具有卫星扬声器和无源辐射器的可佩带式扬声器系统
技术领域
本发明涉及一种可佩带式扬声器系统。更特别地,本发明涉及一种具有通过柔性管连接的无源辐射器和有源驱动器扬声器的扬声器系统。更为特别地,本发明涉及一种扬声器系统,该系统通过柔性管将来自于有源驱动器扬声器的声能发射至无源辐射器,从而使得无源辐射器响应于声能振动和共鸣以发出所需的可听声音。
背景技术
无源辐射器已经被用于各种扬声器系统结构中,用以获得可以与由较大型系统获得的低频响应相比的低频响应的目的。无源辐射器类似于常规的扬声器驱动器,但是没有磁力和电力部件。当无源辐射器与扬声器驱动器一起位于密封的封闭扬声器系统内部时,由扬声器驱动器的物理位移产生的波动气压导致无源辐射器膜片振动并共鸣。膜片的振动并共鸣产生低频声音。因此,通过使用无源辐射器,较小的扬声器系统结构能够产生具有较大扬声器系统的清晰度和性能的低频响应。
无源辐射器在扬声器系统中的使用使得由驱动器扬声器的后部发射的气压能够被利用于增强低频响应。在大多数情形中,无源辐射器的低频响应能够与由带孔(ported)外壳获得的响应比较。带孔(ported)外壳能够使得由驱动器扬声器产生的波动气压移出该外壳,因此增强驱动器扬声器的效率且改变低频输出响应。然而,经过该出口的空气运动降低了产生声音的质量和清晰度,需要较大的空气量以补偿通过该出口泄漏的空气。此外,由于出口(ported)管在扬声器盒体中占据了比无源辐射器更大的空间,出口(ported)管占据降低了包含于扬声器盒体内的空气量。因此,通过将无源辐射器合并于扬声器盒体内,可使用的产生声音的空气量不再必须被损失。上述之外,当驱动器扬声器发射的波动气压被集中于无源辐射器的膜片上时,扬声器系统的低音质量被极大的改进。由于波动气压既没有被损失也没有被浪费,声能从有源驱动器到无源辐射器的完全传递实现了具有较小空气量的密封和带孔(ported)外壳的声音质量和清晰度。
扬声器系统中的无源辐射器通常与扬声器驱动器共同装入一个(asingular)大壳体中。这样的结构在公布日为1982年9月21日、申请人为Matthew S.Polk的美国专利号4,350,847中以及公布日为2001年10月18日、申请人为Coombs等的美国专利公布号2001/0031061A1中被描述。这样的将扬声器驱动器与无源辐射器共同装入单个(single)壳体的方法限制了产品小型化和设计,特别是自从必须重视考虑扬声器系统的低频性能以来。因此,具有无源辐射器的扬声器系统需要改进的设计,其不损害低频性能同时能够使得扬声器设计为小型且轻便的。这对于可佩带式扬声器系统的目的是特别重要的。此外,上述文件未公开使得无源辐射器的低频性能最优化的方法。
在现有技术中描述的可佩带式扬声器系统典型地设计为使用具有有源驱动器扬声器的中空管状的管/腔,如在公布日为1997年10月28日、申请人为James H.Boyden的美国专利号5,682,434以及公布日为2006年4月25日、申请人为David Wiener的美国专利号7,035,422B1中描述的。中空管状的管/腔由软的柔性材料制成,以确保可佩带式扬声器系统可以以舒适的方式围着身体缠绕。因为与较大系统的低音响应相比,在这些文献中描述的可佩带式扬声器系统的低音响应较劣,所以这些扬声器系统是不具优势的。解决这一问题的方法将是在所述的扬声器系统中增加无源辐射器。然而,当无源辐射器使用如上述文献所述的中空管状的管/腔、以传递从有源驱动器扬声器发射的声能时,由于在中空管状的管/腔内的振动产生的损失,产生的低音将是低质量的。用于制造中空管状的管/腔的柔性材料将通过各种损失机理吸收声能,例如振动、音调和运动,导致了低质量低频响应。
因此,出于可佩带式扬声器系统的目的,本领域技术人员不断地寻找解决且防止管被夹的方法,而不损害扬声器系统的低音质量。
发明内容
依照本发明,将解决技术中的上述和其它问题且将在技术进行改进。依照本发明的扬声器系统的第一个优点是这一具有有源驱动器扬声器和无源辐射器的可佩带式扬声器系统是轻便的且可以佩带于身上。依照本发明的可佩带式扬声器系统的第二个优点是可佩带式扬声器系统的声音质量(如果不好于较大扬声器系统的声音质量)可以与较大扬声器系统的声音质量相比。依照本发明的可佩带式扬声器系统的第三个优点是当扬声器的柔性管围绕身体缠绕时,由于柔性管被柔性套保护,扬声器系统的性能不被损害。
依照本发明的另一个实施方式,依照本发明的可佩带式扬声器系统包括:用于无源辐射器的第一壳体,具有一个开口。无源辐射器位于第一壳体内。用于有源驱动器扬声器的第二壳体,具有第一开口和第二开口。柔性管的第一端密封第一壳体的开口,并且柔性管的第二端密封第二壳体的第一开口。柔性套包围柔性管,以防止柔性管弯曲时夹断或折叠。有源驱动器扬声器密封第二壳体的第二开口。从有源驱动器扬声器后部发射的声能通过柔性管被导向无源辐射器。
依照本发明的另一个实施方式,可佩带式扬声器系统的柔性管包括多层管,其最小化了气流阻力且增加了压缩空气通过柔性管的流动能力。
依照本发明的一个实施方式,可佩带式扬声器系统的柔性套是围绕柔性管的螺旋弹簧。依照本发明的另一个实施方式,柔性套是围绕柔性管的旋转摩擦链。
依照本发明的一个实施方式,柔性管具有一定硬度,其能承受高至0.18帕斯卡的内部气压,而没有任何表面变形或扩张/收缩。
依照本发明的一个实施方式,无源辐射器壳体、有源驱动器壳体以及第一柔性管的压缩空气质量(air mass)被优化为产生低频声音共鸣。这些部件内的压缩空气质量处于0帕斯卡和31.46帕斯卡之间的范围内。
依照本发明的一个实施方式,电源单元位于无源辐射器壳体处。多个电缆将电源单元连接至可佩带式扬声器系统内的有源驱动器。多个电缆可以处于柔性管内,隐藏而远离使用者。
依照本发明的另一个实施方式,电源单元位于有源驱动器扬声器壳体处。多个电缆将电源单元连接至有源驱动器。多个电缆可以处于柔性管内,隐藏而远离使用者。
依照本发明的另一个实施方式,无源辐射器包括膜片,其覆盖无源辐射器壳体的一整个侧面。
依照本发明的又一个实施方式,无源辐射器壳体具有第二开口,并具有第二有源驱动器扬声器壳体,其具有第一开口和第二开口。第二柔性管的第一端密封无源辐射器壳体的第二开口,并且第二柔性管的第二端密封第二有源驱动器扬声器壳体的第一开口。第二柔性套包围第二柔性管,其中第二柔性套防止第二柔性管夹断或折叠。第二有源驱动器密封第二有源驱动器壳体的第二开口,其中,来自于所述第二有源驱动器的声能通过第二柔性管被发射至无源辐射器。
依照本发明的一个实施方式,可佩带式扬声器系统的第二柔性管包括多层管,其最小化了气流阻力且增加了压缩空气通过柔性管的流动能力。
依照本发明的一个实施方式,可佩带式扬声器系统的第二柔性套是围绕柔性管的螺旋弹簧,或者围绕柔性管的旋转摩擦链。
依照本发明的一个实施方式,第二柔性管具有一定硬度,其能承受高至0.18帕斯卡的内部气压,而没有任何表面变形或扩张/收缩。
依照本发明的一个实施方式,无源辐射器壳体、有源驱动器壳体以及第一和第二柔性管的压缩空气质量被优化为产生低频声音共鸣。这些部件内的压缩空气质量处于0帕斯卡和31.46帕斯卡之间的范围内。
依照本发明的一个实施方式,电源单元位于无源辐射器壳体处。多个电缆将电源单元连接至可佩带式扬声器系统内的有源驱动器。多个电缆可以处于第一和第二柔性管内,隐藏而远离使用者。
依照本发明的另一个实施方式,电源单元位于第二有源驱动器扬声器壳体处。在可佩带式扬声器系统中,多个电缆将电源单元连接至有源驱动器。多个电缆可以处于第一和第二柔性管内,隐藏而远离使用者。
附图说明
依照本发明的方法和装置的上述优点和特征在下面的详细描述中被描述且在附图中被示出:
图1示出了依照本发明的一个实施方式的可佩带式扬声器系统;
图2示出了依照本发明的一个实施方式的可佩带式扬声器系统的分解视图;
图3示出了依照图1所示的可佩带式扬声器系统的A-A’线的两个有源驱动器的横截面正视图;
图4示出了依照本发明的一个实施方式的多层柔性管;
图5示出了依照本发明的一个实施方式的可佩带式扬声器系统的无源辐射器外壳的正视图;
图6示出了依照本发明的一个实施方式的可佩带式扬声器系统的无源辐射器的正面内视图;
图7示出了具有围绕柔性管的螺旋弹簧的柔性套;
图8示出了具有围绕柔性管的旋转摩擦链的柔性套;
图9示出了具有有源驱动器和无源辐射器的标准扬声器结构的频率响应以及依照本发明的一个实施方式的可佩带式扬声器系统的频率响应。
具体实施方式
本发明涉及一种可佩带式扬声器系统。更特别地,本发明涉及一种具有通过柔性管连接的无源辐射器和有源驱动器扬声器的扬声器系统。更为特别地,本发明涉及一种扬声器系统,该系统通过柔性管将来自于有源驱动器扬声器的声能发射至无源辐射器,从而使得无源辐射器响应于声能振动和共鸣以发出所需的声音。
如图1所示,可佩带式扬声器系统100是依照本发明的一个实施方式的扬声器系统。图1示出了无源辐射器壳体105、有源驱动器扬声器壳体110、115以及柔性管120、125。有源驱动器扬声器130位于有源驱动器扬声器壳体110内且第二有源驱动器扬声器135位于有源驱动器扬声器壳体115内。无源辐射器(未示出)位于无源辐射器壳体105内。本领域技术人员可以认识到,无源辐射器可以以任何方式一体于无源辐射器壳体105、位于其内、成为其一部分或与其连接,而不偏离本发明。柔性管120在一端被连接至无源辐射器壳体105的开口,并且在另一端被连接至有源驱动器扬声器壳体110的开口。相似地,柔性管125在一端被连接至无源辐射器壳体105的另一开口,并且在另一端被连接至有源驱动器扬声器壳体115的开口。每一柔性管120、125的两端密封地被密封至各自的壳体以确保空气不从各自的开口漏出。在操作中,由有源驱动器扬声器130、135产生的声能分别通过柔性管120、125被发射至无源辐射器壳体105。发射的声波在无源辐射器壳体105中被相加且被传送至无源辐射器。相加后的声能使得无源辐射器的膜片振动并共鸣,产生低频响应。本领域技术人员将认识到,虽然在这一实施方式中示出了两个有源扬声器驱动器,但是,本发明可以包括各种有源驱动器扬声器组合,例如一个或多于两个有源扬声器驱动器。
图2示出了可佩带式扬声器系统100的分解视图。为了简洁,在该图中仅示出了有源驱动器扬声器130、有源驱动器扬声器壳体110、柔性管120。本领域技术人员将认识到,当提供多个依照本发明的有源驱动器扬声器时,每一个有源驱动器扬声器的内部结构可以与图2所示的相似。该图还示出了无源辐射器200,其包括无源辐射器膜片205和无源辐射器外围210。无源辐射器膜片205的尺寸被无源辐射器壳体105的尺寸限制。在这一实施方式中,无源辐射器膜片205的尺寸近似于无源辐射器壳体105的较大侧的尺寸。在无源辐射器的声音质量和可佩带式扬声器系统的轻便性之间有一个权衡。因此,无源辐射器200的尺寸由无源辐射器壳体105的最大表面积确定。在这一实施方式中,电源单元220位于无源辐射器壳体105内。柔性管120内的电缆215将电源单元220连接至有源驱动器扬声器130。本领域技术人员将认识到,电源单元220可以位于有源驱动器扬声器壳体110或任何其它有源驱动器扬声器壳体内,而不偏离本发明。电源单元220可以包括电池、A/C电源单元或各种其它类型的能源。
图3示出了可佩带式扬声器系统100的有源驱动器扬声器130、135、有源驱动器扬声器壳体110、115和无源辐射器壳体105沿着线A-A1的横截面正视图。选择柔性管120、125的材料使得柔性管120、125有足够刚度同时足够柔软,以确保柔性管120、125可以围绕身体佩带。柔性管120、125必须有足够刚度,以确保柔性管120、125能够以最小的损失将以压缩和扩张空气形式的声波从有源驱动器扬声器130、135传送至无源辐射器200。如果柔性管120、125没有足够的刚度,来自于有源驱动器扬声器130、135的声能将以结构上的振动的形式损失。结构上的振动以及柔性管120、125内的吸收产生各种色调(coloration)和失真,导致传送的声能退化并消逝。结果,传送至无源辐射器200的声能被极大地减小,导致无源辐射器200产生不符合要求的低频响应。柔性管120、125的刚度和硬度可以通过改变柔性管的长度、厚度和直径来改变。然而,当柔性管120、125的刚度增加时,这些管的柔韧性降低。刚度和柔韧性之间的这一权衡是其中管必须足够柔软以确保它们可以围绕身体佩带的设计中的不利因素。因此,为了解决这一问题,依照本发明的实施方式包括具有一定硬度的柔性管120、125,其能承受高至0.18帕斯卡的内部气压,而没有表面变形或扩张/收缩。通过使用柔性材料,例如PVC、PET等来实现柔性管120、125的这一硬度范围。此外,通过选择具有较小直径、例如大约2mm的管可以改进管的硬度或刚度。然而,当管的直径降低时,这降低了管内的气团(air mass)流动能力。为了解决这一问题,可以使用多层管(如图4中所示)。在另一个实施方式中,由球窝接合(ball joint)形成的管可以用于实现柔性管120、125。这些球窝接合管(ball jointedduct)(未示出)能够实现所需的硬度同时足够柔软以佩带在身体上。
如前面的简述,本领域技术人员将会认识到,可以通过使用具有较小直径的管实现用于传送声能的柔性的且足够有刚度的管。然而,这样的管将损害可佩带式扬声器系统的低频性能。为了使得无源辐射器200变得有效且被从有源驱动器扬声器130、135发射的声能有效地驱动,柔性管120、125的尺寸和直径应该是足够的尺寸,以确保从有源驱动器扬声器130、135后部发射的空气平稳地流动至无源辐射器200,而没有来自于柔性管120、125的任何阻力。然而,当柔性管120、125的尺寸增加时,管的刚度降低,其相应地降低低频响应质量。此外,管内的空气量必须是足够量的,以确保所有的声能可以被即刻传送。当管内的空气量降低时,在具有较小直径的管内将发生阻碍,据此大部分声能将反射回各自的有源驱动器扬声器,因为柔性管内的空气量将不能容纳被辐射的声能的量。被反射的声能,其可能超出了从有源驱动器扬声器辐射的声能的相位,可能与从有源驱动器扬声器辐射的声能发生干涉,引起声音损失,导致无力的低音响应。
如果管的刚度和硬度太低,可以发生管的变形、扩张、收缩,导致管吸收大部分通过气团(air mass)传送的所产生的声能。结果,通过气团(air mass)传送的声能的量对于触发无源辐射器是不够的。为了克服这些问题,可以使用多层管设计柔性管120、125,如图4所示。多层管确保从有源驱动器扬声器130、135后部发射的空气不会遭遇任何阻力,同时确保柔性管120、125有足够刚度来避免任何结构上的振动问题。通过使用具有多层管的柔性管,也将增加有源驱动器扬声器和无源辐射器之间的空气量,因而避免任何阻碍问题。
图5示出了具有柔性管120、125的无源辐射器壳体105。在图5中,柔性管120、125密封地被密封至无源辐射器壳体105。柔性管120、125必须密封地被密封至无源辐射器壳体105和有源驱动器扬声器外壳110、115,以确保当有源驱动器扬声器130、135在操作过程中时空气不会漏出。如果发生任何泄漏,这将导致无源辐射器200的低频响应性能降低,同时发射的声能也将泄漏。结果,将没有足够的声能来引起无源辐射器200的膜片适当地振动并共鸣。可以使用本领域中通常已知的各种方法来密封柔性管120、125。为了简洁,这些方法并不包含于本文中。
图6示出了包括无源辐射器200和电源单元220的无源辐射器壳体105的正面内视图。柔性管120、125将来自于有源驱动器扬声器130、135的声能导向无源辐射器200。布置在无源辐射器壳体105中的柔性管120、125的端部,以允许声能被直接发射到无源辐射器200上,而没有任何部件的阻挡。这样确保了声能不遭遇来自无源辐射器壳体105内任何部件的任何阻力。这一图中示出的电源单元220被布置为,使得电源单元220位于柔性管125的出口路径之外。多个电缆(未示出)将电源单元220连接至有源驱动器扬声器130、135。多个电缆可以以这样的方式位于柔性管120、125内:电缆不干涉这些柔性管内的空气流动。
当柔性管120、125围绕身体佩带时,这些管弯曲时可能夹断或折叠。在这些情况下,由于在这些弯曲处可能发生声音反射,传送至无源辐射器200的声能的量将被极大地损害。为了防止这一情况的发生,柔性套710、715被用于包围柔性管120、125。
在图7所示的实施方式中,柔性套710、715包括围绕柔性管120、125的螺旋弹簧700、705。螺旋弹簧700、705与柔性套710、715一起形成了围绕柔性管120、125的间隙。这一间隙防止了柔性管120、125弯曲时的夹断或折叠。本领域技术人员将认识到,其它有弹力的或螺旋的装置可以用于替代螺旋弹簧700、705,而不偏离本发明。
在另一实施方式中,如图8所示,柔性套710、715被替换为旋转摩擦链。旋转摩擦链800、805执行了与螺旋弹簧700、705相似的功能。“C”型折叠铰链部分连接在一起以形成旋转摩擦链800、805。连接中的“C”型防止柔性管120、125弯曲超过一特定角度,以确保从有源驱动器扬声器向无源辐射器的声能传送从不受折叠管损害。本领域技术人员将认识到,其它类型的链或连接可以用于替代旋转摩擦链800、805,而不偏离本发明。
决定可携带式扬声器系统100的声音质量的另一因素是包含于该系统中的空气质量(the mass of air)。较大的空气质量(mass of air)将使得无源辐射器200产生较好质量的低频响应。在本发明的一个实施方式中,该系统内的空气质量(the mass of air)处于0帕斯卡和31.46帕斯卡之间的范围。
图9示出了标准有源驱动器/无源辐射器扬声器结构的频率响应900以及依照本发明的一个实施方式的可佩带式扬声器系统的频率响应905。对于标准有源驱动器/无源辐射器扬声器结构,有源驱动器扬声器和无源辐射器都包含于单个(single)外壳内。相比于无源辐射器壳体105和有源驱动器扬声器壳体110、115的合并尺寸,这一外壳的尺寸较大。如图9的曲线900和905所示,即使可佩带式扬声器系统100的整体尺寸更为紧凑和轻便,可佩带式扬声器系统100的低频性能优于标准有源驱动器/无源辐射器扬声器结构的低频性能。
可佩带式扬声器系统100具有轻便、柔软和可佩带的优点,同时超越了更大的和体积更大的扬声器系统的声音质量。
下面的示例示出了用于决定依照本发明的一个实施方式的无源辐射器所需的空气质量(air mass)的方法。本领域技术人员将了解到,下面列出的示例并不是本发明的实施方式的详尽的列表。
示例1
在本发明的一个实施方式中,提供的具有无源辐射器的可佩带式扬声器系统具有下述规格:
无源辐射器的表面积:0.00286m2
无源辐射器的质量:~0.03kg
工作频率范围:80Hz-500Hz
最大频率振动:0.004米
无源辐射器在500Hz处可以接收的空气质量(air mass)可以如此计算:
力=质量×速度
=0.03kg×(500Hz×0.004米)
=0.06牛顿
无源辐射器上的空气质量(Air Mass)=力/面积
=0.06N/0.00286m2
=20.97N/m2
=20.97帕斯卡
假设将有50%的生产偏差(production deviation),无源辐射器上的空气质量(Air Mass)=20.97Pa×150%=31.455帕斯卡
通常,依据扬声器系统的使用,可以通过改变上述公开的任意参数来改变无源辐射器可接收的空气质量(air mass)。
上述是对具有卫星(satellite)有源驱动器扬声器、无源辐射器和由柔性套保护的柔性管的可佩带式扬声器系统的描述。可以预见到,本领域技术人员能够且将会设计本发明的替代实施方式,如在权利要求中所提出的。