Спосіб формування звукових коливань

Реферат: UA 87611 U UA 87611 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі акустики та стосується способу формування звукових коливань із використанням потоків газу, переважно повітря. Головною перевагою зазначених способів є можливість ефективного створення звукових коливань зі значним звуковим тиском. При цьому пристрої з використанням зазначених способів є технологічно простими в виконанні та мають значно вищий коефіцієнт корисної дії порівняно з пристроями для відтворення звуку мембранного типу, особливо ці переваги стають очевидними в умовах, коли потрібно відтворювати чи генерувати потужні звукові коливання. Способи для формування звукових коливань з використанням потоку газу відомі здавна. З першої половини XX століття відомі пристрої під назвою "пневматичні гучномовці" були призначені для передачі голосових повідомлень на значні відстані в умовах підвищеного шумового фону. Прикладом таких пристроїв є пристрій за авторським свідоцтвом СРСР №35899 від 30.04.1934 р. За своєю суттю пристрій є пневматичним підсилювачем голосу людини. У ньому звукові коливання, що створюються голосом людини, сприймаються мембраною, механічно сполученою з конусним клапаном, який, у відповідності до коливань мембрани, змінює величину зазору, через який подається стиснене повітря. Цей пневматичний гучномовець здатний створювати звукові коливання зі звуковим тиском, достатнім для передачі голосових повідомлень на велику відстань. Його недоліками є вузький діапазон частот, значні нелінійні спотворення звуку, а також великий рівень паразитного шуму. Близьким до заявленої корисної моделі за технічною суттю є технічне рішення, розкрите у європейському патенті ЕР 0012070 В1, опубл. 27.07.1983: "Пневматичний гучномовець зі сталим потоком повітря"; МПК3: G10K 11/08, H04R 1/42. Описаний гучномовець призначений для пневматичного посилення аудіосигналів, наприклад, від мікрофона чи іншого електронного пристрою. Згідно із зазначеним технічним рішенням, модуляція потоку повітря відбувається в кільцевому зазорі за допомогою кільцевого запірного пристрою, на якому розміщена обмотка електромагнітного перетворювача. Для формування звукових коливань, які відповідають повному розмаху синусоїдального сигналу, в зазорі потрібно підтримувати постійний потік повітря, який модулюється від мінімального до максимального значення. У результаті на виході гучномовця навіть при відсутності корисного сигналу протікає значний потік повітря, який неминуче створює паразитний шум. І хоча, відповідно з корисною моделлю, передбачені конструктивні рішення, спрямовані на зменшення турбулентності та інших паразитних ефектів, усунути їх повністю не вдається, тому такі гучномовці не придатні для високоякісного відтворення аудіосигналів. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу формування потужних низькочастотних звукових коливань шляхом формування звукових коливань двома потоками газу, при цьому наростаючий фронт звукової хвилі від мінімального негативного значення до позитивного максимального значення формується потоком газу, що подається в зону формування звукових коливань, а спадаючий фронт хвилі від точки максимального позитивного значення до мінімального негативного значення формується потоком газу, що відсмоктується, із зони формування звукових коливань. За рахунок цього досягається суттєве підвищення енергоефективності формування потужних низькочастотних звукових коливань та забезпечується висока якість відтворення звукового сигналу. Відповідно до корисної моделі, задача вирішується шляхом пропускання газу, переважно повітря, від джерела з тиском, вищим від атмосферного через отвір, який динамічно змінюється в зону формування звукових коливань, додатково здійснюють відсмоктування газу через отвір, що динамічно змінюється, із зони формування звукових коливань, при цьому динамічне регулювання потоками газу здійснюють керованими заслінками. Управління заслінками здійснюють відповідним корисним сигналом таким чином, що наростаючий фронт звукових коливань формується в процесі зміни заслінкою площі отвору, через який подається газ в зону формування коливань, а спадаючий фронт звукових коливань формується в процесі зміни заслінкою площі отвору, через який відсмоктується газ із зони формування звукових коливань в зону із тиском менше атмосферного. При цьому, в зоні формування звукових коливань може водночас здійснюватись смугова акустична фільтрація корисних звукових коливань шляхом формування відповідних поверхонь. При цьому динамічне управління потоками газу через отвори здійснюють дросельмодулятором, який забезпечує зміщення закріплених на ньому заслінок пропорційно корисному електричному сигналу, що подається в обмотку, яка рухається від взаємодії з магнітним полем. 1 UA 87611 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Заявлена корисна модель ілюструється наступним прикладом здійснення способу формування звукових коливань та пристроєм для реалізації такого способу, а також відповідними ілюстрованими матеріалами, на яких зображено наступне: на фіг. 1 - функціональна схема пристрою для формування звукових коливань, на фіг. 2 - корпус з частинами А та В, вид з боку частини А, на фіг. 3 - частина корпусу А із зоною формування звукових коливань, вид з боку частини В, на фіг. 4 - частина корпусу В зі встановленим блоком дросель-модулятора, вид з боку частини A, на фіг. 5 - частина корпусу В без блоку дросель-модулятора з встановленим компресором, вид зверху, на фіг. 6 - частина корпусу В без блоку дросель-модулятора, вид з боку частини А, на фіг. 7 - блок дросель-модулятора із заслінками, на фіг. 8 - дросель-модулятор з відкритою заслінкою вакуумної камери, на фіг. 9 - дросель-модулятор з відкритою заслінкою компресійної камери. Зображені матеріали, що ілюструють заявлену корисну модель, а також наведений приклад конкретного виконання пристрою ніяким чином не обмежують обсяг домагань, викладений у формулі, а тільки пояснюють суть корисної моделі. На фігурі 1 зображена функціональна схема пристрою відповідної корисної моделі для формування звукових коливань, який призначений для здійснення заявленого способу. Пристрій має корпус 1, в якому розміщені засіб для подачі газу з тиском вище атмосферного у формі компресійної камери 2 і засіб для відсмоктування газу у формі вакуумної камери З, розділені перегородкою 4. Компресійна камера 2 може містити компресор 5, а у засобі для відсмоктування 3 може бути встановлено вакуумний насос 6. У корпусі також утворено зону формування звукових коливань 7. Крім того, пристрій має сервопривід в вигляді дросель-модулятора 8, встановлений між компресійною камерою 2 і вакуумною камерою 3 таким чином, що в статичному стані отвори, які з'єднують компресійну камеру та вакуумну камеру із зоною формування звукових коливань закриті. Сервопривід у вигляді дросель-модулятора є виконавчим пристроєм, в основі роботи якого лежить один з відомих способів перетворення електричного сигналу у механічне переміщення, прикріплених до нього виконавчих елементів - заслінок, його може бути виконано з використанням будь яких відомих пристроїв, що зможуть забезпечити швидкісне управління заслінками подаванням на них корисного електричного сигналу. Серед виготовлених заявником різних форм виконання пристрою відповідної корисної моделі оптимальні результати показали електродинамічні дросель-модулятори зі зворотно-обертальним та зворотно-поступальним переміщенням робочих органів. У пристрої, відповідно до корисної моделі, спосіб формування звукових коливань реалізується наступним чином: При подачі на дросель-модулятор 8 корисного електричного сигналу, його виконавчий елемент створює зазор між компресійною камерою 2 і зоною формування звукових коливань 7, який змінюється відповідно до форми сигналу, або створює зазор між вакуумною камерою 2 і зоною формування звукових коливань, який змінюється відповідно до форми сигналу, створюючи почергово відповідні корисному сигналу потоки газу з компресійної камери 2 в зону формування звукових коливань 7 та із зони формування звукових коливань 7 у вакуумну камеру 3. При цьому наростаючий фронт електричного сигналу відкриває заслінку отвору компресійної камери, а заслінка отвору у вакуумну камеру залишається закритою. При подачі спадаючого фронту сигналу відкривається заслінка отвору вакуумної камери, а заслінка компресійної камери залишається закритою. Виникаючі у такому порядку потоки газу в зоні формування звукових коливань власне і формують звукові коливання. На фігурі 1 напрямки потоків повітря в компресійній камері 2, у вакуумній камері 3, а також в зоні формування звукових коливань 7 схематично позначені стрілками. Таким чином, на відміну від відомого рівня техніки, згідно з яким вихідний і спадаючий фронти звукового коливання формуються одним потоком газу, відповідно до корисної моделі, звукові коливання формуються двома протилежно направленими потоками газу, що дозволяє значно збільшити звуковий тиск при однакових енергозатратахпорівняно зі способами відомими з рівня техніки та традиційними мембранними пристроями для відтворення звуку. Для подальшого покращення якості сформованих коливань параметри поверхонь, що створюють зону формування звукових коливань 7, можуть бути вибрані таким чином, що вони додатково виконують функцію смугового фільтра в діапазоні заданих для відтворення звукових частот. 2 UA 87611 U 5 10 15 Для усунення паразитних шумів пристрою, обумовлених рухом потоків повітря та шумом компресорів в пристрої може бути передбачено встановлення засобів шумопоглинання. Наприклад впускну лабіринтну шумопоглинальну камеру 9, на вході компресійної камери 2, випускну лабіринтну шумопоглинальну камеру 10 на виході вакуумної камери 3, а на поверхнях камер та зони утворення звукових коливань може бути встановлено шумопоглинальний матеріал, або відповідні елементи конструкції пристрою виконуються з шумопоглинального матеріалу. Винахідником було проведено дослідження та виготовлено декілька варіантів виконання пристрою для формування звукових коливань із використанням двох потоків газу, які через отвори подаються в зону формування звукових коливань з використанням різних типів сервоприводу заслінок. Найбільш ефективними виявились пристрої з сервоприводом у вигляді електродинамічного дросель-модулятора з закріпленими на ньому заслінками. Було також проведено порівняльний аналіз енергоефективності пристрою та сучасних класичних електродинамічних систем для відтворення звуку різних виробників (усереднені параметри) при відтворенні ними низькочастотних звукових коливань від 20 до 100 Герц на різних параметрах гучності, який зведено у таблицю. Таблиця Порівняння параметрів відомих акустичних систем із пристроєм за корисною моделлю при відтворенні звукових коливань від 20 до 100 Герц та звуковому тиску від 80 до 140 [дБ] Звуковий тиск SPL, [ДБ] 80 Споживання електроенергії системи підсилювач~100 гучномовець традиційного мембранного типу, Вт Споживання електроенергії пристрою за корисною 620 моделлю, Вт Вага системи традиційного мембранного типу з 90-100 підсилювачем класу "D", кг Вага пристрою за корисною моделлю, кг 25 20 25 30 35 40 45 100 120 140 310 1500 4600 630 650 700 90-100 90-100 90-100 25 25 25 Дані зазначені в таблиці показують, що енергозатрати для створення потужних низькочастотних звукових коливань пристрою за корисною моделлю значно нижчі ніж енергозатрати, необхідні для створення аналогічних звукових коливань відомих пристроїв для відтворення звуку мембранного типу. При цьому вага пристрою за корисною моделлю залишається суттєво меншою від ваги відомих пристроїв. Численні досліди підтверджують, що пристрій за корисною моделлю може формувати звукові коливання низької частоти зі звуковим тиском навіть 150 дБ і більше, що фактично неможливо виконати за допомогою відомих пристроїв мембранного типу. Приклад виконання пристрою наступний. Пристрій містить корпус 1 (фіг. 2), який виконано роз'ємним з двох частин: частини А, в якій утворено зону формування звукових коливань 7 (фіг. 3) та розміщено електронні пристрої формування корисного сигналу, та частини В, в якій встановлено компресори 5, 6 відповідно вакуумної та компресійної камер (фіг. 5) і дросель-модулятор 8 (фіг. 4, 7). Після встановлення на місце дросель-модулятора, його порожнини +Р та -Р (фіг. 8, 9) герметизуються, які показані відкритими на фіг. 6, відповідно із компресійною камеру 2 та вакуумною камеру 3. Дросель-модулятор електромагнітного типу містить магнітну систему 12 та рухомі циліндричні заслінки 13, 14 (фіг. 8) з можливістю осьового переміщення до 12мм, відносно середньої точки. Разом з центруючими шайбами 15, 16 (фіг. 8), закріпленою рухомою електричною котушкою та засобами кріплення утворюється єдиний вузол дросель-модулятора. При відсутності корисного сигналу на котушці дроселя-модулятора заслінки компресійної та вакуумної камер залишаються закритими. Компресори створюють та підтримують відповідно тиск повітря в компресійній камері та розрідження у вакуумній камері. В разі подачі корисного сигналу зі зростаючим фронтом на котушку дросель-модулятора магнітні поля котушки та магнітної системи взаємодіють таким чином, що відкривається заслінка компресійної камери 14, як показано на фіг. 8, а вакуумна камера залишається закритою. З моменту переходу сигналу в фазу зі спадаючим фронтом магнітне поле котушки змінюється таким чином, що при його взаємодії з магнітною системою заслінка компресійної камери закривається, а заслінка вакуумної камери 13 відкривається, як показано на фіг. 7.Ступінь відкриття заслінок чітко відповідає формі корисного сигналу. 3 UA 87611 U 5 Таким почерговим переміщенням заслінок створюються потоки повітря в зону формування звукових коливань та відповідно із зони формування звукових коливань пропорційні ступеню відкриття заслінок, а отже потенційна енергія стисненого та розрідженого в відповідних камерах повітря перетворюється в кінетичну енергію звукових коливань низької частоти. Пристрій для здійснення заявленого способу може бути виконаним в інших варіантах, наприклад при застосуванні радіального переміщення заслінок дросель-модулятора. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Спосіб формування звукових коливань шляхом пропускання газу від джерела з тиском, вищим від атмосферного через отвір, який динамічно змінюється, в зону формування звукових коливань, який відрізняється тим, що додатково здійснюють відсмоктування газу через отвір, що динамічно змінюється, із зони формування звукових коливань, при цьому динамічне регулювання потоками газу через отвори здійснюють заслінками, що управляються таким чином, що зростаючий фронт хвилі звукових коливань формується потоком газу, що подається в зону формування звукових коливань, а спадаючий фронт хвилі звукових коливань формується потоком газу, що відсмоктується, із зони формування звукових коливань. 2. Спосіб формування звукових коливань за п. 1, який відрізняється тим, що в зоні формування звукових коливань водночас здійснюють смугову акустичну фільтрацію відтворених звукових коливань. 3. Спосіб формування звукових коливань за п. 1, який відрізняється тим, що динамічне управління потоками газу через отвори здійснюють дросель-модулятором. 4 UA 87611 U 5 UA 87611 U 6 UA 87611 U 7 UA 87611 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8