CN101803399B

CN101803399B - 扬声器

Info

Publication number: CN101803399B
Application number: CN200880108211.XA
Authority: CN
Inventors: M·多德
Original assignee: GP Acoustics UK Ltd
Current assignee: GP Acoustics UK Ltd
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2028-07-14
Also published as: GB0714474D0; WO2009013460A2; US8479873B2; US20110192674A1; WO2009013460A3; EP2172056A2; CN101803399A; GB2451259B; GB2451259A

Abstract

一种扬声器，其包括：具有喉部和波导表面的喇叭波导；声辐射器组件，其位于所述波导的喉部，所述声辐射器组件包括隔膜，所述隔膜具有被定形为来自环形表面的一部分的刚性声辐射表面以生成声波波前，所述波导表面被适配成与来自所述组件的波前的形状相匹配。

Description

扬声器

技术领域

本发明通常涉及扬声器以及用于扬声器的声辐射器组件(acousticradiator assembly)。

背景技术

在声学中，扬声器设计者通常努力产生具有同样的方向一致性(directional uniformity)并且在压力响应方面尽可能平滑的声辐射图案(pattern)的扬声器。

WO2006/092609公开了如何布置生成有限角度的锥形波导和球形波前的圆拱形隔膜(diaphragm)来产生具有带有非常平滑的压力响应的锥形分散(dispersion)特性的扬声器。

存在期望扬声器产生非轴对称的声辐射图案的场合。例如，在礼堂中，可能期望声波波前(acoustic wavefront)在水平和垂直方向上具有不同曲率。在现有技术中，实现这一目的的一个技术是使用喇叭，其利用衍射槽强制地对波前定形(shape)来实现期望的声辐射图案。

本发明基于发明人这样的认识，即扬声器设计者在设法实现具有同样的方向一致性且压力响应尽可能平滑的声辐射图案的过程中，应该试图复制(实际上尽可能接近地复制)理想平面、柱形或球形声源之一。根据Helmholtz波动方程，这些理论上的声源产生可以被描述为单个空间参数的函数的并因此不具有方向不规则性(irregularity)的非常简单的行波。

发明内容

出于这一认识，本发明源于这样的认识：期望无限长刚性圆柱体周围的环形的点源产生形状为环形(toroidal)并且因此在不同的方向上具有不同曲率的波前。有限元模型已示出这样的边界条件的确导致具有波前上小的振幅(amplitude)变化的近似环形的波前。在适当的坐标系中，波可以被近似地描述为单一的空间参数的函数。

因此，根据本发明的第一方面，本发明可以提供一种扬声器，其包括：喇叭波导(horn waveguide)，其具有喉部(throat)和波导表面；声辐射器组件，其位于所述波导的喉部，所述声辐射器组件包括隔膜，所述隔膜具有被定形为来自环形表面的一部分(section from atoroidal surface)的刚性声辐射表面以生成声波波前，所述波导表面被适配成与来自该组件的波前的形状相匹配。

因此，通过使用具有隔膜(其具有被定形为来自环形表面的一部分的声辐射表面)的声辐射器组件，本发明能够直接生成在两个正交方向上(例如x和y)具有带不同曲率的波前的辐射图案，并且具有良好的方向规则性。

环面(torus)是通过围绕与圆形物共面的旋转轴来三维地旋转该圆形物而生成的旋转表面。因此，从环面截取的一部分的表面可以看成具有两个限定的曲率，即与该环面的旋转轴垂直的平面中的第一曲率以及与旋转轴共面的第二平面中的第二曲率。而且，从该环面截取的所述部分的表面的范围可以看成具有两个限定的角，即在与该环面的旋转轴垂直的平面中的第一部分角以及与旋转轴共面的第二平面中的第二部分角。

优选地，所述部分具有在垂直于从环形表面外推(extrapolate)的环面的旋转轴的第一平面中的第一部分角和第一曲率以及在与所述旋转轴共面的第二平面中的第二部分角和第二曲率，其中第一曲率与第二曲率不同。

为了在波前从声辐射器组件行进时保持其形状，波导表面的形状必须与该波前的形状相匹配，以便不破坏辐射图案的规则性。如果来自声辐射器组件的波前的行进的方向与波导表面的附近部分的切线之间的角度近似为90°，则发生匹配。

因此，优选地，喇叭波导是包括第一对相对的波导表面和第二对波导表面的双角波导。第一号形角被限定为第一对相对的表面之间的会聚角。第二号形角被限定为第二对相对的表面之间的会聚角。

在优选实施例中，声辐射器组件可以包括多个可分别驱动的隔膜元件，每一个都具有刚性声辐射表面，该隔膜元件被布置以使得它们的声辐射表面一起形成来自环形表面的所述部分。

在本发明的实施例中，声辐射器组件还可以包括安装在该隔膜的前面的相位栓(phase plug)。在一个实施例中，该相位栓具有与隔膜的声辐射表面的那些特性相匹配的特性，从而维持由该隔膜生成的波前的形状。这一类型的相位栓是有益的因为其约束隔膜所作用的空气并因此增加辐射/耦合的效率。在另一个实施例中，相位栓具有与隔膜的那些特性失配的特性，从而在波前通过相位栓时引起在隔膜处生成的波前的分散。这一类型的相位栓可以被用来将声辐射器组件的辐射角扩展得超过所述隔膜能可接受地进行操作的范围。

根据本发明的第二个方面，本发明可以提供用于扬声器的声辐射器组件，其包括多个可分别驱动的隔膜元件，每一个都具有刚性声辐射表面，该隔膜元件被布置以使得它们的声辐射表面一起形成来自环形表面的一部分。

该多元件的隔膜结构允许扬声器具有要适当驱动的大的声辐射表面。此外，当该声辐射表面被驱动时，它提供了理想脉动表面的良好近似。

在本发明的上下文中，术语“环形”应当被广泛地解释从而包括与第二曲率相比第一曲率变得非常低的情况，或者在限制的情况下，第一曲率具有零曲率。因此，在本发明的含义中的环形部分还涵盖圆柱形部分。

附图说明

在下文中将参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1示出环形部分的表面；

图2示出根据本发明的实施例的通过扬声器的水平横截面图；

图3示出根据本发明的实施例的通过扬声器的垂直横截面图；

图4示出除去各个细节以说明喇叭和隔膜的安置的图2的图；

图5示出除去各个细节以说明喇叭和隔膜的安置的图3的图；

图6(a)示出根据本发明实施例的包括第一相位栓的扬声器；

图6(b)示出沿着B-B轴的图6(a)的截面图；

图7(a)示出根据本发明实施例的包括第二相位栓的扬声器；

图7(b)示出沿着A-A轴的图7(a)的截面图；以及

图8示出从箭头Z的角度看图3的一部分的三维图。

具体实施方式

图1示出说明环形部分的关键几何参数的环形部分的表面10的表示。从其截取环形部分的环面是通过围绕与圆形物共面的轴来三维地旋转该圆形物而生成的旋转表面。环形部分的表面10具有两个限定的曲率，即与该环面的旋转轴垂直的平面中的第一曲率C₁以及与旋转轴共面的第二平面中的第二曲率C₂。环形部分的表面10具有两个限定的角，即限定在与已从该环面截取的该环面的旋转轴垂直的平面中的环面的角部分的第一部分角θ₁，以及限定在与已从该环面截取的旋转轴共面的第二平面中的环面的角部分的第二部分角θ₂。

参考附图，根据本发明实施例的扬声器通常被指定为20。扬声器20包括声辐射器组件22，该声辐射器组件22包括具有声辐射表面27的多元件声辐射隔膜25，其具有来自环形表面的一部分的表面的整体形状。通过观察图2(扬声器20的水平横截面图)以及图3(扬声器20的垂直横截面图)可以看到，隔膜25包括1×4阵列的隔膜元件25a-d。每个隔膜元件25a-d都具有刚性的声辐射表面27a-d(具有来自环形表面的一部分的形状)，其用关于图1所使用的术语具有第一曲率C_V和第一部分或辐射角θ₁＝24°，如可以在图3中看到的，以及具有第二曲率C_H和第二部分或辐射角θ₂＝85°，如可以在图2中看到的。

将要认识到，隔膜25的声辐射表面27的第一和第二曲率总体上与各个隔膜元件25a-d的第一和第二曲率相同。同样地，仅一个元件宽的隔膜25的声辐射表面27具有与单个元件25a-d相同的第二部分或辐射角即θ₂＝85°。然而，在垂直方向上，存在4个隔膜元件，因此，隔膜25的声辐射表面的第一部分或辐射角总体上是各个元件25a-d的第一部分或辐射角的四倍，即θ₁＝96°。因此，在所示出的实施例中，仅在垂直方向上分割该隔膜25。在其它实施例中，可以另外地或可替换地在水平方向上分割该隔膜。如此处所使用的那样，“水平的”和“垂直的”仅被用作简略参考系以参考辐射表面27在分别对应于图1术语中的每一个C₁和C₂的方向上扩展的方向，并且在本发明的实行中没有其它的特殊意义。

每个隔膜元件25a-d由单独的驱动器单元30以及其自己的相关联外壳32分别驱动，该驱动器单元30位于相关联外壳32中。参考图2，驱动器单元30包括磁轭(yoke)33、磁体34、刚性耦合到隔膜元件25a的支承构件35以及缠绕该支承构件35的音圈37。如本领域中公知的那样构造驱动器单元30，以使得当将驱动器电流施加于音圈37时，线圈37和磁体34磁性上相互作用以生成使得支承构件35以及由此使得隔膜元件25a沿着中心轴X来回移动的力。

扬声器20还包括双角喇叭波导40，其被布置以使得隔膜元件25a-d的阵列占用喇叭40的喉部区域并且具有通常是张开的并且定形成与如下面所描述的隔膜元件25a-d生成的波前相匹配的内部波导表面。喇叭40具有如在图3中看到的一对相对的并且通常为水平的波导表面42、44以及一对相对的并且通常为垂直的波导表面46、48。第一垂直号形角θ₃被限定为两个通常为水平的波导表面42、44的会聚角。在图3中，θ₃＝96°。第二水平号形角θ₄被限定为两个通常为垂直的波导表面46、48的会聚角。在图2中，θ₄＝85°。将会认识到，在上述实施例中，隔膜25的水平和垂直辐射角θ₁、θ₂与水平和垂直号形角θ₃、θ₄相同。

在使用中，当将信号提供给扬声器20时，每一个驱动器单元都分别地在其各自的音圈37处接收信号并且对该信号做出响应，各自的隔膜元件25a-d如上面所描述的那样沿着其各自的驱动器单元的中心轴X来回移动。在机械上每个隔膜元件的移动独立于其它隔膜元件，但是因为驱动器单元的相对定向以及每个都由相同的信号来驱动的事实，所以隔膜元件25a-d的协调移动以及它们一起呈现给空气的表面的整体形状创建了具有水平方向上的曲率C_H以及垂直方向上的曲率C_V的波前。

已被选择成与来自声辐射器组件22的波前的形状相匹配的喇叭的波导表面42、44、46、48的形状(在该实施例中这等同于由声辐射表面27的几何形状确定的形状)不会破坏辐射图案的规则性并且因此用作保持所生成的波前实际上与理论预测非常近似。名义上，如果来自声辐射器组件22的波前的行进的方向与波导表面的附近部分的切线之间的角度近似为90°，则发生匹配。可以容易地从图8理解所需的波导表面42、44、46、48的几何形状，图8示出在通常从箭头Z的角度看的三维图中线Z₁和Z₂之间的图3的水平分层(horizontal slice)。在辐射表面27以及垂直波导表面46、48上示出的线是用于图示目的，以示出曲率并且不指示表面的分割。

图4和图5示出对应于在图2和图3中的那些的图，其中省略各个部件以便示出喇叭的波导表面42、44、46、48和声辐射表面27的相对安置。

参考图4，在隔膜表面27与通常为垂直的波导表面46、48相交的点处，表面D₃和D₄表示为隔膜表面27的切向外推的表面，且表面H₃和H₄表示为垂直波导表面46、48的切向外推的表面。在这些点处表面D₃和H₃之间所对向(subtend)的角由

指示。表面D₄和H₄之间所对向的角由

指示。优选地，

和

相等，但是在一些实施例中，它们可以不同。实际上，当对于第二水平号形角θ₄在40°和80°之间时，

和大于85°；对于角θ₄在80°和100°之间时，

和

在85°和90°之间；以及对于角θ₄在100°和120°之间时，

和在100°和110°之间，可以实现良好的匹配。

参考图5，在隔膜表面27与通常为水平的波导表面42、44相交的点处，表面D₁和D₂表示为隔膜表面27的切向外推的表面，且表面H₁和H₂表示为水平波导表面42、44的切向外推的表面。表面D₁和H₁之间所对向的角由

指示。优选地，

和

相等，但是在一些实施例中，它们可以不同。当对于第一水平号形角θ₃在40°和80°之间时，和

大于85°；对于角θ₃在80°和100°之间时，

和

在85°和90°之间；以及对于角θ₃在100°和120°之间时，和

在100°和110°之间，一定可以实现良好的匹配。然而，实际上，因为在所示出的实施例中，在垂直方向上分割该隔膜表面，所以有可能造成非常大的辐射角θ₁以及相应的大的号形角θ₃。

在其它实施例(未示出)中，声辐射器组件22可以包括单个隔膜。然而，由于适当地驱动大隔膜存在困难，所以这不是优选的装置。因此，对于许多应用来说，优选的是在图中示出的多元件隔膜构造。在其它实施例中，可以使用包括较大数目的隔膜元件的阵列。因为每个隔膜元件相对于其自己的驱动器单元来说具有适中的尺寸，所以可以容易地构造大的扬声器结构。将注意，通过使用多元件隔膜并且将该隔膜元件安装这样的装置中(在该装置中它们各自的声辐射表面在使用期间沿着其移动的轴彼此不平行而是垂直于它们形成其一部分的整个声辐射表面的面)，该结构更接近地近似于通常在设计模拟中假设的理想脉动表面。

在其它实施例中，声辐射器组件22还可以包括安装在该隔膜前面的相位栓。

图6(a)和6(b)示出具有挡板(baffle)62的第一相位栓60。特别参考图6(b)的截面图，可以看到挡板62已被定形成基本上沿着在隔膜元件表面27a-d(或共同称为隔膜表面27)处生成的波前的行进方向延伸并且因此最低程度地干扰或变形在隔膜表面27处生成的波前的形状。因此，在该实施例中，相位栓60的主要目的是约束隔膜所作用的空气并因此增加声辐射/耦合的效率。

图7(a)和7(b)示出具有挡板72的第二相位栓70和环形出口。该环形出口仅在图7(a)中的截面图中用74标记的虚线正面示出。

相位栓70的设计与相位栓60的设计在两个关键方面不同。首先，在图1的命名中，出口具有比隔膜辐射表面27的部分角大的第一和第二部分角。这在图7(b)的水平截面图中示出。出口具有第一部分角a，即平面P₁和P₂之间所对向的角。然而，隔膜辐射表面27的水平辐射角θ₂小于a。这允许在隔膜辐射表面27处生成的声辐射在它行进通过相位栓70时散开。其次，选择挡板72之间的槽的形状以使得从隔膜辐射表面27到相位栓的出口的路径长度保持不变。

这些特征的结果是，可以以这样的水平辐射角来产生与由理想环形表面而产生的波前近似的波前，该水平辐射角比使轴向驱动的环形多段隔膜能产生的水平辐射角大。通过在正交垂直方向上应用类似的测量，可以类似地扩展垂直辐射角，尽管在所示出的情况下，通常不需要这样，因为可能已经期望垂直分割的隔膜25近似于该方向上的脉动源。

将会认识到，因为声辐射器组件22包括相位栓70，其允许由隔膜辐射表面27生成的声辐射图案在通过相位栓70时散开并且因此由它来被重新定形，所以虽然再次选择垂直和水平号形角θ₃，θ₄以与来自声辐射器组件22的波前相匹配，但是在包括相位栓70的该实施例中，必须相对于退出相位栓时的波前，而不是在按照图2和图3(不包括相位栓)的实施例在声辐射表面27处的生成点处来确定该匹配。然而，因为离开相位栓70的波前基本上类似于期望来自于脉冲源的那些波前，所以辐射角以及相应的号形角可以非常大。

在其它实施例(未示出)中，作为对上述静态波导的替换，波导40被适配成用作另一个声辐射隔膜。该隔膜将在更低的频率范围内操作，并且因此不需要具有环形形状。在一个实施例中，驱动整个或部分波导表面42-48。通过以这种方式来有效地使用波导，扬声器的操作频率范围可以被扩展成包括更低的频率。可以根据需要独立于隔膜25或配合隔膜25来驱动波导40。优选地，波导用于在低音区辐射声能量，并且用作可以被用来辐射更高频率声能量的具有隔膜的一致声源。

Claims

1.一种扬声器，包括：具有喉部和波导表面的喇叭波导；声辐射器组件，位于所述波导的喉部，所述声辐射器组件包括隔膜，所述隔膜具有被定形为来自环面表面的一部分的刚性声辐射表面以生成声波波前，所述波导表面被适配成与来自所述组件的波前的形状相匹配，

其中所述部分具有在垂直于从所述环面表面外推的环面的旋转轴的第一平面中的第一部分角和第一曲率以及在与所述旋转轴共面的第二平面中的第二部分角和第二曲率，其中所述第一曲率与所述第二曲率不同。

2.根据权利要求1所述的扬声器，其中第一和第二曲率中的一个是零。

3.根据前述任一项权利要求所述的扬声器，其中所述波导表面被定形，以使得来自所述组件的波前的行进与波导表面的附近部分的切线之间的角度近似为90°。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的扬声器，其中所述喇叭波导是包括第一对相对的波导表面和第二对波导表面的双角波导，第一号形角被限定为所述第一对相对的表面之间的会聚角，且第二号形角被限定为所述第二对相对的表面之间的会聚角。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的扬声器，其中所述声辐射器组件包括多个可分别驱动的隔膜元件，每一个都具有刚性声辐射表面，所述隔膜元件被布置以使得它们的声辐射表面一起形成来自环面表面的所述部分。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的扬声器，还包括安装在该隔膜的前面的相位栓，所述相位栓具有与隔膜的声辐射表面的特性相匹配的特性，从而维持由所述隔膜生成的波前的形状。

7.根据权利要求1到2中任一项所述的扬声器，还包括安装在所述隔膜前面的相位栓，所述相位栓具有与所述隔膜的特性失配的特性，从而在波前通过所述相位栓时引起在隔膜处生成的波前的分散。

8.当从属于权利要求1时根据权利要求7所述的扬声器，其中所述相位栓具有被定形为来自环面表面的一部分的出口，并且所述隔膜的辐射表面的第一和第二部分角中的至少一个小于对应的出口角。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的扬声器，其中所述波导包括声驱动的辐射隔膜。

10.一种用于扬声器的声辐射器组件，所述扬声器包括多个可分别驱动的隔膜元件，每一个都具有刚性声辐射表面，所述隔膜元件被布置以使得它们的声辐射表面一起形成来自环面表面的一部分，

其中所述部分具有在垂直于从所述环面表面外推的环面的旋转轴的平面中的第一曲率以及在与所述旋转轴共面的第二平面中的第二曲率，其中所述第一曲率与所述第二曲率不同。

11.根据权利要求10所述的声辐射器组件，其中第一和第二曲率中的一个是零。