PL173290B1 - Układ kształtujący charakterystyki robocze elektromagnetycznego przetwornika akustycznego i elektromagnetyczny przetwornik akustyczny - Google Patents

Abstract

. Układ kształtujący charakterystyki robocze elektromagnetycznego przetwornika akustycznego, zawierającego ruchomą membranę o podatności, która zmienia się w funkcji wychylenia; mechaniczny zespół zawieszeń membrany, napęd elektromagnetyczny podłączonydo membrany dla wywoływania jej przemieszczeńw reakcji na i w funkcjisygnałów przyłożonych do napędu, który to napęd elektromagnetyczny zawiera strukturę definiującą szczelinę roboczą, cewkę umieszczoną w polu magnetycznym w szczelinie i podłączoną elektrycznie tak, aby odbierała sygnały elektryczne i mechanicznie zamocowaną do membrany, poruszającą się obustronnie wzdłuż ogólnie prostej linii w szczelinie roboczej w reakcji na wspomniane sygnały w celuwywołania przemieszczeń membranyw reakcji na iw funkcji sygnałów przyłożonych do cewki; znamienny tym, ze ma strukturę definiującą impedancję sprzęgającą napędu wzrastającą w funkcjiwielkości przemieszczenia cewki zjej położenia spoczynkowego. 8. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny zawierający ruchomą membranę o podatności, która zmienia się w funkcji wychylenia; mechaniczny zespół zawieszeń membrany, napęd elektromagnetycznypodłączony do membrany dla wywoływania jej przemieszczeń w reakcji na i w funkcji sygnałów przyłożonych do napędu, który to napęd elektromagnetyczny zawiera strukturę definiującą szczelinę roboczą, cewkę umieszczoną w polu magnetycznym w szczelinie roboczej i podłączoną elektrycznie tak, aby odbierała sygnały elektryczne i mechanicznie zamocowaną do membrany,. przy czym jej koniec znajdujący się najbliżej wspomnianego biegunajestwjednakowej od megoodległości iwraz z przeciwległą powierzchnią bieguna środkowego definiuje szczelinę roboczą, znamienny tym, ze przynajmniej jedna z przeciwległych powierzchni definiujących szczelinę roboczą j'est ogólnie wklęsła

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ kształtujący charakterystyki robocze elektromagnetycznego przetwornika akustycznego i elektromagnetyczny przetwornik akustyczny, taki jak głośnik lub mikrofon dynamiczny oparty na tym układzie.

Akustyczne przetworniki elektrodynamiczne, takie jak głośniki lub mikrofony dynamiczne, są stosowane do przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczną lub odwrotnie. Układy te działają w oparciu o oddziaływanie prądu płynącego w przewodniku z polem magnetycznym, w którym jest on umieszczony. Silne pole magnetyczne uzyskuje się najczęściej w wąskiej szczelinie obwodu magnetycznego, zawierającego magnes stały. Oddziaływanie prądu płynącego przez przewodnik nawinięty w formie cewki, umieszczonej w szczelinie wytwarza siłę o wartości zależnej od indukcji pola magnetycznego,

173 290 natężenia prądu i długości przewodu cewki objętego działaniem pola. Cewka porusza zamocowaną do niej mechanicznie i mogącą się przemieszczać membranę, wywołując jej wibracje i wytwarzanie dźwięku.

W typowym akustycznym przetworniku elektrodynamicznym, przykładowo głośniku dynamicznym, przewód nawinięty jest w formie cewki, połączonej mechanicznie z membraną. Układ ten jest najczęściej połączony z koszem głośnika przy pomocy dwóch giętkich zawieszeń: umieszczonego w pobliżu szczeliny obwodu magnetycznego zawieszenia cewki i zawieszenia membrany, usytuowanego na zewnętrznym jej obwodzie. Prąd zmienny przepływający przez cewkę głośnika oddziaływuje z polem magnetycznym w szczelinie i sprawia, że układ cewka - membrana oscyluje mechanicznie.

Jeżeli prąd o natężeniu i płynie przez przewodnik o długości I, umieszczony w polu magnetycznym o indukcji B skierowanym do niego prostopadle, wówczas na przewodnik działa siła F:

F = Bil .

(1)

Jeżeli przetwornik stosowany jest jako mikrofon lub podobne urządzenie, siła zewnętrzna działająca na membranę wywołuje ruch cewki w szczelinie wytwarzając w niej sygnał elektryczny. Jeżeli przewodnik o długości I porusza się w polu magnetycznym z prędkością v, wówczas indukuje się w nim siła elektromotoryczna V o wartości:

V = Blv .

(2)

Taki sam w obydwu wypadkach stosunek wielkości fizycznych (F lub V) będących skutkami do wielkości fizycznych (i lub v) będących ich przyczyną opisuje natężenie oddziaływania elektromechanicznego ^_m i nosi nazwę impedancji sprzęgającej przetwornika elektrodynamicznego:

Z = ^em i

(3)

Z równań (1) i (3) wynika, że siła działająca na cewkę jest proporcjonalna do impedancji sprzęgającej Zem i prądu i, który jest z kolei proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny do impedancji cewki. Ruch cewki w szczelinie jest tłumiony w wyniku indukowania się w cewce prądu przeciwstawiającego się jej ruchowi. Tłumienie magnetyczne jest także funkcją impedancji sprzęgającej.

W typowych konstrukcjach przetworników elektrodynamicznych impedancja sprzęgająca osiąga maksimum w położeniu spoczynkowym cewki i maleje w miarę wychylenia x z położenia równowagi. Dotyczy to także tłumienia magnetycznego. Z tego powodu, dla sygnałów o dużej mocy w zakresie niskich częstotliwości, gdy wychylenia cewki są największe, zmniejszone tłumienie magnetyczne prowadzi do krótkotrwałych zniekształceń.

173 290

Siła mechaniczna F działająca na cewkę przetwornika jest także funkcją podatności Cm układu zawieszeń i wychylenia cewki x:

^F = Cm · (4)

Tak więc wychylenie i cewki głośnikowej z położenia równowagi i wywołane przez nie wychylenie membrany głośnika jest związane z prądem i płynącym przez cewkę, zgodnie z równaniem:

ⁿ (5)

W przypadku mikrofonu, Ze_m/Cm jest współczynnikiem proporcjonalności pomiędzy wielkością wyjściową V i wielkością wejściową v.

W czasie przekształcania energii elektrycznej na mechaniczną lub odwrotnie powstają różnego typu zniekształcenia. Sygnał wyjściowy przetwornika, przykładowo akustyczny sygnał wyjściowy głośnika, może być zniekształconą wersją sygnału wejściowego. Na przykład, podatność membrany i jej zawieszeń może zmieniać się nieliniowo w funkcji wychylenia. Jedna z metod korygowania takich zniekształceń polega na kontrolowaniu charakterystyk membrany tak, aby uzyskać lepszą odpowiedniość pomiędzy informacją zawartą w sygnale elektrycznym a odpowiadającymi jej zmianami energii mechanicznej lub akustycznej.

Jedną z przyczyn zniekształceń nieliniowych przetwornika jest nieliniowość podatności zawieszeń membrany i cewki. Podatność zawieszeń cewki i membrany jest w przybliżeniu stała jedynie w ograniczonym zakresie wychyleń. Gdy wielkość wychylenia wzrasta, siła wzrasta znacznie szybciej niż wychylenie. Przyjmuje się, że zależność pomiędzy siłą F a wychyleniem i jest funkcją trzeciej potęgi wychylenia:

F = ki + , (6) gdzie ki i k/ są stałymi. Oznacza to, że podatność zawieszeń jest kwadratową funkcją wychylenia:

C ⁼ 1 3K2 · (7)

Rozkład indukcji pola magnetycznego w szczelinie obwodu magnetycznego przetwornika przyczynia się także do powstawania zniekształceń. Dla typowo wykonanego przetwornika indukcja magnetyczna jest maksymalna w środku szczeliny i maleje przy oddalaniu się w kierunku jej brzegów. Tak więc, impedancja sprzęgająca przetwornika jest wielkością zależną od wychylenia cewki z położenia równowagi.

173 290

Poprzednie wysiłki mające na celu skorygowanie tych niekorzystnych charakterystyk obejmowały zwiększanie liniowości podatności membrany i zawieszeń oraz modyfikowanie oddziaływania cewki ze strumieniem magnetycznym, tak aby zminimalizować nieliniowe zmiany impedancji sprzęgającej w funkcji wychylenia cewki.

Takie wysiłki zwrócone były jednak w kierunku prób uzyskania cząstkowej poprawy indywidualnych charakterystyk różnych części takiego przetwornika. Ulepszone charakterystyki robocze i liniowość przetwornika mogłyby być także uzyskane poprzez skierowanie uwagi na łączne charakterystyki tych części i poprzez usiłowanie otrzymania takich charakterystyk poszczególnych części, które łącznie polepszałyby liniowość.

Inne usiłowania zmierzające do poprawy jakości głośników koncentrowały się na technikach zwiększania tłumienia magnetycznego w przypadku dużych wychyleń cewki. Dla przykładu, w patencie US 4 160 133 poprawa tłumienia jest osiągana poprzez dodanie dodatkowych zwartych pierścieni przewodzących na początku i końcu cewki. Inny sposób poprawy tłumienia wskazany jest w patencie US 3 193 927.

Jeszcze innym sposobem zwiększania tłumienia jest stosowanie ferrofluidu, umieszczonego w szczelinie magnetycznej.

Własności tłumieniowe przetwornika wynikają z równania ruchu cewka - membrana:

[ία +

Z² +) em+'

V + C_m(x) = (8) gdzie:

x a

M

Z² em

R_e

Cm v\y<chylenie cewki z położenia rónowagi;

prędkość cewki;

przyspieszenie ce^^ici;

miasa poruszającego się układu (memibrany. karkasu i cewki);

suma mechanicznej oporności strat zawieszeń cewki i membrany oraz akustycznej oporności promieniowania membrany;

oporność mechaniczna indukowana przez ruchowe sprz^zeż^^ zwrotne;

suma oporność i elektryczne. cewki przetwornika i źródła sterującego;

imipedancja sprzęgająca przetwornika jako funkcja przemieszczenia;

oyppadkowa podatność zawieszeń cewki i membrany;

natęże^e prądu w cewce.

173 290

Współczynnik tłumienia D opisujący tłumienie ruchu cewki wraz z membraną jest wielkością zależną od impedancji sprzęgającej przetwornika, a więc w konsekwencji od amplitudy wychylenia przetwornika z położenia równowagi:

R.

(9)

Wzrost tłumienia w funkcji wychylenia polepszyłby odpowiedź przetwornika na sygnały dużej mocy w zakresie niskich częstotliwości, gdy wychylenia są największe. Zwiększające się wraz z wychyleniem tłumienie poprawiłoby także zachowanie się przetwornika w wyniku tłumienia wzrastających gwałtownie w rezonansie wychyleń cewki i poszerzenia przez to krzywej rezonansowej.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że układ kształtujący charakterystyki robocze elektromagnetycznego przetwornika elektroakustycznego ma strukturę definiującą impedancję sprzęgającą napędu, wzrastającą w funkcji wielkości przemieszczenia cewki z jej położenia spoczynkowego.

Zmiany stosunku zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego są zminimalizowane w zakresie roboczym wychyleń membrany.

Stosunek zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego jest zasadniczo stały w zakresie roboczym wychyleń membrany.

Stosunek zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego ma najniższą wartość w położeniu spoczynkowym cewki.

Stosunek zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego wzrasta w funkcji przemieszczenia w zakresie roboczym wychyleń membrany.

Indukcja magnetyczna w szczelinie zmienia się wzdłuż jej długości i jest minimalna w położeniu pośrednim wzdłuż jej długości, odpowiadającym położeniu spoczynkowemu cewki i wzrasta w funkcji odległości od tamtego położenia.

Indukcja magnetyczna jest największa w pobliżu krawędzi szczeliny roboczej.

Układ według wynalazku wykorzystuje nieliniowe charakterystyki zawieszenia, cewki i membrany, aby wytworzyć sygnały wyjściowe będące ulepszoną, liniową odpowiedzią na sygnały wejściowe. Układ elektromagnetyczny przetwornika akustycznego urzeczywistniający obecny wynalazek może zawierać membranę i zawieszenie, którego podatność zmienia się w sposób nieliniowy w funkcji wychylenia cewki, w połączeniu z innymi częściami, zawierającymi charakterystyki komplementarne. W takim przetworniku, zgodnie z wynalazkiem, zredukowane są chwilowe zniekształcenia sygnałów wejściowych o dużej mocy w zakresie niskich częstotliwości i tłumione są niepożądane rezonanse własne. Efekty te można uzyskać poprzez zminimalizowanie w stopniu, w jakim jest to możliwe, zmiany stosunku impedancji sprzęgającej do podatności układu membrana - zawieszenia, w zakresie roboczym przemieszczeń cewki głośnikowej w magnetycznej szczelinie roboczej.

Tak więc, zgodnie z wynalazkiem przetwornik charakteryzuje się ogólnie ulepszoną liniowością odpowiedzi. W takim przetworniku charakterystyki elektromagnetyczne mogą być nieliniowe i komplementarne w stosunku do nieliniowych charakterystyk membrany i zawieszeń w funkcji przemieszczenia, tak aby zminimalizować w pożądany sposób zmiany wspomnianego stosunku.

173 290

Pożądane jest, aby stosunek ten pozostawał stały w stopniu, w jakim jest to możliwe do uzyskania w zakresie przemieszczeń cewki głośnikowej w szczelinie roboczej. Tak więc:

(10) gdzie K jest stałą.

W strukturze urzeczywistniającej obecny wynalazek, pożądane nieliniowe charakterystyki mogą być uzyskane poprzez dopasowanie długości cewki głośnikowej w stosunku do długości szczeliny roboczej w połączeniu z ukształtowaniem szczeliny tak, aby wytworzyć pole o maksymalnej indukcji w pobliżu krawędzi szczeliny i indukcji malejącej w funkcji odległości od krawędzi. Istotne jest to, że minimalna indukcja pola występuje w płaszczyźnie symetrii szczeliny odpowiadającej spoczynkowemu położeniu cewki. Strukturę taką można uzyskać poprzez użycie cewki mającej długość krótszą niż długość szczeliny roboczej i zmieniając geometryczną konfigurację szczeliny.

Tak więc, zgodnie z jednym z aspektów wynalazku, przedstawiona konfiguracja przetwornika daje w wyniku zmiany impedancji sprzęgającej, które są odwrotne w stosunku do jej zmian w typowym przetworniku. Efektywna impedancja sprzęgająca jest najniższa w spoczynkowym położeniu cewki głośnikowej i wzrasta z wychyleniem cewki od położenia równowagi. W efekcie tłumienie magnetyczne wzrasta z przemieszczeniem cewki.

Podczas gdy zniekształcenia wzrastają w funkcji nieliniowości zawieszeń, tłumienie magnetyczne zmieniające się w funkcji wychylenia cewki nie zniekształca sygnału wyjściowego. Jednakże, jeśli jest to pożądane, poprzez dobór krzywizny szczeliny można kontrolować tłumienie magnetyczne, np. wytwarzać tłumienie stałe w szerokim zakresie przemieszczeń cewki lub wytwarzać tłumienie wzrastające wraz z wychyleniem w kierunku krawędzi szczeliny. Wzrost impedancji sprzęgającej w funkcji przemieszczenia, zgodnie z wynalazkiem, daje w wyniku wzrost tłumienia, które jest kwadratową funkcją impedancji sprzęgającej (patrz równanie 9 powyżej). Tak więc przemieszczenie cewki w rezonansie własnym, które w przeciwnym razie wzrastałoby, jest efektywnie ograniczone i krzywa rezonansowa poszerza się.

Współczynnik dobroci rezonansu Q_m jest odwrotnie proporcjonalny do średniej wartości współczynnika tłumienia D, który jest funkcją przemieszczenia.

— J gdzie:

£ζ((χ) = średnia wartość podatności w ciągu jednego okresu;

D = średnia wartość członu tłumiącego w ciągu jednego okresu.

Dlatego rezonanse własne mogą być efektywnie tłumione w wyniku wzrostu tłumienia magnetycznego, które zmienia się z drugą potęgą impedancji sprzęgającej przetwornika. Tak więc współczynnik dobroci Q_m maleje ze wzrostem amplitudy

173 290 przemieszczeń cewki. W efekcie rezonans układu cewka głośnikowa - membrana w przetworniku zawierającym wynalazek jest szerszy i co się z tym wiąże, ma mniejszą amplitudę w porównaniu do głośnika reprezentującego dotychczasowy stan techniki.

Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według wynalazku zawiera ruchomą membranę o podatności, która zmienia się w funkcji przemieszczenia, zespół zawieszeń mechanicznych membrany i napęd elektromagnetyczny zamocowany do membrany dla wywoływania jej przemieszczeń w reakcji na i w funkcji sygnałów przyłożonych do napędu. Napęd elektromagnetyczny zawiera strukturę definiującą szczelinę roboczą i cewkę umieszczoną w polu magnetycznym w szczelinie roboczej. Cewka jest podłączona elektrycznie, aby odbierała sygnały i jest mechanicznie zamocowana do membrany. Cewka porusza się obustronnie wzdłuż ogólnie prostej linii w szczelinie roboczej w reakcji na wspomniane sygnały, w celu wywołania przemieszczeń membrany w reakcji na i w funkcji sygnałów przyłożonych do cewki. Struktura definiująca szczelinę roboczą zawiera ogólnie pierścieniowy magnes trwały umieszczony na płycie jarzma, biegun środkowy przechodzący przez otwór magnesu, płytę górną będącą w kontakcie ze wskazanym magnesem i ułożoną do niego równolegle i rozciągającą się w kierunku wspomnianego bieguna środkowego, przy czym jej koniec znajdujący się najbliżej bieguna jest w jednakowej od niego odległości. Przeciwległe powierzchnie bieguna środkowego i płyty górnej definiują szczelinę z przynajmniej jedną z przeciwległych powierzchni skonfigurowaną tak, aby szczelina posiadała profil, w którym szerokość szczeliny jest najwęższa w pobliżu jej krawędzi.

Istota rozwiązania elektromagnetycznego przetwornika akustycznego według wynalazku polega na tym, że przynajmniej jedna z przeciwległych powierzchni definiujących szczelinę roboczą jest ogólnie wklęsła.

Przynajmniej jedna z ogólnie wklęsłych powierzchni definiujących szczelinę może być zakrzywiona.

Przynajmniej jedna z ogólnie wklęsłych powierzchni definiujących szczelinę może zawierać nieciągłości. ,

Obydwie wspomniane powierzchnie definiujące szczelinę mogą być ogólnie wklęsłe.

W kolejnych wariantach przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest ogólnie eliptyczna, przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest ogólnie paraboliczna, przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest ogólnie kołowa, przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest utworzona przez parę wypukłych parabolicznych segmentów przecinających się w wierzchołku pomiędzy końcami szczeliny, przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni zawiera nieciągłości.

Obydwie wspomniane powierzchnie definiujące szczelinę mogą być ogólnie zakrzywione.

Długość szczeliny roboczej jest większa niż długość cewki.

Szerokość szczeliny roboczej zmienia się w funkcji odległości od położenia spoczynkowego cewki.

Szerokość szczeliny roboczej jest największa w położeniu spoczynkowym cewki.

Szerokość szczeliny roboczej jest najmniejsza na krawędziach szczeliny roboczej.

Poprzeczne wymiary szczeliny roboczej zmieniają się od maksimum w położeniu pośrednim wzdłuż jej długości, które odpowiada położeniu spoczynkowemu cewki, do minimum w pobliżu krawędzi szczeliny roboczej.

Mogą być skonstruowane inne jeszcze struktury obwodu magnetycznego, wytwarzające efektywnie pole magnetyczne o najmniejszej indukcji w płaszczyźnie symetrii szczeliny lub położeniu spoczynkowym cewki i o maksymalnej indukcji w pobliżu krawędzi szczeliny odpowiadającym największym wychyleniom cewki i zamocowanej do niej membrany, redukujące przez to zniekształcenia i polepszające charakterystyki przetwornika.

Rozwiązanie według wynalazku objaśnione jest na rysunkach, na których poszczególne figury przedstawiają:

173 290 figura 1 - przedstawia schematycznie reprezentatywny, elektromagnetyczny przetwornik akustyczny w formie głośnika z ruchomą cewką;

figura 2 - przedstawia w sposób schematyczny widok części magnetycznej głośnika przedstawionego na fig. 1;

figura 3 - przedstawia w sposób schematyczny część elektroakustyczną głośnika przedstawionego na fig. 1;

figura 4 - przedstawia w sposób schematyczny elektromagnetyczny przetwornik akustyczny w formie głośnika z ruchomą cewką, zawierający rozwiązanie według wynalazku;

figura 5 - przedstawia w sposób schematyczny część magnetyczną głośnika przedstawionego na fig. 4;

figura 6 - przedstawia w sposób schematyczny część elektroakustyczną głośnika pokazanego na fig. 4;

figury 7, 8 i 9 - przedstawiają różne, alternatywne ukształtowania części magnetycznej przetwornika elektroakustycznego, zawierające rozwiązanie według wynalazku;

figura 10 - przedstawia graficzne reprezentacje dodatkowych, alternatywnych konfiguracji części magnetycznej przetwornika akustycznego zawierających rozwiązanie według wynalazku (a-g);

figura 11 - przedstawia przekrój ukazujący strukturę części elektromagnetycznej istniejącego przykładowego głośnika z ruchomą cewką;

figura 12 - przedstawia w powiększeniu fragment głośnika oznaczony literą A na fig. 11;

figura 13 - przedstawia w powiększeniu fragment, podobny do przedstawionego na fig. 12, z wydłużoną szczeliną;

figura 14 - przedstawia w powiększeniu fragment, podobny do przedstawionego na fig. 13, pokazujący wydłużoną szczelinę i realizację struktury zawierającej rozwiązanie według wynalazku;

figura 15 - przedstawia przekrój ukazujący strukturę części elektromagnetycznej innego istniejącego, przykładowego głośnika z ruchomą cewką;

figura 16 - przedstawia w powiększeniu fragment głośnika oznaczony literą B na fig. 15;

figura 17 - przedstawia w powiększeniu fragment, podobny do fragmentu z fig. 16, pokazujący inny przykład struktury zawierającej rozwiązanie według wynalazku;

figura 18 - jest wykresem przedstawiającym charakterystykę przenoszenia istniejącego typu głośnika, takiego jak pokazany na fig. 11 i fig. 12 oraz zmodyfikowanego głośnika zawierającego rozwiązanie według wynalazku, takiego jak pokazany na fig. 14; figura 19 - jest wykresem charakterystyki przenoszenia istniejącego typu głośnika z ferrofluidem, takiego jak pokazany na fig. 11 i fig. 12 oraz zmodyfikowanego głośnika zawierającego rozwiązanie według wynalazku, takiego jak pokazany na fig. 14;

figura 20 i figura 21 - są wykresami spektrum mocy głośników, pokazanych odpowiednio na fig. 11 i fig. 12 oraz fig. 14, ilustrującymi redukcję zniekształceń nieliniowych, wytwarzanych przez głośnik zawierający rozwiązanie według wynalazku;

figura 22 - jest wykresem charakterystyki przenoszenia istniejącego głośnika, takiego jak pokazany na fig. 15 i fig. 16 oraz zmodyfikowanego głośnika zawierającego rozwiązanie według wynalazku, takiego jak pokazany na fig. 17;

Podczas gdy wynalazek ten może być zrealizowany na wiele różnych sposobów, na rysunkach pokazano i omówiono poniżej jego specyficzne realizacje przyjmując, że obecne wyjawienie należy rozumieć jako egzemplifikację zasad wynalazku i że nie ogranicza ono wynalazku do żadnych specyficznych przykładów przytoczonych dla jego ilustracji.

Zgodnie z wynalazkiem wyjawiony jest układ kształtujący charakterystyki robocze elektromagnetycznego przetwornika akustycznego. Przetwornik ten jest opisany na przykładzie głośnika elektromagnetycznego z ruchomą cewką, która to cewka znajduje się

173 290 w szczelinie roboczej uformowanej w obwodzie magnetycznym z magnesem trwałym. Cewka jest przymocowana do membrany.W reakcji na sygnał podawany na cewkę porusza się ona w wyniku oddziaływania prądu płynącego przez przewód cewki z polem magnetycznym. Zamocowana do cewki membrana jest przemieszczana lub wprawiana w ruch wibracyjny zgodnie z podawanym sygnałem w celu wytworzenia sygnału akustycznego.

Brane są pod uwagę odmiany tej struktury, takie na przykład jak mikrofon, w którym źródłem jest sygnał akustyczny, który pada na membranę połączoną z cewką, aby wytworzyć sygnał elektryczny w cewce, która jest podłączana do obwodu elektronicznego.

Jednym z przykładów głośnika z ruchomą cewką typu, w którym możliwe jest zastosowanie wynalazku, jest konstrukcja pokazana na fig. 1 do 3. Zawiera ona zwykle pierścieniową, rozszerzającą się na zewnątrz membranę 10. Zewnętrzna krawędź membrany 10 jest zamocowana do i podtrzymywana przez kosz 12 za pośrednictwem elastycznego zawieszenia 14. Wewnętrzna krawędź membrany 10 jest przymocowana do i podtrzymywana przez kosz 12 za pośrednictwem wewnętrznego zawieszenia 16. Wewnętrzne i zewnętrzne zawieszenia 14 i 16 utrzymują membranę 10 we właściwej pozycji w stosunku cewki głośnikowej 18.

Wewnętrzna krawędź membrany 10 jest zwykle ustawiona w szeregu z pierścieniową, osiową, magnetyczną szczeliną roboczą 20, utworzoną pomiędzy środkowym biegunem magnetycznym 22 opartym na jarzmie 23 i otaczającą go płytą górną 24 obwodu magnetycznego 25, który zawiera pierścieniowy magnes trwały 26. Cewka głośnikowa 18 jest utrzymywana w szczelinie roboczej na karkasie 28 zamocowanym do membrany 10. Na wyposażeniu może znajdować się również pokrywa ochronna 29.

Prąd elektryczny reprezentujący sygnał dźwiękowy jest przyłożony do cewki 18. Prąd płynący przez cewkę 18 oddzialywuje ze strumieniem magnetycznym w szczelinie roboczej 20 i wywołuje wibracje oraz przemieszczenia cewki głośnikowej 18 i zamocowanej do niej membrany 10. Wibrująca membrana 10 wytwarza sygnał akustyczny.

Podatność membrany 10 nie zmienia się liniowo w funkcji przemieszczenia. Na ogół, im większe jest przemieszczenie, tym większe jest odstępstwo od liniowości. Akustyczny sygnał wyjściowy może być zniekształconą reprezentacją sygnału elektrycznego, jeśli membrana 10 nie drga w taki sposób, że wytwarza akustyczny sygnał wyjściowy, który dokładnie odpowiada sygnałowi przyłożonemu do cewki głośnika 20. Ponadto, rozkład strumienia magnetycznego w szczelinie roboczej 18 także przyczynia się do powstawania zniekształceń. Na ogół indukcja magnetyczna w typowej szczelinie roboczej o jednolitych wymiarach jest największa w środku i maleje w pobliżu krawędzi szczeliny.

Jednakże, zgodnie z wynalazkiem, konfiguracja podzespołu elektromagnetycznego zawierającego szczelinę roboczą i cewkę głośnikową jest ukształtowana tak, aby zwiększyć efektywną indukcję magnetyczną w pobliżu krawędzi szczeliny i zredukować efektywną indukcję magnetyczną w płaszczyźnie symetrii lub spoczynkowym położeniu cewki w szczelinie. Odziaływanie strumienia magnetycznego z prądem płynącym przez cewkę daje w wyniku impedancję sprzęgającą, która zmienia się nieliniowo w funkcji wychylenia cewki i w sposób, który jest komplementarny do zmian podatności zawieszeń membrany w funkcji wychylenia cewki głośnikowej. Efektem tych zmian, w zakresie uzyskanych wyników, jest poprawa liniowości i jakości wyjściowego sygnału dźwiękowego.

Jeden z przykładów przetwornika elektroakustycznego zawierającego wynalazek w formie głośnika z ruchomą cewką jest przedstawiony na fig. 4 do 6. Zawiera on zwykle pierścieniową, rozszerzającą się na zewnątrz membranę 110. Zewnętrzna krawędź membrany 110 jest zamocowana do i podtrzymywana przez kosz 112 za pośrednictwem elastycznego zawieszenia 114. Wewnętrzna krawędź membrany 110 jest przymocowana do i podtrzymywana przez kosz 112 za pośrednictwem wewnętrznego zawieszenia 116.

Wewnętrzna krawędź membrany 110 jest zwykle ustawiona w szeregu z pierścieniową, osiową, magnetyczną szczeliną roboczą 120 utworzoną pomiędzy środkowym,

173 290 opartym na jarzmie 123 biegunem magnetycznym 122 i otaczającą go płytą górną 124 obwodu magnetycznego 125, który zawiera pierścieniowy magnes trwały 126. Cewka głośnikowa 118 jest utrzymywana w szczelinie roboczej 120 na karkasie 128 zamocowanym do membrany 110. Na wyposażeniu może znajdować się również pokrywa ochronna 129.

Cewka głośnikowa 118 ma wymiar osiowy mniejszy niż wymiar osiowy szczeliny roboczej 120, utworzonej pomiędzy biegunem środkowym 122 i płytą górną 124. Co więcej, część powierzchniowa 122a bieguna środkowego 122 jest wklęsła. Tak więc, zgodnie z wynalazkiem, efektywna indukcja magnetyczna jest zmniejszona w miejscu, w którym jest zwykle największa i względna indukcja magnetyczna strumienia jest powiększona w pobliżu krawędzi szczeliny roboczej 120, gdzie gęstość strumienia jest zwykle najmniejsza.

Jak pokazano na fig. 7 do 9, taka konfiguracja szczeliny roboczej 120 może być uzyskana poprzez modyfikację płyty górnej 124 tak, jak pokazano w detalu 124a na fig. 7. Alternatywnie, taką konfigurację szczeliny roboczej 120 można uzyskać poprzez modyfikację bieguna środkowego 122 tak, jak pokazano w detalu 122a na fig. 8. Jeśli jest to pożądane, zarówno biegun środkowy 122 jak i płyta górna 124 mogą być ukształtowane w sposób pokazany w detalach 122a i 124a na fig. 9. Wybór konfiguracji zależy zarówno od wielkości i istoty pożądanych zmian jak i konfiguracji i charakterystyk cewki głośnikowej i nieliniowości zawieszeń.

Podczas gdy konfiguracje pokazane na fig. 4 do 6 i fig. 7 do 9 są zwykle jednorodnie wklęsłe, należy sobie zdawać sprawę, że do uzyskania pożądanych charakterystyk impedancji sprzęgającej, mogą być wykorzystane inne konfiguracje, jak to pokazano na fig. 10 (a)-(g). Takie konfiguracje, jak pokazano, mogą zawierać nieciągłości i inne zmiany. Jeśli nie jest to specjalnie zilustrowane należy uważać, że zarówno biegun środkowy jak i płyta górna nie muszą być równocześnie skonfigurowane, jak pokazano na przykład na fig. 9.

Na figurze 10(a), zarówno koniec 222a bieguna środkowego jak i koniec 224a płyty górnej mają konfigurację schodkową. O ile każdy ze stopni na fig. 10(a) ma kształt płaski, mogą być one również zakrzywione lub przybierać złożone kształty, z których jedne są zakrzywione a inne płaskie.

Na figurze 10(b) koniec 322a bieguna i koniec 324a płyty górnej są pokazane jako posiadające kształt wklęsły kołowo lub parabolicznie. Konfiguracje końca 422a bieguna środkowego i końca 424a płyty górnej, jak pokazano na fig. 10(c) są ogólnie trójkątne z dwoma prostymi ramionami łączącymi się w wierzchołku. Na fig. 10(d), koniec 522a bieguna środkowego i koniec 524a są przedstawione jako posiadające konfigurację eliptyczną. Konfiguracja skrzydlata końców 622a bieguna środkowego i końca 624a płyty górnej na fig. 10(e) jest ukształtowana przez parę wypukłych ramion parabolicznych, które przecinają się w wierzchołku. Konfiguracja trapezowa końca 722a bieguna środkowego i końca 724a płyty górnej, jest uformowana, jak to pokazano na fig. 10(f), przez dwa proste ramiona połączone wierzchołkami z płaską częścią środkową. Ostatni przykład pokazano na fig. 10(g), na którym koniec 822a bieguna środkowego i koniec 824a płyty górnej są ukształtowane za pomocą zakrzywionych odcinków łuków połączonych ze sobą końcami i połączonych w wierzchołku. Te różne kształty ilustrują rozmaitość konfiguracji fizycznych, które mogą być rozwinięte w celu wytworzenia przetwornika elektromechanicznego zawierającego rozwiązanie według wynalazku.

Figura 11 przedstawia strukturę części elektromagnetycznej głośnika średniotonowego firmy Visaton, a fig. 12 jest powiększeniem jej fragmentu oznaczonego na fig. 11 literą A. Głośnik ten zawiera typowe części włączając wewnętrzne, giętkie zawieszenie 30 zamocowane do membrany głośnika o kształcie kopułki 48. Zawieszenie 30 jest także zamocowane do karkasu 32 utrzymującego cewkę głośnikową 34 w pierścieniowej, osiowej powietrznej szczelinie roboczej 36 utworzonej pomiędzy biegunem środkowym 38 opartym na jarzmie 40 i otaczającą go płytą

173 290 górną 42 obwodu magnetycznego 44, który zawiera pierścieniowy magnes trwały 46. Kopułka znajduje się nad biegunem środkowym. Na obwód magnetyczny może być założona plastikowa pokrywa 50.

Ulepszone charakterystyki robocze mogą być uzyskane zgodnie z wynalazkiem poprzez skonfigurowanie cewki głośnikowej i szczeliny tak, aby uzyskać pożądane komplementarne charakterystyki impedancji sprzęgającej. Podczas gdy rozmiary i konfiguracja szczeliny roboczej 36 i powstające w wyniku oddziaływanie strumienia magnetycznego z cewką głośnikową 34 mogą być modyfikowane poprzez wydłużenie powierzchni bieguna środkowego i płyty górnej 42, jak pokazano na fig. 13, pożytki z wynalazku uzyskano poprzez paraboliczne wyprofilowanie bieguna środkowego 38a definiując szczelinę 36a pokazaną na fig. 14.

Podczas gdy długości szczelin roboczych w strukturach pokazanych na fig. 13 i fig. 14 są w przybliżeniu takie same, konfiguracje są różne. W strukturze z fig. 13 impedancja sprzęgająca jest największa w położeniu spoczynkowym cewki i maleje wraz z przemieszczeniem cewki od jej położenia spoczynkowego. W strukturze zawierającej wynalazek, zilustrowanej na fig. 14, impedancja sprzęgająca jest najniższa w położeniu spoczynkowym cewki i wzrasta wraz z przemieszczeniem cewki od położenia spoczynkowego. Ruch cewki przy wysokiej mocy sygnału wejściowego i niskich częstotliwościach pokazuje, że struktura skonfigurowana bez profilowania szczeliny, taka jak pokazana na fig. 13 ma zauważalnie gołym okiem większą amplitudą oscylacji kopułki niż struktura wynalazku z wyprofilowaną szczeliną, taka jak pokazana na fig. 14.

Figura 18 pokazuje ulepszone charakterystyki częstotliwościowe głośnika skonstruowanego tak, jak pokazano na fig. 14 w porównaniu z głośnikiem skonstruowanym tak, jak pokazano na fig. 11 i fig. 12. Fig. 19 pokazuje ulepszone charakterystyki częstotliwościowe głośnika skonstruowanego tak, jak pokazano na fig. 14 w porównaniu z głośnikiem z ferrofluidem skonstruowanym tak, jak pokazano na fig. 11 i fig. 12. Poszerzenie pasma przenoszenia od strony niskich częstotliwości przez głośnik skonstruowany tak, jak pokazano na fig. 14 jest pośrednim dowodem linearyzacji struktury według wynalazku przy niskich częstotliwościach.

Figura 20 i figura 21 pokazują spektra mocy głośników pokazanych na fig. 11, fig. 12 i fig. 14, ilustrując redukcję zniekształceń nieliniowych przez głośnik zawierający rozwiązanie według wynalazku.

Figura 15 i figura 16 pokazują strukturę części elektromagnetycznej głośnika wysokotonowego firmy Tonsil. Głośnik ten zawiera typowe części, włączając cewkę głośnikową 54 na karkasie 52 w pierścieniowej, osiowej magnetycznej szczelinie roboczej 56 utworzonej pomiędzy centralnym biegunem 58 spoczywającym na jarzmie 60 i otaczającą go płytą górną 62 obwodu magnetycznego 64, który zawiera pierścieniowy magnes trwały 66. Nad biegunem centralnym znajduje się membrana o kształcie kopułki 68.

Ulepszone charakterystyki robocze mogą być uzyskane zgodnie z wynalazkiem poprzez ukształtowanie cewki i szczeliny roboczej tak, aby wykazywały pożądane charakterystyki komplementarne. Fig. 17 przedstawia fragment struktury podobny do oznaczonego literą B na fig. 15, w którym nie tylko cewka 154 jest krótsza niż osiowy wymiar szczeliny 156, ale dodatkowo konfiguracja szczeliny 156 i wynikowe oddziaływanie strumienia magnetycznego z cewką głośnikową 154 jest zmodyfikowane poprzez paraboliczne wyprofilowanie końcowej, określającej szczelinę części 158a bieguna środkowego 158.

Figura 22 pokazuje ulepszone charakterystyki przenoszenia głośnika skonstruowanego tak, jak pokazano na fig. 17 w porównaniu do głośnika pokazanego na fig. 15 i fig. 16.

173 290

173 290

118 128 11θ

173 290

122a 120

124a l²⁰ 122a

©

322a_x\224a

\

422ax'324a

I)

522a

622a

424a

524a

722ac624a i

)

822a?724a

Schodkowa (a)

Kołowa, .

paraboliczna ( )

Kątowa (c)

Eliptyczna

Skrzydlata (θ) Trapezowa 0)

Fantazyjna

824a

173 290

fig. 11

fig. 13 fig. 14

173 290

Rys. 1

Rys. 17

173 290

Rys. 18

173 290

Częstotliwość [kHz]

173 290

fig. 20

fig. 21

173 290

Konwencjonalny

173 290

fig. 1

22 20 25

fig. 2

fig. 3

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims (22)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ kształtujący charakterystyki robocze elektromagnetycznego przetwornika akustycznego, zawierającego ruchomą membranę o podatności, która zmienia się w funkcji wychylenia; mechaniczny zespół zawieszeń membrany; napęd elektromagnetyczny podłączony do membrany dla wywoływania jej przemieszczeń w reakcji na i w funkcji sygnałów przyłożonych do napędu, który to napęd elektromagnetyczny zawiera strukturę definiującą szczelinę roboczą, cewkę umieszczoną w polu magnetycznym w szczelinie i podłączoną elektrycznie tak, aby odbierała sygnały elektryczne i mechanicznie zamocowaną do membrany, poruszającą się obustronnie wzdłuż ogólnie prostej linii w szczelinie roboczej w reakcji na wspomniane sygnały w celu wywołania przemieszczeń membrany w reakcji na i w funkcji sygnałów przyłożonych do cewki; znamienny tym, że ma strukturę definiującą impedancję sprzęgającą napędu wzrastającą w funkcji wielkości przemieszczenia cewki z jej położenia spoczynkowego.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zmiany stosunku zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego są zminimalizowane w zakresie roboczym wychyleń membrany.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego jest zasadniczo stały w zakresie roboczym wychyleń membrany.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego ma najniższą wartość w położeniu spoczynkowym cewki.
5. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek zmiennej podatności membrany do zmiennej impedancji sprzęgającej napędu elektromagnetycznego wzrasta w funkcji przemieszczenia w zakresie roboczym wychyleń membrany.
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że indukcja magnetyczna w szczelinie roboczej zmienia się wzdłuż jej długości i jest minimalna w położeniu pośrednim wzdłuż jej długości, odpowiadającym położeniu spoczynkowym cewki i wzrasta w funkcji odległości od tamtego położenia.
7. 7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że indukcja magnetyczna jest największa w pobliżu krawędzi szczeliny roboczej.
8. 8. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny zawierający ruchomą membranę o podatności, która zmienia się w funkcji wychylenia; mechaniczny zespół zawieszeń membrany; napęd elektromagnetyczny podłączony do membrany dla wywoływania jej przemieszczeń w reakcji na i w funkcji sygnałów przyłożonych do napędu, który to napęd elektromagnetyczny zawiera strukturę definiującą szczelinę roboczą, cewkę umieszczoną w polu magnetycznym w szczelinie roboczej i podłączoną elektrycznie tak, aby odbierała sygnały elektryczne i mechanicznie zamocowaną do membrany, poruszającą się obustronnie wzdłuż ogólnie linii prostej w szczelinie roboczej w reakcji na wspomniane sygnały w celu wywołania przemieszczeń membrany w reakcji na i funkcji sygnałów przyłożonych do cewki; przy czym struktura definiująca szczelinę roboczą zawiera na ogół pierścieniowy magnes trwały umieszczony na płycie jarzma, zwykle biegun środkowy przechodzący przez otwór magnesu, zwykle płytę górną będącą w kontakcie z magnesem i ułożoną do niego równolegle i rozciągającą się w kierunku wspomnianego bieguna środkowego, przy czym jej koniec znajdujący się najbliżej wspomnianego bieguna jest w jednakowej od niego odległości i wraz z przeciwległą powierzchnią

   173 290 bieguna środkowego definiuje szczelinę roboczą; znamienny tym, że przynajmniej jedna z przeciwległych powierzchni definiujących szczelinę roboczą jest ogólnie wklęsła.
9. 9. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8, znamienny tym, że przynajmniej jedna z ogólnie wklęsłych powierzchni definiujących szczelinę jest zakrzywiona.
10. 10. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8, znamienny tym, że przynajmniej jedna z ogólnie wklęsłych powierzchni definiujących szczelinę roboczą zawiera nieciągłości.
11. 11. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8, znamienny tym, że obydwie wspomniane powierzchnie definiujące szczelinę roboczą są ogólnie wklęsłe.
12. 12. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 9, znamienny tym, że przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest ogólnie eliptyczna.
13. 13. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 9, znamienny tym, że przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest ogólnie paraboliczna.
14. 14. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 9, znamienny tym, że przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest ogólnie kołowa.
15. 15. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 9, znamienny tym, że przynajmniej jedna z zakrzywionych powierzchni jest utworzona przez parę wypukłych parabolicznych segmentów przecinających się w wierzchołku pomiędzy końcami szczeliny roboczej.
16. 16. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8 lub 9, znamienny tym, że przynajmniej jedna z powierzchni definiujących szczelinę roboczą zawiera nieciągłości.
17. 17. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 9, znamienny tym, że obydwie wspomniane powierzchnie definiujące szczelinę roboczą są ogólnie zakrzywione.
18. 18. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że długość szczeliny roboczej jest większa niż długość cewki.
19. 19. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że szerokość szczeliny roboczej zmienia się w funkcji odległości od położenia spoczynkowego cewki.
20. 20. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że szerokość szczeliny roboczej jest największa w położeniu spoczynkowym cewki.
21. 21. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że szerokość szczeliny roboczej jest najmniejsza na krawędziach szczeliny roboczej.
22. 22. Elektromagnetyczny przetwornik akustyczny według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że poprzeczne wymiary szczeliny roboczej zmieniają się od maksimum w położeniu pośrednim wzdłuż jej długości, które odpowiada położeniu spoczynkowemu cewki, do minimum w pobliżu krawędzi szczeliny roboczej.