Акустическая система
ACOUSTIC SYSTEM

Изобретение относится к области электроакустики, конкретно к оформлению и устройству акустической системы (АС) звуковоспроизведения.
Основными функциональными параметрами АС являются диапазон воспроизводимых частот, акустические искажения, величина и объемное распределение звукового давления. Эти параметры определяют естественность звучания акустики. Производители АС стремятся приблизить диапазон воспроизводимых частот к максимальному диапазону, воспринимаемому органами слуха человека (20 -20000) Гц. Эффективно воспринимаемый диапазон частот определяется характеристиками громкоговорителя, конструкцией и размерами АС. С воспроизведением высоких частот проблем обычно не возникает, современные высокочастотные громкоговорители позволяют воспроизводить даже ультразвук. На низких частотах решающее значение играет объем корпуса АС. Чем он больше, тем более эффективно воспроизводятся низкие частоты.
В зависимости от исполнения корпуса АС разделяют на несколько типов по их акустическому оформлению: «закрытый ящик», «открытый ящик» «система с фазоинвертором», «система с лабиринтом», «рупор» и другие, с вмонтированных в него громкоговорителями. (Радиовещание и акустика, под редакцией Ю.А.Ковалгина. - Радио и связь, 1998).
Наименьшие акустические искажения имеет АС в исполнении «открытый ящик» и наибольшие в исполнении «закрытый ящик». Это связано с нелинейностью движения диффузора громкоговорителя при сжатии и разряжении воздуха в закрытом ящике. Для уменьшения этих искажений при одновременном расширении воспроизводимых низких частот применяют «системы с фазоинвертором», «системы с лабиринтом» и другие конструкции. В качестве АС, способной воспроизводить звуки в низкочастотной области, известно оформление АС, содержащей акустический ящик, в который установлено два трубчатых резонатора, выполняющих роль фазоинверторов на двух разных частотах. Звуковые волны, излучаемые задней стороной диффузора низкочастотного громкоговорителя, находятся в противофазе по отношению к волнам, излучаемым передней стороной диффузора. Фазоинвертор включают таким образом, чтобы через него проходили звуковые волны, излучаемые тыловой стороной диффузора. Назначение фазоинвертора, образованного внутренним объемом корпуса и двумя резонаторами, заключается в том, чтобы на низких частотах воспроизведения звука в пространственном секторе прослушивания АС сделать приблизительно синфазными между собой звуковые волны, излучаемые тыловой и фронтальной частями диффузора громкоговорителя. Это приводит к усилению звукового давления на низких частотах.
Основными недостатками известного устройства является относительно большой объем корпуса, эффект "бубнения" на низких частотах, быстрый спад амплитудно-частотной характеристики звукового давления на низких частотах за пределами рабочего диапазона АС, "органная" стилизованность звучания басов на частотах настройки фазоинверторов, акустический шум воздушных потоков в трубах фазоинверторов.
L
L
L
o
Известна «Акустическая система» (Патент США № 4,930,596, Loudspeaker system, June 5, 1990, класс США: 181/152, международного класса: H04R1/28), которая содержит громкоговоритель, установленный в предрупорном корпусе закрытого типа. Фронтальная часть диффузора громкоговорителя служит излучателем первичного акустического сигнала. В задней части предрупорного корпуса имеется отверстие, к которому плотно подсоединен акустический волновод, выполненный в виде тонкой трубы. Для обеспечения одномодового режима работы волновода диаметр трубы выбран намного меньшим ее длины. Другой конец акустического волновода подсоединен к входу акустического рупора, выполненного в виде объемной плавно расширяющейся фигуры с круглым сечением, например, в форме усеченного конуса или с экспоненциальным продольным профилем. Длина трубы L акустического волновода выбрана приблизительно равной половине длины волны, соответствующей нижней граничной частоте f АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) акустической системы. В связи с этим излучаемый тыловой частью громкоговорителя акустический сигнал, частота f которого близка к нижней граничной частоте устройства, при прохождении через акустический волновод и акустический рупор испытывает задержку по фазе приблизительно на 180. Поэтому на частоте f излучаемые фронтальной частью громкоговорителя звуковые волны синфазны звуковым волнам, излучаемым рупором. Все это обеспечивает улучшение АЧХ акустической системы в области низких частот.
К недостатку известной АС можно отнести относительно большую длину L трубы волновода, достигающую нескольких метров. В связи с этим для уменьшения линейных размеров известного устройства волновод приходится изготавливать в виде изогнутой трубы (лабиринта). Наличие изгибов приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления устройства, к появлению дополнительного шума воздушного потока и отраженных акустических волн.
2
Ко второму недостатку отнесем трудность правильного расчета длины трубы волновода. Действительно, в реальных условиях с известной долей приближения воздушную среду в трубе можно рассматривать в качестве колебательной системы, как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами. В первом случае воздух в трубе, имеющей поперечное сечение S, рассматривается как несжимаемая среда, колебания которой происходят за счет упругих сил со стороны воздушного объема V, сосредоточенного внутри корпуса АС. Резонанс достигается для звуковых колебаний, длина волны которых  Если πV/S>L, то в зависимости от величины V/S длина трубы может оказаться в несколько раз меньшей, чем половина длины волны, соответствующей резонансной частоте.
L
В случае рассмотрения волновода как колебательной системы с распределенными параметрами воздух в трубе рассматривается как упругая среда, обеспечивающая распространение звуковых волн. В идеальном случае, если волновод согласован по входу и выходу и отраженные волны отсутствуют, то реализуется режим бегущей волны. Для инвертирования фазы колебаний длина L выбирается равной половине длины волны, соответствующей частоте f настройки фазоинвертора. В реальных условиях всегда в той или иной мере существуют отраженные волны, приводящие к появлению стоячих акустических волн. В этом случае при расчете резонансных частот необходимо учитывать отражение волн (и фазовые соотношения отраженных волн) во всех местах неоднородностей акустического тракта (соединение трубы с предрупорной камерой, соединение трубы с рупором, выход рупора и т.д.). На практике второй недостаток известного устройства означает невозможность точного предварительного расчета всех компонентов системы и необходимость длительной и трудоемкой экспериментальной доводки изделия для достижения требуемых технических характеристик.
o
В качестве третьего недостатка известного устройства укажем на то, что правильные фазовые соотношения акустического волновода, способствующие усилению звука в секторе прослушивания (задержка по фазе от 90 до 270) приблизительно достигаются в пределах одной октавы. При попытке увеличения звукового давления на низких частотах за счет усиления действия рупорной системы на амплитудно-частотной характеристике акустической системы появляется пик, высота которого прямо зависит от соотношения между звуковыми давлениями, создаваемыми рупором и фронтальной стороной диффузора громкоговорителя. Чем выше высота пика на амплитудно-частотной характеристике, тем субъективно выше оценивается эффективность звучания на низких частотах. Наряду с этим, при выраженном пике на амплитудно-частотной характеристике известная акустическая система эффективнее всего излучает стилизованные звуки приблизительно одного тона, напоминающие звучание органа по атаке и послезвучанию. В этой ситуации приходится искать компромиссное решение между эффективностью воспроизведения низких частот и равномерностью амплитудно-частотной характеристики.
В качестве прототипа принято устройство акустической системы, которое состоит из низкочастотного канала, громкоговорителя, прямого звуковода и двух отводов (патент США № 5,535,284 Woofer speaker and acoustically coupled sub-woofer speaker system July 9, 1996, класс США: 381/338, МКИ H04R 1/34, H04R 1/32). В устройстве обратная сторона диффузора громкоговорителя излучает звук в фазе 180 градусов по отношению к прямому диффузору. Для того чтобы излучать звук синфазно с прямым диффузором необходимо пропустить звук по звуководу длиной равной половине длины волны. Длина звуковой волны на 20 Гц составляет 16 метров. С учетом разнесенности прямого и обратного выходов акустической системы длина прямого звуковода должна быть около 4 метров. В прототипе для этого используется прямой звуковод (короб в видепрямого кругового цилиндра) с общей высотой более 3 метров. Используемый способ крепления неизбежно вызывает механические напряжения в трубе, а это, как известно, приводит к резонированию звуковода на собственной частоте. Поэтому в прототипе ограничен частотный диапазон только низкими частотами. Кроме того, для уменьшения резонансных эффектов внутренний объем звуковода заполнен полиэфирным волокном. Достоинством прототипа является малые акустические искажения, поскольку акустическая система открыта. Известно, что открытая акустическая система имеет меньше акустических искажений, чем закрытая акустическая система, однако имеет ограниченный диапазон воспроизводимых частот. В закрытых акустических системах диффузор громкоговорителя в одну сторону сжимает воздух внутри замкнутого объема, а при движении в обратную стороны вызывает разряжение воздуха, что и приводит к акустическим искажениям.
Целью изобретения является сохранение низкого уровня акустических искажений, характерного для открытых акустических систем и обеспечение полного акустического диапазона частот 20 Гц - 20 кГц.
Указанная цель достигается оформлением и устройством акустической системы, состоящей из низкочастотного и высокочастотного каналов.
Низкочастотный канал содержит четыре прямых звуковода, два непрямых звуковода выполненные с возможностью разворота звуковых волн, верхний и нижний отводы, громкоговоритель, две соединительные муфты: первая муфта (внутри ее закреплен неподвижно громкоговоритель) расположена между первым и вторым прямыми звуководами, вторая муфта (полая) между третьим прямым и вторым непрямым звуководами.
Первый, второй и четвертый звуководы имеют раструб с одной стороны, соединительные муфты имеют раструб с двух концов, верхний и нижний отводы низкочастотного канала образуются соединением трех непрямых отводов, имеющие с одного конца раструб для соединения их друг с другом, причем два непрямых отвода имеют угол 30 градусов, и один - угол 45 градусов, а соединены они таким образом, что вместе образуют отвод с раструбом в 105 градусов.
Громкоговоритель низкочастотного канала имеет диаметр меньше, чем диаметр муфты и неподвижно закреплен внутри первой муфты диффузором вниз, соосно и посредине, с помощью кольца из древесностружечных или аналогичных по свойствам материалов, причем внутренний диаметр кольца равен диаметру диффузора громкоговорителя, а внешний диаметр кольца равен внутреннему диаметру муфты. Муфта с громкоговорителем подвешена вертикально на двух эластичных жгутах на жесткой опоре и присоединена снизу к первому прямому звуководу, а сверху ко второму прямому звуководу к сторонам без раструба. Раструб первого звуковода соединен с прямым концом нижнего отвода с раструбом в 105 градусов, а раструб второго звуковода соединен с прямым концом первого непрямого звуковода, который образован соединением 6 непрямых отводов, имеющих угол 30 градусов и раструб с одного конца для соединения их друг с другом. Третий прямой звуковод одной стороной присоединен к раструбу первого непрямого звуковода, а второй стороной присоединен ко второй муфте сверху, которая вертикально опирается краем раструба на обрезиненное металлическое кольцо, зафиксированное на жесткой опоре. Снизу ко второй муфте стороной без раструба присоединен второй непрямой звуковод, образованный соединением 4 непрямых отводов, имеющих угол 45 градусов и раструб с одного конца для соединения их друг с другом. Четвертый прямой звуковод стороной с раструбом присоединен к верхнему отводу в 105 градусов, а стороной без раструба присоединен к раструбу второго непрямого звуковода, который вертикально опирается краем раструба на обрезиненное металлическое кольцо, зафиксированное на жесткой опоре. Длина первого и второго прямого звуковода по оси составляет 0.7-1.0 метра каждый, а общая длина четырех прямых и двух непрямых звуководов определяется нижней границей звукового диапазона и для частот 20-30 Гц составляет 4-6 метров. Все соединения звуководов, муфт и отводов выполнены герметичными, для чего во всех раструбах встроено уплотнительное кольцо.
Высокочастотный каналакустической системы состоит из нижнего и верхнего прямых звуководов, соединительной муфты (внутри ее закреплен неподвижно громкоговоритель) и нижнего и верхнего отводов, причем прямые звуководы имеют раструб с одной стороны, а соединительная муфта имеет раструб с двух сторон. Верхний отвод образуются соединением трех непрямых отводов, имеющих с одного конца раструб для соединения их друг с другом, причем два непрямых отвода имеют угол 30 градусов, и один угол 45 градусов, и соединены непрямые отводы таким образом, что вместе образуют верхний отвод в 105 градусов. Нижний отвод образуется соединением двух непрямых отводов, имеющих с одного конца раструб для соединения их друг с другом, причем один непрямой отвод имеет угол 30 градусов, а другой угол 45 градусов, соединены непрямые отводы таким образом, что вместе образуют нижний отвод в 75 градусов.
Громкоговоритель высокочастотного канала установлен также как и громкоговоритель низкочастотного канала, в муфте, диффузором вниз. Муфта с громкоговорителем высокочастотного канала расположена вертикально и опирается краем раструба на обрезиненное металлическое кольцо, зафиксированное на жесткой опоре таким образом, чтобы отвод 105 градусов высокочастотного канала оказался расположенным по горизонтали посредине, а по вертикали ниже на (3-15)см первого непрямого звуковода низкочастотного канала. Первый прямой звуковод стороной без раструба присоединен к муфте снизу, второй прямой звуковод стороной без раструба присоединен к муфте сверху. К раструбу первого звуковода присоединен нижний отвод 75 градусов, а к раструбу второго звуковода присоединен верхний отвод 105 градусов. Длина первого и второго прямого звуковода высокочастотного канала составляет 0.4-0.6 метров.
Клеммы громкоговорителей выведены через загерметизированное отверстие в муфте. Отрицательная клемма громкоговорителя низкочастотного канала соединена с отрицательной клеммой громкоговорителя высокочастотного канала и является первым электрическим входом акустической системы. Положительная клемма громкоговорителя высокочастотного канала соединена с входом фильтра высоких частот, выход которого соединен с положительной клеммой громкоговорителя низкочастотного канала и является вторым входом акустической системы.
Сущность изобретения поясняется рисунками, на которой представлено оформление и устройство акустической системы.
Акустическая система выполнена и собрана из труб, муфт, для установки в них громкоговорителей, и отводов. Материал перечисленных элементов конструкций вспененный поливинилхлорид (ПВХ), которых обладает высокими демпфирующими способностями, чем достигается улучшение динамических характеристик акустической системы.
На фиг.1 показан общий вид акустической системы, состоящей из низкочастотного (поз.1) и высокочастотного (поз.2) каналов, фильтра высоких частот (поз.3) и жесткой опоры (поз.4) .
На фиг.2 вид акустической системы, где в соответствии с номерами позиций, указаны ее составные части:
Низкочастотный канал (НЧК) АС состоит из:
5.Нижний отвод 105°
6.Первый прямой звуковод
7.Первая муфта (внутри ее неподвижно закреплен громкоговоритель)
8.Второй прямой звуковод
9.Первый непрямой звуковод
10.Третий прямой звуковод
11.Обрезиненное металлическое кольцо
12.Вторая муфта (полая)
13.Второй непрямой звуковод
14.Обрезиненое металлическое кольцо
15.Четвертый прямой звуковод
16.Верхний отвод 105°
Высокочастотный канал
(ВЧК) АС состоит из:
17.Нижний отвод 75 °
18. Первый прямой звуковод
19.Муфта (внутри ее закреплен неподвижно громкоговоритель)
20.Обрезиненное металлическое кольцо
21.Второй прямой звуковод
22. Верхний отвод 105°
Элементы крепления:
4. Жесткая опора.
23. Эластичные жгуты (для подвески муфты с громкоговорителем на НЧК).
Жесткая опора выполнена в виде рамы, на ней закреплены трубчатые конструкции АС (ВЧК и НЧК); фильтр высоких частот; эластичные жгуты (для подвески муфты с громкоговорителем на НЧК).
Эластичные жгуты предназначены для того, чтобы исключить резонанс жесткой опоры вследствие звуковой вибрации громкоговорителя.
Когда громкоговоритель находится под электрическим напряжением, он воспроизводит звуки. Эти слышимые звуки распространяются по трубчатому корпусу в обоих направлениях как вперед, так и обратно. Из-за больших линейных размеров низкочастотного канала теряются высокие звуковые частоты, поэтому для компенсации этих потерь в акустическую систему добавлен высокочастотный канал, подключенный через фильтр высоких частот. На встроенный в НЧК громкоговоритель подается полный электрический сигнал, а на громкоговоритель ВЧК подается электрический сигнал через фильтр высоких частот. Блок-схема подключения громкоговорителей представлена на фиг.3. Отрицательная клемма громкоговорители НЧК (1) соединена с отрицательной клеммой громкоговорителя ВЧК (2) и является первым электрическим входом акустической системы. Положительная клемма громкоговорителя ВЧК соединена с фильтром высоких частот (3), выход которого соединен с положительной клеммой громкоговорителя НЧК и является вторым входом акустической системы.
Для транспортабельности АС, уменьшения ее высоты и исключения резонансных эффектов, свойственным цельным длинным трубам, НЧК выполнен в виде изогнутой конструкции с двумя непрямыми (нелинейными) звуководами (фиг.4,5), состоящими из отводов, между которыми проложены резиновые прокладки.
На фиг. 4 представлен первый непрямой звуковод, который образован соединением шести непрямых отводов, имеющих угол 30 градусов и раструб с одного конца для соединения их друг с другом.
На фиг.5 представлен второй непрямой звуковод, который образован соединением четырех непрямых отводов, имеющих угол 45 градусов и раструб с одного конца для соединения их друг с другом.
На фиг.6 представлен эскиз муфты с закрепленным внутри ее громкоговорителем. Под номерами позиций, перечислены детали:
6. Первый прямой звуковод
7. Муфта
8. Второй прямой звуковод
23. Эластичный жгут
24. Громкоговоритель
25. Кольцо
26. Резиновая прокладка
Громкоговорители в предлагаемой конструкции АС закреплены в муфтах диффузором вниз для охлаждения магнитной катушки. Такое расположение предназначено для улучшения отвода тепла.
Звук, воспроизводимый громкоговорителем, по мере распространения в трубе выравнивается по направлению, а отводы под углом 75 и 105 градусов (фиг.7,8) способствуют направленному излучению звука относительно ориентации слушателя.
На фиг.7 и фиг.8 представлены чертежи отводов под углом 75 и 105 градусов, соответственно.
За счет представленных комбинаций различных технических решений в данном изобретении происходит их функциональное взаимодействие, ведущее к получению АС с высоким качеством звучания и воспроизведения звука без искажения. Данная АС система не имеет недостатков известных устройств. Благодаря герметичности звуководов движение диффузора громкоговорителя линеаризуется пневматическим сопротивлением. При этом дополнительная воздушная масса звуководов понижает резонансную частоту громкоговорителя. Благодаря пространственному разнесению 4 выходов АС получается объемное близкое к естественному звучание инструментов: рояль, скрипка, аккордеон, флейта, и другие. При прослушивании оркестровой музыки хорошо различаются все инструменты, и ощущается их "присутствие в зале".