ITSS20130007A1 - "trasformatore acustico a guida d'onda sospesa" - Google Patents

Description

TRASFORMATORE ACUSTICO A GUIDA D'ONDA SOSPESA

Il trasformatore acustico a guida d’onda sospesa è utilizzabile come cassa acustica per altoparlanti.

Normalmente la cassa acustica è usata come supporto per gli altoparlanti. Si tratta di trasduttori pesanti quindi per sostenerli in modo stabile è necessario usare strutture adeguatamente robuste che precludono l’uso di materiali molto leggeri. Usando una struttura sospesa tramite la flangia dell'altoparlante si possono progettare sistemi estremamente leggeri con soluzioni acustiche originali.

Le caratteristiche ne fanno una classe di diffusore diversa da tutte quelle già realizzate. Come per le casse chiuse a sospensione pneumatica di forma cilindrica si ha una bassa distorsione per la distribuzione ottimale del carico sulla membrana dell'altoparlante e le riflessioni interne ridotte. Come nei sistemi caricati posteriormente a tromba la pressione acustica generata dal lato posteriore dell’altoparlante è inviata nell'ambiente d’ascolto distribuendola in modo ottimale sulla superfice del diaframma laterale. Come nei dipoli l'emissione in controfase della parete posteriore dell’altoparlante in gamma media è inviata nell’ambiente d’ascolto, in questo caso però si rispetta perfettamente la simmetria radiale rispetto all'asse dell'altoparlante facilitando la ricostruzione spaziale dell’immagine sonora. Al contrario di tutte le altre casse acustiche nell'installazione prima si procede al fissaggio dell’altoparlante con un supporto adeguato e solo successivamente si sospende la guida d’onda ad esso

Il prototipo del trasformatore acustico a guida d'onda sospesa ha la forma di un cilindro alto e streto (figura 1 ) aperto sul lato alto e con la parete laterale deformabile con onde sonore.

Il lato superiore aperto del cilindro è fissato soto la flangia di un l'altoparlante (3) rivolto verso l’alto con una guarnizione morbida (6) che sigilla il volume interno. Attraverso la guarnizione sono fatti passare i fili eletrici.

La parete laterale del cilindro (diametro 10 cm, altezza 100 cm circa) è il diaframma (4) realizzato utilizzando una pellicola con una rigidità adeguata per funzionare da guida d’onda sonora ma cedevole a sufficienza per consentire piccole deformazioni causate dai fronti d’onda interni (7). Per il prototipo si è usata carta.

La base chiusa del cilindro (5) ha la stessa superficie dell'altoparlante e riflette i fronti d’onda interni verso l'alto impedendo che la pressione acustica generata dall’altoparlante si propaghi direttamente all'ambiente d’ascolto.

L'emissione del suono avviene con fronti d'onda ortogonali emessi dalla membrana dell'altoparlante (3) che vibra verticalmente e dal diaframma laterale (4) della guida d'onda sonora che vibra orizzontalmente. La guarnizione morbida (6) minimizza le interazioni fra la parete laterale del cilindro e altoparlante soggeti a sollecitazioni tra loro ortogonali.

RISPOSTA ALL’IMPULSO.

Con la velocità del suono di 340 metri/secondo in 3 millisecondi si percorrono circa 100 cm. Se si invia un impulso della durata di 25 microsecondi (un semiperiodo a 20 kHz) all'altoparlante si verificano gli eventi di seguito descriti.

La membrana dell’altoparlante è accelerata verso l'alto creando un aumento di pressione sopra di essa e contemporaneamente una diminuzione di pressione al di soto all'interno della guida d’onda sonora.

Dopo 100 microsecondi il fronte d'onda interno direto verso il basso ha percorso circa 3,5 cm sotto la membrana dell’altoparlante e interagisce in modo complesso con la parete laterale della guida d’onda e la struttura dell'altoparlante stesso. Il risultato di queste interazioni ad alta frequenza non è rilevante per l’ascolto.

Dopo 200 microsecondi il fronte d'onda ha percorso circa 7 cm e superato il magnete dell'altoparlante. Da questo momento il fronte d’onda ortogonale alla guida d’onda si muove verso il basso interagendo unicamente con il diaframma laterale su cui applica la pressione generata in precedenza dalla membrana dell'altoparlante.

Dopo 3 millisecondi il fronte arriva alla base chiusa della guida d’onda che lo riflette verso l'alto.. Si può regolare lo smorzamento della riflessione intervenendo su rigidità, proprietà fonoassorbenti e potere trasmissivo della base. Il risultato di questa riflessione può interagire con la membrana dell'altoparlante solo dopo aver percorso la guida d’onda in senso opposto in altri 3 millisecondi. Alla membrana non arriva tutta l’energia riflessa per due ragioni: il fronte è parzialmente riflesso verso il basso dal magnete dell'altoparlante e si è smorzato interagendo coi diaframma laterale.

La geometria della cassa fa si che per circa 5 millisecondi la membrana dell'altoparlante non interagisca con le riflessioni interne generate dalla cassa stessa e successivamente interagisca solo con fronti d'onda smorzati ottenendo una forte riduzione della distorsione. Anche all'esterno la cassa interagisce in modo molto ridotto con il suono riprodotto, esiste praticamente il solo altoparlante. Acusticamente si ottiene una risposta ai transienti eccezionalmente nitida.

COMPORTAMENTO ACUSTICO.

Il comportamento acustico cambia al variare della frequenza, in particolare i 10.000, 1.000, 100 Hz permettono di spiegare il funzionamento per alti, medi e bassi.

ALTI. A 10 kHz la lunghezza d'onda è di 3,4 cm, inferiore al diametro di circa 10 cm dell'altoparlante che si comporta in modo direttivo inviando principalmente verso l'alto le onde acustiche. Nei prototipi si è usato con ottimi risultati un rettangolo di cartone delle dimensioni di una custodia per CD inclinato a 45 gradi per indirizzare gli alti verso l'ascoltatore. All'interno della guida d'onda questa frequenza, già attenuata dalla presenza dell'altoparlante, deforma in modo trascurabile il diaframma laterale in quanto la pressione è applicata per tempi minori di 100 microsecondi in spazi omogenei di circa un cm.

MEDI. A 1 kHz la lunghezza d'onda è di 34 cm, superiore al diametro dell'altoparlante la cui emissione si può considerare sferica. All'interno della guida d'onda si hanno zone di circa 17 cm in cui la pressione è diretta verso l'interno o verso l'esterno per tempi abbastanza lunghi per modificare la superficie laterale del diaframma. All’esterno la pressione si riduce con la distanza a causa dell'aumento di superficie del fronte d'onda sferico. All' interno della guida d'onda abbiamo, in prima approssimazione, sempre la stessa pressione generata dalla membrana dell'altoparlante che deforma il cilindro con un’ondulazione che scorre verticalmente e in grado di creare una serie di fronti secondari. Per le caratteristiche geometriche della cassa, i fronti secondari hanno una simmetria perfettamente radiale rispetto all'asse del cilindro e facilitano l'individuazione spaziale dell'origine dei suoni nell'immagine sonora. Questo effetto ha una rilevanza che aumenta con il diminuire della frequenza,

BASSI. A 100 Hz la lunghezza d'onda è di 340 cm, superiore all'altezza del cilindro 100 cm. La differenza di carico acustico fa si che già a pochi cm dalla membrana dell'altoparlante il fronte sonoro esterno abbia una pressione inferiore a quello interno. La pressione interna per la maggior parte del tempo esercita sulla superficie laterale della guida d’onda una pressione diretta verso l'esterno o verso l'interno su tutta la lunghezza del diaframma. Per l'ascolto è più importante il segnale acustico proveniente dal diaframma laterale della guida d’onda di quello diretto verso l'alto dall'altoparlante.

La membrana dell'altoparlante è il primario di un trasformatore acustico e il diaframma laterale della guida d’onda il secondario. Per analogia col trasformatore elettrico intuitivamente si è portati a pensare che la pressione esercitata dalla membrana dell'altoparlante si distribuisca uniformemente su tutto il diaframma laterale diminuendo notevolmente a causa del rapporto fra la superfici, ma non è così; in campo acustico non si ha un trasferimento alla velocità della luce dei segnali tra primario e secondario, nei vari punti della diaframma laterale si esercita la pressione generata dalla membrana dell’altoparlante ritardata dalla velocità del suono nell'aria lungo la guida d’ onda.

La pressione del fronte d'onda generato da un segnale sinusoidale stazionario applicato all'altoparlante si può considerare uniforme in un disco di spessore infinitesimo che si sposta verso il basso. La pressione è rappresentabile con una funzione sinusoidale

P(x, t) = k sen(wt - x/v)

x distanza dal centro dell'altoparlante lungo l'asse del cilindro verso il basso,

t tempo, ω pulsazione, v velocità del suono neH'aria

La forza totale applicata all'intera superficie laterale del diaframma è l'integrale della funzione esteso alla superficie stessa all'istante t:

F(t) = K cosfiut - cp)

K e φ costanti dipendenti dalla geometria della guida d’onda e dalla velocità del suono. La forza totale F(t) è una funzione sinusoidale che varia nel tempo ed è applicata in modo ortogonale sulla superfice del diaframma laterale della guida d'onda. Il sistema risulta lineare nell'ambito della linearità della velocità del suono e della geometria della cassa. La forza non è uniforme su tutto il diaframma in quanto è presente un gradiente che si modifica nel tempo. Questo gradiente non disturba l'ascolto in quanto l'orecchio umano è abituato ad ascoltare suoni emessi da corpi percorsi da vibrazioni sonore stazionarie e non stazionarie.

Sia durante la dilatazione che durante la compressione del diaframma la parete laterale del cilindro si esercita una trazione sulla base del cilindro stesso che si muove verso l’alto. L’ampiezza dello spostamento aumenta con il diminuire della frequenza. La configurazione sospesa permette alla la base chiusa circolare di sollevarsi per assecondare i movimenti senza generare tensioni indesiderate e relativa distorsione.

Acusticamente i bassi sono sorprendenti rispetto alle dimensioni dell’altoparlante, più potenti e definiti rispetto allo stesso altoparlante montato in una cassa con pareti rigide.

I tre comportamenti descritti separatamente per alti, medi e bassi sono presenti a tutte le frequenze ma con diversa rilevanza sull’ascolto.

CONSIDERAZIONI FINALI.

La rigidità e la densità del diaframma laterale sono importanti per il funzionamento del trasformatore acustico. Se troppo elevate, come in un tubo in plastica per gli scarichi dell'acqua, il comportamento acustico si riconduce a quello di una cassa chiusa a sospensione pneumatica di forma cilindrica. Se troppo basse come per la pellicola trasparente per la conservazione degli alimenti il comportamento acustico si riconduce a quello dell’altoparlante in aria libera. Nei prototipi si è usata carta con eccellenti risultati. Le caratteristiche e le dimensioni del diaframma vanno modulate in base ai parametri dell’altoparlante.

II trasformatore acustico permette di distribuire in modo ottimale l'energia sonora sviluppata dal lato posteriore di un piccolo altoparlante su una superfice molto maggiore senza ricorrere a ingombranti sistemi a tromba e rinunciando solo parzialmente all’efficienza di questi sistemi. Nel prototipo realizzato con un altoparlante da 10 cm di diametro e con una guida d'onda della lunghezza di un metro si ottiene una superfice radiante laterale di 0,314 mq in uno spazio estremamente ridotto, praticamente oltre il 90% della superfice della cassa acustica emette onde sonore nell'ambiente d’ascolto. Per le caratteristiche geometriche della cassa i fronti generati dal diaframma hanno una simmetria perfettamente radiale rispetto all’asse del cilindro e facilitano l'individuazione spaziale dell'origine dei suoni nell'immagine sonora.

A differenza degli altri sistemi utilizzati nelle casse acustiche si evidenzia che il trasformatore acustico a guida d’onda sospesa:

- si può realizzare facilmente anche con materiali comuni ed economici

- non richiede una elevata rigidità della struttura

- non richiede una elevata precisione costruttiva.

La geometria del trasformatore acustico a guida d'onda sospesa ha come ulteriori vantaggi una forte riduzione delle riflessioni interne e una distribuzione ottimale del carico sulla membrana dell’altoparlante. Se realizzato correttamente si propone come un'ottima cassa acustica per sistemi di riproduzione sonora con altoparlanti a larga banda e non.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI dell’invenzione avente per titolo: TRASFORMATORE ACUSTICO A GUIDA D'ONDA SOSPESA 1 . Trasformatore acustico a guida d’onda sospesa comprendente: - una membrana di forma cilindrica aperta ai lati (figura 1 .4) utilizzata come guida d’onda sonora e radiatore acustico passivo omnidirezionale, - un tappo circolare (figura 1 .5) acusticamente riflettente, - una guarnizione (figura 1 .6), caratterizzato dal fatto che ha come unico sostegno meccanico la guarnizione (1.6) predisposta per essere fissata alla flangia di un altoparlante esterno (figura 1.3) che invia onde sonore (figura 1 .7) all'interno della membrana cilindrica (1 .4). 2. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che la guarnizione (1.6) è realizzata in materiale plastico con un bordo sovrapponibile alla flangia di un altoparlante esterno (1.3), per fissare la guarnizione (1.6) alla flangia dell'altoparlante (1.3) con un sigillo a tenuta d’aria e sostenere l’intero trasformatore acustico. 3. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che un bordo della guarnizione (1.6) è fissato a un bordo della membrana cilindrica (1.4) con un sigillo a tenuta d’aria. 4. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che la membrana cilindrica (1.4) ha una densità e un modulo di elasticità costante su tutta la superficie, il fronte d’onda (1.7) piano e circolare che si propaga aH’interno della guida d'onda esercita sulla singola sezione anulare della membrana (1.4) una pressione uniforme orientata radialmente che modifica il diametro della sezione interessata, la somma dell’effetto delle singole sezioni genera all'esterno della membrana circolare (1.4) un fronte d’onda a simmetria radiale rispetto all’asse del cilindro. 5. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il tappo circolare (1.5) è fissato a un bordo della membrana cilindrica (1.4) con un sigillo a tenuta d’aria e riflette le onde sonore interne (1.7). 6. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la lunghezza della membrana cilindrica (1.4) determina il ritardo con cui le riflessioni delle onde sonore interne (1 .7) interagiscono con l'altoparlante esterno (1.3), il ritardo si calcola con il rapporto fra il doppio della lunghezza della membrana cilindrica (1.4) e la velocità del suono nell'aria. 7. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il tappo circolare (1.5) ha una massa inferiore a quella della membrana cilindrica (1.4) per minimizzare le forze generate dall’inerzia del tappo circolare (1.5) che interferiscono con la dilatazione e la compressione della membrana (1.4). 8. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la frazione di energia sonora riflessa del tappo circolare (1.5) si può diminuire applicando materiale fonoassorbente sul lato interno del tappo circolare (1.5) oppure realizzando il tappo circolare (1.5) con materiale con un potere trasmissivo più elevato. 9. Trasformatore acustico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per altoparlanti esterni (1.3) con flangia circolare con lo stesso diametro della membrana cilindrica (1.4) è possibile fissare direttamente un bordo della membrana cilindrica (1.4) alla flangia dell’altoparlante (1.3) evitando l’uso della guarnizione (1.6). CLAIMS of the invention with the title: ACOUSTIC TRANSFORMER WITH SUSPENDED WAVEGUIDE 1. Acoustic transformer with suspended waveguide including: - a cylindrical-shaped membrane open at the sides (Figure 1.4) used as sound waveguide and acoustic omnidirectional passive radiator, - a circular plug (Figure 1.5), acoustically reflective, - a gasket (Figure 1.6), characterized by the fact that its only mechanical support is the gasket (1.6) designed to be attached to an external speaker flange (Figure 1.3) that sends sound waves (Figure 1.7) inside the cylindrical membrane (1.4).
2. 2. Acoustic transformer according to claim 1, characterized by the fact that the gasket (1.6) is made of plastic with an edge that can be overlapped on an external speaker flange (1.3), in order to secure the gasket (1.6) to the speaker flange (1.3) with an airtight seal and support the entire acoustic transformer.
3. 3. Acoustic transformer according to claim 1, characterized by the fact that one edge of the gasket (1.6) is attached to one edge of the cylindrical membrane (1.4) with an airtight seal.
4. 4. Acoustic transformer according to claim 1, characterized by the fact that the cylindrical membrane (1.4) has a density and one module of constant elasticity over the entire surface, the wavefront (1.7) flat and circular that propagates inside the waveguide exerted on the single annular membrane section (1.4) a uniform pressure oriented radially that modifies the diameter of the section concerned, the sum of the effects of the individual sections generates on the outside of the circular membrane (1.4) a wavefront with radial symmetry with respect to the axis of the cylinder.
5. 5. Acoustic transformer according to claim 1, characterized by the fact that the circular plug (1.5) is attached to one edge of the cylindrical membrane (1.4) with an airtight seal and reflects the internal sound waves (1.7).
6. 6. Acoustic transformer according to claim 1, characterized by the fact that the length of the cylindrical membrane (1.4) determines the delay with which the reflections of internal sound waves (1.7) interact with the external speaker (1.3); the delay is calculated as the ratio between double the length of the cylindrical membrane (1.4) and the speed of sound in air.
7. 7. Acoustic transformer according to claim 1, characterized by the fact that the circular plug (1.5) has a mass less than that of the cylindrical membrane (1.4) to minimize the forces generated by the inertia of the circular plug (1.5), which interfere with the expansion and compression of the membrane (1.4).
8. 8. Acoustic transformer according to claim 5, characterized by the fact that the fraction of sound energy reflected from the circular plug (1.5) can be decreased by applying sound absorbent material on the inside of the circular plug (1.5) or by making the circular plug (1.5) with a material that has a higher transmission power.
9. 9. Acoustic transformer according to claim 1, characterized by the fact that the external speakers (1.3) with a circular flange having the same diameter as the cylindrical membrane (1.4) can have a speaker flange (1.3) attached directly to a cylindrical membrane (1.4) avoiding the use of the gasket (1.6).