CN104488287A - 声滤波器 - Google Patents

Abstract

在一个方面，一般而言，扬声器元件包括外壳；位于外壳以内的驱动器元件的锥体膜片；从驱动器元件的锥体膜片延伸至喉部开口的第一腔体壁，该喉部开口具有小于锥体膜片的面积的面积，并且该第一腔体壁在外壳以内形成第一腔体；从喉部开口延伸至外壳以外的环境的出口元件；以及从第一腔体壁延伸的阻抗补偿元件，该阻抗补偿元件包括在外壳以内形成第二腔体的第二腔体壁以及将第二腔体从第一腔体分开的阻性元件。

Description

声滤波器

背景技术

本发明涉及扬声器设计。

扬声器的频率响应具有扬声器的输出频谱响应于激励的特征。频率响应通常在幅度响应和相位响应的方面被分析。通常而言，对于扬声器而言理想的是具有尽可能平坦的幅度响应，这意味着没有一个频率相对于其它频率是被显著放大或衰减的。

发明内容

在一个方面，一般而言，扬声器元件包括外壳；位于外壳以内的驱动器元件的锥体膜片；从驱动器元件的锥体膜片延伸至喉部开口的第一腔体壁，该喉部开口具有小于锥体膜片的面积的面积，并且该第一腔体壁在外壳以内形成第一腔体；从喉部开口延伸至外壳以外的环境的出口元件；以及从第一腔体壁延伸的阻抗补偿元件，该阻抗补偿元件包括在外壳以内形成第二腔体的第二腔体壁以及将第二腔体从第一腔体分开的阻性元件。

多个方面可以包括一个或多个以下特征。

阻抗补偿元件可以在紧密接近于驱动器元件的锥体膜片的位置从第一腔体壁延伸。阻性元件可以是屏障材料的形式的声阻元件。阻性元件可以是泡沫材料的形式的声阻元件。

阻抗补偿元件可以包括谐振补偿元件。谐振补偿元件可以包括第一集总元件谐振结构。第一集总元件谐振结构可以包括第二腔体、阻性元件、在外壳以内形成第三腔体的第三腔体壁、以及将第三腔体从第二腔体分开的无源辐射器元件。阻性元件可以是屏障材料的形式的声阻元件。

第一集总元件谐振结构可以包括第二腔体、声阻元件、在外壳以内形成第三腔体的第三腔体壁、以及将第二腔体连接至第三腔体的接口元件。阻性元件可以是屏障材料的形式的声阻元件。阻性元件可以是泡沫材料的形式的声阻元件。

第一集总元件谐振结构可以包括无源辐射器元件并且阻性元件可以是与无源辐射器元件相关联的机械阻性元件。

谐振补偿元件可以包括多个集总元件谐振结构。该多个集总元件谐振结构可以包括在外壳以内形成多个腔体的多个腔体壁；将多个腔体中的一个或多个从第一腔体分开的一个或多个声阻元件；以及将多个腔体中的至少一些从彼此分开的多个无源辐射器元件。

该多个集总元件谐振结构可以包括在外壳以内形成多个腔体的多个腔体壁；将多个腔体中的一个或多个从第一腔体分开的一个或多个声阻元件；以及将多个腔体中的至少一些连接至彼此的多个接口元件。

谐振补偿元件可以包括分布式谐振结构。第二腔体可以是细长的。第二腔体可以是锥形的。阻性元件可以是屏障材料的形式的声阻元件。阻性元件可以是泡沫材料的形式的声阻元件。

扬声器元件可以包括位于第一腔体以内的相位锥(phase plug)。该多个集总元件谐振结构可以包括在外壳以内形成多个腔体的多个腔体壁；将多个腔体中的一个或多个从第一腔体分开的一个或多个声阻元件；将多个腔体中的至少一些连接至彼此的一个或多个接口元件；以及将多个腔体中的至少一些从彼此分开的一个或多个无源辐射器元件。

从以下说明书中以及从权利要求书中，本发明的其它特征和优点是明显的。

附图说明

图1是压缩扬声器组件的截面。

图2是包括第一阻抗补偿元件的压缩扬声器组件的截面图。

图3是图2的扬声器组件的频率响应的绘图。

图4是图2的扬声器组件在声阻被改变时的声功率辐射敏感度的绘图。

图5是图2的扬声器组件在声阻被改变时的声功率辐射敏感度的绘图。

图6是具有大附加体积的图2的扬声器组件在声阻被改变时的声功率辐射敏感度的绘图。

图7是具有大附加体积的图2的扬声器组件在声阻被改变时的声阻抗的绘图。

图8是具有小附加体积的图2的扬声器组件在声阻被改变时的声功率辐射敏感度的绘图。

图9是图2的扬声器组件在小附加体积被改变时的声功率辐射敏感度的绘图。

图10是包括第二阻抗补偿元件的压缩扬声器组件的截面图。

图11是图10的扬声器组件的仿真图。

图12是图10的扬声器组件的声功率辐射敏感度的绘图。

图13是图10的扬声器组件的声阻抗的绘图。

图14是包括第三阻抗补偿元件的压缩扬声器组件的截面图。

图15是图14的扬声器组件的仿真图。

图16是图14的扬声器组件的声功率辐射敏感度的绘图。

图17是图14的扬声器组件的声阻抗的绘图。

图18是包括第四阻抗补偿元件的压缩扬声器组件的截面图。

图19是包括第五阻抗补偿元件的压缩扬声器组件的截面图。

具体实施方式

参照图1，在一个实施例中，压缩扬声器组件100包括容纳在外壳112中的驱动器元件106。驱动器元件106将电信号转换为声压波。声压波经由腔体104、经过喉部110、在退出到外部环境101之前进入出口元件102从而发散穿过外壳112。喉部110表示从腔体104到出口元件102的过渡。扬声器组件100是压缩扬声器组件，因为其使用压缩来改进驱动器元件106与外部环境101中的空气之间的耦合效率。总体而言，驱动器元件106由结构加载，该结构通过将驱动器元件106的输出限制到具有比驱动器元件106的膜片面积更小的横截面面积的区域而引入压缩。

喉部110具有比驱动器元件106的锥体膜片108的面积更小的面积，锥体膜片108的面积与喉部110的面积的比率定义了压缩比率。通常，当出口(嘴部)的面积足够大时，更高的压缩比率产生更高的效率，从而进入到外部环境的辐射阻抗是阻性的。在一些示例中，压缩比率被配置使得出口元件102的横截面面积是小的，使得其更容易引导出口元件102至外壳112以外。

当嘴部的面积足够大时，使得进入到外部环境的辐射阻抗是阻性的，并且当喉部110具有比起锥体膜片108嘴部而言更小的面积时，驱动器元件106的锥体膜片108的相对小量的位移在腔体104中发展出高压。因此，声波在扬声器组件100的喉部110是高压并且低位移的。

声压波从喉部110行进穿过出口元件102到外部环境101。诸如图1中所示并在以上描述的扬声器设计可以导致扬声器的效率相对高。在一些示例中，出口元件102是锥形的(未示出)并且声波随着它们行进穿过出口元件102而逐渐地减压并在位移上减小。

一般而言，对于频率响应而言理想的是任何扬声器组件都尽可能地平坦。然而，压缩扬声器组件的设计所固有的若干因素可导致不理想的频率响应特性。不理想的频率响应特性的一些示例是在高频处的频率响应下降、由于谐振导致的在频率响应中的峰(peak)以及由于消除导致的在频率响应中的陷(notch)。在一些示例中，在频率响应中的陷(即空值)可以表示相位锥(在下面描述)是否被使用。在其它示例中，在频率响应中的陷可以表示相位锥是否未被正确定位。在其它示例中，如果换能器的膜片在高频处并不像刚性活塞那样运转，由于被称为“锥体破碎”的现象在频率响应中可出现附加的峰和陷。相似地，如果换能器的机械悬挂(例如，支架和环绕物悬挂)并不像理想弹簧那样运转，而是具有其自己的谐振，那么在频率响应中可具有附加的峰和陷。相似地，如果驱动器的背部空气体积并不像理想弹簧那样运转，在背部空气体积中可生成驻波，其可创造在频率响应中的峰和陷。

1低通滤波器效果

参照图1，在一些示例中，腔体104包括相对大的空气体积，其用作声阻抗，将低通滤波器特征(即，衰减高频)给予扬声器的频率响应。

2在扬声器组件腔体和出口元件中的谐振

在一些示例中，腔体104和出口元件102的几何结构导致在扬声器组件100的频率响应中的某些频率处的峰和陷。

例如，如果扬声器组件的设计不是围绕轴线(即，X)对称的，当腔体104被驱动器元件106激励时在腔体104中可存在非轴对称腔体模式(mode)。一般而言，非轴对称腔体模式(即，谐振)具有其由腔体的几何结构指定的压力格局并且通常导致在扬声器组件100的频率响应的高频处的峰和陷。

此外，腔体104的几何结构可以导致当腔体104被驱动器元件106激励时轴对称驻波模式存在于腔体104以内。一般而言，轴对称驻波模式具有看起来像围绕X轴的同中心的环的压力格局。轴对称驻波模式可以导致在扬声器组件100的频率响应中的一个或多个频率处的峰和/或陷。在一些示例中，由于一个腔体模式支配(即，峰)或多个腔体模式响应解构地(deconstructively)添加(即，陷)，这样的峰和陷出现。

附加地，图1中示出的类型的出口元件102是从喉部110和开口延伸进入外部环境101的喇叭或波导的形式。在一些示例中，出口元件102的几何结构导致腔体104与出口元件102的出口之间的谐振。一般而言，出口元件102的长度和形状以及腔体体积104的大小和形状控制谐振的数量以及在频域中的谐振的间隔，并且谐振的Q因子取决于在谐振中损失的量(即，声阻)。

在一些示例中，具有高Q因子的谐振使得难以均衡扬声器组件。例如，扬声器可以通过对电输入信号进行滤波而在扬声器频率响应中衰减某些谐振发生的频率并且放大另一些陷发生的频率而被均衡。然而，诸如温度和湿度之类的环境因素可导致谐振和陷的频率偏移。被应用补偿均衡的情况下偏移的系统频率响应与固定的频率响应之间的错配可导致在除了谐振发生处之外的频率处的衰减以及在除了陷发生处之外的频率处的放大，这可使得系统的总频率响应在加上均衡后比起没有均衡被应用的情况更差。

3声滤波器

在以下描述的实施例中，在与图1的扬声器组件100相似的扬声器组件中包括用于阻抗补偿的多个不同的结构。不同结构的结合在本文中被称作声滤波器。

参照图2，第二扬声器组件200的截面图示出了在其中第二扬声器组件200使用声滤波器减轻以上描述的不理想的频率响应特性的一种方式。特别是，扬声器组件200包括声滤波器，该声滤波器包括轴对称相位锥218、阻抗补偿元件213、相对短的波导202以及成角度驱动器206。在本实施例中，阻抗补偿元件213包括在外壳212中的附加体积214，其被声阻216(例如，屏障或泡沫材料)从腔体204分开。

3.1轴对称相位锥

轴对称相位锥218是具有与腔体204的形状基本相似的形状但具有比腔体204更小的体积的构件。由于其形状和体积，相位锥218可以使用薄的肋件(未示出)被悬置在扬声器组件200的腔体204以内。一般而言，相位锥218是关于驱动器元件206的中心轴X轴对称的。

相位锥218在减弱不理想的频率响应特性中提供两个目的。第一个目的是减小在腔体204中存在的空气体积。通过减小在腔体204中存在的空气体积，驱动器元件206的锥体208遇到具有更大声阻抗(即，劲度)的腔体204。增加驱动器元件206的锥体208遇到的腔体204的声阻抗减弱了由大腔体空气体积导致的低通滤波效果，由此改进了扬声器组件200的高频效率。在一些示例中，腔体204的体积被指定为使得给定的低通截止频率被实现。

相位锥218的第二个目的是通过将声音从腔体204导向进入波导202而减小不想要的轴对称腔体模式。

因为相位锥218关于驱动器元件206的中心轴X轴对称，非轴对称的腔体模式的激励被避免。

3.2出口元件设计

图2的扬声器组件200包括波导型出口元件202。这样的出口元件202的使用创造了在扬声器组件的输出中的高频谐振。然而，为了减弱这些谐振的效果，波导202相对于由图1所示的波导102被缩短。波导202的缩短导致由在波导202创建的第一谐振在高频处发生，导致在扬声器组件200的输出的更少可听谐振。

如以上所描述的，理想的是缩短出口元件202(例如，波导)，导致第一谐振的频率增大。在一些实施例中(例如，图2中所示的实施例)，波导202通过使得驱动器元件206偏斜25度的角度而被缩短。

在其它实施例中，由波导202导致的谐振的效果通过使得波导202成为锥形而被减弱，从而波导202的开口的面积随着波导202远离喉部210并向着外部环境201延伸而增大。

在一些实施例中，由波导202导致的谐振被用于加强扬声器组件的高频效率。例如，波导202的长度可以被指定为使得谐振发生在需要高效率的特定频率处。

3.3屏障和体积阻抗补偿元件

包括相位锥218和相对短的出口元件202的扬声器组件200可以产生具有在扬声器组件200输出的频率响应中的不理想的尖锐峰(即，具有高Q)的谐振。

为了减弱在频率响应中的不理想的尖锐峰，阻抗补偿元件213被包括在扬声器组件200中。阻抗补偿元件213包括位于接近驱动器元件的外边缘并且在介于压缩腔体204(在该处压力是局部最大值)与附加体积214之间的声阻216。在该配置中，在压缩腔体204中的压力在谐振频率处较大并且空气流经阻性材料进入附加体积214，只要补偿元件213的阻抗由阻性(而不是抗性)支配则衰减且降低谐振的Q。

由阻抗补偿元件213表示的声阻抗被指定为由阻性(而不是抗性)支配并且小于出口元件202(例如，波导)与在谐振发生的频率处的腔体体积204的组合的声阻抗。这确保了在谐振发生的频率处，空气流进附加体积214而不是流出波导。类似地，由阻抗补偿元件213表示的声阻抗被指定为大于出口元件202(例如，波导)与在没有谐振发生的频率处的腔体体积204的组合的声阻抗。这确保了在非谐振频率处，体积速度流进出口元件202与压缩腔体204的组合而不是流进附加体积214。其还确保了在腔体204中的压力将不会在非谐振频率处被显著地衰减。

声阻216可以由抵抗空气流的材料(例如，屏障或泡沫材料)制成。像以上所述地布置阻性材料用于衰减由扬声器组件200生成的所有谐振。

在一些示例中，声阻216和附加体积214可以被调谐为实现期望的结果。例如，简易的声阻216和阻性腔体体积214给出了在高于某些拐点频率时为阻性的阻抗。在拐点频率以下时，结合的声阻216和附加体积214是抗性的，并且因此不显著地影响功率辐射敏感度的峰的Q，虽然峰的谐振频率可能偏移(即，被降低)。在一些示例中，拐点频率由以下等式确定：

$f\_\mathrm{break}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{1.4\×{10}^5}{{\mathrm{RV}}_{\mathrm{shunt}}}$

其中R是声阻216的阻值，并且V_shunt是附加体积214的体积。

在一些示例中，阻抗补偿元件213可以使用以下过程被协调：

1.将谐振峰识别为被衰减。

2.使得附加体积214在系统的模型中比起出现在系统的模型中的其它结构而言尽可能大。

3.运行仿真，该仿真迭代地尝试声阻216的不同阻值以识别什么阻值衰减被识别峰最多。

4.以小增量减小附加体积214，并使得声阻216不改变，直到具有被识别峰中最小频率在峰的响应开始从最大可能的体积情形显著离开。离开发生的该体积是在附加体积214的大小与阻抗补偿元件213的性能之间的好的设计妥协。要留意的是该设计并不受限于使用该体积。

确定的附加体积214和声阻216确立阻抗补偿元件213的拐点频率，这是声阻216将会减小峰的Q的最小频率。

一般而言，阻抗补偿元件(例如，如以上所述的阻抗补偿元件213)被耦合至扬声器元件的压缩腔体204并且不被耦合至扬声器元件的出口元件(例如，波导202)的任何部分。这确保了补偿元件暴露于宽频、高压声波。压缩腔体被耦合至可能生成在波导出口结构的驻波、并且被耦合至出现在压缩腔体以内的驻波。如果阻抗补偿元件可影响系统模式，阻抗补偿元件可以仅仅提供补偿，并且阻抗补偿元件的以上所述位置确保最大可能数量的系统模式被影响。在一些示例中，阻抗补偿元件可以不被耦合至由波导和腔体体积组成的系统中的非轴对称模式，也不被耦合至仅存在于腔体体积中的轴对称模式。然而，即使存在，这样的模式也是次要的。

以上所述的阻抗补偿元件位置避免了沿着出口元件找到定位阻抗补偿元件的具体位置以便于影响期望的模式的需要。该位置有效地耦合可存在于出口结构中所有感兴趣的模式，其允许在使用相同补偿元件的同时补偿多于一个模式。

各种补偿元件可以被用于选择性地影响模式。简单屏障和腔体的第一个实施例可以同时影响大量的模式并且不需要补偿元件谐振与系统中模式的调谐。该方法对于模式中的偏移不敏感。补偿的量通过调节阻抗值而调节，但除了设定在补偿元件操作的最小频率之外不需要谐振的频率调谐。

在其它示例中，谐振补偿元件被使用。在这些情况下，阻抗补偿元件的谐振被调谐为匹配系统谐振。例如，谐振可以被调谐为匹配仅存在于腔体204中的模式(即，驻波模式)，或者匹配存在于出口元件与腔体204的组合中的模式，或者匹配两者。在一些示例中，具有单个集总元件谐振的阻抗补偿元件、多个集总元件谐振、或具有一系列谐振的分布式元件可以被使用。集总元件可以仅包括声学元件(声质量和体积)，或包括机械和声学元件的结合(使用具有腔体和声质量的无源辐射器)。在其它示例中，阻性元件可以与谐振元件结合使用以控制阻抗补偿被应用的大小。

因为谐振元件被暴露在与系统的其余部分相同的环境，系统谐振中的环境偏移被补偿网络中相关联的偏移合理地补偿。

如之前提及的，形成阻抗补偿元件(例如，213)的一部分阻性元件(例如，216)被直接耦合至压缩腔体(例如，204)。阻抗补偿元件的各种实施例(以下被更详细地描述)包括至少一个附加腔体。阻性元件被定位使得其位于压缩腔体与阻抗补偿元件的腔体(例如，214)之间。在压缩腔体中的压力与被耦合至声阻的阻抗补偿元件腔体中的压力之间的任何压差表现为跨声阻的压降。在描述的大多实施例中，阻性元件是声阻，并且通常由屏障或泡沫材料提供。然而，在一个实施例中，声阻是由无源辐射器设备(例如，图18，元件1821)的高衰减(即，有损的)的环绕物提供的机械阻力，其中无源辐射器被安装在压缩腔体与阻抗补偿元件腔体之间。跨声阻的压降导致流经声阻，其中流动的量是压差与声阻的函数。在机械阻力的情况下，跨无源辐射器的压降导致被应用至无源辐射器的每一侧的力的差异。力的差异导致无源辐射器(以及因而附接至无源辐射器的环绕物)以一速度移动，其中该速度是力的差异(由压差驱动)与无源辐射器的机械阻抗的函数。在两种情况下，跨阻性元件的压差导致能量被消耗在阻性元件中。因为压差(或力的差异)跨阻性元件被生成，阻性元件可以潜在地消耗在宽频带上的能量。即，如果压差或力的差异发生在宽频带上，如所述被配置的声阻能够消耗跨宽频带的显著能量，多少独立于声音的波长。

位于压缩腔体与阻抗补偿元件腔体之间的声阻表现得与简单地将声吸收材料放置在腔体以内的系统非常不同。假定腔体表现为集总元件，在腔体以内到处的压力(因为集总元件假设)在各个地方都相同。作为结果，跨布置在腔体以内的吸收材料没有发展出压差。在该系统中的衰减仅仅由于腔体中的压力，而不是压差。广为人知的是，基于对波长远大于吸收材料的尺寸的频率吸收难以获得压力。作为结果，使用置于腔体以内的吸收材料来衰减在波长比起腔体的尺寸而言更大的频率处的系统谐振(吸收材料至多具有其被放置于内的腔体的尺寸)。在本公开中描述的实施例的声阻能够提供跨宽频率范围的谐振的衰减，但是将声吸收材料简单地置于补偿元件的腔体以内仅可以提供在波长比起腔体的尺寸而言不大的频率处的谐振的衰减。

3.3.1实验数据

参照图3，在自由空间中辐射的图2的扬声器组件200第一频率响应430与常规扬声器组件的第二频率响应432被一起图示。虽然不是完美平滑，但扬声器组件200的第一频率响应430足够平滑从而被均衡。虽然扬声器组件的第二频率响应432在其中间频率带相对平坦，但本申请的扬声器组件200的第一频率响应430在该区域中具有更高敏感度。该更高的敏感度意味着本申请的扬声器组件200具有剩余输出，其可以被用于更有效率的扬声器操作或者用于布置多个扬声器组件200以针对增大的空间主动地引导声音。

实践中，改进的频率响应可以通过调谐在图2中示出的声阻216与附加体积214的组合的声阻抗而获得(下称屏障系统)。如以下所述，图4至图9图示了屏障系统的不同配置如何影响声功率辐射敏感度以及扬声器组件200的声阻抗。一般而言，用于以下实验的扬声器组件具有2.52cm²的嘴部面积、1.12cm²的喉部面积、2.4cm的锥体膜片直径、0.56cm³的前腔体体积、以及45mm的波导长度。

图4和图5图示了扬声器组件200的附加体积214的体积被保持在常数9.27e^-7m³并且扬声器组件200的声阻216被改变的实验结果。

参照图4，曲线图图示了随声阻216被改变扬声器组件200的声功率辐射敏感度。在曲线图上的三个曲线对应于声阻216的三个不同值。第一曲线434对应于扬声器组件200的声阻216的阻值足够大以阻挡空气从压缩腔体204进入附加体积214中的任何显著移动的配置。在该曲线434中，具有高Q的强峰出现在基础谐振频率以及谐振频率的泛音(overtone)处。曲线434中的谷(valley)存在于峰之间的频率处。要注意的是，泛音通常是更高频率的谐振(即，模式)，其不与基础谐振频率调和地(harmonically)相关。

第二曲线436对应于声阻216具有以下阻值的扬声器组件200的配置：

1e⁷Pa·s/m³

这样的声阻216减小了在第一曲线434中所示的峰的Q，同时最小地减小了在谷存在的频率处的输出。

第三曲线438对应于声阻216的阻值可以忽略(即，空气从压缩腔体204进入附加体积214中的移动未受阻)的扬声器组件200的配置。这样的声阻缺乏并不减小在第一曲线中所示的峰的Q，但并不导致在谷存在的频率处的输出中的显著减小以及谐振频率的降低。这在高频处尤其如此。谐振频率的偏移以及在高频处的输出的减少两者均是由于当没有声阻出现时压缩腔体显得更大。这样的更大的腔体体积增加了在进入波导中的体积速度的腔体体积的低通滤波效果。

减小峰的Q同时保留在谷处的输出水平是理想的特性。因而，图4的第二曲线436示出了具有分开压缩腔体204与附加体积214的声阻216是理想的。

参照图5，曲线图图示了随声阻216被改变屏障系统的的声阻抗。

在曲线图中的第一曲线540表示由压缩腔体204和出口元件202给予的声阻抗。第二曲线542表示由具有以下阻值的声阻216给予的声阻抗：

1e⁷Pa·s/m³

并且具有屏障之后的体积：

9.2×10^-7m³

第三曲线544表示由可忽略的声阻216给予的声阻抗。

一般而言，当由屏障系统给予的声阻抗由阻性支配并且相对于由压缩腔体204和出口元件202给予的声阻抗而言是大的时，屏障系统对扬声器组件200的输出或性能具有可忽略的影响。

然而，当由屏障系统给予的声阻抗由阻性支配并且与由压缩腔体204和出口元件202给予的声阻抗相当时，屏障系统转移驱动器体积速度的足够量。进而，当声阻216和附加体积214被恰当地选择时，驱动器体积速度的转移仅发生在声输出通过出口元件202到外部环境的系统的峰频率响应处。这减小输出峰的Q同时保留在谷频率的输出是理想的特性。

图6和图7图示了扬声器组件200的附加体积214的体积被保持在常数9.27e^-5m³(即，是在图4和图5的实验中的附加体积的100倍)并且扬声器组件200的声阻216被改变的实验结果。

参照图6，曲线图图示了随声阻216被改变扬声器组件200的声功率辐射敏感度。在曲线图上的曲线对应于声阻216的四个不同值。第一曲线646对应于声阻216的阻值足够大以阻挡空气从压缩腔体204进入附加体积214中的任何显著移动的扬声器组件200的配置。在该曲线646中，具有高Q的强峰出现在基础谐振频率以及谐振频率的泛音处。曲线中的谷存在于峰之间的频率处。

第二曲线648对应于声阻216具有以下阻值的扬声器组件200的配置：

5e⁷Pa·s/m³

由于这是相对高的阻值，在第一曲线646中示出的每个峰的Q仅被略微减小。

第三曲线650对应于声阻216具有以下阻值的扬声器组件200的配置：

1e⁷Pa·s/m³

该阻值足够减小在第一曲线646中所示的每个峰的Q，同时最小地减少在谷存在的频率处的输出。

第四曲线652对应于声阻216具有以下阻值的扬声器组件200的配置：

4e⁶Pa·s/m³

虽然该声阻确实减小在第一曲线中所示的每个峰的Q，其这样做以严重减小在谷频率处的输出为代价。

参照图7，曲线图图示了随声阻216的阻值被改变屏障系统的声阻抗。在曲线图中的第一曲线754表示由压缩腔体204和出口元件202给予的声阻抗。第二曲线756表示由具有以下阻值的声阻216给予的声阻抗：

5e⁷Pa·s/m³

第三曲线758表示由具有以下阻值的声阻216给予的声阻抗：

1e⁷Pa·s/m³

并且具有屏障之后的体积：

9.2×10^-5m³

第四曲线760表示由具有以下阻值的声阻216给予的声阻抗：

4e⁶Pa·s/m³

并且具有屏障之后的体积：

9.2×10^-5m³

如在图5中的情况，可以见到，一般而言，当由屏障系统给予的声阻抗由阻性支配并且相对于由压缩腔体204和出口元件202给予的阻抗而言是大的时，屏障系统对扬声器组件200的输出或性能具有可忽略的影响。附加地，当由屏障系统给予的声阻抗相对于由压缩腔体204和出口元件202给予的阻抗较小时，屏障系统转移太多驱动器体积速度。

然而，当由屏障系统给予的声阻抗相对于由压缩腔体204和出口元件202给予的声阻抗不大也不非常小时，屏障系统转移驱动器体积速度的足够量。进而，当屏障声阻216和附加体积214被恰当地选择时，驱动器体积速度的转移仅发生在声输出的峰频率响应处。这减小输出峰的Q同时保留在谷频率的输出。

参照图8，曲线图图示了当附加体积214被保持在常数2.3e^-7m³并且扬声器组件200的声阻被改变时扬声器组件200的声功率辐射敏感度。

附加体积214大约是体积的1/4是实际的(即，附加体积214过于小)。如可以在附图中所见，由于小体积，无论声阻216的阻值为何，其对于峰的Q的效果可以忽略。

参照图9，绘图将没有附加体积的扬声器组件200的声功率辐射敏感度、具有9.2e^-7m³的附加体积214(即，实际大小的体积)的扬声器组件200以及具有9.2e^-5m³的附加体积214(即，不切实际大的体积)的扬声器组件200。声阻216的阻值在所有情况下均被保持在常数：

1e⁷Pa·s/m³

如可以在附图中所见，当使用声阻216时不切实际大的体积减小了前两个峰的Q。然而，在谷频率处，所有三个曲线彼此间具有大约1dB。然而，要注意的是，不切实际大的体积可以不理想地增加扬声器组件的大小。

3.4可替代阻抗补偿元件

一般而言，以上所述的诸如屏障和体积阻抗补偿元件之类的阻抗补偿元件在压缩驱动器的边缘处接进扬声器组件的压缩腔体并且通过阻性元件被耦合至压缩驱动器的前面。包括阻抗补偿元件的可替代实施例的多个扬声器元件被描述于下。

3.4.1屏障、体积和无源辐射器阻抗补偿元件

参照图10，扬声器组件1000的另一实施例被配置为以与图2的扬声器组件200相似的方式减轻不理想的频率响应特性，但包括阻抗补偿元件1013的可替代版本。

阻抗补偿元件1013包括无源辐射器1015和声阻1016。声阻1016位于接近驱动器元件1006的外边缘并且介于压缩腔体1004与第一附加体积1014之间。第二附加体积1017由无源辐射器1015从第一附加体积1014分开。

阻抗补偿元件1013被设计为具有由阻性支配的声阻抗并且在来自出口元件1002的声辐射具有高Q响应的特定频率ω处相对于出口元件1002的阻抗而言较低。在一些示例中，为了实现低声阻抗，无源辐射器1015包括质量1019，其通过弹簧状“半卷”环绕物1021从腔体1014、1012中的一个的内壁悬置。质量1019和环绕物1021像弹簧-质量系统一样动作，其可以被设计为在频率ω处谐振。无源辐射器1015的谐振频率取决于质量1019、无源辐射器环绕物的顺应性、空气在第一附加体积1014中的顺应性、空气在第二附加体积1017中的顺应性以及由动作以衰减无源辐射器1015的谐振的声阻1016给予的阻值。因而，阻抗补偿元件1013的谐振频率ω可以通过改变质量1019、附加体积1014、1017的大小和/或声阻1016而被调谐至期望的频率。

在操作中，在谐振频率ω处，无源辐射器1015提供由阻性支配的非常低的阻抗，通过阻抗补偿元件1013有效地导致声能量的吸收而不是使得声能量从出口元件1002辐射。声阻1016的衰减效应用于增加阻抗补偿元件1013在无源辐射器系统的谐振频率处的总体声阻抗，由此防止在谐振频率ω处的所有声能量被阻抗补偿元件1013所吸收。产生的阻抗补偿元件1013在除了谐振频率ω(其被设计为在此操作)之外的所有频率处具有高的声阻抗。

在一些示例中，如上所述类型的多个无源辐射器1015可以被包括在阻抗补偿元件1013中，导致在不同频率处的多个阻抗最小值。

参照图11，仿真图1100简要地图示了图10的扬声器组件1000的部件的布置，以及针对部件的体积、面积等的例示性值。在操作中，来自信号源1150的电信号被应用至将电信号转换为声波的扬声器元件1006。声波传播进入压缩腔体1004，从该处声波的第一部分传播进入出口元件1002并且声波的第二部分传播进入阻抗补偿元件1013。声波的第一和第二部分的含量取决于被转换的声波的频率含量、由声出口元件1002呈现的声阻抗、以及由阻抗补偿元件1013呈现的声阻抗。

声波的第一部分经过出口元件1002传播并进入外部环境中。声波的第二部分经过将压缩腔体1004与第一附加体积1014分开的声阻1016传播，并进入第一附加体积1014。在第一附加体积1014中，声波的第二部分遇到将第一附加体积1014与第二附加体积1017分开的无源辐射器1015。第二附加体积1017和无源辐射器1015被配置为使得在频率ω处的任何声波导致无源辐射器1015在频率ω处振荡，减弱在该频率处的声能量。

图12是扬声器组件1000具有和不具有阻抗补偿元件1013在位的声功率辐射敏感度的曲线图。特别地，图上的第一曲线1266表示扬声器组件1000不具有阻抗补偿元件1013在位的声功率辐射敏感度。在该曲线1266中，具有高Q的强峰出现在基础谐振频率以及谐振频率的泛音处。曲线1266中的谷存在于峰之间的频率处。

在图上的第二曲线1268表示扬声器组件1000的声功率辐射敏感度，该扬声器组件1000包括被设计为在基础谐振频率处减小峰的Q的阻抗补偿元件1013。阻抗补偿元件1013减小了在第一曲线1266中所示的基础谐振频率峰的Q，同时仅最小地减小了在除了基础谐振频率之外的频率处的输出。

图13是图示了由扬声器组件1000的不同部件给予的声阻抗的曲线图。在该曲线图上的第一曲线1370表示由阻抗补偿元件1013贡献的声阻抗。在该曲线图上的第二曲线1372表示由腔体1004和波导1002贡献的声阻抗。如可以由曲线图的检验所见，在第二曲线1372中的基础谐振频率处的峰与在第一曲线1370中表示的最低阻抗对准。因而，在扬声器组件中表示的声功率在声阻抗由阻抗补偿元件1013给予的声阻抗(由第一曲线1370所示)相对于由腔体1004和波导1002给予的声阻抗(由第二曲线1372所示)较小的频率处辐射进入阻抗补偿元件1013。

3.4.2屏障和锥形的分路器阻抗补偿元件

参照图14，扬声器组件1400的另一实施例被配置为以与图2的扬声器组件200相似的方式减轻不理想的频率特性，但包括阻抗补偿元件1413的可替代版本。阻抗补偿元件1413包括位于接近驱动器元件1006的外边缘并且在介于附加体积1414与压缩腔体1404之间的声阻1416。附加体积1414是细长的，并且在一些示例中是锥形的附加轴对称体积1414。声阻1416动作以增加由附加体积1414给予的总体阻抗。

阻抗补偿元件1413可以被配置为在多个频率ω₁,ω₂,...ω_N处具有相对于出口元件1402和腔体1404的声阻抗而言较低的声阻抗。特别地，如果附加体积1414的长度L足够长，附加体积1414不再用作顺应体积而是用作波导。附加体积1414的谐振的数量和位置可以通过调节附加体积1414的长度L和/或锥形的角度θ而被配置。调节附加体积1414的长度L导致附加体积1414的基础谐振频率的位置移动。调节附加体积1414的锥形的角度θ导致谐振泛音的位置和间隔改变。例如，如果θ＝0°，谐振泛音从基础谐振调和地间隔开。θ的其它值导致谐振泛音的非调和间隔。声阻1416用于增加阻抗补偿元件1413的总体声阻抗，由此防止在谐振频率ω₁,ω₂,...ω_N处的所有声能量被阻抗补偿元件1413所吸收。产生的阻抗补偿元件1413在除了谐振频率ω₁,ω₂,...ω_N(其被设计为在此操作)之外的所有频率处具有高的声阻抗。

参照图15，仿真图1500简要地图示了图14的扬声器组件1400的部件的布置，以及针对部件的体积、面积等的例示性值。在操作中，来自信号源1550的电信号被应用至将电信号转换为声波的扬声器元件1006。声波传播进入压缩腔体1404，从该处声波的第一部分传播进入出口元件1402并且声波的第二部分传播进入阻抗补偿元件1413。声波的第一和第二部分的含量取决于被转换的声波的频率含量、由声出口元件1402呈现的声阻抗、以及由阻抗补偿元件1413呈现的声阻抗。

声波的第一部分经过出口元件1402传播并进入外部环境中。声波的第二部分经过将压缩腔体1004与附加体积1014分开的声阻1416传播，并进入附加体积1014。要注意的是，因为附加体积1414如前所述是锥形的，仿真图1500表示作为辐射进入非常小的体积(即，锥形波导的末端处的帽)的锥形波导的附加体积1414。如以上所述，附加体积1414具有长度L和锥形的角度θ，其可配置为使得附加体积1414在期望的一组频率处谐振，由此衰减在那些频率处的声能量。

图16是扬声器组件1400具有和不具有阻抗补偿元件1413在位的声功率辐射敏感度的曲线图。特别地，图上的第一曲线1674表示扬声器组件1400不具有阻抗补偿元件1413在位的声功率辐射敏感度。在第一曲线1474中，具有高Q的强峰出现在基础谐振频率以及谐振频率的泛音处。曲线1474中的谷存在于峰之间的频率处。

在图上的第二曲线1676表示扬声器组件1400的声功率辐射敏感度，该扬声器组件1000包括被设计为减小基础谐振频率的峰的Q以及谐振泛音频率的峰的阻抗补偿元件1413。阻抗补偿元件1413减小了基础谐振频率以及谐振泛音频率两者的峰的Q。当出口元件1402产生具有高Q值的多个谐振时，减小基础谐振频率以及谐振泛音频率两者的峰的Q可以是理想的特征。

图17是图示了由扬声器组件1400的不同部件给予的声阻抗的曲线图。在该曲线图上的第一曲线1778表示由阻抗补偿元件1413给予的声阻抗。在该曲线图上的第二曲线1780表示由腔体1404和波导1402给予的声阻抗。如可以由曲线图的检验所见，在第二曲线1780中的峰与在第一曲线1778中的陷对准。因而，在谐振频率处在扬声器组件1400中呈现的声功率的大多数辐射进入阻抗补偿元件1413，在谐振频率处由阻抗补偿元件1413给予的声阻抗是低的。

3.4.3体积和无源辐射器阻抗补偿元件

参照图18，扬声器组件1800的另一实施例被配置为以与图2的扬声器组件200相似的方式减轻不理想的频率响应特征，但包括阻抗补偿元件1813的可替代版本。阻抗补偿元件1813的可替代版本被设计为在声辐射具有高Q响应的具体频率ω处具有相对于出口元件1802的声阻抗而言较小的声阻抗。

阻抗补偿元件1813包括将附加轴对称体积1814与压缩腔体1804分开的无源辐射器1815。在一些示例中，无源辐射器1815包括质量1819，其通过弹簧状环绕物1821从附加体积1814的内壁悬置。质量1819和环绕物1821像弹簧-质量系统一样动作，并且能够在频率ω处谐振。在该实施例中，比起包括如之前的实施例中的声阻，无源辐射器1815的环绕物1821是用于衰减无源辐射器1815的振荡的高损失环绕物1821。因而，ω的值取决于质量1819、由环绕物1821提供的损失以及空气在附加体积1814中的顺应度。阻抗补偿元件1813的谐振频率ω可以通过改变质量1819、环绕物1821的特性和/或附加体积1014的大小而被调谐至期望的频率。

在操作中，在谐振频率ω处，无源辐射器1815提供低阻抗，通过阻抗补偿元件1813有效地导致声能量的吸收而不是使得声能量从出口元件1802辐射。无源辐射器1815的高损失环绕物1821用于增加阻抗补偿元件1813的总体声阻抗，由此防止在谐振频率ω处的所有声能量被阻抗补偿元件1813所吸收。产生的阻抗补偿元件1813在除了谐振频率ω(其被设计为在此操作)之外的所有频率处具有高的声阻抗。

在一些示例中，如上所述类型的多个无源辐射器1815可以被包括在阻抗补偿元件1813中，导致在不同频率处的多个阻抗最小值。在一些示例中，无源辐射器是由高损失弹性体制成的膜。

3.4.4接口体积和屏障阻抗补偿元件

参照图19，扬声器组件1900的另一实施例被配置为以与图2的扬声器组件200相似的方式减轻不理想的频率响应特性，但包括阻抗补偿元件1913的可替代版本。阻抗补偿元件1913的可替代版本被设计为在声辐射具有高Q响应的具体频率ω处具有相对于出口元件1902的声阻抗而言较小的声阻抗。

阻抗补偿元件1913包括位于接近驱动器元件1906的外边缘并且将压缩腔体1904与第一附加体积1914分开的声阻1916。接口元件1915将第二附加体积1917与第一附加体积1914分开。这样的配置基本上是使用无源辐射器的近似，接口元件1915具有与无源辐射器的质量相似的效果。

在一些示例中，ω的值取决于接口1915、空气在第一附加体积1914中的顺应度、空气在第二附加体积1917中的顺应度以及由声阻1916给予的声阻。因而，阻抗补偿元件1913的谐振频率ω可以通过改变接口元件大小1915、附加体积1914、1917的大小和/或声阻1916而被调谐至期望的频率。

在操作中，在谐振频率ω处，阻抗补偿元件1913提供低阻抗，通过阻抗补偿元件1913有效地导致声能量的吸收而不是使得声能量从出口元件1902辐射。声阻1916用于增加阻抗补偿元件1913的总体声阻抗，由此防止在谐振频率ω处的所有声能量被阻抗补偿元件1913所吸收。产生的阻抗补偿元件1913在除了谐振频率ω(其被设计为在此操作)之外的所有频率处具有高的声阻抗。

在一些示例中，附加的接口元件和体积可以被添加并链接在一起以产生在不同频率处的多个阻抗最小值。例如，附加接口和体积可以被配置为使得它们与压缩腔体1904和波导1902的高Q谐振对准。

在一些示例中，接口元件用作两个腔体之间的阻性元件。

要理解的是，以上说明书旨在说明而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书的范围限定。其它实施例均在权利要求书的范围以内。

Claims (22)

1.一种扬声器元件，包括：

外壳；

驱动器元件的锥体膜片，位于所述外壳内；

第一腔体壁，所述第一腔体壁从所述驱动器元件的所述锥体膜片延伸至喉部开口并且在所述外壳内形成第一腔体，所述喉部开口具有小于所述锥体膜片的面积的面积；

出口元件，从所述喉部开口延伸至所述外壳以外的环境；以及

阻抗补偿元件，所述阻抗补偿元件从所述第一腔体壁延伸并且包括在所述外壳内形成第二腔体的第二腔体壁以及将所述第二腔体与所述第一腔体分开的阻性元件。

2.根据权利要求1所述的扬声器元件，其中所述阻抗补偿元件在紧密接近于所述驱动器元件的所述锥体膜片的位置处从所述第一腔体壁延伸。

3.根据权利要求1所述的扬声器元件，其中所述阻性元件是屏障材料形式的声阻元件。

4.根据权利要求1所述的扬声器元件，其中所述阻性元件是泡沫材料形式的声阻元件。

5.根据权利要求1所述的扬声器元件，其中所述阻抗补偿元件包括谐振补偿元件。

6.根据权利要求5所述的扬声器元件，其中所述谐振补偿元件包括第一集总元件谐振结构。

7.根据权利要求6所述的扬声器元件，其中所述第一集总元件谐振结构包括：

所述第二腔体；

所述阻性元件；

第三腔体壁，在所述外壳内形成第三腔体；以及

无源辐射器元件，将所述第三腔体与所述第二腔体分开。

8.根据权利要求7所述的扬声器元件，其中所述阻性元件是屏障材料形式的声阻元件。

9.根据权利要求6所述的扬声器元件，其中所述第一集总元件谐振结构包括：

所述第二腔体；

所述声阻元件；

第三腔体壁，在所述外壳内形成第三腔体；以及

接口元件，将所述第二腔体连接至所述第三腔体。

10.根据权利要求9所述的扬声器元件，其中所述阻性元件是屏障材料形式的声阻元件。

11.根据权利要求9所述的扬声器元件，其中所述阻性元件是泡沫材料形式的声阻元件。

12.根据权利要求6所述的扬声器元件，其中所述第一集总元件谐振结构包括无源辐射器元件，并且所述阻性元件是与所述无源辐射器元件相关联的机械阻性元件。

13.根据权利要求5所述的扬声器元件，其中所述谐振补偿元件包括多个集总元件谐振结构。

14.根据权利要求13所述的扬声器元件，其中所述多个集总元件谐振结构包括：

多个腔体壁，在所述外壳内形成多个腔体；

一个或多个声阻元件，将所述多个腔体中的一个或多个腔体与所述第一腔体分开；以及

多个无源辐射器元件，将所述多个腔体中的至少一些腔体彼此分开。

15.根据权利要求13所述的扬声器元件，其中所述多个集总元件谐振结构包括：

多个腔体壁，在所述外壳内形成多个腔体；

一个或多个声阻元件，将所述多个腔体中的一个或多个腔体与所述第一腔体分开；以及

多个接口元件，将所述多个腔体中的至少一些腔体彼此连接。

16.根据权利要求5所述的扬声器元件，其中所述谐振补偿元件包括分布式谐振结构。

17.根据权利要求16所述的扬声器元件，其中所述第二腔体是细长的。

18.根据权利要求17所述的扬声器元件，其中所述第二腔体是锥形的。

19.根据权利要求16所述的扬声器元件，其中所述阻性元件是屏障材料形式的声阻元件。

20.根据权利要求16所述的扬声器元件，其中所述阻性元件是泡沫材料形式的声阻元件。

21.根据权利要求1所述的扬声器元件，进一步包括位于所述第一腔体内的相位锥。

22.根据权利要求13所述的扬声器元件，其中所述多个集总元件谐振结构包括：

多个腔体壁，在所述外壳内形成多个腔体；

一个或多个声阻元件，将所述多个腔体中的一个或多个腔体与所述第一腔体分开；

一个或多个接口元件，将所述多个腔体中的至少一些腔体彼此连接；以及

一个或多个无源辐射器元件，将所述多个腔体中的至少一些腔体彼此分开。