Пневматический громкоговоритель
Настоящее изобретение относится к области техники "акустическое приборостроение", в частности к пневматическим громкоговорителям высокой мощности. Все ранее известные и им подобные устройства, несмотря на всевозможные конструктивные усовершенствования их авторов, а именно - дробление воздушного потока (использование модуляционных решеток), создание многоконтурных систем, введение местной отрицательной обратной связи по звуковому давлению, не привели к желаемому результату. К сожалению, во всех описанных выше устройствах не удалось преодолеть главные их недостатки: высокий уровень нелинейных искажений, потому что зависимость давления в воздушной струе связана с ее скоростью по нелинейному закону (по Бернулли), а также сильные собственные шумы, обусловленные протеканием непрерывного потока воздуха через модулирующую часть устройства с неизбежной турбулентностью, а значит шумами. Не предусмотрена экономия сжатого воздуха в паузах и при тихих звуках. Нужно отметить, что в настоящее время пневматические громкоговорители практически не применяются, причина тому - вышеуказанные недостатки. В заявленном громкоговорителе впервые решено отказаться от управления воздушным потоком по непрерывному, аналоговому закону. Предлагается применить для формирования волн звукового давления в пневматическом громкоговорителе тот же метод, который давно и успешно применяют в области силовой электроники, а именно широтно-импульсную модуляцию. Только здесь происходит управление не электрическим током, а потоком воздуха. В заявленном громкоговорителе для получения звуковых волн используется последовательность импульсов сжатого воздуха неизменного давления, управление длительностью которых происходит в соответствии с усиливаемым сигналом. Другими словами - осуществляется процесс широтно-импульсной модуляции (ШИМ) воздушного потока. Зависимость результирующей интенсивности последовательности импульсов от их длительности линейна. Технический результат, наблюдаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в низком уровне нелинейных искажений, а также уменьшение шумов в пневматических громкоговорителях, возникающих при промежуточных положениях модулирующей задвижки, когда воздушный поток проходит через какую-либо неоднородность. Также предлагается суммировать воспроизводимый сигнал с его огибающей. Это приведет к увеличению экономичности устройства по сжатому воздуху. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение.
Настоящее изобретение относится к области техники "акустическое приборостроение", в частности к пневматическим громкоговорителям высокой мощности.
Уровень техники.
Известны устройства, описанные в литературе: Олсон Г.Ф., Масса Ф. Прикладная акустика, пер. с англ. М., 1938; Беранек Л. Акустические измерения, пер. с англ. М., 1952. С 170 приводятся характеристики, но недостаточно сведений о их конструкции.
В авторском свидетельстве СССР №35899 от 30 апреля 1934 года, автор - А.В. Рогунов описан пневматический громкоговоритель с двух контурной системой управления воздушным потоком и местной отрицательной обратной связью по звуковому давлению.
Наиболее близок по назначению и параметрам к предлагаемому устройству электропневматический преобразователь, описанный в авторском свидетельстве СССР №964409 от 7 июля 1982 г., автор Я.И. Балахонцев (прототип).
Все описанные свыше и им подобные устройства, несмотря на всевозможные конструктивные усовершенствования их авторов, а именно - дробление воздушного потока (использование модуляционных решеток), создание многоконтурных систем, введение местной отрицательной обратной связи по звуковому давлению, не привели к желаемому результату. К сожалению, во всех описанных выше устройствах не удалось преодолеть главные их недостатки: высокий уровень нелинейных искажений, потому что зависимость давления в воздушной струе связана с ее скоростью по нелинейному закону (по Бернулли), а также сильные собственные шумы обусловленные протеканием непрерывного потока воздуха через модулирующую часть устройства с неизбежной турбулентностью, а значит шумами. Не предусмотрена экономия сжатого воздуха в режиме молчания. Нужно отметить, что в настоящее время пневматические громкоговорители практически не применяются, причина тому - вышеуказанные недостатки.
Раскрытие изобретения.
Задачей изобретения является устранение главных недостатков пневматических громкоговорителей - высокого уровня нелинейных искажений и сильных собственных шумов, а также неэкономичности по сжатому воздуху.
Технический результат достигается за счет того, что решено отказаться от управления воздушным потоком по непрерывному аналоговому закону. Предлагается применить для формирования волн звукового давления в пневматическом громкоговорителе последовательность импульсов сжатого воздуха неизменного давления, управление длительностью которых происходит в соответствии с усиливаемым сигналом. Другими словами - осуществляется процесс широтно-импульсной модуляции (ШИМ) воздушного потока. Зависимость результирующей интенсивности последовательности импульсов от их длительности линейна. Отсюда вытекает существенное достоинство заявленного громкоговорителя - низкий уровень нелинейных искажений. Другой важный момент - шумы в пневматических громкоговорителях возникают, в основном, при промежуточных положениях модулирующей задвижки, когда воздушный поток проходит через какую-либо неоднородность. В заявленном устройстве время переходных процессов при модуляции стремится к нулю. Поэтому радикально снижаются собственные шумы такого громкоговорителя. Также предлагается суммировать воспроизводимый сигнал с его огибающей. Это приведет к увеличению экономичности заявленного пневматического громкоговорителя по сжатому воздуху.
Описание чертежей.
На фиг. 1 показан поперечный разрез заявленного пневматического громкоговорителя. На фиг. 2 крупно показан поперечный разрез его модулирующей части.
Осуществление изобретения.
Устройство заявленного пневматического громкоговорителя: Вдоль образующих пустотелого цилиндра 1 равномерно выполнены узкие щели. Цилиндр 1 имеет возможность вращаться вокруг своей оси и снабжен приводом для его вращения. Подобные цилиндры применяются в ультразвуковых сиренах Зеебека. Но в предлагаемом устройстве щели имеют минимально возможную ширину, количество щелей и скорость вращения цилиндра таковы, что частота прохождения щелями модуляционного окна 3 выше области звуковых частот - ультразвук около 25 кГц. С минимально возможными зазорами внутри цилиндра 1 неподвижно установлен пустотелый сектор 2, служащий для подвода сжатого воздуха к щелям цилиндра 1, а снаружи модуляционное окно 3, снабженное модулирующей задвижкой 4. Ширина открытой части окна 3, а значит и длительность импульсов сжатого воздуха зависит от положения модулирующей задвижки 4. Модулирующая задвижка 4 механически связана с катушкой электромагнитной системы 5.
Электромагнитная система 5 устроена точно так, как у электродинамического громкоговорителя, особенностей не имеет. Модуляционное окно 3 выходит в акустический фильтр 6. Акустический фильтр 6 представляет собой известный резонатор Гельмгольца, служащий для интегрирования последовательности импульсов сжатого воздуха и подавления паразитной ультразвуковой составляющей, неизбежно возникающей при работе устройства. На выходе акустического фильтра 6 имеется рупор 7 для придания направления звуковым волнам, излучаемым громкоговорителем.
Работает заявленный громкоговоритель следующим образом.
Сжатый воздух от компрессора подается во внутреннюю полость пустотелого сектора 2, который своей открытой частью обращен к пустотелому цилиндру со щелями 1. Цилиндр 1 вращается и через его щели поочередно сжатый воздух проходит в открытую часть модуляционного окна 3. Ширина открытой части модуляционного окна 3 зависит от положения модулирующей задвижки 4. Модулирующая задвижка 4 получает возвратно-поступательное движение от электромагнитной системы 5, звуковая катушка которой подключается к источнику звукового сигнала. То есть, ширина открытой части модуляционного окна 3 изменяется в соответствии с входным звуковым сигналом. Для экономии сжатого воздуха воспроизводимый громкоговорителем сигнал суммируется со своей огибающей. Таким образом, что при максимальной громкости расход воздуха максимален, а в паузах сигнала - минимален. В период времени, когда щель цилиндра 1 проходит напротив открытой части модуляционного окна 3, через нее сжатый воздух из сектора 2 входит в полость акустического фильтра 6. Длительность сформированного таким образом импульса сжатого воздуха линейно зависит от ширины открытой части модуляционного окна 3. Другими словами осуществляется процесс широтно-импульсной модуляции (ШИМ) последовательности импульсов сжатого воздуха. Подобным образом поступают в области силовой электроники, когда для улучшения энергетических характеристик различного рода регуляторов мощности применяют широтно-импульсную (ШИМ) - модуляцию. В предлагаемом громкоговорителе также осуществляется ШИМ импульсов сжатого воздуха. Проинтегрированная по времени последовательность импульсов постоянной амплитуды линейно зависит от их длительности - отсюда вытекает высокая линейность (низкий уровень нелинейных искажений) заявленного пневматического громкоговорителя. В полости фильтра 6 происходит интегрирование импульсов сжатого воздуха, одновременно подавляется нежелательная ультразвуковая составляющая и выделяются волны звукового давления. Волны звукового давления из акустического фильтра 6 выходят в рупор 7, где им придается направление.
1. Пневматический громкоговоритель, включающий в себя пустотелый вращающийся вокруг своей оси цилиндр с узкими щелями вдоль образующей, устройство подачи сжатого воздуха в виде объемного пустотелого сектора, расположенного внутри цилиндра, модуляционное окно, ширина которого изменяется посредством задвижки, механически связанной с катушкой в магнитном поле, подключенной к источнику сигнала, отличающийся тем, что в нем формирование волн звукового давления происходит путем изменения длительности импульсов сжатого воздуха.
2. Пневматический громкоговоритель по п. 1, отличающийся тем, что на выходе установлен резонатор Гельмгольца, служащий для интегрирования широтно-модулированных импульсов сжатого воздуха и подавления нежелательной ультразвуковой составляющей в излучаемом звуке.
3. Пневматический громкоговоритель по п. 1, отличающийся тем, что сигнал звуковой частоты, подающийся на электромагнитную систему, суммируется с огибающей этого сигнала звуковой частоты таким образом, что при паузах расход воздуха минимален, а при громких звуках максимален.
