ПЛАНАРНЫЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С РАДИАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ (ВАРИАНТЫ)
PLANAR ELECTRODYNAMIC ACOUSTIC TRANSDUCER WITH RADIAL STRUCTURE (EMBODIMENTS)

Группа изобретений относится к области акустических систем, в частности к планарным электродинамическим акустическим преобразователям, и предназначено для использования в акустических системах для преобразования электрических сигналов в колебания диафрагмы, создающей звуковые колебания.
Известен аналог - планарный электродинамический акустический преобразователь - US4837838, 06.06.1989, содержащий удлиненные магнитные полосы, закрепленные с обеих сторон плоской гибкой тонкопленочной диафрагмы. Подключенные к диафрагме токопроводящие дорожки при возбуждении электрическим током вызывают движение диафрагмы. Известен аналог - одномагнитный планарный электродинамический акустический преобразователь - US20150326974, 12.11.2015, в котором используется пластина из магнитного материала, с удлиненными отверстиями, закрепленная с одной стороны тонкопленочной диафрагмы.
Известен наиболее близкий аналог - планарный электродинамический акустический преобразователь с радиальной структурой - US8948441, 13.03.2012, принятый в качестве прототипа, содержащий корпус со встроенными в него трапецеидальными постоянными магнитами, расположенными радиально с образованием круговой рабочей зоны преобразователя, параллельно плоскости магнитов в корпусе закреплена плоская гибкая диэлектрическая тонкопленочная диафрагма так, что она зафиксирована к корпусу в центре и по периферии, магниты расположены с двух сторон относительно диафрагмы, имеются нанесенные на диафрагму токопроводящие дорожки, каждая из токопроводящих дорожек в плане расположена вокруг соответствующего трапецеидального магнита так, что в зоне расположения токопроводящей дорожки имеется центральный участок, не заполненный токопроводящей дорожкой, выводы каждой токопроводящей дорожки расположены с внешней стороны круговой рабочей зоны.
Первым недостатком прототипа является недостаточно высокое качество передаваемого сигнала, что обусловлено одновременно совокупностей признаков: 1) наличием большого количества переходов через гальванические пары металлов, на которых происходит искажение звукового сигнала; 2) трапециевидной формой магнитов, перекрывающих большую площадь, ограничивая тем самым возможность выхода звука, а также не позволяющей применять более эффективные с точки зрения передачи звукового сигнала схемы расположения магнитов; 3) закреплением центра диафрагмы к корпусу, что ограничивает амплитуду ее колебания, не позволяя передавать определенные частоты. Гальванические переходы имеются в местах соединений концов токопроводящих дорожек, обычно соединение выполняется пайкой. Токопроводящих дорожек в прототипе несколько, а количество таких нежелательных гальванических переходов в два раза больше.
Вторым недостатком прототипа является низкая технологичность его изготовления, что обусловлено: 1) наличием большого количества соединений концов токопроводящих дорожек, что повышает трудоемкость сборки, состоящей в распайке контактов этих концов с проводниками; 2) трапециевидной формой магнитов, что усложняет изготовление магнита.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в исключении перечисленных недостатков прототипа и создании планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой, обладающего высоким качеством передачи сигнала, высокой чувствительностью и технологичного в изготовлении. Высокая чувствительность выражается в увеличенной по сравнению с прототипом степени изменения звукового давления при одинаковом изменении подводимой электрической мощности.
Технический результат достигается в первом варианте планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой, содержащем корпус с закрепленными внутри постоянными магнитами и плоской гибкой диэлектрической тонкопленочной диафрагмой, на которую нанесена токопроводящая дорожка, постоянные магниты расположены радиально равномерно в пределах рабочей зоны преобразователя, диафрагма расположена параллельно плоскости магнитов, магниты расположены с двух сторон относительно диафрагмы, диафрагма зафиксирована к корпусу по периферии с обеспечением свободного колебания ее остальной части, каждый магнит имеет форму стержня, расположенного радиально по отношению к рабочей зоны, токопроводящая дорожка имеет непрерывную структуру в пределах всей диафрагмы от одного конца к другому, токопроводящая дорожка имеет радиальные участки, которые расположены радиально в рабочей зоне и участки-соединители, которые соединяют между собой радиальные участки с обеспечением непрерывной структуры токопроводящей дорожки, магниты в плане расположены в промежутках между радиальными участками токопроводящей дорожки, при этом первая группа магнитов расположена северным полюсом к диафрагме, вторая группа магнитов расположена южным полюсом к диафрагме, магниты первой и второй групп по окружности распределены с чередованием, совпадающие магниты с разных сторон диафрагмы расположены одноименным полюсом друг к другу.
Технический результат достигается во втором варианте планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой, содержащем корпус с закрепленными внутри постоянными магнитами и плоской гибкой диэлектрической тонкопленочной диафрагмой, на которую нанесена токопроводящая дорожка, постоянные магниты расположены радиально равномерно в пределах рабочей зоны преобразователя, диафрагма расположена параллельно плоскости магнитов, магниты расположены с двух сторон относительно диафрагмы, диафрагма зафиксирована к корпусу по периферии с обеспечением свободного колебания ее остальной части, каждый магнит имеет форму стержня, расположенного радиально по отношению к рабочей зоне, токопроводящая дорожка имеет непрерывную структуру в пределах всей диафрагмы и два контакта на концах, токопроводящая дорожка имеет радиальные участки, которые расположены радиально в рабочей зоне и участки-соединители, которые соединяют между собой радиальные участки с обеспечением непрерывной структуры токопроводящей дорожки, магниты в плане совпадают с расположением радиальных участков токопроводящей дорожки, при этом магниты с одной стороны диафрагмы расположены так, что соседние магниты направлены одинаковыми полюсами друг другу, магниты с разных сторон диафрагмы расположены одинаково.
Технический результат достигается в третьем варианте планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой, содержащем корпус с закрепленными внутри постоянными магнитами и плоской гибкой диэлектрической тонкопленочной диафрагмой, на которую нанесена токопроводящая дорожка, постоянные магниты расположены радиально равномерно в пределах рабочей зоны преобразователя, диафрагма расположена параллельно плоскости магнитов, магниты расположены с двух сторон относительно диафрагмы, диафрагма зафиксирована к корпусу по периферии с обеспечением свободного колебания ее остальной части, каждый магнит имеет форму стержня, расположенного радиально по отношению к рабочей зоне, токопроводящая дорожка имеет непрерывную структуру в пределах всей диафрагмы и два контакта на концах, токопроводящая дорожка имеет радиальные участки, которые расположены радиально в рабочей зоне и участки-соединители, которые соединяют между собой радиальные участки с обеспечением непрерывной структуры токопроводящей дорожки, имеется две группы магнитов, отличающихся структурой их расположения в плане относительно радиальных участков токопроводящей дорожки, первая группа магнитов расположена в промежутках между радиальными участками токопроводящей дорожки, вторая группа магнитов совпадает с расположением радиальных участков токопроводящей дорожки, расположенные по соседству с одной стороны диафрагмы магниты второй группы направлены одинаковыми полюсами друг другу, магниты второй группы с разных сторон диафрагмы расположены одинаково, магниты первой группы расположены так, что магниты, расположенные между северными полюсами соседних магнитов второй группы, расположены северным полюсом к диафрагме, а магниты, расположенные между южными полюсами соседних магнитов второй группы, расположены южным полюсом к диафрагме.
На фиг. 1 изображен разнесенный вид первого варианта планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой.
На фиг. 2 изображен вид в плане взаимного расположения токопроводящей дорожки диафрагмы и магнитов первого варианта планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой.
На фиг. 3 изображено поперечное сечение планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой (изображение подходит для всех вариантов).
На фиг. 4 изображено поперечное сечение диафрагмы и магнитов первого варианта планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой (сечение А-А с фиг. 2).
На фиг. 5 изображен вид в плане взаимного расположения токопроводящей дорожки диафрагмы и магнитов второго варианта планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой.
На фиг. 6 изображено поперечное сечение диафрагмы и магнитов второго варианта планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой (сечение Б-Б с фиг. 5).
На фиг. 7 изображен вид в плане взаимного расположения токопроводящей дорожки диафрагмы и магнитов третьего варианта планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой.
На фиг. 8 изображено поперечное сечение диафрагмы и магнитов третьего варианта планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой (сечение Б-Б с фиг. 7).
Планарный электродинамический акустический преобразователь с радиальной структурой во всех трех вариантах исполнения содержит корпус 1, как показано на фиг. 1 (в примере он состоит из двух частей), с закрепленными внутри постоянными магнитами 2 и плоской гибкой диэлектрической тонкопленочной диафрагмой 3, на которую нанесена токопроводящая дорожка 4. Постоянные магниты 2 расположены радиально равномерно в пределах рабочей зоны 5 преобразователя, как показано на фиг. 2 (в этом примере она имеет форму круга). Рабочая зона 5 - это зона, в пределах которой происходят колебания диафрагмы 3 и процесс преобразования электрического сигнала в звуковые колебания. Диафрагма 3 расположена параллельно плоскости магнитов, магниты 2 расположены с двух сторон относительно диафрагмы 3, как показано на фиг. 3. Диафрагма 3 зафиксирована к корпусу 1 по периферии 6 с обеспечением свободного колебания ее остальной части. Каждый магнит 2 имеет форму стержня, расположенного радиально по отношению к рабочей зоне 5, токопроводящая дорожка 4 имеет непрерывную структуру в пределах всей диафрагмы 3 от одного конца 7 к другому 8, как показано на фиг. 1, 2. Токопроводящая дорожка 4 имеет радиальные участки 9, которые расположены радиально в рабочей зоне 5 и участки-соединители 10, 11, которые соединяют между собой радиальные участки 9 с обеспечением непрерывной структуры токопроводящей дорожки 4. Магниты 2 расположены с двух сторон относительно диафрагмы 3, как показано на фиг. 3, 4, 6, 8.
В первом варианте планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой магниты 2 в плане расположены в промежутках 12 между радиальными участками 9 токопроводящей дорожки 4, как показано на фиг. 2, при этом первая группа 13 магнитов 2 расположена северным полюсом N к диафрагме 3, вторая группа 14 магнитов 2 расположена южным полюсом S к диафрагме 3, магниты 2 первой и второй групп по окружности 5 распределены с чередованием, совпадающие магниты 2 с разных сторон диафрагмы 3 расположены одноименным полюсом друг к другу, как показано на фиг. 4.
Во втором варианте планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой магниты 2 в плане совпадают с расположением радиальных участков 9 токопроводящей дорожки 4, как показано на фиг. 5, при этом магниты 2 с одной стороны диафрагмы 3 расположены так, что соседние магниты 2 направлены одинаковыми полюсами друг другу (N к N, S к S), как показано на фиг. 6, магниты 2 с разных сторон диафрагмы 3 расположены одинаково.
В третьем варианте планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой имеется две группы магнитов 2, отличающихся структурой их расположения в плане относительно радиальных участков 9 токопроводящей дорожки 4: первая группа 15 магнитов 2 расположена в промежутках 12 между радиальными участками 9 токопроводящей дорожки 4, как показано на фиг. 7, вторая группа 16 магнитов 2 совпадает с расположением радиальных участков 9 токопроводящей дорожки 4. Расположенные по соседству с одной стороны диафрагмы 3 магниты второй группы 16 направлены одинаковыми полюсами друг другу (N к N, S к S). Магниты второй группы 16 с разных сторон диафрагмы 3 расположены одинаково. Магниты первой группы 15 расположены так, что магниты, расположенные между северными полюсами соседних магнитов второй группы 16 расположены северным полюсом к диафрагме 3, как показано на фиг. 8, а магниты, расположенные между южными полюсами соседних магнитов второй группы 16 расположены южным полюсом к диафрагме 3.
Рассмотрим пример конкретной реализации планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой. Корпус 1 изготовлен из пластмассы. Он выполнен из двух половинок в форме окружностей, как показано на фиг. 1, 2, в которых есть полость 17 под движение рабочей зоны 5 диафрагмы 3 и полости 18 под магниты 2. Полость 17 в примере конкретной реализации совпадает с рабочей зоной 5. Половинки корпуса стянуты между собой винтами. Гибкая диэлектрическая тонкопленочная диафрагма 3 установлена на изолирующей рамке 19 для изоляции магнитов 2 от токопроводящей дорожки 4 диафрагмы 3. Периферийная зона 6 диафрагмы 3 неподвижна при работе, она зафиксирована и прижата к рамке 19. Рабочая зона 5 является подвижной частью. Участки-соединители 10 токопроводящей дорожки 4 расположены в периферийной зоне 6. Возможно исполнение устройства без изолирующей рамки 19. Корпус 1 может быть цельным, изготовленным литьем пластмассы с диафрагмой 3 и магнитами 2 в качестве закладных элементов при литье или может быть напечатан на 3d принтере вокруг элементов устройства. В корпусе 1 имеются отверстия 20 для выхода звука.
Магниты 2 имеют стержневую форму. Форма сечения магнитов 2 в примере конкретной реализации - квадратная. Такая форма магнита проще в изготовлении по сравнению трапециевидной, как в прототипе. Трапециевидные магниты в прототипе перекрывают большую площадь, чем стрежневые, поэтому не позволяют сделать достаточное количество отверстий для выхода звука. В результате внутри излучателя прототипа создается избыток давления, что приводит к чрезмерному демпфированию диафрагмы. Поэтому в нем хуже импульсная характеристика и есть амплитудные искажения, более выраженная "акустическая тень", что сильно ухудшает отдачу на высокие частоты. Испытания подтвердили, что в конструктиве прототипа происходит очень сильный спад на высоких частотах после 10 кГц. В предложенном техническом решении, во всех вариантах его исполнения, лучше осуществляется передача высоких частот по сравнению с прототипом. Первый вариант планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой похож на прототип тем, что траектория токопроводящей дорожки 4 расположена в плане снаружи магнитов 2. Стержневая форма магнитов 2 позволяет реализовать второй и третий варианты планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой.
Токопроводящая дорожка 4 нанесена на диафрагму 3 для обеспечения создания движущей силы для перемещения диафрагмы 3. При протекании тока через токопроводящую дорожку 4 происходит взаимодействие с магнитным полем магнитов 2, в результате чего возникает сила ампера, перемещающая диафрагму 3. Перемещения диафрагмы с разной частотой создают звуковые волны. Токопроводящая дорожка 4 имеет непрерывную структуру в пределах всей диафрагмы 3 от одного конца 7 к другому 8. Два контакта вместо множества, как в прототипе, повышает технологичность изготовления преобразователя. Количество контактов влияет на качество звука. При наличии в цепи слишком большого количество переходов через гальванические пары металлов звук деградирует. В прототипе десятки таких переходов. В предложенном техническом решении их всего два, что повышает передачу звукового сигнала.
Диафрагма 3 зафиксирована к корпусу 1 только по периферии 6 с обеспечением свободного колебания ее остальной части по сравнению с прототипом, у которого центр диафрагмы закреплен. Этот признак очень сильно влияет на звук, так как в предлагаемом техническом решении амплитуда движения диафрагмы 3 больше по сравнению с прототипом, что дает больший диапазон интенсивности звука и обеспечивает высокую чувствительность преобразователя. Обеспечение свободного колебания всей рабочей зоны 5 диафрагмы 3 совместно с вышеописанными формой и расположением магнитов 2 необходимы для обеспечения высокой чувствительности преобразователя.
Приведенный выше пример реализации подходит для всех трех вариантов исполнения планарного электродинамического акустического преобразователя с радиальной структурой. Все три варианта обеспечивают достижение технического результата. Отличие трех вариантов заключается в конфигурации магнитного поля в области дорожек, которая влияет на характер звучания. Это позволяет сделать модельный ряд устройств с разным характером звучания.
В третьем варианте преобразователя расположение магнитов 2 выполнено в виде магнитной сборки Халбаха. Благодаря ей обеспечивается наибольшая плотность магнитного потока на площадь рабочей зоны 5 для увеличения чувствительности преобразователя. Наибольшая эффективность достигается именно на стержневых магнитах, в особенности имеющих прямоугольное или квадратное поперечное сечение. На магнитах трапециевидной формы, которая использована в прототипе, противоположные полюсы расположены в верхней и нижней частях призмы, имеющей в плане форму трапеции. С магнитами такой формы невозможно реализовать магнитную сборку Халбаха, так как для нее нужна описанная выше ориентация магнитов, которая достигается на стержневой форме магнитов. Изготовление магнитов с другим расположением полярностей с трапециевидной формой технологически сложнее. Достижению максимального эффекта от сборки Халбаха при трапециевидной форме магнитов мешает различие сечения в разных направлениях и, следовательно, неравномерности плотности магнитного потока каждого магнита в разных направлениях и в разных местах сечения.