ДИНАМИЧЕСКИЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ С ПЛОСКОЙ ГОФРОВОЙ И ЯЧЕИСТОЙ МЕМБРАНОЙ
DYNAMIC LOUDSPEAKER WITH FLAT CORRUGATED AND CELLULAR MEMBRANE

Изобретение относится к области электроакустики, в частности к электродинамическим громкоговорителям, и может быть использовано во всех случаях, где требуется высокое качество воспроизведения звука, а именно для озвучивания залов, студий, кинотеатров, в бытовой акустической аппаратуре экстракласса, в области нижних и средних частот.
Динамический громкоговоритель (ДГ) представляет собой устройство, преобразующее низкочастотные электрические колебания в звук.
Известен динамический громкоговоритель, содержащий жесткий корпус, к которому крепится магнитная система со звуковой катушкой (ЗК) в зазоре магнитной системы, и звуковоспроизводящий диффузор, прикрепленный к диффузородержателю через верхний подвес и центрирующую шайбу (Шифман Д.Х. Громкоговорители. М.: Энергия, 1965, с. 25-26). Диффузор выполнен в виде конусной воронки. Размеры диффузора - внешний диаметр и глубина воронки - определяют электрическую мощность и диапазон воспроизводимых звуковых частот.
В зависимости от диапазона звуковых частот ДГ разделяют на типы: низкочастотный (НЧ≈30-2000 Гц), широкополосной (ШП≈60-10000 Гц), среднечастотный (СЧ≈100-8000 Гц) и высокочастотный (ВЧ≈5000-20000 Гц).
При подаче электрического импульса на звуковую катушку наружная и внутренняя стороны диффузора своим движением передают динамический импульс прилегающему слою воздуха, создавая звуковой импульс, распространяющийся в виде воздушной волны со скоростью ≈340 м/сек. Учитывая, что динамический импульс передается воздуху одновременно всей поверхностью сторон диффузора, создается не одна воздушная волна, а массив волн толщиной, равной глубине воронки диффузора. При этом одиночный звуковой импульс из крайних по глубине точек диффузора происходит одновременно. Вследствие этого волновой импульс распространяется не в виде тонкой сферы толщиной, равной подвижке диффузора, а «толстой», определяемой величиной глубины воронки. Достигая ушей слушателя, массив звуковых волн воспринимается в течение времени, равного длительности прохождения звуком расстояния, равного глубине воронки.
Учитывая, что глубина воронки диффузоров составляет от 1,5 см (СЧ малой мощности) до 7 см и выше (НЧ средней и большой мощности), время звучания одного звукового импульса составляет примерно от 0,5 до 20 мсек. В результате сказанного выше происходит деформация качества воспринимаемого звука - он слышится нечетким (размытым) и неестественным.
Для улучшения качества звучания ДГ ведутся многочисленные поиски по разным направлениям. В частности, из технического уровня известно достижение улучшения качества звучания, которое достигнуто за счет уменьшения нелинейных искажений. Для этого в акустической системе, содержащей корпус с размещенными в нем громкоговорителем и вибродемфирующим элементом, последний выполнен в виде сотовой конструкции, состоящей из треугольных призм, связанных между собой дроссельными отверстиями. Громкоговоритель установлен в сотовой конструкции без диффузородержателя. Численные значения диаметра D диффузора, толщин стенок призмы и корпуса S, радиуса R дроссельного отверстия и высоты h поперечного сечения треугольной призмы выбраны в соответствии с соотношениями h/S=50-60; D/S=1000-1200; S/S=1-10; D/R=20-30 (заявка RU на изобретение №93043957, М. кл. H04R 1/28, G10K 13/00, опубл. 10.06.1996).
Недостатком известного устройства является то, что диффузор головки нагружен дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот.
Повышение качества звучания возможно также при изменении формы звукообразующей поверхности ДГ путем уменьшения глубины воронки диффузора с переходом от диффузора к мембране. В идеале - это мембрана с плоской поверхностью.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является низкочастотный громкоговоритель с плоским диффузором, содержащий диффузор, подвеску диффузора, магнитную систему и колебательную катушку (патент РФ №2523094, М. кл. H04R 7/02, опубл. 20.07.2014). Причем подвеска диффузора выполнена осесимметричной, а заднее основное излучение проходит по меньшей мере на 50% через внутреннюю часть магнитной системы. Толщина диффузора у внешнего диаметра составляет больше чем 10% диаметра диффузора, а отношение диаметра колебательной катушки к диаметру диффузора составляет по меньшей мере 0.75:1. Диффузор выполнен как диффузор низкочастотного громкоговорителя, причем указанная система дополнительно имеет громкоговоритель для воспроизведения верхних звуковых частот. По меньшей мере одна область диффузора выполнена из упругого вспененного материала, а сам диффузор выполнен трехслойным. Материал сердечника трехслойного диффузора имеет ячеистую структуру, изготовленную из арамидных волокон, бумаги, номекса, алюминия, пластмассы, полиэфира, полипропилена, и/или содержит внешние слои волокнистых материалов, металлической фольги и/или пленки из пластмассы.
Реализация предлагаемого ДГ могла бы устранить перечисленные недостатки аналогов, однако воплощение конструкции по прототипу в настоящее время очень проблематично из-за отсутствия материалов с необходимыми свойствами.
Теоретически известно, что такой материал должен иметь плотность, равную плотности воздуха, быть абсолютно жестким и иметь абсолютно линейный подвес, что в реальности достичь невозможно. Перечисленные в патенте материалы для изготовления плоского диффузора уже широко применяются в изготовлении диффузоров, однако только традиционной воронкообразной формы. В такой конструкции легче обеспечить по всей звукообразующей поверхности диффузора оптимальное сочетание двух основополагающих и противоречивых свойств таких материалов, как максимальную жесткость и внутреннее затухание. В предлагаемой конструкции плоского диффузора без специальных мер, обеспечивающих равномерное ускорение всей поверхности диффузора, невозможно получить качественного звуковоспроизведения частот, выходящих за предел поршневого режима его работы (400-600 Гц). Однако даже в этом диапазоне воспроизведенная звуковая мощность будет ограничиваться размерами и весом магнитной системы (т.е. стоимостью ДГ). Принятое в патенте отношение диаметра колебательной катушки к диаметру диффузора также будет ограничительным фактором к увеличению размеров и мощности ДГ, так как приведет к увеличению веса самой звуковой катушки до величин, исключающих воспроизведение среднечастотного звукового диапазона.
Таким образом, конструкция изобретения прототипа в приведенном виде не сможет обеспечить качественного воспроизведения звука в заявленном звуковом диапазоне без дополнительных технических решений, гарантирующих равномерную жесткость по всей поверхности плоской звукообразующей мембраны и оптимального сочетания ее с внутренним демпфированием. Кроме того, конструкция звуковой катушки и магнитной системы будет ограничительным фактором в увеличении размеров и мощности ДГ.
Задачей изобретения является расширение арсенала известных устройств воспроизводства высококачественного звука.
Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются:
- минимизация толщины массива звуковых волн от одиночного электрического импульса за счет замены в ДГ традиционного диффузора практически плоской мембраной;
- достижение равномерной жесткости по всей поверхности звукообразующей мембраны и ее оптимального сочетания с внутренним демпфированием.
Следствием их реализации является улучшение качества звучания за счет повышения четкости звука и повышения естественности и локализации звуковых источников в пространстве аудиокартинки.
Решение поставленной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стали возможны благодаря тому, что в известном динамическом громкоговорителе, содержащем жесткую раму, к которой прикреплены постоянный магнит, звукообразующая мембрана на верхнем подвесе, нижняя центрующая диафрагма, звуковая катушка на каркасе, в соответствии с предлагаемым решением звукообразующая мембрана представляет из себя практически плоскую рельефную поверхность в виде чередующихся выступов и впадин, образованных в результате гофрирования материала (гофровая мембрана), и/или ячеистый массив в виде диска с плоскими параллельными поверхностями (ячеистая мембрана), обладающие жесткостью, достаточной для механической передачи и равномерного распределения вибронагрузки по всей поверхности звукообразующей мембраны при соединении с каркасом звуковой катушки через центральную часть мембраны, и/или среднюю часть мембраны, и/или периферийную часть мембраны, при этом звукообразующая мембрана по периметру снабжена гофровым или ячеистым элементом, выполненным в виде круга, для прикрепления к верхнему подвесу.
Заявляемое решение дополняют частные отличительные признаки, способствующие достижению заявленного технического результата.
В звукообразующей гофровой мембране чередующиеся выступы и впадины выполнены в виде концентрических, или радиальных, или концентрических и радиальных гофров.
Звукообразующая мембрана из концентрических гофров соединена с верхним подвесом через внешнюю сторону гофра периферийной части мембраны склеиванием.
Звукообразующая мембрана из концентрических и радиальных гофров соединена с верхним подвесом склеиванием через плоское кольцо, оконтуривающее радиальные гофры под углом 55-65° к плоскости звукообразующей мембраны.
В звукообразующей мембране, выполненной с концентрическими и радиальными гофрами, соотношение их площадей составляет 0,3-0,5.
Высота выступа звукообразующей мембраны составляет 1/15-1/20 ее диаметра.
Стороны гофра сопряжены между собой под углом 110-130°.
Впадины звукообразующей мембраны могут быть закрыты кольцевыми выпуклыми вставками.
Звукообразующая мембрана в виде ячеистого диска представляет из себя массив из двух параллельных слоев бумаги (или других специальных материалов), соединенных между собой ребрами из аналогичного материала, образующими ячеистую структуру, оконтуренную в центральной части каркасом звуковой катушки, а по периферии внешним ребром в виде круга с кольцевой горизонтальной полосой - ячеистым элементом, соединенным с верхним подвесом склеиванием.
Высота ребер (толщина мембраны) составляет 1/15-1/25 от диаметра мембраны, а максимальное расстояние между ними в ячейке 0,8-1,3 от высоты ребер, в зависимости от жесткости материала.
Звукообразующая мембрана может быть комбинированной из концентрического и ячеистого массивов, при этом соотношение их площадей составляет 0,3-0,5 с предпочтительным расположением ячеистого массива по периферии как более жесткого.
Для облегчения звукообразующей мембраны нижняя плоскость ячеистого диска может быть перфорирована, при этом диаметр отверстий составляет 0,8-1,2 высоты ребра, в зависимости от его жесткости, а площадь перфорации 0,2-0,5 от общей площади нижней плоскости. Также с этой целью может быть перфорирован и опорный диффузор.
Центральная часть звукообразующей мембраны соединена с верхней частью каркаса звуковой катушки приклеиванием.
Средняя часть звукообразующей мембраны соединена со средней частью каркаса звуковой катушки через опорный диффузор с углом раскрытия 100-130°.
Периферийная часть звукообразующей мембраны при недостаточной жесткости материала или больших ее размерах может быть соединена с нижней частью каркаса звуковой катушки дополнительно через сегментный диффузор с площадью сегментов 25-30% от общей его поверхности или через стержни, или пластины из легкого и жесткого материала с креплением их нижней части к каркасу звуковой катушки по линии его соединения с центрирующей диафрагмой, а верхней частью - к периферийной части звукообразующей мембраны, в количестве 3-5 шт., при этом ширина пластин составляет не менее 10 мм с продольным изгибом по переменному радиусу.
Заявляемое изобретение показано на следующих чертежах:
Фиг. 1 - массив звуковых волн при передаче динамического импульса ДГ.
Фиг. 2А - звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических гофров, вид сбоку; на фиг. 2Б - то же, вид сверху.
Фиг. 3А - звукообразующая мембрана выполнена в виде радиальных гофров, вид сбоку; на фиг. 3Б - то же, вид сверху.
Фиг. 4А - звукообразующая мембрана выполнена комбинированно в виде концентрических и радиальных гофров, вид сбоку; на фиг. 4Б - то же, вид сверху.
Фиг. 5А - звукообразующая мембрана выполнена в виде ячеистого диска, вид сбоку; фиг. 5Б - то же, вид сверху.
Фиг. 6А - звукообразующая мембрана выполнена комбинированно в виде концентрических гофров и ячеистого массива, вид сбоку; на фиг. 6Б - то же, вид сверху.
Фиг. 7А - фотография ДГ 4″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических гофров и закреплена через сегментный диффузор, вид сбоку; на фиг. 7Б - то же, вид снизу.
Фиг. 8А - фотография ДГ 5″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических гофров и закреплена через опорный диффузор и периферийные стержни, вид сбоку; на фиг. 8Б - то же, вид сверху.
Фиг. 9А - фотография ДГ 5″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических гофров и закреплена через каркас ЗК и периферийные стержни, и снабжена кольцевыми вставками, вид сбоку; на фиг. 9Б - то же, вид сверху.
Фиг. 10А - фотография ДГ 5″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических и радиальных гофров и закреплена через опорный диффузор и стержни, вид сбоку; на фиг. 10Б - то же, вид сверху.
Фиг. 11А - фотография ДГ 5″, в котором звукообразующая мембрана выполнена комбинированно в виде концентрических гофров и ячеистого массива и закреплена через каркас ЗК и опорный диффузор, вид сбоку; фиг 11Б - то же, вид сверху.
Фиг. 12А - фотография ДГ 5″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде ячеистого диска и закреплена через каркас ЗК и опорный диффузор, на фиг. 12Б - то же, вид сверху.
Фиг. 13А - фотография ДГ 6.5″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических гофров и закреплена через каркас ЗК и стержни, вид сбоку; на фиг. 13Б - то же, вид сверху.
Фиг. 14А - фотография ДГ 12″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических гофров и закреплена через каркас ЗК и пластины, вид сбоку; на фиг. 14Б - то же, вид сверху.
Фиг. 15А - фотография ДГ 15″, в котором звукообразующая мембрана выполнена в виде концентрических гофров и закреплена через каркас ЗК и пластины, вид сбоку; на фиг.15Б - то же, вид сверху.
Фиг. 16 - амплитудно-частотная характеристика ДГ 5″ с ячеистой мембраной в ближнем поле (20 см).
Список позиционных обозначений
Жесткая рама ДГ 1;
Постоянный магнит 2;
Нижняя центрирующая диафрагма 3;
Звукообразующая мембрана 4;
Верхний подвес 5;
Звуковая катушка 6;
Каркас звуковой катушки 7;
Чередующиеся выступы 8;
Чередующиеся впадины 9;
Ячеистый массив (диск) 10;
Плоские параллельные поверхности ячеистого диска 11;
Гофровый периферийный элемент 12;
Ячеистый периферийный элемент 13;
Концентрические гофры 14;
Радиальные гофры 15;
Ребро ячейки 16;
Опорный диффузор 17;
Стержни 18;
Пластины 19;
Выпуклые вставки 20;
Сегментный диффузор 21.
Заявляемый динамический громкоговоритель включает жесткую раму 1, к которой прикреплены постоянный магнит 2, нижняя центрующая диафрагма 3, звукообразующая мембрана 4 на верхнем подвесе 5 и звуковая катушка 6 на каркасе 7. Звукообразующая мембрана 4 выполнена в виде практически плоской рельефной поверхности из чередующихся выступов 8 и впадин 9, образованных в результате гофрирования материала или ячеистого массива 10 в виде диска с плоскими параллельными поверхностями 11. Звукообразующая мембрана 4 механически связана со звуковой катушкой через ее каркас 7 центральной частью (D), и/или средней частью (Е), и/или периферийной частью (F) для равномерного распределения жесткости и вибронагрузки по поверхности мембраны. Звукообразующая мембрана 4 по периметру оконтурена гофровым элементом 12 или ячеистым элементом 13 в виде круга, через который прикреплена к верхнему подвесу 5. Звукообразующая мембрана 4 выполнена из чередующихся концентрических гофров 14 или радиальных гофров 15, или из ячеистого диска 10 или выполнена комбинированно из концентрических гофров 14 и из радиальных гофров 15, или из концентрических гофров 14 и части ячеистого массива 10.
Высота выступов 8 звукообразующей мембраны 4 минимизирована за счет оптимизации количества гофров и находится в соотношении 1/15-1/20 к диаметру мембраны 4. Стороны концентрических гофров 14 или радиальных гофров 15 сопрягаются между собой под углом 110-130° без каких-либо закруглений для увеличения жесткости.
Звукообразующая мембрана 4 с радиальными гофрами 15 по периметру оконтурена гофровым элементом 12 в виде плоского кольца, соединенного по плоскости с внешними скошенными концами гофров и создающим жесткость периферийной части (F). Угол наклона плоского кольца к плоскости звукообразующей мембраны 4 составляет 55-65°.
Толщина ячеистого диска 10 определяется высотой ребер ячейки 16 и составляет 1/15-1/25 диаметра мембраны, а максимальное расстояние между ребрами - 0,8-1,3 от высоты, в зависимости от жесткости материала.
Равномерность распределения вибронагрузки по поверхности мембраны 4 в зависимости от жесткости гофрированного материала обеспечивается механической связью мембраны 4 с каркасом 7 звуковой катушки 6:
- через центральную опору путем выполнения каркаса звуковой катушки высотой, достаточной для приклеивания его верхней части к сопрягаемой с ним центральной частью (D) мембраны 4;
- через среднюю опору путем установки опорного диффузора 17 с углом раскрытия 100-130°, нижняя часть которого соединена со средней частью каркаса 7 звуковой катушки, а верхняя - с сопрягаемым с ним гофром или нижней плоскостью ячеистого диска в средней части (Е) мембраны 4.
При малой жесткости материала гофрирования или большом диаметре звукообразующей мембраны 4 дополнительно к средней и/или центральной опоре устанавливаются периферийные опоры, присоединенные нижней частью к каркасу 7 звуковой катушки по линии его соединения с центрирующей диафрагмой:
- в виде сегментного диффузора 21 (фиг. 7) с площадью сегментов 25-30% от общей его поверхности, в зависимости от жесткости материала;
- в виде стержней 18 или пластин 19 (фиг. 14) из легкого и жесткого материала с креплением их нижним концом к каркасу 7 звуковой катушки по линии его соединения с центрирующей диафрагмой 3, а верхней частью - к гофровому элементу 12 или ячеистому элементу 13 периферийной части мембраны 4 в количестве 3-5 шт., в зависимости от жесткости материала. Ширина пластин составляет от 10 мм и более с продольным изгибом по переменному радиусу, обеспечивающему сопряжение их концов с поверхностью каркаса ЗК и периферийными элементами мембраны. Пластины применяются для ДГ больших габаритов (НЧ-диапазона)
Расположение центральных и средних опор определяется конструктивно из соотношения площадей центральной и периферийной частей мембраны 4 от 0,3-0,5 по линии С соединения средней опоры с гофром или нижней плоскостью ячеистого массива.
В звукообразующей мембране с концентрическими гофрами 14 и радиальными гофрами 15 последние являются предпочтительно периферийными, как более жесткие. Соотношение площадей чередующихся выступов и впадин звукообразующей мембраны, выполненных в виде концентрических и радиальных гофров, составляет 0,3-0,5.
С целью дальнейшего снижения деформаций воспринимаемого звука в гофровой мембране впадины 9 гофров закрываются кольцевыми выпуклыми вставками 20, что при оптимизации количества и высоты гофров позволяет получить практически плоскую звукообразующую мембрану.
До сих пор общепризнанно, что при постоянном прогрессе в использовании новых материалов для изготовления диффузоров ДГ, бумага пока остается непревзойденным материалом для качественного воспроизведения звука в СЧ-диапазоне.
В конструкции ДГ среднечастотного диапазона в качестве материала для изготовления звукообразующей мембраны использована купюрная бумага, однако может быть использован и другой материал, предназначенный для диффузоров громкоговорителей. Например, состав на основе сульфитной беленой целлюлозы и сульфатной небеленой целлюлозы. Для изготовления звукообразующей мембраны низкочастотных ДГ использован материал непосредственно их диффузоров.
Выбор купюрной бумаги обоснован плотностью, высокой прочностью и жесткостью ее массива, наличием водяных знаков, моделирующих ячеистую структуру. Этому же способствует технология многослойности волокнистого остова из растительных волокон хлопка (до 50%) и льна, расположенных хаотично, и использование специальных проклеивающих веществ.
Таким образом, разработаны реальные конструктивные решения ДГ с заменой традиционного диффузора практически плоской мембраной в виде гофрового массива (гофровая мембрана), в которой расстояние А-В снижается до 5-6 мм, а при перекрытии впадин гофров кольцевыми вставками - до 2-3 мм в СЧ-динамиках и до 10-15 мм в НЧ-динамиках, что практически ниже порога чувствительности уха по длительности восприятия звукового массива такой толщины. Также разработаны реальные конструктивные решения ДГ с практически плоской ячеистой звукообразующей мембраной (ячеистая мембрана), в которой расстояние А-Б сведено к нулю.