Акустика по новой технологии

Новая технология в акустике — многокамерный трансформатор

Оказывается, ещё не всё в акустике изобретено до нас, осталось место и для свежих идей. Эта статья — о необычном и весьма интересном способе акустического оформления динамиков «Многокамерный акустический трансформатор», предлагаемом лабораторией акустики Dorius.

Добрый день, уважаемые читатели, встречайте новичка на портале Stereo.ru! Меня зовут Владимир Данилов, я руководитель лаборатории акустики и интернет-магазина Dorius Audio. В своей первой заметке я хотел бы рассказать вам о необычной и весьма эффективной технологии акустического оформления под названием «многокамерный акустический трансформатор».

Первые исследования в этом направлении были начаты ещё в 2002-2003 году. Первоначальная идея заключалась в создании короткого обратного рупора, способного эффективно воспроизводить самые низкие частоты за счёт использования особой структуры, замедляющей фазовую скорость акустической волны в канале рупора. Прототипом такого решения послужили антенны поверхностных волн, известные из техники СВЧ. В своём первом варианте замедляющая структура представляла собой ряд поперечных стенок, перегораживающих канал рупора, с отверстиями постепенно увеличивающегося диаметра. Эксперименты подтвердили, что принцип работает, необходимую длину рупора для той же нижней граничной частоты можно существенно сократить. Дальше началась работа по оптимизации разных параметров – равномерности АЧХ и фазы, акустической нагрузки на динамик, ГВЗ, сшивки излучения рупора с собственным излучением динамика, и в итоге получилась многокамерная конструкция в её сегодняшнем виде, которую мы применяем последние десять лет во всех наших АС.

В 2009 году на эту конструкцию был получен патент на изобретение (№ 2377738 RU, МПК H04R 1/02, заявка 23.06.2008, опубл. 27.12.2009).

Акустический трансформатор представляет собой последовательность камер возрастающего объёма, соединённых трубами или щелями возрастающего сечения. Динамик нагружен на первую, самую маленькую камеру, а излучение в пространство осуществляется из последней, самой большой. При определённом сочетании объёмов камер и сечения труб вся конструкция перестаёт быть просто набором резонаторов, а начинает вести себя как длинная линия с переменным волновым сопротивлением, т. е. как обратный рупор. При этом за динамиком в первой камере находится область высокого давления с малым объёмным смещением, а в выходной камере, наоборот, — при низком давлении раскачивается большое объёмное смещение, как при использовании басовой головки на два-три калибра крупнее. Сам динамик, заторможенный первой камерой, практически стоит на месте, обеспечивая рекордно низкий уровень нелинейных и допплеровских искажений.

Многокамерный трансформатор позволяет получить отличный бас, глубокий и чистый, даже от головок малого калибра, начиная от 4 дюймов. Скажу даже более – чем меньше диаметр головки, тем эффективнее работает вся конструкция.

Для иллюстрации на графике приведена АЧХ одного и того же динамика Fostex FE126 в закрытом ящике 8 л и в тестовом многокамерном корпусе общим объёмом 60 л. Прекрасно видна ровная басовая полка от 40 Гц, и это для крохотного лёгкого широкополосника! На провал выше 100 Гц не обращайте внимания, это особенность конкретного тестового ящика.

На практике удалось добиться продления басовой полки на октаву ниже собственной резонансной частоты динамика, достичь отдачи на самых низких частотах до 18-20 дБ выше, чем у того же динамика в закрытом ящике. Поскольку объёмное смещение, т. е. уровень громкости на НЧ, раскачивается акустически при уровне искажений во всей басовой области 0,1 – 1%. Единственной платой за выдающиеся характеристики является требуемый общий объём акустической системы, в разы превосходящий традиционные виды оформления для тех же динамиков.

На фото выше пример — напольная двухполосная АС Dorius Canto, использующая пару мидбасов ScanSpeak размером всего 4”, и реальная АЧХ обоих каналов в нашем шоу-руме, снятая с места прослушивания (видимый спад на ВЧ обусловлен тем, что микрофон направлен в центр между АС). Никаких 12-дюймовых «утюгов», никаких киловаттных усилителей и килограммовых катушек индуктивности – только лёгкие и быстрые головки с прекрасной серединой, плюс точно настроенное оформление.

Источник

Направленный звук: технология, которая может заменить наушники — как она работает

В следующем году на выставке CES 2019 стартап Noveto планирует представить аудиосистему с направленным звучанием, предназначенную для массового рынка. Это акустическая колонка, звук от которой слышит его лишь один человек в комнате, как если бы он надел наушники.

Рассказываем, как это работает и где уже применяют такие технологии.

Что такое системы направленного звука

Такие системы отличаются от обычных колонок тем, что формируют узкий аудиопоток, который слышен лишь перед ней. Первые динамики направленного звука появились в конце 80-х годов.

Конструкция была достаточно примитивной. Они представляли собой обычные динамики, повешенные под потолком, которые окружал пластиковый купол. Звук отражался от внутренней поверхности купола и был слышен лишь человеку, стоящему непосредственно под устройством.

В 90-х появилась другая технология, в которой используется ультразвук. В этом случае колонка с помощью пьезоэлектрических преобразователей излучает звук, частота которого находится за пределами диапазона слышимости человека. Но по мере распространения звуковых волн в воздухе происходит проявление слышимых частот (из-за нелинейных эффектов).

У этих систем есть серьезный недостаток. Они рассчитаны на то, что слушатель стоит на одном месте — часто колонки размещают на потолке, а звук концентрируется в точке под ними.

Как решили эту проблему

Решили эту проблему инженеры израильского стартапа Noveto. Их система направленного звука умеет передавать звук слушателю вне зависимости от его местоположения в помещении.

Акустическая колонка имеет 3D-сенсоры, которые отслеживают положение головы пользователя. После этого система сама рассчитывает, в каком направлении и под каким углом следует посылать звуковые волны (в этом случае также используется ультразвук). В результате на ушах пользователя как бы образуются «виртуальные наушники» — небольшие области, в которых слышна музыка.

Сенсоры реагируют на движения слушателя и перемещают звуковой поток, если человек поворачивает голову или садится на другое место. При этом система способна распознавать нескольких сидящих рядом людей и каждому посылать персональный аудиопоток разной громкости.

Демонстрацию работы технологии можно посмотреть в этом видео от CNBC:

Сейчас система Noveto находится на этапе разработки, поэтому у него есть определенные недостатки. Например, если повернуться к колонке одним ухом, то звук будет поступать только в него (очевидно, система просто «не видит» второе ухо). Однако, по словам представителей компании, это можно исправить, если разместить дополнительную аудиосистему на потолке.

Другой момент, над которым также ведется работа, — качество звучания. Как пишут журналисты из Business Insider, колонки Noveto пока воспроизводят аудио с искажениями. Плюс такие системы, из-за особенностей реализации, плохо проигрывают низкие частоты. Генеральный директор стартапа говорит, что со временем качество звучания системы будет существенно улучшено.

Где технологию будут применять

Сейчас системы направленного звука нечасто встречаются в повседневной жизни. В основном их используют в музеях или на выставках. Посетители могут слушать лекции электронных гидов и не мешать другим. Иногда такие системы можно найти в магазинах около полок с рекламируемым товаром. Такие технологии также используют в банках. Например, в некоторых отделениях Сбербанка установили терминалы для видеоконсультаций с колонками направленного звука.

Ожидается, что с появлением компактных систем, аналогичных устройствам Noveto, направленный звук станет более привычной технологией. И наиболее перспективными областями её применения видятся аудиосистемы для офисов и автомобилей.

В офисе системами направленного звука можно оборудовать комнаты для видеоконференций или рабочие места сотрудников, которые вынуждены проводить в наушниках большую часть дня. Это диспетчеры или операторы колл-центров.

Фото Bryce Johnson / CC

В автомобилях направленный звук может использовать водитель, чтобы ответить на звонок, или пассажиры, которые хотят послушать музыку и не отвлекать человека за рулем. В частности, Noveto уже заключили сделку с компанией SEAT, которая протестирует новую аудиосистему в своих авто.

Кто еще разрабатывает подобные системы

Направленный звук заинтересовал и другие автомобильные компании, помимо SEAT. Hyundai и KIA работают над системой «раздельных звуковых зон» (Separated Sound Zone). Каждое место в автомобиле будет оборудовано отдельной направленной колонкой, поэтому все пассажиры смогут слушать разную музыку или подкасты и не мешать друг другу.

Аналогичные аудиосистемы планирует внедрить и Renault. Компания инвестировала в стартап Akoustic Arts, который занимается разработкой «персональных» колонок.

На выставке CES 2018 одновременно с системой Noveto была представлена компактная колонка направленного звука S-Ray от Samsung. Это устройство помещается на ладони, и его можно подключать к смартфону. Колонку создали в творческой лаборатории Samsung C-Lab, и пока готов только первый прототип устройства.

Несмотря на свой потенциал и заявления CEO Noveto, технология направленного звука еще долгое время не заменит наушники. Хотя бы потому что все эти проекты находятся на ранних этапах своего развития. Однако у технологии есть потенциал, и, возможно, в будущем она сумеет проявить себя в самых разных сферах нашей жизни.

P.S. Больше об аудиотехнологиях, звуке и музыке — в нашем Telegram-канале:

Космическое звучание Континуума Хакена
Наш рейтинг наушников
Гид для новичка: что важно знать про амбушюры наушников
Наш гид покупателя: полочные колонки vs напольные
Музыка для продуктивной работы

Источник

Акустическое будущее нанотрубок: новая жизнь термоакустики

Известно, что традиционные электродинамические громкоговорители наряду с массой достоинств обладают и ощутимыми недостатками, например, некоторым пределом точности воспроизведения. Для достижения высоких показателей качества звука электромеханический принцип работы традиционных динамиков требует массы ухищрений, серьезно ограничивает возможности разработчиков, приводит к значительным затратам и, соответственно, увеличивает их стоимость. Кроме того, традиционные материалы, использующиеся для мембран динамиков, как известно, имеют “потолок” по минимально возможному уровню искажений, достаточно массивны, а постоянные магниты вносят дополнительные искажения.

В предыдущих постах мы уже описали несколько известных альтернатив динамикам, таких как электростатические, изо/ортодинамические излучатели и ионофоны. В этом материале пойдет речь о, пожалуй, самой высокотехнологичной и оригинальной замене привычных нам динамических драйверов — излучателях, созданных на основе нанотрубок.

Немного о нанотрубках

Углеродные нанотрубки представляют собой аллотропную модификацию углерода в виде графеновых полых цилиндрических структур и с диаметром от десятых долей до нескольких нанометров. Проще говоря — это огромная молекула состоящая из миллионов атомов углерода расположенных в вершинах структурных элементов правильной шестиугольной формы.

Как материал углеродные нанотрубки обладают экстремально высоким отношением прочности к плотности. Коэффициент прочности трубок составляет от 1 до 100 ГПа (коэффициент прочности стали 500—3000 МПа), при этом плотность материала немногим выше плотности воды — 1,35 г /куб. см. На данный момент волокно из нанотрубок является самым тонким из известных, толщина этого волокна в 30 000 раз меньше средней толщины человеческого волоса. Ещё одной важной (особенно для акустического использования) особенностью нанотрубок является их быстрый нагрев под воздействием переменного электрического тока и низкая теплоемкость.

Благодаря своим свойствам нанотрубки нашли практическое применение в огромном количестве областей. Приведу лишь небольшую часть: сверхпрочные нити, нановесы, датчики обнаружения газов, медицина в общем и хирургия в частности, генераторы энергии и двигатели, искусственные мышцы, источники тока и мн. др. Одним из самых амбициозных проектов, связанных с нанотрубками является трос для космического лифта. Хотя, в ряде публикаций такое их применение подвергается сомнению, ввиду существенной потери прочности при создании волокна.

В отличие от космического лифта, в эффективности использования нанотрубок для создания акустических излучателей высокой верности воспроизведения сомнений не возникает. Прототипы таких АС уже создавались в экспериментальных целях. Но одно дело эффективность, а другое серийный выпуск.

Ключевым моментом для использования акустических свойств нанотрубок стал 1991-й год, когда из них удалось создать несколько видов (однослойных и многослойных) прозрачных углеродных пленок.

Термоакустические излучатели с мембраной из нанотрубок

Следует отметить, что акустические свойства углеродных нанотрубок были открыты случайно. Многочисленные эксперименты со сравнительно новым материалом привели к выводу, что листы нанотрубок способны излучать звуковые волны под воздействием переменного тока.

В 2008-м году китайские исследователи под общим руководством Кайли Цзян (Kaili Jiang) обратили внимание на то, что лист из нанотрубок издает звук под воздействием переменного тока. После этого они применили модулированный музыкальный сигнал и поняли, что лист способен воспроизводить звук. Направив на лист лазерный виброметр (Polytech PSV 300-F), ученые были удивлены тому, что использованная в качестве излучателя пленка не двигалась. Позже удалось выяснить, что звук появлялся в следствии быстрого нагревания листа, т.е. термоакустического процесса.

Интересно, что само явление термоакустического эффекта известно с конца 19-го века. Его первое детальное описание сделали американские ученые H. D. Arnold и I. B. Crandall в статье “The Thermophone as a Precision Source of Sound”, опубликованной 1 июля 1917-го года. В то время не существовало материалов, с помощью которых можно было бы сколько-нибудь полезно применить термоакустический принцип на практике.

Результаты исследования команды Кайли Цзян были опубликованы в журнале Nano Letters «Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers». В статье ученые описывали устройства, которые успешно воспроизводили музыкальный сигнал и звук с микрофона с помощью термоакустического эффекта.

Максимальная температура листа при подаче сигнала номинальной мощностью 12 Вт (8 Ом) составила 80 градусов Цельсия. По утверждениям Кайли Цзян, существует возможность создать аналогичные громкоговорители с менее высокой температурой, но это не было реализовано в рамках эксперимента. При этом излучатели обладали целым рядом уникальных характеристик.

фото 2 Тестирование акустических характеристик тонкопленочного громкоговорителя CNT. (a) Схематическая иллюстрация экспериментальной установки. (b) Уровень звукового давления (в дБ) и полное гармоническое искажение однослойного (красного) и четырехслойного (синего) громкоговорителя CNT на расстоянии 5 см между громкоговорителем и микрофоном. Входная мощность составляет 3 Вт и 12 Вт для однослойных и четырехслойных громкоговорителей, соответственно. © Звуковое давление, создаваемое четырехслойным громкоговорителем CNT, в зависимости от входной мощности, показывающее линейную зависимость. Черные квадраты представляют экспериментальные результаты, а красная линия — подходящий результат. (d) Сигналы в реальном времени входного напряжения четырехслойного тонкопленочного громкоговорителя CNT и выходного звукового давления от микрофона, что указывает на то, что частота звукового давления удваивает частоту входного напряжения. (С) Nano Letters

В ходе описанных экспериментов было зафиксировано, что излучатель позволяет генерировать звук с диапазоном частот и уровнем звукового давления (SPL) достаточным для применения в современной портативной и стационарной акустической технике. Кроме того, прототип обладал впечатляюще низким уровнем гармонических искажений (THD).

Теоретические и экспериментальные данные для термоакустических тонкопленочных громкоговорителей. (а) Теоретические и экспериментальные результаты SPL по сравнению с оператором термоакустических тонкопленочных громкоговорителей. Экспериментальные данные представлены красными сплошными квадратами и треугольниками для однослойных и четырехслойных тонких пленок УНТ, соответственно. Зеленые линии и черные линии — SPL, рассчитанные по теории Арнольда и Крендалла (экв. 1 ) и наши теории (экв. 2 ) соответственно для однослойных (верхних) и четырехслойных (средних) громкоговорителей CNT и толщины 700 нм Pt термофон (нижний). Входные мощности равны 4,5 Вт. (B) Зависимость SPL (при 10 кГц с входной мощностью 1 Вт) от HCPUAC s рассчитывается по теории Арнольда и Крандалла (экв 1, красная линия) и наша теория (экв., 2, черная линия) соответственно. (С) Nano Letters

В статье отмечалось, что лист, использованный в качестве мембраны прозрачен и гибок. Кайли Цзян упомянул, что его можно деформировать без существенного ущерба для качества звукоизлучения. Также было установлено, что плёнка из нанотрубок, размещенная на цилиндрическом каркасе, позволяет излучать звук одинаковой интенсивностью во все стороны. Интересной особенностью, опровергающей некоторые выводы Арнольда и Крендела, стало то, что при растяжении плёнки (200% от исходной площади) сигнал практически не изменился.

Публикация китайских исследователей некоторое время цитировалась СМИ. Медиа даже предрекали скорую смерть традиционных акустических систем, но вскоре об инновации благополучно забыли. Известных мне попыток создать серийные драйверы не последовало.

Проблемы внедрения термофонов

Несмотря на явные преимущества нанотрубок, в качестве материала для мембран акустических излучателей и термоакустических эффектов, этот подход не лишен недостатков. Главная проблема — стоимость самих нанотрубок.

Текущие оптовые цены на однослойные нанотрубки китайского производства варьируются в пределах от 30 до 90 $ за 1 грамм. По утверждениям потенциальных производителей акустической продукции из этого материала, существующие цены лишают смысла выпуск бюджетных продуктов с их применением.

Относительно high end рынка, где цена могла оправдаться ”престижной стоимостью” продуктов всё ещё сложнее. Там уже существуют действующие электростатические и ортодинамические излучатели близкие и идентичные волокну из нанотрубок по акустическим свойствам. При этом технологические процессы и оборудование, позволяющие производить такую акустику, опробованы и обладают вполне просчитанной экономической эффективностью. Для внедрения нанотрубок необходимо вложить значительные средства в оборудование, разработки, планирование, без каких-либо коммерческих гарантий.

Существуют также технические нюансы, связанные с использованием такого типа излучателей. В первую очередь, до сих пор нет опубликованных исследований на тему снижения температуры поверхности излучателя, хотя Кайли Цзян и упоминал о такой возможности. С другой стороны, если сравнивать температуры плёнки с температурой плазмы в ионофонах (которые уже производятся серийно), то даже опытные прототипы драйверов с нанотрубками выглядят на порядки безопаснее.

Гибриды Козлова

Американский исследователь русского происхождения Михаил Козлов из Техасского университета в Далласе в 2014-м году опубликовал отчет о создании прототипа оригинального гибридного излучателя. Используя пленку из нанотрубок в качестве мембраны, он разработал громкоговоритель, который использовал термоакустический эффект и традиционный принцип динамического драйвера. По замыслу исследователя такой подход позволит решить некоторые из проблем, описанных выше.

изображение многослойного листа углеродных нанотрубок, используемого для термомагнитного звукового преобразователя. (Изображение: Михаил Козлов, Техасский университет в Далласе).

По утверждениям ученого, ему удалось совместить преимущества термоакустического и динамического драйверов. Идея, предложенная Козловым — это размещение листа углеродной нанотрубки между проводящими стержнями рядом с постоянным магнитом. При электрическом возбуждении тепловой отклик материала сочетается с колебаниями листа, вызванными электромагнитным действием силы Лоренца. В результате конструкция позволяет получить гибридное термомагнитное излучение звуковых волн, со сравнительно низким уровнем искажений и впечатляющими амплитудными характеристиками, превосходящими, описанные выше китайские термофоны.

Я искренне надеюсь, что термофоны появятся на массовом рынке и будут производиться серийно. Из исследований Цзян и Козлова становится понятно, что у технологии есть многообещающее будущее, если её довести до ума. Описанные выше проблемы, связанные с внедрением, бесспорно, серьезны и сложны. Между тем, с момента первой публикации о появлении рабочего прототипа излучателя Кайли Цзян прошло уже 10 лет и за это время они, вероятно, могли бы быть решены.

Полагаю, что существуют и другие, менее объективные и менее явные причины, по которым эту технологию не спешат внедрять. К таким причинам можно отнести нежелание некоторых участников рынка (имеющих достаточные мощности для производства классических динамиков) терять позиции в своем сегменте. К сожалению, вопреки расхожим убеждениям, инновации не всегда полезны для бизнеса, особенно, если в архаичную технологию вложено много денег.

Источник