Низкочастотное устройство громкоговорителя с конфигурируемой направленностью
Изобретение относится к низкочастотному громкоговорителю (низкочастотному динамику), в частности к устройствам, функционирующим на низких частотах. Сущность: устройство содержит, по крайней мере, одну пару громкоговорителей, установленных в единый корпус, обращенных в противоположные стороны и приводимых в действие как отдельные элементы сигналами, приходящими из единого источника, но имеющими различную амплитуду и фазу. При этом первый громкоговоритель обращен вперед, а второй громкоговоритель обращен назад для того, чтобы посылать звуковой сигнал в противоположных направлениях, причем указанные громкоговорители являются идентичными или различными относительно друг друга и приводятся в действие усилительными схемами, каждая из которых содержит электронную схему задержки. Технический результат: создание устройства громкоговорителя с конфигурируемой направленностью, при одновременном упрощении конструкции и уменьшении габаритов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к устройствам громкоговорителя, в частности к устройствам, функционирующим на низких частотах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные требования к воспроизведению музыки и речи для бытового применения и профессиональных и других целей требуют в большей степени, чем в прошлом, применения устройств, приспособленных для выполнения целевой функции.
Применительно к этим устройствам существует повышенная необходимость в контроле направленности их излучения для обеспечения высококачественного мощного воспроизведения только в требуемой области.
Существует хорошо известный факт, что контроль направленности связан с размерами аудиосистемы, или прежде этого, с теми специфическими элементами, из которых ее компонуют. Эти размеры связаны, в свою очередь, с длинами волн частот или диапазонами частот, которые вышеупомянутые элементы должны воспроизводить. Например, контролирование диапазона частот от 1000 Hz (Гц) до 20000 Hz для того, чтобы измерять затухание сигнала, равное 6 dB (дБ), при требуемой дисперсии, параметр, условно выбираемый, чтобы идентифицировать дисперсию устройства или системы для усиления звука, означает, что компонент, громкоговоритель или система, которая должна контролировать угловое испускание этого диапазона, должна иметь размер, равный, по крайней мере, 2 длинам волны (2 λ) минимальной частоты, которая будет контролироваться на плоскости(ях), на которой(ых) этот контроль должен проводиться: в этом примере, не менее чем 68 см (344/1000·2).
Не останавливаясь подробно на описании различных путей для достижения этой цели, по которым существует обширная техническая/коммерческая документация, следует отметить, что, так как размеры, необходимые для средних и высоких частот все еще ограничены, цель достижения высокой направленности реализуется в достаточной степени путем использования различных типов рупорных устройств или, совсем недавно, в виде конфигураций вертикальной расстановки, с их параметрами, контролируемыми с помощью DSP (цифровых сигнальных процессоров), которые способны сделать так, чтобы эти модулярные конфигурации систем допускали различные типы угловой дисперсии.
С другой стороны, для средне-низких, низких или субнизких частот получение высокой направленности является проблемой, которая легко не решается, ввиду того, что должны допускаться так или иначе устройства более крупных размеров, когда кто-то желает контролировать эти частоты, устройства, размеры которых становятся тем большими, чем более низкими становятся диапазоны частот, которые должны воспроизводиться при узкой угловой дисперсии.
Например, если необходимо контролировать диапазон частот, начиная со 100 Hz в устройстве или системе устройств (в этом случае не только схемы с вертикальной расстановкой, но также попросту, группы устройств тесно взаимосвязанные), требуются очень большие размеры. Фактически, 2 длины волны (2 λ) частоты 100 Hz составляет 6,8 м, размер, который для устройства, или даже для группы устройств, совершенно не поддается управлению со всех точек зрения. Если при этом кто-то будет считать, что, хотя классифицируемые как низкочастотные, такие частоты, как 100 Hz, являются не только частотами, которые должны воспроизводиться на высоком акустическом уровне в профессиональной среде, а 50/40 или 30 Гц также должны воспроизводиться с такой мощностью, чтобы обеспечить полное звуковое воспроизведение, очевидно, что размеры, которые акустическим системам или устройствам следует иметь, чтобы контролировать их направленность, станут еще большими, например, 2 λ частоты 30 Гц составит, приблизительно, 23 м!
Это "обычно" происходит также в случае рупорных устройств или систем, иногда предпочтительных, когда большие размеры не являются помехой при их использовании для большей эффективности преобразования не только для моделей направленного излучения, потому что, в обоих случаях, направленность (или скорей постепенная потеря направленности, когда частоты становятся все ниже и ниже) устанавливается за счет хорошо известного феномена дифракции.
Следовательно, является очевидным, что для контролирования дисперсии при низких частотах необходимо принять другое направление или интегрировать технологию уже известную, имеющую отношение, в основном, к размерам рупора или размерам экрана в системе направленного излучения (или даже ненаправленного излучения, такого как система полосы пропускания), с другими "способами", нацеленными на повышение направленности.
Хорошо известные примеры этих "способов" можно найти в многочисленных технических трудах по акустике авторов, которые создали аудиоисторию, таких как Olson и Beranek, если упоминать лишь наиболее известных. Эти "способы" основываются на методах интерференции, которые применялись и все еще применяются сегодня для микрофонов, для которых всегда было необходимо контролировать их направленность по отношению к сигналу, который они принимают по разным причинам, такую как невосприимчивость к фоновому шуму из направлений иных, чем направление звука, который они принимают, мощность для приема слабых отдаленных звуков, нечувствительность к помехам и пр.
В течение лет было предложено несколько проектов низкочастотных устройств, использующих эти "способы", правда, без особого успеха, возможно из-за проблемы, в целом, эксплуатационных качеств и/или соотношения эксплуатационных качеств: цены.
Однако недавно произошло возрождение этих технологий, благодаря требованиям, касающимся ограничения дисперсии на низких частотах, которые становятся все более и более настоятельными, но также благодаря возможности применения к вышеупомянутым системам необходимых усложненных "правил", подходящих для контролирования направленности с помощью "интерференции", которую современная электронная аппаратура и использование DSP устройств для обработки сигналов в полосе звуковых частот дают возможность легко осуществлять при относительно низких затратах.
Фактически, наличие возможности применения различных задержек или фазовых сдвигов к источникам звука, используемых совместно для получения данной направленности, не является больше дорогой, почти недосягаемой процедурой, как это обычно считалось даже примерно десять лет назад.
Следовательно, на рынке появились системы для воспроизведения низких частот, которые применяют технологии, подобные описанным, и которые способны воспроизводить звуковые сигналы, начиная от 30/40 Hz с дисперсионными характеристиками, аналогичными тем, которые получены в различных типах микрофонов, таких как кардиоидные, сверхкардиоидные или гиперкардиоидные, если упоминать наиболее известные.
Эти устройства создавались с соответствующими вариациями, были использованы решения, принятые для микрофонов, по которым имеется большое количество литературных источников с подробным описанием, так как микрофоны являются обратными устройствами по отношению к громкоговорителям. Касаясь этой темы, в целях информации и в качестве существенного примера, важно упомянуть исследование Marinus M.Boone и Okke Ouweltjes, опубликованное в JAES, том 45, №9, сентябрь 1997 г., озаглавленное "Конструкция системы громкоговорителя с низкочастотной кардиоидной диаграммой излучения (Design of a Loudspeaker System with a Low-Frequency Cardiodlike Radiation Pattern)".
ЦЕЛИ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из целей этого изобретения является предложение и обеспечение новой оригинальной схемы расстановки для специализированного устройства громкоговорителя, способной создавать полярную дисперсию на низких частотах, не дающую больше распределения практически равного 360°, но согласно потребностям, дающую изменяемое распределение в виде одной или большего количества разнообразных представленных дисперсионных диаграмм.
Еще другой целью изобретения является обеспечение аудиосистемы для низких частот, которая имеет упрощенную конструктивную характеристику, позволяющую использовать ее в качестве традиционной системы, но в случае необходимости в качестве системы, контролируемой с помощью электроники для изменения ее электро-акустической конфигурации и получения контролируемой дисперсии, описанной выше.
Следующей другой целью изобретения является создание усовершенствованного устройства громкоговорителя на низких частотах с конфигурируемой направленностью, сохраняя в то же время существующие компактные габаритные размеры, большую простоту конструкции и удобное для пользователя регулирование, которое сдерживает величину затрат на низком уровне, а соотношение цены: эксплуатационных качеств: направленности - на высоком уровне.
Эти цели достигаются в соответствии с изобретением в виде устройства громкоговорителя на низких частотах, по крайней мере, согласно пункту 1.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение, предлагаемое здесь, будет описано более подробно при дальнейшем изложении со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые приводятся в качестве свидетельства, но не ограничения, и в которых:
на фиг.1 показано низкочастотное устройство громкоговорителя (низкочастотный динамик) с изменяемой направленностью, в виде фронтального изображения;
на фиг.1А показано устройство, представленное на фиг.1, в виде поперечного разреза, соответствующего направлению А-А;
на фиг.1В показано устройство, представленное на фиг.1, в виде другого поперечного разреза, соответствующего направлению В-В;
на фиг.2 показан конструктивный вариант устройства согласно изобретению;
на фиг.3 показана акустическая и электрическая рабочая схема системы, соответствующая аналогу эквивалентных электрических схем;
на фиг.4, 5 и 6 показано одинаковое количество горизонтальных/вертикальных полярных кривых низкочастотной системы громкоговорителя в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представленное низкочастотное устройство или низкочастотный динамик оснащено двумя громкоговорителями (Spk1 и Spk2), установленными в единый корпус (V1) с очень компактными размерами, например, 70×60×50 см. Два громкоговорителя могут также, без каких-либо ограничений, отличаться друг от друга (например, один - 18′′, а другой - 15′′) и могут быть направленными в противоположные стороны, один - вперед, другой - назад. Внутри корпуса (V1), по крайней мере, на двух сторонах переднего громкоговорителя предусматривают два канала (P1, P2), в то время как задний громкоговоритель обращен в сторону камеры (V2) с боковыми отверстиями (Р3, Р4, Р5). В основном, два громкоговорителя имеют сообща тот же объем воздуха и тот же генератор (фиг.3), но приводятся в действие как отдельные элементы сигналами, которые имеют различную амплитуду и фазу за счет двух отдельных схем (11, 12) усиления, которые включают среди других элементов электронную схему 13, 14 задержки.
При необходимости, когда не требуется ненаправленная низкочастотная дисперсия, это геометрическое расположение (при наличии электроники) (фиг.4) делает возможным большое поглощение обратного испускания путем использования феномена интерференции от 30/40 Hz вплоть до частот в пределах 100/120 Hz, давая диаграммы дисперсии, подобные тем, как показанные на фиг.5 и 6.
В частности, на фиг.4 показаны горизонтальные/вертикальные полярные кривые системы низкочастотного динамика, по данным, измеренным в полупространстве (2п) микрофоном в пределах четырех метров без активирования системы для поглощения обратного испускания при низких частотах согласно этому изобретению.
Следует отметить, что система является, в основном, ненаправленной в пределах всего рабочего диапазона частот. Амплитуда (параллельные линии) =1 dB. Угловые размерности (Меридианы) =10°.
На фиг.5 показаны горизонтальные/вертикальные полярные кривые системы низкочастотного динамика, по данным, измеренным в полупространстве (2п) микрофоном в пределах четырех метров в условиях активирования системы для поглощения обратного испускания при низких частотах согласно этому изобретению.
Следует отметить, что система имеет обратное излучение кардиоидного типа в пределах всего рабочего диапазона частот. Амплитуда (параллельные линии) =1 dB. Угловые размерности (Меридианы) =10°.
На фиг.6 показаны горизонтальные/вертикальные полярные кривые системы низкочастотного динамика. Для диапазона частот 63 Hz (1/3 октавы), полярные ответные сигналы, измеренные в полупространстве (2п) микрофоном в пределах четырех метров, сравнивали непосредственно:
ненаправленное излучение, без активирования системы для обратного поглощения низких частот;
кардиоидное излучение, активирование установки системы для этой дисперсионной диаграммы;
гиперкардиоидное излучение, активирование установки системы для этой дисперсионной диаграммы.
Следует принять во внимание большое различие в энергии, которую система дает на выходе при низких частотах согласно различным дисперсионным диаграммам, полученным при специализированных установках (для удобства, частота 63 Hz была принята в качестве центра 1/3 октавы воспроизводимого диапазона).
Амплитуда (параллельные линии) =1 dB. Угловые размерности (Меридианы) =10°.
Компактные размеры и малый вес устройства также делают его элементом, которые можно легко складывать или составлять в большом количестве в виде вертикальных линейных рядов, но можно также устанавливать более традиционно рядом друг с другом в большом количестве, образуя горизонтальные линейные ряды или, в любом случае, группы из акустически связанных элементов и функционирующих в условиях "помпового оркестра".
Другой важный аспект этого изобретения состоит в возможности изменения конструктивной геометрии без изменения ее простоты для того, чтобы она была способна модифицировать величину фигурирующих акустических параметров, создаваемых за счет объемов и размеров каналов или отверстий, и для того, чтобы получить акустические эксплуатационные характеристики, которые отличаются с точки зрения воспроизводимой амплитуды и полосы пропускания. Этот другой аспект показан на фиг.2, на которой были использованы те же самые буквенно-цифровые обозначения с добавлением (′), чтобы показать детали, которые являются идентичными или эквивалентными деталям, показанным на фиг.1.
1. Низкочастотное устройство громкоговорителя (низкочастотный динамик), характеризующееся тем, что оно содержит, по крайней мере, одну пару громкоговорителей, установленных в единый корпус, обращенных в противоположные стороны и приводимых в действие как отдельные элементы сигналами, приходящими из единого источника, но имеющими различную амплитуду и фазу, при этом первый громкоговоритель обращен вперед, а второй громкоговоритель обращен назад для того, чтобы посылать звуковой сигнал в противоположных направлениях, причем указанные громкоговорители являются идентичными или различными относительно друг друга и приводятся в действие усилительными схемами, каждая из которых содержит электронную схему задержки.
2. Низкочастотное устройство громкоговорителя по п.1, отличающееся тем, что создают два открытых канала, по крайней мере, на двух сторонах переднего громкоговорителя, и в котором задний громкоговоритель обращен в сторону камеры, имеющей два боковых отверстия.
3. Низкочастотное устройство громкоговорителя по п.2, отличающееся тем, что указанный передний громкоговоритель помещается в корпусе, или же он выступает из передней части корпуса.
4. Низкочастотное устройство громкоговорителя по п.2 или 3, отличающееся тем, что указанные каналы и/или боковые отверстия имеют изменяемые размеры для того, чтобы модифицировать акустические параметры системы.
5. Низкочастотное устройство громкоговорителя по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что его можно размещать рядом, или укладывать на другие устройства для формирования горизонтальных и вертикальных рядов, или соединять и устанавливать друг над другом в большом количестве для формирования групп, функционирующих в виде схемы расстановки типа "помпового оркестра".
6. Способ конструирования низкочастотных устройств громкоговорителя, включающий использование, по крайней мере, пары громкоговорителей, установленных в единый корпус, обращенных в противоположные стороны относительно испускания звука, причем один громкоговоритель обращен вперед, а другой громкоговоритель обращен назад в сторону камеры, имеющей боковые отверстия; приведение в действие вышеупомянутых громкоговорителей как отдельных элементов сигналами, приходящими из единого источника, но имеющими различную амплитуду и фазу, путем использования отдельных усилительных схем, каждая из которых содержит электронную схему задержки; и возможность изменения величины ответных акустических параметров устройства, модифицируя объем загрузки громкоговорителей и/или размеры каналов/отверстий на передней части и/или отверстий, расположенных на задней части для того, чтобы получить различные дисперсионные диаграммы.
