CN102396243B - 扩音器 - Google Patents

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Abstract

一种扩音器，包括：二维阵列(10)，由具有平坦形状的无外壳独立扬声器(11a，11b，11c)组成。无外壳独立扬声器容纳在平坦外壳(1)内，外壳的深度例如小于5cm。优选地所使用的无外壳独立扬声器是振膜直径小于5cm的头戴式耳机听筒和/或微型扩音器。

Description

扩音器
技术领域
本发明涉及声音再现系统，具体涉及具有高声音再现带宽的扩音器。
背景技术
在过去的10年中，对平板扩音器技术的关注有显著的提高。实质上，例如，原因在于对诸如5.1环绕或波场合成之类的现代声音再现方法的空间需求提高了，还在于在越来越小的和/或平坦的多媒体设备(如，移动电话和笔记本电脑)中扩音器的安装空间越来越小。使用平板扩音器来代替传统扩音器会满足上述提高的需求。
对各种平板扬声器技术(典型地，最早是Kellogg和Rice的锥形扩音器)的研究表明，在墙壁上直接使用无外壳的平板扬声器以及使用平板扩音器外壳均造成声音质量的显著降低。现有技术可以参见：Beer，D.在106th AES Convention，Munich，Germany，May1999提出的Flachlautsprecher-ein Uberblick[Flat-panel loudspeakers-an Overview]，presented at the DAGA08trade fair，March2008，Dresden；H.Azima，J.Panzer的“Distributed-Mode Loudspeakers(DML)in Small Enclosures”；Beer等人在124th AES Convention，May2008，Amsterdam/TheNetherlands提出的The air spring effect of flat panel speakers；以及Wagner，Roland的Electrostatic Loudspeaker-Design and Construction.AudioAmateure Press，Peterborough，New Hampshire，1993。
典型地，无外壳的平板扬声器是双极辐射器，双极辐射器由于声短路而在低频音范围内具有低声压级。在将这种双极安装在墙壁附近时，后面的声音分量与在振膜前方发射的声音部分的反射和叠加以及与之相关联的衍射效应会在短路频率以上引起梳状滤波器型的声染色。为此，对于传统的扩音器，使用扩音器外壳。然而，为了保留平坦设计的优点，使用平坦外壳，所述平坦外壳典型地封闭了相对较小的空气容积。如同利用传统扬声器一样，过小的空气容积会提高声换能器的基础谐振频率。因此，较低的截止频率也会增大，这会引起减小的低频音再现。
US2005/0201583A1公开了一种基于双极原理的低频二维阵列。该系统包括具有开放框架的支撑系统，若干亚低音喇叭以双极二维阵列配置容纳在开放框架系统中，以在水平和垂直平面内提供受控的声频散。亚低音喇叭可操作用于提供300Hz以下的低频声频散。
DE695 07 896T2公开了一种扬声器设备，所述扬声器设备具有受控的方向性灵敏度并且具有按照预定图案沿第一直线布置的第一组至少三个扬声器，扬声器之间的距离是以可变的方式配置的，扬声器还可以被布置为彼此相接触。
美国专利No.2,602,860公开了一种扬声器结构，其中，在单一框架内将9个圆锥扬声器对称地布置成三行，每一行具有三个圆锥扬声器。框架包括彼此倾斜的部分以提高辐射角度。例如，扬声器的边缘之间的距离将小于扬声器的半径，所有的扬声器都根据同一个源工作。此外，外壳并不会实现对空气移动的限制，因为这会对低频下的性能造成不利影响。
美国专利No.4,399,328公开了一种与方向和频率无关的一列电声换能器，使用不同的幅度来控制该列电声换能器，从而得到声电换能器的控制操作的特定条件。
美国专利No.6,801,631B1公开了一种扬声器系统，该扬声器系统的特征在于，在平面内布置若干换能器，以实现最优的声辐射图。四个中心换能器(低音喇叭)协作以产生低频和中频，低音喇叭被布置为使得没有任何两个低音喇叭共享公共垂直轴或公共水平轴。此外，提供第五换能器，所述第五换能器具体是高频高音喇叭，被布置在低音喇叭之间的中心位置处。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的扩音器。
通过权利要求1所述的扩音器实现了该目的。
本发明基于以下认识：可以实现一种廉价、平坦并且高质量的扬声器，其中，在平坦外壳内布置由无外壳独立扬声器组成的二维阵列，其中所有的无外壳独立扬声器都具有平坦形状，所述扬声器在期望的窄(即，低)频率范围内具有大的再现带宽或足够的声压。
这种扬声器的优点在于，由于使用了平坦的独立扬声器，所述平坦的独立扬声器典型地还具有小的直径，所以空间需求非常小。由于无外壳独立扬声器小并且平坦，甚至每个独立扬声器所需的外壳体积相对较小，所以平坦外壳的外壳体积较小以至于整个扬声器具有紧凑的设计。作为独立的扬声器，优选的是具有低室外谐振的元件。在这种情况下，等效的空气容积也会典型地较小。本文中，使独立扬声器中振膜悬置的刚度与等效空气容积的刚度相等。从该观点来看，优选的是谐振频率小于150Hz具体地甚至小于120Hz或甚至小于100Hz的独立扬声器。
本发明的另一优点在于，本发明使得能够使用平坦的无外壳独立扬声器，必要的外壳容积具有几乎任何形状因素，即，具有平坦的外壳。此外，使用具有平坦形状因素的无外壳独立扬声器的优点在于，所述独立扬声器可以具有非常低的成本并且可以大量制造。通过以二维阵列的形式布置所述无外壳独立扬声器，低频率下扬声器的耦合可以用于在甚至例如100Hz的低频率下产生足够的声压。相反，与使用具有相对大的振膜的扩音器相比，使用小的独立扬声器(即，具有相对小的振膜直径的独立扬声器)尤其在高频下具有很大优点，这是因为与相对大的振膜相比，在采用小振膜的情况下，部分振荡仅会出现在更高的频率下。
另一优点在于，可以可变地控制许多无外壳独立扬声器，从而可以可变地控制二维阵列的子区域。目的在于，使整个区域都外露于声波(这在很大程度上取决于位置)，也可以使整个区域都外露于扬声器前方的空间中，尽管扬声器包括具有大尺寸的独立扬声器阵列。
优选地，扬声器包括排他地包括相同的独立扬声器，例如，这些相同的独立扬声器可以是头戴式耳机听筒，或者一般而言是微型声换能器。这使得可以以较低的成本来制造扬声器。在另一优选实施例中，将独立扬声器分组成若干阵列，在采用双路系统的情况下，提供包括单个独立扬声器的二维阵列用于低频音再现，提供由一个或多个相同的独立扬声器组成的阵列用于高频音再现。备选地，还可以实现三路系统，其中，第二阵列包括若干中频扬声器，高频音范围优选地被单个或仅几个独立扬声器覆盖。然而，使用无外壳平坦独立扩音器的单路系统也会在很大再现范围内提供良好的再现。
在另一实施例中，优选地，仅为二维阵列提供低通信号，并使音频信号具有对用于中频或高频的另一阵列而言可用的整个带宽。这意味着在这种情况下频率分离装置仅具有低通功能而不具有高通功能。
在本发明的优选实施例中，获得了扬声器，所述扬声器使得能够利用相同的独立扬声器在至少90dB/1W/1m的灵敏度下再现从100Hz到20kHz的频率范围，尽管平坦扬声器具有小于5cm(具体地，小于3cm)的深度。优选实施例包括25个微型声换能器，这25个微型声换能器形成大小约为21×21cm的二维阵列，并且包括用于低频音再现的两个子阵列和用于高频音再现的线阵列，所述线阵列位于所述两个子阵列之间。
附图说明
图1a示出了根据本发明第一实施例的扬声器的正视图；
图1b示出了根据本发明第一实施例的扬声器的后视图；
图1c示出了根据实施例的无外壳独立扬声器的有线连接；
图1d示出了图1a的阵列元件按照频率的子划分，用于三路控制；
图2a示出了根据本发明第二实施例的扬声器的正视图；
图2b示出了图2a的扬声器的外壳的图示；
图2c示出了在没有任何后外壳壁的情况下图2的扬声器的后视图；
图2d示出了无外壳独立扬声器的控制配置，用于双路控制；
图2e示出了图2a的扬声器的备选实现方式，其中扬声器具有带斜边的槽；
图3示出了无外壳独立扬声器与附加驱动电子装置的有线连接，用于实现图2d所示的扬声器控制配置；
图4a示出了图2a、图2b和图2c的扬声器的平坦外壳的示意图；
图4b示出了图2a、图2b和图2c的扬声器的外壳的备选示意图；
图5a示出了用于双路控制的频率分离装置的传递函数；
图5b示出了图2a所示扬声器的高频和低频音路径的频率响应；
图5c示出了根据图2a-2d的双路扬声器在没有任何均衡的情况下的频率响应；
图5d示出了在根据图3来控制的情况下图2a的扬声器的已均衡的频率响应；
图6a示出了头戴式耳机听筒形式的优选无外壳独立扬声器的正视图和后视图；
图6b示出了图6a的无外壳独立扬声器的技术数据；
图7a示出了平板扬声器的应用范围的示意图，所述平板扬声器具有以相互倾斜的方式布置的高频范围扬声器和/或中频范围扬声器；以及
图7b示出了具有凹进式中频或高频音阵列的扬声器的示意图，其中所述凹进式中频或高频音阵列具有用于喇叭或波导以使中频或高频音阵列的方向图均匀。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明第一实施例的扬声器的正视图。图1a的扬声器包括二维阵列10，二维阵列10由无外壳独立扬声器11a，11b，11c...组成，每个无外壳独立扬声器具有平坦形状，如参考图1b的后视图以无外壳独立扬声器11b为例来描述的。具体地，图1a的正视图示出了各个独立扬声器的正面区域，即，扬声器的振膜的平面图，而后视图示出了整个独立扬声器足够平坦，以至于能够容纳在图1b所示的外壳内和/或相应的外壳孔内，并且很难突出孔外。从图4a还可以看出，对于作为示例在图1b和图1a中采用的并在图6a中详细描述的无外壳独立扬声器，独立扬声器几乎完全容纳在扬声器前壁的材料的总体厚度内，使得扬声器的仅一小部分突出外壳前壁，此外从图4a还可以看出，扬声器的仅一小部分从外壳前壁向背面突出，在一个实施例中，从外壳前壁突出的量达到仅4.5mm，扬声器在外壳前壁的背面突出仅1.5mm，因此是非常平坦的独立扬声器。
然而，由于性能提高，优选的是采用基本上类似于锥形扬声器而设计的电动无外壳独立扬声器。锥形扬声器本质上具有与系统有关的最小深度。然而，具体地，关于头戴式耳机听筒，该深度是非常小的，使得例如图6a和图6b所示的具有非常小的深度(即，例如仅10.6mm的设计深度)的头戴式耳机听筒是合适的并且是可以以低成本来提供的。
图1c示出了在单路实现的情况下图1a的单个无外壳独立扬声器的控制。具体地，二维矩阵的无外壳独立扬声器形成了至少两组扬声器，其中每组扬声器由至少两个扬声器组成，在图1c所示的实施例中形成了5组12a-12e，每一组具有5个独立扬声器，使得整个扩音器包括总计25个无外壳独立扬声器。
通常，优选的是提供独立扬声器的数目在9和49之间变化的扬声器，独立扬声器的精确数目取决于独立扬声器的各个情况以及所需的声压级，具体地，在扬声器设计用于的较低频率范围内所需的声压级。
在图1a和图1b的实施例中，独立扬声器的振膜直径是36mm。在优选实施例中，优选振膜直径小于5cm(优选地甚至小于4cm)的无外壳独立扬声器，这是因为，利用本发明的二维阵列布置，高频音范围内的性能随着独立扬声器的振膜直径的减小而提高。利用相对小的独立扬声器来实现的相对小的振膜区域以及对无外壳独立扬声器的使用，使得能够实现对独立扬声器的更紧凑的布置，从而减小阵列的总体大小。这使得方向性降低。此外，会引起房间内声压级的显著空间变化的部分振荡移向不那么严格的较高频率。尽管还会出现所述部分振荡，然而这些部分振荡不会由于不再位于低频下而表现出扰动。
利用阵列内若干独立扬声器的耦合布置，来补偿所引起的在低频下声压级的下降，然而重要的是，例如用于低频音再现的独立扬声器布置成二维阵列而不是直线阵。二维阵列需要至少两个相邻的行，一行必须具有至少两个扬声器，而另一行必须具有至少一个扬声器。例如，图1a中由扬声器11a、11b、11c组成的三角形布置已经是二维阵列，优选的是矩形、方形或圆形和/或椭圆形结构的二维阵列。具体地，方形阵列是最优选的，这是因为方形最接近圆形，并且单个独立扬声器的直角形式的布置使得二维阵列整体上呈方形，并且使得独立扬声器可以尽可能地彼此靠近。具体地，独立扬声器尽可能地彼此靠近，以至于这些独立扬声器彼此接触，或者以至于彼此相邻的独立扬声器之间存在小于5mm(具体地，小于3mm)的直接距离。
与所有扬声器都并联的情况相比，图1c所示的串/并联使得整个扬声器阵列仍然具有明显的欧姆电阻，从而流动的电流不超过声换能器的语音线圈的功率处理能力。然而，与所有的单个扬声器都完全串联的情况相比，串/并联实现了并非所有串联的扬声器都会彼此电干扰。根据图1c的串/并联从而在独立扬声器的有线连接的复杂度与独立扬声器所预定义的最大电流的规定之间表现出公平的折衷。
图1d示出了图1a的实施例的备选实现方式，其中独立扬声器以类似于图1a的形式来布置，但作为三路系统来控制独立扬声器。本文中，将由无外壳独立扬声器组成的二维阵列被配置成：由低频音扬声器组成的第一阵列半部13a；以及由低频音扬声器组成的第二阵列半部13b。这两个阵列半部(或子阵列)与以下阵列分离：由中频音扬声器组成的另一阵列13c，以及由仅一个高频音扬声器构成的又一阵列13d。在图1d所示的实现中，由“x”表示的两个独立扬声器短路，即，被去激活，从而这两个独立扬声器不会对输出的声音作出贡献，并且可以防止作为被动振膜的振荡。
在图1d所示的实现中，可以认识到独立低频音扬声器的数目明显大于中频音扬声器或高频音扬声器的数目。通过耦合针对低频音范围的独立扬声器，实现了有利于低频音再现的这种划分，以在低频下提供足够的声压，所述耦合是通过将独立低频音扬声器布置为在二维阵列中尽可能地彼此靠近来实现的。
根据本发明，实现灵敏度为101dB/1W/1m从100Hz(-6dB)到20kHz(-6dB)的频率范围再现，尽管使用内部深度仅2.4cm的平坦扬声外壳，并且尽管引起了所封闭的空气容积的高弹簧刚度。为此，大小为21cm×21cm的阵列由25个微型声换能器组成，并且安装到大小为(L×W×H)的外壳中。将对独立驱动器的控制调整到幅度频率响应尽可能线性以及主要收听方向上的方向性均匀的目标。为此，将阵列配置为三路系统。阵列方法被选择为：利用多个小的振膜区域，使施加到振膜的驱动力的分布尽可能均匀，并使并联振荡在更高的频率下出现。然而，与大振膜区域相反，独立振膜的实质上较小的重量对于再现高频而言是十分有利的。
对于波场合成应用而言，阵列方法使得能够以可变的方式来实现相邻再现通道之间的扬声器距离，以至于可以任意地对换能器分组以形成再现通道。波场合成中的边界条件是“空间采样频率”，对于1kHz音的非混叠再现而言，这需要每17cm就存在一个扬声器元件，每个扬声器元件由其自己的信号来控制。对于10kHz来说，距离应当是1.7cm；然而对于100Hz来说，距离应当是1.7m。1.7m的距离是很容易实现的。然而很难或几乎不可能实现1.7cm的距离。本发明的平板扬声器使得能够向由具有相对大宽度的独立扬声器组成的相对大的独立扬声器组提供低通滤波后的信号。将会有有利的协作，这是因为在低频范围内二维阵列无论如何都需要独立扬声器以提供足够的声压。与此不同，为相邻的组或独立的相邻扬声器提供不同的扬声器信号，以针对更高的频率产生小通道距离，所述小通道距离在振膜直径大小的量级上。扬声器信号可以是高通信号或具有高通和低通分量的信号。
优选地，将因此而提出另一种独立扬声器阵列，对二维阵列的独立扬声器进行分组，使得可以利用相邻的独立扬声器组来再现具有1kHz以下有限带宽的、空间相邻的波场合成通道，其中所述相邻的独立扬声器组之间的距离大于相邻独立扬声器之间的距离或者更小组群之间的距离，所述相邻的独立扬声器组再现具有1kHz以上信号分量的空间相邻波场合成通道。
根据本发明，提供了一种扩音器，所述扩音器包括在尽可能大的频率范围上的线性频率响应，表现出良好的脉冲响应、均匀的辐射特性(对于应用来说是有用的)，并且能够再现在1m的距离下再现101dB或更大的最大声压级而同时特别平坦。平板扩音器的优点在于，其可以不引人注目地合并在周围环境中，而又具有良好的传输特性。将外壳设计为使得不超过特别小的5cm的安装深度，优选地3.6cm的安装深度，或甚至更优选地3.0cm的安装深度。为此，使用具有非常小的安装深度的声驱动器。优选的是，作为声换能器的锥形扩音器的电动原理，这是因为该技术容易控制并且性能良好。由于需要小的安装深度，使得有必要使用微型扬声器，从而小振膜区域也成为必要的。因此，以组的形式来使用独立驱动器，在这样的二维阵列中，与具有相同振膜面积的独立大弯曲波换能器和/或独立活塞型辐射器不同，可以通过根据需要对阵列元件执行与频率有关的控制，来改变相应的主动辐射器区域。这种方式的优点在于，避免形成高频率的旁瓣以及避免部分振荡，振膜半径被选择为(如果可以选择的话)使得部分振荡仅出现在非临界频率下。与已知厚度振动器相比，可以在更低的频率范围内实现大得多的振膜振幅，从而实现更高的响度级。因此，对于本发明的平板扬声器来说，二维阵列是有利的。
图6a示出了优选地使用的微型扬声器或“微型机壳”的正视图和后视图。微型机壳优选地被实现为向后开口的头戴式耳机听筒，如图6a所示。在图6b的表中示出了这种无外壳独立扬声器的通过测量而确定的参数。这种独立扬声器的户外谐振频率在120Hz。
在图1所示的扬声器中和在将参考图2a-2e来描述的根据本发明另一实施例的扬声器中，均使用封闭外壳。在另一优选实施例中，还可以将开放外壳具体与低音反射系统(即，低音反射外壳，如现有技术中已知的赫尔姆霍茨谐振器)一起使用。
至于考虑平坦外壳的材料，则合适刚度的材料是优选的，以获得足够硬的外壳，合适刚度的材料可以具有小于7mm的材料厚度，具体地，甚至具有3mm或更小的材料厚度。优选地，将钢板或成形塑料用作该材料，尽管也可以使用木头。为了使对相同频率的纵向和横向模式的敏感度最小化，优选的是整个扬声器的边缘尺寸彼此不成整数倍关系，或者扬声器不具有平行的壁。然而为了具有平行壁那样的期望外形，可以将具有非平行壁的内部外壳插入具有平行壁的外部外壳中。图1a所示实施例的内部尺寸的示例是：宽度61.5cm，高度80cm，深度2.4cm。当使用6mm的MDF薄板材料时，会产生包括以下内容的外部尺寸：宽度63.7cm，高度81.2cm，深度3.6cm。
为了防止外壳共振，优选的是在外壳的内部在正面和背面之间插入隆起物(ridge)，还优选的是从外部将坡面(profile)安装到后壁上。例如，从图2a、2b可以看出，优选的是，在宽度方面上以居中方式、在边缘方面以平行方式、而在高度方面以偏离中心的方式引入二维阵列。独立扬声器容纳在独立孔内，具体地，部分地凹进外壳材料中。例如可以使用热熔粘合剂或任何其他密封材料来胶合独立扬声器，并且具体地在声学上密封。
阵列布置的优点是，可以以不同方式控制独立元件，从而可以以不同方式控制阵列的独立子表面。为了能够以与频率有关的方式来确定阵列的有源元件，优选地使用多路控制。为此，将如以上参考图1d而描述的二维阵列分成两个子阵列13a、13b，以用于再现低频音。
作为图1d所示实施例的备选，双路布置可以在于，在中心列中，除了位于中心处的单个扬声器以外的所有扬声器都被去激活或不存在，在这种情况下，中心处的单个扬声器将起到单个高频扬声器的作用。为了提高最大可实现的声压级，使用图1d所示的三路系统。为了使三路发射的声音相位正确地叠加，相对于低频音阵列，延迟中频音支路，具体地延迟0.5ms，并将高频音支路延迟0.52ms。
为了进一步改善辐射特性，优选的是以贝塞尔加权线性阵列形式，使用具有高频音路径的双路控制，如图2d中示意性地示出的。因此，对聚焦和旁瓣形成的抑制得以加强。当如图2所示独立高频音扬声器布置在中心并且由低频音扬声器构成的二维阵列被分成两个子阵列13a、13b时，这种效果增强更多。然而，与图1d不同，在图2中仅有一个另外的高频音阵列13e，如图2d中示意性地示出的，通过加权来控制独立高频音扬声器。应指出的是，加权因子0.5、1、-1仅仅是通过简单的贝塞尔权重的简单实现(在电路技术方面)而得到的，贝塞尔权重在计算上的结果例如是0.11、0.44、0.76、-0.44和0.11，然而仅可以通过相对大的努力来实现。
图2d所示的控制被实现为使得：以全幅度来控制位于阵列13e的中心处的三个独立扬声器，以反相位来控制这三个独立扬声器中位于下方的独立扬声器，而以二分之一幅度来控制阵列13e中最顶部独立扬声器和最底部独立扬声器。与使用贝塞尔函数计算出的因子不同，可以以非常简单的方式来实现上述等级和相位调节。可以通过将三个中心独立扬声器与阵列13e中最顶端和最低端处串联的扬声器并联，来实现所述幅度调节。在图2d的具有加权因子“-1”的独立扬声器中，简单地通过将端子的极性反转来实现相位，如图3中在15处所示的。
类似于图1c，将低频音阵列的4个列分成4组独立扬声器，每组独立扬声器由5个独立扬声器组成，这4组彼此并联。这对于高频音阵列而言产生10欧姆的标定阻抗，对于低频音阵列而言产生56欧姆的标定阻抗。还可以将所有独立低频音扬声器并联，然而在这种情况下较高的电流会流经语音线圈。然而，这会使独立扬声器的语音线圈线过载或损坏。
如图3所示，在实施例中，优选的是具有710Hz截止频率的频率分离装置16。在较大阵列区域的情况下，频率分离装置应当具有较低的截止频率，在较小阵列区域的情况下，频率分离装置应当具有较高的截止频率。由于频率分离装置，存在高频音路径17a和低频音路径17b(或更一般来说，仅存在低频音路径和具有全带宽的路径而不存在不具有低频音分量的高频音路径)，优选地分别利用均衡器EQ18a和18b来均衡高频音路径17a和低频音路径17b，因此均衡后的信号还优选地分别被放大器19a和19b放大。
在图2a所示的扬声器中，根据本发明的第二实施例，还使用封闭的系统。外壳是基于使用无外壳独立扬声器的所谓的Thiele-Small参数而进行计算的，其中外壳和阵列的组合的总体品质Qtc应当是0.707。这种调谐还称作巴特沃斯调谐，以在理想自由空间频率响应的情况下具有最大平滑度的频率响应，以及最小可实现谐振频率来表示。
图2示出了根据第二实施例的扬声器的透视图，所述扬声器具有外壳前壁1a和外壳侧壁1b，扬声器被布置在低反射室内。外壳前壁包括高度和宽度，高度大于宽度，优选的是，插入阵列使得阵列在宽度上居中并且与边缘平行，以及容纳阵列使得阵列在高度上不居中而是偏离中心，如图2b所示。图2c示出了开放扬声器的后视图，沿垂直方向示出了隆起物14a、14b，沿水平方向示出了隆起物14c。隆起物优选地被实现为从外壳正面到外壳背面贯穿外壳，使得能够封装以不同方式驱动的独立扬声器。由独立振膜的振动而引起的扬声器内的压力变化会另外影响工作在相同容积上的所有独立扬声器。为了避免这种情况，在每一种情况下，阵列的中心列的独立扬声器工作在独立定界的容积上，这是通过隆起物14a、14b、14c来实现的。由于这些独立扬声器用于高频音支路，即，由于这些独立扬声器将在远高于其谐振频率的频率上工作，所以不需要对引起的容积执行昂贵的尺寸确定。与每个独立高频音扬声器耦合的容积是0.03611。基于独立扬声器的尺寸来确定容积的尺寸。
隆起物(strut)14a、14b对外壳实现了附加的加强，并且使得用于低频音阵列的容积被分成两个室，从图2c可以看出这一点，从图4a或图4b也可以看出这一点。将总容积分成用于低频音扬声器的子阵列的两个室，使得可以高效地加强外壳，并且外壳前方和/或外壳后壁的弯曲振动以及外壳内的模式受到抑制，以减小对扬声器性能的相应的负面影响。此外，插入如图4b中的21和图4a中的22所示的其他加强元件，以提高所使用的木头材料的刚度，所述刚度相对较低。通过使加强点之间的距离最小化，可以防止在扬声器工作时由于在内部存在的高压而引起外壳壁的共振。优选地，外壳的高度和宽度并不是整数倍的，以避免形成同时的纵模和横模。在图2a和/或图2b所示的实施例中，内部深度同样是2.4cm。图2所示实施例的外部尺寸为：宽度35.2cm，高度46.2cm，深度3.6cm。在图4a的示意图中也指出了所述外部尺寸以及该实施例的其他优选尺寸。
优选的是在扬声器正面对阵列的偏离中心的布置。一旦从声源经由扬声器正面传播的声波触及边缘，所述声波的升压就会改变，这是由于波的能量会拆分到改变后的容积中。关于外壳边缘，声波会围绕外壳而弯曲。传入声波的容积以及波前的表面变得更大。作用在该表面上的升压变得更小。由于压力改变，具有相反相位的次声源会在该边缘处形成。从所述次声源发出的声音将与主声源发出的声音叠加。根据运行时间差，在扬声器的频率响应中将交替地出现相长干涉和相消干涉，其中运行时间差受到两个声源之间以及扬声器与收听距离之间的距离的影响。如果与运行时间差等同的路径差对应于波长的整数倍，则在相应的频率下会产生最小值，在半波长的整数倍下会引起弯曲。如果将阵列置于挡板(baffle)的中心，则对于0°轴附近的观察点会引起干涉现象的叠加，这是由于，右侧和左侧或者上部和下部挡板边缘的运行时间相等。从而产生了与位置有关的频率响应，所述频率响应部分地特征在于严重的下落和弯曲。为了避免该问题，将正面的阵列位置选择为使得从中心独立扬声器到顶部、底部和侧面外壳边缘的距离尽可能地不同并且彼此不成整数倍关系。因此，防止了干涉效应的重合，干扰效应的重合是不利的。
利用加强隆起物将外壳分成尺寸相等的两个室需要将阵列布置为在水平方向上居中。例如，在每一种情况下，从阵列的中心到侧面边缘的距离是17.6cm。从阵列的中心到最顶部外壳边缘的距离被确定为14.1em。与底部外壳边缘的距离因此是23.1em。为了防止条带妨碍向后开口的振膜处的空气压缩，并不将阵列中所有的独立扬声器都布置成没有间隙的，在本实施例中，条带具有6mm的厚度，用于分隔出高频音驱动器。相反，如从图4a可以看出的，使阵列的中心列的独立扬声器与左侧和右侧相邻的列的独立扬声器之间具有6mm的距离。
优选地，用湿羊毛来润湿外壳以避免外壳模式(housing mode)。可以采用厚度为3cm并且质量为280g/m2湿羊毛。通过利用湿材料来吸收能量，将从外壳模式去除能量，使得外壳模式不能完全形成或根本就不能形成。该原理仅适用于高声速。如从图2c中可以示意性地看出的，由于在标准波的情况下外壳的边缘处始终存在压力最大值和速度最小值，所以在大约7cm的宽度上在外壳的边缘处不引入湿材料。
以下将参考图5a-5d来说明根据优选实施例的在图2a至2d所示的扬声器处执行的各种测量。借助于用于频率分离装置的4阶Linkwitz-Riley滤波器，来执行通过频率分离装置16将音频信号分成高频音支路和低频音支路的操作。图5b示出了频率分离装置的传递函数。与低频音信号相比，高频音支路的电平提高了3dB。扩音器具有连接在该扩音器下游的80Hz高通，图3中未示出。
将已经应用了所述滤波的信号提供给阵列。图5b示出了0°轴上高频和低频音路径的频率响应。两个路径的声学求和引起了非均衡的频率响应，如图5c所示。为了将频率响应的线性度和低频近似到所需的程度，优选地利用均衡器18a、18b来执行均衡。图5d示出了均衡后的频率响应，其中可以清楚地看到更好的线性度，并且还获得了在低频范围内明显改进的性能以及减小的低截止频率。因此，两个路径发出的声音分量在交叠区域内以尽可能理想的方式叠加，优选的是，将高频音路径延迟0.17ms。在从100Hz到20kHz的范围内，将由图5d的测量技术来表征的实施例中的频率响应线性化，使得可以实现+/-2dB的波动。在-6dB处，截止频率是100Hz。在20kHz处，声压级也降低了6dB。扬声器的平均电灵敏度是101dB/1W/1m。与传统的HiFi扬声器相比，该值是较高的，并且是由于无外壳独立扬声器的高灵敏度而引起的。图2e示出了平坦外壳的备选实现方式，平坦外壳以具有带斜面的槽(chamfer)以更靠近外壳正面(类似于斜截棱锥)，从而减轻了由于外壳边缘处的衍射现象而引起的干涉效应。因此，可以实现改进的线性频率响应。
为了改善扩音器在低频(即，在100Hz左右或更低频率)处发射的声压，在本发明的实施例中，平坦外壳可以被配置为低音反射外壳，所述低音反射外壳不是全封闭的，而是在挡板中具有一个或多个开口，开口还延伸到外壳中作为通道。低音反射系统的外壳是具有封闭安装开口的赫尔姆霍茨谐振器，所述封闭安装开口用于声换能器。低音反射通道中有大量空气，这些空气在谐振情况下以最大幅度振动。谐振器被调谐到在声换能器的谐振频率以下的谐振频率，从而在低频下对扬声器的声辐射作出主要贡献。正确地调谐的低音反射结构具有包含两个相邻最大值的阻抗曲线。在两个阻抗最大值之间的最小值fb处，低音反射管发射最大声压。低音反射通道发射的声压沿着更高频率和更低频率的方向减小。调谐低音反射系统的目的是声换能器和低音反射开口所发射的声音分量的相长叠加。在优选实施例中，例如，低音反射开口设置在图2b所示外壳的下侧壁上，所述通道开口被配置为矩形并且具有5cm的宽度。例如，室的反射管的长度将是3.3cm。据此而优化的外壳将具有以下尺寸：宽度41.5cm、高度66.2cm，深度2.4cm，所述尺寸是指内部尺寸。在其他实施例中可以将低音反射通道的开口扩大，具体地，可以扩大到覆盖室的例如17.2cm的整个宽度。相应地，可以增大反射管长度，这是由于如果调谐频率保持不变，则该长度也必须随着开口面积的增大而增大。
在不同实现方式中，反射开口还可以被布置在外壳的上侧的窄端。
具体地，优选的是具有由25个微型扬声器构成的二维布置的封闭扬声器，声换能器的数目还可以根据应用而在9到49的范围内。优选的是声换能器的布置的方形形状；优选地，当二维阵列被分成由提供临界低频音范围的独立扬声器构成的分离子阵列时，所述二维阵列工作在分离的容积中。优选地采用对称的双路布置；利用贝塞尔函数的系数，对位于用作高频扬声器的两个子阵列之间的另一阵列的独立扩音器进行加权。使用扬声器控制器对系统的激励信号进行均衡，并利用两个输出级来主动地分离和放大所述激励信号。因此，针对最大可用声压级以及针对频率响应的波纹和谐波失真，均实现了在HiFi中常用的值。扬声器由连续但不过度聚焦方向特性(不具有任何旁瓣)来表征。
根据本发明的扬声器可以用在典型的立体声或多通道设备中，优选地与用于最低频率范围的亚低音喇叭一起使用。阵列构思实现了系统的高稳定性。因此，利用用于波场合成的扩音器面板，由于独立扬声器的小直径，可以使相邻再现通道的距离最小化。由于可以分离地控制单个无外壳独立扬声器，从而可以分离地控制阵列的特定区域，所以还可以使用临时可修改的控制操作。如果仅单个扬声器工作在10kHz以上，则还可以利用修改后的阵列控制来减小10kHz以上的扬声器在垂直平面中的总体效果。根据单个扬声器的方向性，可以使用这样的三路系统来提高10kHz以上的垂直辐射角。优选地，消除了该实施例中使用的微型驱动器的频率响应中的声压弯曲(camber)，从而不再需要均衡。
对于对实时性没有严格要求的扬声器的使用，优选地使用线性相位的滤波器组来实现均衡。因此，可以有利地影响由扬声器和控制器构成的系统的组运行时间。
为了改进较低频率下的扬声器，优选的是通过增大振膜偏移来提高所发射的声压。
如果振膜偏移加倍，则所发射的声压也会理想地加倍。然而为了实现这一点，声换能器的机械结构必须被配置为用于增大的偏移。通过驱动电动声换能器而产生的力由磁体的磁通密度B、线圈线的长度1和线圈内流动的电流I的乘积来确定。
优选地，在DSP上，将本发明的扬声器实现为有源扬声器，所述有源扬声器包括内部信号处理(由于(例如，有源的)频率分离装置)和均衡，以及多通道放大可以被采用并合并到扬声器外壳中。
本发明的扬声器的特征在于非常小的外壳深度、价格低廉的制造、以及在主观水平下关于测量技术的令人信服的值。
图7a示出了一种扬声器，其中，优选地，在扬声器的中心处存在由独立扬声器组成的另一阵列，一个或多个独立扬声器以相对于二维阵列中的独立扬声器以倾斜的方式来布置，使得另一阵列的独立扬声器的有效区域的表面法线与所述二维阵列的独立扬声器的有效区域的表面法线不同。倾斜可以相对于法线而达到例如30度，优选地在10°到70°的范围内。在这种情况下，即使平板扬声器安装在墙上并且不能旋转，收听者也可以使扬声器朝向该收听者。然而，低频音阵列的近似全向特性不需要对准。
图7b示出了一种扬声器，其中，存在由独立扬声器组成的另一阵列，所述另一阵列凹进外壳内或者在有效区域前方具有波导装置。优选地，使用凹进或波导结构以得到扬声器的平面表面。此外，中心处高频扬声器的凹进并不是严格的，这是因为高频扬声器的必要空气容积较小，或者由于高频率而在整体上是不相关的。波导结构用于使目标区域中的固有方向性均匀，并且将具有喇叭型形状。

Claims (25)

1.一种扩音器，包括：
由具有平坦形状的无外壳独立扬声器组成的阵列，所述阵列被形成为方形形状，并且包括二维阵列(10)，所述二维阵列(10)由第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)构成，在第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)之间以所述阵列的中心阵列的形式布置有由平坦形状的独立扬声器组成的另一线阵列(13e)；以及
频率分离装置(16)，用于经由高频音路径(17a)提供高通信号以及经由低频音路径(17b)提供低通信号，高通信号用于控制所述另一线阵列(13e)，低通信号(17b)用于控制第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)，第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)的所有独立扬声器被接线为，使得利用控制信号经由低频音路径(17a)来控制第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)，这些控制信号不具有相互相移但具有不同的线长度，在独立扬声器与低频音路径(17b)的驱动器输出之间不存在移相器，第一二维子阵列和第二二维子阵列的独立扬声器被配置为提供多路系统中的低频音范围；
平坦外壳(1)，容纳独立扬声器(11a，11b，11c)，所述平坦外壳包括前壁、后壁和侧壁，并且
所述平坦外壳(1)具有小于5cm的深度，或者二维阵列(10)的无外壳独立扬声器(11a，11b，11c)的振膜直径小于5cm，以及
在彼此相邻的无外壳独立扬声器的边缘之间存在小于5mm的距离；并且
无外壳独立扬声器的数目在9到49的范围内。
2.根据权利要求1所述的扩音器，
其中，所述另一线阵列的独立扬声器与第一或第二二维子阵列(13a，13b)的独立扬声器之间的最小距离大于第一或第二二维子阵列(13a，13b)的两个直接相邻的独立扬声器之间的最小距离。
3.根据权利要求1所述的扩音器，其中，为高通信号和／或低通信号提供均衡器(18a，18b)和／或放大器(19a，19b)，所述均衡器和／或放大器被配置为使扩音器的声输出的频率响应在预定频率范围内均匀。
4.根据权利要求1所述的扩音器，其中，外壳(1)内部包含用于将平坦外壳的前壁和后壁相连的一个或多个隆起物(14a，14b，14c)，至少一个隆起物被布置在二维阵列(10)的独立扬声器与所述另一线阵列(13e)的相邻独立扬声器之间。
5.根据权利要求1所述的扩音器，其中，在外壳的前壁上，以偏离中心的方式来布置二维阵列，使得二维阵列的中心与前壁的中心相差前壁的较短边的至少10％。
6.根据权利要求1所述的扩音器，其中，二维阵列(10)中独立扬声器的数目是所述另一线阵列(13c，13d，13e)中独立扬声器的数目的至少两倍。
7.根据权利要求1所述的扩音器，其中，二维阵列包括由独立扬声器组成的至少两个组(12a，12b，12c，12d，12e)，每一组包括至少两个独立扬声器，组内的独立扬声器串联，并且组并联。
8.根据权利要求2所述的扩音器，其中，所述另一线阵列(13e)是由扬声器组成的贝塞尔加权的线阵列，并且存在控制电路，所述控制电路被配置为向所述贝塞尔加权的线阵列的外部独立扬声器提供驱动器信号，所述驱动器信号在幅度上比所述贝塞尔加权的线阵列的中心扬声器的驱动器信号弱。
9.根据权利要求1所述的扩音器，其中，二维阵列的所有独立扬声器或所述扩音器的所有独立扬声器总体上具有相同的有效区域。
10.根据权利要求1所述的扩音器，其中，二维阵列的所有独立扬声器或整个扩音器的所有独立扬声器是电动扬声器。
11.根据权利要求1所述的扩音器，其中，二维阵列的所有独立扬声器或整个扩音器的所有独立扬声器是锥形扩音器或活塞型辐射器。
12.根据权利要求1所述的扩音器，其中，二维阵列的所有独立扬声器或整个扩音器的所有独立扬声器是头戴式耳机听筒。
13.根据权利要求1所述的扩音器，其中，扬声器被布置在外壳内，使得二维阵列的每个独立扩音器的振膜的背面与最接近的外壳壁之间至少相距0.8cm而至多相距4cm。
14.根据权利要求1所述的扩音器，其中，二维阵列的独立扬声器被布置为彼此足够接近，使得相邻独立扬声器的边缘相隔小于3mm或者彼此接触。
15.根据权利要求1所述的扩音器，其中，第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)分别包括相邻两行的独立扬声器，另一阵列包括单行独立扬声器，对于所有行和阵列而言，每行的独立扬声器的数目是相同的。
16.根据权利要求1所述的扩音器，其中，外壳足够大，以至于外壳的容积等于二维阵列的每个独立扬声器所需的最小容积与二维阵列的独立扬声器的总数的乘积。
17.根据权利要求1所述的扩音器，其中，平坦外壳的深度小于外壳的前壁或后壁的较短边的1／10。
18.根据权利要求1所述的扩音器，其中，分别为高通信号和低通信号提供均衡器(18a，18b)。
19.根据权利要求1所述的扩音器，其中，外壳包括连续的隆起物(14a，14b)以提供第一二维子阵列(13a)的第一外壳容积和提供第二二维子阵列(13b)的第二外壳容积，第一外壳容积和第二外壳容积通过隆起物(14a，14b)而彼此分离。
20.根据权利要求1所述的扩音器，其中，由独立扬声器组成的所述另一阵列凹进外壳内、或者在有效区域的前方具有波导装置。
21.根据权利要求1所述的扩音器，其中，相对于二维阵列的独立扬声器以倾斜方式布置一个或多个独立扬声器，使得所述另一阵列的独立扬声器的有效区域的表面法线与二维阵列的独立扬声器的有效区域的表面法线不同。
22.根据权利要求1所述的扩音器，其中，以相对于第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)延迟0.17ms的方式来控制所述另一线阵列(13e)的无外壳独立扬声器。
23.一种扩音器，包括：
二维阵列(10)，由具有平坦形状的无外壳独立扬声器组成，所述二维阵列具有第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)；
另一阵列(13c，13d，13e)，由具有平坦形状的无外壳独立扬声器组成，所述另一阵列(13c，13d，13e)沿着前壁的宽度布置在第一二维子阵列(13a)和第二二维子阵列(13b)之间；
频率分离装置(16)，用于提供高通信号(17a)和低通信号(17b)，高通信号用于控制所述另一阵列(13e)，低通信号(17b)用于控制二维阵列(10)；
平坦外壳(1)，包括前壁、后壁和侧壁，所述独立扬声器(11a，11b，11c)容纳在前壁中；并且
所述平坦外壳(1)具有小于5cm的深度，或者二维阵列(10)的无外壳独立扬声器(11a，11b，11c)的直径小于5cm，并且
所述二维阵列和所述另一阵列被布置在外壳的前壁，使得所述二维阵列和所述另一阵列相对于前壁的边缘而言平行但偏离中心。
24.根据权利要求23所述的扩音器，其中，所述二维阵列和所述另一阵列被布置为使得二维阵列的中心与前壁的中心沿高度方向相差沿高度方向前壁长度的至少10％。
25.根据权利要求23所述的扩音器，其中，所述二维阵列和所述另一阵列相对于宽度居中布置。
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