CN102498726A - 扬声器喇叭的自动化定制 - Google Patents

Abstract

一种扬声器包括喇叭，其包括第一端板，第二端板，第一侧板，和第二侧板。至少第一侧板和第二侧板的边缘限定衍射槽开口。第一侧板和第二侧板每个都是由通过至少刚性支撑元件保持为受压、弯曲形状的柔性材料片制成。这些板由自动工艺基于将要用于扬声器中的电声变换器的数量，扬声器的水平覆盖角和垂直覆盖角，和扬声器的喇叭的壁的长度而设计。

Description

扬声器喇叭的自动化定制

背景技术

该公开涉及扬声器的自动化定制。

用于大型场所的音频再现系统通常使用模块化扬声器阵列以产生用声音填充该场所所必需的声能的水平和分布。在一些例子中，试图用单个扬声器填充一部分场所的一次性定制扬声器，可基于设计者对该扬声器正确尺寸的估计而制成。

发明内容

一般地，在一些方面，扬声器包括喇叭，其包括第一端板，第二端板，第一侧板，和第二侧板。至少第一侧板和第二侧板的边缘限定衍射槽开口。第一侧板和第二侧板每个都是由通过至少刚性支撑元件保持为受压、弯曲形状的柔性材料片制成。

实现方式可能包括一个或多个以下特征。第一端板和第二端板每个包括刚性片材。衍射槽开口具有相对喇叭内侧的凸曲率。侧板在对应于衍射槽开口的方向上弯曲，并在垂直于槽开口的方向上保持直线。第一侧板和第二侧板的弯曲形状每个都具有对应于直角圆锥表面的扇形的尺寸。该圆锥表面扇形由具有第一半径的第一圆弧，具有第二半径的第二圆弧，和与位于圆锥表面上的与第一圆弧和第二圆弧的每个的末端及圆锥顶点相交的直线共线的直线边缘界定。圆锥表面扇形由具有第一半径的第一圆弧，具有变化的半径的第二弧线，和与位于圆锥表面上的与第一弧线和第二弧线的每个的末端及圆锥顶点相交的直线共线的直线边缘界定。第一侧板和第二侧板具有平坦时对应于由内径、外径和角度限定的平面环带扇形的尺寸。第一侧板和第二侧板每个在长度和曲率上沿着槽开口的广度变化。第一侧板和第二侧板每个都包括第一边缘，每个侧板的第一边缘在张力下被耦合到刚性支撑元件，并且无需沿着第一边缘的长度的紧固件。每个侧板的第一边缘以沿着第一边缘的长度变化的角度耦合到刚性骨架元件。

该扬声器包括多个歧管组件，每个具有耦合到衍射槽开口的输出口，该多个歧管组件的输出口在衍射槽开口处一同构成衍射槽源；以及多个电声转换器，每个耦合到歧管组件之一的输入口。每个歧管组件具有两个输入口并包括两个声音通道，每个声音通道分别在两个输入口之一具有第一末端，在输出口具有第二末端，并且每个声音通道在不同的方向上弯曲远离输出口，这样输入口位于喇叭的相对侧附近。每个歧管组件具有一个输入口，并包括一个声音通道，该声音通道在输入口具有第一末端且在输出口具有第二末端，每个歧管组件的声音通道在与相邻歧管组件的声音通道的方向相反的方向上弯曲远离输出口，这样输入口位于喇叭的与相邻歧管组件的输入口相对侧附近。

一般地，在某些方面，工艺获得扬声器数据，其标识将用于扬声器中的电声换能器的数量，扬声器的水平覆盖角和垂直覆盖角，和扬声器喇叭的壁长。该工艺计算具有基于换能器数量的长度的扬声器的衍射槽的曲率，对应于垂直覆盖角限定扬声器喇叭的顶端板和底端板，限定具有基于换能器数量，水平覆盖角和垂直覆盖角，和衍射槽曲率的长度、宽度和曲率的喇叭的第一侧壁和第二侧壁，计算对应于限定的第一侧壁和第二侧壁的平板的尺寸，以及输出可机读平面图用于顶端板和底端板及第一侧壁和第二侧壁的制造。

实现方式可以包括一个或多个以下特征。平板基于输出平面图制造，并组装形成喇叭。制造平板包括将平面图输入到CNC铣床，操作CNC铣床根据平面图切割薄柔性材料板。该薄柔性材料包括PVC。组装平板以形成喇叭包括固定每个侧壁板的第一边缘和第二边缘到顶端板和底端板的第一边缘和第二边缘，并弯曲侧壁板以使每个侧壁板的第三边缘与计算的曲率一致。弯曲侧壁板包括固定顶端板或底端板中的第一个到对应于计算的曲率的弯曲支撑结构的第一末端，并朝该弯曲支撑结构的第二末端拉顶端板或底端板中的另一个，这样每个侧壁板的第三边缘各自座落在弯曲支撑结构中的槽中。

包括对应于计算的曲率的弯曲支撑结构的龙骨被组装。多个歧管组件被固定到支撑结构，每一个具有位于支撑结构内的输出口，其中多个歧管组件的输出口一同形成衍射槽源。多个电声换能器分别被固定到歧管组件之一，每个换能器耦合到对应的歧管组件的输入口。该龙骨被耦合到根据平面图制成的喇叭，这样衍射槽源被耦合到喇叭中的由至少第一侧板和第二侧板的边缘限定的衍射槽开口。

限定第一侧壁和第二侧壁包括计算环带的内圆周的半径R₁，环带的外圆周的半径R₂，和环带扇形的角度V_f，侧壁分别对应于由计算的角度界定的环带扇形。该半径R₁通过使用公式

计算，其中B是换能器之一的尺寸，H是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域侧面之间的角度，V是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域的前和后之间的角度，而N是换能器数量。半径R₂由公式R₂＝R₁+L计算，其中L是喇叭长度。角度V_f由公式V_f＝Vcos(H/2)计算，其中H是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域侧面之间的角度，而V是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域的前和后之间的角度。

限定第一侧壁和第二侧壁包括模拟一套子喇叭，其每个对应于衍射槽扇形并成形为限制通过衍射槽扇形向覆盖区域的相应扇形传播的声能，以及变形并连接梯形子喇叭的邻接对侧壁以限定跨越所有的子喇叭的连续弯曲片。覆盖区域的每个扇形对应于垂直于从衍射槽的相应扇形到该扇形的传播方向的投影区域，所有投影区域具有实质上相同的区域。衍射槽的曲率包括圆弧。衍射槽的曲率包括具有逐渐减小半径的曲线。限定侧壁包括基于描述侧壁材料特性的数据修改侧壁的曲率。

获取扬声器数据包括接收描述场地、该场地中扬声器位置、场地内的覆盖区域、和与覆盖区域关联的声压级的输入数据。在扬声器中将要使用的电声换能器数量，水平覆盖角和垂直覆盖角，和喇叭长度都要通过输入数据来确定。

确定换能器数量包括从用户处接收作为输入的换能器数量。确定换能器数量包括计算向覆盖区域提供来自扬声器位置的声压级所需的声功率的量，以及计算的声功率的量除以换能器模型的功率容量。计算衍射槽曲率包括：(a)将覆盖区域划分为多个对应换能器数量的带，(b)定位具有长度和轴的第一模拟源，其长度的第一端在平面上连接扬声器位置到覆盖区域的后部，以及其轴指向与覆盖区域尾部关联的多个带的第一个中的中心位置，(c)定位下一个具有长度和轴的模拟源，其长度的第一端与第一模拟源的长度的第二端一致，其轴指向邻近多个带中的第一的多个带中的下一个中的中心位置，以及(d)重复步骤(c)以相对每个以前的模拟源定位另外的模拟源直到模拟源的全部数量等于确定的电声换能器的数量，衍射槽的曲率是连接所有模拟源的曲线。

优点包括提供单个集成系统，其提供用于特定场所的指定声学覆盖，包括至少部分自动化设计和定制扬声器组件的制造。

根据说明书和权利要求书，其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示出了设计定制扬声器的工艺。

图2示出了场地中的扬声器模型的透视图。

图3A、图3B和图7A示出了场地中的扬声器模型的示意侧视图。

图4A示出了由平板构成的扬声器喇叭的透视图。

图4B示出了图4A中扬声器喇叭的侧视图。

图4C示出了图4A中扬声器喇叭的前视图。

图5A、图5B和图6A示出了构成扬声器喇叭所使用的平板。

图6B和图6C示出了用于限定图6A中的平板的圆锥截面。

图7B示出了场地中的扬声器模型的平面示意图。

图7C示出了扬声器喇叭中间模型的侧视图。

图7D示出了图7C中的中间模型的前视图。

图7E示出了图7C中的中间模型的平面图。

图7F示出了扬声器喇叭模型的侧视图。

图7G示出了图7F中的模型的前视图。

图7H示出了图7F中的模型的平面图。

图7I示出了图7F中的模型的透视图。

图8示出了示例换能器歧管元件。

图9示出了用于具有示例换能器歧管元件的扬声器组件的支撑组装件。

图10和图11示出了组装后的扬声器。

图12A示出了扬声器组装件的尾部透视图。

图12B示出了图12A中的扬声器组装件的前部透视图。

图13示出了在场地中的两个扬声器的平面图。

图14示出了在场地中的扬声器阵列的侧视图。

具体实施方式

自动化扬声器设计系统使用如图1所示的工艺。在使用该系统时，用户用场地的构造模型开始，然后输入设计目标，比如演讲者位置，听众区域，声音的期望带宽，和要达到的声级。场地的简化表示如图2所示。该系统使用输入参数设计要符合特定设计目标的定制扬声器。在一些例子中，该系统工作为定制扬声器补充其他组件，如低音扬声器，放大器，和控制器。该系统也可以确定那些组件的配置参数，如均衡曲线，连接拓扑，时间延迟，和输出限制。

在图1的自动化扬声器设计工艺100中，用户通过输入(102)场地的构造模型，在图2中以简单矩形房间152表示，来开始。这可以通过载入从构造设计或CAD软件输出的文件，或通过使用系统提供的用户接口来创建场地模型。在2004年10月13日提交的美国专利申请10/964,421中描述了一个这样的系统，并在此纳入参考。然后，用户指定(104)一个或多个扬声器154将设置在场地中的哪里。提到“扬声器”，指的是主动的电声转换器和被动组件如波导，端口，和喇叭组成的完整的组装件，其一同工作向场地发送声音。在图2中，一个扬声器154以对应于喇叭的通常的梯形盒子，扬声器最可见的部分示出。通常，根据构造，美学，或其他考虑，在哪里安放扬声器是有限制的选择。在一些例子中，该系统的自动化部分可以为扬声器指定一个或多个位置。用户也指定(106，108)收听区域156，和收听区域的声音系统所需要的声压级(SPL)。在一些例子中，用户指定(110)扬声器的拓扑，比如其是指数喇叭，具有弧形的直线阵列，递进的(螺旋的)，或J形曲线，或一些其他拓扑。所描述的系统尤其适合具有连续弯曲形状，也就是圆形曲率或递进曲线，耦合到大喇叭或波导上的长衍射槽源的扬声器。扬声器拓扑的选择也可以自动化，通过系统选择最佳拓扑以提供所要求的覆盖。其他用户输入(未示出)可以包括带宽或要产生的声音类型(如音乐或人声)，多个覆盖区域的确认，或音频信号输入源类型，以举几个例子。

给出这些输入后，系统开始设计(112)第一(如果多于一个)扬声器，其包括源160和喇叭158。作为第一步，系统为水平覆盖角H和垂直覆盖角V确定(114)初始确定值，扬声器将需要通过这些投射声音覆盖收听区域156。H和V都由收听区域的尺寸和扬声器位置几何地确定。在图2中，由于衍射槽源160不同的长度和宽度，V基于那些表面到实际位于扬声器154后面的假设点源155处的相交的投影，在喇叭的顶壁和底壁之间测量，而H从位于喇叭后边缘的后面的侧壁的投影的相交来测量。垂直覆盖角V是从连接垂直点源位置的平面到收听区域的前后排的角度。水平覆盖角H是从连接衍射槽源的平面到座位区域的左右侧的角度。如下所述，使用的最后值可以根据由场地结构而建议的初始角度而改变。对于矩形座位区域，角度H可以根据喇叭高度改变，其将在顶部比底部更窄以在后排更大的距离覆盖相同的宽度。对于随着距离(适当的尺寸)而加宽的座位区域，角度H可以按照喇叭高度而恒定，增加的覆盖距离匹配增加的座位区域后部的宽度。总体上说，角度H沿着喇叭高度根据基于覆盖区域距离的变化的功能而变化。通过充分多数量的驱动器，极端复杂的座位区域可以被很有效的覆盖。

该系统预测(116)总传播功率，其是对于对收听区域提供指定的声级的需要的。该功率和覆盖角可以独立确定，或它们可以相互依赖。如果衍射槽源由多个声音换能器，则将其作为驱动器，驱动，用户可选地选择(118)数量N个驱动器来使用。驱动器数量可以相对于喇叭的壁长L而权衡(见图4A)以达到所需的传播功率。具有更长的壁的喇叭(对于给定的覆盖角H和V)将具有更宽的口，提供方向性控制降到更低的频率，因此比更短的喇叭需要更少的功率覆盖给定的区域。给定的驱动器具有固定量的可用功率，因此所需驱动器数量受喇叭提供的在功率分布和驱动器阻抗匹配，到喇叭提供的自由空气上的控制的数量的影响。该源的总长度，由驱动器数量和其尺寸决定，也影响效率，通过其传送由驱动器提供的功率。在许多情况下，喇叭尺寸由构造和视觉考虑而约束，驱动器数量由提供给收听区域的指定的SPL所要求的功率而规定。驱动器的不同模型也可以指定以发送不同功率级。一旦H，V，N，和L已经被确定或输入，该系统具有设计将提供指定的覆盖范围的源和喇叭所需的信息。

在几何上，如下所述，换能机构可以远离传播声音的孔径或表面。所指传播孔径或表面，其安排在一条线上以作为“源”而形成衍射槽源以从“驱动器”衍射它们，其实质是将电信号转换成声压。这里参考图1至图3讨论的是这些“源”的布置。图3中一般的演讲者符号被用于表示源而没有暗示任何特别的换能器技术或驱动器和源之间的几何关系。驱动器的精确位置可以相对源的位置而独立，其将参考图8-图10稍后描述。对于扬声器算法设计的讨论，如所述的，源可以认为是直接位于衍射槽处的驱动器。

对于圆弧形衍射槽，N个源简单定位(120)在弧线上，其在对应于完全垂直覆盖角V的弧线的角度范围上，半径由源的数量N而规定，其必须以该角度和它们的高度适合于弧线。

对于具有递进曲线形状的衍射槽，曲率半径随位置变化的地方，有几种方法可以用于确定所组成的源的角度和位置。在一些例子中，该角度由算法或其他数学级数确定，如几何级数，其位置被设置以形成沿着该曲线的连续源。

在另外的例子中，该系统可以使用通过图3A图解并在以下描述的模型来设计曲线衍射槽并定位源。在图7A和图7B中的喇叭定位的图解也可以为该讨论提供信息。给出H，V，和收听区域所需功率，系统将收听区域156沿着收听区域的长度划分(120a)为N个等功率带162i(在图3A的情况中，N＝7，因此有7个带162a-162g)，每一个跨越其整个宽度，并排列出对应于带162i的N个源的阵列170(图3A中160a-160g)。对于来自驱动器和合适尺寸喇叭的给定可用功率，每个源可以辐射垂直于源的轴线的一定尺寸的区域(在更大距离上等尺寸区域需要更窄的喇叭，将功率限制在更窄的立体角中)。带162i代表提供来自由均匀功率的驱动器驱动的源的相同声级的收听区域部分。带是否随着增加从扬声器的距离增加，减少(如图所示)，或保持恒定深度，取决于一些因素，包括收听区域是否增加或减小宽度，扬声器和每个带之间的角度，和扬声器在增加的距离上控制传播如何。源160i被瞄准(120b)每个覆盖其相应的带162i，以及被设置以形成连续曲线。

在一些例子中，收听区域被按如下划分为等功率带。图3B示出了图3A中的一个带162g的细节，包括表示出的另外的测量值。当扬声器以角度发射到收听区域带162g时，该收听区域被垂直于由轴164g表示的辐射方向的投影区域180g覆盖。对收听区域带162g的投射由前和后平面182a和182b界定。对于在从扬声器向下的角度v的收听区域的小扇形，称其为覆盖区域Ac，其投射区域Ap(v)通过覆盖区域Ac(v)和入射角θ计算：

A_p(v)＝A_c(v)×cos(θ)                     (1)

提供指定的直接场强Id所需的功率等于强度乘以覆盖区域。对于到收听区域足够近的扬声器，入射角从收听区域前部到后部略微的变化，实际覆盖区域随着角度而变化(其随着位置依次变化)，甚至当投射区域在距离上保持恒定时，因此计算收听区域上的积分(也就是，在前部的垂直角v0和尾部的vn之间)以找到全部的所需的功率：

$W_{\mathrm{req}}=\underset{v_0}{\overset{v_n}{\∫}}{I}_d\left(v\right)A_c\left(v\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{dv}---\left(2\right)$

在积分(2)中限定A_c(v)的函数取决于场地几何和扬声器位置，如θ。直接场强I_d也可以是收听区域的位置的函数，或其也可以是恒定的。该积分的特定的结果将因此基于对工艺100的输入，其也可以根据系统执行工艺100的能力，数字地或代数地解决。

所需功率W_req通过除以由一个驱动器提供的标称功率W_s以找到N的更低边界，就是：

$N\≥\frac{W_{\mathrm{req}}}{W_s}---\left(3\right)$

用户可以对N指定更大的值，或可以选择至少从计算的最小值开始。收听区域然后通过计算积分(2)确定v₁和v₂的值而被划分为等功率带162i，其限定被一个驱动器功率W_s覆盖的区域：

$W_s=\underset{v_1}{\overset{v_2}{\∫}}{I}_d\left(v\right)A_c\left(v\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{dv}---\left(4\right)$

从收听区域的后部开始，其中v₂是已知的(也就是说，对于第一个带，v₂＝v_n)，为每个带162i积分(4)被反复计算，前一个部分的低角v₁变为下一个部分的高角v₂。若用户为N指定了比通过(3)所需的更大的值，那么(4)中的W_s就能被W_req/N_user替代。因为角度变化，在投射覆盖区域对每个实际覆盖区域是相同的时，实际覆盖区域的区域也将变化。在一些例子中，如扬声器低到地面而入射角非常苛刻，相对于已经叙述的简单情况，可能需要对每个源和覆盖区域进行额外的数字计算。在一个喇叭的情况下，实际覆盖区域是跨越收听区域宽度并具有变化的深度的矩形的(或近似矩形)带，如图3所示。图3中使用的尺寸是任意的，仅选择用于说明工艺。如果使用多个扬声器，带可以覆盖少于收听区域的全部宽度。一旦带已经建立，源每个瞄准(120b)覆盖其相应的带。

可以使用重复的工艺来确定源的位置并限定整个衍射槽源的曲线。第一源160a被定位，伴随其上边缘限定该曲线的顶端。该源在连接点源155到后排的平面之上开始该曲线，因此投射覆盖区域的边缘的功率的下降(典型地-6dB)落在收听区域之外。源160a是倾斜的，这样其轴线164a穿过由(4)限定的最后面的带162a的中心，因此限定该源的俯仰角。每个源的俯仰角对应于在相应带的中心的，用于以上计算的角度v。根据顶部边缘位置，俯仰角，和源的尺寸，第一个源的下边缘位置是已知的。下一个源由其顶部边缘在前一个源的下边缘而定位，并重复以上步骤。这样连续直到所有源被定位，产生图3中所见的递进曲线。最后的源将被定位于其底部边缘在连接点源155到前排的平面之外延伸。覆盖区域边缘功率的降低被通过导致相邻源的覆盖的交叠而对源之间进行补偿。以上计算的区域将导致源之间的角度适当交叠每个源的投射区域，使用源的交叠覆盖来对过渡区域提供同样的覆盖。相同的工艺可以从最低的源160g和最前的带162g而开始应用，该工艺可以改变以满足其他目标，如果，例如不期望收听区域的一致强度。

一旦由源的弧线所提供的衍射槽源被确定，喇叭壁就被设计以限制由源向收听区域的声音辐射。通常化的喇叭158如图4A-图4C所示。独立于源曲率，喇叭158可以具有复杂形状，其在顶部更窄且更深，以将声音投射到场地的后部，而在底部更宽且更浅，以在场地前部发散声音。这样使得单个喇叭覆盖收听区域的巨大的部分。在其他例子中，喇叭从顶部到底部保持相同的形状。为了限定喇叭壁158，平顶板166和底板168被定位(122)在被垂直覆盖角V分隔的平面中以与收听区域156的顶部和底部对齐(图2)(更一般地，板166和168可以作为端板，因为扬声器可以安装在不同方向)。喇叭158的侧壁200然后被确定(124)以与收听区域156的侧面对齐。侧壁200被水平覆盖角H分隔，水平覆盖角H如上所解释的，可以随着高度变化。为了适应在之前步骤中确定的曲线的源，侧壁200也是曲线的。在以下描述的喇叭制作工艺中，侧壁由平板形成并被弯曲成所需的弯曲形状。在一些例子中，侧壁的理想曲线对材料产生过大的应力，因此该侧壁的曲线根据需要从理想曲线而被软化(124a)。如果需要其他的扬声器，其被通过相同的工艺，反复地或与第一个扬声器并行地设计(113)。

一旦该喇叭几何被确定，其可以被精细化。可以使用(126)声音系统模拟软件来确定均衡参数并预测扬声器的辐射模式。预测的辐射模式然后被提供(128)给用户，也可以是图形化的，如所述的，例如，在美国专利申请10/964421中或通过声音模拟，如所述的，例如，在美国专利5,812,676中，这里都结合作为参考。用户选择(130)接受设计或改变这些参数(H，V，N，或L，或原始输入参数之一或更多)之一或更多。例如，改变驱动器数量，壁长，或覆盖角可能导致更平滑的辐射模式。如果对于预算来说太多驱动器被指定，用户可以降低指定的声级；可替换地，如果预算有空余，用户可以直接指定更多驱动器或可以提高指定的声级。如果做出改变，工艺重复源和喇叭设计步骤以制作和模拟新的设计。在一些例子中，该重复也是自动化的。如果预测的辐射模式在一些限度内与输入参数不匹配，工艺使用这些差别来精细化H，V，N，或L的值，并然后重复该适当的步骤以根据精细化的值改变源和喇叭的形状。这可以重复直到值聚集，那就是，对目标的偏离，每次重复的改进，或对进一步精细化设计所要求的变化少于一些限度。一旦喇叭形状被接受(130)，侧壁被数学地(分析地或数字地)转换(132)为平面形状。顶部，底部和侧壁平面图被输出(134)以用于制造(136)，在以下描述。

在一些例子中，扬声器设计工艺100与使用相同或相似输入和输出配置参数如均衡化设置，时间延迟，限制器等级，材料清单，图表等等的系统配置工艺138是成对的。在美国专利7,206,415中描述了系统配置的自动化工艺，这里结合作为参考。配置138也可以手动操作。最后，该系统被安装(140)并投入使用。

非常适合定制的特别的扬声器且尤其是以上描述的自动化设计工艺在图5-图10中示出。图5A，图5B和图6A示出了可以根据以上表述的工艺设计和组装以形成如图4A-图4C所示的喇叭的平板。尤其是，图6A中的侧板200被连接到顶板166和底板168，像图5A和图5B中的那样，以形成喇叭用于与圆弧源一起使用。确定这些板的形状的工艺在以下被描述。由相似材料对递进曲线喇叭的创建将参考图7A-图7I在更下面描述。一套模块化歧管截面，如图8中所示那些，耦合到换能器的相应辐射孔或表面并被组装到图9中的刚性的弯曲龙骨上以形成弯曲衍射槽源，其被连接到喇叭158以形成完整的扬声器154，如图10所示。当这类扬声器可以手动设计和建立时，它们非常适合这里描述的自动化工艺，其基于输入性能和场地参数确定地设计扬声器。

喇叭158由四个以平板开始并连接形成所需复曲率的表面形成。如图5A和图5B所示，顶板166和底板168是具有侧边缘202，204，206和208的三角形(其顶部被切去)。三角形的中心角决定喇叭的水平覆盖角H。如果三角形端板166和168是同样的(没有示出)，那么水平角将沿着喇叭的高度恒定。如果端板不是同样的，则侧壁的曲率将更复杂且H将沿着喇叭的高度变化。一端可以更窄和更深，而其他端更宽且更浅，虽然宽度和深度可以是独立的。这种复曲率提供了以上描述的长且窄的顶部和短且宽的底部。在甚至更复杂的曲率中，顶板166的成对的边缘202和204可以与底板168的边缘206和208不同长度，使得壁长L沿着喇叭的高度变化。这可以提供，例如，具有窄端和宽端，但在两端具有相同深度的喇叭。在所示的例子中，该三角形和因此该喇叭是关于一个轴线对称的，但这也并不是要求。喇叭可以在水平面不对称，在这种情况中每个三角形的相对的边缘202/204和206/208将不同。

图6A示出了平侧板200，其将被连接到三角形端板166和168以形成适合具有圆形曲率的源的喇叭。该板200是环带的扇形，由具有从中心点211的半径R₁的内圆周扇形210，在两边缘212和214之间的角度V_f，长度L(喇叭的深度)的每一个，和半径R₂的外圆周216所限定。连接两块板200，这样当板以水平覆盖角H分叉时，两块板的内边缘210保持平行，沿着其垂直延伸强加曲率于板上。如图6B所示，这样的喇叭的侧板200每个对应于圆锥220(仅示出部分圆锥)的截面的表面的扇形。图6C是和图6B相同的，为了清楚仅一个板200被示出。圆锥具有顶点221，限定侧壁板200的表面是其边212和214位于线222和224上的带，以及内圆周边缘210和外圆周边缘216在圆锥220表面上形成平行圆弧。

侧板200的尺寸由圆锥220的一定方面决定，其依次由之前确定的开始值H，V，N，和L确定。在图6B中，水平面228通过其与圆锥相交确定内边缘210。平面228包含曲线衍射槽源(未示出)的弧线，其安装后通常是垂直的。侧板200延伸远离面228朝向圆锥底。在图6B中，第二侧板偏置于圆锥较小量，代表衍射槽源的宽度—对应于第二版的第二圆锥未示出。

侧板200和平面228之间的角度是H/2，因为每个侧板200从中心平面228是水平覆盖角H的一半。因为平面228垂直于圆锥轴230，H/2也是圆锥的基角。喇叭的垂直覆盖角V与平面228中的限定端板166和168的平面之间的角匹配，其在轴230相交(平面没有示出，它们对应于圆锥220的图解截面的附近和远处的面)。如所说明，边缘212和214的长度是L，直接确定喇叭壁的长度。(下部板200的远边缘214是模糊的，而边缘212和214在上部板和图6A中都是可见的且标记的。)

内圆周边缘210连接一些匹配驱动器数量N的线段210a，其中每个具有长度B。从一个段210a的中心回到圆锥的轴230的投射矩形段234，形成具有B/2长度的底和斜边238的直角三角形。斜边238的长度R_s是当板200被弯曲以符合圆锥时内圆周边缘210在平面228中的半径。该三角形的角度，在轴230上，是

(因为角度V被分为N段，以及该三角形进一步将其之一分为一半)，基线长度是B/2，因此斜边238的长度如下得到：

$R_s=\frac{B}{2\sin \left(\frac{1}{2}\frac{V}{N}\right)}---\left(5\right)$

图6A中的内半径R₁的值和平板200的边缘212和214之间的角度V_f根据这样而得到：当圆锥表面被展平时，边缘210保持圆形，但具有与其在圆锥中的半径R_s不同的半径R₁。因此，边缘210的弧长在图中都相同，因此：

R₁V_f＝R_sV                (6)

线222从板200的角部到顶点221的段也具有长度R₁。该段可以看见与圆锥的半径238b和轴230形成直角三角形。已知平面228和锥表面之间的角度H/2，从顶点221到边缘210的长度由此得到：

$R_1=R_s\frac{1}{\cos (H/2)}---\left(7\right)$

为V_f解出(4)和(5)，

V_f＝Vcos(H/2)             (8)

联立(5)和(7)，R₁也根据输入而得到：

$R_1=\frac{B}{2\sin \left(\frac{1}{2}\frac{V}{N}\right)\cos (H/2)}---\left(9\right)$

给出V_f，R₁，和L，板200可以从平片材进行切割，因为其简单地是具有内半径R₁，外半径R₂＝R₁+L，和夹角V_f的环带扇形。

图6B中所示的喇叭保持恒定的角度H，这样顶板166和底板168是同样的。一旦板根据圆锥几何而被设计好，然而，其可以用于通过使用不同角度的顶板和底板而具有变化的水平角的喇叭。为了设计沿着其高度长度L变化的喇叭，外半径R₂可以独立于H是否也变化，而随着位置变化。在这样的情况下，外半径R₂可以从一端到另一端单调变化，那就是，其将取决于视点增大或减小。如果L和H一同变化，这样壁延长同时水平角减小，喇叭可以由变化角形成，但仍具有矩形口，乃至具有在角度变得更窄的同时变得更宽的口。

形成喇叭侧面的第二种方法以一系列平面形状开始。该方法用于例如J曲线，递进曲线，或其他复杂源。如图7A至图7E所示，喇叭158可以在概念上被分为一系列堆叠的子喇叭158i，每个驱动器对应一个。为了清楚，图7A和图7B仅示出顶部子喇叭158a和底部子喇叭158g(用于七驱动器喇叭)。应当指出的是，这些特征不是在附图范围之内或之间。每个子喇叭具有其自己的水平覆盖角Hi和垂直覆盖角Vi，以上关于图3解释的，基于其位置和收听区域的相应带162i之间的关系。这样的子喇叭158i的堆叠如图7C至图7E中所示的模拟。初始地，每个子喇叭被模拟为具有由更小的平型的侧壁和其自己的三角形顶板和底板形成的矩形口。在一种简化情况下，侧壁可以初始化模拟为梯形或如描述的那样建立环带扇形用于圆弧源，以上，每个具有N为1，H，V，和L根据带162i的覆盖区域设置。如图7A和图7B所见，顶板和底板被定位以在其相应的源160a，160g(在以上工艺100的步骤120a和120b中确定)的上部边缘和下部边缘开始，并与相应的收听区域的片(正如关于源定位工艺，实际覆盖区域典型地仅超出收听区域的限制延伸，以应对覆盖区域的边缘的功率上的降低)的顶端和底端对齐。图7A中示出了源160a和160g的对应这些覆盖区域的虚线。这些线之间的反向投射到其交点的角度，将是子喇叭的Vi(带162a的几乎平行的顶部线和底部线的交点会远到页面外，因此那些线是被删节示出的)。应当指出的是，因为图中所有三轴是以不同比例画出的，作为不同组件，图中的几何关系可能与真实的实现方式不匹配。这样的具有不同垂直覆盖角的子喇叭的堆叠结合在一起导致在整个收听区域更加均衡频率的响应。

一旦子喇叭的堆叠被模拟，其梯形侧壁就变形为配合其边缘和角部以形成片材，并被弯曲以为片材形成连续曲率，如图7F至图7I所示。虚线示出了变形并结合部分的边缘。各种技术可以用于连接这些板，如平均长度，配合中点，或将每个底部角外移到邻近顶部角，以举一些例子。每个模拟的子喇叭的顶板和底板(除了最外面的顶板和底板)被移除，留下单独的开口。在一些例子中，中间的顶板和底板中的一个或多个，或更小的支撑元件可以保留以为喇叭提供结构稳定和保持设计的水平角H。如果由该工艺产生的侧板的曲率超出了其可能或所用材料的良好结构，那么该曲率可以被修改，比如通过加宽或变窄喇叭以消除拐折点(在那里曲率由凸变凹)或减小半径。在一些例子中，已经发现极端复曲率是可能的，只要在局部相对曲率为零的任意给定点保留至少一个方向。

为了由平板形成复曲率，侧板200由薄的柔性材料制成，该材料具有足够硬度，使得一旦端部被固定到依次被固定到龙骨的不太柔性的顶板和底板，保持相对刚性的已完成的组装件。在一些例子中，已经发现厚度为3.18mm(0.125in)的PVC片具有合适的硬度。也发现厚度为1.27mm(0.050in)的铝片具有合适的硬度，虽然金属可能不具有足够的内损以防止声音通过壁而泄漏。三角形端板166和168在该例子中不是弯曲的，能因此由更硬或更厚的平面材料制成。已经发现塑料侧壁阻止甚至非常高压声音通过壁泄漏，不管是薄材料。相信这可以由于侧壁的受压曲率而增加其一旦组装后的硬度，一同伴随着材料中的高内损。对于“柔性”，指材料在保持在材料的弹性限度内能被弯曲到期望的形状，那就是当弯曲片材成形时没有塑性变形或开裂。相反地，对于“刚性”，指材料具有足够硬度，其将传递所需压力来保持零件的弯曲形状，其没有自身被弯曲或另外变形地支撑。优选的是喇叭中使用的所有的材料是环境稳定的。在一些例子中，喇叭可能需要小垂直角和平的顶端及底端，导致侧壁在垂直方向最小限度的曲率。在该情况下为了增加硬度所需压力，侧板可以在水平方向上给出曲率，也就是，喇叭宽度沿着曲线向外张开。

在一些例子中，顶板和底板可以被弯曲。在这样的情况中，取决于喇叭的细节，侧板也可以被弯曲或可以保持平的。例如，对于非常小的垂直角，当顶板和底板可以被弯曲成从衍射槽张开时，衍射槽可以具有小曲率，导致大体平的侧板。在这样的形状中，侧板的端部也是弯曲的，而不是直的，以适应弯曲的端板。如果弯曲端板由刚性材料形成，则该结构可以如上所述而保持。另一方面，如果该端板由柔性材料形成，则侧板可能需要为刚性的以支撑端板的曲率。可替代地，龙骨和侧板的弯曲边缘之间的连接可能传递足够的硬度，那样所有四块板可以是柔性的并在张力下相互支撑以成形。

在完整的扬声器中与喇叭158使用的声源是由一套电声换能器驱动的弯曲衍射槽。该换能器可以是，例如，压缩驱动器，圆锥形换能器，静电换能器，或其他类型电声换能器。该衍射槽源由堆叠一些每对配合换能器到槽形出口的模块化歧管组件而形成。歧管组件例子300如图8所示。在该例子中，每个歧管组件300具有两个安装盘302，压缩驱动器(未示出)被附其上。压缩驱动器将声能导入开口304导入管道306。管道306在矩形孔308处终止。当多个歧管组件300被堆叠时，如图9(不同例子的歧管组件301)和图10所示，孔308一同形成衍射槽源。通过将换能器从衍射槽移走，并移到在喇叭侧壁后面的空间，其具有更大空间，歧管组件300能比如果换能器被直接定位在衍射槽中使用更大换能器。尽管图8中的例子示出了两侧歧管，单侧歧管组件也可以使用，如图9和图12所示的改变侧边，以适应甚至更大直径的换能器。

在一些例子中，刚性龙骨320，如图9所示，被用于提供在期望的曲率中对齐歧管组件和将它们连接到喇叭158的结构。在图9的例子中，示出了单侧歧管组件301，相对于图8中的两侧组件300。每个歧管组件301通过改变歧管截面弯曲到扬声器的相对侧，适应更大直径的驱动器，耦合单驱动器(未示出)到衍射槽。龙骨320也可以为喇叭提供“背骨”结构。在一些例子中，龙骨由为锚定其他组件并悬挂组装的扬声器而提供刚性支撑的钢板322，324，326，328组装而成。在一些例子中，龙骨由两个简单将歧管组件夹在中间的弯曲零件形成。在图9的例子中，歧管组件没有被锚定在龙骨侧面—龙骨侧面向歧管开口投射且将被定位到喇叭尾部的每侧，而歧管组件将结合侧壁的边缘210。

以上描述的组件被组装以形成完整的扬声器154，如图10所示。龙骨320被附到喇叭158的底座。歧管组件300的堆叠330通过其口308耦合到喇叭中的开口而被附到龙骨320以形成衍射槽源。每个歧管组件被耦合到至少一个驱动器184。在图10的例子中，使用图8的两侧歧管组件，因此对每个歧管组件使用两个驱动器，虽然在图中只有在远侧的顶部的一个可见。

由扬声器154覆盖的区域由喇叭158的尺寸确定。给出所需覆盖模式，喇叭158必要的尺寸能如以上所述而确定。在一些例子中，如图11所示，具有不同水平角度和垂直角度和长度的喇叭158a，158b的多个扬声器154a，154b，和具有相同或不同数量驱动器的歧管堆叠330a，330b可以被堆叠。这导致更小的单独组件被使用，简化组件的制造，运输和存储。在一些例子中，以上描述的递进曲线工艺会导致侧板的太大的曲率，因此要使用两个或多个堆叠的扬声器，每个提供模型化单喇叭的相应部分的覆盖范围。当扬声器以这种方式堆叠时，邻近喇叭的顶板和底板充分地薄以至于邻近的衍射槽一同靠得足够近，因此它们以单独的连续弯曲衍射槽联合工作。

如上所提到的，一旦喇叭板166，168和200的尺寸被确定，系统就输出(134)平面图，也就是，由平面原料制造(136)板以及在一些例子中龙骨的说明。在一些例子中，系统直接输出机读说明供自动化制造器使用，比如2维CNC铣床。板和龙骨可以按要求切割，减少为安装者提供大的，甚至是无限制的，各种定制喇叭所必须保存的独特存货的数量。无论定制切割或预制造，板可以被平的运输并在安装点组装，减少存储和运输所需的空间的体积。可以使用各种标准建造方法以连接板和其他组件，这取决于使用的材料，比如螺钉，胶水，或压装。

在一个例子中，侧板的端部被用螺钉固定到顶板和底板，其他板用于将顶板和底板固定到龙骨。在固定顶板和底板到龙骨之前，侧板处在减小的张力下并可能松弛为不同的形状，这样形成衍射槽开口的边缘不再保持平行。为了组装喇叭，一个端板，也就是，顶板或底板，被固定到龙骨，其他板然后被朝着龙骨的其他端拉。因为板的自由端被拉到位，其强迫侧板变形到期望的形状。在一些例子中，侧板边缘在龙骨处成为期望的曲率且固定到龙骨结构中预备的槽中。一旦板的自由端被固定到龙骨，侧板的弯曲边缘保持被压入到龙骨的槽中，形成没有其他紧固件的紧密的固定，虽然可能需要密封件完全密封连接处。在其他例子中，如龙骨支撑结构比槽开口更宽时，侧板的弯曲边缘不适合龙骨结构，而仅耦合到歧管开口。

这里描述的由阵列换能器组合而成的大型喇叭，能在宽频范围上达到好的方向性控制，在一些例子中高到20kHz且低到400Hz，300Hz，乃至250Hz。对于完整的声音再现系统，可以添加模块化低音扬声器，如图12A和图12B所示。在图12A和图12B的例子中，模块化低音扬声器500成形为部分适应位于扬声器154的喇叭158的张开的后面。低音扬声器500成形为适应位于具有在可能的喇叭的范围内的任意张开角或曲率的喇叭的后面，因此相同的低音扬声器500用于任何使用以上工艺制作的喇叭。例如，在图12A和图12B中，相同的低音扬声器500用于相对窄的上部喇叭158a和相对更宽的下部喇叭158b。在图12A的例子中，每个歧管截面502如图9中的交替侧地配合单驱动器504到衍射槽。

通过由单类型的扬声器提供控制的方向性低到400Hz或更低的好的再现，和仅对更低频率使用低音扬声器，伴随一些交叠可能，系统的交叉点在人声(介于300Hz到4kHz)的范围以下或在其下端。这避免了在人声范围中间在方向性上具有不连续性，这可能是当交叉在声音范围内必定更高(如介于1-2kHz)时的情况。接近扬声器喇叭并在精确控制的相对位置定位低音扬声器的能力进一步提高了在交叉点的方向性传输并使得在整个角度范围良好的相位和时间的对准。

图13和图14示出了两个安装例子其组合了以上提到的可选项中的几个。在图13中，使用两个不对称扬声器154-L和154-R，收听区域156的每侧一个。扬声器的内侧壁(假设收听区域面对中间的侧壁)具有大的水平角H₁以达到收听区域的前部中间，而外侧壁具有窄水平角H₂以限制声音到收听区域的外边缘且足够锐利以到达尾部。角度H₁和H₂是不等的因为衍射槽瞄准收听区域156的尾部中间，而不是在每个喇叭的内壁和外壁之间的中间，以提供平滑的声音覆盖。如在其他附图中的，轴不是按比例的且图13中的角度和距离是放大的以示出其差别。

在图14中，长列扬声器154a-154d被用于提供用于覆盖具有两个收听区域156a和156b的大场地152的极长的衍射槽。最上端的扬声器154a到达楼厅156b的后端，而更低的三个扬声器154b-154d覆盖低的地面156a。在这样的配置中，当使用更简单的圆弧喇叭和龙骨时，可以排列不同半径的圆弧模块以达到长螺旋阵列的效果。

其他实现方式在以下权利要求书和申请人可能被授权的其他权利要求的范围内。

Claims (29)

1.一种扬声器，包括：

喇叭，其包括第一端板、第二端板、第一侧板、和第二侧板，至少第一侧板和第二侧板的边缘限定衍射槽开口，

其中第一侧板和第二侧板每个包括由至少刚性支撑元件保持为受压的弯曲形状的柔性材料片。

2.如权利要求1所述的扬声器，其中，第一端板和第二端板每个包括刚性片材。

3.如权利要求1所述的扬声器，其中，衍射槽开口具有相对于喇叭内侧的凸曲率。

4.如权利要求1所述的扬声器，其中，侧板在对应于衍射槽开口的方向上弯曲，而在垂直于该槽开口的方向上保持直线。

5.如权利要求1所述的扬声器，其中，第一侧板和第二侧板的弯曲形状每个具有对应于直角圆锥表面的扇形的尺寸。

6.如权利要求5所述的扬声器，其中，该圆锥表面扇形由具有第一半径的第一圆弧，具有第二半径的第二圆弧，和与位于圆锥表面上的与第一圆弧和第二圆弧的每个的末端及圆锥顶点相交的直线共线的直线边缘界定。

7.如权利要求5所述的扬声器，其中，该圆锥表面扇形由具有第一半径的第一圆弧，具有变化的半径的第二弧线，和与位于圆锥表面上的与第一弧线和第二弧线的每个的末端及圆锥顶点相交的直线共线的直线边缘界定。

8.如权利要求1所述的扬声器，其中，第一侧板和第二侧板具有平坦时对应于由内径、外径和角度限定的平面环带扇形的尺寸。

9.如权利要求1所述的扬声器，其中，第一侧板和第二侧板每个在长度和曲率上沿着槽开口的广度变化。

10.如权利要求1所述的扬声器，其中，第一侧板和第二侧板每个都包括第一边缘，以及

侧板的第一边缘每个在没有紧固件的情况下在张力下沿着第一边缘的长度被耦合到刚性支撑元件。

11.如权利要求10所述的扬声器，其中，侧板的该第一边缘每个以沿着第一边缘的长度变化的角度耦合到刚性骨架元件。

12.如权利要求1所述的扬声器，进一步包括：

多个歧管组件，每个具有耦合到衍射槽开口的输出口，该多个歧管组件的输出口在衍射槽开口处一同构成衍射槽源；以及

多个电声转换器，每个耦合到歧管组件之一的输入口。

13.如权利要求12所述的扬声器，其中：

每个歧管组件具有两个输入口并包括两个声音通道，

每个声音通道分别在两个输入口之一具有第一末端，在输出口具有第二末端，以及

每个声音通道在不同的方向上弯曲远离输出口，这样输入口位于喇叭的相对侧附近。

14.如权利要求12所述的扬声器，其中：

每个歧管组件具有一个输入口，并包括一个声音通道，该声音通道在输入口具有第一末端且在输出口具有第二末端，

每个歧管组件的声音通道在与相邻歧管组件的声音通道的方向相反的方向上弯曲远离输出口，这样输入口位于喇叭的与相邻歧管组件的输入口相对侧附近。

15.一种方法，包括：

获得扬声器数据，其标识将用于扬声器中的电声换能器的数量，扬声器的水平覆盖角和垂直覆盖角，和扬声器喇叭的壁长；

计算具有基于换能器数量的长度的扬声器的衍射槽的曲率；

对应于垂直覆盖角限定扬声器喇叭的顶端板和底端板；

限定具有基于换能器数量，水平覆盖角和垂直覆盖角，和衍射槽曲率的长度、宽度和曲率的喇叭的第一侧壁和第二侧壁；

计算对应于限定的第一侧壁和第二侧壁的平板的尺寸；以及

输出可机读平面图用于顶端板和底端板及第一侧壁和第二侧壁的制造。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

基于输出平面图制造平板；以及

组装平板以形成喇叭。

17.如权利要求16所述的方法，其中制造平板包括：

将平面图输入到CNC铣床；以及

操作CNC铣床根据平面图切割薄柔性材料板。

18.如权利要求16所述的方法，其中，组装平板以形成喇叭包括：

固定每个侧壁板的第一边缘和第二边缘到顶端板和底端板的第一边缘和第二边缘；以及

弯曲侧壁板以使每个侧壁板的第三边缘与计算的曲率一致。

19.如权利要求18所述的方法，其中，弯曲侧壁板包括：

固定顶端板或底端板中的第一个到对应于计算的曲率的弯曲支撑结构的第一末端；以及

朝该弯曲支撑结构的第二末端拉顶端板或底端板中的另一个，这样每个侧壁板的第三边缘各自座落在弯曲支撑结构中的槽中。

20.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

组装龙骨，其包括：

对应于计算的曲率的弯曲支撑结构，

被固定到支撑结构的多个歧管组件，每一个具有位于支撑结构内的输出口，该多个歧管组件的输出口一同包括衍射槽源，以及

多个电声换能器，每个被固定到歧管组件之一，每个换能器耦合到对应的歧管组件的输入口；以及

将龙骨耦合到根据平面图制成的喇叭，这样衍射槽源耦合喇叭中的由至少第一侧板和第二侧板的边缘限定的衍射槽开口。

21.如权利要求15所述的方法，其中限定第一侧壁和第二侧壁包括计算环带的内圆周的半径R₁，环带的外圆周的半径R₂，和环带扇形的角度V_f，侧壁每个对应于由计算的角度界定的环带扇形。

22.如权利要求21所述的方法，其中，半径R₁通过使用公式

计算，其中B是换能器之一的尺寸，H是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域侧面之间的角度，V是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域的前和后之间的角度，而N是换能器数量。

23.如权利要求22所述的方法，其中，半径R₂通过使用公式R₂＝R₁+L计算，其中L是喇叭长度。

24.如权利要求21所述的方法，其中，角度V_f通过使用公式V_f＝Vcos(H/2)计算，其中H是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域侧面之间的角度，而V是连接扬声器的位置的平面到覆盖区域的前和后之间的角度。

25.如权利要求15所述的方法，其中，衍射槽曲率包括圆弧。

26.如权利要求15所述的方法，其中，限定侧壁包括基于描述侧壁材料特性的数据修改侧壁的曲率。

27.如权利要求15所述的方法，其中，获得扬声器数据包括：

接收描述场地、该场地中扬声器位置、场地内的覆盖区域、和与场地区域关联的声压级的输入数据；

通过输入数据，确定在扬声器中将要使用的电声换能器的数量，水平覆盖角和垂直覆盖角，和喇叭长度。

28.如权利要求27所述的方法，其中，确定换能器数量包括：

计算向覆盖区域提供来自扬声器位置的声压级所需的声功率的量；以及

计算的声功率的量除以换能器模型的功率容量。

29.如权利要求27所述的方法，其中，计算衍射槽曲率包括：

(a)将覆盖区域划分为对应换能器数量的多个带；

(b)定位具有长度和轴的第一模拟源，其长度的第一端在平面上连接扬声器位置到覆盖区域的后部，以及其轴指向与覆盖区域的尾部关联的多个带的第一个中的中心位置；

(c)定位下一个具有长度和轴的模拟源，其长度的第一端与第一模拟源的长度的第二端一致，其轴指向邻近多个带中的第一个的多个带中的下一个中的中心位置；以及

(d)重复步骤(c)以相对每个以前的模拟源定位另外的模拟源直到模拟源的全部数量等于确定的电声换能器的数量；

衍射槽的曲率是连接所有模拟源的曲线。

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