширение, т.е. используют плоские доски, фанеру, МДФ и т.д., которые располагают пирамидой, что вообще не является рупором, хотя преподносится как настоящий рупор. У таких систем теряются основные достоинства подлинного рупора.
Например, известна акустическая колонка типа рупора, выполненная из плоских пластин, прикрепленных друг к другу с образованием корпуса, имитирующего форму горна (US 4524846А, опубл. 25.06.1985). Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства. Недостаток данного решения заключается в том, что такой подход к конструкции рупора не позволяет сформировать на внутренней поверхности профиля, соответствующего экспоненциальной зависимости, или профиля в виде другой кривой - трактрисы.
Также недостатком этого решения является то, что полученная акустическая колонка с полостью внутри корпуса в форме рупора не обладает достаточными акустическими качествами, так как не выполнены условия полного соответствия кривых стенок полости, соответствующих экспоненциальной зависимости или кривой - трактрисы. Полученные кривые на стенках полости в корпусе относятся к условно похожим на требуемые поверхности и не могут быть искусственно созданы при формировании внешнего короба прямоугольной объемной формы. Такая акустическая колонка относится к категории «псевдорупоров».
Также известен из этого источника способ изготовления акустической колонки с рупорной полостью внутри за счет укладки полимерной или иной пластической массы на стенки и в угловые зоны на деревянный каркас и придания этой массе кривизны, близкой к кривизне, соответствующей экспоненциальной зависимости или кривой  трактрисы. На выходных участках полости это еще как-то возможно, например, путем приложения лекал, а внутри короба и в зоне входного отверстия такая проработка стенки полости просто физически невозможна. Это создает серьезные трудности и не позволяет получить реальный идеальный рупор.
Это решение также принято в качестве прототипа для заявленных способов.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении акустических качеств акустической колонки при ее выполнении в виду рупора за счет формирования профиля идеального рупора, расширяющегося по экспоненциальной зависимости или по кривой трактрисы во взаимно-перпендикулярных направлениях.
Указанный технический результат для первого примера способа достигается тем, что способ изготовления акустического рупора заключается в создании в натуральную величину графической модели рупора с профилем кривой внутренней поверхности по взаимно-перпендикулярным направлениям, соответствующим экспоненте и/или трактрисе, разделении модели на центральную часть и на две примыкающие к ней боковые части, членении каждой части графической модели рупора вертикальными плоскостями, параллельными плоскости симметрии и расположенными на расстоянии одна от другой для образования лекал, вырезании из тонкостенной пластины по лекалам плоских элементов толщиной, равной расстоянию между вертикальными плоскостями, и соединении плоских элементов примыканием друг к другу плоскими сторонами.
Указанный технический результат для второго примера способа достигается тем, что способ изготовления акустического рупора заключается в создании в натуральную величину графической модели рупора с профилем кривой внутренней поверхности по взаимно-перпендикулярным направлениям, соответствующим экспоненте и/или трактрисе, разделении модели на центральную часть и на две примыкающие к ней боковые части, членении центральной части графической модели рупора вертикальными плоскостями, параллельными плоскости симметрии и расположенными на расстоянии одна от другой для образования лекал, вырезании из тонкостенной пластины по лекалам плоских элементов толщиной, равной расстоянию между вертикальными плоскостями, и соединении плоских элементов примыканием друг к другу плоскими сторонами для создания центральной части рупора, затем каждую боковую часть рупора образуют путем присоединения последовательно друг к другу пластин толщиной не менее 0,1 мм для формирования ступенчатой кривой, соответствующей экспоненте и/или трактрисе, которая описана дискретными точками с шагом, равным толщине пластин, а затем боковые части присоединяют к боковым сторонам центральной части. Эти ступени дают дискретное экспоненциальное расширение или расширение по трактрисе в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии колонки, причем, чем меньше шаг ступени, тем ближе к идеальной кривой.
Указанный технический результат для устройства достигается тем, что акустический рупор представляет собой корпус с входным (горло) и выполненным большего поперечного размера, чем входное, выходным отверстием (устье), в корпусе выполнена сообщающая эти отверстия полость, ограниченная стенкой с профилем кривой внутренней поверхности по взаимно-перпендикулярным направлениям, соответствующим экспоненте и/или трактрисе, при этом корпус выполнен из центральной части шириной, не менее поперечного размера входного отверстия (горла), и двух боковых частей, прикрепленных к центральной части к ее боковым поверхностям, центральная часть выполнена из набора прикрепленных друг к другу боковыми поверхностями пластин, в каждой из которых торцевая стенка, представляющая собой часть полости корпуса, имеет профиль кривой, соответствующий экспоненте или трактрисе, а каждая боковая часть образована путем присоединения последовательно друг к другу пластин толщиной не менее 0,1 мм для формирования ступенчатой кривой в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии корпуса, соответствующей экспоненте и/или трактрисе, и которая описана дискретными точками с шагом, равным толщине пластин боковых частей.
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 изображен общий вид рупорной колонки;
фиг.2 - вертикальный разрез рупорной колонки, показана половина, рассеченная по плоскости симметрии;
фиг.3 - рассечение модели вертикальными плоскостями;
фиг.4 - получение выкроек сечений;
фиг.5 - получение по выкройкам лекал сечений;
фиг.6 - формирование колонки методом соединения пластин, вырезанных по лекалам;
фиг.7 - фрагмент собранной из пластин колонки.
Согласно настоящему изобретению рассматривается новый способ изготовления акустической рупорной колонки (колонка в форме рупора). Особенностью такого рупора, как постоянно расширяющейся трубы, по экспоненциальной зависимости, а также в виде другой кривой - трактрисы во взаимно-перпендикулярных направлениях, является то, что впервые предпринята попытка создания реально идеального рупора.
Для изготовления акустического рупора 1 используется метод сечений. Он заключается в том, что создают в натуральную величину графическую модель рупора с профилем кривой внутренней поверхности по взаимно-перпендикулярным направлениям, соответствующим экспоненте и/или трактрисе. Эту модель вертикальными сечениями 2 (фиг.3) разделяют на центральную часть и на две примыкающие к ней боковые части. Это разделение условное и определяется визуально для возможности группирования одинаковых по размерам областей рупора. Затем членят каждую часть такой графической модели вертикальными плоскостями, параллельными плоскости симметрии и расположенными на расстоянии одна от другой. Это позволяет для каждого сечения получить выкройку 3 (фиг.4) для образования лекал 4 (фиг.5), то есть контура каждого сечения. Затем, используя лекала, вырезают из тонкостенной пластины плоские элементы-заготовки 5 (фиг.6) толщиной, равной расстоянию между вертикальными плоскостями. Полученные заготовки в виде профильных пластин соединяют друг с другом примыканием друг к другу плоскими сторонами (фиг.7). Соединение производится в порядке, в каком расположены сечения в модели.
Ниже описывается конструкция и технология изготовления рупора.
На листе фанеры, МДФ, плексигласе или любом другом материале, по своим свойствам подходящем для резки и акустического оформления, чертится профиль рупора. Он рассчитывается и строится, как строят в школе кривые по оси X и У, предварительно составив таблицу, значение параметров профиля в которой высчитывают по известной формуле построения экспоненты и/или трактрисы. Профиль, естественно, является трактрисой или экспонентой. При этом учитывается строгим образом известная зависимость между собой таких параметров, как площадь горла, площадь устья, длина рупора, а также площадь диффузора громкоговорителя. Далее, на станке с ЧПУ режут по заданному профилю лист материала. В результате получают набор профилей (заготовок), лишенных любых недостатков, присущих другим технологиям. Можно задать практически любую толщину стенки колонки, что важнейшим образом сказывается на звуке, избежать экзотических технологий гибки на пару, что вызывает термические напряжения и в конечном счете провоцирует недопустимые трещины в материале. Но, самое главное - получаем идеальный профиль, полученный самым технологичным путем. Преимущество этого способа заключается в том, что чем меньше толщина вырезанной пластины (чем меньше расстояния между вертикальными плоскостями сечений), тем идеальней будет полученная поверхность стенки полости корпуса рупора.
Описанный выше способ позволяет получить идеальный рупор и, соответственно, идеальную акустическую рупорную систему, имеющую идеальное экспоненциальное (трактрисовое) расширение только в плоскости симметрии колонки. Боковые стенки системы представляют собой вертикальные плоскости. Вообще, это уже очень не плохо по сравнению с другими псевдорупорами, но есть желание приблизиться к идеалу еще ближе. Для этого необходимо получить расширение в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии корпуса. Такое становится возможным, пусть и с некоторыми совершенно незначительными допущениями, благодаря все той же технологии.
Расширения рупора в горизонтальной плоскости добиваются изменением конструкции боковых стенок. Для этого разделяют модель на центральную часть и на две примыкающие к ней боковые части. Центральную часть получают по ранее рассмотренному способу, а каждую боковую часть рупора образуют путем присоединения последовательно друг к другу пластин толщиной не менее 0,1 мм для формирования ступенчатой кривой, соответствующей экспоненте и/или трактрисе, которая описана дискретными точками с шагом, равным толщине пластин, а затем боковые части присоединяют к боковым сторонам центральной части.
Эти боковые стенки делают наборными таким образом, что вершины «ступенек» точно «лежат» на экспоненте или трактрисе. Иными словами плавную кривую описывают дискретными точками, расстояние между которыми соответствует шагу «ступеньки». Чем меньше шаг, тем точнее следование идеальной кривой. Диапазон шагов находится в пределах от 100 до 0,1 мм. Понятно, что при 100 мм мы имеем минимальное приближение к идеалу (зато всего нужно пару «шагов»), а при шаге в 0,1 мм мы получаем практически 100% кривую, но и работы требуется на 3 порядка больше.
Следует заметить, что способ обладает высокой степенью технологичности, т.к. все работы выполняются на одном станке с ЧПУ.
В результате мы получаем рупорную колонку с минимальным и вполне допустимым компромиссом - идеальное расширение в вертикальной плоскости и практически идеальное расширение в горизонтальной.
Далее, с помощью клея, саморезов и шкантов для соединения профильных пластин колонка собирается и переходит на финишную отделку.
В результате возможно получение акустического рупора 1, представляющего собой корпус с входным (горло) 6 и выполненным большего поперечного размера, чем входное, выходным (устье) 7 отверстием, в этом в корпусе выполнена сообщающая эти отверстия полость, ограниченная стенкой с профилем кривой внутренней поверхности по взаимно-перпендикулярным направлениям, соответствующим экспоненте и/или трактрисе. Корпус выполнен из центральной части шириной, не менее поперечного размера входного отверстия, и двух боковых частей, прикрепленных к центральной части к ее боковым поверхностям. Центральная часть выполнена из набора прикрепленных друг к другу боковыми поверхностями пластин, в каждой из которых торцевая стенка, представляющая собой часть полости корпуса, имеет профиль кривой, соответствующий экспоненте или трактрисе. А каждая боковая часть образована путем присоединения последовательно друг к другу пластин толщиной не менее 0,1 мм для формирования ступенчатой кривой в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии корпуса, соответствующей экспоненте и/или трактрисе, и которая описана дискретными точками с шагом, равным толщине пластин боковых частей.
Данный способ имеет следующие преимущества:
- возможность изготовить стенки колонки необходимой толщины, что делает колонку акустически нейтральной
- использование торцевых частей фанеры в качестве стенки, что также определяет акустическую нейтральность
- возможность расширения рупора согласно теории в горизонтальной плоскости, что недостижимо другими методами
- возможность полностью автоматизировать производство частей колонки и уйти от практически ювелирного и дорогостоящего труда по гибке фанеры
- возможность изготовления круглого рупора любого размера и конфигурации на станке 3D.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с применением столярных технологий и математического расчета кривых профильных поверхностей.