Низкочастотный резонанс в лабиринте: польза и вред от увеличения звуковой мощности в 200 раз

    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 ρθ→ ∞ρθ→∞).
    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.

    Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

    Как вы считаете, есть ли будущее у этой инновации?

    • 22,9%Да, и это хорошо, такие корпуса многое изменят в портативном аудио, как когда-то фазоинвертор в классических АС32
    • 24,3%Да, и это плохо, ушлые производители увеличат мощность в ущерб качеству, как это было с фазоинвертором34
    • 43,6%Мало информации для реалистичного прогноза, требуются дополнительные исследования и развитие темы61
    • 5,7%Нет, и это хорошо, никто не станет рисковать качеством ради мощности8
    • 3,6%Нет, и это плохо, годная идея не получит развития из-за традиционализма производителей (воплей аудиофилов, безразличия обывателей)5
    Pult.ru
    Крупнейшая сеть Hi-Fi, High End в России

    Комментарии 22

      +1
      «Как писали в упомянутой выше статье, резонансная система не может запускаться и останавливаться мгновенно, а соответственно, возникают задержки»
      Это сразу будет видно на АФЧХ по искажению фазы. Такие базовые измерения исследователи нового метода уж точно не должны были проигноровать. Раз исследования продолжают, видимо, не все так плохо. Опять же, даже при наличии больших искажений и задержек, все можно исправить предварительной цифровой обработкой сигнала по заранее просчитанной модели системы.
        +1
        А что там исследовать — природу не обманешь, закон сохранения энергии будет исполнятся — сколько энергии вкачали в резонатор, столько и вылетит, только в другой форме.
        Громкость повысится за счет задержки и переотражения волн в резонаторе — получим искажение звука, чем больше увеличение громкости — тем больше искажений. Хотя для мобильных устройств и низких частот это не так критично.

          +1
          Да при чем тут закон сохранения? Энергии в телефоне предостаточно, подключите к выходу динамик в нормальном акустическом оформлении и сразу появятся басы. В излучателях малой площади нет эффективного способы передать энергию воздуху на низких частота из-за акустического замыкания. На высоких все окей — телефон орет будь здоров и энергии там хватает. Способы для любых частот давно известны — в начале статьи они описаны, но вот беда — размеры акустического оформления обратно пропорциональны частоте. В портативных системах все упирается в размеры, поэтому и выдумывают новые формы.

          PS: только сейчас дошло, что этот лабиринт по своей сути — рупор, просто сжатый в одном измерении. Звук от центра расходится по радиусу, захыватывая все большую площадь.
            +1
            только сейчас дошло, что этот лабиринт по своей сути — рупор, просто сжатый в одном измерении.

            Интересный взгляд, вероятно так оно и есть, но резонансные характеристики несколько отличаются от классического рупора, хотя сам принцип повышения SPL очень близок
              0
              До меня это дошло когда увидел заголовок статьи. Зашёл чтобы написать ехидный комментарий про то что ребята изобрели рупор патефона. И ужасно огорчился увидев сразу же под катом фотографии патефонов в ряд.
                0
                Дело не в акустическом замыкании вовсе.
                +2
                Зато теперь можно делать большегрузный клаксон размером с ноготь и носимый параходный ревун от хулиганов. На хулиганов-меломанов задержка и искажения произведут особенно трагический эффект.
              0
              Всё верно, только исследование затронуло т.н. фазовое распределение звуковых полей. Детального исследования фчх в статье нет, а она является единственным источником по исследованию. Относительно продолжения исследований есть сведения о том, что ведущий специалист Ying Wu покинул проект, в связи со сменой места работы, авторы в Штатах по этому поводу пишут, что не известно будет ли остальная команда разрабатывать тему без него.
                +1
                Возможно численно посчитать звуковое давление на выходе из такой штуки с учётом резонанса стенок (могу проверить, сложно ли для студента). Возможна и оптимизация стенки и каналов для улучшения АЧХ волны на выходе.
                  0
                  Возможно численно посчитать звуковое давление на выходе

                  Здорово, но тогда надо знать исходное spl динамика без этой штуки, а в идеале (учитывая то что судя по статье она обрезает спектр) и прочие характеристики излучателя.
                    +1
                    Для начала можно ограничиться обычными синусоидами на входе, чем наверное и занялись в команде, написавшей статью.
                    В финале сравнить с обычным рупором =) Сложно сказать, кто выиграет, т.к. воздух — среда всё же вязкая (т.е. колебания могут быстро затухнуть в узких каналах), а значит есть вероятность, что красивые картинки студентиков с модельными задачками при переносе в реальность превратятся в пшик.
                      +1
                      К тому же все узкие каналы довольно шустро забиваются пылью и микробами, разберите любой телефон =)
                  +2
                  Какая резонансная частота? Я так понял что усиливаться хорошо может одна частота или кратная, если мы говорим о резонансе. Скажем если это 30 герц, то 20 или 40 уже будут усиливаться слабо?
                    0
                    Несколько десятков рупоров, настроенных на смежные частоты? Первый 25-26 Гц, второй 26-27, третий 27-28 Гц и т.д.
                    0
                    Выглядит скорее как глушитель звука. Принцип у оружейных глушителей тот же — удлиннить путь звука и изменить направление, тем самым рассеять энергию.
                      +1
                      Глушитель работает за счет увеличения времени истечения газов.
                      Мощность = энергия/время выделения этой энергии.
                        0
                        Учитывая то что фронт истечения газов фактически и является первичной акустической волной выстрела, правы вы оба, господа.
                      +1
                      Ну, если взять десяток резонансных частот (лабиринтов для них) можно получить равномерное повышение отдачи на «низах». Но терзают смутные сомнения. «Стакан с айфоном» даёт примерное понимание: какой объём нужен для «низа», какой для «середины», ибо стакан- скорее последнее. Уложить в предполагаемый объём резонатор для 100-50 Hz не предполагаю возможным, а то, что выше 200 Hz- вообще «нижняя середина». К тому же следует уесть: чем вытянутее труба, тем острее резонансная частота. Потому и писал про десяток резонаторов.
                        0
                        Да понятно, что дабстеп там будет нормально «качать», а какая нибудь прямая бочка — не очень…
                          +1
                          3D-принтеры есть уже у многих. Выложите модели, и сообщество допилит это до рабочего состояния)
                          Например, у меня в кладовке есть ящик с разными динамиками, от советских послевоенных до современных. Если б у меня был 3D-принтер и модели этого лабиринта, я бы выбрал пару динамиков и напечатал себе несколько вариантов колонок, сравнив их по звучанию.
                            0

                            Похоже на вариацию четвертьволнового резонатора, только ещё сложнее. Сам ЧВ-то крайне сложен в реализации, а уж это…

                              0
                              Любопытная статья и интересная гипотеза.
                              А возможно ли подобное усиление источника звукового сигнала из центра лабиринта, для реально построенных и сохранившихся древних лабиринтах.

                              Интересно, а возможно ли и каким образом исследовать зафиксировать распространение звуковых волн в реальном достаточно большом хорошо сохранившемся лабиринте поместив в центр лабиринта источник звука.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое