В этом году в журнале Американского акустического общества ученые Jiajun Zhao, Likun Zhang и Ying Wu опубликовали статью “Enhancing monochromatic multipole emission by a subwavelength enclosure of degenerate Mie resonances” о своём изобретении, которое увеличивает звуковую мощность волн НЧ диапазона благодаря резонансам. Судя по отчету исследователей, изобретенный ими и изготовленный на 3D принтере пластиковый корпус диаметром 10 см способен увеличить звуковую мощность низкочастотного динамика в 200 раз.



Традиционно для повышения громкости (звукового давления) используют увеличение мощности сигнала, а в случае с низкими частотами и большую площадь излучения. У этих классических способов есть очевидные недостатки — большие габаритные размеры и высокое энергопотребление. В связи с этим повышение звукового давления за счет акустического оформления стало популярной практической проблемой. Разработчиками движет желание максимально увеличить мощность и сохранить небольшой объём. С традиционными АС такого эффекта достигли благодаря фазоинвертору. Теперь пришла очередь портативного аудио. Под катом несколько слов об инновации и вероятных перспективах её развития, а также о ложке дёгтя в бочке радужных перспектив.

Свежий взгляд или хорошо забытое старое

Реализация достаточно смелой идеи продиктована необходимостью. Обилие портативной техники требует решений, в которых акустическое оформление с большим объемом применить невозможно, при этом потребитель хочет “много низа”. Таким образом, решение, предложенное учеными, вероятно будет востребовано для смартфонов, портативных переносных колонок, док-станций.

При этом известно, что разработки такого рода велись с конца 19 столетия (опыты Гельмгольца) до 20-х годов прошлого века, т.е до времени, когда пассивные средства повышения звукового давления могли конкурировать с электроакустическими. Так появилось рупорное акустического оформление.



Об исторической преемственности писали авторы статьи “Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity”, положенной в основу описываемого изобретения. Можно утверждать, что попав в ситуацию, где электрические средства исчерпали ресурс эффективности, разработчики вспомнили о времени, когда рупорное оформление громкоговорителей было лидирующим трендом.

Идея и результат

Идея заключалась в том, чтобы значительно увеличить амплитуду звуковых волн, излучаемых низкочастотным динамиком, при этом отказаться от традиционного повышения мощности усилителя и увеличения размеров излучателя. Дополнительной целью было сохранить диаграмму направленности, т.к. классический рупор её меняет. Для реализации идеи ученые воспользовались резонансными модами, которые формировались с использованием либиринтообразного акустического оформления.

Если говорить просто, то разработчики применили принцип, который можно наблюдать, поместив источник звука (например, смартфон) в кружку. Звук усиливается, так как кружка становится резонансной камерой.



Тут принцип близок, но вместо единой полости использованы специально рассчитанные лабиринты, позволяющие избирательно усилить НЧ диапазон.

Разработчик Ying Wu в одном из интервью описал принцип действия следующим образом:

“Through the resonance of the air inside the channels, a lot more of the electric power of the source is converted to sound power than would otherwise be the case."

“Резонанс воздуха в каналах позволяет получить большую звуковую мощность, чем без них (каналов -прим.авт.) при равном расходе электроэнергии”

A realistic structure for emission enhancement

а) Конструкция выполнена из жестких материалов (серая часть), где заполненные воздухом спиральные каналы удлиняют путь звука (красная линия), чтобы уменьшить его эквивалентную скорость в радиальном направлении вдоль жестких стенок каналов (азимутальная анизотропия ??> ???>?).
b) Фазовое распределение звуковых полей, излучаемых из источника монополя, имитирующее на трех резонансных частотах (см. Фиг.2 (с)].
c) То же, что и b), но для дипольного источника. (d, e) Сравнение направленности дальнего поля с оболочкой и без, моделируемой для самого низкого резонанса в b) и c), соответственно.

Как видно на рисунке, от центра круглого корпуса десятисантиметрового устройства, где размещен динамик, отходят лабиринтные ходы, которые обеспечивают возникновение резонансных мод, и а соответственно пассивно повышают звуковую мощность определённых частот. Важно учесть, шкала дБ является логарифмической, соответственно, двухсоткратное повышение мощности приведет к повышению звукового давления приблизительно на 20 дБ. Один из авторов, писавших на эту тему, сравнил 20 дБ с восемью делениями на шкале громкости айфона.

В результате сравнительных и контрольных измерений оказалось, что применение конструкции действительно позволяет усилить звуковую мощность в НЧ диапазоне в 200 раз. Конструкция также позволяет существенно не изменять диаграмму направленности, что было бы невозможно при использовании классических рупорных систем. Более подробно ознакомиться с результатами эксперимента можно в статье, которая опубликована в открытом доступе.

Очевидно, что полученный результат (в случае удачного развития событий для этой инновации, о которой в следующем разделе) может использоваться при создании портативной беспроводной акустики, мобильных гаджетов, наушников.

Статья теоретически доказывает возможность резонансного повышения мощности в 200 раз, приводит формулы и сравнительные измерения, но, как в старом анекдоте, есть нюанс…

Резонанс как закадычный враг

Усиление НЧ за счет резонансов имеет ряд особенностей, которые затрудняют использование этого метода при создании аппаратуры высокой верности воспроизведения. Многим хорошо известно пагубное влияние этого способа на качество звука по фазоинверторному акустическому оформлению АС. При использовании фазоинвертора усиление низких также достигается благодаря резонансу, разница лишь в том, что при таком форм факторе фазоинвертор менее результативен нежели лабиринт.

Неоднозначность использования резонансов для повышения мощности НЧ подробно описано в статье “Великий низкочастотный обман”, опубликованную журналом Show Master, любезно переведенную www.sound-consulting.net.

Вероятно, многие заметили, что в исследовании проводились сравнительные измерения звуковой мощности в НЧ диапазоне и оценивались изменения диаграммы направленности, уделяли внимание свойствам использованных материалаов. При этом не проводилось стандартных измерений коэффициента гармонических искажений, линейности АЧХ, не исследовалось появления паразитных призвуков и прочих явлений, искажающих звук.

Как писали в упомянутой выше статье, резонансная система не может запускаться и останавливаться мгновенно, а соответственно, возникают задержки. Учитывая количество отражений в представленной лабиринтной резонансной системе, можно предположить, что эти задержки будут выше чем в аналогичной с фазоинвертором или классическим закрытым ящиком.

Таким образом, используя резонансное усиление, мы можем получить значительно больше низа, при этом ухудшаются импульсные характеристики. Кроме того, не известно вносит ли такая система искажения, шумы и пр. (исследование не содержит сравнения по искажениям до и после использования нового акустического оформления).

Перспективы применения

При исключении всех гипотетически вероятных проблем, инновация сможет изменить многое. Сохранение свойств при уменьшении габаритов позволит применять такое акустическое оформление в смартфонах, что существенно увеличит громкость. Использование с портативными беспроводными колонками позволит снизить энергопотребление, а значит увеличить длительность работы портативных устройств.

Итог

Искренне надеюсь на живую и продуктивную дискуссию относительно перспектив лабиринта. Для собственных выводах о судьбе изобретения мне не хватает информации. Традиционно предлагаю принять участие в опросе и высказать своё мнение относительно изобретения.

Джинса

В нашем каталоге представлен широкий ассортимент акустических систем высокой верности воспроизведения.