Hallo! Diese Veröffentlichung dient dazu, Gleichgesinnte und Enthusiasten im schwierigen und kostspieligen Geschäft zu finden und zu vereinen - eine neue Art von akustischen Geräten zu schaffen. Nämlich diskrete Schallwandler.
Erinnern wir uns an die jüngste Geschichte der Technologie. Wie sich die Elektronik entwickelte. Seit dem Aufkommen der ersten Triodenvakuumröhrenverstärkungsröhre im frühen 20. Jahrhundert. Und dann ging es und ging. Radios, Sender, Verstärker wurden immer perfekter. In den 1950er Jahren tauchten dann Halbleiterbauelemente auf und die Entwicklung der Elektronik beschleunigte sich noch weiter.
Elektronische Geräte wurden kleiner in Größe und Gewicht. Zuverlässigkeit und technische Fähigkeiten wurden erhöht. In den späten 70er Jahren war die analoge Elektronik sehr weit fortgeschritten. Aber danach, immer lauter, begann sich ein neuer Zweig der Elektronik zu deklarieren - die digitale Elektronik. Die Aufgaben, die außerhalb der Möglichkeiten der analogen Elektronik lagen, werden vollständig mit den Methoden der digitalen Elektronik gelöst. Wir können mit Sicherheit sagen, dass mit dem Aufkommen von "digital" ein starker qualitativer Durchbruch in der Entwicklung der Elektronik erzielt wurde, deren Möglichkeiten heute fantastisch sind.
Bei der Entwicklung der Optik war die Situation ungefähr gleich. Die Optik entwickelte sich allmählich. Die ersten primitiven Gläser wurden bei Ausgrabungen der ägyptischen Pyramiden gefunden. Die U-Boot-Periskope des Zweiten Weltkriegs waren in höchstem Maße die Verkörperung der Kunst des Ingenieurwesens auf dem Gebiet der Optik. Alles entwickelte sich linear und gemessen. Aber das war, bevor Seine Majestät Laser zur Optik kam. Mit seinem Aussehen und den Methoden der Quantenoptik erhielt sie einen solchen Sprung nach vorne! Holographie und optische Methoden zur Aufzeichnung von Informationen allein rufen Bewunderung und Bewunderung hervor.
Aber zum Beispiel Akustik. Anfangs sind alle Geräte und Methoden von Natur aus analog, aber warum ist es schlechter als Optik und Elektronik? Auch hier ist ein ähnlicher Sprung erforderlich. Warum werden diskrete digitale Methoden in der Akustik nicht verwendet?
Ich möchte diese Situation ändern. Wenn wir sprechen, schreien oder singen, modulieren wir mit unseren Stimmbändern den Luftstrom aus der Lunge und senden durch die Resonatoren in der Mundhöhle Schallschwingungen aus. Gleichzeitig verwenden wir zur Wiedergabe von Schall über technische Geräte häufig eine völlig andere Methode, um Schall zu erhalten. Erzwingen wir, dass eine Membran, eine Saite oder eine Stimmgabel im Schallfrequenzbereich vibriert? Der Wirkungsgrad von Geräten mit Unterbrechung des Luftstrahls ist offensichtlich höher als der von Geräten mit vibrierenden Teilen. Grob gesagt klingt eine Blaskapelle bei sonst gleichen Bedingungen lauter als eine Streichorchester.
Die Hauptschallquellen sind heute elektrodynamische Lautsprecher. Sie erschienen fast gleichzeitig mit dem Aufkommen von Radio. Das heißt, sie existieren seit über 100 Jahren. Seitdem hat sich ihr Design nicht grundlegend geändert. Im Bereich eines starken Permanentmagneten befindet sich eine Spule, durch die ein Wechselstrom einer Audiofrequenz fließt. Die Spule ist mechanisch mit dem Lautsprecherkegel verbunden. Die Spule vibriert - der Diffusor vibriert mit - und wir hören den Ton. Es ist einfach. Wenn es jedoch darum geht, die Leistung eines solchen Lautsprechers zu erhöhen, sieht sich der Designer mit einer Kette unlösbarer Widersprüche konfrontiert. Es ist notwendig, die Leistung zu erhöhen - es bedeutet, dass Sie den Strom in der Spule erhöhen müssen - daher ist ein Draht mit einem größeren Durchmesser erforderlich. Und wenn ein Draht mit einem größeren Durchmesser verwendet wird, nimmt die Masse der Spule zwangsläufig zu.Eine massive Spule verschlechtert die Frequenzeigenschaften eines elektrodynamischen Lautsprechers. Eine starke Wicklung kann nicht mit einer hohen Frequenz schwingen. In der Kette "Signalquelle - Verstärker - Akustiksystem" ist das Glied "Akustiksystem" das schwächste. Es ist die Akustik, die am häufigsten die Schallleistung begrenzt. Und was für einen elektrodynamischen Lautsprecher typisch ist, ist ein extrem niedriger Wirkungsgrad von etwa 15%, wie bei einer Dampflokomotive. Für einen Elektronikingenieur ist es durchaus machbar, einen Verstärker mit einer Ausgangsleistung von 10 kW zu entwickeln, und die entsprechenden elektronischen Geräte sind auf dem Markt leicht erhältlich. Aber für einen Ingenieur-Akustiker einen elektrodynamischen Lautsprecher mit einer solchen Leistung zu entwerfen - eine Aufgabe aus dem Bereich der Fantasie. Um eine hohe Schallleistung zu erzielen, müssen einzelne Lautsprecher zu akustischen Systemen kombiniert werden.Die mächtigsten von ihnen werden verwendet, um die Konzerte berühmter Rockstars zu spielen. Dies sind sperrige, massive und teure Strukturen, für deren Transport ein LKW-Konvoi erforderlich ist.
Der Versuch, leistungsstärkere Geräte zu entwickeln, veranlasste Akustiker, sich auf pneumatische Geräte zu konzentrieren. In den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde der pneumatische Lautsprecher erfunden. Pneumatischer Lautsprecher, akustischer Emitter, bei dem Schall durch Ändern (Modulieren) des Druckluftstroms erzeugt wird. Das Funktionsprinzip ist einfach: Druckluft vom Kompressor wird durch eine Modulationsvorrichtung geleitet, bei der der Luftstrom durch die Klappe strömt. Der Dämpfer wurde wiederum von einem elektromagnetischen System angetrieben, das an den Ausgang eines Niederfrequenzverstärkers mit relativ geringer Leistung angeschlossen war. Die Luftströmungsrate wurde gemäß dem Tonsignal vom Niederfrequenzverstärker variiert. Am Ausgang der Modulationsvorrichtung traten Luftdruckschwankungen auf, die Schallwellen erzeugten.In den 30er und 40er Jahren wurden pneumatische Lautsprecher verwendet. 20. Jahrhundert zur Übertragung von Befehlen und Nachrichten in großen Häfen, Flusshäfen und anderen Objekten mit erhöhtem Geräuschpegel. Pneumatische Lautsprecher entwickelten eine Schallleistung von bis zu 2 kW und reproduzierten Schallschwingungen mit Frequenzen von bis zu 2,5–3,5 kHz mit großem Eigenrauschen und erheblichen nichtlinearen Verzerrungen. Aufgrund dieser Mängel werden pneumatische Lautsprecher derzeit nicht verwendet.Aufgrund dieser Mängel werden pneumatische Lautsprecher derzeit nicht verwendet.Aufgrund dieser Mängel werden pneumatische Lautsprecher derzeit nicht verwendet.
Ihr hoher Wirkungsgrad (ca. 80%) und die Fähigkeit, einen enormen Schalldruck zu erzeugen, sind jedoch unbestritten. Für alle heute existierenden Lautsprecher sind diese Zahlen unverschämt.
Nochmals: Drei wesentliche Nachteile von pneumatischen Lautsprechern. Nämlich:
- Hoher Eigengeräuschpegel durch Luftturbulenzen
- Hohe harmonische Verzerrung durch unvollständige Modulationsvorrichtung
- Der begrenzte Frequenzbereich aufgrund der Massivität des Steuerelements (Dämpfer) hat dazu geführt, dass diese Lautsprecher derzeit nur in akustischen Nachschlagewerken und in der Enzyklopädie erwähnt werden.
Alle heute erhältlichen Designs von pneumatischen Lautsprechern weisen einen wesentlichen grundlegenden Nachteil auf. In ihnen wird der Luftstrom nach dem gleichen Gesetz zeitlich gesteuert wie die von ihnen emittierten Schwingungen. Alle Versuche, solche Lautsprecher zu verbessern, sind im Voraus zum Scheitern verurteilt.
Wenn die oben genannten Probleme gelöst sind, ist es möglich, einen effektiven Schallstrahler mit großer Leistung zu bauen. Lassen Sie uns die Nachteile bestehender pneumatischer Lautsprecher genauer betrachten:
1) Das hohe Eigengeräusch eines pneumatischen Lautsprechers. Die Bewegung des Luftstroms durch Unregelmäßigkeiten verursacht unweigerlich alle Arten von Wirbeln und Turbulenzen. Es ist unmöglich, lautlos Luft durch eine Öffnung abzulassen.
Der Hauptweg, um das Geräusch eines Luftstrahls zu reduzieren, besteht darin, ihn in viele kleine aufzuteilen. Fast alle Abgasschalldämpfer in pneumatischen Systemen arbeiten nach diesem Prinzip. Versuche auf diese Weise, das Eigenrauschen in pneumatischen Lautsprechern zu reduzieren (sogenannte Modulationsgitter wurden hergestellt), waren wenig erfolgreich.
2) Hohe harmonische Verzerrung im pneumatischen Lautsprecher. Tatsache ist, dass während des Betriebs eines elektrodynamischen Lautsprechers der von ihm erzeugte Schalldruck direkt proportional zur Ampere-Kraft ist, die über die Schwingspule auf seinen Diffusor wirkt.
Und die Ampere-Kraft ist wiederum direkt proportional zum Strom in der Spule eines elektrodynamischen Lautsprechers. Daher weist ein elektrodynamischer Lautsprecher eine relativ geringe nichtlineare Verzerrung auf. Bei einem pneumatischen Lautsprecher ist die Situation völlig anders. Bei der Umwandlung der Energie eines Luftstroms in die Energie von Schallwellen entstehen viele Nichtlinearitäten. Das wichtigste sieht so aus: Nach dem Bernoulli-Gesetz ist der Druck im Luftstrom umgekehrt proportional zum Quadrat seiner Geschwindigkeit. Die Abhängigkeit der Luftströmungsgeschwindigkeit von der Ventilöffnung ist ebenfalls nichtlinear.
3) Der begrenzte Frequenzbereich bestehender Designs von pneumatischen Lautsprechern ist meiner Meinung nach auf die Tatsache zurückzuführen, dass bei einem hohen Grad an Selbstgeräuschschäden hochfrequente Geräusche durch Geräusche maskiert werden. Auch der Wunsch der Entwickler von pneumatischen Lautsprechern, ihre Geräusche zu reduzieren, indem der Luftstrom in viele kleine Düsen zerquetscht wird, zwang dazu, sperrige Modulationsgitter zu erzeugen. Diese Gitter konnten nicht mit einer hohen Frequenz vibrieren - und dies verringerte die obere Betriebsfrequenz bestehender Strukturen zu der Zeit.
Ich habe lange über Möglichkeiten nachgedacht, den pneumatischen Lautsprecher zu verbessern. Und jetzt kann ich zuversichtlich sagen, dass es eine echte Möglichkeit gibt, ein Gerät zu entwickeln, das frei von den Hauptnachteilen früherer ähnlicher Designs ist. Es ist möglich, ein Gerät zu erstellen, das in seinen Eigenschaften einzigartig ist und alle vorhandenen Designs deutlich übertrifft. Es ist realistisch, eine Lautsprecheranlage mit einer Leistung von 10 akustischen Kilowatt zu bauen, deren Signalqualitätsparameter den besten Beispielen für leistungsstarke elektrodynamische akustische Systeme entsprechen. Darüber hinaus erweist es sich als recht kompakt - es ist durchaus möglich, es auf einer Fracht, einem Geländewagen oder einem Hubschrauber zu platzieren und gleichzeitig riesige Gebiete zu erschließen. Unter günstigen Bedingungen ist dieser Lautsprecher in einer Entfernung von 8 km und darüber hinaus laut zu hören.Potenzielle Kunden eines solchen Produkts sind seriöse Organisationen. Dies ist in erster Linie das Ministerium für Notsituationen - das Produkt kann verwendet werden, um Such- und Rettungsaktivitäten zu organisieren und die Bevölkerung auf besondere Situationen aufmerksam zu machen. Innenministerium - verwendet, um die Menge während der Unruhen auf den Straßen zu beeinflussen. MO - Propaganda in den feindlichen Truppen über die Front während des Krieges, Nachahmung des Lärms der militärischen Ausrüstung, um den Feind falsch zu informieren.
Der Aspekt des internationalen Prestiges ist ebenfalls wichtig - die Russische Föderation wird ein Land, in dem die leistungsstärksten Lautsprecher der Welt gebaut werden.
Die Leistungselektronik schreitet mit enormer Geschwindigkeit voran. Seit etwa zwanzig Jahren haben sich elektronische Geräte zur Steuerung starker elektrischer Lasten (Elektromotoren, Heizungen usw.) von einem teuren und unzuverlässigen Exoten zu tatsächlich funktionierenden Produkten mit einer Leistung von Hunderten von Kilowatt entwickelt.
In all diesen Geräten - Frequenzumrichtern, Softstartern von Elektromotoren, Leistungsreglern usw. - ist das Verfahren der Pulsweitenmodulation (PWM) weit verbreitet. Das Wesentliche dieser Methode ist recht einfach: Der Thyristor oder das Transistorregelelement hat keine Zwischenzustände, er ist entweder vollständig offen oder vollständig geschlossen (dies ist aus energetischer Sicht äußerst vorteilhaft). Schließen - Öffnen erfolgt mit einer Frequenz, die mehrere Größenordnungen höher ist als die Frequenz der Änderung der Regelgröße. Die von einem solchen Regler gelieferte Leistungsmenge ist direkt proportional zur Öffnungszeit oder zur Öffnungsimpulsbreite des elektronischen Geräts des Reglers.
Ich bin zuversichtlich, dass die Pulsweitenmodulationsmethode erfolgreich in einem neuen pneumatischen Lautsprecherdesign angewendet werden kann. Ich schlage vor, die Methode zur Modulation des Luftstroms mit einem kontinuierlichen Niederfrequenzsignal aufzugeben. Es wird vorgeschlagen, das Prinzip der Pulsweitenmodulation - PWM - in einem pneumatischen Lautsprecher anzuwenden.
Ich schlage vor, PWM auf die Luftstromregelung in einem pneumatischen Lautsprecher anzuwenden. Bei PWM tendiert die Zeit transienter Prozesse beim Öffnen - Schließen des Luftstroms gegen Null. Dementsprechend wird das Eigenrauschen eines solchen Lautsprechers stark reduziert. Nichtlineare Verzerrungen sollten ebenfalls erheblich reduziert werden, da in diesem Fall die Funktion für Luftdruckwellen nicht die Durchflussrate ist, sondern die Zeit des offenen Kanals - und diese Abhängigkeit ist linear.
In der Praxis kann ein solcher Lautsprecher beispielsweise durch radikale Veränderung der seit langem bekannten Seebeck-Sirene realisiert werden. Oder auf andere Weise. Die Hauptsache ist, die Dauer der Luftdruckimpulse entsprechend den Schallschwingungen steuern zu können. Während des Betriebs des Geräts entstehen zwangsläufig parasitäre Ultraschallschwingungen, die durch spezielle akustische Niederfrequenzfilter auf Basis von Heimholtz-Resonatoren unterdrückt werden können. Die Kapazität des Geräts wird nur durch die Kapazität der Kompressoreinheit, die mechanische Festigkeit des Modulationsgeräts und die Sicherheit für die Umwelt begrenzt.
Diese Version eines Hochleistungs-Pneumatiklautsprechers wurde von mir gut durchdacht und für diese Konstruktion habe ich ein Patent für die Erfindung RU Nr. 2 653 089 angemeldet.
Ich sehe es als vielversprechend an, auch eine andere Möglichkeit, das Design eines pneumatischen Lautsprechers zu verbessern. Bandpass-Vocoder werden nämlich seit langem in der Sprachcodierungstechnologie verwendet.
In einem typischen Bandpass-Vocoder wird das ursprüngliche Sprachsignal durch eine Reihe von Bandpassfiltern analysiert, typischerweise 16 bis 25, die den für die Sprachwahrnehmung wesentlichen Bereich (typischerweise 0 bis 3 kHz) ungleichmäßig überlappen. Schwingungen an den Ausgängen der Bandpassfilter werden erfasst und durchlaufen das Tiefpassfilter, dessen Ausgangssignale bis zu dem einen oder anderen Grad die Hüllkurve des Sprachspektrums darstellen. Die Parameter, die die Anregungsquelle charakterisieren, werden unter Verwendung eines Ton-Rausch-Detektors erhalten, der bestimmt, ob der Ton stimmhaft (Stimmbänder vibrieren) oder taub ist. Im ersten Fall bestimmt der Haupttonwähler die Grundschwingungsfrequenz der Bänder. Sechzehn Kanalsignale, Ton-Rausch-Signal und Tonhöhenwert werden codiert und über den Kommunikationskanal an den Empfänger übertragen.
Nehmen wir an, die Übertragung ist fehlerfrei. Dann wird die Aufgabe des Empfängers auf die Sprachrekonstruktion basierend auf den übertragenen Parametern reduziert. Die Anregungsquelle ist entweder ein Impulsgenerator, dessen Frequenz durch ein Signal synchronisiert wird, oder ein Rauschgenerator. Abhängig vom Ton-Rausch-Signal ist einer von ihnen mit einer Reihe von Filtern verbunden, die mit denen des Analysators identisch sind, und erregt sie. Die erfassten spektralen Hüllkurvensignale werden verwendet, um die Schwingungen an den Ausgängen der entsprechenden Bandpassfilter zu modulieren, wodurch in jedem der Frequenzbänder Schallleistung erzeugt wird. Das synthetisierte Sprachsignal wird nach der Summierung aller modulierten Bandpassschwingungen erhalten - dies ist kurz gesagt das Funktionsprinzip eines Bandpassvocoders.
Bei Anwendung auf einen pneumatischen Lautsprecher ist es durchaus möglich, seinen Betrieb nach dem Prinzip des Empfangsteils eines Bandpass-Vocoders zu implementieren. Nämlich: Als harmonische Quelle können Sie eine speziell modifizierte Mehrfrequenz-Seebeck-Sirene verwenden. Verwenden Sie entweder einen speziell entwickelten pneumatischen Schallgeräuschgenerator oder dieselbe Seebeck-Mehrfrequenzsirene als Geräuschsignalquelle. Bandpass-Akustikfilter können basierend auf akustischen Heimholtz-Resonatoren implementiert werden. Um den gewünschten Frequenzgang des Filtersystems zu bilden, können Sie pneumatische Hochgeschwindigkeitsventile verwenden, die von der Elektronik gesteuert werden.
Generell sehe ich also die Möglichkeiten, wie das Design eines pneumatischen Lautsprechers verbessert werden muss.
Ich habe versucht, meine Idee selbst umzusetzen, aber diese Versuche sofort gestoppt. Es stellt sich als sehr komplexes und teures Produkt heraus - eine Person kann es nicht. Ich habe das Design auf der Ebene von Flussdiagrammen und groben Skizzen durchdacht. Ich kann nicht alleine anständige Zeichnungen berechnen und auf das Niveau bringen - dafür habe ich nicht genug Spezialwissen, Aufwand und Zeit. Aber ich habe eine gute Vorstellung davon, wie das Produkt aussehen wird und in welche Richtung die Arbeit ausgeführt werden soll. Wir brauchen anhaltende, zielgerichtete Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Wir brauchen ein kleines, aber starkes, effizientes Team.
Erforderlich: Praktischer Ingenieur, Akustikspezialist, guter Programmierer, der Analyseprogramme schreiben kann - Synthese von Tonsignalen, Ingenieur für elektronische Schaltkreise, Ingenieur - Spezialist für Codierung und Spracherkennung, Maschinenbauingenieur, Spezialist für die neuesten Verbundwerkstoffe, und möglicherweise benötigen Sie noch Mitarbeiter ...
Ich werde mich wiederholen - das Gerät, das ich vorgeschlagen habe, ist eine ziemlich neue und komplexe Sache. Komplex, weil es sowohl Präzisionsmechanik als auch intelligente Elektronik enthält und mehrere Teile enthält, die aus den neuesten Verbundwerkstoffen hergestellt werden müssen. Und wie bei allem Neuen wird die Schaffung höchstwahrscheinlich mit unvorhergesehenen Schwierigkeiten konfrontiert sein. Um einen Prototyp zu erstellen, müssen Sie daher einen Komplex von Forschungs- und Entwurfsarbeiten durchführen. Einige finanzielle und personelle Ressourcen werden benötigt. Ich kann nicht genau berechnen, wie viel benötigt wird. Aufgrund des hohen Neuheitsgrades besteht ein hohes Risiko für unvorhergesehene Probleme bei der Durchführung dieses Projekts. Ich bin ein einsamer Erfinder. Ich habe viele interessierte Organisationen kontaktiert, aber als Antwort entweder Schweigen oder herablassende - genehmigende Antworten. Ich werde aufrichtig froh sein,Wenn es unter den Lesern des Senders Menschen gibt, die die Aktivitäten von Designbüros leiten, die komplexe elektronische und mechanische High-Tech-Produkte, Luft- und Raumfahrt oder ein ähnliches Profil entwickeln. Und sie werden an dieser Richtung interessiert sein. Dieses ThemaMeine Seite ist auch gewidmet .
Viele Grüße, Igor Zharikov pentagrid88@yandex.ru