ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ С ШИРОКОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
WIDE-BEAM ELECTROSTATIC LOUDSPEAKER

Изобретение относится к области электроакустики, а именно к конструкциям электростатических громкоговорителей для высококачественного воспроизведения музыки и речи в домашних условиях.
Электростатические громкоговорители распространены не так широко, как традиционные электродинамические, в силу следующих недостатков: большие размеры, узкая диаграмма направленности на высоких частотах и невозможность воспроизведения низких частот из-за акустического короткого замыкания. Однако при этом в силу малой массы излучающего элемента и, как следствие, лучших импульсных характеристик они обладают высочайшим качеством воспроизведения средних и высоких частот, что особенно ценится и профессионалами, и обычными слушателями. Вышеупомянутые ограничения имеют физическую природу и тесно связаны с размерами пленки электростатического громкоговорителя, являющейся излучающей поверхностью, работающей в поршневом режиме. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля если длина волны меньше излучающей поверхности, то форма волны повторяет форму излучателя, т.е. плоскость. Это означает, что, например, электростатический излучатель шириной 180 мм на частотах выше 1890 герц в горизонтальной плоскости имеет острую направленность, что делает невозможным одновременное прослушивание полноценной фонограммы несколькими людьми.
Известны изобретения [1. Пат.US3345469, U.S. С1. 179-111. Electrostatic loudspeakers / Robert L. Rod. - October 3, 1967; 2. Пат.US3892927, МПК H04R 19/02, U.S. C1. 179/111R, 179/180. Full Range Electrostatic loudspeaker for Audio Frequencies / Theodore Lindenberg. - July 1, 1975; 3. Пат.US6175636, МПК H04R 25/00, U.S. C1. 381/398; 381/163, 381/386, 381/191. Electrostatic Speaker with Moveable Diaphragm Edges / Elwood G. Norris, James J. Croft. - Jan. 16, 2001], согласно которым панель электростатического громкоговорителя имеет криволинейную конструкцию, благодаря чему волна в горизонтальной плоскости имеет форму дуги с определенным углом раскрытия, что обеспечивает приемлемую диаграмму направленности. Но конструкция таких громкоговорителей неоправданно сложна из-за большого количества элементов, поддерживающих пленку. К тому же для изготовления таких конструкций требуется сложное технологическое оборудование.
Все эти излучатели имеют ряд ограничений в виде низкой отдачи вследствие провисания натянутой пленки на криволинейных участках, что делает зазор между статором и пленкой неравномерным и в результате уменьшает максимально возможное напряжение, подводимое к статорам, и напряжение поляризации самой пленки.
Известны изобретения [4. Пат.US6188772, МПК H04R 25/00, U.S. С1. 381/191; 381/116, 381/342, 381/176; 179/111 R; 179/180. Electrostatic Speaker with Foam Stator / Elwood G. Norris, James J. Croft. - Feb. 13, 2001; 5. Пат.US6304662, МПК H04R 25/00, U.S. C1. 381/191; 381/174. Sonic Emitter with Foam Stator / Elwood G. Norris, James J. Croft. - Oct. 16, 2001], согласно которым излучающая пленка поддерживается специальным слоем из вспененного материала, благодаря чему можно изготовить панель электростатического громкоговорителя любой формы, например в виде цилиндра или его части, что обеспечивает приемлемую диаграмму направленности. Но эти излучатели также имеют низкую отдачу из-за того, что колебательная система обладает увеличенной присоединенной массой поддерживающего слоя, который, в свою очередь, является звукоизолятором и гасит излучение той стороны пленки, к которой крепится. К тому же, для изготовления вспененного материала с необходимыми акустическими характеристиками для таких излучателей требуется специальное технологическое оборудование.
Известно изобретение [6. Пат.US8184832, МПК H04R 25/00, U.S. С1. 381/191; 381/162. Electrostatic Loudspeaker Capable of Dispersing Sound Both Horizontally and Vertically / Murray R. Harman. - May 22, 2012], в котором описана конструкция электростатического громкоговорителя, имеющего форму участка сферы, благодаря чему форма волны на высоких частотах приближена к идеальной сферической. Но изготовление сферических статоров такого излучателя предполагает использование точных штампов и матриц сферической формы. Также требуется большое количество поддерживающих элементов, препятствующих провисанию пленки. Однако обеспечить сферическую форму пленки в полной мере невозможно, и небольшое провисание пленки все-таки происходит, что делает зазор между статором и пленкой неравномерным и в результате уменьшает максимально возможное напряжение, подводимое к статорам, и напряжение поляризации самой пленки.
Известны изобретения [7. Пат. US3668335, МПК H04R 19/02, U.S. C1. 179/111 R. Electrostatic Loudspeaker / Harold N. Beveridge. - June 6, 1972; 8. Пат. US3668335, МПК H04R 19/02, U.S. C1. 179/111 R. Electrostatic Loudspeaker / Harold N. Beveridge. - June 6, 1972], в которых плоская электростатическая панель излучает звуковые волны через специальную акустическую линзу, представляющую собой набор криволинейных пластин, образующих несколько волноводов, раскрывающихся на выходе под необходимым углом, что обеспечивает требуемую диаграмму направленности на высоких частотах. Изготовление такой линзы трудоемко и требует определенной технологической оснастки и сложных геометрических расчетов.
Известно изобретение [9. Пат.US4289936, МПК H04R 19/00, U.S. С1. 179/111 R. Electrostatic Transducers / John P. Civitello. - Sept. 15, 1981], в котором описан электростатический излучатель, состоящий из множества небольших треугольных излучателей, образующих поверхность, близкую к сферической, благодаря чему достигается требуемая диаграмма направленности на высоких частотах. Конструкция сложна, и трудоемкость ее неоправданно высока, т.к. для широкой диаграммы направленности требуется очень большое количество треугольных излучателей, размеры которых влияют на равномерность диаграммы. Например, для того чтобы такой излучатель обладал равномерной диаграммой направленности на частотах до 16000 герц, необходимо собрать в одну конструкцию треугольные излучатели, габаритные размеры которых - не более 20 мм, что на практике невозможно.
Известны изобретения [2. Пат. US3892927, МПК H04R 19/02, U.S. С1. 179/111 R, 179/180. Full Range Electrostatic loudspeaker for Audio Frequencies / Theodore Lindenberg. - July 1, 1975; 10. Пат. US4122302, МПК H04R 1/20, U.S. C1. 179/1 E, 181/145, 181/155. Two Way Dynamic and Electrostatic Speaker Enclosure with Side Vent for Greater High Frequency Dispersion / Lloyd J. Bobb. - Oct. 24, 1978], в которых описана конструкция электростатического громкоговорителя с сегментированным статором, где на каждый сегмент посредством фильтров подается различный звуковой сигнал. При этом для воспроизведения полного диапазона используется средняя часть статора, которая имеет небольшие геометрические размеры, что обеспечивает широкую диаграмму направленности. Диапазон средних частот излучают крайние сегменты. Недостаток такой конструкции в том, что высокие частоты излучает сегмент небольшой площади, что негативно сказывается на отдаче, т.к. звуковое давление электростатического излучателя зависит от площади поверхности пленки и, как следствие, амплитудно-частотная характеристика имеет плавный спад в области высоких частот.
Известно изобретение [11. Пат.US3778562, МПК H04R 19/02, U.S. С1. 179/111 R, 181/31 В. Electrostatic Loudspeaker Having Acoustic Wavefront Modifying Device / William Michael D. Wright. - Dec. 11, 1973], где описан громкоговоритель, представляющий собой плоскую электростатическую панель, помещенную в акустически прозрачную герметичную конструкцию, наполненную специальным газом, имеющим плотность, отличную от плотности воздушной среды. Широкая диаграмма направленности обеспечивается тем, что на границе двух газов происходит преломление акустической волны под разными углами. Данная конструкция подразумевает использование специальных газовых систем, обеспечивающих наличие специального газа внутри конструкции, что делает ее невозможной для использования в домашних системах звуковоспроизведения. Дополнительные пленки, герметизирующие конструкцию, вносят свои призвуки в основной сигнал, что снижает качество звучания акустической системы в целом. Также проблемой является обеспечение герметичности конструкции.
Все рассмотренные аналоги обладают одними и теми же недостатками - технически сложны в изготовлении и использовании.
Ближайшим техническим устройством, выбранным в качестве прототипа, является изобретение [13. Пат. US2009/0016552 А1, МПК H04R 19/02, U.S. С1. 381/191. ELECTROSTATIC LOUDSPEAKERS / Andrew Peter Medley, Duncan Robert Billson. - Jan. 15, 2009], где описан громкоговоритель, представляющий собой плоскую электростатическую панель, состоящую из трех или более слоев: тонкой и гибкой мембраны; электрически изолирующего среднего слоя, который зажат между верхним и нижним слоем; и нижнего слоя, представляющего собой перфорированный жесткий токопроводящий элемент.
В данной конструкции имеются следующие недостатки:
- узкая диаграмма направленности, поскольку излучающий элемент выполнен в виде плоской панели и работает в поршневом режиме;
- конструкция неработоспособна вследствие того, что токопроводящий вибрирующий элемент жестко закреплен на изоляторе и взаимодействует только с одним перфорированным статором;
- невозможность подачи высокого напряжения, что ухудшает чувствительность колебательной системы;
- ограниченная амплитуда механических колебаний излучающего элемента в средне- и низкочастотном диапазоне звуковых частот вследствие малого диэлектрического зазора.
Соответственно, описанный излучатель возможно использовать в ультразвуковом диапазоне частот. Использование данной конструкции в качестве акустической системы, работающей в слышимом диапазоне частот, нецелесообразно.
Целью изобретения является создание электростатического громкоговорителя с широкой диаграммой направленности, устраняя недостатки аналогов и прототипа. Кроме этого, криволинейные отражатели, приставленные с двух сторон к электростатическому громкоговорителю, играют роль свернутого акустического щита, что, в свою, очередь расширяет воспроизводимый диапазон частот в нижней части спектра.
Поставленная цель изобретения достигается тем, что плоский электростатический излучатель 1 (фиг. 1), высота которого больше своей ширины в несколько раз, оснащается специальным акустическим оформлением в виде нижнего и верхнего основания 2 (фиг. 2), а также с двух сторон излучателя крепятся специальные жесткие и гладкие криволинейные отражатели 3 (фиг. 1), от которых звуковая волна отражается под разными углами. Тем самым формируется требуемая диаграмма направленности 4 (фиг. 3) и расширяется диапазон звучания в области низких частот. Акустическая система работает по принципу дипольного громкоговорителя и должна быть направлена на слушателя одной из открытых сторон. Вторая сторона излучает звуковые волны в стену, возле которой на определенном расстоянии устанавливается акустическая система. Излучения задней стороны громкоговорителя, многократно отражаясь от стен помещения, доходят до слушателя с некоторой фазовой задержкой, чем дополняют основной звуковой поток от передней стороны.
В зависимости от формы отражателей, от величины радиуса и расположения центра дуги относительно самой панели можно сформировать любой угол раскрытия. Стоит отметить, что отражатели должны быть жесткими, чтобы не вносить призвуки на средних и низких частотах, а также гладкими для полного отражения высоких частот.
зв
зв
Расширение воспроизводимой полосы частот в сторону нижней части спектра достигается тем, что звуковые волны, имеющие сдвиг по фазе 180° и исходящие от двух сторон громкоговорителя, акустически замыкаются только в том случае, если имеют частоту, на которой длина волны больше или равна расстоянию L, которое проходит звуковая волна от одной излучающей стороны электростатической панели 1 (фиг. 3) до другой. По формуле F=V/L (где V=343 м/с), если, например, расстояние L равно 700 мм, что соответствует частоте 485 Гц, то на частотах ниже 485 Гц звуковые волны одной стороны излучения будут замыкаться с волнами, излучаемыми другой стороной, и звука слышно не будет. В случае одиночной панели шириной 185 мм длина пути равна 180 мм и нижняя воспроизводимая частота будет 1890 Гц.
В результате применения данной конструкции, состоящей из двух оснований и двух жестких и гладких криволинейных отражателей, электростатическая акустическая система обладает следующими преимуществами: широкой диаграммой направленности на высоких частотах и более широким диапазоном воспроизводимых частот в нижней части слышимого спектра.
Устройство представляет собой громкоговоритель, содержащий электростатический излучатель 1, преобразующий электрический сигнал в акустический, причем геометрические характеристики таковы, что высота во много раз больше ширины. Устройство также содержит корпус акустического оформления электростатического излучателя, представляющий собой верхнее и нижнее основания 2 и два жестких и гладких криволинейных отражателя 3, расположенных с каждой стороны таким образом, чтобы отражать излучения в разные стороны.
Описанную конструкцию возможно изготовить на несложном технологическом оборудовании из недорогих отечественных материалов. Таким образом, заявленное изобретение обладает критерием "промышленная применимость".
Источники информации
1. Пат. US3345469, U.S. С1. 179-111. Electrostatic loudspeakers / Robert L. Rod. - October 3, 1967.
2. Пат. US3892927, МПК H04R 19/02, U.S. C1. 179/111R, 179/180. Full Range Electrostatic loudspeaker for Audio Frequencies / Theodore Lindenberg. - July 1, 1975.
3. Пат. US6175636, МПК H04R 25/00, U.S. C1. 381/398; 381/163, 381/386, 381/191. Electrostatic Speaker with Moveable Diaphragm Edges / Elwood G. Norris, James J. Croft. - Jan. 16, 2001.
4. Пат. US6188772, МПК H04R 25/00, U.S. C1. 381/191; 381/116, 381/342, 381/176; 179/111 R; 179/180. Electrostatic Speaker with Foam Stator / Elwood G. Norris, James J. Croft. - Feb. 13, 2001.
5. Пат. US6304662, МПК H04R 25/00, U.S. C1. 381/191; 381/174. Sonic Emitter with Foam Stator / Elwood G. Norris, James J. Croft. - Oct. 16, 2001.
6. Пат. US8184832, МПК H04R 25/00, U.S. C1. 381/191; 381/162. Electrostatic Loudspeaker Capable of Dispersing Sound Both Horizontally and Vertically / Murray R. Harman. - May 22, 2012.
7. Пат. US3668335, МПК H04R 19/02, U.S. C1. 179/111 R. Electrostatic Loudspeaker / Harold N. Beveridge. - June 6, 1972.
8. Пат. US4270023, МПК H04R 5/02, U.S. C1. 179/1 GA; 179/1 E. Cylindrical Speaker Mechanism / Harold N. Beveridge. - May 26, 1981.
9. Пат. US4289936, МПК H04R 19/00, U.S. C1. 179/111 R. Electrostatic Transducers / John P. Civitello. - Sept. 15, 1981.
10. Пат. US4122302, МПК H04R 1/20, U.S. C1. 179/1 Ε, 181/145, 181/155. Two Way Dynamic and Electrostatic Speaker Enclosure with Side Vent for Greater High Frequency Dispersion / Lloyd J. Bobb. - Oct. 24, 1978.
11. Пат. US3778562, МПК H04R 19/02, U.S. C1. 179/111 R, 181/31 B. Electrostatic Loudspeaker Having Acoustic Wavefront Modifying Device / William Michael D. Wright. - Dec. 11, 1973.
12. Пат. US6009972, МПК H05K 5/00, U.S. C1. 181/155, 181/153, 181/199. OMNI-DIRECTIONAL SPEAKER SYSTEM / Jae-Soon Ch0i; Min Kim; Jung-Hun Kwak; Sang_Hun Jean. - Jan. 4, 2000.
13. Пат. US2009/0016552 Α1, МПК H04R 19/02, U.S. C1. 381/191. ELECTROSTATIC LOUDSPEAKERS / Andrew Peter Medley, Duncan Robert Billson. - Jan. 15, 2009.
14. Пат. WO 2011147902 Α1, МПК H04R 11/02, Frank Held.
15. Пат. JPS6116797 U.