CN102868957B - 超薄型扬声器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超薄型扬声器系统，包括阻抗匹配器、扬声器单体及扬声器后腔，所述扬声器单体连接在所述阻抗匹配器和所述扬声器后腔之间，所述阻抗匹配器的一端与所述扬声器单体无缝连接，另一端为出声孔端；并且所述阻抗匹配器的截面为扁平截面，所述扁平截面的截面积从与所述扬声器单体无缝连接端至所述出声孔端逐渐扩展。本发明利用结构和声学设计手段，在厚度有限的空间内，利用扁平截面形阻抗匹配器使扬声器与外接空间中的空气产生较好的阻抗匹配，实现较高的辐射效率，从而有利于提高超薄型电子产品扬声器的最大音量。

Description

超薄型扬声器系统

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，尤其涉及一种应用于超薄型电子产品的超薄型扬声器系统。

背景技术

随着社会的进步和技术的发展，人们越来越多地使用接入终端以无线的方式接入因特网或企业内部网络来获取信息。在这种情况下，

电视机等家庭影视娱乐设备需要声重放的手段，一般而言，中等尺寸的扬声器能满足这样的需求。但液晶电视等面板型产品强调把产品做薄，为了减小电视机箱的厚度，必须实现平板电视音响系统的小型化。然而，为了重放足够的音量，扬声器必须具有足够的体积，随着平板电视的薄型化发展，在机箱内确保扬声器所需要的空间已经变得困难。

同时，由于平板电视的窄边框设计，导致显示器周边机箱部分的宽度越来越窄。过去布置在显示器侧边的扬声器而被迫转移到显示器下部。而随着薄型化和窄边框化的进一步发展，显示器下部也越来越难以容纳扬声器。一些平板电视产品将扬声器的出声孔置于电视的后面和底部。同时，更大更薄的电视机往往在较大的起居室使用，对总体音量仍然提出较高的要求。

作为目前使用最多的扬声器——直射式扬声器，也广泛应用在电视机扬声器的设计上。但要保证直射式扬声器的灵敏度和最大功率，需要用到较大、较厚的磁体，同时扬声器振动发声也使得扬声器中的振动模块需要一个必要的活动范围，这种功效上的要求限制了扬声器的小型化，同样不利于尺寸上的压缩。

针对小型化的要求，近年来出现了侧向发声的棒状直射式扬声器，用于配合薄型电视使用，但这类扬声器的音量往往不大，无法满足电视机在较大起居室使用的声音需求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够应用于超薄型电子产品的超薄型扬声器系统。扬声器后腔，所述扬声器单体连接在所述阻抗匹配器和所述扬声器后腔之间，

本发明提供的一种超薄型扬声器系统，包括阻抗匹配器、扬声器单体及所述阻抗匹配器的一端与所述扬声器单体无缝连接，另一端为出声孔端；并且阻抗匹配器的截面为扁平截面，所述扁平截面的截面积从与所述扬声器单体无缝连接端至所述出声孔端逐渐扩展。

此外，优选的结构是，所述阻抗匹配器的扁平截面的截面积以线型、指数型、双曲线型或者螺旋线型规律展开。

此外，优选的结构是，所述扬声器还包括外壳，用以封装所述扬声器单体、扬声器后腔和所述阻抗匹配器。

此外，优选的结构是，所述阻抗匹配器为非对称形式。

此外，优选的结构是，所述阻抗匹配器的扁平截面的厚度为6mm～15mm。

此外，优选的结构是，所述阻抗匹配器的出声孔端设置在超薄型电子产品的一个或多个侧边上。

本发明所提供的超薄型扬声器系统，利用结构和声学设计手段，在厚度有限的空间内，利用薄型平板形(扁平截面)的阻抗匹配器使扬声器与外接空间中的空气产生较好的阻抗匹配，实现较高的辐射效率，从而有利于提高扬声器的最大音量。

本发明在平板电视等超薄型电子产品上的应用能够使超薄型电子产品在保障音响系统小型化的同时实现更高的效率和音量。带来的好处包括：

(1)在一定输入电功率下实现较大音量；

(2)总体厚度可控制在6mm～15mm范围内，在充分利用内部现有空间的同时，不影响平板电视的外观设计；

(3)允许使用灵敏度(效率)更低的驱动单元，有利于减省制作成本。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等 同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为本发明实施例的超薄型扬声器系统的截面示意图；

图2为本发明实施例的超薄型扬声器系统的立体结构示意图；

图3为本发明实施例的阻抗匹配器的扁平截面的展开规律的坐标示意图；

图4a、图4b、图4c和图4d分别为本发明实施例阻抗匹配器的扁平截面的线型、指数型、双曲线型和螺旋线型展开规律示意图；

图5为本发明实施例的不对称式阻抗匹配器正面的横截面示意图；

图6为本发明实施例的超薄型扬声器系统的应用方式示意图；

图7为本发明实施例的超薄型扬声器系统的另一应用方式示意图；

图8为根据本发明实施例增加扁平截面阻抗匹配器前后的扬声器系统的声压对比图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

号筒式扬声器是一种常用扬声器，它由振动系统(高音头)和号筒(阻抗匹配器)两部分构成。振动系统的振膜为球顶形膜片，号筒为面积逐渐扩大的喇叭形管道，振膜的振动通过号筒(经过两次反射)向空气中辐射声波，借助面积逐渐扩大的喇叭形管道来继续放大扬声器输出的声音信号。它的频率高、音量大，常用于室外及广场扩声。但由于其具有喇叭形管道的结构，导致传统的号筒式扬声器往往体积较大，未被使用在平板电视机等超薄型电子产品领域。

本发明利用号筒式扬声器的扩音特点，突破传统思维，提出一种超薄型扬声器系统。本发明提供的超薄型扬声器系统包括阻抗匹配器、扬声器单体及扬声器后腔，其中，扬声器单体连接在阻抗匹配器和扬声器后腔之间，阻抗匹配器的一端与扬声器单体无缝连接，另一端为出声孔端，并且阻抗匹配 器的截面为扁平截面，该扁平截面的截面积从与扬声器单体无缝连接端至出声孔端逐渐扩展。

图1为本发明实施例的超薄型扬声器系统的截面示意图，图2为本发明实施例的超薄型扬声器系统的立体结构示意图。

如图1和图2所示，扬声器单体110作为扬声器系统的声辐射源，在术语上称为电声换能器件，一般采用动圈式(也成为电动式)换能原理，当然也可以采用静电式(即电容式)换能原理来实现。

阻抗匹配器120为截面积逐渐扩展的扁平状壳体，其中，阻抗匹配器120面积较小的开孔端与扬声器单体110连接，且不留缝隙，面积较大的开孔端为出声孔，朝向外部空间。

扬声器后腔100一般为一定体积的密闭后腔，用于隔离扬声器单体前向和后向声音，避免声短路。

另外，阻抗匹配器120、扬声器单元110和扬声器后腔100由于相互耦合得非常好，通常可以直接做成一体结构。

在本发明的扬声器系统中，扬声器单元110的振膜不直接暴露到空气中，而是通过扁平截面的阻抗匹配器120与外部相连；阻抗匹配器120的口部对外辐射声波，其截面积以一定规律逐渐展开。

这种扁平截面的阻抗匹配器中的声波传播规律和普通的圆形截面的阻抗匹配器有相似之处，但也有不同，下面做推导说明。在扬声器领域，声波在阻抗匹配器里的传播规律都是用如下的特殊形式的波动方程描述：

$\frac{{\∂}^{2}p}{\∂x^2}+\left(\frac{\∂\mathrm{LnS}}{\∂x}\right)\frac{\∂p}{\∂x}=\frac{1}{c_0^2}\·\frac{{\∂}^{2}p}{\∂t^2}---\left(1\right)$

在波动方程式(1)中，p为声压，x为阻抗匹配器以喉部为原点在展开方向上的距离，t为时间，S为波振面的面积，C₀为空气中的声速。

假设解为可分离变量的形式，将解p＝p(x)e^jwt代入上式，得到针对变量x的常微分方程：

$\frac{d^{2}p\left(x\right)}{d{x}^2}+\frac{S^{\′}}{S}\·\frac{\mathrm{dp}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}+k^{2}p\left(x\right)=0---\left(2\right)$

其中， $k=\frac{\mathrm{\ω}}{c_0},S^{\′}=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dx}}$

进而假设解的形式可以表达为变系数的指数函数，即p(x)＝A(x)e^±jgx，则有：

$[A^{\′\′}\left(x\right)+\frac{S^{\′}}{S}{A}^{\′}\left(x\right)+(k^2-r^2)A\left(x\right)]+j[2\mathrm{\γ}{A}^{\′}\left(x\right)+\mathrm{\γ}\frac{S^{\′}}{S}A\left(x\right)]=0---\left(5\right)$

要使得该式成立，必须使实部和虚部均为0。为此引出方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{A}^{\′\′}\left(x\right)+\frac{S^{\′}}{S}{A}^{\′}\left(x\right)+(k^2-{\mathrm{\γ}}^2)A\left(x\right)=0\\ 2A^{\′}\left(x\right)+\frac{S^{\′}}{S}A\left(x\right)=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

对于扁平截面的阻抗匹配器而言，其波振面(截面)面积S表示为S＝2h(x)d，其中d为扁平阻抗匹配器的厚度；h(x)为截面上阻抗匹配器边缘到中心线的距离，或者说是阻抗匹配器宽度的一半；扁平截面阻抗匹配器的展开规律h(x)如图3所示。那么代入方程组(4)中的方程 即得到可分离变量的微分方程：

$\frac{A^{\′}\left(x\right)}{A\left(x\right)}=-\frac{1}{2}\·\frac{h^{\′}\left(x\right)}{h\left(x\right)}---\left(5\right)$

将方程式(5)两侧积分，得到：

$A\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{h\left(x\right)}}$

将代入方程组(4)中的第一个方程，得到γ的表达式：

$k^2-{\mathrm{\γ}}^2=\frac{1}{2}\·\frac{h^{\′\′}\left(x\right)}{h\left(x\right)}-\frac{1}{4}\·\frac{{\left[h^{\′}\left(x\right)\right]}^2}{h^2\left(x\right)}---\left(6\right)$

通过上述计算可以看出，只要知道了扁平截面的阻抗匹配器的展开规律 h(x)，波动方程解中的A(x)和γ就确定了。波动方程有解，说明声波可以通过扁平阻抗匹配器向外传播，这和普通的圆形号筒是相似的。因此，本发明中所采用的扁平截面的阻抗匹配器，也能够起到扩音的作用，而扁平的截面也不会影响到扬声器在超薄型电子产品中的应用，克服了超薄型电子产品中直射式扬声器在扩音方面的局限性。本发明的这种产品结构虽然简单，但却跳出了号筒式扬声器不能应用在超薄型电子产品中的固定思维，产生极佳的扩音效果。并且由于带有扁平阻抗匹配器的扬声器系统能够有效扩音，因此可以使用灵敏度(效率)更低的驱动单元，从一定程度上有利于减省制作成本。

需要说明的是，阻抗匹配器截面的展开规律可以有多种，如图4a、图4b、图4c和图4d所示的线型、指数型、双曲线型、螺旋线型等。

举例来说，如果阻抗匹配器截面以指数展开，则有S＝S₀e^mx

其中：S₀表示指数型阻抗匹配器喉部的截面积；

m表示指数型阻抗匹配器的展开指数；

S表示距离指数型阻抗匹配器的喉部为x处的阻抗匹配器的截面积。

由于本发明所提供的阻抗匹配器是扁平的，因此阻抗匹配器喉部的宽度与截面积成正比。即有h(x)＝h₀e^mx，

其中：h₀表示指数型阻抗匹配器喉部的宽度一半；

代入方程组(4)，算得于是算得指数展开时的扁平截面阻抗匹配器中的声波波动方程为：

$p=C{e}^{-\frac{\mathrm{mx}}{2}+j(\mathrm{\ωt}-\sqrt{k^2-\frac{m^2}{4}}x)}+{\mathrm{De}}^{-\frac{\mathrm{mx}}{2}+j(\mathrm{\ωt}+\sqrt{k^2-\frac{m^2}{4}}x)}$

其中，第一项代表正向传播的声波，第二项代表负向传播的反射声波。假设该指数型阻抗匹配器无限长，则阻抗匹配器里只有正向传播的声波：

$p=p_a{e}^{-\frac{\mathrm{mx}}{2}+j(\mathrm{\ωt}-\sqrt{k^2-\frac{m^2}{4}}x)}$

这个解和圆形截面的号筒式扬声器中声波方程的解在形式上一致，其中 p_a为喉部声压的复数方根均值。

阻抗匹配器中质点的振动速度为：

其中， ${\mathrm{\ν}}_a=\frac{\frac{m}{2}+j\sqrt{k^2-\frac{m^2}{4}}}{\mathrm{jk}{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{p}_a{e}^{-\frac{\mathrm{mx}}{2}}$

其模值为 $\left|v_a\right|=\frac{p_a}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{e}^{-\frac{\mathrm{mx}}{2}}.$

阻抗匹配器中声阻抗 $Z=\frac{p}{\mathrm{vS}}=\frac{\mathrm{jk}{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{S(\frac{m}{2}+j\sqrt{k^2-\frac{m^2}{4}})}=R_a\left(x\right)+j{X}_a\left(x\right)$

R_a和X_a分别为声阻和声抗，其中：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_a\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{S}\·\sqrt{1-\frac{m^2}{4k^2}}\\ X_a\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0^{2}m}{2\mathrm{S\ω}}\end{array}\right.$

其喉部的声阻抗为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{a0}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{S_0}\·\sqrt{1-\frac{m^2}{4k^2}}\\ X_{a0}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0^{2}m}{2S_0\mathrm{\ω}}\end{array}\right.$

阻抗匹配器喉部的声阻抗就是加到喉部声源上的负载阻抗，实部声阻R_ao 的存在，说明这一声源将出现辐射损耗。这和圆形截面号筒的声阻抗一致，说明本发明提供的扁平截面阻抗匹配器和常见的圆形截面号筒虽然形状有所不同，但是具有相同的声波辐射特性，即本发明所提供的扁平截面的阻抗匹配器能够以同样方式辐射和放大声信号。

需要注意的是，上面式子中的平方根因子，其内的值为正时辐射阻才有意义。于是就可以得到：

$\frac{m}{2k}<1,$ 或者： $f>f_c=\frac{m{c}_0}{4\mathrm{\&pi;}}$

其中，f_c称为阻抗匹配器的截止频率。当扬声器单体输出的声音信号频率在这个频率以上，声波就能够在阻抗匹配器中传播和放大，扬声器就可以发挥扩音的作用。

通过以上公式推导可以看出，在本发明所提供的超薄型扬声器系统中，扁平阻抗匹配器的展开规律与现行的圆形号筒的展开规律是类似的，可以同样发挥扩音的作用。

另外，需要说明的是，扁平截面阻抗匹配器的具体形式可以改变，不必为对称形式，也可以作各种变形将阻抗匹配器弯曲，例如可以弯曲成螺旋线型，从而在不牺牲扩音性能的同时更好地利用平板电视机等超薄型电子产品箱内的体积。如图5所示的不对称式扁平截面阻抗匹配器，无缝连接在阻抗匹配器120面积较小的开孔端的扬声器单体110通过振膜发出的声音信号，经过横截面逐渐扩展的不对称形阻抗匹配器120的逐步放大，经由面积较大的出声孔端输出至外部空间，实现扩音的作用。

阻抗匹配器120、扬声器单体110和扬声器后腔100构成的扬声器系统，还可以配一外壳130(如图2中所示)形成扬声器系统模组。所形成的扬声器系统模组可以直接安装到电视机、平板电脑等消费电子产品上。此外，也可以不制成模组，而直接以扬声器单体和阻抗匹配器及后腔组成产品的形式出现，如此可以根据实际安装空间设计不同形状的阻抗匹配器结构。

本发明所提供的超薄型扬声器系统的出声孔位置可以设置在超薄型电子产品屏幕的任何一边，如图6所示的设置方式。在使用时，只需要保证出声孔不被遮蔽即可。

另外，在设计使用扬声器的时候，应尽量扩大出声孔的面积，以获得较高的声辐射放大效果。考虑到扁平截面阻抗匹配器厚度上的限制，这意味着尽量多地占用平板电视机的侧边作为出声孔。图7示的安装方法将平板电视机的两个相邻的侧边作为了阻抗匹配器的出声孔端。

基于平板电视、平板电脑等各种薄型消费电子产品的应用需求，本发明的超薄型扬声器系统的设计厚度可以控制在6mm～15mm左右，在本发明的一个具体实施方式中，超薄型扬声器系统的厚度被设计为10mm。通过实验证 明，本发明能够在不影响平板电子产品外观设计要求的基础上充分利用平板电子产品内部的现有空间，使用低成本的扬声器单元，实现较大的音量输出。

图8为根据本发明实施例增加扁平截面阻抗匹配器前后的扬声器系统的声压对比图。从图8中可知，增加阻抗匹配器后声压级大概提高了将近10dB(低频和高频部分都存在截至频率)，这充分说明，本发明使用扁平截面的阻抗匹配器能够明显有效地提高扬声器系统的扩音性能，并且由于其扁平结构适用于液晶电视、笔记本等薄型电子产品，因此也不会增加所应用的电子产品本身的空间负荷。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的超薄型扬声器系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的超薄型扬声器系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (5)

1.一种应用于超薄型电子产品的超薄型扬声器系统，其特征在于，所述扬声器包括阻抗匹配器、扬声器单体及扬声器后腔，所述扬声器单体连接在所述阻抗匹配器和所述扬声器后腔之间，所述阻抗匹配器的一端与所述扬声器单体无缝连接，另一端为出声孔端；并且

所述阻抗匹配器的截面为扁平截面，所述扁平截面的厚度为6mm～15mm，所述扁平截面的截面积从与所述扬声器单体无缝连接端至所述出声孔端逐渐扩展；其中，

h(x)满足S＝2h(x)d，其中的d为所述阻抗匹配器的厚度，h(x)为所述扁平截面上所述阻抗匹配器边缘到中心线的距离；

S满足阻抗匹配器的波动方程：

$\frac{{\&PartialD;}^{2}p}{\&PartialD;x^2}+\left(\frac{\&PartialD;\mathrm{LnS}}{\&PartialD;x}\right)\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;x}=\frac{1}{c_0^2}\&CenterDot;\frac{{\&PartialD;}^{2}p}{\&PartialD;t^2},$ 且， $\frac{S^{\&prime;}}{S}=\frac{h^{\&prime;}\left(x\right)}{h\left(x\right)}$

其中，S为波振面的面积，p为声压，x为所述阻抗匹配器以喉部为原点在展开方向上的距离，t为时间，c₀为空气中的声速。

2.如权利要求1所述的应用于超薄型电子产品的超薄型扬声器系统，其特征在于，

所述阻抗匹配器的扁平截面的截面积以线型、指数型、双曲线型或者螺旋线型规律展开。

3.如权利要求1所述的应用于超薄型电子产品的超薄型扬声器系统，其特征在于，

所述扬声器系统还包括外壳，用以封装所述扬声器单体、扬声器后腔和所述阻抗匹配器。

4.如权利要求1所述的应用于超薄型电子产品的超薄型扬声器系统，其特征在于，

所述阻抗匹配器为非对称形式。

5.如权利要求1所述的应用于超薄型电子产品的超薄型扬声器系统，其特征在于，

所述阻抗匹配器的出声孔端设置在超薄型电子产品的一个或多个侧边上。