АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С УЛУЧШЕННОЙ РЕГУЛИРУЕМОЙ НАПРАВЛЕННОСТЬЮ
ACOUSTIC SYSTEM WITH IMPROVED ADJUSTABLE DIRECTION

Изобретение относится к регулированию направленности электроакустических звуковых источников, используемых для звукофикации в профессиональной сфере, в административных учреждениях или в быту.
Электроакустические звуковые источники обычно называют «акустической колонкой», «системой громкоговорителей», «линией источника» или «акустической колонкой или системой».
Среди основных характеристик звукового источника главную роль в профессиональном применении играет направленность или, в частности, способ ее контроля для определенной части звукового спектра. Как правило, направленность выражает соответствующий угол в угловом секторе, в котором уровень звукового давления или SPL (Sound Pressure Level) является постоянным во всем частотном диапазоне, указанном конструктором. Таким образом, говорят, что звуковой источник имеет, например, горизонтальную направленность 90°, контролируемую для диапазона от 1 до 10 кГц. В соответствии с международными договоренностями термин «контролируемая» подразумевает, что уровень SPL является постоянным, +/- 3 дБ, в секторе 90° между 1 и 10 кГц, тогда как ослабление уровня SPL за пределами этого углового сектора должно быть по возможности максимальным, как правило, превышающим 6 дБ.
В области профессиональных акустических систем для направленности звукового источника различают две плоскости: горизонтальную плоскость и вертикальную плоскость, в которых эта характеристика, как правило, имеет разные значения. Регулирование направленности звуковых источников получило распространение еще во время появления громкоговорителей.
В настоящее время существуют два независимых метода регулирования направленности звуковых источников. Первый метод традиционно является механическим: он во многом опирается на использование звуковых рупоров и/или на компоновку сети многочисленных преобразователей. Принадлежащие к этому классу изделия «звуковые источники» как в профессиональном, так и не в профессиональном секторе имеют для данной плоскости, горизонтальной или вертикальной, только одну направленность, зафиксированную раз и навсегда материальной конфигурацией компонентов акустической колонки. Выбор преобразователей, их частоты среза, типа рупора или волновода, установленного перед отверстием электродинамических головок с предрупорной камерой или электродинамических громкоговорителей, определяет характеристики направленности звукового источника в более или менее широкой спектральной полосе.
Следует напомнить, что регулировать направленность можно только для средних и высоких звуковых частот, учитывая, что для всех частот длина волны которых намного превышает физические размеры звукового источника, невозможно регулировать направленность в силу неизменных физических законов. Поэтому невозможно пытаться регулировать направленность для частоты ниже 100 Гц, то есть с длиной волны, превышающей 3,4 м, если акустическая колонка представляет собой куб с длиной ребра 30 см. На средних частотах, то есть для среднечастотных громкоговорителей, частоты которых обычно составляют примерно от 200 Гц до 1 кГц, можно добиться удовлетворительной контролируемой направленности контроля за счет специальной компоновки преобразователей, используя взаимное влияние между многочисленными громкоговорителями. На более высоких частотах, то есть для высокочастотных громкоговорителей, частоты которых обычно составляют примерно от 1 до 10 кГц, необходимо устанавливать волноводы и/или рупоры перед отверстием или открытым концом высокочастотных громкоговорителей, часто называемых "tweeters" (на английском языке), или электродинамических головок с предрупорной камерой для получения искомой направленности за счет формы волновода и/или рупора.
Преимуществом механического подхода является его простота и умеренная стоимость при получении удовлетворительных результатов на средних и высоких частотах. Недостатком, связанным с механической неподвижностью, является невозможность разнообразить выбор для пользователя на одном изделии.
Этот недостаток заставил разработать рупоры или волноводы с изменяемой геометрией путем установки на выходе волноводов створок, регулируемых пользователем в зависимости от его выбора. Известно также устройство под названием Outline Mini COM.P.A.S.S. (зарегистрированный товарный знак), которое принадлежит к первому классу звуковых источников механического действия с регулируемыми элементами, в которых установлены среднечастотные преобразователи. К сожалению, такие регулировки влияют только на некоторые физические параметры среднечастотной/высокочастотной системы, и оказывают лишь ограниченное воздействие на всем необходимом диапазоне частот.
Второй способ регулирования направленности появился в последние десять лет и основан на электронике в виде компонентов типа DSP от Digital Signal Processor (цифровой сигнальный процессор). Преобразователи, которые часто являются идентичными, связаны заранее определенной физической компоновкой. Преобразователи работают в общем частотном диапазоне, выбранном конструктором. Благодаря компоненту DSP, по меньшей мере к одному из преобразователей применяют параметры амплитуды и фазы, иначе говоря, параметры фильтрации, коэффициента усиления, сдвига фазы, задержки, позволяющие изменять и регулировать направленность системы громкоговорителей, рассматриваемой как комплексный звуковой источник. Интерес этого подхода состоит в возможности обеспечивать разные направленности при одной физической конфигурации. Он тоже предполагает использование большого числа преобразователей для повышения качества регулирования. Его недостатком является высокая стоимость, так как он использует один компонент DSP с усилением на каждый преобразователь, и он практически не позволяет осуществлять регулирование для сверхвысоких частот, как только длина волны становится меньше размера каждого преобразователя, как правило, ниже 4 кГц.
Так, устройство, раскрытое в документе ЕР 1635606, принадлежит к первому классу звуковых источников механического действия с регулируемыми створками, действующими механически и акустически на среднечастотные и высокочастотные преобразователи. В предложенном способе используют различные параметры DSP для регулировок различных створок с одной лишь целью обеспечения линейности частотной характеристики. Для среднечастотных и высокочастотных преобразователей не предусмотрено общего частотного диапазона. Частота среза между среднечастотными и высокочастотными преобразователями является фиксированной, то есть не зависит от ориентации створок.
Изобретение призвано устранить недостатки известных систем громкоговорителей и предложить систему, которая имеет исключительно эффективную направленность и которая является достаточно простой в подключении.
В связи с этим объектом изобретения является акустическая система, содержащая по меньшей мере один высокочастотный акустический преобразователь и по меньшей мере один среднечастотный акустический преобразователь, регулируемые створки, действующие на излучение звука высокочастотного акустического преобразователя для получения направленности излучения звука высокочастотного акустического преобразователя в выбранном угловом секторе, отличающаяся тем, что выполнена таким образом, чтобы среднечастотный акустический преобразователь и высокочастотный акустический преобразователь излучали в общем частотном диапазоне, и содержит по меньшей мере один модуль управления типа цифрового сигнального процессора, действующий на сигнал в направлении высокочастотного акустического преобразователя и на сигнал в направлении среднечастотного акустического преобразователя таким образом, чтобы в общем частотном диапазоне применять по меньшей мере один параметр амплитуды к высокочастотному акустическому преобразователю (1) и/или к среднечастотному акустическому преобразователю, а также по меньшей мере один параметр фазы к высокочастотному акустическому преобразователю и/или к среднечастотному акустическому преобразователю с целью получения направленности излучения звука для пары, состоящей из высокочастотного акустического преобразователя и среднечастотного акустического преобразователя, в том же выбранном угловом секторе, что и направленность, обеспечиваемая регулируемыми створками.
Предпочтительно регулируемые створки и модуль управления типа DSP выполнены таким образом, что генерируют, каждый, звуковые волны по существу постоянного звукового уровня в указанном выбранном угловом секторе, при этом регулируемые створки и модуль управления типа DSP выполнены таким образом, что ослабляют звуковые волны в любом угле за пределами указанного выбранного углового сектора с ослаблением, превышающим 6 дБ относительно самого высокого звукового уровня в указанном выбранном угловом секторе.
Предпочтительно акустическая система выполнена таким образом, чтобы общий частотный диапазон изменялся в зависимости от ориентации регулируемых створок.
Предпочтительно акустическая система содержит по меньшей мере два среднечастотных акустических преобразователя и по меньшей мере один высокочастотный акустический преобразователь, при этом среднечастотные акустические преобразователи расположены с двух сторон от высокочастотного акустического преобразователя.
Предпочтительно акустическая система содержит корпус, по меньшей мере частично окружающий одну из створок, при этом указанная по меньшей мере одна из створок имеет поверхность, направленную в сторону звукового потока, излучаемого указанным высокочастотным акустическим преобразователем, и поверхность, направленную в другую сторону от звукового потока, излучаемого указанным высокочастотным акустическим преобразователем, при этом корпус образует препятствие перед поверхностью створки (6), направленной от звукового потока, излучаемого высокочастотным акустическим преобразователем, чтобы предохранять эту поверхность от удара постороннего предмета.
Предпочтительно указанный по меньшей мере один среднечастотный акустический преобразователь содержит подвижную мембрану по существу конической формы, и корпус указанной по меньшей мере одной створки выполнен таким образом, что прилегает к части по существу конической формы мембраны.
Предпочтительно акустическая система является портативной акустической системой.
Предпочтительно акустическая система содержит по меньшей мере два низкочастотных акустических преобразователя, расположенных с двух сторон от комплекса, образованного указанным по меньшей мере одним высокочастотным акустическим преобразователем и указанными по меньшей мере двумя среднечастотными акустическими преобразователями.
Предпочтительно акустическая система содержит по меньшей мере один волновод, который направляет звуковые волны, излучаемые высокочастотным акустическим преобразователем.
Предпочтительно акустическая система содержит щель, через которую проходят звуковые волны, излучаемые высокочастотным акустическим преобразователем, при этом указанные по меньшей мере два среднечастотных акустических преобразователя расположены с двух сторон от щели.
Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на следующие прилагаемые фигуры:
фиг. 1 - вид в разрезе системы громкоговорителей согласно варианту выполнения изобретения;
фиг. 2 - вид в разрезе части с регулируемыми створками этой системы громкоговорителей.
Показанная на фиг. 1 система громкоговорителей содержит скомпонованные в виде К среднечастотные и высокочастотные преобразователи. В передней проекции эта система громкоговорителей является симметричной относительно вертикальной плоскости, проходящей через систему в ее середине. Начиная от середины передней стороны, находятся электродинамические головки 1 с предрупорной камерой, установленные в линию и связанные с расположенными над ними волноводами 2, содержащими на передней стороне выход в виде вертикальной продольной щели 3. С двух сторон от этой щели 3 на передней стороне установлены среднечастотные преобразователи 4, расположенные максимально близко к щели 3. С двух сторон от этих среднечастотных преобразователей 4 установлены низкочастотные преобразователи 5, расположенные вблизи среднечастотной секции.
Высокочастотные преобразователи 1 излучают высокие частоты, которые являются частотами в пределах примерно от 1 до 10 кГц. Среднечастотные преобразователи излучают средние частоты, которые являются частотами, составляющими примерно от 200 Гц до 1 кГц. Низкочастотные преобразователи излучают низкие частоты, являющиеся частотами примерно ниже 200 Гц.
С двух сторон от щели 3 добавлены стенки 6, которые частично перекрывают среднечастотные преобразователи 4 и ориентация которых позволяет направлять высокие частоты, излучаемые высокочастотным преобразователем 1, в угловой сектор, соответствующий направленности высокочастотной секции.
В данном случае эти стенки 6 образуют регулируемые створки. Таким образом, применяют механическую регулировку этих регулируемых створок 6 на выходе волновода 2, который соединен с отверстием высокочастотного преобразователя 1, который в данном случае представляет собой электродинамическую головку с предрупорной камерой. Этот комплекс расположен между двумя или несколькими среднечастотными преобразователями 4, установленными с возможностью прямого излучения на фиксированную плоскость таким образом, чтобы укомплектованное устройство имело в передней проекции симметрию относительно вертикальной плоскости. В данном случае створки 6, находящиеся на выходе волноводов 2, являются подвижными с заранее определенным выбором нескольких направлений.
В данном случае створки 6 заключены в два соответствующих корпуса 7. Каждый из корпусов 7 расположен вокруг пространства, ограниченного нижней стороной створки 6, обращенной в сторону от высокочастотного звукового потока. Таким образом, корпуса 7 защищают створки 6, чтобы никакой посторонний предмет не мог войти в контакт с находящейся под ним створкой. Каждый из корпусов 7 заключает в себе и защищает систему поворота и предварительного выбора ориентации соответствующей створки 6. В настоящем варианте выполнения каждый из корпусов 7 имеет переднюю часть, перекрывающую соответствующий среднечастотный преобразователь. В этой части перекрывания каждый корпус 7 проникает в коническое пространство, ограниченное подвижной мембраной рассматриваемого среднечастотного преобразователя 4, и повторяет форму мембраны. Таким образом, эта перекрывающая часть выполняет роль среднечастотной предрупорной камеры.
В данном случае створки 6 выполнены с возможностью индивидуальной регулировки, чтобы для настоящей системы можно было применить несимметричную регулировку ориентации звукового потока как вправо, так и влево в зависимости от того, что одна или другая из створок находится в максимально поднятом положении.
Поворот створок 6 позволяет изменять направленность высокочастотного звука в рабочем диапазоне высокочастотных преобразователей, как правило, в диапазоне частот выше 800 Гц, но при условии, что размер створок 6 в открытом или закрытом состоянии является достаточным, чтобы гарантировать эффективное регулирование. Действительно, можно отметить потерю регулирования направленности по мере схождения створок в узком угловом диапазоне по причине слишком незначительных размеров на выходе створок.
Чтобы устранить этот эффект, в настоящей системе применяют регулировку на среднечастотных преобразователях, которая постепенно активирует эти преобразователи при помощи компонента DSP, чтобы акустически компенсировать потерю регулирования для высокочастотной секции в ее нижней части.
В настоящем устройстве среднечастотные 4 и высокочастотные 1 преобразователи работают в общем частотном диапазоне, и компонент DSP устанавливает параметры амплитуды и фазы высокочастотного 1 и среднечастотного 4 преобразователей в общем частотном диапазоне таким образом, чтобы направленность, полученная при таких параметрах, была такой же, что и направленность, полученная путем регулировки створок 6 на высоких звуковых частотах. Для этого при помощи электронного компонента DSP комбинируют по меньшей мере три точки-источника, которыми являются высокочастотный преобразователь 1, расположенный в центре, и два расположенных с двух сторон идентичных среднечастотных преобразователя 4, чтобы, как известно, получаемое акустическое сложение приводило к искомой направленности.
Иначе говоря, эта обработка состоит в регулировке параметров фильтрации, коэффициента усиления, фазы и задержки, при этом задержка соответствует сдвигу фазы, зависящему от частоты, а фильтрация соответствует амплитуде, зависящей от частоты, как это происходит в настоящем варианте выполнения. Этот метод можно обобщить для нескольких дополнительных точек-источников, которые можно, например, расположить одну за другой с двух сторон от описанного выше устройства, чтобы добиться регулирования для еще более низких частот и коррелировать его с другими секциями. Таким образом, получают систему громкоговорителей с переменной направленностью не только за счет возможности изменения ориентации створок, но также за счет координированного изменения обработки, применяемой компонентом DSP.
В данном случае высокочастотные преобразователи 1 получают питание от компонента DSP, включенного в модуль управления, который, кроме обработки цифрового сигнала, осуществляет также усиление. Фильтр верхних частот перехода между средними частотами и высокими частотами устанавливают в значении Fc. Коэффициент усиления и задержку высокочастотной секции регулируют относительно среднечастотной секции таким образом, чтобы акустическое сложение было максимально благоприятным в самом широком угловом секторе, в настоящем примере 110°. В диапазоне частот [Fc, Frc] относительно номинального коэффициента усиления в диапазоне частот ниже Frc применяют ослабление коэффициента усиления на значение, меньшее 6 дБ, меняющееся в зависимости от ориентации створок, при этом Frc меняется от Fc и до Fc × 2,5 в зависимости от ориентации створок. Среднечастотные преобразователи 4 тоже получают питание от модуля управления, осуществляющего обработку цифрового сигнала и усиление, причем эти модули в данном случае применяют в количестве одного для каждого типа преобразователя, но в варианте его можно заменить несколькими модулями управления, например, связанными, каждый, с соответствующим преобразователем. В данном случае модуль управления расположен снаружи показанной на фигурах системы громкоговорителей, но в варианте он может быть интегрирован в такую систему громкоговорителей.
Если среднечастотные преобразователи 4 соединены параллельно, фильтр верхних частот перехода между средними и высокими частотами устанавливают в значении Fc, фильтр нижних частот перекрывания между частотами среднечастотного преобразователя 4 и высокочастотного преобразователя 1 устанавливают в значении Frc, при этом Frc меняется от Fc и до Fc × 2,5 в зависимости от ориентации створок 6. В диапазоне частот [Fc, Frc] относительно номинального коэффициента усиления в диапазоне частот ниже Frc в данном случае применяют ослабление коэффициента усиления на значение, превышающее 6 дБ.
Настоящая система громкоговорителей является портативной системой, которую может переносить один человек или два человека при помощи ручек, выполненных на концах настоящей системы.
Таким образом, в настоящем примере выполнения изобретения применяют частоты и ослабления, приведенные в нижеследующей таблице, где частоты и ослабления представлены в зависимости от искомой направленности, причем эти частоты и ослабления могут меняться в зависимости от физической конфигурации преобразователей, кроме того значения приведены для значения Fc, равного 1 кГц.
Описанное устройство сочетает в себе механическую регулировку звукового источника путем использования регулируемых створок 6, действующих на высокочастотную секцию, и регулирования при помощи компонента DSP низкочастотных 5, среднечастотных 4 и высокочастотных 1 преобразователей с применением частотного диапазона, общего по меньшей мере для двух типов преобразователей, в данном случае изменяемого в зависимости от ориентации створок 6 высокочастотной секции. Механические и электронные параметры корректируют таким образом, чтобы распространить регулирование направленности, полученной в высокочастотной секции, на средние частоты, воспроизводимые среднечастотными преобразователями 4. Так, при помощи компонента DSP изменяют соответствующие параметры амплитуды и фазы преобразователей, чтобы добиться соответствия между направленностью высокочастотного звука и среднечастотного звука. Таким образом, можно корректировать направленность звукового источника, содержащего такое устройство, в угловом диапазоне от 60 до 120° с хорошим контролем, начиная от 300 Гц и до частот, превышающих 10 кГц.