Микрофон, содержащий компонент из пеноматериала с закрытыми порами
MICROPHONE HAVING CLOSED CELL FOAM BODY

Настоящее изобретение относится к микрофону, содержащему преобразователь и компонент из пеноматериала с закрытыми порами, расположенный между преобразователем и областью приема звука.
Уровень техники
Микрофоны обычно используются для улавливания колебаний звукового давления, исходящих из источника звука. Микрофоны обычно содержат преобразователь для улавливания звука, отправляемый затем на другое устройство, например, усилитель или передатчик (см., например, патент США №3,403,234). Преобразователь часто окружен средством передачи звука (STM). STM представляет собой средство для обеспечения взаимодействия микрофона с окружающей акустической средой. Колебания звукового давления, исходящие от речи, например, должны пройти через STM для активации преобразователя микрофона. Типичное STM содержит пеноматериал с открытыми порами и тонкую мембрану (см., например, патент США №5,808,243 (McCormick et al.)). Эти детали находятся между преобразователем и источником звука. Пеноматериал обеспечивает механическую защиту, а также защиту от вибраций и ветра, в то время как мембрана препятствует проникновению воды или частиц. Тонкая мембрана может быть выполнена в виде тонкой пластичной пленки из полиэтилентерефталата (PET) или аналогичного материала, такого как акустическая мембрана из политетрафторэтилена (PTFE), проницаемого для звука, но непроницаемого для воды. Однако такие тонкие мембраны представляют собой потенциально слабое место в микрофонной системе. Вследствие их небольшой толщины и пористости они могут быть повреждены механически и физически.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается микрофон, содержащий преобразователь и компонент из пеноматериала с закрытыми порами, расположенный между преобразователем и областью приема окружающего звука. Настоящее изобретение отличается от известных микрофонов тем, что в данном микрофоне в качестве STM используется пеноматериал с закрытыми порами. Как указано выше, в традиционных микрофонах для защиты преобразователя, как правило, используется пеноматериал с открытыми порами. Согласно настоящему изобретению было обнаружено, что пеноматериал с закрытыми порами может эффективно защищать преобразователь без потерь звука при передаче от источника звука к преобразователю. Настоящее изобретение может обеспечивать показатель вносимых потерь не выше чем 10 дБ/мм в диапазоне частот от 300 до 3400 Гц при измерении согласно способу определения вносимых потерь, описанному ниже. Настоящее изобретение также обеспечивает возможность создания микрофона, не требующего использования акустической мембраны из PTFE для защиты преобразователя от воздействия элементов в окружающей среде. Соответственно микрофон может быть защищен без существенных потерь звука при передаче, причем в нем используется меньшее количество частей по сравнению с традиционными изделиями. Могут быть достигнуты хорошая передача голоса, снижение вибраций от ветра и защита от воздействия окружающей среды без необходимости в использовании мембраны для обеспечения защиты от проникновения частиц и воды.
Глоссарий
Указанные ниже термины имеют следующие значения:
"с закрытыми порами"означает наличие группы отдельных ячеек или пор, каждая из которых окружена сплошным материалом;
"заключенный"означает, что преобразователь окружен со всех направлений и сторон, с которых звук может достигать окруженного элемента;
"пеноматериал" означает вещество, содержащее ячейки газа в плотной среде;
"вносимые потери" означает разность между уровнями сигналов в децибелах (дБ) при нахождении на линии передачи устройства, подлежащего испытанию, и при его отсутствии;
"микрофон" означает устройство, которое содержит вход для приема энергии в виде звука в первом месте, и которое преобразует звук в другой сигнал, который передается во второе место через выход на устройстве; и
"преобразователь" означает устройство, которое преобразует акустический звук в электрический и/или оптический сигнал.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - микрофон 10 в соответствии с настоящим изобретением в разобранном виде;
Фиг. 2 - микрофон 10 в соответствии с настоящим изобретением в собранном виде;
Фиг. 3 - микрофон 10 в соответствии с настоящим изобретением, соединенный со штативом 34; и
Фиг. 4 - поперечное сечение пеноматериала 50 с закрытыми порами, который может использоваться применительно к настоящему изобретению.
Подробное описание предпочтительных воплощений
В результате реализации на практике настоящего изобретения предлагается микрофон, который содержит преобразователь и пеноматериал с закрытыми порами, расположенный между преобразователем и отверстием для приема окружающего звука. Обеспечение расположенного таким образом пеноматериала с закрытыми порами обеспечивает возможность защиты преобразователя без использования пленочной мембраны и с хорошей передачей звука
На фиг. 1 показан микрофон 10 как блок, содержащий преобразователь 12, опорные кожухи 14 и 16 преобразователя, звукопередающие элементы 18 и 20, содержащие пеноматериал с закрытыми порами, и части 22 и 24 наружного охватывающего компонента. Части 22 и 24 наружного охватывающего компонента включают область или отверстие 25, через которое звук может проходить к преобразователю 12. Звукопередающие элементы 18 и 20 расположены между преобразователем 12 и отверстиями 25 в частях 22 и 24 наружного охватывающего компонента. Электрический вывод 26 предназначен для доставки выходного сигнала от преобразователя 12 в приемное устройство. Электрический вывод 26 расположен в трубке 28, через которую проходит провод 29. Провод 29 включает проводящие элементы 30, которые крепятся к преобразователю 12. Трубка 28 содержит патрубок 32 для обеспечения прохождения провода 30 через него. Трубка 28 может быть выполнена в виде стойки 34 штатива, обеспечивающего поддержку микрофона 10. Несмотря на то, что электрический вывод 26 и провод 30 показаны, как используемые для доставки выходных сигналов в приемное устройство, микрофон 10 может содержать вместо них беспроводной передатчик для отправки выходных сигналов в приемное устройство.
3
На фиг. 2 показана головка микрофона 10 в собранном виде, на котором части 22 и 24 наружного охватывающего компонента соединены вместе для образования корпуса 35. Эти части 22 и 24 обеспечивают поддержку звукопередающих элементов 18 и 20 и преобразователя 12 вместе с круглыми кожухами 14 и 16. Преобразователь 12 дополнительно поддерживается посредством опорных кожухов 14 и 16. Звук, поступающий от внешнего источника, перед попаданием на преобразователь 12 должен пройти через звукопередающие элементы 18 и 20. Звукопередающие элементы 18 и 20 содержат пеноматериал 36 с закрытыми порами, который расположен между преобразователем 12 и областью 37 приема окружающего звука. Звукопередающие элементы 18 и 20 расположены на противоположных сторонах преобразователя 12 и отцентрованы в осевом направлении относительно отверстий 25 в частях 22 и 24 наружного охватывающего компонента. Пеноматериал 36 с закрытыми порами может окружать преобразователь 12 со всех направлений, с которых звуковые волны могут достичь преобразователя 12. В преобразователе 12 звуковые волны преобразуются в электрические сигналы, которые передаются на другое устройство посредством проводящих элементов 30 в проводе 29. Преобразователь 12 может содержать сопряженную с ним диафрагму для приема колебаний звукового давления из окружающей среды. Сгенерированные выходные сигналы соответствуют и являются откликами на перемещение диафрагмы. Таким образом, преобразователь принимает звук из окружающей среды и подает сигнал (необязательно того же типа) на второй компонент. Звукопередающие элементы 18 и 20 защищают преобразователь 12 от вызванного ветром шума и физических элементов, находящихся в окружающей среде, таких как влага и капли на водной основе. Преобразователь 12 содержит уплотнительное кольцо 38, способствующее сохранению правильного положения преобразователя 12 в корпусе 35 микрофона. Корпус 35 выполнен в виде конструкции, состоящей из двух идентичных частей, при этом внутренние элементы, такие как преобразователь 12 и первый и второй звукопередающие элементы 18 и 20, расположены в корпусе 35. Пространство между пеноматериалом 18, 20 и преобразователем 12 образует акустическую полость 39. Размер полости может быть оптимизирован с учетом уровня сигнала или воздействия вибраций, вызванных ветром. Полость, как правило, занимает объем приблизительно от 0,05 до 500 кубических сантиметров (см). Расстояние между преобразователем и пеноматериалом с закрытыми порами может быть подрегулировано с учетом внутренней задержки звука преобразователя для формирования фактической диаграммы направленности. Как правило, пеноматериал с закрытыми порами расположен на расстоянии от преобразователя, составляющем приблизительно от 0,5 до 50 мм. Размер корпуса, акустическая полость и пеноматериал с закрытыми порами могут быть выбраны для достижения желаемого уровня сигнала и диаграммы направленности.
На фиг. 3 показано, что головка 40 микрофона 10 может находиться в зацеплении со стойкой 34 штатива. Стойка 34 штатива может также находиться в зацеплении с вращаемым элементом 42, обеспечивающим пользователю возможность размещения головки 40 микрофона в желаемом положении относительно источника звука. Стойка 34 штатива может быть деформируемой вручную, например, как в гибкой микрофонной стойке, или может быть ограничена или предварительно сконструирована таким образом, чтобы иметь линейную или изогнутую конфигурацию для соответствия предполагаемому применению микрофона 10. Микрофон 10 также может содержать электрический соединительный компонент 44, содержащий положительные и отрицательные проводящие элементы, которые обеспечивают возможность вставки микрофона 10 в соответствующий гнездовой элемент, который затем передает звук на конечное устройство, например на внешний громкоговоритель, наушники, головная гарнитура или подобное устройство.
3
3
3
3
3
На фиг. 4 показан один из примеров пеноматериала 50 с закрытыми порами, который может быть использован в микрофоне согласно настоящему изобретению. Пеноматериал 50 с закрытыми порами содержит несколько отдельных пустот или пор 52, каждая из которых полностью окружена пористыми стенками 54. И наоборот, пеноматериал с открытыми порами содержит ячейки с газом или пустоты, которые соединяются друг с другом между пористыми стенками или несплошными стенками. Поры согласно настоящему изобретению 52 могут иметь средний размер приблизительно от 0,1 до 1 кубических миллиметров (мм), чаще приблизительно от 0,3 до 0,7 мм. Плотность пеноматериала с закрытыми порами может составлять приблизительно от 15 до 50 килограмм на кубический метр (м)(кг/м), чаще от 20 до 40 кг/м. Плотность пеноматериала может быть измерена согласно стандарту ASTM D3575-91. Толщина пеноматериала с закрытыми порами может составлять приблизительно от 1 до 10 мм, чаще приблизительно от 1,5 до 5 мм. Материалы, которые могут использоваться в пеноматериалах с закрытыми порами согласно настоящему изобретению, включают полимеры, такие как этиленвинилацетат (EVA), полипропилен, сополимер этилена и пропилена (EDPM), полиэтилен и поливинилхлорид (PVC). Было обнаружено, что EVA представляет собой особенно подходящий материал для использования в пеноматериалах с закрытыми порами в микрофонах согласно настоящему изобретению. Примеры имеющихся в продаже пеноматериалов с закрытыми порами, которые могут быть подходящими для использования в настоящем изобретении, включают пеноматериалы на основе сшитого винилацетатного (VA) сополимера EVASOTE™. Сшитые пеноматериалы могут быть изготовлены с использованием чистого газообразного азота в качестве порообразователя. Пеноматериалы могут быть выполнены в виде прямоугольных или круглых листов, которые содержат технологические пленки на всех поверхностях, особенно на наружных основных поверхностях. Выбранные материалы предпочтительно позволяют пеноматериалу успешно пройти испытание на воздействие окружающей среды, описанное далее. Пеноматериал с закрытыми порами, используемый в настоящем изобретении, характеризуется показателем вносимых звуковых потерь, составляющим не более 10 децибел на миллиметр (дБ/мм) в диапазоне частот от 300 до 3400 Герц (Гц) при измерении согласно способу определения вносимых потерь, описанному ниже; чаще пеноматериал с закрытыми порами характеризуется показателем вносимых потерь, составляющим не более 6 дБ/мм в диапазоне частот от 300 до 3400 Гц; и наиболее часто пеноматериал с закрытыми порами характеризуется показателем вносимых звуковых потерь, составляющим не более 3 дБ/мм в диапазоне частот от 300 до 3400 Гц. Пеноматериал с закрытыми порами, который характеризуется низким показателем вносимых потерь, может быть выбран путем выбора пеноматериала с закрытыми порами, имеющего плотность, размер пор, толщину и состав материала, которые обеспечивают возможность достижения низкого показателя вносимых потерь. Пеноматериал с закрытыми порами может быть расположен в множестве мест между преобразователем и источником окружающего звука. Он может быть расположен в корпусе, в котором находится преобразователь; он может быть расположен снаружи корпуса, окружая таким образом микрофон за исключением штатива. Для обеспечения целевой функции гашения нежелательного шума и защиты преобразователя пеноматериал с закрытыми порами может быть расположен таким образом, чтобы окружать преобразователь в максимально возможной степени. Во многих воплощениях весь преобразователь может быть заключен в пеноматериале с закрытыми порами. Пеноматериал может быть обеспечен в виде листа, поддерживаемого рамой, или может быть объемным и снабжен пространством для размещения преобразователя или головки микрофона.
ПРИМЕР
Методы испытаний
Метод определения вносимых потерь
3
Для оценки вносимых потерь элемента STM из пеноматериала с закрытыми порами секцию пеноматериала диаметром 18 мм размещали в держателе образца, в котором стандартный микрофон давления расположен позади пеноматериала. Держатель был выполнен такого же размера, что и корпус микрофона, подлежащего измерению, а также из аналогичного материала. Только передняя сторона пеноматериала была открыта для передачи звука: на задней стороне держателя входное отверстие для звука было закрыто. Позади пеноматериала с закрытыми порами и перед микрофоном давления была расположена полость размером 0,25 см, с таким же размером, что и акустическая полость в корпусе микрофона, содержащего элемент STM, подлежащий измерению.
3
Собранную конструкцию размещали в акустической камере, внутренний объем которой составлял приблизительно 6 кубических метров (м). Измерительную систему, выполненную с возможностью генерирования и записи акустических сигналов как во времени, так и по частоте, использовали для захвата сигнала с микрофона как с пеноматериалом с закрытыми порами, так и без него. Источник розового шума, который имел одинаковую энергию во всей 1/12-октавной полосе, использовали для генерирования испытательного сигнала. Затем рассчитывали вносимые потери в виде разницы между сигналом с установленным пеноматериалом и без него в диапазоне частот от 300 Гц до 3400 Гц.
Метод испытания на воздействие окружающей среды
Испытание на воздействие окружающей среды проводят путем погружения узла микрофона в 5% раствор соли в воде в течение 1 часа при комнатной температуре (приблизительно 22°C). Любое проникновение раствора соли за STM отмечали как неблагоприятный исход. Повторное измерение эксплуатационных характеристик микрофона может быть проведено после удаления всех видимых капель воды с внешней части корпуса, после чего микрофон должен демонстрировать такие же эксплуатационные характеристики, что и перед этапом погружения в воду.
Пример 1
Конструкция всепогодного микрофона для голосовой связи на штативе, аналогичная проиллюстрированному воплощению и содержащая преобразователь микрофона, была собрана следующим образом. Был обеспечен блок микрофона, содержащий три взаимно соединенные части: головку микрофона, стойку штатива и держатель устройства. Головка микрофона содержала несколько элементов: преобразователь, опорные кожухи преобразователя и STM из пеноматериала с закрытыми порами. Наружный охватывающий компонент головки микрофона заключал в себе элементы передачи голоса и обеспечивал прикрепление головки микрофона к стойке штатива. Электрические выводы были соединены с преобразователем и были пропущены через стойку штатива к электрическому соединительному компоненту. Стойка штатива обеспечивала поддержку как для головки микрофона, так и для электрических выводов 23, а также обеспечивала электрическое соединение с головной гарнитурой. Стойка штатива имела длину 154 мм и диаметр 6 и была выполнена в виде типичной гибкой микрофонной стойки. Стойка штатива была гибкой для размещения головки штатива. Головка микрофона была прикреплена к стойке штатива на одном конце с обеспечением герметичности.
Преобразователь представлял собой OWMSCDY-13843T-71-150 от OLE WOLFF ELEKTRONIK A/S, Roedengvej 25 4180, Cope, Дания. Преобразователь имел диаметр 13,8 мм и содержал динамический гиперкардиоидный микрофонный капсюль. Преобразователь, расположенный в головке микрофона, был защищен как с передней, так и с задней стороны пеноматериалом с закрытыми порами EV30 из серии EVASOTE™. Пеноматериал с закрытыми порами имел внутренний размер пор 0,45 мм и был изготовлен из сшитого сополимера этилена и винилацетата (EVA), изготовленного Zotefoams PLC, 675 Mitcham Road, Croydon CR9 3AL, Соединенное Королевство. Пеноматериал имел толщину 2 мм и диаметр 18 мм.
3
Части наружного охватывающего компонента головки микрофона, которые имели диаметр 22 мм и в собранном виде имели расстояние от передней части к задней 12 мм, были изготовлены на принтере для трехмерной (3D) печати прототипов из пластика. После сборки наружный охватывающий компонент головки микрофона фиксировал преобразователь в уплотнительном кольце, опорных обоймах и части пеноматериала с закрытыми порами с обеспечением центрального расположения в осевом направлении относительно отверстий частей наружного охватывающего компонента. Посредством блока, вмещающего и позиционирующего преобразователь и пеноматериал с закрытыми порами, между преобразователем и пеноматериалом с закрытыми порами была обеспечена акустическая полость с объемом, составляющим приблизительно 0,25 см.
Блок микрофона согласно настоящему примеру испытали в соответствии со способом определения вносимых потерь, а также подвергали испытанию на проникновение жидкости, как описано в способе испытания на воздействие окружающей среды. Вносимые потери для пеноматериала с закрытыми порами EV30 толщиной 2 мм определили, как составляющие 3 дБ, что с запасом соответствует функциональным параметрам, необходимым для подходящей передачи голоса. Микрофон успешно прошел испытание на воздействие окружающей среды: не было никаких признаков проникновения жидкости за пеноматериал с закрытыми порами.
В настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от его сущности и объема. Соответственно настоящее изобретение не ограничивается вышеуказанным описанием, оно определяется приведенной далее формулой изобретения и любыми ее эквивалентами.
Настоящее изобретение также может быть соответствующим образом реализовано на практике в случае отсутствия любого элемента, отдельно не раскрытого в данном документе.
Все патенты и заявки на получение патента, указанные выше, включая таковые в разделе уровня техники, включены посредством ссылки в данный документ в полном объеме. В случае противоречий или расхождений между раскрытием в таком включенном документе и вышеприведенном описании главенствующим следует считать вышеприведенное описание.