ЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ МАГНИТНОЙ СБОРКИ ХАЛБАХА

Полезная модель относится к области акустических систем, в частности к звуковым преобразователям электрического сигнала в звуковой для систем воспроизведения звука.
Известен аналог - звуковой преобразователь - US4337379, 29.01.82, содержащий диафрагму, магниты, расположенные на расстоянии от диафрагмы с обеспечением воздействия своим электромагнитным полем на диафрагму, причем магниты расположены в виде матрицы со столбцами и рядами так, что близлежащие магниты имеют противоположные полюса, токопроводящая дорожка расположена на диафрагме с образованием непрерывного пути тока, проходящего с чередованием направления вдоль столбцов и вдоль рядов, в промежутках между вышеуказанными близлежащими магнитными полюсами, не проходящего мимо двух подряд магнитных полюсов из одного столбца или одного ряда, с обеспечением прохождения создаваемого магнитами магнитного потока через соответствующие части пути тока под прямым углом и в одном и том же направлении относительно направления тока, токопроводящая дорожка имеет увеличенные участки прохождения тока в областях крайних магнитов в матрице для обеспечения небольшого импеданса на участках.
Недостатком аналога является низкий уровень чувствительности матричного излучателя. Чувствительность выражается в степени изменения звукового давления при изменении подводимой электрической мощности. Низкий уровень чувствительности требует повышения подводимой электрической мощности для достижения необходимого уровня звука, что ограничивает применение устройства. Это делает устройство не подходящим для применения в динамиках с автономным питанием: беспроводных наушниках, портативных плеерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках; а также в устройствах со слабым усилением: с применением бюджетных звуковых карты, звуковых устройствах без специализированного мощного усилителя.
Известна магнитная сборка Халбаха - источник в сети Интернет https://ru.wikiреdia.org/wiki/Магнитная_сборка_Халбаха - особая
конфигурация постоянных магнитов, характеризующаяся тем, что магнитное поле с одной из ее сторон практически полностью отсутствует благодаря особому расположению магнитов в сборке. Описываемый эффект воспроизводится повторением последовательности магнитных элементов вектором намагниченности (на передней поверхности) влево, вверх, вправо, вниз, влево.
Известен аналог - звуковой преобразователь на основе магнитной сборки Халбаха - US9894442, 13.02.2018, принятый в качестве прототипа, содержащий диафрагму, выполненную с возможностью перемещения вдоль центральной оси, при этом диафрагма имеет диэлектрическую поверхность, имеется звуковая катушка, соединенная с диэлектрической поверхностью диафрагмы, причем звуковая катушка включает в себя проводящую обмотку, имеющую один или несколько проводящих витков на диэлектрической поверхности диафрагмы, при этом один или несколько проводящих витков проходят вдоль диэлектрической поверхности диафрагмы вокруг центральной оси, имеется магнитная матрица Халбаха, включающая по меньшей мере три магнита, расположенных бок о бок вплотную, при этом каждый магнит расположен вдоль своей продольной оси с обеспечением создания силовых линий магнитного поля, перпендикулярных продольной оси магнита, при этом магнитная матрица Халбаха ориентирована линиями магнитного поля к звуковой катушке так, что линии магнитного поля пересекают звуковую катушку, вызывая силу Лоренца для перемещения диафрагмы вдоль центральной оси.
Прототип обладает большей чувствительностью по сравнению с предыдущим аналогом. Недостатком прототипа является низкое качество звука из-за наличия искажений передаваемого сигнала.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении качества передачи звукового сигнала.
Технический результат достигается в звуковом преобразователе на основе магнитной сборки Халбаха, содержащем диэлектрическую диафрагму, на которую нанесена проводящая звуковая катушка, имеющая несколько продольных токопроводящих дорожек, имеется магнитная матрица Халбаха, содержащая магниты, имеющие вытянутую вдоль продольных токопроводящих дорожек форму, выполненные с обеспечением создания силовых линий магнитного поля, перпендикулярных продольной оси магнита, магнитная матрица Халбаха ориентирована линиями магнитного поля к звуковой катушке так, что линии магнитного поля пересекают звуковую катушку, вызывая силу Ампера для перемещения диафрагмы по направлению нормали к ее поверхности, магниты расположены с двух сторон относительно поверхности диафрагмы, магниты расположены на расстоянии друг от друга, количество магнитов с одной стороны диафрагмы m>5, с первой стороны диафрагмы магниты в плане размещены вдоль токопроводящих дорожек и в промежутках между ними, магниты и диафрагма закреплены в корпусе, магниты, расположенные вдоль токопроводящих дорожек, расположены на большем расстоянии от диафрагмы, чем магниты, расположенные в промежутках между токопроводящими дорожками.
На фиг. 1 изображено сечение звукового преобразователя на основе магнитной сборки Халбаха в плоскости, перпендикулярной оси магнита.
На фиг. 2 изображено взаимное расположения токопроводящих дорожек диафрагмы и магнитов в плоскости диафрагмы (в плане).
На фиг. 3 изображен внешний вид звукового преобразователя на основе магнитной сборки Халбаха.
На фиг. 4 изображена конфигурация магнитного поля в сечении перпендикулярном оси магнитов (снизу) и диаграмма распределения магнитной индукции (сверху) вдоль сечения в звуковом преобразователе на основе магнитной сборки Халбаха.
На фиг. 5 изображена конфигурация магнитного поля в сечении перпендикулярном оси магнитов (снизу) и диаграмма распределения магнитной индукции (сверху) вдоль сечения в устройстве-прототипе.
На фиг. 6 изображены направления усилий, вызывающих колебания диафрагмы, в сечении перпендикулярном оси магнитов устройства-прототипа.
Звуковой преобразователь на основе магнитной сборки Халбаха содержит диэлектрическую диафрагму 1, как показано на фиг. 1, на которую нанесена проводящая звуковая катушка 2, как показано на фиг. 2, имеющая несколько продольных токопроводящих дорожек 3, как показано на фиг. 1, 2, имеется магнитная матрица Хальбаха, содержащая магниты 4, имеющие вытянутую вдоль продольных токопроводящих дорожек 3 форму, как показано на фиг. 2, выполненные с обеспечением создания силовых линий 5 магнитного поля, перпендикулярных продольной оси 6 магнита 4, магнитная матрица Халбаха ориентирована линиями 5 магнитного поля к звуковой катушке 2 так, что линии 5 магнитного поля пересекают звуковую катушку 2, вызывая силу Ампера для перемещения диафрагмы 1 по направлению нормали к ее поверхности, магниты 4 расположены с двух сторон относительно поверхности диафрагмы 1, магниты 4 расположены на расстоянии L друг от друга, количество магнитов 4 с одной стороны диафрагмы 1 m>5, с первой стороны диафрагмы 1 магниты 4 в плане расположены вдоль токопроводящих дорожек 3 и в промежутках 7 между ними, магниты 4 и диафрагма 1 закреплены в корпусе 8. Магниты 9, расположенные вдоль токопроводящих дорожек 3, расположены на большем расстоянии Н от диафрагмы 1, как показано на фиг. 1, чем магниты 10, расположенные в промежутках 7 между токопроводящими дорожками 3 - расстояние h.
Рассмотрим пример конкретной реализации звукового преобразователя на основе магнитной сборки Халбаха. Его общий вид представлен на фиг. 3. Схема расположения магнитов 4 соответствует представленной на фиг. 1. Благодаря расположению магнитов с двух сторон относительно диафрагмы 1 достигается равномерное распределение магнитной индукции В в пределах токопроводящих дорожек 3. Магниты 4 со второй стороны диафрагмы 1 в плане расположены вдоль токопроводящих дорожек 3 и в промежутках 7 между ними. Магниты 4, расположенные вдоль токопроводящих дорожек 3 расположены на большем расстоянии от диафрагмы 1, чем магниты 4, расположенные в промежутках 7 между токопроводящими дорожками 3. Благодаря указанному расположению магнитов 4 достигается равномерное распределение магнитной индукции В в пределах токопроводящих дорожек 3. Равномерность достигается взаимным влиянием магнитных полей магнитов 4. Гибкая диэлектрическая тонкопленочная диафрагма 1 установлена на изолирующей рамке в корпусе 8. Магниты 4 установлены в корпусе 8, благодаря этому задано их пространственное положение относительно токопроводящей дорожки 1 и изоляция друг от друга и от диафрагмы 1. Крепежными элементами 11 элементы корпуса 8 и изолирующая рамка (на чертеже не показана) зафиксированы между собой. Детали корпуса 8 изготовлены методом фрезерования на станке с ЧПУ. Корпус 8 может быть выполнен из одной детали методом литья пластмассы. В этом случае диафрагма 1 и магниты 4 устанавливают в виде закладных элементов в процессе литья. Корпус 8 может быть напечатан на 3d принтере.
Рассмотрим пример работы звукового преобразователя на основе магнитной сборки Халбаха. Концы 12 звуковой катушки 2 (фиг. 2) соединяют с источником электрического звукового сигнала - музыкальным проигрывателем. Взаимодействие катушки 2 и ее участков, продольных токопроводящих дорожек 3, по которым протекает ток, с магнитным полем 5 магнитов 4 создает силы, которые заставляют диафрагму 1 перемещаться. Результатом таких перемещений является звук. Благодаря тому, что продольные магниты 4 расположены на расстоянии L друг от друга, реализована возможность расположить магниты с двух сторон относительно диафрагмы 1. При расположении их вплотную, как в прототипе, они закрывали бы диафрагму и препятствовали прохождению звуковых колебаний среды наружу, что снижало бы качество передачи звукового сигнала. Расположение магнитов 4 с двух сторон относительно диафрагмы 1 и их количество (более 5 с одной стороны диафрагмы) обеспечивает равномерность магнитного поля в пределах каждого участка токопроводящей дорожки 3. Это иллюстрируют фиг. 4, 5. Участок 13 графика распределения магнитной индукции В в области токопроводящих дорожек 3 предлагаемого устройства (фиг. 4) является более равномерным, чем участок 14 аналогичного графика устройства-прототипа (фиг. 5). Результатом такой неравномерности распределения магнитной индукции В в устройстве-прототипе является разнонаправленность усилий 15, как показано на фиг. 6, вызывающих колебания диафрагмы 1. Вследствие разнонаправленности усилий возникают напряжения и изгибы материала диафрагмы 1, которые является источником постоянных паразитных «стоячих волн» в ней. Это порождает искажения передаваемого звукового сигнала в устройстве-прототипе. В предлагаемом звуковом преобразователе на основе магнитной сборки Халбаха такие искажения значительно снижены. В описываемом примере реализации они снижены в двадцать раз.