ДИНАМИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА СОСТАВНОГО ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
DYNAMIC HEAD OF COMPOSITE LOUDSPEAKER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к громкоговорителям и, конкретно, к динамическим головкам комбинированных громкоговорителей, для воспроизведения низких и высоких частот предусматривающим наличие раздельных диафрагм.
Уровень техники
Комбинированные громкоговорители обычно содержат, по меньшей мере, две динамические головки, которые обеспечивают воспроизведение в соответствующих низкочастотной и высокочастотной полосах. Низкочастотные и высокочастотные динамические головки традиционно выполнялись в виде отдельных узлов. При этом для обеспечения высококачественного воспроизведения, без выбросов по интенсивности и направлению, динамические головки устанавливались более или менее соосно. Подобные улучшенные динамические головки комбинированных громкоговорителей обычно являются низко- или среднечастотными блоками, скомбинированными с высокочастотными динамическими головками. При этом каждая высокочастотная головка крепится отдельно, впереди или в непосредственной близости относительно низкочастотной звуковой катушки в составе системы. В US 5548657 описаны примеры подобных устройств, в которых высокочастотная динамическая головка была встроена в низкочастотную звуковую катушку и отделена от обмотки этой катушки зазором, достаточным для обеспечения бесконтактного осевого перемещения звуковой катушки.
Качество известных конструкций обычно страдает от акустического рассогласования между высокочастотной диафрагмой и смежными акустическими поверхностями, в основном, низкочастотным конусом и окружающими его деталями. Если высокочастотная диафрагма выдвинута вперед относительно горловины низкочастотного конуса, часть излучения от высокочастотной диафрагмы будет направляться назад, к низкочастотному конусу, а затем отражаться от него обратно, т.е. вперед. В результате возникнет интерференция с излучением высокочастотной диафрагмы, распространяющимся вперед. Это ухудшит высокочастотные параметры высокочастотной диафрагмы вследствие эффекта гребенчатого фильтра в акустической частотной характеристике системы. В US 5548657 описан другой тип акустического рассогласования между конусом и высокочастотной диафрагмой, когда между конусом и кольцевым экраном высокочастотной динамической головки оставлен круговой зазор, чтобы обеспечить возможность осевого перемещения низкочастотного конуса. Наличие такого зазора создает рассогласование в акустическом сопряжении высокочастотной диафрагмы. В результате, вследствие круглой формы этой диафрагмы и радиального характера излучаемого ею волнового фронта, как правило, имеет место значительная дифракция на оси излучения, испускаемого системой. Частотный интервал для подобной дифракции, в зависимости от используемой геометрии динамической головки, обычно соответствует 2-20 кГц. Аналогичное явление может вызываться также наличием гибкого охватывающего наружного компонента, приводящего к акустическому рассогласованию, результатом которого является, как и в описанном случае со звуковой катушкой, радиальная дифракция, но на других частотах. В US 6745867 описана попытка устранить эту проблему путем повышения гладкости указанного наружного компонента.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании улучшенного составного комбинированного громкоговорителя, предусматривающего преодоление, по меньшей мере, одного из рассмотренных недостатков. Для решения этой задачи предлагается новый принцип построения комбинированной динамической головки, на основе которого в головке обеспечивается понижение негативного воздействия неоднородности радиального типа на лицевой стороне громкоговорителя.
Изобретение основано на использовании нового типа динамической головки громкоговорителя, содержащего шасси узла головок и наружную динамическую головку, присоединенную к указанному узлу и имеющую внутреннюю кромку, которая задает отверстие в наружной головке, образуя функциональную кромку. К указанному шасси дополнительно присоединена внутренняя динамическая головка, которая, по меньшей мере, частично охвачена отверстием наружной головки и имеет центральную акустическую ось, расположенную на расстоянии от функциональной кромки в радиальном направлении. Данное расстояние является переменным в зависимости от радиального направления от центральной акустической оси и имеет первое значение в первом радиальном направлении и второе значение, отличающееся от первого, во втором радиальном направлении, причем это отличие не обусловлено только допусками на изготовление.
Более конкретно, устройство согласно изобретению характеризуется признаками, включенными в независимый пункт 1 формулы изобретения.
Использование изобретения дает существенные преимущества. Вследствие нерегулярности неоднородности (разрывности) на лицевой стороне динамической головки в зависимости от направления нарушается синхронность дифракции звуковых фронтов, излучаемых внутренней головкой, в результате чего реальная частотная характеристика искажается в меньшей степени. Поскольку операционное окружение блока внутренней головки дает пониженную акустическую дифракцию, как осевые, так и внеосевые частотные характеристики остаются сглаженными и нейтральными. Дополнительное преимущество заключается в уменьшении дифракции при любых величинах осевых смещений наружной динамической головки.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, рассматриваются конкретные варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 в разрезе представлен первый вариант осуществления изобретения.
На фиг.2 представлен фрагмент варианта по фиг.1.
На фиг.3 этот же вариант осуществления представлен на виде спереди.
На фиг.4 в вертикальном разрезе представлен второй вариант осуществления изобретения.
На фиг.5 второй вариант осуществления представлен на виде спереди.
На фиг.6 на виде спереди представлен фрагмент внутренней динамической головки по второму варианту с показом смещения по вертикали.
На фиг.7 и 8 представлены графики, иллюстрирующие, каким образом расстояние между центральной осью внутренней динамической головки и функциональной внутренней кромкой наружной динамической головки изменяется в различных радиальных направлениях согласно второму и первому вариантам изобретения соответственно.
На фиг.9 представлена звездообразная внутренняя кромка наружной диафрагмы, к задней поверхности которой прикреплен кольцевой каркас звуковой катушки.
На фиг.10 представлен каркас звуковой катушки, имеющий звездообразное сечение у передней кромки и кольцевое сечение у задней стороны.
На фиг.11 показано крепление боковой кромки каркаса звуковой катушки к внутренней кромке наружной диафрагмы.
На фиг.12 показано крепление передней кромки каркаса звуковой катушки к задней поверхности наружной диафрагмы.
На фиг.13 показано крепление звездообразного каркаса звуковой катушки к наружной диафрагме.
Осуществление изобретения
Далее приведены определения конкретных терминов, существенных в данном случае.
В контексте изобретения термин каркас звуковой катушки используется применительно к любому конструктивному элементу, способному обеспечить механическое сопряжение звуковой катушки и вибрирующей диафрагмы. В данном контексте термин вперед означает направление, в котором начинают распространяться звуковые волны, формируемые громкоговорителем, т.е. направление, при смещении по которому диафрагма приближается к предполагаемому приемнику звука (прямое направление). И наоборот, термин назад означает направление, противоположное прямому направлению (обратное направление). Соответственно, термины передняя и задняя соответствуют сторонам громкоговорителя, которые расположены по направлениям вперед или назад. Далее, термин осевое направление соответствует направлению, с возможностью перемещения по которому выполнены диафрагмы. Соответственно, термин радиальное направление охватывает все направления, перпендикулярные данному осевому направлению. В добавление к сказанному принимается, что громкоговоритель и предполагаемый приемник звука имеют параллельные вертикальную и горизонтальную оси, т.е. задающие соответствующие направления.
Наконец, в контексте изобретения термин приблизительно n градусов означает, что угол лежит в узком интервале, охватывающем n градусов (но не равен точно n градусам). Кроме того, под функциональной кромкой наружной динамической головки подразумевается внутренняя кромка сопрягающего элемента низкочастотной динамической головки (при условии использования этого элемента). В альтернативном варианте (не предполагающем применения указанного сопрягающего элемента) в данном случае имеется в виду внутренняя кромка диафрагмы наружной динамической головки.
Как показано на фиг.1, 2, составной комбинированный громкоговоритель по настоящему изобретению имеет шасси 11 узла головок, несущее на себе функциональные узлы громкоговорителя и присоединенное к его корпусу (не показан). В частности, на шасси 11 и на его вспомогательных конструктивных элементах расположена высокочастотная динамическая головка 8, вставленная в низкочастотную динамическую головку 18 таким образом, чтобы диафрагма 7 головки 8 оказалась смещенной назад относительно внешней кромки диафрагмы 4 головки 18.
Шасси 11 узла головок несет вспомогательные конструктивные элементы, образующие жесткий корпус, который предназначен для установки нескольких функциональных узлов, обеспечивающих желаемое воспроизведение звука. В число данных конструктивных элементов входит передний фланец 14 магнитопровода, прикрепленный к заднему фланцу шасси 11. В середине фланца 14 выполнено отверстие, в которое установлен полюсный наконечник 10 с центральным сквозным отверстием 16. На заднем конце наконечника 10 выполнено плечо, на которое установлен задний фланец 15 магнитопровода. Фланцы 14, 15 совместно с полым полюсным наконечником 10 образуют необходимую магнитную систему для магнитного поля, которое создается постоянным магнитом 13, установленным между указанными фланцами.
Кроме того, как показано на фиг.2, в число упомянутых конструктивных элементов входит установочный сопрягающий элемент 12 высокочастотной динамической головки, прикрепленный своим задним концом к переднему концу полюсного наконечника 10, а своим передним концом - к высокочастотному сопрягающему элементу 2, несущему на себе высокочастотную головку 8. Головка 8 снабжена диафрагмой 7, которая своей внешней кромкой прикреплена к обмотке второй звуковой катушки для взаимодействия со вторым постоянным магнитом 21, также находящимся внутри высокочастотного сопрягающего элемента 2.
В число функциональных узлов громкоговорителя входят низкочастотная (наружная) динамическая головка 18 и высокочастотная динамическая головка 8, а также постоянный магнит 13. Головка 18 снабжена диафрагмой 4, прикрепленной своей внешней кромкой через эластомерную внешнюю подвеску 5 к шасси 11 узла головок. Подвеска 5 изготовлена из эластичного материала, гасящего колебания, такого как резина или пластик. Желательно выполнить подвеску 5 настолько плоской, насколько это возможно, чтобы избежать необязательных выступов или неоднородностей, вызывающих дифракцию и, таким образом, искажающих частотную характеристику громкоговорителя. Вообще говоря, чем меньше сечение наружной подвески, тем меньше может быть требуемый диапазон смещения наружной диафрагмы 4 (диафрагмы наружной динамической головки). В дополнение к сказанному, коэффициент затухания предпочтительно выбрать таким образом, чтобы волна изгиба, возникающая на диафрагме 4, гасилась в подвеске 5.
Согласно первому варианту осуществления изобретения во внутренней кромке диафрагмы 4 помещен сопрягающий элемент 1 низкочастотной динамической головки, присоединенный также к каркасу 6 звуковой катушки. Между сопрягающими элементами 1 и 2 имеется воздушный зазор 3, позволяющий элементу 1 совершать перемещения, производящие звук, вместе с обмоткой 9 звуковой катушки относительно сопрягающего элемента 2. В более широком смысле воздушный зазор 3 выполняет функцию зазора, оставленного между сопрягающим элементом 2 высокочастотной динамической головки и деталью, охватывающей элемент 2 по периметру. Таким образом, такой деталью может быть также и внутренняя кромка диафрагмы 4 в том случае, когда нет необходимости использовать сопрягающий элемент 1 низкочастотной динамической головки.
Передние поверхности сопрягающих элементов 1 и 2, а также диафрагмы 4 соприкасаются таким образом, чтобы звук, излученный высокочастотной динамической головкой 8, имел возможность проходить без преломления препятствиями на указанных поверхностях. С учетом того что сопрягающий элемент 1 низкочастотной динамической головки выполнен с возможностью участвовать в перемещении вместе с обмоткой 9 звуковой катушки, каркасом 6 и диафрагмой 4, желательно изготовить его из твердого легкого материала, такого как пластик, алюминий или магний. Это позволяет свести к минимуму перемещающуюся массу, добавленную к звуковой катушке, в результате чего улучшается восприимчивость динамической головки. Указанный каркас 6 соединяет сопрягающий элемент 1 низкочастотной динамической головки и обмотку 9 звуковой катушки, помещенную в зазоре между передним фланцем 14 магнитопровода и полюсным наконечником 10. Указанный зазор обеспечивает проход для перемещения обмотки 9 вперед и назад. Поэтому, когда к обмотке 9 звуковой катушки подводится переменный ток, индуцированное магнитное поле вместе с главным магнитным полем, созданным постоянным магнитом 13, заставляет обмотку 9 отклоняться вперед и назад. Указанное перемещение через каркас 6 звуковой катушки передается на диафрагму 4, которая выполнена с возможностью изменять свое положение вдоль оси. Такое перемещение может передаваться на диафрагму 4 непосредственно или через сопрягающий элемент 1 низкочастотной динамической головки. Подобное явление имеет место и в высокочастотной динамической головке 8, в которой соответствующее приводное средство 19, содержащее постоянный магнит и обмотку звуковой катушки, передает на диафрагму 7 осевое возвратно-поступательное перемещение.
Каркас 6 звуковой катушки поддерживается и центрируется гибкой подвеской 17 (такую подвеску часто называют крестовиной). Подвеска 17 прикреплена одним концом к боковой стороне каркаса 6, а другим - к опорной стойке, зафиксированной на передней стороне заднего фланца шасси 11 узла головок, и состоит из двух соосных колец, соединенных листом, на котором выполнено кольцевое рифление. Подвеска 17 поддерживает обмотку 9 и каркас 6 звуковой катушки, а также диафрагму 4 таким образом, чтобы механизм оставался концентричным с полюсами магнитопровода 10, 13, 14, 15, а обмотка 9 звуковой катушки не приходила в контакт с деталями 14, 10, окружающими зазор, предназначенный для ее перемещения. Вследствие того что диафрагма 4 надежно опирается на гибкую подвеску 17 звуковой катушки, она имеет возможность совершать очень большие осевые перемещения, т.е. перемещения, соответствующие достаточно низким частотам. В соответствии с возможностями низкочастотной динамической головки воспроизводить низкие частоты, граничная точка может опускаться до 800 Гц - 5 кГц. В этом отношении все частоты ниже и выше граничной точки должны считаться низкими и высокими соответственно.
Как показано на фиг.3, согласно первому варианту изобретения сопрягающие элементы 1 и 2 низкочастотной и высокочастотной динамических головок соответственно сконструированы таким образом, чтобы воздушный зазор 3 между ними имел не круглую, а многоугольную конфигурацию. Поскольку сопрягающий элемент 1 низкочастотной головки и, естественно, диафрагма 4 выполнены с возможностью перемещения относительно сопрягающего элемента 2 высокочастотной головки, приподнимание и опускание элемента 1 приводит к нарушению непрерывности (возникновению неоднородности) на передней поверхности комбинированной динамической головки. Если бы воздушный зазор 3 имел круглую конфигурацию, звуковые фронты, формируемые высокочастотной динамической головкой 8 в каждом радиальном направлении, приходили бы к указанной неоднородности одновременно. Это вызвало бы существенную деформацию частотной характеристики громкоговорителя, ухудшая, таким образом, его способность воспроизводить звук настолько нейтрально, насколько это возможно.
Чтобы преодолеть указанный недостаток, возникающий из-за наличия неоднородности, которая удалена от акустического центра высокочастотной динамической головки 8 на одинаковое расстояние r по всем радиальным направлениям, внешняя кромка 20 воздушного зазора 3 выполнена таким образом, чтобы она окружала головку 8 при переменном значении r, т.е. имела, например, многоугольную конфигурацию. Проиллюстрированный на фиг.3 многоугольник имеет восемь углов, что соответствует чередованию углов, примерно равных 180° и 90°. Точнее, чередуются углы, превышающие 180°, и углы менее 90°.
Многоугольник может иметь и другую конфигурацию, например, в виде четырехугольника, треугольника или даже звезды (см. фиг.9). В любом случае важно, чтобы одновременно к месту неоднородности прибывало как можно меньше звуковых фронтов. При любой конфигурации сопрягающие элементы 1, 2 низкочастотной и высокочастотной динамических головок должны иметь соответствующую форму. Это означает, что такую же форму должен иметь у своего переднего конца каркас 6 звуковой катушки. Если, например, выбрана конфигурация в виде звезды, переднему концу каркаса 6 следует придать форму звезды, а задний конец можно выполнить круглым, как это показано на фиг.10. После этого звездообразный каркас 6 можно прикрепить к внутренней кромке звездообразного сопрягающего элемента 1 низкочастотной динамической головки. В альтернативном варианте, представленном на фиг.9 и 12, каркас 6 звуковой катушки можно выполнить в виде неискаженного круглого кольца, для которого предусмотрена возможность прикрепления к задней поверхности низкочастотной диафрагмы 4 или сопрягающего элемента 1 динамической головки, имеющей конфигурацию в виде звезды. Различные варианты прикрепления каркаса 6 звуковой катушки к наружной диафрагме 4 проиллюстрированы на фиг.11-13.
Как показано на фиг.4-6, согласно второму варианту осуществления изобретения принцип, заключающийся в установке различных расстояний r в различных радиальных направлениях α от акустического центра высокочастотной динамической головки 8 до неоднородности у передней (лицевой) поверхности громкоговорителя, можно реализовать также, разместив две головки 8, 18 эксцентричным образом. Желательно, чтобы асимметрия проявлялась по вертикальной оси, где по сравнению с горизонтальной осью возникает меньше аудиоэффектов. При таком выполнении обеспечивается симметричное горизонтальное акустическое рассеяние, в то время как источники звука, эксцентричные по вертикали, вызывают только несущественное искажение, поскольку смещение мало.
По сравнению с первым вариантом осуществления во втором варианте согласующий элемент 2 высокочастотной динамической головки асимметричен в том смысле, что он немного смещен по вертикальной оси. Точно так же его можно было бы немного сместить и по горизонтальной оси, однако по причинам, указанным выше, это не привело бы к подобному важному результату. Поскольку центральная ось сопрягающего элемента 2 высокочастотной динамической головки не совпадает с центральной осью остальной конструкции (заданной, например, отверстием 16 полюсного наконечника), в отличие от первого варианта осуществления передняя поверхность сопрягающего элемента 2 по отношению к окружающей ее диафрагме 4 в каждом направлении α расположена не по касательной. Вместе с тем, указанные поверхности являются касательными, по меньшей мере, вдоль одного направления, которое в данном примере ориентировано по вертикальной оси, строго вниз. Другое отличие заключается в том, что к сопрягающему элементу 1 низкочастотной динамической головки не предъявляются какие-то особые требования. Действительно, поскольку сопрягающий элемент 2 высокочастотной динамический головки не имеет многоугольной формы, к которой нужно адаптировать прилегающую низкочастотную диафрагму 4, его наружный периметр может быть круглым. Таким образом, нет необходимости снабдить внутреннюю кромку диафрагмы 4 сопрягающим элементом 1 низкочастотной головки. В этом случае каркас 6 звуковой катушки будет присоединен непосредственно к задней поверхности диафрагмы 4 или к внутренней кромке указанной диафрагмы.
Как показано на фиг.7 и 8, важно, чтобы расстояние r между центральной акустической осью высокочастотной динамической головки 8 и неоднородностью, вызванной осевыми смещениями внутренней кромки низкочастотной головки 18, было переменным в зависимости от радиальных направлений α. Из фиг.7 видно, что вертикальное смещение высокочастотной головки 8 вызывает колебания на графике зависимости r от α, вследствие чего график не горизонтален. Таким образом, расстояние r непрерывно меняется в виде функции от радиального направления α головки 8. Графики, представленные на фиг.7 и 8, можно рассматривать как функции зависимости расстояния r от радиального направления α высокочастотной головки 8. График r, α можно сделать соответствующим и другим функциям, определяемым конфигурацией функциональной кромки низкочастотной головки. Функция может быть непрерывной или разрывной, периодической с одним или более периодами, непериодической или даже случайной.
Как видно из фиг.8, подобный эффект обеспечивает и многоугольная конфигурация воздушного зазора 3, хотя в данном случае график приобретает пилообразную форму. Несмотря на то что, конечно, имеются точки, удаленные от центра высокочастотной динамической головки 8 на одинаковые расстояния r, в данном случае к неоднородности одновременно подходит существенно меньше звуковых фронтов по сравнению с обычными выполнениями.
min
max
Как уже указывалось, вариабельность расстояния r в различных радиальных направлениях α относительно оси имеет периодический характер. Разница между минимальным (r) и максимальным (r) значениями r в типичном случае составляет 5-20%, предпочтительно 10-15%. Интервал может быть даже больше, однако наилучшие результаты получены для разности, составляющей примерно 15%. В любом случае от обычных допусков на изготовление, лежащих обычно в интервале 0,5-1 мм (примерно 1-2%), указанная разница отличается на порядок величины. Следует отметить, что для получения желаемого эффекта изменение расстояния r обеспечивают намеренно. В частности, естественный разброс из-за допусков на изготовление не используется, т.к. он не дает достаточного сглаживания искажения, вызванного неоднородностью, которая находится на одинаковом расстоянии от внутреннего источника звука. Далее, в границах настоящего изобретения предусмотрена возможность комбинировать различные отличительные признаки, раскрытые в данном описании, для создания составного громкоговорителя, имеющего радиально несимметричную неоднородность. Можно, например, сконструировать составной громкоговоритель со звездообразным воздушным зазором 3 и с вертикальным смещением высокочастотной динамической головки 8. Для специалиста в этой области будет очевидна возможность реализации и других комбинаций.
Перечень цифровых обозначений
1
Сопрягающий элемент низкочастотной динамической головки
2
Высокочастотный сопрягающий элемент
3
Воздушный зазор (между сопрягающим элементом 2 высокочастотной динамической головки и функциональной кромкой наружной динамической головки)
4
Диафрагма (наружной динамической головки)
5
Внешняя подвеска наружной динамической головки
6
Каркас звуковой катушки
7
Диафрагма (высокочастотной динамической головки)
8
Высокочастотная динамическая головка
9
Обмотка звуковой катушки (наружной динамической головки)
10
Полюсный наконечник
11
Шасси узла головок
12
Установочный сопрягающий элемент высокочастотной динамической головки
13
Постоянный магнит
14
Передний фланец магнитопровода
15
Задний фланец магнитопровода
16
Отверстие полюсного наконечника
17
Гибкая подвеска звуковой катушки
18
Наружная (низкочастотная) динамическая головка
19
Приводное средство высокочастотной динамической головки 8
r
Расстояние (мм) между акустической центральной осью высокочастотной динамической головки 8 и функциональной внешней кромкой диафрагмы
20
Функциональная внешняя кромка
21
Постоянный магнит высокочастотной динамической головки 8
r<sub>min</sub>
Наименьшее измеренное расстояние r (мм)
r<sub>max</sub>
Наибольшее измеренное расстояние r (мм)
α
Угол (градусы/π), в котором измеряется расстояние r