CN106454648B - 一种声波导 - Google Patents

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Abstract

一种声波导，声波导的内部声波导管包括二叉树或三叉树的多级分叉结构波导管，每级分叉结构的波导管包括直管和转角导管；声波导管的横截面为矩形、圆、椭圆或多边形，分叉结构的波导管横截面面积必须足够小，横截面最大维度的尺寸一般不超过2cm；分叉结构的波导管的直管部分应足够长，一般长度不小于3cm；对于出口宽度较大的声波导，分叉结构的波导管在出口处采用分层结构，分层数目视出口宽度和波导管横截面形状而定，每层宽度控制在2cm以内。

Description

一种声波导
技术领域
本发明涉及一种声学装置，尤其是用于扬声器线阵列高频辐射的装置。
背景技术
扬声器线阵列中高频辐射的主要优化目标是提高阵列对理想直线型线声源的近似程度，以实现柱面波辐射，从而尽可能向远处辐射声能，亦即提高阵列的“远投”性能。为此，阵列中的扬声器策动单元通常安装声波导，将扬声器策动单元类似于点声源的辐射特性转换为近似一小段直线型线声源的辐射特性。将这些安装有声波导的扬声器策动单元组成阵列，阵列的辐射特性便能近似为直线型线声源。然而实际情况下，受到安装工艺和条件的限制，各个阵元(即安装有声波导的扬声器策动单元)之间会留有一定的空隙。
通过对扬声器线阵列间隙的研究，Mark S.Ureda提出了有效辐射率(ARFa)的概念，用以衡量扬声器线阵列与理想线声源的接近程度(M.S.Ureda.Analysis ofLoudspeaker Line Arrays[J].J.audio Eng.Soc.,2004,52(5):467-495)。扬声器线阵列的有效辐射率ARFa的定义为ARFa＝deq/d，其中deq为声波导的等效长度，d为相邻阵元的间距。Mark S.Ureda指出，ARFa越大(越接近100％)，扬声器线阵列越接近理想线声源，而“ARFa不小于80％”也被作为扬声器线阵列可以近似为理想线声源的标准之一。
考虑到各种声波导的几何尺寸各异，为了便于相互比较可以定义声波导的有效辐射率(ARFw)为声波导的等效长度与声波导长度的比值。显然，在声波导几何尺寸相同与阵元间距相等的情况下，声波导的ARFw越大，则ARFa越大，阵列的性能越好(冯雪磊,沈勇.扬声器线阵列声波导有效辐射率分析[J].电声技术,2016,40(2):19-22)。
扬声器线阵列的声波导的设计目标是将扬声器策动单元辐射的球面波转换为柱面波，即将近似点声源的策动单元转换为线声源。目前，声波导的一般设计方法为“等声程方法”，几何上使波导喉部到波导口所有可能的声程都相同，这样到达波导口的声波便具有相同的相位，在波导口实现类似于线声源的声辐射特性。如图1所示为按照等声程原理设计的典型声波导——DOSC声波导(C.Heil.Sound Wave Guide[P].U.S.Patent:5163167.1992；M.Urban,C.Heil,P.Bauman.Wavefront Sculpture Technology[C].the111th Convention of the Audio Engineering Society,Convention Paper 5488,NewYork,USA,2001)的结构图。DOSC声波导可以在较大的频率范围内近似为线声源，因此国内外很多机构均采用“等声程方法”设计扬声器线阵列声波导，并且提出了多种改进方法。这一类型的声波导通常具有二维或者三维的狭缝结构，其波导喉部通常较小，以便安装在扬声器策动单元上，而波导口则一般呈狭长的矩形。
研究表明，由于几何上的不连续性，目前常用的声波导(包括DOSC声波导)仅在频率相对较低时有效，而在频率升高时性能大幅下降。如DOSC声波导在其结构的锥面到平面的结合部分出现几何的不连续性，导致此处的声阻抗不连续，因此在频率较高时，声场分布较为混乱，其性能大幅下降。如图2所示，DOSC声波导在5kHz时的性能就已经明显下降。
发明内容
本发明目的是：提出一种扬声器线阵列声波导装置，是一种高有效辐射率的声波导装置，提高声波导的有效辐射率ARFw，从而提高扬声器线阵列的性能。
本发明的技术方案是：一种声波导，内部声波导管进行特殊设计，其特征是内部声波导管包括二叉树或三叉树的多级分叉结构波导管，每级分叉结构的波导管由直管和转角导管连通构成；声波导管的横截面为矩形、圆、椭圆或多边形，分叉结构的波导管横截面面积必须足够小，横截面最大维度的尺寸一般不超过2cm；分叉结构的波导管的直管部分应足够长，一般长度不小于3cm；对于出口宽度较大的声波导，分叉结构的波导管在出口处采用分层结构，分层数目视出口宽度和波导管横截面形状而定，一般应保证每层宽度控制在2cm以内。
所述的声波导，扬声器策动单元安装在声波导喉部，声波导口则一般呈狭长的矩形；声波导喉部至声波导口的波导管结构内部采用若干多级分叉结构波导管排列，排列的多级分叉结构波导管为喉部到波导口的“等声程”结构；
所述的声波导，采用任意层级“二叉树”形状传递的波导管，且“二叉树”采用1～n级分叉，n为正整数；波导口部为并列排列的2n个波导管。波导口部为并列排列的1～5层分叉结构波导管，尤其是结构紧凑的2～5层分叉结构波导管。
所述的声波导，采用任意层级“三叉树”形状传递的波导管，且“三叉树”采用1～m级分叉，m为正整数；波导口部为并列排列的3m个波导管；波导口部为并列排列的1～5层分叉结构波导管。尤其是结构紧凑的2～5层分叉结构波导管。
本发明是一种声学装置，提出内部波导管的尺寸限制，并提出对声波导分层的必要性，采用“等声程方法”对内部波导管的分布进行设计，解决了包括DOSC声波导在内的传统声波导由于结构不理想导致的声学性能的下降，展宽了声波导的工作频率范围。
本发明关键点为声波导内部波导管的尺寸的限制，并提出分层的必要性，同时整体波导管分布采用“等声程方法”进行设计。
有益效果，本发明可以有效地将扬声器策动单元类似于点声源的辐射特性，转换为近似一段线声源的辐射特性。本发明的声波导具有较高的有效辐射率ARFw，按照文献(冯雪磊,沈勇.扬声器线阵列声波导有效辐射率分析[J].电声技术,2016,40(2):19-22)中的指向性拟合方法，测得声波导I和声波导II的ARFw均大于95％，能有效提高扬声器线阵列的性能。本发明具有较宽的工作频率范围，对于图3～图13所示的两种声波导，其直管横截面尺寸为8mm×8mm时，工作频率范围为0～21.5kHz，充分覆盖20～20kHz的声频范围。
附图说明
图1DOSC声波导的结构示意图；
图2(a)2kHz时有限元仿真得到的DOSC声波导内部声压分布；2(b)5kHz时有限元仿真得到的DOSC声波导内部声压分布；
图3声波导I的示意图；
图4声波导I的俯视图；
图5声波导I的正视图；
图6声波导I的左视图；
图7声波导I的后视图；
图8声波导I的纵断面，对应图5中的AA’；类图11的BB截；
图9声波导II的示意图；
图10声波导II的俯视图；
图11声波导II的正视图；
图12声波导II的左视图；
图13声波导II的后视图。
具体实施方式
本发明提出声波导内部波导管的设计要点，按需要使用分层结构，并采用“等声程方法”进行整体波导管分布设计，解决了包括DOSC声波导在内的传统声波导由于结构不理想导致的声学性能的下降，展宽了声波导的工作频率范围。
本发明为扬声器线阵列声波导的设计结构，下面结合具体的设计示意图进行阐述。声波导中，波导喉部安装在扬声器策动单元上，波导口则一般呈狭长的矩形；波导喉部至波导口的波导管结构如图8所示，内部采用若干波导管排列，排列的波导管为喉部到波导口的“等声程”结构；
内部波导管包括直管和转角导管，波导管的横截面可以为矩形、圆、椭圆、多边形等，波导管横截面面积必须足够小，横截面最大维度尺寸一般不超过2cm。对于出口宽度较大的声波导，采用分层结构，分层数目视出口宽度而定，应保证每层宽度控制在2cm内，若出口宽度在2cm以内，可不用分层；
内部波导管的分布采用任意层级“二叉树”的传递方式，且“二叉树”采用1～n层级；波导口部为并列排列的2n个波导管；“二叉树”的传递管道，n为正整数；
或采用任意层级“三叉树”的传递方式，且“三叉树”采用1～m层级；波导口部为并列排列的3m个波导管；m为正整数；波导口部为并列排列的2、3层或4层管道为多见。
转角导管采用圆角、直角，或其他结构，以减小反射。
如图3(图1标志亦然)所示为声波导I的示意图，图4为声波导I的俯视图，图5为声波导I的正视图，图6为声波导I的左视图，图7为声波导I的后视图，图8为图5所示位置处的纵断面：波导口1、直管2、转角管3、分叉管4、喉部5。如图8所示，声波导由矩形管道组成，具有类似于二叉树的结构，从声波导喉部到波导口的所有管道的长度均相同，这样可以保证波导口辐射的声波具有相同的相位，实现平面波的波阵面。
图8可见，连接声波导喉部的结构为一段由圆形横截面向矩形横截面过渡的管道，用以与扬声器策动单元的几何结构进行匹配。此后，进行“一分为二”的分叉，形成“二叉树”结构，分叉结构需仔细设计，以有效地将声波“一分为二”，减少反射，本例采用倒角结构。分叉之后通过一段直管连接到转角，从分叉到转角的连接可以为其他任意连接方式，只要保证相对于分叉对称。转角结构需仔细设计，以减少反射，本例采用倒角结构。转角紧接着一段沿轴向的(即波导喉到波导口的方向)横截面为矩形的直管，这一矩形直管长度足以将不规则的波阵面过渡到平面波的波阵面(典型值为30mm)。直管横截面的最大尺寸控制在2cm以内。如此进行多级“一分为二”的分叉，直至形成满足条件的波导口，这样可以满足从波导喉到波导口的所有可能的声程都相同。
如图3所示，波导I出口较宽，采用了2层结构，以满足每一层宽度在2cm内，相邻的直管出口间的隔板厚度应足够小(典型值为1mm)，以最大可能减小隔板对波阵面的影响。如图9～图13所示为声波导II的示意图，声波导II比声波导I少一级“一分二”的结构。
a.声波导的几何结构可以根据实际需要，采用任意级“二叉树”，“二叉树”可以采用任意层；
b.除了“二叉树”的结构，可以采用其他二维或者三维几何结构实现波导喉到波导口的“等声程”；
c.部分波导管(包括直管和导管)的横截面可以为其他形状，如圆、椭圆、多边形等，波导管横截面面积必须足够小，横截面最大维度尺寸一般不超过2cm。对于出口宽度较大的声波导，采用分层结构，分层数目视出口宽度而定，应保证每层宽度控制在2cm以内，若出口宽度在2cm以内，可不用分层；
d.分叉和转角可以采用其他结构，以减小反射，如圆角、直角等。
研究表明，由于几何上的不连续性，目前常用的声波导(包括DOSC声波导)仅在频率相对较低时有效，而在频率升高时性能大幅下降。如DOSC声波导在其结构的锥面到平面的结合部分出现几何的不连续性，导致此处的声阻抗不连续，因此在频率较高时，声场分布较为混乱，其性能大幅下降。如图2所示，DOSC声波导在5kHz时性能就已经明显下降。
缩略语和关键术语定义:
扬声器线阵列：若干扬声器呈线状排列(包括直线排列和曲线排列)的扬声器线阵列。这些扬声器可以由一组扬声器单元构建，可以由一组声波导构建，也可以由一组扬声器系统构建。
声波导：与扬声器策动单元耦合的声学结构，具有特定结构的声学通道以改进扬声器的声辐射特性。
波导管：声波导中的管状结构。
波导喉：声波导与扬声器策动单元连接的一端。
波导口：声波导的另一端，通常是向空气辐射声波的一端。
波导口长度(dmou)：波导口的几何长度，通常是波导口横截面的长边的长度。
声波导的等效长度(deq)：指向性图案上，声波导等效的直线型线声源的长度。
扬声器线阵列的有效辐射率(ARFa，Active Radiating Factor of array)：声波导的等效长度deq与阵元的间距d之比，即ARFa＝deq/d。
声波导的有效辐射率(ARFw，Active Radiating Factor of waveguide)：声波导的等效长度deq与波导口长度(dmou)之比，即ARFw＝deq/dmou。

Claims (3)

1.一种声波导，其特征是，内部声波导管包括二叉树或三叉树的多级分叉结构波导管，每级分叉结构的波导管由直管和转角导管连通构成；声波导管的横截面为矩形、圆、椭圆或多边形，分叉结构的波导管横截面面积必须足够小，横截面最大维度的尺寸不超过2 cm；分叉结构的波导管的直管部分应足够长，长度不小于3 cm；对于出口宽度较大的声波导，分叉结构的波导管在出口处采用分层结构，分层数目视出口宽度和波导管横截面形状而定，每层宽度控制在2 cm以内；
声波导的喉部安装扬声器策动单元，声波导口呈狭长的矩形；声波导喉部至声波导口的波导管结构内部采用若干多级分叉结构波导管排列，排列的多级分叉结构波导管为喉部到波导口的“等声程”结构；
采用任意分层结构每层为“二叉树”形状传递的波导管，且“二叉树”采用1～n级分叉，n为正整数；波导口部为并列排列的2n个波导管；波导口部为并列排列的2～5层分叉结构波导管。
2.根据权利要求1所述的声波导，其特征是采用任意分层结构每层为“三叉树”形状传递的波导管，且“三叉树”采用1～m级分叉，m为正整数；波导口部为并列排列的3m个波导管；波导口部为并列排列的2～5层分叉结构波导管。
3.根据权利要求1所述的声波导，其特征是转角导管采用圆角、直角或其他结构，以减小反射。
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