CN101185367A - 扬声器 - Google Patents

Abstract

一种扬声器，包括具有波导表面的号筒波导和处于号筒波导的喉部内或与号筒波导喉部相邻的换能器。换能器具有基本上刚性的凸圆顶形的声传播表面。在号筒喉部处，夹在号筒波导的纵轴线和波导表面之间的号筒角度处于20度至60度的范围内。在圆顶形状或其外延与波导表面或其外延的相交点处，夹在声传播表面的切平面与波导表面的切平面之间的交角处于85度至110度的范围内。

Description

扬声器

本发明涉及扬声器，且具体地涉及圆顶形(dome-shape)换能器，例如通常称作“高音喇叭”的高频换能器。

高频圆顶形换能器可以与环绕着的号筒或一起工作，或并不与其一起工作。号筒可以是静止的号筒，或本身就是声传播振膜(acoustically radiating diaphragm)，例如锥形振膜。本发明试图提供一种与已知装置相比具有改善了的声学特性的、利用凸圆顶形换能器的扬声器。

因此，本发明提供一种扬声器，其包括具有波导表面的号筒波导和处于号筒波导喉部内或与号筒波导喉部相邻的换能器，换能器具有基本上刚性的凸圆顶形的声传播表面，其中：

(a)在号筒喉部处，夹在号筒波导的纵轴线和波导表面之间的号筒角度(horn angle)处在20度至60度的范围内；并且

(b)在圆顶形状或其外延与波导表面或其外延的相交点处，夹在声传播表面的切平面与波导表面的切平面之间的交角(intersectionangle)处于85度至110度的范围内。

本发明的发明人发现，具有上述限定特征结合的扬声器能够在更广的频率范围上产生具有显著增强的一致性的声波(与迄今为止其它扬声器相比)。具体地，发明人发现本发明的扬声器所产生的声波能够具有在更宽的频率范围和更宽的方向度角上更一致的响应(与已知的扬声器所产生的声波相比)。

术语“球形度(sphericity)”(关于声波)在本说明书中用来限定波的波阵面(wavefront)对脉动的(pulsating)球形表面的片断的相似程度。圆顶形换能器所产生声波的球形度是非常重要的，这基于下列两个主要理由。第一，声波的球形度越高，则其方向性越平均(一般来说)，也即波产生的声压级将会在它的整个波阵面上更加一致。第二，具有高度球形度的声波通常可以避免显著的不规则响应，具体地，如果球形度基本上“匹配”它所沿着传播的号筒波导的形状的话(例如，在波阵面与波导表面相交的地方，使得波阵面基本上垂直于波导表面)。本发明的发明人发现(除了上文所提的结果之外)，根据本发明的扬声器所产生和传播的声波能够比包括了凸圆顶形换能器和号筒波导的已知扬声器具有高很多的球形度。

本发明的发明人发现，如果交角落在以特别方式随号筒角度而变化的优选角度范围内，可以用根据本发明的扬声器获得尤其好的声学效果。因此，在本发明的一些优选实施例中，对于在20度至40度范围的号筒角度而言，交角范围的最小交角为85度。优选地，对于40度至50度范围内的号筒角度而言，交角范围的最小交角基本上线性地从85度到90度变化。优选地，对于50度至60度范围内的号筒角度而言，交角范围的最小交角基本上线性地从90度到100度变化。

有利地，对于20度至45度范围内的号筒角度而言，交角范围的最大交角优选地、基本上线性地从100度到110度改变。优选地，对于45度至60度范围内的号筒角度而言，交角范围的最大交角是110度。

换能器的声传播表面是圆顶形的。至少在本发明的最宽广方面，圆顶的形状基本上可以是任何圆顶形状，但优选地圆顶形的声传播表面是基本上光滑的。在本发明的一些实施例中，声传播表面的圆顶形状是基本上椭球形的，例如椭圆沿其长轴线旋转半圈所产生的表面。然而对于本发明的大部分实施例来说，更优选地，换能器的声传播表面的圆顶形状基本上是球形的片断的形状(也即，圆顶优选地是基本上球形的圆顶)。

根据本发明的扬声器的换能器的圆顶形声传播表面是基本上刚性的。例如，这样的刚性可以通过对形成圆顶的材料的选择来获得。(一些优选的材料将在下文提到。)另外地或备选地，可以加固换能器以改进其刚性或提供给其刚性。用于本发明的特别优选的换能器已经在英国专利申请中公开，该申请与本申请在同一日由本申请人申请，并且其名称为“电声换能器”。因此，在本发明的一些优选实施例中，换能器包括具有声传播表面的前面部件、支持前面部件且从前面部件(优选地从前面部件的外围区域)沿离开声传播表面的方向延伸的支持部分以及提供刚性于换能器的加固部件。加固部件优选地从支持部分延伸到前面部件的后部处，以致于加固部件的一部分与前面部件及/或支持部分具有一定间隔。

发明人也发现其它的标准能够(至少对于本发明的一些实施例来说)确保扬声器的声音性能增强。例如，处于号筒波导喉部(在波导表面上的)和换能器的圆顶形声传播表面之间的任何点的任何间距(沿基本上垂直于号筒波导的纵轴线的径向方向)，优选地不大于2.5毫米，更优选地不大于2毫米，例如1.5毫米或更少。该优选的准则可以用另一种方式表达如下，或者说可选的优选准则如下：处于波导表面上的号筒波导喉部的最小直径优选地比换能器的圆顶形的声传播表面的最大直径最多只大5毫米。优选地，号筒波导喉部的最小直径优选地比换能器的圆顶的最大直径最多只大4毫米，例如最多只大3毫米。优选地，在换能器和号筒波导之间基本上不存在展现在音频范围内的共振的腔。

在本发明的优选实施例中，换能器的圆顶形声传播表面通过环绕件(surround)附接在围绕换能器的支架上，环绕件的至少一部分是挠性的。环绕件优选地包括大致环形的连接板件，其宽度方向(即垂直于号筒纵轴线的方向)的至少一部分是挠性的，因此允许可以产生声波的、圆顶的基本上轴向的运动。优选地，换能器的圆顶形声传播表面与支架在基本上垂直于号筒波导纵轴线的径向方向上具有一定间距，其不超过2.5毫米，例如不超过2毫米。该优选准则可以另一种方式表达如下，或者说可选的优选准则如下：围绕换能器的支架的最小直径优选地比换能器圆顶形的声传播表面的最大直径最多只大5毫米，例如最多只大4毫米。

如上所述，用于根据本发明的扬声器的号筒角度(在号筒喉部处，夹在号筒波导的纵轴线和波导表面之间)处于20度和60度之间。优选地，号筒角度不大于55度，尤其不大于50度。优选地，号筒角度至少是25度，更优选地至少是30度，尤其是至少35度，例如40度。

在本发明的至少一些实施例中，号筒波导在垂直于其纵轴线的截面上是非圆形的。例如，号筒在截面中可以是卵形的，或者其实是基本上任何形状的。然而，对于本发明的许多实施例来说，号筒波导在垂直于其纵轴线的截面上是基本上圆形的。

号筒波导可以是基本上截头锥形的(也即，号筒波导可以是基本上锥形的，但是在号筒的喉部切去顶端)。然而，号筒波导可以是外展的，例如如同基本上指数形的曲线、或基本上抛物线形的曲线、或其它向外展开的曲线一样外展。号筒波导的其它形状也是可能的。

号筒波导具有轴向长度，其优选地是换能器圆顶高度的至少1.5倍，更优选地是换能器圆顶高度的至少2.0倍。换能器圆顶高度这样来定义和测量：沿号筒波导的纵轴线，从换能器圆顶形的声传播表面与波导表面(或其外延)的交点，到圆顶的声传播表面与号筒纵轴线的交点。(也就是说，圆顶的高度是其沿号筒纵轴线测量的高度。)号筒的轴向长度这样来定义和测量：沿号筒的轴线，从波导表面最内部的边缘(喉部)到波导表面最外部的边缘(口部)。

如上文所表明的，号筒波导可以是静止的波导，或者其本身是声传播振膜，例如锥形振膜。因此，在本发明的一些实施例中，号筒波导可以包括从动声传播振膜。振膜可以基本上独立于圆顶形换能器而被驱动，例如，以使振膜设置为可以比圆顶形换能器传播大致上频率较低的声波。可选地，振膜和圆顶形换能器例如可以基本上作为一个单元被一起驱动。因此，扬声器优选地包括一个或多个驱动单元以驱动振膜及/或圆顶形换能器。合适的配置(虽然至少具有与本发明不同的交角)的示例公开在美国专利5548657号，其中号筒波导本身包括声传播振膜。

圆顶形换能器优选地由基本上刚性的低密度材料形成，例如，金属材料或金属合金材料、合成材料、塑料材料或陶瓷材料。用于形成合适的金属材料或金属合金材料的一些优选金属包括：钛、铝和铍。圆顶形换能器的声传播表面可以由特殊材料形成，例如金刚石(尤其是化学沉积的金钢石)。

号筒波导可以由任何合适的材料形成，例如，金属材料或金属合金材料、合成材料、塑料材料、纤维材料或陶瓷材料。对于本发明的一些实施例(其中号筒波导是声传播振膜)，它优选地由例如塑料材料或纤维材料形成。某些情况下金属或纸是优选的。

例如，在本发明的一些实施例中，扬声器可以包括一个或多个换能器及/或从动声传播振膜。

本发明的第二方面在于提供一种扬声器系统，其包括多个根据本发明第一方面的扬声器。

本发明其它优选的和可选的特征将在下文和从属权利要求中介绍。

现在将通过举例并参考附图来介绍本发明的一些优选实施例的示例，其中：

图1示意性地显示了根据本发明的扬声器的一部分的截面图；

图2显示了图1的细节；

图3示意性地显示了根据本发明的扬声器的“交角”(如本文所定义的)；

图4(a)至图4(f)显示了声压级(单位为dB)与声音频率(单位为Hz，或标准化的波数Ka)的函数关系图，其中为根据本发明的扬声器设计的模型具有六个不同的号筒角度，且在每个号筒角度又具有各种不同的交角；

图5显示了用于根据本发明的扬声器的交角的一些优选范围与号筒角度的函数关系图；

图6(a)和图6(b)示意性地显示了根据本发明的优选扬声器的一些尺寸；

图7(a)和图7(b)显示了根据本发明的扬声器的特定尺寸的各种相对值的有限元计算机建模结果(finite element computer modellingresults)；以及

图8显示了根据本发明的扬声器的特定示例的有限元计算机建模结果。

图1和图2示意性地显示了根据本发明的扬声器1的一部分的截面图。(两图都仅显示了扬声器在纵轴线12一侧的一半。扬声器关于该轴线对称。)扬声器1包括具有波导表面5的号筒波导3和通常位于号筒波导喉部9内的凸圆顶形换能器7。凸圆顶形换能器7具有基本刚性的声传播表面11，其形状基本如同球面的片段。(也即，表面11的曲率基本上是球面的曲率。)号筒波导3是大致为截头锥形的、外展的、静止的波导，其具有纵轴线12。圆顶形换能器7的环绕件31附接到位于号筒波导3的喉部9之后的支架13上。

圆顶形换能器7的驱动单元15包括壳体(pot)17、盘形磁铁19和盘形内极21。壳体17是基本圆筒形的，且具有开口23以容纳盘形磁铁19和盘形内极21。开口23由径向向内延伸的唇缘25限定，唇缘25形成驱动单元15的外极。圆顶形换能器7的基本上圆筒形的形体(或支架)27承载围绕该形体27的电导体(例如金属线)线圈29。线圈29和形体27在驱动单元的内极21和外极25之间延伸。圆顶形换能器7基本上沿轴线12被驱动单元驱动，且由挠性环绕件31稳定。优选地，环绕件31的径向宽度上的至少50％与号筒波导喉部9交叠。

图3是根据本发明的扬声器的“交角”(如同本文中定义的)的示意图。如同所示，交角在球形曲面和从波导表面外延的虚表面37的交点上，夹在声传播表面11的球形弯曲的切平面33与号筒波导3的切平面35之间。如所标示的，图3所例举的交角为87度。

图4显示了有限元分析计算机对声压级(单位为dB)与声音频率(单位为Hz)的建模结果的函数关系图，其中为根据本发明的扬声器设计的模型具有六个不同的号筒角度，且在每个号筒角度又具有各种不同的交角；计算机模型假定(为了简单化)凸圆顶形换能器具有形状为球体一部分声传播表面，而且表面沿无限延伸的锥形号筒波导的纵轴线被驱动。

如同技术人员已知的，为了让扬声器充分地起作用，需要使扬声器所发出声音的声压在基本上整个扬声器的声频工作范围内尽可能地(对于给定的输入功率)平滑且足够大。对于根据本发明的优选扬声器，工作频率范围通常从约2kHz到约20kHz(或可能更高；例如对于超音频压缩盘(SACD)系统，工作频率范围超过20kHz)。因此，对于根据本发明的扬声器，其需要在该频率范围上具有尽可能光滑且足够大的声压级响应。如同技术人员还已知的，声压级通常会随与扬声器相关的、对声压级进行测量(或建模)的方向而变化(对于特殊的扬声器)。因此，本发明对与圆顶形换能器相关的两个主要“方向”进行计算机建模，即“在轴线上”及在号筒的波导表面。

图4(a)至图4(f)分别显示了具有20度、30度、35度、40度、50度和60度号筒角度的号筒波导的建模结果，其中对于每个号筒角度具有各种不同的交角。在每种情况下，如上所述，声压级(″SPL″)在纵轴线上(“在轴线上”)及在号筒的波导表面处(“在轴线外”)建模。每张图都显示了一系列位于图上部的曲线和另外一系列位于图下部的曲线，每条曲线都包括了对特定规格号筒角度和特定规格交角的建模结果。上部的曲线系列显示了对轴线上的SPL的建模结果，而下部的曲线系列显示了对三个交角中的每个在轴线上和轴线外的建模结果的差异。

图4所示的每条曲线都是声压级(单位为dB)与声音频率(单位为Hz)的函数曲线。所示的结果是对于25毫米喉部直径和25毫米圆顶形声传播表面直径的结果。然而，曲线可以显示为声压级(单位为dB)与标准化的波数(单位为ka)的函数曲线：

$\mathrm{ka}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}r$

其中：

r为喉部半径

λ为声波波长，

另外，每条SPL曲线的正常倾角(倾斜)已通过对曲线施加6分贝的倍频程斜率而基本拉平，使得任何来自基本上为直线的曲线的偏移都可以清楚地显示。

图4中图解式显示的建模结果清楚地表明，对于处于本发明范围内的那些扬声器模型(也即，具有85度到110度范围内的交角和20度到60度范围内的号筒角度的)，比起那些处于本发明范围外的扬声器模型(也即，交角处于限定范围之外的)，其声压级响应不管是“在轴线上”或者是在号筒波导表面都显著地更平滑。对于那些交角位于优选范围内的模型，其所建模的声压级响应则更加显著地比那些交角位于本发明范围外的模型平滑。

上文已提及对于不同号筒角度的交角优选范围。现总结如下。对于20度到40度范围内的号筒角度而言，交角范围的最小交角是85度。对于40度到50度范围内的号筒角度而言，交角范围的最小交角优选地、基本上线性地从85度到90度变化。对于50度到60度范围内的号筒角度而言，交角范围的最小交角优选地基本上线性地从90度到100度变化。对于20度到45度范围内的号筒角度而言，交角范围的最大交角优选地基本上线性地从100度到110度变化。对于45度到60度范围内的号筒角度而言，交角范围的最大交角优选地为110度。这些优选范围图解式地显示在图5中。对于每个号筒角度的优选交角都落在图示区域内(或其边界上)。

图6(a)和图6(b)示意性地显示了根据本发明的优选扬声器的一些尺寸。图6(a)显示了换能器圆顶形声传播表面的直径D1，位于波导表面的号筒波导喉部的直径D2，以及围绕换能器且被环绕件附接的支架的直径D3。图6(b)显示了换能器圆顶形声传播表面与位于波导表面的号筒波导喉部之间的间距(或者间隙)G(其等于(D2-D1)/2)。图6(b)还显示了换能器圆顶形声传播表面与围绕换能器的支架之间的间距W(其等于(D3-D1)/2)。该间距W通常也等于在换能器的圆顶和支架之间延伸的环绕件的宽度。

图7(a)和图7(b)显示了对D1、D2和D3的各种的相对值的有限元计算机建模结果。图7(a)显示了改变号筒波导喉部与换能器圆顶形表面之间间距G(也即(D2-D1)/2)的效果。所建模的的声压级(SPL，单位为dB)与声音频率(单位为Hz)的函数曲线显示了，对于2毫米或更小的间距G(也即，D2-D1为4毫米或更小)，比起3毫米或者4毫米的间距G(也即，D2-D1是6毫米或者8毫米)，SPL响应在高达至少20kHz(其大约是或接近人类听觉的高频极限)的频率上显著地更加平滑(也即，显著地更加接近恒定)。

图7(b)显示了改变支架和换能器的圆顶形表面之间的间距W(也即，(D3-D1)/2)的效果。所建模的的声压级(SPL，单位为dB)与声音频率(单位为Hz)的函数曲线显示了，对于2.5毫米或更小的间距W(也即，D3-D1为5毫米或更小)，比起3毫米或者4毫米的间距W(也即，D3-D1是6毫米或者8毫米)，SPL响应在高达至少20kHz的频率上显著地更加平滑(也即，显著地更加接近恒定)。(应当注意的是，虽然D3＝D1是理想的声学状况，但是它在机械上是很难(或者也许不可能)实现的。)

图8显示了对根据本发明的扬声器的有限元计算机建模结果，其中该扬声器的圆顶形换能器在号筒波导内的直径为45毫米，且该扬声器的交角为87.5度而号筒角度(在喉部)为40度，号筒波导具有指数的外展形状，其外展率意味着开启频率(cut-on frequency)为2kHz。(外展率与为通过固定因子来增加的号筒面积所采取的距离有关。对于指数的号筒波导而言，该距离在号筒的整个长度上是基本上恒定的。)结果显示了在关于号筒波导纵轴线的各种不同方向(角度)上所建模的的声压级(单位为dB)与声音频率(单位为Hz)的函数关系。结果显示了，在关于号筒波导的纵轴线成角0到60度的所有方向上，在高达20kHz的频率上，SPL响应是非常平滑的(也即，非常接近恒定)。这说明在高达20kHz的频率上，不仅仅扬声器的SPL响应是一致的，扬声器的方向性也是一致的，也即，在与扬声器相关的不同方向上，声压角度几乎没有变化。本发明的发明人相信，没有本发明则不可能达到这样的结果，如果这结果并非是不可能达成的。

Claims (27)

1.一种扬声器，其包括具有波导表面的号筒波导和位于所述号筒波导喉部内或与之相邻的换能器，所述换能器具有基本刚性的凸圆顶形声传播表面，其中：

(a)在所述号筒喉部处，夹在所述号筒波导的纵轴线和所述波导表面之间的号筒角度处在20度到60度的范围内；并且

(b)在所述圆顶形状或其外延与所述波导表面或其外延相交的点处，夹在所述声传播表面的切平面与所述波导表面的切平面之间的交角处于85度到110度的范围内。

2.根据权利要求1所述的扬声器，其特征在于，对于处于20度到40度范围内的号筒角度而言，最小交角是85度。

3.根据权利要求1或2所述的扬声器，其特征在于，对于处于40度到50度范围内的号筒角度而言，最小交角基本上线性地从85度到90度变化。

4.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，对于处于50度到60度范围内的号筒角度而言，最小交角基本上线性地从90度到100度变化。

5.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，对于处于20度到45度范围内的号筒角度而言，最大交角基本上线性地从100度到110度变化。

6.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，对于处于45度到60度范围内的号筒角度而言，最大交角为110度。

7.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述换能器的圆顶形声传播表面是基本上椭球状的。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的扬声器，其特征在于，所述换能器的圆顶形声传播表面基本上是球面的片段。

9.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，在沿基本上垂直于所述号筒波导纵轴线的径向方向上，在所述波导表面处的号筒波导喉部和所述换能器的圆顶形声传播表面之间的任何点处的任何间距都不大于2.5毫米。

10.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，在所述波导表面处的号筒波导喉部的最小直径比所述换能器的圆顶形声传播表面的最大直径最多只大5毫米。

11.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述换能器的圆顶形声传播表面通过环绕件附接于围绕所述换能器设置的支架上，所述环绕件的至少一部分是挠性的。

12.根据权利要求11所述的扬声器，其特征在于，所述换能器的圆顶形声传播表面与围绕所述换能器设置的支架在基本上垂直于所述号筒波导纵轴线的径向方向上具有一定间距，其不超过2.5mm。

13.根据权利要求11或12所述的扬声器，其特征在于，围绕所述换能器设置的支架的最小直径比所述换能器的圆顶形声传播表面的最大直径最多只大5毫米。

14.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述号筒波导具有至少1.5倍于所述换能器圆顶高度的轴向长度。

15.根据权利要求14所述的扬声器，其特征在于，所述号筒波导具有至少2倍于所述换能器圆顶高度的轴向长度。

16.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述号筒波导在垂直于其纵轴线的截面上是非圆形的。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的扬声器，其特征在于，所述号筒波导在垂直于其纵轴线的截面上是基本上圆形的。

18.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述号筒波导是基本上截头锥形的。

19.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述号筒波导是外展的。

20.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述号筒波导包括从动声传播振膜。

21.根据权利要求20所述的扬声器，其特征在于，所述振膜基本上独立于所述圆顶形换能器被驱动。

22.根据权利要求21所述的扬声器，其特征在于，所述振膜设置为用以传播比所述圆顶形换能器传播大致上频率较低的声波。

23.根据权利要求20所述的扬声器，其特征在于，所述振膜与所述圆顶形换能器基本上作为一个单元被共同驱动。

24.根据权利要求20至23中任一项所述的扬声器，其特征在于，所述扬声器包括驱动单元以驱动所述振膜。

25.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述扬声器包括驱动单元以驱动所述圆顶形换能器。

26.根据任一项前述权利要求所述的扬声器，其特征在于，所述扬声器包括一个或多个另外的换能器和/或从动声传播振膜。

27.一种扬声器系统，其包括多个根据任一项前述权利要求所述的扬声器。

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