CN101554063A - 相位塞 - Google Patents
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Abstract
一种相位塞，其主体包含一个用于接收声波的输入侧和一个用于传输声波的输出侧，主体还包含多种通道，从输入侧延伸到输出侧，以传送声波通过该主体，其中输入侧包含一个输入面，该输入面包含各种端口以提供各通道的接口，输入面基本上被构造成部分的球体或者椭圆体，其中各端口面积根据输入面径向位置变化，径向位置根据从中心轴垂直延伸至输入面的延伸方向测定。其面积的变化是一个基于球心或者位于椭圆体中心轴和径向位置之间焦点角度的余弦函数。
Description
本发明涉及扬声器，特别是涉及压缩激励器和用于压缩激励器的相位塞。
压缩激励器是一种扬声器，其中声波辐射隔膜将声波辐射到一个小腔体。该腔通过相位塞(也可认为是一种相位适配器，一种相位变压器，一种声转换器，等等)连接到一个孔隙，其通常通向一个喇叭波导。小腔体和入口部分提供大负荷声波给隔膜，因为这个原因，其通常是较为高效的。然而，隔膜前方的腔体可在高频声波时导致问题产生。尤其，腔体会在不同的频率下产生强共振(被称为共振腔模式)，这些频率通常是在压缩激励器的工作频段。该共振可导致压缩激励器的输出功率产生不良的高压响应变化。另外，对于线性激励器，在共振激发时腔体内的高压级是不期望的。共振问题的严重程度主要由腔体的形状，相位塞的设计以及，更特别的，通过相位塞的通路(通道)的方位和大小决定。
美国声学学会杂志，第25卷，第2号，1953年三月出版(加利福尼亚大学的Bob H Smith)，揭示了喇叭型扬声器的气腔调查，其中包括了在带有环形通道(路径)的相位塞中计算各通道(路径)入口的位置和大小的方法。该揭示方法的目标是防止共振的激发，而该共振由进入或者离开相位塞中各通道的空气运动产生。
依据该技术论文中所述的数学分析方法，在一个理想的带有环形通道的相位塞中，无论相位塞中的径向位置如何，通道的宽度应当随着径向位置的增大而逐渐增大。
但是Bob Smith的技术论文仅仅考虑了通道中空气运动所产生的效应，而实际上共振也通常由隔膜自身的运动而被激发。本发明的作者已形成了一套新的理论分析，其包括最新的效应，并相应的推出了本发明。
相应的，本发明的第一个方面提供了一个相位塞，包括一个主体，其包含一个用于接收声波的输入侧和一个用于传输声波的输出侧，主体还包含多种通道，从输入侧延伸到输出侧，以传送声波通过该主体，其中输入侧包含一个输入面，该输入面包含各种端口以提供各通道的接口，输入面在形状上基本上被构造成部分的球体或者椭圆体，其中各端口面积根据输入面径向位置变化，径向位置根据从中心轴垂直延伸至输入面的延伸方向测定。其面积的变化是一个基于球心或者位于椭圆体中心轴和径向位置之间焦点角度的余弦函数。
在本发明的一些优选实施例中，由于端口面积随着输入面的径向位置变化，端口面积的变化可以表示成一个包含径向位置函数的数学关系。优选的，各端口面积的数学变化基本上与r.cos1/2Φ到r.cos2Φ范围内的函数成比例，其中r是径向位置而Φ是角度。更优选的，端口面积的变化基本上与r.cosΦ成比例，其中r是径向位置而Φ是角度。
在本发明特别优选的实施例中，一个或者多个端口包含一个或者多个槽的构造，各槽包含一个固定的或者可变的宽度。(优选基本所有端口都带有槽构造)比如，在一些实施例中，各槽有一个基本固定的宽度，但各槽的宽度随着相位塞输入面上的径向位置的变化而变化。这种形式的发明优选包含多个槽，且各个槽在相位塞中心轴周围的环面中相互分隔。(通常有一个连接部分，其延伸并穿过环形槽，与相位塞主体的部分相连，各部分被各槽相互分隔)在其他实施例中，各槽具有一个可变的宽度。这种形式的发明优选包含多个槽，其位于围绕相位塞中心轴的径向形式。而本发明的其他实施例是这两种形式的组合，其中相位塞包含一个或者多个槽，位于中心轴周围的环面，同时还包含一个或者多个槽，位于围绕中心轴径向形式中。举例来说，环形槽可比径向槽更接近于中心轴放置，反之亦然，且/或环形槽和径向槽可在径向方向相互间隔，并从中心轴方向延伸出去。在依据本发明的所有这样主要构型的相位塞中，槽的宽度优选的跟随径向位置变化，而径向位置是关于角度Φ的余弦函数。
本发明的第二个方面是相应的提供了一个相位塞，包括一个主体，其包含一个用于接收声波的输入侧和一个用于传输声波的输出侧，主体还包含多种通道，从输入侧延伸到输出侧，以传送声波通过该主体，其中输入侧包含一个输入面，该输入面包含各种端口以提供各通道的接口，输入面在形状上基本上被构造成部分的球体或者椭圆体，其中槽的宽度根据输入面径向位置变化，径向位置根据从中心轴垂直延伸至输入面的延伸方向测定。其槽的宽度变化是一个基于球心或者位于椭圆体中心轴和径向位置之间的焦点的余弦函数。
在本发明的一些实施例中，槽宽度的变化(随着输入面的径向位置而变化)可描述为一个数学关系式，其包含作为关系式的一个函数的径向位置。优选槽置于中心轴周围输入面基本径向位置的案例。因此，举例而言，各槽的宽度基本上与r.cos1/2Φ到r.cos2Φ范围内的函数成比例，其中r是径向位置，而Φ是角度。更优选的，各槽的宽度基本上与r.cosΦ成比例，其中r是径向位置而Φ是角度。对于一个或者多个槽被置于关于中心轴输入面基本径向位置的相位塞，其中各栓塞优选的相互贴合，通过输入面中心轴区域的端口。
另外或可选的，对于依据本发明实施例的一些相位塞，槽宽度的变化(随着输入面的径向位置而变化)可以以数学关系的方式描述，其不包括作为这个关系函数的径向位置。优选缝在形状上基本成环形或者部分环形的案例，举例来说。因此，举个例子，各槽的宽度基本上与cos1/2Φ到cos2Φ范围内的函数成比例，其中，Φ是角度。优选的，槽的宽度基本上与cosΦ成比例，其中Φ是角度。如上所述，对于带有一个或者多个环形槽相位塞的实施例，各槽优选被置入，从而其环形轴基本上与相位塞的中心轴同轴，且优选的各槽的宽度基本不变，但是槽的宽度根据相位塞输入面的径向位置变化。
在本发明的一些实施例中，输入面是凹陷的，比如，使用带有凸辐射面的隔膜。可选的，在本发明的其他实施例中，输入面是凸起的，比如使用带有凹辐射面的隔膜。
本发明的第三个方面，提供了一个压缩激励器，包含一个依据本发明第一或第二方面的相位塞，以及一个毗邻于相位塞输入侧的声波辐射隔膜。
压缩激励器的隔膜优选包含凸起或者凹陷的声学辐射面。优选的，隔膜的声波辐射面在形状上基本成部分球状或者椭圆体状。优选的，隔膜的声波辐射面可基本是刚性的。
压缩激励器优选的包含毗邻于相位塞输出侧的喇叭波导。至少在本发明的一些实施例中，喇叭波导垂直于中心轴的横截面是非圆形的。举例而言，喇叭的横截面可以是椭圆的，或者可以使任意的形状。然而，对于本发明的许多实施例而言，喇叭波导垂直于中心轴的横截面是基本成圆形的。
喇叭波导可以基本成部分圆锥状(比如喇叭波导可以基本是圆锥状，但在喇叭口位置被切割成平面)，然而，喇叭波导可以是喇叭状的，比如，其喇叭的形状基本遵照一个指数曲线，或者一个基本抛物线，或者别的喇叭曲线。其他喇叭波导的形式同样是可能的。
喇叭波导可以是一个静态波导，或者其本身可以是一个声波辐射隔膜，比如，一个锥形膜片。因此，在本发明的一些实施例中，喇叭波导可包含从动的声波辐射隔膜。喇叭波导可以基本独立于圆顶状的隔膜而被驱动，举个例子，从而喇叭波导调节到一般要比圆顶状隔膜低的声波辐射频率。因此，扬声器可包含一个驱动单元以驱动喇叭波导。喇叭波导本身包含声波辐射隔膜的适当解决方案的例子(但依据本发明其不包含相位塞)，在美国专利号5,548,657中被揭示。
本发明的第四个方面，提供了一个组合扬声器，包含声波辐射喇叭膜，一个用于喇叭膜的驱动器，和一个依据本发明第三个方面的压缩激励器，其位于，或者毗邻于，喇叭膜的入口。优选压缩激励器用于辐射高频声波，而喇叭膜优选的用于辐射低频或者中频声波。
可以理解，本发明任意方面的特征亦可能是本发明其他方面的特征。
相位塞优选的由一个或者多个以下材料构成：合金材料；混合材料；塑料原料；陶瓷材料。
压缩激励器的隔膜优选的由刚性的低密度材料制成，比如以下的一种或者多种：单金属或多金属合成材料；混合材料；塑料材料；陶瓷材料。一些优选的用于构成合适金属或者合金材料的金属包括：钛；铝和铍。压缩激励器隔膜的声波辐射面可由一些特殊的材料构成，比如金刚石(特别是化学沉积钻)。
喇叭波导可以是由任何合适的材料制成，比如以下的一种或者多种：单金属或多金属合成材料；混合材料；塑料原料；纤维材料；陶瓷材料。对于本发明中喇叭波导作为一种声波辐射隔膜的那些实施例，其优选塑料材料或者纤维材料，举例来说。而金属和/或纸质材料在另一些案例中更为合适。
本发明的一些优选的实施例通过举例的方式，并参照相应的图片，进行描述。
图1是依据本发明的压缩激励器实施例的横截面视图。
图2是依据本发明的相位塞，连同声波辐射隔膜的第一个实施例的部分横截面视图。
图3显示了依据本发明的相位塞的第二个实施例，从((a)到(f))的六个视图。
图4是标志了用于定义发明系数的径向位置r和角度Φ的原理示意图。
图5是标志了依据本发明的优选实施例中，相位塞的通道入口面积和槽宽度的变化的示意图；以及
图6是依据本发明的组合扬声器的横截面视图，其包含一片凸起的辐射隔膜，一个图3中所述的相位塞，以及一个辐射喇叭隔膜。
图1是依据本发明压缩激励器的一个实施例的横截面视图。压缩激励器包含一个声波辐射隔膜1，带有一个凹陷的声波辐射面，毗邻于相位塞3的输入侧。喇叭波导5在相位塞3的另一侧(输出侧)。隔膜1，相位塞3，和喇叭波导5有一个延伸于此的中心轴X-X。隔膜1，相位塞3，和喇叭波导5被置入，从而由隔膜1产生的声波传播并通过通道7延伸，经过相位塞3从相位塞的输入侧到输出侧，并接着被喇叭波导5接收和传导。隔膜1通过激励器组件的方式被驱动，激励器组件包括一个中心轴部分9，外部轴11，和一个磁铁13。特别的，隔膜1的环形外缘，其从声波辐射表面的周围突出，并包含一个导电线圈，且线圈和隔膜的外缘部分位于中心轴部分9和外部轴部分11之间的空隙15中，其空隙有磁场穿过。同样也展示了锁紧圈17和后外壳部分17。
对于专业人员，以上参考图1的所有介绍都是比较常规的，同样也是比较熟悉的。本发明的新颖之处主要在相位塞的细节部分，并在下文进行描述。
图2是依据本发明的相位塞，连同图1所示的压缩激励器的声波辐射隔膜的第一个实施例的部分横截面视图。包含导电线圈23的隔膜1，并从声波辐射面的外缘25向外突出的环形外缘部分，在图2中显示。隔膜的声波辐射面27是凹进的，其毗邻于相应的相位塞3的凸起输入面。凹进的声波辐射面27和凸起的输入面29形状上均包含部分的球体(或者椭圆体，但优选是球体)，且他们基本成同一轴心。相位塞3包含多通道7，从其输入侧(毗邻于隔膜1)延伸到其输出侧(接近喇叭波导5)用于传输声波通过相位塞主体。因此，相位塞3的输入面29包含多端口31以提供通道7的入口。更特殊的，相位塞3包含三种基本同轴的环形通道7，带有各自的同轴环形槽入口端31a，31b和31c。环形槽31a是最接近与中心轴X-X，环形槽31c距离中心轴X-X距离最远，环形槽31b位于槽31a和31c之间。对应于其整个面积，各槽31有一个基本不变(固定)的宽度，但各槽的宽度彼此之间各不相同，尤其在界定的关系下(如下所述)。
本发明的发明者发现如果槽31的面积和宽度作为一个余弦函数变化，其角度对向于球体的中心(或者椭圆体的焦点)，界定了位于中心轴X-X和输入面上槽径向位置之间的相位塞输入面29，接着相位塞可显著的减少，甚至基本消除，隔膜1和喇叭波导5的入口之间区域的声波共振(空腔谐振)的激发。角度(指定Φ)和径向位置(指定r)的界定如图4所示。径向位置r根据垂直于沿着垂直于中心轴X-X通过相位塞3的输入面29的延伸方向被测定。(如图4所示角度Φ和距离r的特值构成仅有一个的这种角度和仅有一个的径向距离；如图4所示，各槽31都带有其自身特有的角度特值和径向距离特值，其由中心轴X-X界定和测量。)
发明者发现，特别的，这些声波共振可显著的衰退(甚至可基本消除)，当端口31(比如，槽)的面积变化基本与在范围r.cos1/2Φ到r.cos2Φ之间的函数成比例。因此，举个例子，对于本发明的一些实施例，变化可基本与r.cosΦ成比例。
图2中槽31a，31b和31c的面积的变化在图5中显示，其中水平轴线标志了各槽的角度(单位是度)，而垂直轴标志了各槽的开口面积(以任意单位)。各槽31a，31b和31c在图中被标志(作为一个小的标志椭圆)，连同函数r.cos1/2Φ，r.cosΦ和r.cos2Φ。可见，所有的槽应列入由r.cos1/2Φ和r.cos2Φ所界定的限制范围内。
另外的(如上所述)相位塞3的环形槽的宽度W，如图2所示，优选基本在范围r.cos1/2Φ到cos2Φ之间成比例的函数。更优选的，槽的宽度W近似于与cosΦ成比例。槽的宽度W如图2所示。
图3显示了依据本发明的相位塞3可选实施例的六种视图((a)到(f))。图3的相位塞3包含一个主体，其包含一个用于接收声波的输入侧33和一个用于传输声波的输出侧35，主体还包含多种通道7，从输入侧33延伸到输出侧35，以传送声波通过相位塞3的主体，其中输入侧33包含一个凹进的输入面29，该输入面包含各种槽形式的端口31，其提供接口给通道7。输入面基本上被构造成部分的球体(或者椭圆体，但优选球体)。槽31被置于中心轴X-X周围的输入面29上的径向方向。在图3所示的实施例中，相位塞3包含7个通道，及相应的7个槽，但可少于，或者多于，所需的槽。各通道7(及相应的各槽31，其为通道的入口)是部分界定，并通过一对隔离片37，与相邻的通道7相隔离。由于有七种通道，因此就有七对放射状安置的隔离片37。各隔离片从相位塞3的外缘部分39朝中心轴X-X方向突起。外缘部分39一般有一个部分圆锥状的构造，其小半径毗邻于输入侧33而其最大半径毗邻于输出侧35。
槽31的面积分配，及相应的槽的宽度，随着相位塞3输入面29的径向位置r变化，如图3所述。更特别的，槽31的面积分配和宽度根据径向位置r和余弦函数的角度Φ(其在图4中有着相同方式的界定)函数变化。特别的，槽31的面积分配变化和槽31的宽度的改变都与范围r.cos1/2Φ到r.cos2Φ之间的函数基本成比例，比如近似与r.cosΦ成比例。由于槽宽度的此类改变意味着各槽的宽度在中心轴X-X(其r＝0)减小到0，相位塞应当包含相位塞主体的轴向中心部分，其中所有的隔离片37拼连在一起。然而，为了遵守槽宽度理想的数学变化，相位塞主体的任何轴向中心部分在半径范围内应理想的无穷小(这是很难或者不可能实现的)。因此，一般在中心轴X-X的相位塞的物理实施例在槽宽度上都近似于理想的数学变化，比如，要么包含一个相位塞主体的小轴向中心部分，要么包含一个连接所有槽到一起的轴向中心端口38。后一种形式是图3中所述的形式。
由于图3中相位塞3的输入面29上的槽端口31遵守以上所述的数学关系，通道7的输出侧不必再遵守这些数学关系。在图3中，各通道7在平行于中心轴X-X的方向上，以一个近似的指数形式从输入侧33到输出侧35放宽。如图3中的视图(f)所示，各隔离片37的输出边41有一个基本固定的小宽度。另外，各隔离片37的输出边41，从相位塞3输出端35的边缘部分，到输入面29的隔离片的放射最深的部分，基本成连续弧度。
图6是依据本发明的组合扬声器51的横截面图示，其包含一个凸起的圆顶状的辐射隔膜53，一个如图3所述型号的相位塞3，以及一个辐射喇叭膜55。凸起的辐射隔膜53和相位塞3位于喇叭膜55的入口处。凸起的辐射隔膜53被设置放射高频音，喇叭膜55被设置放射出低频或者中频音。组合扬声器51包含一个“边缘”57，其位于喇叭膜55的入口，并通过可形变的环形网59支撑凸起的辐射隔膜53，且用于相位塞3，支撑61连接到边缘57。喇叭膜55内置的圆柱部分65包含一个用于喇叭膜的激励器导电线圈，其延伸到激励器的磁性空隙(未显示)。喇叭膜55可在其外缘部分通过第二可形变环形网67支撑，且第二可形变网67的外缘部分连接到外缘支撑69。
在本发明的其他实施例中，对于本发明实施例描述以及图示的改动，在附加的权利要求说明书中的界定的发明范围内，是可以理解和接受的。
Claims (28)
1.一种相位塞，其主体包含一个用于接收声波的输入侧和一个用于传输声波的输出侧，主体还包含多通道，从输入侧延伸到输出侧，以传送声波通过该主体，其中输入侧包含一个输入面，该输入面包含各种端口以提供各通道的接口，输入面基本上被构造成部分的球体或者椭圆体，其中各端口面积根据输入面径向位置变化，径向位置根据从中心轴垂直延伸至输入面的延伸方向测定。其面积的变化是一个基于球心或者位于椭圆体中心轴和径向位置之间焦点角度的余弦函数。
2.根据权利要求1所述的一种相位塞，其中端口面积的变化同样是一个径向位置的函数。
3.根据权利要求2所述的一种相位塞，其中端口面积的变化基本上与r.cos1/2Φ到r.cos2Φ之间的函数成比例，其中r是径向位置而Φ是角度。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的一种相位塞，其中端口面积的变化基本上与r.cosΦ成比例，其中r是径向位置而Φ是角度。
5.根据前述任一项权利要求所述的相位塞，其中一个或者多个端口由单槽或者多槽形式构成，各槽有可变或者固定的宽度。
6.根据权利要求5所述的一种相位塞，其中所有的端口都由槽的形式构成。
7.根据权利要求5或者权利要求6所述的一种相位塞，其中槽的宽度根据径向位置以角度的余弦函数而变化。
8.一种相位塞，其主体包含一个用于接收声波的输入侧和一个用于传输声波的输出侧，主体还包含多种通道，从输入侧延伸到输出侧，以传送声波通过该主体，其中输入侧包含一个输入面，该输入面包含各种端口以提供各通道的接口，输入面实质上被构造成部分的球体或者椭圆体，其中槽的宽度根据输入面径向位置变化，径向位置根据从中心轴垂直延伸至输入面的延伸方向测定。其槽的宽度变化是一个基于球心或者位于椭圆体中心轴和径向位置之间的焦点的余弦函数。
9.根据权利要求8所述的一种相位塞，其中槽的宽度变化同样是一个径向位置的函数。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的一种相位塞，其中槽的宽度变化基本上与r.cos1/2Φ到r.cos2Φ之间的函数成比例，其中r是径向位置而Φ是角度。
11.根据权利要求7到10中任一项所述的一种相位塞，其中槽的宽度变化基本上与r.cosΦ成比例，其中r是径向位置而Φ是角度。
12.根据权利要求5到11中任一项所述的一种相位塞，其中一个或者多个所述槽在输入面上中心轴周围拍不成基本径向方向。
13.根据权利要求12所述的一种相位塞，其中所有的槽都相互毗连，并通过输入面轴向中心区域的端口。
14.依据权利要求7或者权利要求8所述的一种相位塞，其中槽的宽度变化基本上与cos1/2Φ到cos2Φ之间的函数成比例，其中Φ是角度。
15.根据权利要求14所述的一种相位塞，其中槽的宽度变化基本上与cosΦ成比例，其中Φ是角度。
16.根据权利要求5到15中任一项所述的一种相位塞，其中一个或多个所述槽基本成环形状或者成部分环状。
17.根据权利要求16所述的一种相位塞，其中各槽被安置，使得其环面的轴基本与中心轴同轴。
18.根据依附于权利要求12的权利要求16所述的一种相位塞，其中包含一个或者多个径向槽和一个或者多个环形槽。
19.根据前述任一权利要求所述的相位塞，其中输入面是凹形的。
20.根据权利要求1到18中任一项所述的相位塞，其中输入面是凸形的。
21.一种压缩激励器，包含依据前述任一权利要求所述的相位塞，且声波辐射膜毗邻于相位塞的输入面。
22.根据权利要求21所述的压缩激励器，其中的隔膜有一个凸起的声波辐射面。
23.根据权利要求21所述的压缩激励器，其中的隔膜有一个凹进的声波辐射面。
24.根据权利要求22或者权利要求23所述的压缩激励器，其中隔膜的声波辐射面的形状基本上是球形面的部分或者是椭圆体面的部分。
25.根据权利要求21到24中任一项所述的压缩激励器，其中隔膜的声波辐射面基本是刚性的。
26.根据权利要求21到25中任一项所述的压缩激励器，进一步包含喇叭波导，其毗邻与相位塞的输出面。
27.一种组合扬声器，包含一个声波辐射喇叭波导，一个用于喇叭波导的激励器，一个依据权利要求21到26中任一项所述的压缩激励器，其位于，或者毗邻于喇叭波导的入口。
28.根据依附于权利要求26的权利要求27所述的组合扬声器，其中声波辐射喇叭波导包含压缩激励器的喇叭波导。
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