Меня давно интересует вопрос - Почему когда мы разговариваем, кричим или поем мы своими голосовыми связками модулируем воздушную струю из легких и пропустив через резонаторы в ротовой полости излучаем звуковые колебания. Но в тоже время, для воспроизведения звука через какие - либо технические устройства, мы чаще пользуемся совсем другим способом получения звука - мы заставляем колебаться в звуковом диапазоне частот мембрану, струну или камертон?  КПД устройств с прерыванием воздушной струи заведомо выше, чем у устройств, с колеблющимися деталями. Грубо говоря - духовой оркестр, при прочих равных условиях, звучит громче струнного.

 Основными источниками звука, на сегодняшний день, являются электродинамические громкоговорители. Они появились почти одновременно с появлением Радио. То есть существуют уже больше 100 лет. С тех пор их конструкция принципиально никак не изменилась. В поле сильного постоянного магнита находится катушка, по которой протекает переменный ток звуковой частоты. Катушка механически связана с диффузором громкоговорителя. Колеблется катушка – вместе с ней колеблется диффузор – и мы слышим звук. Все просто. Но если стоит задача увеличить мощность такого громкоговорителя, то перед конструктором встает цепь неразрешимых противоречий. Нужно увеличить мощность – значит нужно увеличить силу тока в катушке – следовательно, требуется провод  большего диаметра. А при использовании провода большего диаметра неизбежно растет масса катушки. Массивная катушка ухудшает частотные свойства электродинамического громкоговорителя. Тяжелая обмотка не может колебаться с большой частотой. В цепочке «источник сигнала – усилитель – акустическая система» звено «акустическая система»- наиболее слабое. Именно акустика чаще всего ограничивает  отдаваемую звуковую мощность. И что характерно для электродинамического громкоговорителя – это крайне низкий КПД около 15%, как у паровоза.  Для инженера – электронщика сконструировать усилитель выходной мощностью 10 кВт вполне посильная задача и соответствующие электронные приборы вполне доступны на рынке. А вот для инженера –акустика сконструировать электродинамический громкоговоритель такой мощности – задача из области фантастики.  Для достижения больших акустических мощностей приходится объединять единичные громкоговорители в акустические системы. Самые мощные из них используются для озвучивания концертов известных рок-звезд. Это громоздкие, массивные и дорогие сооружения,  для перевозки которых, требуется колонна  грузовиков.

Попытка создать более мощные устройства заставила инженеров - акустиков посмотреть в сторону пневматических устройств.  Так в 20-х годах 20 века был изобретен пневматический громкоговоритель. Пневматический громкоговоритель, акустический излучатель, в котором звук создаётся изменением (модуляцией) потока сжатого воздуха. Принцип работы его прост: От компрессора сжатый воздух пропускается через модулирующее устройство, в котором воздушный поток проходил через заслонку. Заслонка в свою очередь приводилась в движение от электромагнитной системы, подключенной к выходу относительно маломощного усилителя низкой частоты. Скорость воздушного потока изменялась в соответствии со звуковым сигналом от усилителя низкой частоты. На выходе модулирующего устройства возникали колебания давления воздуха, которые порождали звуковые волны. Пневматические громкоговорители применялись в 30—40-х гг. 20 в. для передачи команд и сообщений в крупных гаванях, речных портах и на др. объектах с повышенным уровнем шума.  Пневматические громкоговорители  развивали акустическую мощность до 2 кВт и воспроизводили звуковые колебания с частотами до 2,5— 3,5 кГц,  при больших собственных шумах и значительных нелинейных искажениях. Вот из-за этих недостатков пневматические громкоговорители сейчас не применяются.

 Но остаются бесспорными их высокий КПД (около 80%) и способность создавать огромной величины  звуковые давления, для всех существующих, на сегодня, громкоговорителей эти цифры запредельны.

Повторюсь: Три существенных недостатка пневматических громкоговорителей. А именно: 1) Высокий уровень собственных шумов из-за турбулентностей воздушного потока.          2) Высокий уровень нелинейных искажений из-за несовершенства модулирующего устройства.     3) Ограниченный частотный диапазон из-за массивности управляющего элемента (заслонки),привели к тому, что в настоящее время об этих громкоговорителях, упоминается лишь в  справочниках по акустике и в Энциклопедии.

 Все имеющиеся, на сегодняшний день, конструкции пневматических громкоговорителей  содержат в себе один главный принципиальный недостаток.  А именно – в них управление потоком воздуха происходит  по тому же закону во времени, что и излучаемые ими колебания. Все попытки усовершенствовать, подобные громкоговорители, заранее обречены на неудачу.

Если вышеперечисленные проблемы решить, то возможно построить эффективный излучатель звука огромной мощности. Рассмотрим подробнее недостатки существующих пневматических громкоговорителей:

1) Высокий  уровень собственных шумов у пневматического громкоговорителя.  Движение потока воздуха через любые неоднородности неизбежно вызывает всевозможные завихрения и турбулентности. Невозможно бесшумно выпустить воздух через какое - либо отверстие. Основной путь уменьшения шума от воздушной струи - это дробление ее на множество мелких. По этому принципу работают почти все глушители шума выхлопа в пневматических системах. Попытки таким образом снизить собственные шумы в пневматических громкоговорителях (изготавливались, так называемые, модуляционные решетки) особого успеха не имели.

2) Высокий уровень нелинейных искажений у пневматического громкоговорителя . Дело в том, что при работе электродинамического громкоговорителя звуковое давление, которое он создает прямо пропорционально силе Ампера действующую на его диффузор через звуковую катушку. И, в свою очередь,  сила Ампера прямо пропорциональна силе тока в катушке электродинамического громкоговорителя. Поэтому электродинамический громкоговоритель имеет достаточно низкий уровень нелинейных искажений. Совсем по -другому обстоит дело у пневматического громкоговорителя.  При процессе преобразования энергии воздушной струи в энергию звуковых волн возникает множество нелинейностей. Главная из которых, выглядит так:  по закону Бернулли давление в воздушной струе, обратно пропорционально квадрату ее скорости. Нелинейна, также зависимость скорости воздушной струи от степени открытия задвижки.

3) Ограниченный частотный диапазон у существующих конструкций пневматических громкоговорителей, на мой взгляд, обусловлен тем, что при высоком уроне собственных шумов, высокочастотные звуки маскируются шумами. Также стремление конструкторов пневматических громкоговорителей снизить их шумность за счет дробления воздушной струи на множество мелких струй, заставляло создавать громоздкие модуляционные решетки. Эти решетки не могли колебаться с высокой частотой - и это снижало верхнюю рабочую частоту существующих в то время конструкций.

Я длительное время размышляю над путями совершенствования пневматического громкоговорителя. И сейчас могу уверенно сказать, что существует реальная возможность создать устройство свободное от главных недостатков прежних  подобных конструкций. Можно создать уникальное по характеристикам устройство, значительно превосходящее все ныне существующие конструкции. Реально построить громкоговорящую установку мощностью 10 акустических киловатт, параметрами качества сигнала соизмеримыми с лучшими образцами мощных электродинамических акустических систем. Причем она получается довольно компактной - ее вполне можно разместить на грузовом, автомобильном шасси повышенной проходимости или на вертолете и при этом озвучивать огромные территории. При благоприятных условиях этот громкоговоритель будет громко слышен на расстоянии 8 км и далее.  Потенциальные заказчики такого изделия - серьезные организации. Это в первую очередь МЧС - изделие можно применять для организации поисково-спасательных мероприятий, оповещения населения о особых ситуациях. МВД  - использование для воздействия на толпу во время массовых беспорядков на улицах  . МО - пропаганда в войсках противника через линию фронта во время войны, имитация шума военной техники для дезинформации противника.

Важен также аспект международного престижа - Российская Федерация станет страной где строят самые мощные в мире громкоговорители.

Сейчас с огромной скоростью прогрессирует силовая электроника. За какие -то двадцать лет электронные устройства для управления мощными электрическими нагрузками (электродвигателями, нагревателями и т. п.) превратились из дорогой и ненадежной экзотики в реально работающие изделия с мощностями в сотни киловатт.

Во всех таких устройствах - преобразователях частоты, устройствах плавного пуска электродвигателей, регуляторах мощности и т. п. повсеместно применяется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сущность такого метода довольно проста - регулирующий элемент тиристор или транзистор не имеет промежуточных состояний, он или полностью открыт или полностью закрыт (это крайне выгодно с энергетической точки зрения). Закрытие - открытие происходит с частотой на несколько порядков выше частоты  изменения регулируемой величины. Величина мощности выдаваемая таким регулятором прямо пропорциональна времени открытого состояния или ширине импульса открытого состояния  электронного прибора регулятора.

Я уверен, что метод широтно-импульсной модуляции может быть с успехом применен в новой конструкции пневматического громкоговорителя.  Я предлагаю отказаться от способа модулировать воздушную струю непрерывным низкочастотным сигналом. Предлагается применить в пневматическом громкоговорителе принцип  широтно-импульсной модуляции - ШИМ.

 Я предлагаю применить  ШИМ к управлению воздушными потоками в пневматическом громкоговорителе. При ШИМ время переходных процессов при открывании - закрывании воздушного потока  стремится к нулю. Соответственно резко снижаются собственные шумы такого громкоговорителя. Так же должны значительно снизиться и нелинейные искажения, так как в данном случае функцией для волн давления воздуха, является не скорость потока, а время открытого состояния канала - а эта зависимость линейна.

Практически реализовать такой громкоговоритель можно, например, коренным образом переделав, давно известную, сирену Зеебека.  Или другим каким-либо способом. Главное, чтобы была возможность управлять длительностью импульсов давления воздуха в соответствии со звуковыми колебаниями.  При работе устройства неизбежно образуются паразитные ультразвуковые колебания, их можно подавить специальными акустическими фильтрами низких частот на основе резонаторов Геймгольца. Мощность устройства будет ограничиваться только мощностью компрессорной установки, механической прочностью модулирующего устройства и безопасностью для окружающих.

Мне видится перспективным, также еще один путь совершенствования конструкции пневматического громкоговорителя. А именно: в технике кодирования речи уже давно применяются полосовые вокодеры.

 В типичном полосном вокодере  исходный речевой сигнал  анализируется гребенкой полосовых фильтров обычно 16 -25, неравномерно перекрывающих диапазон, существенный для восприятия речи (обычно от 0 до 3 кГц).  Колебания на выходах полосовых фильтров детектируются и проходят через ФНЧ, выходные сигналы которых  в той или иной степени представляют огибающую спектра речи. Параметры, характеризующие источник возбуждения, получаются с помощью обнаружителя тон—шум, определяющего, является ли звук звонким (голосовые связки вибрируют) или глухим. В первом случае выделитель основного тона определяет основную частоту вибрации связок. Шестнадцать канальных сигналов, сигнал тон—шум и значение высоты основного тона кодируются и передаются по каналу связи к приемнику. Предположим, что передача происходит без ошибок. Тогда задача приемника сводится к восстановлению речи на основе переданных параметров. Источником возбуждения служит либо генератор импульсов, частота которого синхронизируется сигналом , либо генератор шума. В зависимости от сигнала тон—шум один из них подключается к гребенке фильтров, идентичных фильтрам анализатора, и возбуждает их. Продетектированные сигналы огибающей спектра используются для модуляции колебаний на выходах соответствующих полосовых фильтров, за счет чего создается звуковая мощность в каждой из частотных полос. Синтезированный речевой сигнал получается после суммирования всех промодулированных полосовых колебаний - так вкратце выглядит принцип работы полосового вокодера.

В приложении к пневматическому громкоговорителю вполне возможно реализовать его работу по принципу приемной части полосового вокодера. А именно: В качестве источника гармонического можно использовать многочастотную, специальным образом, модифицированную сирену Зеебека. В качестве источника шумового сигнала применить либо специально сконструированный пневматический генератор акустического шума, либо все ту же многочастотную сирену Зеебека. Полосовые акустические фильтры можно реализовать на основе акустических резонаторов Геймгольца.  Для формирования нужной АЧХ системы фильтров можно применить быстродействующие пневматические задвижки управляемые электроникой.

Так в общих чертах мне видятся пути по которым нужно совершенствовать конструкцию пневматического громкоговорителя.