Электростатический громкоговоритель для воспроизведения высоких частот звукового диапазона с круговой диаграммой направленности
ELECTROSTATIC LOUDSPEAKER FOR REPRODUCING HIGH ACOUSTIC FREQUENCIES WITH A CIRCULAR DIRECTIVITY PATTERN

Изобретение относится к области электроакустики, а именно к конструкциям электростатических громкоговорителей для высококачественного воспроизведения музыки и речи.
Электростатические громкоговорители распространены не так широко, как традиционные электродинамические, в силу следующих особенностей: большие размеры, узкая диаграмма направленности на высоких частотах и невозможность воспроизведения низких частот из-за акустического короткого замыкания. Однако в силу малой массы излучающего элемента и, как следствие, лучших импульсных характеристик, они обладают высочайшим качеством воспроизведения средних и высоких частот, что особенно ценится как профессионалами, так и обычными слушателями. Вышеупомянутые ограничения имеют физическую природу и тесно связаны с размерами пленки электростатического громкоговорителя, являющейся излучающей поверхностью, работающей в поршневом режиме.
Известно изобретение [1. Пат. 20090016552 US, МПК H04R 19/02. Electrostatic loudspeakers / Medley А.Р., BillsonD.R. - Заявл. 19.12.2006; опубл. 09.04.2013.], где громкоговоритель представляет 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. Данная конструкция имеет узкую диаграмму направленности, поскольку излучающий элемент выполнен плоским и работает в поршневом режиме.
Известны изобретения [2. Пат. 6188772 US, МПК H04R 25/00, H04R 19/02, H04R 19/00. Electrostatic speaker with foam stator / Norris E.G., Croft J.J. - Заявл. 26.06.1998; опубл. 13.02.2001; 3. Пат. 6 304 662 US, МПК H04R 25/00, H04R 19/02, H04R 19/00. Sonic emitter with foam stator / Norris E.G., Croft J.J. - Заявл. 07.01.1998; опубл. 16.10.2001.], в которых 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 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 оборудование.
Известны изобретения [4. Пат. 20070242844 US, МПК H04R 25/00, H04R 1/02. Electrostatic loudspeaker capable of dispersing sound both horizontally and vertically / Harman M.R. - Заявл. 12.04.2007; опубл. 22.05.2012; 5. Пат. 20100278363 US, МПК H04R 19/02. Electrostatic speaker having ventilative diaphragm / Yang Kilseob, Yang Hye-Won, Yang Sung-min - Заявл. 26.06.2007; опубл. 09.10.2012.], в которых конструкция электростатического громкоговорителя имеет форму участка сферы, благодаря чему форма волны на высоких частотах во всех направлениях 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 происходит небольшое провисание пленки, что делает зазор между статором и пленкой неравномерным и в результате уменьшает максимально возможное напряжение, подводимое к статорам, и напряжение поляризации самой пленки.
Известно изобретение [6. Пат. 3668335 US, МПК H03F 1/34 и др. Electrostatic loudspeaker / Beveridge H.N. - Заявл. 17.06.1969; опубл. 06.06.1972.], в котором 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 только в горизонтальной плоскости. Изготовление такой линзы трудоемко и требует определенной технологической оснастки и сложных геометрических расчетов.
Известно изобретение [7. Пат. 4289936 US, МПК H04R 19/00, H04R 19/02. Electrostatic Transducers / Civitello J.P. - Заявл. 07.04.1980; опубл. 15.09.1981.], в котором электростатический излучатель состоит 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 Гц, необходимо собрать в одну конструкцию треугольные излучатели, габаритные размеры которых - не более 20 мм, что на практике очень трудоемко.
Известны изобретения [8. Пат. 4122302 US, МПК H04R 1/22 и др. Two way dynamic and electrostatic speaker enclosure with side vent for greater high frequency dispersion / Lloyd J. Bobb - Заявл. 07.07.1977; опубл. 24.10.1978; P. Пат. 201467438 CN, МПК H04R 19/02. High-fidelity electrostatic loudspeaker box / Chzhan Guanvu - Заявл. 16.07.2009; опубл. 12.05.2010; 10. Пат. 2440693 RU, МПК H04R 19/02. Электростатические акустические системы и способы / Туоми Д.М. (US) и др. - Заявл. 12.12.2006; опубл. 20.01.2012.], в которых электростатический громкоговоритель выполнен с сегментированным статором, где на каждый сегмент посредством фильтров подается различный звуковой сигнал.
Для воспроизведения полного диапазона в конструкциях [8.; 9.] используется средняя часть статора, которая имеет небольшие геометрические размеры, что обеспечивает широкую диаграмму направленности во всех плоскостях.
Для воспроизведения высоких частот в конструкции с вертикальным секционированием [10.] используется высокая и узкая полоса пленки, которая обеспечивает широкую диаграмму направленности только в горизонтальной плоскости.
Недостаток конструкций [8.-10.] заключается 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. 3778562 US, МПК H04R 1/00 и др. Electrostatic loudspeaker having acoustic wavefront modifying device / Wright W.M.D. - Заявл. 21.10.1973; опубл. 11.12.1973.], где громкоговоритель представляет собой плоскую электростатическую панель, помещенную в акустически прозрачную герметичную конструкцию, наполненную специальным газом с плотностью, отличной 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 газовых систем, обеспечивающих наличие специального газа внутри конструкции, что делает ее нежелательной для использования в домашних системах звуковоспроизведения, т.к. существует проблема обеспечения герметичности конструкции. Дополнительные пленки, герметизирующие конструкцию, вносят свои призвуки в основной сигнал, снижая качество звучания акустической системы в целом.
Известно изобретение [12. Пат. 2547897 RU, МПК H04R 19/02. Электростатический громкоговоритель с широкой диаграммой направленности / Абдрахманов Р.Ф. - Заявл. 21.10.1973; опубл. 11.12.1973.], где плоский электростатический излучатель, высота которого больше ширины в несколько раз, оснащается специальным акустическим оформлением в виде нижнего и верхнего основания, а также с двух сторон излучателя крепятся специальные жесткие и гладкие криволинейные отражатели, которые формируют широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Конструкция [12.] имеет следующие особенности:
- высота излучателя такова, что на высоких частотах в вертикальной плоскости диаграмма направленности остается 0°, что ограничивает зону прослушивания;
- большие габариты громкоговорителя.
Рассмотренные аналоги [1.-11.] технически сложны в изготовлении и использовании, аналоги [1.-12.] обладают широкой диаграммой направленности только в одной плоскости.
Известны громкоговорители [13. Пат. 3345469 US, МПК МПК H04R 19/00, H04R 19/02. Electrostatic loudspeakers / Rod R.L. - Заявл. 02.03.1964; опубл. 03.10.1967; 14. Пат. 3 892 927 US, H04R 19/00, H04R 19/02. Full range electrostatic loudspeaker for audio frequencies / Theodore Lindenberg. - Заявл. 04.09.1973; опубл. 01.07.1975; 15. Пат. 6175636 US, МПК H04R 25/00, H04R 19/00, H04R 19/02. Electrostatic speaker with moveable diaphragm edges / Elwood G. Norris, Croft J.J. - Заявл. 26.06.1998; опубл. 16.01.2001.], согласно которым панель электростатического громкоговорителя имеет криволинейную конструкцию, благодаря чему волна в горизонтальной плоскости представляет собой дугу с определенным углом раскрытия, что обеспечивает приемлемую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.
Конструкции [13.-15.] обладают следующими недостатками:
- высота излучателя такова, что на высоких частотах в вертикальной плоскости диаграмма направленности остается 0°, что ограничивает зону прослушивания;
- пленка, используемая в качестве звукоизлучающего элемента, является акустически прозрачной. По этой причине волны, излучаемые задним участком диаметрально противоположной стороны, проходят беспрепятственно через переднюю часть излучателя и тем самым вызывают фазовые и частотные искажения сигнала;
- панель, состоящая из статоров цилиндрической формы большой высоты, обладает большой электрической емкостью, которая вместе с повышающим трансформатором образует фильтр низких частот, что уменьшает отдачу излучателя на высоких частотах.
Соответственно, излучатели [13.-15.] имеют ограниченную диаграмму направленности в вертикальной плоскости и обладают спадом амплитудно-частотной характеристики на высоких частотах из-за высокой емкости статоров.
Ближайшим техническим устройством, выбранным в качестве прототипа, является изобретение [16. Пат. 2 014 023 3 7 79 US, МПК H04R 19/02, H04R 1/26, H04R 1/32. Electrostatic loudspeaker capable of dispersing sound both horizontally and vertically / Harman M.R. - Заявл. 12.02.2014; опубл. 22.03.2016], в котором узел электростатического громкоговорителя обеспечивает кривизну в двух направлениях. Узел содержит по меньшей мере одну панель статора, гибкую диафрагму и прокладку, препятствующую контакту панели статора с диафрагмой. Форма волны на высоких частотах во всех направлениях приближена к идеальной сферической. Требуется большое количество поддерживающих элементов на прокладке, препятствующих провисанию пленки, которые являются звукоизоляторами и гасят излучение той стороны пленки, к которой крепятся. Из-за конструкции прокладки также может произойти небольшое провисание пленки, что сделает зазор между статором и пленкой неравномерным и в результате уменьшит максимально возможное напряжение, подводимое к статорам, и напряжение поляризации самой пленки, что приведет к ухудшению звучания.
Целью заявляемого изобретения является создание электростатического громкоговорителя с круговой диаграммой направленности на высоких частотах звукового диапазона, обеспечивающего высокое качество звучания.
Заявляемый электростатический громкоговоритель для воспроизведения высоких частот звукового диапазона с круговой диаграммой направленности по п. 1 содержит корпус в виде верхней части и нижнего основания и цилиндрический электростатический излучатель. Электростатический излучатель состоит из двух цилиндрических перфорированных статоров, пленки, натянутой между ними посредством двух изоляторов. Изоляторы обеспечивают зазор между пленкой и статорами. Высота излучающей части пленки электростатического излучателя составляет 25 мм.
Электростатический излучатель заявляемого электростатического громкоговорителя для воспроизведения высоких частот звукового диапазона с круговой диаграммой направленности по п. 2 выполнен с возможностью формировать волновой фронт в форме дуги, а высота электростатического излучателя меньше его диаметра минимум в пять раз. Электростатический громкоговоритель дополнительно содержит звукопоглощающий материал между верхней частью и нижним основанием.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1-2 представлен электростатический громкоговоритель, содержащий цилиндрический электростатический излучатель 1 и корпус в виде верхней части 2 и нижнего основания 3. Внутренний объем электростатического громкоговорителя заполнен звукопоглощающим материалом 4. Электростатический излучатель 1, преобразующий электрический сигнал в акустический, состоит из двух цилиндрических перфорированных статоров 5 и 6, пленки 7, натянутой между ними посредством изоляторов 8 и 9, обеспечивающих зазор между пленкой 7 и статорами 5 и 6.
Звукопоглощающий материал 4 поглощает и рассеивает звуковые волны, излучаемые внутренней частью пленки 7 для того, чтобы они не проходили сквозь пленку 7 и не создавали фазовых и частотных искажений, смешиваясь со звуковой волной, излучаемой внешней стороной пленки 7.
Расширение диаграммы направленности 10 на высоких частотах в горизонтальной плоскости достигается за счет цилиндрической формы излучателя. В вертикальной плоскости расширение диаграммы направленности 10 обеспечивается малой высотой излучателя 1, вследствие чего согласно принципу Гюйгенса-Френеля волновой фронт приобретает форму дуги.
Согласно принципу малой высоты высота излучающей поверхности вычисляется по формуле:
зв
где L - высота излучающей поверхности; V - скорость звука в воздухе; F - верхняя частота.
Например, на частоте 13600 Гц при скорости звука в воздухе 343 м/с высота излучающей поверхности составляет 25 мм. В заявляемом изобретении излучающей поверхностью является часть пленки 7 между изоляторами 8 и 9.
Таким образом, электростатический излучатель цилиндрической формы, высота излучающей части пленки которого равна 25 мм, имеет широкую направленность как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, что делает возможным распространение звуковых волн во всех направлениях.
Высота электростатического излучателя 1 меньше его диаметра минимум в пять раз, за счет чего сила натяжения пленки 7 в вертикальном направлении во много раз больше, чем в радиальном, что предотвращает провисание пленки.
Техническими результатами являются круговая диаграмма направленности электростатического громкоговорителя на высоких частотах, а также высокое качество звучания.
Круговая диаграмма направленности электростатического громкоговорителя на высоких частотах достигается за счет его формы, конструкции и геометрических размеров.
Высокое качество звучания обеспечивается тем, что электростатический излучатель выполнен с возможностью формировать волновой фронт в форме дуги, а также соотношением высоты электростатического излучателя к его диаметру и наличием звукопоглощающего материала в пространстве между верхней частью и нижним основанием громкоговорителя.
Описанную конструкцию возможно изготовить на несложном технологическом оборудовании из недорогих отечественных материалов. Таким образом, заявленное изобретение обладает критерием «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание:
1. Пат. 20090016552 US, МПК H04R 19/02. Electrostatic loudspeakers / Medley А.Р., Billson D.R. - Заявл. 19.12.2006; опубл. 09.04.2013.
2. Пат. 6188772 US, МПК H04R 25/00, H04R 19/02, H04R 19/00. Electrostatic speaker with foam stator / Norris E.G., Croft J.J. - Заявл. 26.06.1998; опубл. 13.02.2001.
3. Пат. 6304662 US, МПК H04R 25/00, H04R 19/02, H04R 19/00. Sonic emitter with foam stator / Norris E.G., Croft J.J. - Заявл. 07.01.1998; опубл. 16.10.2001.
4. Пат. 20070242844 US, МПК H04R 25/00, H04R 1/02. Electrostatic loudspeaker capable of dispersing sound both horizontally and vertically / Harman M.R. - Заявл. 12.04.2007; опубл. 22.05.2012.
5. Пат. 2 010 027 83 63 US, МПК H04R 19/02. Electrostatic speaker having ventilative diaphragm / Yang Kilseob, Yang Hye-Won, Yang Sung-min -Заявл. 26.06.2007; опубл. 09.10.2012.
6. Пат. 3 668 335 US, МПК H03F 1/34 и др. Electrostatic loudspeaker / Beveridge H.N. - Заявл. 17.06.1969; опубл. 06.06.1972.
7. Пат. 4 289 936 US, МПК H04R 19/00, H04R 19/02. Electrostatic Transducers / Civitello J.P. - Заявл. 07.04.1980; опубл. 15.09.1981.
8. Пат. 4 122 302 US, МПК H04R 1/22 и др. Two way dynamic and electrostatic speaker enclosure with side vent for greater high frequency dispersion /Lloyd J. Bobb-Заявл. 07.07.1977; опубл. 24.10.1978.
9. Пат. 201467438 CN, МПК H04R 19/02. High-fidelity electrostatic loudspeaker box / Chzhan Guanvu - Заявл. 16.07.2009; опубл. 12.05.2010.
10. Пат. 2 440 693 RU, МПК H04R 19/02. Электростатические акустические системы и способы / Туоми Д.М. (US) и др. - Заявл. 12.12.2006; опубл. 20.01.2012.
11. Пат. 3 778 562 US, МПК H04R 1/00 и др. Electrostatic loudspeaker having acoustic wavefront modifying device / Wright W.M.D. - Заявл. 21.10.1973; опубл. 11.12.1973.
12. Пат. 2 547 897 RU, МПК H04R 19/02. Электростатический громкоговоритель с широкой диаграммой направленности / Абдрахманов Р.Ф. - Заявл. 21.10.1973; опубл. 11.12.1973.
13. Пат. 3 345 469 US, МПК МПК H04R 19/00, H04R 19/02. Electrostatic loudspeakers / Rod R.L. - Заявл. 02.03.1964; опубл. 03.10.1967.
14. Пат. 3 892 927 US, H04R 19/00, H04R 19/02. Full range electrostatic loudspeaker for audio frequencies / Theodore Lindenberg. - Заявл. 04.09.1973; опубл. 01.07.1975.
15. Пат. 6 175 636 US, МПК H04R 25/00, H04R 19/00, H04R 19/02. Electrostatic speaker with moveable diaphragm edges / Elwood G. Norris, Croft J.J. - Заявл. 26.06.1998; опубл. 16.01.2001.
16. Пат. 2 014 023 37 79 US, МПК H04R 19/02, H04R 1/26, H04R 1/32. Electrostatic loudspeaker capable of dispersing sound both horizontally and vertically / Harman M.R. - Заявл. 12.02.2014; опубл. 22.03.2016.
17. Пат. 4270023 US, МПК H04R 1/22 и др. Cylindrical speaker mechanism / Harold N. Beveridge. - Заявл. 31.05.1979; опубл. 26.05.1981.
18. Пат. 6009972 US, МПК H05K 5/00, H04R 1/32, H04R 1/34. Omnidirectional speaker system / Jae-Soon Choi и др. - Заявл. 02.10.1998; опубл. 04.01.2000.
19. Пат. 2011147902 WO, МПК H04R 1/34, G10K 11/02. Loudspeaker apparatus with circumferential, funnel-like sound outlet opening / Held F. - Заявл. 28.05.2010; опубл. 01.12.2011.