Плоский громкоговоритель
FLAT LOUDSPEAKER

Предлагаемое техническое решение представляет собой генератор акустических волн, способный так же работать как плоский громкоговоритель широкого спектра. Плоский громкоговоритель, сконструированный и изготовленный предлагаемым образом, призван обеспечивать качественные преимущества в работе акустических систем. Устройство относится к типу плоских акустических систем с мембраной резонансного возбуждения и может быть использовано для высококачественного воспроизведения музыкальных и речевых фонограмм. Из уровня техники известно большое множество традиционных акустических устройств, включающих в себя динамики конусного, купольного, а также плоского типа. Такие устройства имеют ряд базовых недостатков. Среди них существенным является присутствие объема воздушных масс необходимых для работы такого акустического устройства. И это в свою очередь ведет к какому существенному недостатку как фазовый сдвиг и несогласованность напрямую зависящие от частоты.
Так как динамик это диполярный излучатель, то возникает необходимость согласовать положительную фазу передней стороны динамика с отрицательной фазой позади динамика.
Именно для этого и применяется корпус, наполненный воздухом и чётко рассчитанный на то, чтобы инвертировать фазу от задней стороны динамика и суммировать её с фронтальной составляющей. В результате мы получаем акустическую систему, настроенную на эффективную работу в пределах определенной частоты акустического диапазона. При отклонении от частоты настройки возникают фазовые модуляции, привносящие паразитные гармоники в воспроизведение звуковой фонограммы и искажение фазовых характеристик, а также модуляции вызывающие изменения амплитудно-частотной характеристики звукового сигнала.
Известны попытки создать акустические устройства, лишённые этих недостатков. Среди них особое место занимают громкоговорители плоского типа, основанные на принципе работы резонирующей звукоизлучающей мембраны. Такие акустические устройства способны обходиться без корпуса, а особенностью их работы является бипольный режим генерации звукового сигнала, то есть в общем понимании синфазный в обе стороны от мембраны. Опытным путём установлен ряд конструктивных параметров, напрямую влияющих на полезные качества акустического устройства такого типа. Такие параметры указаны в российских и международных патентах. Среди них обозначена важность пропорционального соотношения ширины к высоте мембраны, обозначены места крепления возбудителей акустического колебания, описаны способы крепления мембраны, типы применяемых приводов, конструкция рамы либо корпуса, возможные способы выравнивания амплитудно-частотных характеристик акустической системы, и прочие конструктивные особенности.
В различных патентах рекомендуемые приемы и методы сильно отличаются друг от друга. При попытке реализовать их на практике мы сталкиваемся со множеством проблем в обеспечении необходимого качества звучания. Не описывается и не придаётся важность тому факту, что все вышеперечисленные особенности конструирования имеют тесную увязку друг с другом. Так невозможно изменить один параметр без того, чтобы он не повлиял на другой, другой не повлиял на следующий и т.д. В общем и целом, описанные конструктивные особенности во многих патентах носят скорее потенциально возможный характер, нежели практически применимый, то есть всё сводится к тому, что можно попробовать так, а можно эдак, использовать такую пропорцию, а можно попробовать иную, но какая из них принесёт полезное акустическое действие неизвестно, потому что полностью определяется практической целесообразностью.
Известно, что в громкоговорителях, применяют различные конструкции звукоизлучающей мембраны. Например, в патенте WO95/31805 предлагается использовать в качестве звукоизлучающей мембраны пластиковые элементы корпуса планшетного компьютера.
В патенте РФ №2692096 предполагается использование согнутой в пространстве мембраны сотовой конструкции, в котором описываются свойства мембраны, а также параметры, влияющие на её свойства, например, описывается сотовая структура такой панели, армирующие волокна или прокладки и переплетения, покрывающие оболочки, или листы, нанесённые на сердцевину, в указанном элементе композитный многослойный материал, включающий по-разному ориентированные или относительно наклонные зёрна с каждой стороны или в виде нескольких слоев с каждой стороны.
Патент РФ №2427100 предлагает использовать в качестве тела мембраны стекло, дерево или пластик. А в патенте US 377933 6A в качестве мембраны предлагается отливка из гранулированного полистирола. Все эти материалы имеют параметры, которые могут сильно влиять на физические свойства мембраны.
Однако простое изготовление мембраны из указанных материалов, без привязки к геометрическим параметрам самого громкоговорителя, не принесет улучшения качества звуковоспроизведения акустической системы.
Наиболее близким аналогом к нашему изобретению является устройство, описанное в патенте US6,332,029 Генри Азима от 18.12.2001. В нём описано акустическое устройство, включающее плоскую мембрану и содержащее, по крайней мере, один привод акустических колебаний, установленный в пространстве напротив особого места, прикреплённого к мембране работающее по принципу изгибных резонансных мод. При этом приводятся предпочтительные пропорций крепления возбудителя акустических колебаний в пределах площади панели. Приводится ряд значений. Например: 3/7, 4/9 и 5/13, что дает 24 возможные комбинации с каждого угла. То есть предлагается множественные позиции крепления возбудителя.
Нами было выявлено, что применение таких пропорций не способно обеспечить максимального качества звуковоспроизведения акустической системы.
Технический результат – повышение качества звуковоспроизведения акустической системы.
Технический результат достигается тем, что  плоский громкоговоритель, включает корпус в виде опорной рамы, закрепленную на раме звукоизлучающую прямоугольную мембрану и, по меньшей мере, один возбудитель колебаний электродинамического принципа действия, расположенный в пространстве напротив мембраны.  При этом, по меньшей мере, один возбудитель колебаний прикреплён одним своим концом к мембране в пределах особой линии, проходящей по плоскости прямоугольной мембраны и выходящей из любой вершины прямоугольной мембраны, а заканчивающейся в точке на противолежащей вершине горизонтальной стороне мембраны, расположенной на расстоянии 2/3 противолежащей стороны мембраны от вершины по горизонтали, а мембрана выполнена в виде сотового заполнителя, поверхностного слоя, приклеенного к сотовой структуре с двух сторон и стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков, покрывающего поверхностные слои.
Также на слои стабилизирующего пропиточного состава на основе полиуретановых грунтов и лаков дополнительно может быть дополнительно нанесен слой акрилового полимера.
Сотовый заполнитель выполняют из материала представляющего собой: бумагу, арамидное волокно, алюминий, либо другой металл с низкой удельной плотностью.
Кроме того прямоугольная мембрана предпочтительно должна содержать отбортовку, выполненную по периметру мембраны.
Если жёсткость мембраны равномерна в различных направлениях, то соотношение длинной стороны мембраны к короткой составляет 9/5.
Если жёсткость мембраны неравномерна в различных направлениях и соотношение длинной стороны мембраны к короткой составляет 9·к/ 5, где к - отношение жесткости мембраны в продольном направлении к жесткости мембраны в поперечном направлении.
Также звукоизлучающая прямоугольная мембрана должна быть прикреплена к опорной раме, посредством поролоновой ленты, размещенной по периметру мембраны.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого плоского громкоговорителя.
На фиг. 2,3 показаны основные элементы предлагаемого плоского громкоговорителя;
На фиг. 4 показано положение особой (красной) линии в пределах плоскости звукоизлучающей мембраны, на которой рекомендовано размещение, по крайне мере одного, либо нескольких возбудителей акустических колебаний;
На фиг.5 показан структурный разрез звукоизлучающей мембраны.
На фигурах обозначены:
1. Звукоизлучающая мембрана.
2. Окромление торца панели, выполненное пластичным материалом.
3. Поролоновая лента крепления мембраны к корпусу.
4. Рама.
5. Крепежная перемычка.
6, 6.1-6.5. Возбудитель акустических колебаний электродинамического типа.
7. Клеммы подключения к усилителю.
8. Сотовый заполнитель.
9.  Покрывная бумага.
10. Пропиточный состав на основе полиуретановых грунтов и лаков.
11. Акриловый полимер.
Как результат многочисленных практических исследований предлагается ряд технических решений, напрямую положительно влияющих на создание акустических систем с превосходными потребительскими свойствами. Это реализовано в конкретном физическом устройстве и представляет собой методологию применения технических решений, призванных обеспечить положительное акустическое действие.
Устройство состоит из опорной рамы 4 (см. фиг. 2), которая должна быть изготовлена из материала неупругого, пластичного, способного эффективно поглощать энергию вибрации, а также достаточно массивного, чтобы служить точкой опоры для изгибных волн, дошедших до края панели от возбудителя колебаний, мембраны 1, которая собственно предназначена для генерации акустических колебаний и передачи их в воздушную среду. На поверхности такой мембраны модулируются зоны, увязанные с различными диапазонами воспроизводимых частот, но сами эти зоны рассредоточены по всей площади мембраны. По крайней мере одного, либо нескольких возбудителей колебаний электродинамического принципа действия 6, расположенных в пространстве напротив мембраны и прикреплённых одним концом к ней в пределах особой линии (см. фиг.4), проходящей по плоскости мембраны. Гибких подводящих проводов, клемм для подключения к усилителю 7 (см. фиг.2).
Одним из важных конструктивных параметров, определяющих итоговое качество звучания акустической системы плоского типа, является соотношение сторон звукоизлучающей мембраны.
То есть отношения её длинной стороны к короткой. Опытным путем было установлено оптимальное соотношение сторон такой мембраны и составляет по крайней мере 9 частей длинной стороны к 5 частям короткой стороны. Возможно отклонение в параметрах данной пропорции. В случае если жёсткость мембраны неравномерна в различных направлениях. В таком случае отношение сторон, как 9\5 должен быть скорректирован на коэффициент k. Коэффициент k определяет разницу в процентном отношении между жесткостью мембраны в продольном направлении относящимся к жесткости мембраны в поперечном направлении. Таким образом, если жёсткость мембраны на k процентов больше в продольном направлении нежели в поперечном, то пропорция будет составлять 9k\5.
Следующим важным параметром при конструировании акустической системы такого типа является положение возбудителя в пределах площади мембраны. Например, известен указанный выше патент US6,332,029, в котором описан ряд предпочтительных пропорций крепления возбудителя акустических колебаний в пределах площади панели. Приводится ряд значений. Например: 3/7, 4/9 и 5/13, что дает 24 возможные комбинации с каждого угла. То есть предлагается множественные позиции крепления возбудителя.
Нами было выявлено, что применение таких пропорций не способно обеспечить максимального  качества звуковоспроизведения акустической системы.
В результате многочисленных экспериментов практического характера была установлена особая линия ЕВ (см. фиг 4) простирающаяся по поверхности звукоизлучающей мембраны, в пределах которой следует устанавливать возбудитель или возбудители акустических колебаний таким образом, чтобы точку оси вращения возбудителя включала особая линия, либо пересекала собой фронтальную проекцию контура возбудителя, установленного поблизости от особой линии. Так если мы возьмем к рассмотрению звукоизлучающую мембрану, углы которой представляют точки A B C и D, то особая "красная" линия крепления возбудителей будет проходить из точки В в точку Е. В свою очередь Е представляет собой такую точку на стороне DC мембраны в которой она поделит отрезок DC в пропорции: DE/EC = 1/2. В пределах линии ЕB может быть установлен по крайней мере один источник возбуждения колебаний, а также несколько таких источников (см фиг.6). В случае применения технического решения с одним источником возбуждения акустических колебаний, в пределах какой линии следует определить точку Х, которая определяется согласно следующей пропорции: EB/XB=1,62. В случае применения нескольких возбудителей в пределах такой линии, от точки X определяющей собой место крепления первого возбудителя  6.1 (см. фиг. 6) монтируется ряд возбудителей в направлении точки B таким образом, чтобы расстояние между ними составляло как можно меньшую величину 6.2, 6.3, 6.4. Также рекомендовано использование возбудителя акустических колебаний, призванного работать в высокочастотном диапазоне см. 6.5, фиг 6. Такой возбудитель монтируется отдельно от одного либо нескольких возбудителей широкополосного сигнала, но в пределах особой "красной" линии EB, предпочтительно вблизи угла B.
Естественно, что красная линия EB может быть симметрично отражено по любой из оси симметрии мембраны, таким образом её действия равно распространяется на линию AF, линию DH, и линию CG (см. фиг.4).
Преимуществом предлагаемого нами технического решения в виде особой линии в пределах площади мембраны, предполагающих прикрепления источников возбуждения в её пределах является обеспечение оптимального режима распределения резонансных модуляций в пределах площади мембраны, что в свою очередь положительно влияет на равномерность амплитудно-частотной характеристики, а также обеспечение такого параметра, как натуральность звучания, тесно связанного с суммарным количеством искажений, привнесенных работой акустической системы, снижение фазовых сдвигов, а так же обеспечение максимального диапазона частот в работе такой системы.
Другим важным параметром, напрямую обеспечивающим полезное акустическое действие, является мембрана.
В результате многочисленных практических исследований нами было выявлено оптимальное конструктивное решение звукоизлучающей мембраны резонансного типа (см фиг. 5). Такая мембрана состоит из сотового заполнителя 8, представляющего собой какую-либо сотовую структуру, состоящую из различных материалов таких как: бумага, арамидное волокно, алюминий, либо другой металл с низкой удельной плотностью. Содержит листы поверхностного слоя 9, приклеенного к сотовой структуре с двух сторон на клеевой состав, выдерживающий многократные вибрационные изгибные колебания. В качестве покровного материала предлагается использовать бумагу 9 плотностью от 30 до 125 г на квадратный метр площади. Далее используется стабилизирующий пропиточный состав на основе полиуретановых грунтов и лаков  10, которым пропитывается покрывная бумага 9. В случае необходимости применяется слой акрилового полимера 11, включающий в себя помол микронного масштаба минеральных и органических веществ (кварц, скорлупа грецкого ореха, рис и рисовая шелуха и пр.).
Слои 10 и 11 на фигуре 5 во многом определяют упруго-пластичные свойства звукоизлучающей мембраны и итоговый тональный баланс амплитудно-частотной характеристики, а этот параметр отвечает за достоверность воспроизведения звукового контента. Также выявлена важность необходимости максимального снижения итоговой массы готовой мембраны. Этот параметр напрямую влияет на такие свойства акустической системы, как чувствительность, чем меньше масса мембраны, тем при прочих равных выше скорость нарастания фронта импульсного сигнала.
Практическую ценность представляет фактическая плотность полностью готовой звукоизлучающей мембраны, находящаяся в пределах 350 - 750 г/1 кв. метр. Мембрана также включает в себя обработку кромки: отбортовка полукруглой губки по всему периметру мембраны.
Отбортовка выполняется из материала с относительно высокой (пластик) удельной плотностью и обладающего свойствами высокого уровня пластичности, способствующему быстрому затуханию вибрационных колебаний в толще такого материала. Отбортовка 2 (см. фиг.2) служит для увеличения массы краев мембраны, а также для опоры для поверхностно-бегущей волны, концентрически расходящейся от источника акустического воздействия в направлении краев мембраны, и эффективного отражения этой волны в обратном направлении для обеспечения режима генерации модулированных зон всплеска частотно-зависимой амплитуды.
Внутренняя структура мембраны сотового характера может составлять в практическом применении параметр от 3 до 7 мм толщины. Параметр толщины и жесткости должен быть увязан с абсолютным размером мембраны. Абсолютный размер мембраны той или иной жесткости рекомендуется исходя из коэффициента, выявленного в результате экспериментальных исследований.
В дополнение к перечисленным техническим решениям необходимо привести важность способа крепления мембраны в раме акустического устройства. Этот параметр ключевым образом определяет правильность расположения амплитудных модуляций в пределах площади панели, что в свою очередь полностью определяет акустические свойства плоского громкоговорителя.
Также нами был выявлен практически предпочтительный способ крепления мембраны на опорной раме, который обеспечивает режим наилучшего распределения зон частотных модуляций повышенной амплитуды колебаний на ее поверхности. Он представляет собой полуоткрытый тип крепления, при котором к одной из сторон мембраны по всему периметру монтируется поролоновая лента, которая в свою очередь является чаще всего 10 мм промежутком между мембраной и несущей рамой. Такая поролоновая лента выполняет функцию удержания торца мембраны для обеспечения необходимого массы опоры (наряду с окромлением торца мембраны пластичным материалом) при конвертировании поверхностно бегущей волны первичного характера, расходящейся от источника акустического возбуждения и переработку её во вторичную поверхностно бегущую волну, при интерференции которой с первичной будут образовываться зоны возрастание амплитуды в пределах панели, что является ключом эффективной работы самой акустической системы. Полуоткрытый же тип крепления способствуют эффективному выполнению другой функции поролонового крепления- обеспечению акустической развязки между мембраной и опорной рамой, критическим образом влияющей на качество звучания, снижение гармонических искажений в процессе в генерации акустического сигнала.
Предлагаемое нами техническое решение позволяет с меньшими трудозатратами, материалозатратами достичь в пределах одной мембраны значительного улучшения качественных характеристик акустической системы. При этом значительный прирост качества возможен при использовании минимального количества акустических возбудителей, что ведет к экономии средств и материалов.
Применение методов проектирования и технических решений, описываемых в нашем патенте, делает возможным создание полностью широкополосной акустической системы. На практике это означает, что в компактном (плоском) устройстве реализована возможность генерации всего спектра слышимого человеческим ухом звука в пределах от 20 Гц до 20000 Гц. При том что уровень гармонических искажений сведен к минимуму, при котором можно говорить о реализации на практике акустики высочайшего класса.
Во многом это происходит благодаря описанным выше техническим решениям, призванным контролировать процесс правильного распределения по площади звукоизлучающей мембраны частотно зависимых зон всплеска амплитуды колебаний. Правильное их распределение, отраженное в графике АЧХ как линия с минимальными отклонениями от прямой реализует такое полезное акустическое действие, как снижение "допплер-эффекта" при звукогенерации в широком спектре. Это вредное явление характеризуется искажениями для слушателя звука, вызванное тем, что при одновременной генерации разных частот одним динамиком низкая частота большей амплитуды оказывается несущей для более высоких частот с меньшей амплитудой. В результате высокочастотная составляющая то приближается к слушателю, то отдаляется, вызывая эффект "тремоло", искажения в виде дрожания звука.