CN103428612A - 扬声器 - Google Patents

Abstract

一种扬声器，包括反射端口，其在与外壳内的至少一个共振模态的节面基本上相重合的点处位于外壳内。最小化了通道的输入处的该共振的振幅，因而有助于滤除该共振的影响，而无需吸收材料。理想地，它被放置在两个或更多个节面的交点处。

Description

扬声器

技术领域

本发明涉及扬声器。

背景技术

“低音反射”扬声器(也被称为带端口、带开口箱体或反射端口扬声器)是具有以下外壳的扬声器类型：相比于典型的封闭式箱体扬声器来说该外壳使用来自振动膜后侧的声音来提高低频处的扬声器的效率。这样的扬声器使用反射端口将来自驱动器之后的气体容积引导为外部气体，该反射端口通常由安装于外壳的前面(挡板)或后面中的一个或多个通道(duct)构成。

这造成了Hehmholtz(赫尔姆霍茨)共振，其与扬声器输出相结合而产生附加的低频输出。最简单地来说，外壳内的气体表现为声波顺从性，其与通道中的气体的声质量相结合而形成声音带通滤波器。来自驱动器后侧的声音输出通过这个滤波器，并且与来自驱动器前侧的输出相结合。对于特定的低频驱动器，典型地，选择箱体容积和通道尺寸以产生具有四阶高通滤波器特性的响应。

反射系统被广泛地使用，这是因为相对于封闭式箱体系统而言，它们提供了效率和低频扩展的较好结合。它们还具有以下益处：降低外壳调谐频率附近的频率处的振动膜偏移，在外壳调谐频率处，通道提供主要的声音输出。尽管对扩展低音性能有帮助，但是相比于密封的外壳来说，在接近性能下限的频率处，低音反射匣子可能会具有差的瞬时响应。匣子和端口大小的适当调整以及与驱动器特性的匹配是解决这个问题所使用的典型的方法。

发明内容

然而，当希望得到来自箱体调谐频率处的通道的输出时，在这个频率之上的输出可能会引起不想要的频率响应误差。我们已经发现，在相比于外壳的尺寸来说上半部分频率范围中的波长变小的情况下，气体容积腔体模式影响了性能，并且气体容积不再表现为声波顺从性。在这些模态频率处，来自驱动器后侧的输出产生了箱体中的气压的频率响应的峰值。对于将经由管道传送的足够声音来说，这些峰值的电平可能是足够高的，以引起响应偏差及相应的音调失真。

对这些腔体模态的一个响应可能是增加例如泡沫、玻璃纤维或毛织品的吸声材料，以降低它们的量级。然而，反射外壳需要低的声音损耗，以便实现良好的效率和扩展。实际上，增加足够的吸收材料来消除这些腔体共振的影响在也不招致低频输出的巨大损耗的情况下是不可能的，从而否定了反射外壳的益处。

因此，本发明提供了一种扬声器，其包括外壳，基本上位于外壳内且包括能够沿着轴振动的振动膜的驱动器，以及由从外壳内的第一位置延伸到外壳外的位置的通道构成的反射端口，该第一位置基本上与外壳内的至少一个共振模态的节面(nodal surface)相重合。

通过将外壳内反射通道的自由端放置在节面处，最小化了通道的输入处的共振的振幅，因而有助于滤除共振的影响，而无需吸收材料。

典型地，将存在多种待消除的共振。因此，可以将第一位置放置在两个或更多个节面的交点处。第一位置的候选布置包括：

·存在于x-方向上的外壳内的共振模态的偶数阶节面，其中，x，y和z是相互垂直的轴，并且z轴基本上与振动膜轴相对齐。

·存在于y-方向上的外壳内的共振模态的偶数阶节面。

·存在于z-方向上的外壳内的共振模态的节面。

在具体实现方式中，可以选择这些位置的一个、某些或全部。由于每一个都是通常处于横切相应三条轴之一的表面，因此，所有这三种都可以被选择，由此指示第一位置的多种具体布置。典型地，将存在一个以上的可能的位置，因为高于第一阶共振的共振可能具有一个以上的节面。

典型地，扬声器外壳包括基本上平的挡板或前面，在其上安装驱动器。外壳外的位置优选是挡板的外面。我们还提出通道远离挡板的内面垂直地延伸到外壳内部。

在外壳还包括基本上平的后面的情况下，其然后将与挡板间隔开并且与挡板相对，于是可以将第一位置在挡板和后面之间基本上等距地间隔开，因为这将通常与z-方向上的第一阶和最强共振相对应。

许多外壳包括(或者还包括)一对侧壁，其从挡板向后延伸并与之横切，在此青形下，第一位置可以定位于沿着垂直于振动膜轴的方向、从一个侧壁到另一个侧壁的距离的基本上四分之一的点处。这将与那个方向上的偶数阶共振的节面相对应。外壳通常采用基本上矩形的形状，在此情形下，将存在第二对侧壁，其从挡板向后延伸，与挡板横切且与第一对侧壁横切，并且于是，出于相同的原因，我们提出将第一位置定位于沿着垂直于振动膜轴的方向、从一个第二侧壁到另一第二侧壁的距离的基本上四分之一的点处。

典型地，为了易于制造，通道是直的。然而，为了适应本发明的位置需求，在某些青形下，提供非直的通道可能是合适的，所述非直的通道也就是包括弯曲部分或有角度部分的通道。

附图说明

现在，参照附图，借助示例，将描述本发明的实施例，其中：

图1示出了矩形气体容积中的奇数阶节面；

图2示出了矩形气体容积中的单独偶数阶节面；

图3示出了依照本发明的示例扬声器设计，该扬声器具有单个反射通道；

图4示出了依照本发明的替代扬声器设计；

图5示出了在已知位置具有端口和驱动器的浅外壳的频率响应；以及

图6示出了具有依照本发明定位的端口的浅外壳的频率响应。

具体实施方式

历史上，在反射扬声器设计中，极少或从不注意外壳内的腔体模态。典型地，如果考虑部件的物理布局的问题，挡板衍射是主要的考虑点，在此情形下，通常远离对称平面来放置驱动器。在某些情形下，在立体图像是主要的考虑点的情况下，于是通过提供作为镜像图像的左手和右手外壳来“手持(handed)”外壳。关于腔体模态的最大努力是消除或降低它们，例如，通过使用外壳的非平行侧或者通过使用内部隔音材料。

更通常地，驱动器中心轴位于外壳靠上大约2/3处，在中心位置中目标是以等量激励垂直模态。在某些情形下，特别是在驱动器是同轴类型的情况下，在对称的水平和垂直平面的交点处的挡板上的中心安装驱动器。这个位置与第一垂直和水平模态的节面相重合，因此没有激励这些模态。还存在许多更高阶的模态，通常被称作具有与挡板的中心相交的节面的奇数阶模态，这些模态也是没有被如此定位的驱动器所激励。

这尤其有益于降低最低频率模态的电平，因为它们需要最大量的吸收材料，如果衰减它们以降低它们的电平，这相应导致了低音输出的大量损耗。图1示出了从前面观看的、有界的矩形气体容积中的这些最低频率模态。用虚线表示节面，其在这种情形下是平面。图1(a)示出了第一垂直模态(也就是，y方向上)的节平面；这个平面在中点处跨越外壳而水平延伸。图1(b)示出了第一水平模态(也就是，x方向上)的波平面；这个平面在中间处沿着外壳向下而垂直延伸。图1(c)示出了存在于x-y平面中的下一奇数阶模态的节平面，并且其(在此情形下)由两个节平面构成，一个垂直和一个水平，在外壳的中心线处会合。该中心线是所有这三种模态的节平面共用的，并且由此，以驱动器轴基本上与这个中心线相重合而定位的驱动器将因此基本上不再激励这三种所示模态的任一个。

然而，将激励其他模态，具体地是存在于与驱动器轴平行的平面中的模态(其节平面应当垂直于驱动器轴)，以及在垂直于驱动器轴的平面中的偶数阶模态。

仅通过调整驱动器的位置不能避免其节平面垂直于驱动器轴的模态。然而，那些模态的最强模态，基础或第一阶模态，将具有外壳内的节平面，其通常位于挡板(外壳的前面，在其上安装驱动器)和外壳的后面的中间。还可与剩余的奇数阶模态(即，第3个，第5个，第7个等)共享这个节平面。因此，在将激励这些模态的同时，我们可以通过将反射端口的通道的自由端定位于那个节平面处来消除它们对反射端口的影响。这将最小化通道开口处的振幅。

这留下了偶数阶模态(即，第2个，第4个等)。存在于平行于驱动器轴的平面中，即具有垂直于驱动器轴的节平面的那些模态不能被消除。然而，存在于垂直于驱动器轴的平面中，即具有平行于驱动器轴的节平面的偶数阶模态可以被按照以下进行处理。

参照图2，如果驱动器中心地定位于外壳的前壁上，如上所述，则不激励水平和垂直的奇数阶模态(即，具有在驱动器平面上传播的波，其垂直于它的轴)。然而，偶数阶模态被激励。依照本发明，代替通过布置驱动器，将通过通道的适当布置而对这些进行处理。如果我们首先只考虑由于在驱动器的平面上传播的波的偶数阶模态，则第一垂直和第一水平偶数阶模态的节面将在4个弯曲部分(或者，在矩形箱体的情形下，是线)上相交叉。

图2(a)示出了矩形外壳的x方向上的第二阶模态的节面，其由两个垂直的平行平面构成，每个都在将外壳一分为二的平面和端面的中间相隔开，即，每个都与外壳壁间隔了外壳宽度的四分之一。图2(b)示出了矩形外壳的y方向上第二阶模态的节面，其由相应定位的两个水平的平行平面构成。图2(c)示出了存在于x-y平面上的下一个偶数阶模态的节平面，并且其(在此情形下)由四个节平面构成，两个垂直的和两个水平的，所有都与外壳壁间隔相关外壳尺寸的四分之一。所有这些平面的交点定义了四条线，定向于图2的页面中，位于外壳的4个四分之一点处，即，与外壳的边缘间隔了该方向上的外壳尺寸的四分之一的距离的4个点。

如果外壳内的通道入口位于这些弯曲部分(或线)上，则这些偶数阶模态将不产生通道入口处的响应的峰值，并且随后，将不通过该通道传送这些模态。

如上所述，考虑到沿着驱动器轴传播到外壳内的波，于是将激励所有这些模态，而不管驱动器位置。我们可以获得的最佳方案是将通道定位在第一模态的节面上，从而消除了第一(和最强)模态连同共享该节面的任一模态的影响。对于矩形外壳来说，第一节面是平行于外壳前面且将外壳容积一分为二的平面。

这个表面与来自考虑到的水平和垂直模态的弯曲部分的交点在外壳中给出了4个点，在此处，第一少数模态的模态振幅将是最小的。对于具有可忽略尺寸的驱动器的矩形箱体外壳，这4个点将是垂直于驱动器轴的平面上的4个四分之一点，将外壳深度一分为二。对于其他外壳形状，这4个点将是外壳的声音属性的函数，其由适当的有限元建模(FEM)揭示。

对于浅外壳，沿着驱动器的轴的第一模态的频率可能是足够高的，而不需要抑制，因比通道入口可以不必位于穿过驱动器轴的节面上。在其他情形下，可以分布吸声材料以主要地抑制沿着驱动器轴的模态，还降低将通道入口定位在穿过驱动器轴的节面上的需求。

值得注意的是，实际上，通过整个扬声器外壳的FEM预测的节面不都是平面的，尤其是从前到后传播的模态，因为驱动器占用的容积改变了空气的几何结构。在某些情形下，外壳可以具有一个或多个非平面或非平行的表面。在这些情形下，可以使用FEM来预测节面，并且依照以上阐述的原理将本发明应用于建模的节面。

图3示出了依照具有单个反射通道的本发明的扬声器10的设计的简单示例。驱动器12位于矩形挡板14的中点处。4个侧壁16、18和后壁构齐扬声器10的矩形外壳。在挡板14上提供反射端口20，其位于挡板14的左上四分之一点处，即，布置在从挡板的上边缘向下挡板14的高度的四分之一的距离处，且与挡板14的左边缘向里间隔挡板14的宽度的四分之一的距离。在反射端口20后面，通道22垂直于挡板14延伸到外壳中，延伸的距离等于外壳深度的一半，通道22结束于开口入口24处。

因此，如上所教导地定位入口24，在z方向上的奇数阶模态和x与y方向上的偶数阶模态的节面的交点的点处。通过驱动器12的位置抑制x与y方向上的奇数阶模态。这只留下了z方向上的偶数阶模态，显著降低了腔体共振的电位源。

图4结合FEM的结果示出了扬声器50的更复杂的设计。挡板52是驱动器54位于其中点处的凸起的复合曲线。通过平面平行的水平上和下壁56、58以及通过平面平行的垂直侧壁60、62提供扬声器的矩形垂直部分。扬声器50的后面64是稍微凸起的，尽管远小于挡板52。

在如此限定的扬声器外壳内，内部搁板66有助于控制来自驱动器54的振动。反射通道68从后面64上的反射端口70延伸到外壳内的位置。这些结构，以及挡板52和后面64的非线性性质，意味着图3的设计的完全对称是不存在的，并且因此，节面不是平面的。

然而，外壳的FEM分析确实揭示了腔体共振的节面。这种FEM模型是有用的，并且通常提供这样的因素的精确分析，通常根据抑制腔体共振的观点或确定隔音材料应放于何处及放多少来使用FEM模型。图4示出了垂直方向上的共振的节面72、74，它们作为外壳不对称的结果，明显是非平面及非平行的。然而，确定反射通道68的方向并进行定位，以便其自由端与下节面74会合。

类似的FEM分析将揭示上述的其他节面，并且这些将指示通道68应在何处与节面74会合。在一定程度上，通道68的形状、方向和位置将影响FEM分析，并且因而将影响节面的形状，因而有可能需要一定程度的迭代以获得一种解决方案。

图5和图6示出了对于浅外壳来说采用和不采用本发明的比较结果。图5示出了具有位于挡板上的中心位置的驱动器和位于边角的反射端口的频率响应。可以看出，从高达大约300Hz的端口存在一种有益效果，其中来自端口的声压(由结合正方形点的线所示)补偿来自驱动器的降低的声压(结合三角形点的线)，并且生成整个声压(结合圆形点的线)，其在大约30-40Hz以上是非常平的。然而，从大约300Hz以上在端口的频率响应中存在多个尖峰，其对应于腔体共振模态。

图6示出了同样的浅外壳的频率响应，但是具有位于本发明所要求的位置中的端口和驱动器，即，具有位于中心的驱动器和与外壳边缘间隔了垂直和水平尺寸的1/4的端口。尽管在超过300Hz的区域中仍然存在一些尖峰，其对应于不能被消除的共振模态，但是消除了大多数的尖峰，而没有对300Hz以下响应的任何有害影响。

当然，应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可对以上描述的实施例作出多种变型。

Claims (12)

1.一种扬声器，包括外壳，驱动器和反射端口，所述驱动器基本上位于所述外壳内且包括能够沿轴振荡的振动膜，所述反射端口由通道构成，所述通道从所述外壳内的第一位置延伸到所述外壳外的位置，所述第一位置基本上与所述外壳内的至少一个共振模态的节面相重合。

2.依照权利要求1的扬声器，其中，所述第一位置基本上沿着x方向与共振模态的偶数阶节面相重合，所述共振模态的偶数阶节面存在于x方向上的外壳内，其中，x，y和z是相互垂直的轴，并且z轴基本上与所述振动膜轴相对齐。

3.依照权利要求2的扬声器，其中，所述第一位置还基本上沿着y方向与共振模态的偶数阶节面相重合，所述共振模态的偶数阶节面存在于y方向上的外壳内。

4.依照前述权利要求中的任一项的扬声器，其中，所述第一位置基本上沿着z方向与共振模态的节面相重合，所述共振模态的节面存在于z方向的外壳内，其中，x，y和z是相互垂直的轴，并且z轴基本上与所述振动膜轴相对齐。

5.依照前述权利要求中的任一项的扬声器，其中，所述外壳包括基本上平的挡板，在其上安装所述驱动器。

6.依照权利要求5的扬声器，其中，在所述挡板上的中心安装所述驱动器。

7.依照权利要求5或6的扬声器，其中，所述外壳外的位置是所述挡板的外面。

8.依照权利要求7的扬声器，其中，所述通道远离所述挡板地垂直延伸。

9.依照权利要求5-8中的任一项的扬声器，其中，所述外壳还包括与所述挡板间隔开且与所述挡板相对的基本上平的后面，所述第一位置在所述挡板和所述后面之间被基本上等距地间隔开。

10.依照权利要求5-9中的任一项的扬声器，其中，所述外壳还包括一对侧壁，其从所述挡板向后延伸，并与所述挡板横切，所述第一位置定位于沿着垂直于所述振动膜轴的方向从一个侧壁到另一侧壁的距离的基本四分之一的点处。

11.依照权利要求10的扬声器，其中，所述外壳还包括第二对侧壁，其从所述挡板向后延伸，与所述挡板和所述第一对侧壁横切，所述第一位置定位于沿着垂直于所述振动膜轴的方向从一个第二侧壁到另一第二侧壁的距离的基本四分之一的点处。

12.依照前述权利要求中的任一项的扬声器，其中，所述通道是直的。

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