CN101933341A - 波导电声换能 - Google Patents
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Abstract
一种扬声器部件,包括声波导;安装在波导中的声驱动器,使得第一表面将声波辐射到波导中,从而从该波导辐射声波;以及在声学上耦合至声波导的声体积,用于增加从声波导辐射的声波的幅度。
Description
背景技术
本说明书描述了改进的声波导。在美国专利4,628,528中一般性地描述了声波导。在美国专利6,771,787和美国专利申请09/753,167中描述了声波导的某些特定方面。
发明内容
在一个方面中,一种扬声器部件,包括:声波导;安装在所述波导中的声驱动器,使得第一表面将声波辐射到所述波导中,从而从所述波导辐射声波;以及具有尺寸的声体积,其在沿所述波导的位置处在声学上耦合至所述声波导,其中所述位置和尺寸使得从所述声波导辐射的声波的幅度增加。所述声波导基本上可以是无损的。所述声体积可以增加波长等于所述波导的有效声长度的声波的幅度。所述声波导可以具有形成所述声体积的壁的弯曲壁。所述声波导可以具有弯曲壁,所述弯曲壁形成在声学上耦合至所述声波导的声体积的壁,从而增加来自于所述波导的声辐射。所述声体积可以是泪滴形状。波导壁可以形成耦合至所述声波导的另一声体积的壁。所述扬声器部件可以进一步包括定位在所述声体积中的电子组件。所述扬声器部件可以进一步包括耦合体积,用于在声学上将所述声波导耦合至所述声体积,并且所述耦合体积和所述声体积的组合可以形成可以具有Helmholtz谐振频率的Helmholtz谐振器,所述Helmholtz谐振频率处于所述扬声器部件的工作范围之外。可以安装所述声驱动器使得所述声驱动器的第二表面向环境直接辐射。所述波导可以包括基本上限定声路径的多个弯曲部分,所述声路径的每个的长度小于所述扬声器部件的所述有效声长度的10%,或者所述声路径的长度可以大于所述扬声器部件的所述有效声长度的10%并且处于不导致频率响应中骤降(dip)的长度范围内。所述声体积可以包括隔音板结构,其使得声路径的长度处于所述长度范围内。所述波导可以具有基本上恒定的横截面积。与所述声驱动器相邻的所述波导的闭合端可以具有比所述波导的开放端更大的横截面积。
在另一方面中,一种扬声器部件,包括:声驱动器;声波导,具有在声学上耦合至所述声驱动器的基本上连续的壁,使得所述声驱动器的第一表面辐射到所述声波导中以及使得所述波导从所述波导的开放端辐射声辐射;以及,所述波导包括用于增加从所述波导的开放端所辐射的声辐射的幅度的结构。用于增加幅度的所述结构可以包括声体积,其在声学上耦合至所述声波导。所述声波导基本上可以是无损的。所述声波导可以具有弯曲壁,所述弯曲壁形成在声学上耦合至所述声波导的声体积的壁,从而增加来自于所述波导的声辐射。所述声波导壁可以形成泪滴形状的声体积的壁。所述波导壁可以形成耦合至所述声波导的另一声体积的壁。所述扬声器部件可以进一步包括定位在所述声体积中的电子组件。所述扬声器部件可以进一步包括耦合体积,用于在声学上将所述声波导耦合至所述声体积;以及所述耦合体积和所述声体积的组合可以形成具有Helmholtz谐振频率的Helmholtz谐振器,所述Helmholtz谐振频率处于所述扬声器部件的工作范围之外。可以安装所述声驱动器使得所述声驱动器的第二表面辐射到环境中。所述波导可以包括基本上限定至少一个声体积的多个弯曲部分,所述至少一个声体积耦合至所述声波导。所述声波导可以基本上限定另一声体积,所述另一声体积耦合至所述声波导。所述声体积可以是泪滴形状的。所述波导可以具有有效声长度;所述声体积可以具有声路径,所述声路径的每个的长度小于所述扬声器部件的所述有效声长度的10%,或者每个声路径的长度大于所述扬声器部件的所述有效声长度的10%并且处于不导致频率响应中骤降的长度范围内。所述声体积可以包括隔音板结构,其使得声路径的长度处于所述长度范围内。所述波导可以具有基本上恒定的横截面积。在与所述声驱动器相邻的闭合端,所述波导可以具有比开放端更大的横截面积。
在另一方面中,一种扬声器装置,包括:声波导以及具有第一辐射表面和第二辐射表面的声驱动器,所述声驱动器安装在所述波导上,使得所述第一表面将声能量辐射到所述声波导中,从而从所述波导辐射声辐射。所述扬声器装置的特征可以在于抵消频率,在该抵消频率处,来自于所述第二表面的辐射与来自于所述波导的辐射异相,这导致了来自于所述波导的辐射和来自于所述第二表面的辐射之间的相消干涉,导致了在所述抵消频率处来自于所述扬声器装置的声输出的减少。所述扬声器装置可以具有声体积,所述声体积在声学上耦合至所述声波导,用于增加来自于所述波导的辐射的幅度,这导致了在所述抵消频率处来自于所述扬声器装置的声输出的较少减少。
当结合附图阅读时,根据以下详细的描述,其他特征、目的和优势将变得明显,在附图中:
附图说明
图1A和图1B是用于理解某些其他附图的几何对象;
图2是波导部件的概略视图;
图3A和图3B是多个波导部件的概略视图;
图3C和图3D是多个波导部件的概略横截面视图;
图4A-图4G是多个波导部件的概略视图;
图5A和图5B是波导部件的概略视图;
图6A和图6B是波导部件的一部分的概略视图;以及
图7A-图7D是具有包括其他附图图示示出的特征的波导部件的扬声器系统的实际实现的图示。
具体实施方式
图1A和图1B示出了用于理解以下某些附图的某些几何对象。图1A是两个波导6和7的等轴视图。波导6和7示出为这样一种结构,该结构在Y-Z平面上具有矩形横截面并且该结构具有比Y维度和Z维度都长的X维度。波导6在Y-Z平面中的面积尺寸(后文中称为“面积尺寸”)是A并且沿Y轴的线性尺寸是h。在说明书中,存在该面积尺寸改变的参考。在相应的图中,面积的改变由Y方向上尺寸的改变来描述,而保持Z方向上尺寸的统一。因此,例如,具有2A面积尺寸的波导7将在相应图中通过将沿Y轴的线性尺寸h加倍为2h来描述。图1B将图1A的波导示出为X-Y平面中的横截面并且包括某些附加元件。除非特别指出,以下图中的波导都示出为X-Y平面中的横截面,并在X维度上具有最长的尺寸。除非特别指出,“长度”表示通过波导的声路径的长度。由于波导频繁地弯折或弯曲,所以长度可以大于集成该波导的设备的X维度。声波导通常具有至少一个开放端18并且可以具有闭合端11。如图所示,声驱动器10通常安装在闭合端11中,但是可以如虚线所示的安装在壁13之一中。在以下的图中,声驱动器示出为安装在闭合端11中。
图2示出了第一波导部件100。声驱动器10安装在波导12A的一端中,该波导12A低损耗并且优选地在波导的工作频率范围上无损。波导12A具有横截面积A和有效声长度l。波导具有在原理上由波导的有效声长度确定的调谐频率,波导的有效声长度是物理长度加端效应修正。可以使用估计技术或从经验上确定端效应修正。为了简便,在图中,长度l将示出为物理长度,并且术语“长度”将表示有效声长度。波导12A具有由lA给出的体积。
图3A示出了第二波导部件。声驱动器10耦合至波导12B,该波导12B是低损耗并且优选地在波导的操作频率范围上基本上是无损的。波导12B具有物理长度βl和横截面积βA,其中β是<1的因子。波导12B的体积是β2lA。通过开孔34在声学上耦合至波导12B的是声体积或腔室22。腔室22的体积是lA-β2lA,从而波导12B的体积加上腔室22的体积与图2的波导12A的体积相同。腔室22的效果在于波导12B具有本质上与图2的波导12A相同的调谐频率,尽管其具有较短的长度。图3A波导的优势在于(除了在下面对于Helmholtz谐振器的讨论中以及在对于图6A和图6B的讨论中描述的之外)腔室22可以具有很多形状,只要腔室22具有正确的体积尺寸即可。因此,例如,如图3B所示,腔室22的壁可以形成逐渐弯曲的表面31,该表面31形成了波导12B的壁。相对于具有更大陡度曲线或方向上急剧改变的波导而言,具有平缓曲线的波导具有更少的湍流和不希望的噪声,并且还有效地使用空间。只要维持所需的体积,除了下面在对于图6A和图6B的讨论中描述的之外,腔室22的尺寸可以具有更宽范围的值。
图3C和图3D示出了Y-Z平面中的波导部件的横截面,从而X维度(波导最长维度)垂直于图面。在图3C的波导中,腔室22具有Y方向上和Z方向上的维度,该维度大于波导12B的Y维度和Z维度,从而腔室部分地或完全地围绕该波导。如果需要,例如为了简化制造,可以将隔板46或隔板48或两者分别置于波导12B或腔室中(从而存在两个波导12B-1和12B-2或两个腔室22A和22B或两者),并且获得如同不存在隔板那样的声学结果。下面将参考视准线52、54和56。为了消除高频峰,可以在图3A的波导中以及所有后续附图的波导中存在少量根据美国专利6,278,789的声阻材料。
减小如图3A和图3B所示的波导的横截面积和长度以及向波导添加腔室的概念可以应用于波导的一部分,例如阶梯式波导的阶梯式部分,以及例如阶梯式波导的整个波导。图4A示出了根据美国专利6,771,787的阶梯式波导12C。声驱动器10安装在阶梯式波导12C的一端中。阶梯式波导12C具有沿该波导长度的四个段24-27,段24与声驱动器相邻并且段27与波导的开放端18相邻。这些段具有基本上相等的长度l。段24具有横截面积A1,段25具有横截面积A2,A2大于A1;段26具有横截面积A3,并且段27具有大于横截面积A3的横截面积A4。段24的体积V1是A1l,段25的体积V2是A2l,段26的体积V3是A3l并且段27的体积V4是A4l。在传统波导中,来自于面向环境的声驱动器表面(下文为外表面)的辐射与来自于向内面向波导的声驱动器表面的辐射异相。在等于波导的有效声长度的波长处,来自于波导的辐射和来自于波导外表面的辐射相消干涉,这减小了波导和声驱动器的组合辐射。在根据图4A的波导系统中,来自于波导的辐射大于来自于声驱动器外表面的辐射,并且因此消除了来自于波导和外表面的组合辐射中的骤降。在一个实施方式中,图4A的波导部件A1=A3,A2=A4并且在美国专利6,711,787中描述了图4A的波导部件的操作。
图4B示出了示出了一种波导系统,该波导系统使用在声学上耦合至波导的腔室,从而该波导比相应的传统波导更短。声驱动器10安装在波导12D的一端中。波导12D和后续图中的波导是低损耗的并且优选地在波导的操作频率范围上基本上是无损的。波导12D具有等于图4A波导的段24和段26的横截面积A1的横截面积。图4A的段25和段27分别由段25’和段27’代替。段25’和段27’具有长度βl和等于βA2的横截面积A’2,其中β是0<k<1的数字。在该示例中,从而图4B的波导具有贯穿波导长度的统一横截面积A。段24’和段26’具有横截面积A和体积(分别为V1和V3)lA。段25’和段27’具有横截面积A’2和体积(分别为V’2和V’4)β2A2l。在距离波导的声驱动器端的距离d1(其中l<d1<l+βl,在一个示例中)处,腔室22通过开孔34在声学上耦合至波导。在距离波导的声驱动器端11的距离d2(其中l+βl+l<d2<l+βl+l+βl,在一个示例中),腔室29通过开孔38在声学上耦合至波导。腔室22具有A2l(1-β2)的体积大小Vc,使得V’2+Vc=V2,并且腔室29具有A4l(1-β2)的体积大小VD,使得V’4+Vc=V4,从而图4B的部件占用的总体积和图4A的部件占用的总体积基本上相等。如上所述,只要腔室具有正确的体积,则除了在图6A和图6B中示出的以及在说明书的相应部分中讨论的之外,该体积可以具有任何形状、方向或线性维度的腔室。
开孔34或开孔38可以具有面积使得其分别利用腔室22或腔室29形成Helmholtz谐振器,该Helmholtz谐振器可能对波导系统的操作具有不利的声学影响。Helmholtz谐振器在例如http://www.phys.unsw.edu.au/jw/Helmholtz.html中进行了描述,其副本作为附件附上。然而,可以选择开孔34和腔室22的尺寸,从而Helmholtz谐振频率处于不对波导系统的操作产生不利影响的频率处或其处于波导的操作频率范围之外。选择尺寸使得Helmholtz谐振频率处于波导的操作频率之外可以通过令开孔34和开孔38分别到腔室22和腔室29的宽度接近腔室的宽度(例如,大于其宽度的50%)来实现。
对图4B波导12D的调谐本质上与对图4A波导12C的调谐相同。图4B的段24’和段26’对于波导的调谐具有与图4A的段24和段26相同的效果。图4B的段25’和段27’对于波导的调谐具有与图4A的段25和段27相同的效果,即使图4B的段25’和段27’的物理长度是βl,该长度(由于β<l)比图1的段25和段27的物理长度l短。
上面公开的附图仅是示意性而不是穷举性的,并且很多变形是可能的。例如,波导可以具有多于四个的段;诸如段25’和段27’的段可以具有不同的长度;诸如段25’和段27’的段的体积大小可以具有不同的体积大小;诸如V3和V4的组合体积大小可以不等于V2;并且如下面将看到的,腔室的不同配置是可能的(例如,可以存在不同数量的腔室,并且腔室可以具有不同的体积大小、形状和沿波导的布置,如下所述)。
除了利用较短长度的波导提供相同的调谐频率之外,图4B的波导系统在消除声驱动器和波导在相应波长等于波导有效长度的频率处的组合输出中骤降方面具有与图4A相同的优势。在这些频率处,波导的声输出大于由声驱动器直接辐射到环境的声输出,因此,来自于波导和声驱动器的组合辐射大于来自于传统波导系统的组合输出。相比于图4A的波导部件,图4B的波导部件也不太倾向于可以发生在急剧区域不连续处的风噪声。
图4C示出了图4B的波导部件的变形。在图4C的波导部件中,图4B的腔室22由总体积等于腔室22的体积的腔室22A和腔室22B代替。将腔室22A的入口置于距离声驱动器d1处,使得在一个示例中,并且将到腔室22B的入口34B置于距离声驱动器d2处,使得在一个示例中图4B的腔室29由总体积等于腔室29的体积的腔室29A和腔室29B代替。将到腔室29A的入口38A置于距离声驱动器d3处,使得在一个示例中,并且将到腔室29B的入口38B置于距离声驱动器d4处,使得在一个示例中,调谐腔室22A和腔室22B的波导部件的效果与图4B的腔室22基本上相同,并且调谐腔室29A和腔室29B的波导部件的效果与图4B的腔室26的效果基本上相同,并且具有以下相同的有益效果,即减轻波导部件在波长等于波导有效长度的频率处输出中的骤降。通常,使用多个腔室允许将频率调谐到更紧密匹配诸如图4A波导的等效阶梯式波导的调谐频率。
可以组合图4A、图4B和图4C的多个方面。例如,图4D的波导部件具有腔室32,腔室32在第一段的距离d1处耦合至波导12E,其中l<d1<l+βl,并且阶梯段27开始于距离d2=l+βl+l.处。图4E的波导部件具有波导12F,波导12F具有开始于距离d1=l处的阶梯段25和距离d2>l+l+l处的腔室29。如果锥形波导的类型是美国专利6,771,787的图1中所示的类型,则图4A、图4B和图4C的多个方面也可以以锥形波导来实现,如图4F所示。为了在锥形波导中使用,腔室的大小和从波导到该腔室的开孔位置可以通过建模确定。诸如具有基本上连续壁的波导的波导(诸如图4F的波导)可能不易遭受风噪声,该风噪声可以发生在急剧区域不连续处。图4G的波导部件是集成有图4A-图4E的元件的实际波导部件的示意图。图4G的实现具有六个2.25英寸声驱动器10A-10F并且尺寸如图所示。
图5A示出了在图4B中示意性示出的波导部件的实现,图4B示出了形成多个弯曲表面31A和31B的腔室22和腔室29的壁,多个弯曲表面31A和31B还形成波导的壁,这导致了比更大陡度曲线发生更少的湍流,并且还有效地使用空间。图5A的参考标号指示图4B的相应波导系统中类似标号标出的元件。图5B示出了图4E中示意性示出的波导的实现,图4E示出了腔室29和阶梯段25的壁。图5B中的参考标号指示4E的相应波导系统中类似标号标出的元件。
图6A和图6B示出了波导部件的另一特征。在图6A中,波导12B通过开孔34在声学上耦合至腔室22。声波进入开孔34并且沿多个声路径(例如,路径66A)传播到腔室22中,直到声波遇到声边界。可以存在声波沿其传播的多个声路径;为了简便,仅示出一个。
通常,希望配置腔室使得所有声路径的长度明显短于波导12B的有效声长度的四分之一。如果声路径之一的长度没有明显短于波导的有效声长度的四分之一(例如,不短于10%),则输出骤降可以发生在特定频率处。在一个示例中,将类似于图4B的波导部件的波导部件调谐至44Hz,从而其具有1.96m(6.43英尺)的有效声长度。具有1851.1cc(114立方英寸)体积的腔室22在距离闭合端1139.6cm(15.6英寸)的位置处耦合至波导12B。腔室22具有长度为40.6cm(16英寸)的声路径66A(参见图6A),即波导部件的有效声长度的频率响应中不期望的骤降可以发生在约200Hz处。根据诸如腔室22到闭合端11的距离之类的因素,频率响应中的骤降可以在声路径66A的长度短至25.4cm(10英寸)时发生,其是波导12B的有效声长度的
消除频率响应骤降的一个方式是重新配置腔室22,从而声路径66A的长度短于波导系统有效声长度10%(在该情况中是19.6cm)。然而,在实际波导中,可能很难重新配置该腔室使得声路径66A的长度小于波导系统有效声长度10%。
消除频率响应骤降的另一个方式是向腔室22添加结构,其将诸如66A的声路径的长度改变为不引起频率响应骤降的长度。图6B示出了具有插入到腔室中的隔板42从而声路径66B的长度是50.8±1.3cm(20±0.5英寸)的图6A的波导系统。图6B的波导系统不具有图6A的波导系统的频率响应骤降。可能发生骤降的路径长度尺寸和不发生骤降的路径长度的范围,以及关于相对于波导端的腔室开口布置的路径长度改变可以通过建模或经验确定。如果发生了图6A和图6B示出的情况,则通常希望缩短路径长度,因为容差(导致无骤降的路径长度的范围)较宽。在上述示例中,短于25.4cm的任何长度是合适的,但是较长的声路径的容差仅为±1.3cm。
图7A和图7B示出了集成有具有之前附图图示所示特征的波导部件的音频重现设备的实际实现。图7A和图7B中的元件对应于之前附图中以类似参考标号标出的元件。图7A和图7B中的虚线示出了腔室22和29的边界。图7A是音频重现设备X-Z平面中横截面。波导部件12B具有图3C的波导部件的形式并且沿对应于图3C的视准线52或54的视准线取横截面;沿对应于图3C的视准线52和54的视准线所取横截面基本上是相同的。存在(图3的)隔板46(在该视点未示出),这导致了波导部件具有两个波导。图7B是X-Z平面中的横截面,这是沿对应于图3C的视准线56的视准线所取的。在该视点中未示出的(之前附图的)声驱动器10耦合至波导12B。隔室58和60用于高频声驱动器(未示出),其与波导部件无密切关系。在图7A和图7B的实现中,腔室22的体积V1约为1861cm3(114立方英寸);腔室29的体积V2约为836cm3(51立方英寸);波导的物理长度约为132.1cm(52英寸);开孔34到腔室22的中心约位于到闭合端11的39.6cm(15.6英寸)处,并且开孔34的宽度约为3.8cm(1.5英寸);开孔38到腔室29的中心约位于到波导开放端18的11.7cm(4.6英寸)处,并且开孔38的宽度约为3.8cm(1.5英寸);并且将波导调谐到约44Hz。
图7C的波导具有两个低频声驱动器10A和10B。图7C的元件对应于之前图中以类似参考标号标出的元件。波导12的第二段通过开孔34A和34B分别将其耦合至两个腔室22A和22B。波导12的第四段通过开孔38将其耦合至单个腔室26。波导12的壁形成腔室22A和22B的壁(出于本申请的目的,其包括以下与腔室22A和22B的壁基本相同的轮廓)并且基本上围绕腔室22A和22B。腔室22A和22B是“泪滴形状”,从而为波导提供大的回转半径,这提供了比在较小回转半径或更大陡度曲线时发生的更小的湍流。腔室26提供了具有低空气速率的大腔室,其为电子组件36提供了方便的定位。低速率空气使得其遇到电子组件36时具有更小的湍流。腔室26的不规则的多个弯曲形状允许该部件有效地适配在小设备围壳34中。高频声驱动器不向波导12中辐射。
图7D的波导部件是图4F中示意性示出的波导的实际实现。图7D的元件对应于图4F中以类似参考标号标出的元件。
其他实施方式在权利要求书中。
Claims (15)
1.一种扬声器部件,包括:
声波导;
安装在所述波导中的声驱动器,使得第一表面将声波辐射到所述波导中,从而从所述波导辐射声波;以及
在声学上耦合至所述声波导的声体积,用于增加从所述声波导辐射的声波的幅度。
2.根据权利要求1所述的扬声器部件,其中所述声体积用于增加波长等于所述波导的有效声长度的声波的幅度。
3.根据权利要求1所述的扬声器部件,所述声波导具有弯曲壁,所述弯曲壁形成声学上耦合至所述声波导的声体积的壁,从而增加来自于所述波导的声辐射。
4.根据权利要求3所述的扬声器部件,所述波导壁形成耦合至所述声波导的另一声体积的壁。
5.根据权利要求3所述的扬声器部件,进一步包括定位在所述声体积中的电子组件。
6.根据权利要求3所述的扬声器部件,进一步包括耦合体积,用于在声学上将所述声波导耦合至所述声体积,所述耦合体积和所述声体积的组合形成具有Helmholtz谐振频率的Helmholtz谐振器,所述Helmholtz谐振频率处于所述扬声器部件的工作范围之外。
7.根据权利要求1所述的扬声器部件,其中安装所述声驱动器使得所述声驱动器的第二表面向环境直接辐射。
8.根据权利要求1所述的扬声器部件,所述波导包括基本上限定所述声体积的多个弯曲部分。
9.根据权利要求8所述的扬声器部件,所述声波导基本上限定另一声体积。
10.根据权利要求8所述的扬声器部件,其中所述声体积是泪滴形状。
11.根据权利要求1所述的扬声器部件,所述波导具有有效声长度,所述声体积具有声路径,其中每个声路径具有
小于所述扬声器部件的所述有效声长度的10%的长度,或者
大于所述扬声器部件的所述有效声长度的10%并且处于不导致频率响应骤降的长度范围内的长度。
12.根据权利要求11所述的扬声器部件,所述声体积包括隔音板结构,其使得声路径的长度处于所述长度范围内。
13.根据权利要求1所述的扬声器部件,所述波导具有基本上恒定的横截面积。
14.根据权利要求1所述的扬声器部件,其中与所述声驱动器相邻的所述波导的闭合端具有比所述波导的开放端更大的横截面积。
15.一种扬声器装置,包括:
声波导;
具有第一辐射表面和第二辐射表面的声驱动器,所述声驱动器安装在所述波导上,使得所述第一表面将声能量辐射到所述声波导中,从而从所述波导辐射声辐射;
所述扬声器装置的特征在于抵消频率,在该抵消频率处,来自于所述第二表面的辐射与来自于所述波导的辐射异相,这导致了来自于所述波导的辐射和来自于所述第二表面的辐射之间的相消干涉,导致了在所述抵消频率处来自于所述扬声器装置的声输出的减少;以及
在声学上耦合至所述声波导的声体积,用于增加来自于所述波导的辐射的幅度,这导致了在所述抵消频率处来自于所述扬声器装置的声输出的较少减少。
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