ПОЛНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ РУПОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPLETE ACOUSTIC HORN AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Группа изобретений относится к устройствам звукопередачи, а именно к акустическим системам, основанным на применении рупора, и может быть использована для высококачественного воспроизведения звука как в специализированных условиях (в киноконцертных залах), так и на открытых площадках, на стадионах, на дискотеках, а также в домашних условиях, в жилых помещениях.
Известно, что рупор является идеальной формой для эффективной передачи звуковых волн, обеспечивающей отсутствие искажений и «эффект присутствия» при прослушивании. С древнейших времен люди заметили, что если звук пропустить через трубу с маленьким отверстием с одной стороны и большим - с другой, то он заметным образом усилится. Большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих рупорному типу громкоговорителей, особенно высокую степень реализма и "присутствия" (См., например: J. Dinsdale. Проектирование рупорных громкоговорителей. Wireless World, 1974. http://sageshome.net/files/keep/Dinsdale_Horn_Loudspeakers/).
Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокоя стоимость. Стоимость изготовления корпуса рупора обычно вызывает наибольшие сложности.
Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2-3 кв.м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего около 10 сантиметров. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечастотные рупоры имеют квадратное сечение и "свернуты" сложным образом. К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьезные изменения в амплитудно-частотной характеристике.
Таким образом, в аспекте воспроизведения низких частот одновременное уменьшение габаритов и улучшение характеристик акустической системы являются двумя противоречащими друг другу задачами. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.
Известны акустические системы, включающие рупоры, так или иначе пытающиеся решить обозначенную проблему.
Например, известна акустическая система по патенту на изобретение RU 2454026 С1, МПК H04R 1/30, опубликован 24.12.2010 г., содержащая динамическую головку с диффузором, соединенную с рупором, имеющим акустический канал для передачи звуковых сигналов, отличающаяся тем, что она снабжена предрупорной камерой, предрупорная камера жестко соединена со входом рупора, а динамическая головка размещена в предрупорной камере, рупор выполнен, по меньшей мере, из двух секций, выходной конец первой секции размещен внутри второй секции, вторая секция выполнена в виде перевернутого стакана, а торец выходного конца первой секции установлен с зазором к внутреннему дну второй секции, причем динамическая головка установлена в предрупорной камере диффузором наружу, а акустический канал рупора выполнен, по меньшей мере, по экспоненциальному закону в виде ровной и гладкой поверхности.
Известна также акустическая система по патенту на изобретение RU 2201044 С2, МПК Н05K 5/00, H04R 1/02, H04R 1/28, 20.03.2003 г., содержащая громкоговоритель, фронтальная часть которого служит излучателем первичного акустического сигнала, и акустический рупор в виде объемной симметричной плавно расширяющейся фигуры с круглым поперечным сечением, имеющий, например, форму усеченного конуса, через который проходит акустический сигнал тыловой части громкоговорителя, отличающаяся тем, что акустический рупор выполнен из тонкого, эластичного, способного сохранять первоначально заданную форму материала, при этом в меньшем отверстии рупора плотно установлен громкоговоритель, тыловая часть которого обращена вовнутрь акустического рупора, а раскрыв рупора состыкован с двухслойным покрытием, внутренний слой которого изготовлен из звукопоглощающего материала, а внешний слой выполнен из твердого материала, служащего основанием для крепления или установки устройства.
Недостатком указанных акустических систем является отсутствие рупорного элемента усиления для высоких и средних частот, что негативно влияет на качество звуковоспроизведения. Кроме того, указанные устройства довольно сложно изготовить.
Известна акустическая система по патенту на изобретение RU 2321186 С1, МПК H04R 1/28, 27.03.2008 г., содержащая корпус с ВЧ- и НЧ-громкоговорителями, установленными на его лицевой панели, наклоненной в сторону задней панели, при этом нижняя сторона лицевой панели жестко соединена с передней стороной нижней стенки корпуса, отличающаяся тем, что лицевая панель смещена внутрь корпуса относительно плоскости его переднего вертикального проема так, что боковые и верхняя стороны лицевой панели соответственно жестко соединены с боковыми и верхней стенками корпуса, ВЧ-громкоговоритель снабжен рупором, образованным частью лицевой наклонной панели, с которой жестко соединены две боковины и козырек, жестко соединенные между собой и с примыкающими к ним участками периметра переднего вертикального проема корпуса.
Хотя данное техническое решение и содержит рупорный элемент, представляется сомнительным его эффективность в отношении звукопередачи на низких частотах.
Наиболее близкими к предлагаемой группе изобретений техническими решениями, принимаемыми за прототип, являются акустический рупор и способ его изготовления, раскрытые в патенте на изобретение RU 2519852 С1, МПК H04R 1/28, 20.06.2014 г.
Устройство по прототипу - акустический рупор, представляющий 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, 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.
В составе акустической системы устройство по прототипу представлено на поясняющем рисунке в виде корпуса рупорной колонки, подсоединенного к динамику с тыльной стороны (задний рупор).
Способ изготовления акустического рупора по прототипу 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.
Альтернативный способ изготовления акустического рупора по прототипу 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 в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии акустического рупора, соответствующей экспоненте и/или трактрисе, которая описана дискретными точками с шагом, равным толщине пластин, а затем боковые части присоединяют к боковым сторонам центральной части.
Устройство по прототипу за счет создания профиля рупора, близкого к экспоненте или трактрисе, должно обеспечивать наиболее высокое качество звукопередачи в низкочастотном диапазоне по сравнению с другими вышеуказанными аналогами.
Вместе с тем, устройство по прототипу сохраняет следующие недостатки:
1. Отсутствие рупорного элемента звукопередачи для высоких и средних частот, что обедняет общее звучание.
2. Сложность и трудоемкость изготовления устройства, необходимость использования в процессе изготовления большой доли ручного труда, высокая себестоимость производства.
Задачей предлагаемой группы изобретений является создание конструкции акустической системы, пригодной для использования, в том числе, в жилых помещениях, простой в изготовлении и одновременно обеспечивающей высокое качество звукопередачи в широком частотном диапазоне, включающем как высокие и средние частоты (250 Гц и выше), так и низкие частоты (60-250 Гц).
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает достижение следующего технического результата:
1. В части устройства - повышение качества звукопередачи, эффективное воспроизведение передаваемого звука на широком частотном диапазоне при одновременном снижении его искажений, достижение эффекта «объемности» звучания, а также упрощение конструкции устройства, влекущее снижение стоимости устройства для потребителей и повышение ремонтопригодности.
2. В части способа изготовления устройства - повышение технологичности устройства, повышение прочности устройства, возможность изготовления устройства за один производственный цикл, наличие возможности выпускать устройство серийно, а, следовательно, снижение себестоимости изготовления устройства.
Указанный технический результат в части устройства достигается за счет снабжения акустической системы, содержащей динамик и расположенный с его тыльной стороны рупор для воспроизведения звука низкочастотного диапазона (задний рупор), дополнительно рупором для воспроизведения звука в высокочастотном и среднечастотном диапазоне (передним рупором), выполнением обоих рупоров в виде единого корпуса с возможностью крепления в этом корпусе динамика в предусмотренном для этого посадочном месте.
Указанный технический результат в части способа изготовления устройства достигается за счет изготовления корпуса акустической системы из двух половин, симметричных по отношению друг к другу относительно плоскости разреза, путем их соединения известным способом.
Предлагаемое устройство представляет собой акустическую систему, включающую источник звука - динамик, состоящий по крайней мере из диффузора (мембраны), подвеса диффузора и корзины динамика, а также расположенный с тыльной стороны динамика рупор для воспроизведения звука низкочастотного диапазона (задний рупор) в виде расширяющегося по заданному расчету контура, состоящего из входного отверстия (горла), раскрыва и выходного отверстия (устья). Согласно изобретению, акустическая система включает дополнительно рупор для воспроизведения звука в высокочастотном и среднечастотном диапазоне (передний рупор), при этом оба рупора выполнены в виде единого корпуса с возможностью крепления в этом корпусе динамика в предусмотренном для этого посадочном месте.
Посадочное место для крепления динамика может быть выполнено со стороны переднего рупора, например, оно может быть расположено непосредственно в горле переднего рупора, при этом динамик устанавливается в зоне между горлом переднего рупора и горлом заднего рупора, таким образом, что диффузор динамика обращен в передний рупор, а тыльная сторона - в задний рупор.
Для улучшения качества звукопередачи и защиты звука от искажений устройство может быть снабжено компенсационным элементом, восстанавливающим расчетный профиль переднего рупора в области его горла, там, где указанный профиль, образованный корпусом устройства, нарушается посадочным местом для крепления динамика. Компенсационный элемент может быть выполнен в виде кольца, в разрезе имеющего трехстороннюю фигуру, образованную двумя прямыми сторонами, соединенными под прямым углом, и одной криволинейной стороной, рассчитываемой в соответствии с выбранным профилем переднего рупора. Компенсационное кольцо устанавливается встык с периметром горла переднего рупора поверх корзины динамика, размещенной на посадочном месте для крепления динамика в корпусе устройства.
Такая конструкция устройства позволяет установить динамик в готовый корпус устройства со стороны переднего рупора, при этом устанавливаемое затем компенсационное кольцо восстанавливает геометрию горла переднего рупора после установки динамика, позволяя избежать искажений звука в области горла переднего рупора при звуковоспроизведении.
Для исключения проникновения звуковых волн высоких и средних частот сквозь задний рупор, по крайней мере, часть его внутренней поверхности может быть демпфирована звукопоглощающим материалом.
Для наиболее качественного звуковоспроизведения профили переднего и заднего рупоров выполняются с расчетным контуром в виде экспоненты и/или трактрисы.
Следует отметить, что описанный в составе предлагаемой акустической системы компенсационный элемент позволяет дополнительно улучшить характеристики звукопередачи в любых рупорных системах с рупором-корпусом и со встроенным в горло такого рупора динамиком. Учитывая этот достигаемый с помощью предлагаемого компенсационного элемента самостоятельный технический результат, представляется возможным выделить наличие такого компенсационного элемента в качестве существенного признака самостоятельного независимого пункта формулы, относящегося к акустическому рупору (как узлу предлагаемой акустической системы).
Акустический рупор включает динамик, состоящий по крайней мере из диффузора (мембраны), подвеса диффузора и корзины динамика, и корпус в виде расширяющегося по заданному расчету контура, состоящего из входного отверстия (горла), раскрыва и выходного отверстия (устья). Согласно изобретению, корзина динамика установлена в зоне горла рупора в специальном посадочном месте, образованном выступом на внутренней поверхности корпуса-рупора, при этом поверх корзины динамика установлен компенсационный элемент, восстанавливающий расчетный профиль рупора в области его горла, там, где указанный профиль, образованный корпусом, нарушается выступом, служащим посадочным местом для крепления динамика. Компенсационный элемент может быть выполнен в виде кольца, в разрезе имеющего трехстороннюю фигуру, образованную двумя прямыми сторонами, соединенными под прямым углом, и одной криволинейной стороной, рассчитываемой в соответствии с выбранным профилем рупора.
Предлагаемый способ изготовления акустической системы включает создание графической модели корпуса акустической системы, разделение модели на части, изготовление частей корпуса и их соединение известным способом, при этом, согласно изобретению, графическая модель корпуса акустической системы включает объединенные в цельном корпусе одновременно передний и задний рупоры для передачи звуков высоких и низких частот соответственно (полный рупор), разделение модели производится на две части (половины), симметричные относительно плоскости центрального вертикального сечения.
По предпочтительному осуществлению способа, графическая модель корпуса акустической системы включает посадочное место под динамик.
Посадочное место под динамик предпочтительно выполняется в зоне горла переднего рупора в виде выступа на внутренней поверхности корпуса.
Изготовление двух половин корпуса может производиться по многим известным технологиям (литье, штамповка, стеклопластик, углепластик и прочие) из жесткого, минимально резонирующего материала. При этом способ по изобретению позволяет с легкостью изготовить таким образом профили рупоров практически любой сложности. Соединение двух половин корпуса между собой может производиться такими известными способами, как склеивание, спайка, сваривание и т.п.
После соединения двух половин корпуса между собой, на посадочное место, выполненное в корпусе, со стороны переднего рупора устанавливается корзина динамика, например, закрепляется с помощью саморезов, болтов, вклеивается или присоединяется к посадочному месту иным способом. После этого поверх корзины динамика со стороны переднего рупора устанавливается компенсационный элемент, описанный выше, который восстанавливает профиль переднего рупора.
На фигурах 1-6 представлено устройство в одном из возможных вариантов его исполнения:
фиг. 1 - общий вид готового устройства (фото);
фиг. 2 - чертеж корпуса устройства (вид сверху);
фиг. 3 - чертеж корпуса устройства (вид спереди);
фиг. 4 - чертеж корпуса устройства (вид сбоку);
фиг. 5 - чертеж корпуса устройства в разрезе (центральное вертикальное сечение);
фиг. 6 - укрупненный чертеж узла устройства (акустический (передний) рупор с динамиком) (центральное вертикальное сечение).
Акустическая система включает динамик 1, а также расположенный с тыльной стороны 2 динамика 1 рупор 3 для воспроизведения звука низкочастотного диапазона (задний рупор 3) в виде расширяющегося по заданному расчету контура, состоящий из входного отверстия (горла) 4, раскрыва 5 и выходного отверстия (устья) 6. Акустическая система включает дополнительно рупор 7 для усиления звука в высокочастотном и среднечастотном диапазоне (передний рупор 7), при этом оба рупора 3 и 7 выполнены в виде единого корпуса 8 с возможностью крепления в этом корпусе 8 динамика 1 в предусмотренном для этого посадочном месте 9.
Посадочное место 9 для крепления динамика 1 выполнено со стороны переднего рупора 7, оно расположено непосредственно в горле 10 переднего рупора 7, при этом динамик 1 установлен в зоне между горлом 10 переднего рупора 7 и горлом 4 заднего рупора 3, таким образом, что диффузор 11 динамика 1 обращен в передний рупор, а тыльная сторона 2 - в задний рупор 3.
Укрупненный чертеж узла акустической системы - акустического рупора (переднего рупора) приведен на фиг.6.
Акустический рупор включает динамик 1, состоящий по крайней мере из диффузора (мембраны) 11, подвеса 12 диффузора 11 и корзины 13 динамика 1, и непосредственно корпус 8 - рупор. Корзина 13 динамика 1 установлена в зоне горла 10 рупора в специальном посадочном месте 9, образованном выступом на внутренней поверхности корпуса-рупора 8.
Для улучшения качества звукопередачи и защиты звука от искажений устройство снабжено компенсационным элементом 14, восстанавливающим расчетный профиль переднего рупора 7 в области его горла 10, там, где указанный профиль, образованный корпусом 8 устройства, нарушается выступом, служащим посадочным местом 9 для крепления динамика 1. Компенсационный элемент 14 выполнен в виде кольца, в разрезе имеющего трехстороннюю фигуру, образованную двумя прямыми сторонами, соединенными под прямым углом, и одной криволинейной стороной 15, рассчитываемой в соответствии с выбранным профилем переднего рупора 7. Компенсационное кольцо 14 установлено встык с периметром горла 10 переднего рупора 7 поверх корзины 13 динамика 1, установленной на посадочном месте 9 для крепления динамика 1 в корпусе 8 устройства.
Устройство работает следующим образом.
Звук из динамика 1 поступает одновременно в передний рупор 7 и задний рупор 3. При этом, звуки высоких и средних частот передаются от диффузора 11 динамика 1 через передний рупор 7, компенсационное кольцо 14 выравнивает профиль переднего рупора 7 в зоне горла 10, что обеспечивает звукопередачу на высоких и средних частотах практически без искажений. Звуки низких частот передаются от тыльной стороны 2 динамика 1 через задний рупор 3, образуя на выходе высококачественный басовый звук.