SK14932000A3

SK14932000A3 - Akustické zariadenie

Info

Publication number: SK14932000A3
Application number: SK1493-2000A
Authority: SK
Inventors: Henry Azima; Joerg Panzer
Original assignee: New Transducers Limited
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2001-05-10
Also published as: HK1030327A1; DE69932507D1; NO20005056D0; CN100417304C; TW462201B; CA2326193A1; EP1070437B1; NO20005056L; HUP0103916A3; IL138310A0; DE69932507T2; AU3340099A; JP2002511681A; CN1296719A; EP1070437A1; HUP0103916A2; ID27518A; PL343440A1; GB9807316D0; BG104811A

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka akustických zariadení, a obzvlášť, ale nie výlučne, reproduktorov so zabudovanými rezonančnými viacvidovými akustickými vyžarovacími panelmi, napríklad typu opísaného v našej medzinárodnej patentovej prihláške WO 97/09842. Reproduktory opísané v prihláške WO 97/09842 sú známe ako reproduktory s rozloženými vidmi.

Reproduktory s rozloženými vidmi (DML) sú obvykle spojené s tenkými, ľahkými a plochými panelmi, ktoré vyžarujú akustickú energiu rovnomerne z obidvoch strán a komplexným difúznym spôsobom. Aj keď je to výhodný charakteristický znak reproduktorov s rozloženými vidmi, v skutočnosti existujú najrôznejšie situácie, v ktorých by sa na základe týchto použití a ich medzných požiadaviek dávala prednosť monopolárnemu tvaru reproduktorov s rozloženými vidmi.

Pri takýchto použitiach môže byť výrobok výhodne ľahký, tenký a neobmedzený.

Doterajší stav techniky

Z medzinárodnej patentovej prihlášky WO 97/09842 je známe upevnenie viacvidového akustického vyžarovacieho panelu do pomerne plytkej utesnenej skrinky, čím sa potlačí akustické vyžarovanie vyžarovacieho panelu z jednej strany. V tejto súvislosti by sa malo uviesť, že výraz plytký sa v tomto kontexte týka typických proporcií budúcej jednotky reproduktora piestového typu v objemovo účinnom puzdre. Typický pomer objemu k ploche piestovej membrány môže byť 80:1, vyjadrené v ml na cm².

Plytké puzdro pre rezonančný panelový reproduktor, kde má piestové budenie sústredeného vzduchu malú dôležitosť, môže mať pomer 20:1.

Podstata vynálezu

Akustické zariadenie podía vynálezu sa skladá z viacvidového rezonančného akustického rezonátora alebo vyžarovacieho panelu, opatreného protiľahlými stranami, a prostriedkom vymedzujúcim dutinu, obklopujúcu aspoň časť jednej strany panelu, a usporiadanú na potlačenie akustického vyžarovania z uvedenej časti strany panelu, pričom dutina je taká, že upravuje módové správanie panelu. Dutina môže byť utesnená. Môže sa tu nachádzať usporiadaný vibračný budič na vyvodenie kmitania pomocou ohybových vín na rezonančný panel na vytváranie akustického výstupu, takže toto zariadenie pracuje ako reproduktor.

Rozmer dutiny môže byť taký, aby dutina mohla upravovať módové správanie panelu.

Dutina môže byť plytká. Dutina môže byť dostatočne plytká, aby vzdialenosť medzi vnútornou stenou dutiny/ priliehajúcou na uvedenú jednu stranu panelu, a medzi touto jednou stenou panelu bola dostatočne malá, aby spôsobila fluidné pripojenie k panelu. Rezonančné vidy v dutine sa môžu skladať z priečnych vidov rovnobežných s panelom, t. j. uskutočňujúcich moduláciu pozdĺž panelu a z kolmých vidov v pravom uhle k panelu. Dutina je najmä dostatočne plytká tak, aby priečne vidy (X, Y) boli významnejšie v módovom správaní panelu než kolmé vidy (Z). V týchto uskutočneniach môžu kmitočty kolmých vidov ležať mimo príslušného kmitočtového rozsahu.

Pomer objemu dutiny k ploche panelu (ml/cm²) môže byť menší ako 10:1, napríklad v rozsahu asi 10:1 až 0,2:1.

Panel môže byť ohraničený vo svojich okrajoch všeobecne bežným pružným okrajom. Tento okraj môže pripomínať valcový okraj bežnej piestovej budiacej jednotky a môže obsahovať jeden alebo viac žliabkov. Pružný okraj môže pozostávať z pásikov z penovej gumy.

Alternatívne môžu byť okraje panelu upnuté v puzdre, napríklad ako je opísané v našej súčasne vybavovanej medzinárodnej patentovej prihláške PCT/GB99/00848, zo dňa 30. marca 1999.

Takéto puzdro sa môže považovať za plytkú misku, obsahujúcu fluidné médium, pričom sa môže uvažovať, že sa jeho povrch správa ako vlny a jeho špecifické vlastnosti záležia tak na tomto médiu (vzduchu), ako aj na rozmerovej alebo objemovej geometrii uvedeného puzdra. Panel sa umiestni do priameho kontaktu s týmto aktívnym vlnitým povrchom, a budenie povrchu vín tohto panelu budí fluidné médium. A naopak, vlastnosti prirodzených vín tohto fluidného média sú v interakcii s panelom, a tak upravujú jeho správanie. To je komplexne spojená sústava s novými akustickými vlastnosťami v tejto oblasti.

Jemné zmeny módového správania panelu sa môžu dosiahnuť usporiadaním zvukovej priehradky, napríklad jednoduchej ozvučnice v puzdre a/alebo sa môže uskutočňovať v puzdre selektívne pohlcovanie kmitočtu.

Ďalším aspektom tohto vynálezu je spôsob úpravy módového správania reproduktora s rezonančným panelom alebo rezonátora, spočívajúci v tom, že sa rezonančný panel umiestni do tesnej blízkosti s okrajovým povrchom na vymedzenie rezonančnej dutiny medzi nimi.

Prehlad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie objasnený pomocou výkresov, kde na obr. 1 je v reze znázornené prvé uskutočnenie rezonančného reproduktora s utesneným puzdrom, na obr. 2 je v reze a vo zväčšenej mierke znázornený detail uskutočnenia z obr. 1, na obr. 3 je v reze znázornené druhé uskutočnenie rezonančného panelového reproduktora s tesneným puzdrom, na obr. 4 je znázornená polárna odozva voľného vyžarovania reproduktora s rozloženými vidmi (DML) na obidvoch stranách, na obr. 5 je znázornené porovnanie medzi hladinou akustického tlaku (SPL) vo voľnom priestore (plná čiara) a pri reproduktore s rozloženými vidmi (DML) usporiadaného 35 mm od steny (bodkovaná čiara), na obr. 6 je znázornené porovnanie medzi akustickým výkonom reproduktora s rozloženými vidmi (DML) vo voľnom priestore (bodkovaná čiara), a medzi zvukovou priehradkou okolo panelu, medzi prednou a zadnou stranou, na obr. 7 je znázornený reproduktor podľa vynálezu, na obr. 8 je znázornená sústava panelu pre reproduktor s rozloženými vidmi (DML), na obr. 9 je znázornené spojenie súčastí, na obr. 10 je zobrazená vlastná funkcia jedinej dosky, na obr. 11 sú znázornené velkosti kmitočtovej odozvy prvých desiatich vidov panelu vo vákuovom vyhotovení, na obr. 12 sú znázornené velkosti kmitočtovej odozvy vidov v reproduktore podlá uskutočnenia vynálezu, na obr. 13 je znázornený účinok puzdra na spektrum rýchlosti v paneli, na obr. 14 sú zobrazené tvary dvoch vidov, na obr. 15 je znázornená kmitočtová odozva reaktancie, na obr. 16 je zobrazené meranie rýchlosti v paneli, na obr. 17 je znázornený mikrofón nastavený na meranie, na obr. 18 je znázornená mechanická impedancia pre rôzne panely, na obr. 19 je znázornená výkonová charakteristika rôznych panelov, na obr. 20 je znázornená polárna odozva rôznych panelov, na obr. 21 je znázornený mikrofón nastavený na meranie vnútorného tlaku v puzdre, na obr. 22 je znázornený obrys vnútorného tlaku, na obr. 23 je znázornený vnútorný tlak meraný použitím zoskupenia z obr. 21, na obr. 24 je znázornená rýchlosť a presúvanie v rôznych paneloch, na obr. 25 je znázornené spektrum rýchlosti v paneli A5, vo voľnom a uzatvorenom priestore, na obr. 26 je znázornené spektrum rýchlosti v inom paneli A5, vo voľnom a v uzatvorenom priestore, na obr. 27 je znázornená výkonová charakteristika panelu A2 v puzdre s dvoma hĺbkami a na obr. 28 je zobrazená korekcia použitím priepustov (filtrov).

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na výkrese, a obzvlášť na obr. 1 a 2, je znázornený reproduktor 1_ s utesneným puzdrom, pozostávajúci zo skriňového puzdra 2, uzatvoreného na svojom čele rezonančným akustickým vyžarovacím panelom 5, typu, ktorý je opísaný v prihláške WO 97/09842, na vymedzenie dutiny 13. Vyžarovací panel _5 je budený vibračným budičom £ a utesnený v puzdre 2 okolo svojho obvodu pružným závesom 6. Záves 6 pozostáva z protiľahlých pružných pásikov 7, napríklad z penovej gumy, upevnených v príslušných rámových sekciách 9, 10, v tvare písmena L, ktoré sú vzájomne držané upínacím prostriedkom 11 na vytvorenie rámu 8. Na vnútornej strane 14 zadnej steny 3 puzdra 2 sú vytvorené výstužné rebrá 12, na minimalizovanie vibrácií zadnej steny 3. Puzdro môže byť vytvorené ako plastový výlisok alebo odliatok, so zabudovanými výstužnými rebrami.

Panel v tomto uskutočnení môže mať veľkosť A2 a hĺbka dutiny 13 môže byť 90 mm.

Uskutočnenie reproduktora na obr. 3 je všeobecne podobné, ako uskutočnenie na obr. 1 a 2, ale tu je vyžarovací panel 5 upevnený na jedinom pružnom páskovom závese 6, napríklad z penovej gumy, vloženom medzi okraj vyžarovacieho panelu 5 a puzdro na utesnenie dutiny. Vyžarovací panel 5 môže mať veľkosť A5 a hĺbka dutiny môže byť asi 3 alebo 4 mm.

Priaznivo sa vyhodnotí, i keď sa uskutočnenia podľa obr. 1 až 3 týkajú reproduktorov, že takisto bolo možné vytvoriť akustický rezonátor na úpravu akustického správania v priestore, napríklad v schôdzovej miestnosti alebo v auditóriu, použitím zariadenia všeobecného typu podľa obr. 1 až 3,' ale s vynechaním vibračného budiča £.

Dokázalo sa, že panel v tomto usporiadaní môže vytvárať veľmi výhodnú šírku kmitočtového pásma s celkom malým objemom puzdra vzhladom na velkosť membrány v porovnaní s piestovými reproduktormi. Preskúšal sa mechanizmus spôsobujúci minimálnu interakciu tohto ohraničenia s činnosťou rozložených vidov a ďalej sa dokázalo, že všeobecne jednoduchá pasívna vyrovnávacia sieť môže byť všetko, čo sa vyžaduje na vytvorenie plochej výkonovej charakteristiky. Taktiež sa dokázalo v tomto uskutočnení, že reproduktor s rozloženými vidmi (DML) môže vytvárať takmer ideálny pologuľovitý diagram smerovosti v rozsahu svojho pracovného kmitočtu do priestoru 2π.

Predstavuje sa tu kompaktné riešenie, čo je výsledkom vyriešenia rovníc ohybových vín pre spojenú sústavu kombinácie panelu a puzdra. Odvodila sa sústava funkcie akustickej impedancie a ďalej sa použije na výpočet účinku spojeného krytu na vlastné kmitočty, predpoveď príslušných posunutí a pripočítanie k doskovým vidom.

Nakoniec sa skúmajú experimentálne namerané údaje radu vzoriek rôznych celkových parametrov a rozmerov a meranie sa porovnáva s výsledkami z analytického modelu.

Na obr. 4 je znázornená typická polárna odozva voľného reproduktora s rozloženými vidmi (DML). Treba poznamenať, že zníženie tlaku v rovine panelu je spôsobené rušiacim účinkom akustického vyžarovania na okrajoch alebo blízko okrajov. Ak sa umiestni voľný reproduktor s rozloženými vidmi (DML) blízko okraja, najmä rovnobežne s okrajovým povrchom, nastáva akustická interferencia, keď je vzdialenosť k tomuto povrchu zmenšená asi pod 15 cm, pre panel s približnou povrchovou plochou 500 cm². Tento účinok sa mení, čo sa týka svojej vyhranenosti a povahy, so vzdialenosťou k okraju a rovnako aj s velkosťou panelu. Výsledkom je však konštantné zníženie rozsahu nízkeho kmitočtu, maximálna úroveň odozvy v nižších stredných oblastiach a určitý dozvuk v strednom rozsahu a nižších výškových registroch, ako je znázornené v príklade podľa obr. 5. Z tohto dôvodu a bez ohľadu na skutočnosť, že táto maximálna úroveň sa môže ľahko kompenzovať, použitie voľného reproduktora s rozloženými vidmi (DML) blízko okraja sa stáva skôr obmedzené.

Ak sa reproduktor s rozloženými vidmi (DML) umiestni do uzatvorenej skrinky alebo do takzvanej nekonečnej ozvučnice s dostatočne veľkým objemom, je potlačené vyžarovanie vplyvom zadnej časti panelu a v prednej časti sa všeobecne zvýši vo svojej strednej a nízkofrekvenčnej odozve využitím dvoch aspektov. Prvý je spôsobený neexistenciou účinku interferencie vplyvom predného a zadného vyžarovania v kmitočtoch, ktorých akustické dĺžky vín vo vzduchu sú porovnateľné s rozmermi voľného panelu; a druhý od stredného do nízkeho kmitočtu okrajovým vystužením, vplyvom doskovej ozvučnice a vyžarovania do priestoru 2π, pozri obr. 6. Tu si môžeme všimnúť, že sa dosiahne zvýšenie takmer 20 dB pri 100 Hz pri paneli s povrchovou plochou 0,25 m².

Aj keď maximalizovanie šírky kmitočtového pásma je jasnou výhodou, nemalo by sa zavádzať do praxe, iba ak by samotné použitie poskytovalo takéto riešenie. Vhodné použitia zahrnujú stropné doskové reproduktory a bežné inštalácie do stien.

V ďalších ostatných použitiach môže byť jasnou výhodou využitie výhodného usporiadania nekonečnej ozvučnice (infinite baffle - IB) , bez luxusu veľkého objemu vzduchu uzatvoreného za panelom. Takéto použitia môžu mať taktiež výhodu vychádzajúcu z celkovo tenkého a lahkého zhotovenia reproduktora. Jedným cieľom tohto vynálezu je vysvetliť tento typ usporiadania a poskytnúť analytické riešenie.

Podstatný objem prác podporuje konvenčné piestové reproduktory v najrôznejších prevádzkových režimoch, obzvlášť za predpokladu ich nízkofrekvenčného priebehu použitím v puzdre. Je pozoruhodné, že reproduktory s rozloženými vidmi sa vyvinuli celkom nedávno a samotné nie sú skutočne dokonale známe ako východisko, ktoré by pomohlo pri odvodení riešení podobných analýz. Z toho vyplýva, že sa prevzal prístup vytvárajúci súbor riešení pre reproduktory s rozloženými vidmi (DML), usporiadané v najrôznejších mechanicko-akustických podmienkach interferencie, vrátane zaťaženia s malým puzdrom.

Táto analyzovaná sústava je schematicky znázornená na obr. 7. V tomto príklade vyžaruje predná strana panelu do voľného priestoru, i keď druhá strana je zaťažená puzdrom. Táto spojená sústava sa môže považovať za sieť rýchlostí a tlakov, ako je znázornené v blokovom diagrame na obr. 8. Jednotlivými súčasťami sú zľava doprava elektromechanická budiaca sekcia, módová sústava panelu a akustické sústavy.

Normálna rýchlosť poľa ohybových vín naprieč vibračným panelom spôsobuje jeho akustické vyžarovanie. Toto vyžarovanie ďalej vedie k reakčnej sile, ktorá upravuje vibrácie panelu. V prípade rovnomerného vyžarovania reproduktora s rozloženými vidmi (DML) z obidvoch strán, vyžarovacia impedancia, tvoriaca reakčný prvok, je normálne bezvýznamná v porovnaní s mechanickou impedanciu panela. Keď však panel vyžaruje do malého puzdra, účinok akustickej impedancie, spôsobený jeho zadným vyžarovaním, nie je už malý, a v skutočnosti bude upravovať a pomáhať v rozsahu modality panelu.

Toto spojenie, ako je znázornené na obr. 9, je ekvivalentné mechanicko-akustickej sústave s uzatvorenou slučkou, v ktorej je reakčný akustický tlak spôsobený rýchlosťou vo vlastnom paneli. Tento tlak upravuje rozloženie vidov poľa ohybových vín, čo má zasa účinok na odozvu akustického tlaku a smerovosti panelu.

Na výpočet smerovosti a na kontrolu síl a prúdenia v tejto sústave je nutné riešiť rýchlosť v doske. Táto odozva akustického tlaku vzdialeného poľa sa môže potom dosiahnuť pomocou Fourierovej transformácie tejto rýchlosti, ako je opísané v článku autorov, J. Panzer a N. Harris s názvom Distributed Móde Loudspeakre Radiation Simulation (Simulácia vyžarovania reproduktora s rozloženými vidmi), uvedenom na 105. konferencii AES, v San Francisku 1998, pod číslom 4783. Tieto sily a prúdenie sa môžu potom zistiť pomocou sieťovej analýzy. Tento problém sa môže priblížiť vývojom rýchlostí a tlakov celkovej sústavy, pokial ide o vlastné funkcie (3, 4) panelu vo vákuovom uskutočnení, ako sa vysvetľuje v publikácii autorov L. Cremer, M. Heckl, E. Ungar s názvom Structure-Borne Sound” (Zvuk šírený pevnou hmotou), vydané v nakladateľstve Springer 1973 a autora R. D. Blevins s názvom Formulars for Natural Frequency and Móde Shape (Formuláre pre prirodzený kmitočet a tvar vidov), vydané nakladateľstvom Malabar 1984. Napríklad rýchlosť v každom mieste panelu sa môže vypočítať z rovnice (1).

V(x,y) = J

Ypiíjlú) · Fqi(_](B) ·φρί(χο,γο) · Φρι (x, y) (1)

Tento rad predstavuje riešenie diferenciálnej rovnice, opisujúcej ohybové vlny v doske, rovnice (2), v spojení s elektromechanickou sieťou sústredených prvkov, a taktiež s jej bezprostrednými akustickými obmedzeniami.

L_B{v_(x,_y)}-μ.ω². v_(x,y) = j®.p_m(x,_y)-j©.p_a(x._yi (2)

L_b je diferenciálny operátor tuhosti v ohybe štvrtého rádu v osiach x a y, v je kolmá zložka rýchlosti ohybových vín, a μ je hmota na jednotku plochy a ω je budiaci kmitočet. Panel je rušený mechanickým budiacim tlakom p_ra a akustickým reakčným tlakovým poľom p_a , pozri obr. 7.

Každý člen tohto radu v rovnici (1) sa nazýva rýchlosť vidov alebo skrátene vid. Molekulová dekompozícia je zovšeobecnená Fourierová transformácia, ktorej vlastné funkcie Φ_ρι rozdeľujú ortogonálnu vlastnosť so sínusovými a kosínusovými funkciami, spojenými s Fourierovou transformáciou. Ortogonálna vlastnosť Φ_ριje nevyhnutná podmienka na umožnenie vhodných riešení diferenciálnej rovnice (2). Súbor vlastných funkcií a ich parametrov sa získal z homogénnej verzie rovnice (2), t. j. po vypnutí budiacich síl. V tomto prípade môže panel iba vibrovať vo svojich prirodzených kmitočtoch alebo takzvaných vlastných kmitočtoch, ©i na splnenie okrajových podmienok.

V rovnici (1) je výraz φ_ρ± _(x,_y) hodnota vlastnej funkcie i-tej dosky v polohe, kde sa pozoruje rýchlosť. Výraz φ_Ρΐ (_XO,ya) je vlastná funkcia v polohe, kde pôsobí budiaca sila F_Pi _(J01) na panel. Budiaca sila zahrnuje prenosové funkcie elektromechanických zložiek spojených s budiacim ovládacím prostriedkom v (x₀, y_o) z ako sú napríklad budiče, závesy, atď. Pretože budiaca sila závisí od rýchlosti v paneli a od budiaceho bodu, existuje podobná spätná väzba, ako pri mechanicko-akustickom spojení, v budiacom bode (bodoch), aj keď tento účinok je v praxi malý.

Na obr. 10 je znázornený príklad rozloženia veľkosti rýchlosti vlastnej funkcie jedinej dosky, naprieč panelom s reproduktorom s rozloženými vidmi (DML). Čierne čiary sú uzlové čiary, kde je nulová rýchlosť. So vzrastom indexu vidov sa diagram rýchlosti stáva stále zložitejší. Pre stredne veľký panel sa musí zahrnúť približne 200 vidov na pokrytie zvukového rozsahu.

Admitancia vidov Y_{pi (JÚ))} je váhová funkcia vidov a vymedzuje, s akou amplitúdou a v akej fáze sa i-ty vid zúčastňuje výsledku v rovnice (1) . Výraz Y_Pi, ako je opísaný v rovnici (3) závisí od budiaceho kmitočtu, vlastnej hodnoty dosky, a čo je v tomto opise najdôležitejšie, od akustickej impedancie puzdra, spoločne s impedanciou spôsobenou vyžarovaním voľného poľa.

^YP'(s) =ô— tí op

Sp dpi

Rni Sn+Sp-dpj + γ²ν (3)

S_p = s/ú)p je Laplaceov kmitočet meniteľne normalizovaný pre základný kmitočet panelu to_p, ktorý zase závisí od tuhosti v ohybe K_p a hmoty M_p panelu, totiž <o_p ² = K_p/M_p. R_pi je vidový odpor spôsobený materiálovými stratami a opisuje hodnotu Υ_{ρι ρω)} pri rezonancii, kde S_p = λ_ρί. λ_ρί je meradlo a je funkciou vlastnej hodnoty 2_Pi i-tej dosky a celkovej vyžarovacej impedancie Z_mai, ako je opísané v rovnici (4).

^γΡ> (S) = ^pi + Sp z_ma I (ju) _M (4)

V prípade vákua (Z_aai =0) sa druhý člen v rovnici (3) stáva prenosovou funkciou druhého rádu s tlmiacim činidlom d_Pi. Na obr. 11 sú znázornené veľkosti kmitočtovej odozvy Y_{pi <jai)} prvých desiatich vidov panelu vo vákuovom uskutočnení upnutého na svojich okrajoch. Panelové vlastné kmitočty sú koincidenčné s vrcholmi týchto kriviek.

Ak sa ten istý panel upevní do puzdra, budú vidy teraz iba presunuté vo svojom kmitočte, ale taktiež budú upravené, ako je znázornené na obr. 12. Tento jav je výsledok interakcie medzi dvoma sústavami vidov panelu a puzdra, kde admitancia vidov celej sústavy už nie je funkciou druhého rád,u, ako v prípade panelu vo vákuovom uskutočnení. V skutočnosti by sa menovateľ v rovnici (3) mohol rozšíriť na mnohočlen vyššieho rádu, ktorý bude vyjadrovať výslednú rozšírenú charakteristickú funkciu.

Grafy kmitočtovej odozvy na obr. 13 znázorňujú účinok puzdra na celkové spektrum rýchlosti v paneli. Dve krivky kmitočtovej odozvy sú vypočítané pri identických budiacich podmienkach, avšak ľavý graf zobrazuje prípad vo vákuu, zatial čo pravý graf znázorňuje rýchlosť, kde obidve strany panelu sú zaťažené puzdrom. V tomto prípade sa použilo dvojité puzdro na vylúčenie vyžarovacej impedancie vzduchu. Miesto pozorovania je v budiacom bode budiča. V pravom diagrame je jasne viditeľný účinok posunu13 tia vlastného kmitočtu panelu k vyšším kmitočtom, čo bolo taktiež zrejmé na obr. 12. Je pozoruhodné, že v dôsledku vplyvu puzdra a následného nárastu množstva a hustoty vidov sa dosiahla rovnomernejšie rozložená krivka opisujúca spektrum rýchlosti.

Mechanická vyžarovacia impedancia je pomer reakčnej sily spôsobenej vyžarovaním a rýchlosti v paneli. Pre jediný vid sa môže vyžarovacia impedancia považovať ako konštantná naprieč plochou panelu a môže sa vyjadriť ako akusticky vyžarovaná sila P_ai jediného vidu. Teda vyžarovacia impedancia i-teho vidu sa môže opísať rovnicou (5).

< Vj_ > je stredná rýchlosť naprieč panelom spojená s i-tym vidom. Pretože táto hodnota je kvadratická, a preto je vždy kladná a reálna, vlastnosti vyžarovacej impedancie Z_mai priamo súvisia s vlastnosťami akustického výkonu, čo je všeobecne komplexná hodnota. Reálna časť výrazu P_ai sa rovná vyžarovanému výkonu vzdialeného poľa, ktorý prispieva k odporovej, časti výrazu Z_mai, spôsobujúci tlmenie rýchlostného póla panelu. Imaginárna časť výrazu P_ai je spôsobená mechanizmom na ukladanie energie spojenej sústavy prispievajúcej ku kladnej alebo zápornej hodnote reaktancie Z_mai.

Kladná reaktancia je spôsobená prítomnosťou akustickej hmoty. Toto je typické napríklad pri vyžarovaní do voľného priestoru. Záporná reaktancia Z_mai na druhej strane označuje prítomnosť utesneného puzdra s ekvivalentnou tuhosťou. Vo fyzikálnom zmysle je vyžarovacia impedancia hmotnostného typu spôsobená pohybom vzduchu bez stlačenia, zatiaľ čo impedancia pružinového typu je spôsobená stlačením vzduchu bez jeho presunutia.

Základným účinkom imaginárnej časti vyžarovacej impedancie je presunutie vlastných kmitočtov panelu vo vákuovom uskutočnení. Kladná reaktancia Z_mai (hmota) spôsobí presunutie vlastných kmitočtov v doske smerom nadol, zatial čo záporná reaktancia (tuhosť) posunie vlastné kmitočty smerom nahor. V danom kmitočte určuje samotný vid pre dosky, ktorý účinok bude dominantný. Tento jav je vysvetlený v diagrame na obr. 14, ktorý znázorňuje, že symetrické tvary vidov spôsobujú stlačenie vzduchu, pružinové správanie, zatial čo asymetrické tvary posúvajú vzduch zo strany na stranu a prispievajú k akustickému hmotnostnému správaniu. Nové vidy, ktoré nie sú prítomné v žiadnej sústave, keď sú oddelené, sú tvorené interakciou reaktancií panelu a puzdra.

Na obr. 15 je znázornená kmitočtová odozva imaginárnej časti vyžarovacej impedancie puzdra. Ľavý diagram zobrazuje reaktanciu pružinového typu, typicky vytváranú symetrickým vidom panelu. Až k prvému vlastnému kmitočtu puzdra je reaktancia väčšinou záporná. Vlastné kmitočty panela vo vákuovom uskutočnení, ktoré sú v rámci kmitočtovej oblasti, sú presunuté nahor. Naproti tomu pravý diagram zobrazuje priebeh reaktancie hmotnostného typu, typicky vytváranú asymetrickým vidom panelu.

Ak je puzdro utesnené a má tuhú stenu, rovnobežnú s povrchom panela, ako je to v našom prípade, potom mechanická vyžarovacia impedancia pre i-ty vid dosky je podľa rovnice (6):

Zmal-ŕ-Pa-Όϋ”.- ₍₆₎ ^Ad kj ^kz<k.l)'^tan (^kz(k,l) · Ldz) 'Ffi,*,!) je spojovací integrál, ktorý berie do úvahy prierezové okrajové podmienky a zahrnuje vlastné funkcie dosky a puzdra. Index i v rovnici (6) je počet vidov v doske; L_dz je hĺbka puzdra; a k_z je počet zložiek vidových vín v smere z (kolmo na panel). Pre tuhé obdĺžnikové puzdro je k_z opísané rovnicou

(7)

Znaky k a 1 sú množstvá priečnych vidov v puzdre v smere x a y, pričom L_dx a L_dy sú rozmery puzdra v tejto rovine. A_o je plocha panelu a A_d je plocha prierezu puzdra v rovine x a y.

Rovnica (6) znázorňuje zložitú funkciu, ktorá podrobne opisuje interakciu vidov panela a vidov puzdra. Na pochopenie zmyslu tohto vzorca sa vzorec zjednoduší viazaním sústavy iba na prvý vid panela a na panely v smere osi z puzdra (k=l=0) . Výsledkom bude nasledujúci zjednodušený vzťah:

A² ²maO ^{= _}J‘^a cot(k_z·!.^)

Rovnica (8) vyjadruje veľmi dobre známu impedanciu budiaceho bodu uzatvoreného kanálika (6). Ak je výrobok k_z.L_dz « 1, potom sa môže uskutočniť ďalšie nasledujúce zjednodušenie, kde c_ab = V_b/(p_a.c_a ²) je akustická poddajnosť puzdra s objemom V_b. Rovnica (9) je nízkofrekvenčný model sústredeného prvku puzdra. Ak je zdrojom tuhý piest s hmotou M_ms, so zavesením s poddajnosťou c_ras, potom základný vid má vlastnú hodnotu λ_Ρο = 1 a meradlo spojenej sústavy z rovnice (4) sa stáva dobre známym vzťahom, ako je znázornené v rovnici (10)[1] <^ιθ>

s ekvivalentnou mechanickou poddajnosťou objemu vzduchu ^mb = c_ab/A_o ² puzdra.

Na zistenie účinku plytkého spätného puzdra sa uskutočnili rôzne testy na reproduktoroch s rozloženými vidmi (DML). Okrem toho na všeobecné pochopenie správania sa panela pre reproduktory s rozloženými vidmi (DML) v puzdre sa navrhli tieto výskumy na to, aby napomohli overeniu teoretického modelu a vytvoreniu rozsahu, v ktorom sú takéto modely presné na predpovedanie správania sa spojeného systému vidov panela pre reproduktory s rozloženými vidmi (DML) a jeho puzdra.

Dva panely pre reproduktory s rozloženými vidmi (DML) rôznych rozmerov a objemových vlastnosti sa vybrali ako predmet nášho testovania. Rozhodlo sa, aby tieto panely mali jednak dostatočne odlišný rozmer a jednak vhodný rozdiel objemových vlastností, aby sa pokryl veľký rozsah meradla. Prvá súprava panelov A sa vybrala ako malý panel veľkosti A5, s rozmermi 149 mm x 210 mm s troma rôznymi objemovými vlastnosťami. Boli to A5-1 s polykarbonátovým povlakom na polykarbonátovom voštinovom jadre; A5-2 karbónové vlákna na jadre z Rohacelu; a A5-3 Rohacel bez povlaku. Druhá súprava B sa vybrala ako osemnásobné velký panel, približne veľkosti A2, s rozmermi 420 x 592 mm. A2-1 sa skonštruoval s povlakom zo sklenených vlákien na polykarbonátovom voštinovom jadre, zatiaľ čo A2-2 povlakom z uhlíkových vlákien na hliníkovom voštinovom jadre. Tabulka 1 uvádza objemové vlastnosti týchto predmetov. Ovládanie sa dosiahlo jediným elektrodynamickým posuvným cievkovým budičom v optimálnej polohe. Použili sa dva typy budičov, ktoré sa najlepšie hodia k veľkosti testovaného panelu. V prípade panelov s veľkosťou A2 sa použil budič 25 mm s Bl = 2,3 Tm, Re = 3,7 Ω a Le = 60 μΗ, zatiaľ čo 13 mm model sa použil v prípade menších panelov s veľkosťou Bl = 1,0, Re = 7,3 Ω a Le = 36 μΗ.

panel	typ	B (Nm)	μ (kg/m²)	Zm (Ns/m)	velkosť (mm)
A2-1	sklo na jadre PC	10,4	0,89	24,3	5 x 592 x 420
A2-2	uhlík na jadre Al	57,6	1,00	60,0	7,2 x 592 x 420
A5-1	PC na jadre PC	1,39	0,64	7,5	2 x 210 x 149
A5-2	uhlík na Rohaceli	3,33	0,65	11,8	2 x 210 x 149
A5-3	Rohacelové jadro	0,33	0,32	2,7	3 x 210 x 149

Panely sa upevnili na zadné puzdro s nastaviteľnou hĺbkou s použitím mäkkej polyuretánovej peny na zavesenie a akustické utesnenie. HÍbka puzdra sa zhotovila ako nastaviteľná na 16, 28, 40 a 53 mm pre súpravu panelov A a na 20, 50, 95 a 130 mm pre súpravu panelov B. Pri každom testovanom prípade sa uskutočnili rôzne merania pri rôznych hĺbkach puzdra a výsledky sa zaznamenali.

Rýchlosť a premiestnenie v paneli sa merali pomocou laserového vibrometra. Príslušný rozsah kmitočtu sa pokryl lineárnym meradlom kmitočtu s 1600 bodmi. Nastavenie, znázornené na obr. 16, sa použilo na odmeranie mechanickej impedancie panela pomocou výpočtu pomeru použitej sily k rýchlosti v paneli v budiacom bode.

Pri tomto postupe bola použitá sila vypočítaná z informácie o celkových parametroch budiča. Aj keď samotná rýchlosť v paneli má spätnú väzbu na elektromechanický obvod, jej spojenie je celkom slabé. Môže sa dokázať, že pre hodnoty budiča BI (1 až 3 Tm) , za predpokladu, že budiaca výstupná impedancia zosilňovača je nízka (stále napätie), je spätné spojenie vidov k elektromechanickej sústave dostatočne slabé, aby bol tento predpoklad prijateľný. Malá chyba vzniknutá z tohto priblíženia sa preto ignorovala. Na obr. 18a až f je znázornená mechanická impedancia panelov A5-1 a A5-2, odvodená od merania rýchlosti v paneli a použité sily namerané laserovým vibrometrom. Treba poznamenať, že pri rezonančných vidoch tejto sústavy sa vyskytujú minimálne hodnoty impedancie pre každú hĺbku puzdra.

Hladina akustického tlaku a polárna odozva rôznych panelov sa merala vo velkom priestore 350 kubických metrov a kľúčovala po 12 až 14 metroch na zvukovo izolovanú odozvu s použitím MLSSA v závislosti od merania. Meranie výkonu sa uskutočňovalo s použitím sústavy s 9 radmi mikrofónov, ako je znázornené na obr. 17b a v nastavení znázornenom na obr. 17a. Namerané výkony sú zobrazené na obr. 19a až 19d pre rôzne hĺbky puzdier. Rezonancia sústavy je zvýraznená na grafoch značkami.

Polárna odozva pri paneloch s veľkosťou A5-1 a A5-2 sa merala pre hĺbku puzdra 28 mm a výsledok je znázornený na obr. 20a a 20b. Pri porovnaní s polárnym zobrazením voľného reproduktora s rozloženými vidmi (DML) z obr. 1 ukazujú tieto výsledky význam zozadu uzatvoreného reproduktora s rozloženými vidmi (DML) v jeho zlepšenej smerovosti.

Na ďalšie skúmanie vlastností a účinkov puzdra na správanie panelu, obzvlášť v spojenej sústave rezonancie, sa vyrobil špeciálny upínací prípravok na umožnenie merania vnútorného tlaku puzdra v deviatich vopred určených bodoch, ako je znázornené na obr. 21. Do otvorov, vytvorených v zadnej doske upínacieho prípravku pre puzdro panela A5 vo vopred stanovenej hĺbke, sa zasúval mikrofón, zatial čo ostatných osem zvyšných otvorov sa pevne blokovalo priechodkami z tvrdej gumy. Počas merania bol mikrofón mechanicky izolovaný od puzdra vhodnou gumovou priechodkou.

Z týchto údajov sa vytvoril obrysový diagram na znázornenie rozloženia tlaku v sústave rezonancie a na obidvoch stranách tohto kmitočtu, ako je znázornené na obr. 22a až 22c. Odozva tlakového kmitočtu sa taktiež zobrazila pre 9 polôh, ako je znázornené na obr. 23. Tento graf vykazuje dobré vymedzenie rezonančnej oblasti pre všetky krivky spojené s meracími bodmi v puzdre. Tlak má však sklom ku zmene naprieč plochou prierezu pri zvýšení kmitočtu.

Kolmá zložka rýchlosti a presunutia naprieč panelmi sa merala skenovacím laserovým vibrometrom. Aby sa zistilo správanie panelu okolo spojenej sústavy rezonancie, zobrazilo sa rozloženie rýchlosti a presunutia naprieč panelmi. Výsledky sa zaznamenali a počet prípadov je znázornený na obr. 24a až 24d. Tieto výsledky naznačujú módové správanie panelov pri rezonancii, s celkovým pohybom panelu, aj keď pri nižšej rýchlosti a presunutí, pri pohybe smerom k okraju panela.

V praxi je toto správanie konzistentné pre všetky okrajové podmienky panelu, aj keď tvar vidov sa bude meniť od prípadu k prípadu, v závislosti od úplnej sady parametrov vrátane tuhosti panelu, veľkosti a okrajových podmienok. V tomto obmedzení a pre nekonečne tuhý panel sa táto sústava rezonancie bude považovať za vid základného tuhého telesa piestu pôsobiaceho na tuhosť objemu vzduchu puzdra. Zistilo sa, že bude vhodné nazvať túto sústavu rezonancie reproduktora s rozloženými vidmi (DML) ako vid celkového telesa alebo WBM.

Teoretické odvodenia tejto spojenej sústavy sa realizovali vo vhodnom softvéri spoločnosťou New Transducer Limited. Jedna verzia tohto balíka sa použila na simulovanie mechanicko-akustického správania predmetov testovaných v tejto prihláške. Tento balík je schopný vziať do úvahy všetky elektrické, mechanické alebo akustické premenné spojené s panelom, budičom (budičmi) a mechanicko-akustickými rozhraniami s rámom alebo puzdrom a predpovedať, okrem iných parametrov, akustický tlak vzdialeného poľa, výkon a smerovosť celkovej sústavy.

Na obr. 25a je znázornené spektrum protokolu rýchlosti voľného vyžarovania v paneli A5-1, ktorý je upnutý v ráme, vyžarovanie vo voľnom priestore, ktoré je zhodné z obidvoch strán. Plná čiara predstavuje simulačnú krivku a bodkovaná čiara predstavuje rozsah spektra rýchlosti. V nízkych kmitočtoch rezonuje panel s budičom. Nesúlad v kmitočtovom rozsahu nad 1000 Hz je spôsobený absenciou impedancie vyžarovania voľného poľa v simulačnom modeli.

Na obr. 25b je znázornený ten istý panel ako na obr. 25a, ale tentokrát zaťažený dvoma totožnými puzdrami, vždy jedným na každej strane panelu, s rovnakým prierezom ako panel a s hĺbkou 24 mm. Dvojité puzdro sa skonštruovalo a použilo na vylúčenie vyžarovacej impedancie voľného poľa na jednej strane panela a na uskutočnenie pokusu nezávisle od impedancie vyžarovania voľného poľa. Je dôležité poznamenať, že toto laboratórne nastavenie sa použilo iba na overenie teórie.

Na umožnenie merania rýchlosti v paneli sa zadné steny puzdier vyrobili z priehľadného materiálu, aby mal laserový lúč pristúp na povrch panela. Tento test sa opakoval s použitím panelu A5-3, s jadrom z Rohacelu bez povlaku, s rôznymi objemovými vlastnosťami a výsledok je znázornený na obr. 26a a 26b. V obidvoch prípadoch sa uskutočnila simulácia s použitím logaritmického rozsahu s 200 bodmi, zatiaľ čo pri laserovom meraní sa použil lineárny rozsah s 1600 bodmi.

Z predchádzajúcej teórie a práce je jasné, že malé puzdro prispôsobené reproduktoru s rozloženými vidmi (DML) bude prinášať okrem množstva výhod aj jednu nevýhodu. Táto nevýhoda sa prejaví nadmerným výkonom spôsobeným vidom celkového telesa (WBM) v rezonancii sústavy, ako je znázornené na obr. 27a a 27b. Bez ohľadu na túto hodnotu je pozoruhodné, že uzatvorený reproduktor s rozloženými vidmi (DML) môže vo všetkých ostatných aspektoch poskytnúť podstatne zlepšený výkon vrátane zväčšenej šírky výkonového pásma.

Zistilo sa, že vo väčšine prípadov sa na vyrovnanie tejto maximálnej hodnoty môže určiť jednoduchá sieť kmitočtovej korekcie pásmovej zádrže druhého rádu vhodnej akosti (Q) prispôsobená maximálnej hodnote výkonovej charakteristiky. Ďalej v niektorých prípadoch by vyrovnanie maximálnej hodnoty často zaistil jednopólový horný priepust sklopením nízkofrekvenčnej oblasti (LF), čím sa vytvorí širokoplochá výkonová charakteristika. Z dôvodov jedinečných vlastností panelov pre reproduktory s rozloženými vidmi (DML) a ich odozvy odporovej elektrickej impedancie, či už je uvedený priepust aktívny alebo pasívny, zostáva ich konštrukcia veľmi jednoduchá. Na obr. 28a je znázornené, kde je zabudovaný pasívny priepust pásmovej zádrže na kmitočtovú korekciu. Ďalšie príklady môžu byť zrejmé z obr. 28b a 28c, kde je znázornená jednopólová kmitočtová korekcia (EQ) s kondenzátorom použitým v sérii s reproduktormi.

Keď sa použije voľný reproduktor s rozloženými vidmi (DML) blízko a rovnobežne so stenou, musí sa venovať špeciálna starostlivosť na zaistenie minimálnej interakcie s touto stenou kvôli jedinečným komplexným dvojpólovým vlastnostiam. Interakcia je funkciou vzdialenosti k okraju a nemôže sa preto univerzálne stanoviť. Úplné opatrenie panelu ozvučnicou prináša rozhodné výhody v rozšírení nízkofrekvenčnej odozvy tejto sústavy, ale nemusí to mať praktický prínos vo veľkom množstve použití.

Veľmi malé puzdro použité s reproduktorom s rozloženými vidmi (DML) spôsobí nezávislosť reproduktora od jeho bezprostredného okolia a určí predpokladaný akustický výkon tejto sústavy. Vyvinutý matematický model predstavuje stupeň zložitosti pre reproduktor s rozloženými vidmi (DML) v tejto spojenej sústave. To zapríčiňuje ostrý kontrast medzi predpokladom a konštrukciou reproduktora s rozloženými vidmi (DML), a medzi bežným piestovým vyžarovacím prvkom. I keď mechanicko-akustické vlastnosti v kužeľovitom puzdre sa môžu zistiť pomerne jednoduchými výpočtami (dokonca ručnou kalkulačkou), v spojení s reproduktorom s rozloženými vidmi (DML) a jeho puzdrom sú predmetom zložitých interaktívnych vzájomných vzťahov, čím sa predpovedanie tohto systému bez vhodných nástrojov stáva nemožným.

Zmena vo výkone sústavy s meniacim sa puzdrom je celkom nápadná v prípade, keď je hĺbka puzdra v porovnaní s rozmermi panela malá. Taktiež je však zrejmé, že pri prekročení určitej hĺbky sa vzrast nízkofrekvenčnej (LF) odozvy stáva minimálny. To je samozrejme konzistentné so správaním tuhého piestu v puzdre. Ako príklad sa môže uviesť panel s velkostou A2 s puzdrom s hĺbkou 50 mm, pre šírku pásma prechádzajúcu nadol až asi na 120 Hz, pozri obr. 24.

Ďalej je zrejmý ďalší význam reproduktora s rozloženými vidmi (DML) s malým puzdrom, prejavujúci sa významným zlepšením v strednej a vysokej kmitočtovej odozve tejto sústavy. Tento fakt je zrejmý z mnohých nameraných a simulovaných grafov prihlášky, a dá sa očakávať aj na základe tejto teórie. Je jasné, že zlepšenie je väčšinou spôsobené vzrastom modality sústavy panelu, avšak straty v puzdre by ich taktiež mohli ovplyvniť zvýšením celkového tlmenia tejto sústavy.

Ako prirodzený dôsledok potlačenia zadného vyžarovania panela sa smerovosť uzatvorenej sústavy podstatne mení od dvojpólového tvaru do tvaru, ktorý sa blíži srdcovitému priebehu, ako je znázornené na obr. 17. Predpokladá sa, že smerovosť spojená reproduktorom s rozloženými vidmi (DML) s uzatvorenou zadnou časťou môže nájsť uplatnenie v určitých použitiach, kde je žiaduce silnejšie bočné zakrytie.

Na pozorovanie oblasti s nadmernou energiou, ktorá by mohla vyžadovať kompenzáciu, sa ako najvýhodnejšie ukázali merania výkonovej charakteristiky, ktoré sa uskutočňovali s uzatvorenou sústavou s rozloženými vidmi (DML). Tento fakt je v súlade s ďalšími prácami uskutočňovanými na reproduktoroch s rozloženými vidmi (DML), pri ktorých sa zistilo, že výkonová charakteristika najviac zodpovedá tomu akustickému meraniu, ktoré je vo vzájomnom vzťahu so subjektívnym výkonom reproduktorov s rozloženými vidmi (DML). Použitím výkonovej charakteristiky sa zistilo, že pásmový priepust alebo jednopólový horný priepust je v praxi všetko, čo je potrebné na vyrovnanie výkonovej charakteristiky v tejto oblasti.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Akustické zariadenie pozostávajúce z rezonančného akustického panela s ohybovými vlnami opatreného protiľahlými stranami a prostriedkom vymedzujúcim dutinu, obklopujúcu aspoň časť jednej strany panelu, a usporiadanú tak, aby sa potlačilo akustické vyžarovanie z uvedenej časti strany panelu, vyznačuj ú c e s a t ý m, že dutina je dostatočne plytká, aby zadná strana dutiny priliehajúca k uvedenej jednej strane panelu spôsobila fluidné pripojenie k panelu, pričom priečne vidy X a Y vo fluidnom médiu sú všeobecne dominantné, a aby dutina mohla upravovať módové správanie panelu.

2. s a Akustické tým, že zariadenie dutina je podľa nároku 1, v y z n utesnená. a č u j ú c e 3. Akustické zariadenie podľa nároku 1 alebo 2 , vyzná- č u j ú c e s a tým, že pomer objemu dutiny k obklopenej

ploche panelu - ml/cm² - je v rozsahu 10:1 až 0,2:1.
4. Akustické zariadenie podľa nárokov 1 až 3, vyznačujúce sa tým, že panel je upevnený a utesnený k prostriedkom vymedzujúcim dutinu obvodovým okrajom.
5. Akustické zariadenie podľa nároku 4, vyznačujúce sa t ý m, že uvedený okraj je pružný.
6. Reproduktor obsahujúci akustické zariadenie podlá nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že je opatrený vibračným budičom, ktorý je usporiadaný tak, aby vyvodil kmitanie pomocou ohybových vín na rezonančný panel, na vytváranie akustického výstupu.
7. Spôsob multiplikácie módového správania akustického zariadenia s rezonančným panelom s ohybovými vlnami, vyznačujúci sa tým, že sa rezonančný panel umiestni do tesnej blízkosti s okrajovým povrchom tak, aby sa medzi nimi vymedzila rezonančná dutina, v ktorej sú dominantné priečne vidy X a Y.