RU188427U1

RU188427U1 - SUSPENSION MEMBRANE DYNAMICS

Info

Publication number: RU188427U1
Application number: RU2018131547U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Андреевич Селенгинский; Кирилл Петрович Данильченко
Original assignee: Дмитрий Андреевич Селенгинский; Кирилл Петрович Данильченко
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Полезная модель относится к области акустики и может быть использована в конструкциях громкоговорителей, прецизионных датчиков давления и в других устройствах в качестве подвеса мембраны с улучшенной линейной характеристикой. Сущность: подвес включает подвижное основание (3), неподвижное основание (1), тело (2) подвеса. Тело подвеса (2) выполнено в виде дуги, радиус кривизны которой плавно уменьшается от ребра динамика к его центру. Технический результат: снижение нелинейных и интермодуляционных искажений и, как следствие, улучшение качества звука. 6 ил.The invention relates to the field of acoustics and can be used in the construction of loudspeakers, precision pressure sensors and in other devices as a membrane hanger with improved linear response. Essence: the suspension includes a movable base (3), a fixed base (1), the body (2) of the suspension. The body of the suspension (2) is made in the form of an arc, the radius of curvature of which gradually decreases from the edge of the speaker to its center. Technical result: reduction of nonlinear and intermodulation distortion and, as a consequence, improved sound quality. 6 Il.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬTECHNICAL FIELD TO WHICH A USEFUL MODEL RELATES.

Полезная модель относится к области акустики и может быть использована в конструкциях громкоговорителей, прецизионных датчиков давления и в других устройствах в качестве подвеса мембраны динамика с улучшенной линейной характеристикой.The invention relates to the field of acoustics and can be used in the construction of loudspeakers, precision pressure sensors and in other devices as a speaker membrane suspension with improved linear response.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Из уровня техники, более 40 лет известны электростатические наушники, которые являются эталоном высококачественного звуковоспроизведения. Электростатические излучатели имеют широкий и практически прямой диапазон частот, а также низкие нелинейные и интермодуляционные искажения во всем спектре воспроизведения частот. Но у них есть два существенных недостатка. Первый - они очень дорогие, так как требуют крайне высокой точности изготовления и дорогой высоковольтный усилитель звука, который необходим для поляризации центральной мембраны. Второй – они имеют три постоянно меняющиеся резонансные частоты, которые вносят искажения. Это происходит по причине присутствия в конструкции излучателя двух дополнительных мембран, ограждающих пользователя от высоковольтного напряжения и сами излучатели от попадания влаги.In the prior art, electrostatic headphones, which are the benchmark for high-quality sound reproduction, have been known for over 40 years. Electrostatic emitters have a wide and almost straight frequency range, as well as low nonlinear and intermodulation distortions in the entire frequency reproduction spectrum. But they have two significant drawbacks. The first is that they are very expensive, since they require extremely high precision manufacturing and an expensive high-voltage sound amplifier, which is necessary for the polarization of the central membrane. Second, they have three constantly varying resonant frequencies that introduce distortion. This is due to the presence in the design of the emitter of two additional membranes, protecting the user from high voltage and emitters themselves from moisture.

Вторыми по качеству звука считаются изодинамические наушники. Этот тип предлагает очень высокое качество звука, но он, как и электростатические наушники, требует усилителя (хоть и не такого мощного) и находится в высокой ценовой категории, поскольку изготовление магнитной системы для наушников является сложной конструкторской задачей. Хотя изодинамические наушники были изобретены очень давно, они не получили широкого распространения. The second in sound quality are considered isodynamic headphones. This type offers very high sound quality, but, like electrostatic headphones, requires an amplifier (although not so powerful) and is in a high price category, since the manufacture of a magnetic headphone system is a complex design task. Although isodynamic headphones were invented a long time ago, they were not widely used.

Третий вид наушников – динамические. Они уступают по качеству первым двум типам, из-за сильных нелинейных и интермодуляционных искажений в большом диапазоне частот, но находятся в доступном ценовом сегменте, что делает их самым распространенным типом наушников на рынке. The third type of headphones - dynamic. They are inferior in quality to the first two types, due to strong non-linear and intermodulation distortions in a large frequency range, but are in the affordable price segment, which makes them the most common type of headphones on the market.

Однако, независимо от типа наушников, общей и самой главной проблемой являются сильные искажения в области частот ниже 50 Гц. В самых дорогих динамических наушниках коэффициент нелинейных искажений составляет 10-15%. However, regardless of the type of headphones, a common and most important problem is strong distortion in the frequency range below 50 Hz. In the most expensive dynamic headphones, the nonlinear distortion factor is 10-15%.

В настоящее время наиболее развиваемый тип наушников – динамические. Они обладают самой простой конструкцией. Изначально, они сильно уступали по качеству звука изодинамическим, но с ростом технологий, динамические наушники стали уверенно вытеснять изодинамические сначала из низкого ценового сегмента, а затем и из среднего сегмента. Таким образом, остался только дорогой премиум класс, способный конкурировать с новыми технологиями динамических наушников.Currently, the most developed type of headphones - dynamic. They have the simplest design. Initially, they were inferior in sound quality to isodynamic, but with the growth of technology, dynamic headphones confidently began to force the isodynamic, first from the low price segment and then from the middle segment. Thus, there is only an expensive premium class that can compete with new technologies of dynamic headphones.

Следует заметить, что на сегодняшний день не существует технологии проектирования динамических наушников, которая могла бы приблизить их качество звука к электростатическим и твердо обойти изодинамические.It should be noted that today there is no technology for designing dynamic headphones, which could bring their sound quality to electrostatic and firmly bypass the isodynamic ones.

В поисках решения этой острой задачи, различными компаниями были предприняты попытки использовать новейшие материалы для изготовления мембраны, такие как жидкие кристаллы, углеродные нано трубки и другие. Замена материала не дала улучшений в чистоте звука, но заметно увеличила стоимость мембраны. Но главный недостаток - невозможность равномерного распределения нано материалов по поверхности подвеса мембраны, что вызывает перекос мембраны во время работы динамика и создает дополнительные нелинейные искажения.In search of a solution to this acute problem, various companies have attempted to use the latest materials for the manufacture of membranes, such as liquid crystals, carbon nanotubes and others. Replacing the material did not improve the sound, but significantly increased the cost of the membrane. But the main drawback is the impossibility of uniform distribution of nano-materials over the membrane suspension surface, which causes the membrane to skew during the operation of the speaker and creates additional non-linear distortions.

Другим возможным вариантом решения этой задачи является нахождение оптимальной формы подвеса мембраны с наивысшей линейной характеристикой, что позволит снизить нелинейные искажения. Способов решения этой задачи среди известных производителей, Заявителем не найдено.Another possible solution to this problem is to find the optimal shape of the membrane suspension with the highest linear characteristic, which will reduce nonlinear distortions. There are no ways to solve this problem among well-known manufacturers.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИDISCLOSURE OF USEFUL MODEL

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков известных технических решений и создание такой полезной модели, которая максимально снизит искажения звука при минимальных затратах. The task, which the proposed utility model is intended to solve, is to eliminate the drawbacks of the known technical solutions and to create such a useful model that will minimize the distortion of sound at the lowest possible cost.

Основная причина появления нелинейных искажений в динамике кроется в нелинейной зависимости силы, с которой подвижная часть динамика перемещается за счет того, что катушка втягивается в сердечник, от перемещения этой подвижной конструкции.The main reason for the appearance of nonlinear distortions in dynamics lies in the nonlinear dependence of the force with which the moving part of the dynamics moves due to the fact that the coil is drawn into the core, from the movement of this moving structure.

В идеальном динамике, где нет искажений, эта зависимость выглядит следующим образом:In ideal dynamics, where there are no distortions, this dependence looks as follows:

F = k×z, где F = k × z, where

F – это сила,F is power

k – постоянный коэффициент, а k is a constant factor, and

z – это перемещение. z is a move.

Но реальный подвес имеет следующую зависимость:But the real suspension has the following dependency:

F = k₁×z+k₂×z²+k₃×z³ F = k ₁ × z + k ₂ × z ² + k ₃ × z ³

Это означает, что для того, чтобы уменьшить искажения и приблизиться к идеальному динамику, или к качеству звука в электростатических наушниках, необходимо максимально снизить коэффициенты k₂ и k₃. Сделать это можно только одним способом – найти такую форму подвеса, который бы имел более линейную характеристику. Сразу обозначим, что подвес для мембраны, который не вносил бы искажений и имел бы зависимость F = k×z при малых перемещениях изготовить в промышленности практически не возможно.This means that in order to reduce distortion and get closer to the ideal dynamics, or to the sound quality in electrostatic headphones, it is necessary to minimize the coefficients k ₂ and k ₃ . This can be done in only one way - to find a form of suspension that would have a more linear characteristic. Immediately, we denote that it is practically impossible to manufacture a suspension for a membrane that would not introduce distortion and would have the F = k × z relationship with small displacements.

Основной технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание такого подвеса мембраны для динамика, который позволит снизить нелинейные и интермодуляционные искажения и, как следствие, улучшить качество звука. The main technical problem solved by the claimed utility model is the creation of such a membrane suspension for a speaker, which will reduce non-linear and intermodulation distortion and, as a result, improve sound quality.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение нелинейных и интермодуляционных искажений и, как следствие, улучшение качества звука.The technical result of the claimed utility model is the reduction of nonlinear and intermodulation distortion and, as a consequence, the improvement of sound quality.

Технический результат реализуется благодаря такой конструкции подвеса мембраны, в соответствии с заявляемой полезной моделью, которая включает первое основание и второе основание, связанные между собой посредством тела подвеса, выполненного в виде дуги, радиус кривизны которой плавно уменьшается от ребра динамика к его центру, при этом второе основание связано с диффузором и является подвижным, а первое основание соединено с диффузородержателем и является неподвижным.The technical result is realized due to this construction of the membrane suspension, in accordance with the claimed utility model, which includes the first base and the second base, interconnected by means of the suspension body, made in the form of an arc, the radius of curvature of which gradually decreases from the edge of the speaker to its center, the second base is connected to the diffuser and is movable, and the first base is connected to the diffuser and is stationary.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На фиг. 1 представлен общий вид подвеса мембраны с выделенной элементарной поверхностью.FIG. 1 shows a general view of a membrane suspension with an isolated elementary surface.

На фиг. 2 представлена элементарная поверхность подвеса мембраны с приложенными к ней силами.FIG. 2 shows the elementary surface of the membrane suspension with the forces applied to it.

На фиг. 3 представлены углы на стыках между подвесом мембраны и основаниями 1 и 3.FIG. 3 shows the angles at the joints between the suspension of the membrane and the bases 1 and 3.

На фиг. 4 и 5 представлен вид в поперечном сечении мембраны динамика, связанной с подвесом, на которых:FIG. 4 and 5 shows a view in cross section of the membrane dynamics associated with the suspension, in which:

1. Первое основание подвеса.1. The first base of the suspension.

2. Тело подвеса.2. The body of the suspension.

3. Второе основание подвеса.3. The second base of the suspension.

4. Диффузор.4. Diffuser.

5. Диффузородержатель.5. Diffuser holder.

6. Линия перехода мембрана-подвес.6. Line transition membrane suspension.

7. Гофрировка.7. Shirring.

На фиг. 6 представлен вариант осуществления полезной модели, когда подвес и диффузор выполнены как одно целое.FIG. 6 shows an embodiment of the utility model when the suspension and the diffuser are made as one unit.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИIMPLEMENTATION OF THE USEFUL MODEL

Для громкоговорителей, использующих подвес, как отдельный элемент, который прикрепляется к диффузору или мембране при помощи клеевых растворов или любым другим известным способом, а также в системах мембрана-подвес или диффузор-подвес, представляющих собой единую, неделимую систему, характерны нелинейные и интермодуляционные искажения, преимущественно, вызванные нелинейной характеристикой подвеса – зависимости усилия от перемещения, которая выражается уравнением:For loudspeakers using a suspension, as a separate element, which is attached to the diffuser or membrane using adhesive solutions or by any other known method, as well as in a membrane-suspension system or a diffuser-suspension, which are a single, indivisible system, nonlinear and intermodulation distortions are characteristic mainly caused by the nonlinear characteristic of the suspension - the dependence of the force on the displacement, which is expressed by the equation:

F=k₁×z+k₂×z²+k₃×z³, гдеF = k ₁ × z + k ₂ × z ² + k ₃ × z ³ , where

z - это перемещение, вызванное приложенной силой к подвесу (например, для динамического громкоговорителя, это расстояние, на которое катушка втянулась в сердечник динамика, при подаче тока на катушку), z is the movement caused by the applied force to the suspension (for example, for a dynamic loudspeaker, this is the distance that the coil was drawn into the speaker core when current was applied to the coil),

F – сила, приложенная к подвесу напрямую или посредством другого элемента или конструкции (например, для динамического громкоговорителя, это электромагнитная сила, с которой катушка втягивается в сердечник динамика), F is the force applied to the suspension directly or by means of another element or structure (for example, for a dynamic loudspeaker, this is the electromagnetic force with which the coil is drawn into the core of the speaker),

k₁, k₂ и k₃ – коэффициенты пропорциональности между силой F и перемещением z.k ₁ , k ₂ and k ₃ are the proportionality coefficients between the force F and the displacement z.

Рассмотрим упрощенную механику сплошного тела, а именно внутренние силы сопротивления в мембране при действии на нее силы, на примере элементарного объема (поверхности), представленного на фиг. 1.Consider the simplified mechanics of a solid body, namely the internal resistance forces in the membrane under the action of a force on it, for example, the elementary volume (surface) shown in FIG. one.

Силы по поверхности подвеса мембраны (см. фиг. 2), проекции которых лежат в радиальном направлении обозначены Fr, а в проекции которых лежат в тангенциальном направлении обозначены Ft, почти равны этим же силам из других элементарных объемов. Однако эти силы возрастают у внешнего края мембраны у подложки – как нам показывают расчеты и опыты. И это само собой разумеющийся факт, так как там происходит разрыв – конец гладкой кривой, задающей форму мембраны. Это означает, что в этом месте для уменьшения k₂ и k₃, необходимо сделать радиус кривизны максимально возможным, так как в этом месте образуются нелинейные составляющие и указанным способом, возможно существенно их снизить.The forces along the membrane suspension surface (see Fig. 2), the projections of which lie in the radial direction are denoted by Fr, and in the projection of which lie in the tangential direction, denoted by Ft, are almost equal to the same forces from other elementary volumes. However, these forces increase at the outer edge of the membrane at the substrate - as we are shown by calculations and experiments. And this is a matter of course, since there is a gap - the end of a smooth curve that sets the shape of the membrane. This means that in this place to reduce k ₂ and k ₃ , it is necessary to make the radius of curvature as possible, since non-linear components are formed in this place and in this way, it is possible to significantly reduce them.

Силы на элементарном объеме (поверхности), представленном на фиг. 1, направленные тангенциально, имеют природу сжатия и растяжения в элементарных объемах мембраны и зависят от длины образующей окружности. Соответственно, чем длина окружности меньше, тем тангенциальные внутренние силы сопротивления больше, при этом относительное удлинение предпочтительно, чтобы было одинаковым. В таком случае подвес будет иметь наиболее оптимальную форму и конструкцию, при условии, что подвес имеет постоянную и не изменяющуюся толщину. Таким образом, участки подвеса, которые испытывают наибольший изгиб при прогибе мембраны, находятся на наиболее удаленном расстоянии от центра. А это значит, что их радиус кривизны должен быть больше.Forces on an elementary volume (surface) shown in FIG. 1, directed tangentially, have the nature of compression and tension in the elementary volumes of the membrane and depend on the length of the forming circle. Accordingly, the smaller the circumference, the greater the tangential internal resistance forces, while the relative elongation is preferably identical. In this case, the suspension will have the most optimal shape and design, provided that the suspension has a constant and unchanging thickness. Thus, the areas of suspension that experience the greatest bending during the deflection of the membrane are located at the most distant distance from the center. This means that their radius of curvature should be greater.

Для существенного уменьшения нелинейных и интермодуляционных искажений в низкочастотной и среднечастотной области, а это основная часть плотности мощности звукового диапазона, предлагается плавно увеличивать радиус кривизны в каждой точке поперечного сечения подвеса от центра динамика до его периферии. Такое решение позволит получать заметно более линейную зависимость усилия от перемещения подвеса, то есть для указанного подвеса коэффициенты k₂ и k₃ станут практически равными нулю, и мы получим зависимость: F≈k₁×z.To significantly reduce the nonlinear and intermodulation distortions in the low-frequency and mid-frequency regions, and this is the main part of the audio power density range, it is proposed to smoothly increase the radius of curvature at each point of the suspension cross section from the center of the speaker to its periphery. Such a solution will allow us to obtain a much more linear dependence of the force on the suspension movement, that is, for the specified suspension, the coefficients k ₂ and k ₃ will become almost zero, and we will get the dependence: F≈k ₁ × z.

На основании выше изложенного, для создания наиболее оптимальной формы и конструкции подвеса необходимо соблюдение следующих условий:Based on the above, to create the most optimal shape and design of the suspension, the following conditions must be met:

1) Чем ближе образующие области подвеса мембраны к центру, тем их радиус кривизны должен быть меньше, а наиболее удаленные образующие области должны иметь наибольший радиус кривизны. 1) The closer the forming areas of membrane suspension are to the center, the smaller their radius of curvature, and the most distant forming areas should have the largest radius of curvature.

2) Кривая, задающая уравнение формы подвеса должна быть гладкой, то есть радиус кривизны должен изменяться плавно.2) The curve defining the suspension shape equation should be smooth, that is, the radius of curvature should change smoothly.

3) Углы на стыках между подвесом мембраны и основаниями

) должны быть как можно меньше, но не меньше 0 градусов (см. фиг. 3).3) Angles at the joints between the membrane suspension and the bases

) should be as small as possible, but not less than 0 degrees (see Fig. 3).

Следует заметить, что во многих динамиках толщина подвеса увеличивается при приближении к центру от ребра динамика. Таким образом, указанные условия усиливаются для таких конструкций.It should be noted that in many speakers the thickness of the suspension increases when approaching the center from the edge of the speaker. Thus, these conditions are enhanced for such structures.

Общий вид подвеса мембраны представлен на фиг. 1A general view of the membrane suspension is shown in FIG. one

На фиг. 4 и 5 представлено поперечное сечение диффузора 4 динамика, который соединен с подвесом, при этом подвес содержит два основания, а именно, первое основание 1 и второе основание 3, связанные между собой посредством тела 2 подвеса. Тело 2 подвеса выполнено в виде дуги, при этом радиус кривизны дуги плавно уменьшается от внешней части к центру динамика. Соединение диффузора 4 с подвесом осуществляется посредством второго основания 3. Подвес может быть изготовлен из резины, различных полимеров, бумаги и других гибких, но прочных материалов.FIG. 4 and 5 shows a cross section of the speaker diffuser 4, which is connected to the suspension, wherein the suspension contains two bases, namely, the first base 1 and the second base 3, interconnected by means of the suspension body 2. The body 2 of the suspension is made in the form of an arc, while the radius of curvature of the arc gradually decreases from the outer part toward the center of the speaker. The connection of the diffuser 4 with the suspension is through the second base 3. The suspension can be made of rubber, various polymers, paper and other flexible but durable materials.

Диффузор 4 соединятся со вторым основанием 3 с помощью клеевого раствора или плавления, в зависимости от того, из какого материала выполнены диффузор 4 и подвес. Первое основание 1 подвеса крепится к диффузородержателю 5 также при помощи клея или плавлением, при этом клей можно использовать любой, но в предпочтительном варианте лучше применять клей, обладающий вибропоглощающими свойствами. The diffuser 4 will be connected to the second base 3 using an adhesive solution or melting, depending on what material the diffuser 4 is made from and the suspension. The first base 1 of the suspension is attached to the diffuser 5 also with glue or by melting, and any glue can be used, but in the preferred embodiment it is better to use glue with vibration-absorbing properties.

Мембрана состоит из двух составляющих, диффузора 4 и подвеса.The membrane consists of two components, a diffuser 4 and a suspension.

Тело 2 подвеса, второе основание 3 и диффузор 4 являются подвижной частью динамика, а первое основание 1 подвеса и диффузородержатель 5 являются неподвижной частью динамика (см. фиг. 4 и 5).The body 2 of the suspension, the second base 3 and the diffuser 4 are the moving part of the speaker, and the first base 1 of the suspension and the diffuser 5 are the fixed part of the speaker (see Fig. 4 and 5).

В вариантах осуществления полезной модели возможно наличие дополнительных элементов и конструкций, между вторым основанием 3 и диффузором 4, а также между первым основанием 1 и диффузородержателем 5. В качестве примера, могут быть использованы резиновые кольца и вибропоглощающий клей для того, чтобы уменьшить добротность динамика за счёт увеличения потерь свободных колебаний. Добротность колебательной системы, в данном случае динамика, это параметр, который характеризует ширину резонансной области. Если добротность равна или ниже единицы, то динамик имеет широкий частотный диапазон. Что положительно влияет на качество звука.In embodiments of the utility model, there may be additional elements and structures between the second base 3 and the diffuser 4, as well as between the first base 1 and the diffuser 5. As an example, rubber rings and vibration-absorbing glue can be used to reduce the quality factor of the speaker. by increasing the loss of free vibrations. The quality factor of the oscillatory system, in this case, the dynamics, is a parameter that characterizes the width of the resonance region. If the Q is equal to or lower than one, then the speaker has a wide frequency range. That has a positive effect on sound quality.

Под действием электромагнитной силы катушки или другого рода силы, приложенной (или передаваемой посредством различного рода конструкций) к диффузору 4, позиции 3 и 4 смещаются по направлению силы, преимущественно по оси z (см. фиг. 4)Under the action of the electromagnetic force of the coil or other kind of force applied (or transmitted through various types of structures) to the diffuser 4, positions 3 and 4 are displaced in the direction of the force, mainly along the z axis (see Fig. 4)

В другом варианте осуществления полезной модели подвес и диффузор 4 выполнены как одно целое, как показано на фиг. 6. Позицией 6 обозначена линия перехода мембрана – подвес. Дополнительно диффузор 4 может быть армирован гофрировкой, которая показана позицией 7 на фиг. 6.In another embodiment of the utility model, the suspension and the diffuser 4 are made as one unit, as shown in FIG. 6. Position 6 marked the transition line membrane - suspension. Additionally, the diffuser 4 can be reinforced with corrugation, which is shown at 7 in FIG. 6

Предложенное техническое решение подвеса мембраны позволяет снизить нелинейные и интермодуляционные искажения и, как следствие, повысить качество звука, а также снизить материалоемкость из-за разности высот концов подвеса.The proposed technical solution of the membrane suspension allows to reduce nonlinear and intermodulation distortions and, as a result, to improve the sound quality, as well as to reduce material consumption due to the difference in heights of the suspension ends.

Claims

The suspension of the speaker membrane, including the first base and the second base, interconnected by means of a body made in the form of an arc, characterized in that the radius of curvature of the arc gradually decreases from the edge of the speaker to its center, the second base is movable, and the first base is fixed, with This linear dependence of the force on the suspension movement has the form: F≈k ₁ × z, where

F is the force applied to the suspension directly or through another element or structure,

z is the movement caused by the force applied to the suspension;

k ₁ is the proportionality coefficient between the force F and the displacement z.