CN107431853B - 具有密封的声学悬浮室的扬声器外壳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及容纳密封的声学悬浮室的扬声器外壳。在密封的声学悬浮室中，具有布置在密封的声学悬浮室的内表面的相对侧上的驱动器和无源声学振膜。该扬声器外壳还容纳有通过无源声学振膜连接至密封的声学悬浮室的第一带通室。

Description

具有密封的声学悬浮室的扬声器外壳

技术领域

本发明涉及容纳有密封的声学悬浮室的扬声器外壳。在密封的声学悬浮室中，在密封的声学悬浮室的内表面的相对侧上布置有驱动器和无源声学振膜，并且扬声器外壳还容纳通过无源声学振膜与密封的声学悬浮室连接的第一带通室。

背景技术

音频信号的精确高品质再现、也称为高保真再现在音乐行业中是优选的，同时在例如音乐录制、声音制作和音频工程期间监测声音。预录音频信号的精确高品质再现也是音乐家和音响发烧友所喜爱的。

扬声器是将电音频信号或脉冲转换为对应的声音的装置。扬声器通常由专门设计的外壳组成，容纳有至少一个扬声器驱动器、也称为换能器，以及相关的电子设备、比如交叉电路和放大器。换能器是将电信号转换成比如声音的物理量的变化的装置，转换是通常可用的扬声器系统和应用背后的工作原理。

扬声器外壳的设计范围从简单的矩形刨花板室到具有先进几何尺寸的高度复杂的机柜。这些先进的、更复杂的外壳可以包含复合材料和现有技术部件。外壳的内部和外部的几何形状还可以包括由无源声辐射器和/或无源声辐射器之间的通道限定和界定的内部子室。用于子室之间的这样的内部或外部通道的表现形式是通风口(通风通道)、端口和振膜。

常规的扬声器使用所提到的各种外壳、室和子室、部件和驱动器装置来再现介于20Hz与20kHz之间的人类听觉通常可接受的音域之内和之外的声音。全音域驱动器是一种设计成重现大多数可听频率的驱动器。由于物理限制和技术限制，目前使用的驱动器无法完全凭自身以能够听见的方式再现这个音域内所有的频率。为了克服这个限制，因此扬声器通常会使用至少两个不同的驱动器。分别使用低音扬声器产生从20Hz到高达1500Hz的低频和中频音域，并且使用高音扬声器产生从1500Hz到20kHz的高频音域。

尽管使用根据上述的双驱动器布置，但是非常低的频率通常仍然衰减远低于可听水平。为了抵消这一点，所谓的高端扬声器通常使用至少三个驱动器再现声音，分别使用再现低频(低音)的专用的低频低音扬声器，以及中域驱动器和用于再现其余频率的高音扬声器。专用的次低音扬声器也采用这种低频低音扬声器来达到同样的效果。

当在扬声器中使用多于一个的驱动器时，需要交叉电路来确保多个驱动器不会再现相同的频率，这可能导致干扰，比如产生的声波的不期望的声染色或消除。大多数情况下，交叉电路是使用高品质的电感器、电容器和电阻器构成的简单带通滤波器的组合。使用交叉电路可以实现近似最佳的声音再现，但不会没有降低操作效率和通过耗散热量的能量损失的间接消耗。为了使交叉电路正常工作并且不会损害近似最佳的声音再现，交叉电路需要由高品质的部件制成。有了这个要求，除了增加系统的复杂性之外，不可避免的缺点在于会给音响系统带来相当大的硬件成本。

在建造和生产具有多个驱动器的扬声器时，另一个难题是容差。相对于任何其他驱动器，扬声器外壳的挡板上的每个驱动器的精确对准和定位对于精确的声音再现是至关重要的，因为即使与最佳对准的微小偏差也可能导致所产生的声音的不期望的声染色或失真。

扬声器外壳可以用作扩展低音扬声器驱动器的低频响应的装置。例如，外壳可以设计成通过经由端口对外壳内的空气的体积进行通风，从而使扬声器的低频(低音)输出增加，从而在某些低频下发生共振。该端口——其实际上具有所谓的亥姆霍兹共振器的功能——的变化已经设计成优化宽音域的低音扬声器驱动器。与容纳这样的体积的可用空间相比，这样的外壳通常需要相对较大的内部体积，并且希望使扬声器外壳的外部尺寸保持尽可能小。

一些扬声器利用一个或多个无源声学振膜，这是一种无源声辐射器，并且此后将称为无源辐射器，代替端口。无源辐射器是没有磁体、音圈和端子组件的驱动器，并且因此不能以物理的方式连接至、或线连接至放大器。当与合适的驱动器耦合时，无源辐射器响应于由振动驱动器引起的扬声器外壳内的变化的空气压力而振动。与端口不同，可以通过改变无源辐射器的振动质量来精确地调谐无源辐射器的谐振频率。因此，对于无源辐射器的调谐调节可以比对于更常规的低音反射设计的情况更快地实现，因为这种校正可以像对其振膜的质量调节一样简单。不利的是，无源辐射器必须像驱动器一样制造成具有很小的公差。除了适用于无源声学振膜的偏移限制之外，这增加了生产成本。

已经提出了几种类型的扬声器外壳设计用于音频信号的精确再现。一种这样的设计使用安装在密封的外壳内的低音扬声器驱动器，具有或不具有附加的无源辐射器。这种类型的外壳提供了极好的瞬态响应特性。然而，这种设计不会将驱动器的低频响应扩展到其自身的谐振频率以下，或者在存在无源辐射器的情况下低于无源辐射器的谐振频率。通常用于扩展低频响应的多个扬声器的另一设计利用带通外壳设计，带通外壳设计通过将外壳的内部体积分成多个不同体积的子室来实现。市场上许多高端低音炮使用带通外壳设计。

这种设计的一个示例反映在US 6389146中，其中，带通扬声器外壳包括三个子室，第一个子室是一个密封的声学悬浮式的非亥姆霍兹反射室，其余两个室利用两个无源声辐射器来实现两个亥姆霍兹反射通风调谐。此外，多个低通声滤波器被布置成提供具有与扩展的、更陡峭的至少四阶斜率低通阻带特性相结合的基本上二阶高通特性的声学带通。使用多个低通、声学滤波器特性滤除内部谐振并将其声学输出最小化。所描述的扬声器设计的缺点在于，与密封外壳相比，带通外壳倾向于具有较差的瞬态响应。

为了实现最佳的低频响应，带通外壳需要相当大的内部体积，并且因此必须具有大的尺寸，这意味着带通外壳在搬运时将变得沉重和庞大。此外，上述设计都需要使用多个驱动器、低音扬声器、中域驱动器和高音扬声器以及用于音频信号的精确再现的交叉电路。这不仅增加了单位成本，而且导致了被再现的声音的声染色。此外，使用多个驱动器和交叉电路也增加了能量消耗。

本发明旨在克服与常规的音频系统中通常的准确声音再现、特别是扬声器及其外壳有关的一些所提到的缺点。

发明内容

因此，本发明的目的是消除或至少减轻与现有技术相关的缺点。该目的通过容纳有密封的声学悬浮室的扬声器外壳来实现，该密封的声学悬浮室包括驱动器和无源声学振膜，驱动器和无源声学振膜布置在密封的声学悬浮室的内表面的相对侧上。扬声器外壳还容纳有通过无源声学振膜连接至密封的声学悬浮室的第一带通室，并且其特征在于密封的声学悬浮室的内表面是连续弯曲的。

在扬声器设计技术中，有一种称为霍夫曼铁法(Hoffman’s Iron Law)的效果，其中，规定扬声器只能具有以下三个特性中的任何两个特性：小体积、高灵敏度和扩展的低频响应。所有这三个特性当然是可取的，但是由于物理限制和技术限制，迄今尚未实现。根据本发明，在其实施方式中实现了上述所需特征的所有三个特征，从而给予本发明优于大多数当代扬声器设计的优点。

密封的声学悬浮室的连续弯曲形状同与容纳在密封的声学悬浮室中的无源声学振膜耦合的驱动器结合具有许多优点。一个示例是将低频响应扩展到无源声学振膜的共振频率。密封的声学悬浮室的连续弯曲形状还导致来自驱动器和无源声学振膜这两者的改进的瞬态响应，这得到了更精确的声音再现，即，增强了由扬声器产生的声音的质量。

所提及的改进的瞬态响应又导致改进的动态功率处理能力，这导致更好的操作效率而不会影响再现的声音的动态。

驱动器和无源声学振膜布置在密封的声学悬浮室的内表面的相对侧上允许无源声学振膜与密封外壳中的驱动器的更精确的耦合。这导致扬声器外壳的改进的瞬态响应。

根据本发明的一个实施方式，驱动器和无源声学振膜与密封的声学悬浮室一体地形成。

当驱动器和无源声学振膜彼此一体地布置时，由此形成了紧密密封的室，几乎可以完全避免由加压空气组成的声音泄漏。空气泄漏通常是扬声器外壳中效率降低和声畸变的重要原因。

根据一个替代实施方式，驱动器是全音域驱动器，即，能够在大部分可听的频谱上再现声音的驱动器。

通过使用一个全音域驱动器来重现20Hz到20kHz可听音域的大多数频率，消除了对多个驱动器和交叉电路的需求，从而降低了单位成本。通过使用与全音域驱动器组合的上述实施方式，可以可听地再现非常低的频率，即，低于80Hz的频率。通过使用全音域驱动器代替多个驱动器的另外的优点是减少了扬声器的能量消耗，并且可以减小扬声器外壳的尺寸。

在本发明的一个实施方式中，无源声学振膜的表面面积等于或大于驱动器的对应振膜的表面面积。

将扬声器外壳布置成使得无源声学振膜的表面面积至少为驱动器的振膜的尺寸或者通常为驱动器的振膜的尺寸的两倍大，进一步改进了瞬态响应并且提高了驱动器和无源声学振膜的操作效率和声学性能。驱动器与合适的无源声学振膜的耦合由驱动器和无源辐射器的声顺决定。

此外，通过使用具有比驱动器的表面面积大的表面面积的无源声学振膜，物理上可以再生低频。这意味着该实施方式的频率响应可以扩展远远低于较小尺寸驱动器的频率响应，而不需要较大的低音扬声器驱动器或者大的内部体积。

根据如本发明所述的扬声器外壳的另一实施方式，密封的声学悬浮室是大致上球形的。

除了与根据上述讨论的连续弯曲的悬浮室相关的效果之外，悬浮室的大致上球形形状更有益。当驱动器和无源辐射器布置在大致上球形的密封室的相对侧上时，来自驱动器的向后传播的声波的内部衍射被极大地最小化，从而通过活塞耦合(pistoniccoupling)有效地将能量传递到无源辐射器。

此外，球体具有封围给定的体积的所有表面的最小表面面积，意味着与驱动器的顺应性匹配的最佳的空气体积可以封闭在尽可能小的腔室中。换句话说，密封的声学悬浮室的内部体积可以最小化。因此，尽管与扬声器的设计或制造相关的其他限制实际上可以防止这种形状的实现，但球体或至少几乎球形的形状将是理想的。

根据本发明的替代实施方式，扬声器外壳容纳有至少一个第二带通室，该室通过无源声辐射器连接至第一带通室。

提供可选的第二带通室呈现了二阶低通滤波器的特性，这进一步扩展了本发明的扬声器外壳的低频响应。可选的第二带通室能够改善低频响应，而不会影响密封的声学室的实施方式的整体瞬态响应。

在本发明的一个实施方式中，密封的声学悬浮室由高密度的均匀材料制成。可以想到的材料是高密度纤维板(HDF)、陶瓷或聚合物复合材料，但是也可以使用中密度纤维板(MDF)。

当使用高密度的均匀材料来构造扬声器外壳时，所得到的实施方式呈现出声学上一致的体积的特性。这样的声学上一致的体积允许音符，即音乐声音或音质的与其音调和强度不同的特色或品质在外壳的整个结构中保持一致。因此，可以避免由外壳本身引起的不期望的声染色或声音失真。

本发明的替代实施方式公开了下述布置：其中，扬声器外壳包含泡沫底座或磁悬浮底座，以在声学上隔离外壳。

附图说明

现在参照附图描述本发明的示例性实施方式，其中，相同的附图标记指代贯穿若干视图的相同的部件。

图1示出了根据本发明的第一实施方式的包括第一带通室的扬声器外壳布置的概述。

图2示出了根据本发明的替代实施方式的包括除了第一带通室之外的第二带通室的扬声器外壳，第二带通室通过无源声学振膜连接至第一带通室。

图3至图5示出了具有不同设计的扬声器外壳布置，不同设计的扬声器外壳布置全部具有在各种方向上具有通风设备的第一带通室。

图6至图8示出了具有不同设计的扬声器外壳装置，不同设计的扬声器外壳布置全部具有彼此连接的第一带通室和第二带通室以及第二带通室在各种方向上的通风设备。

具体实施方式

本公开的实施方式的一般目的或想法是解决上述现有技术解决方案的至少一个缺点。以下结合附图描述的各种替代实施方式应当在逻辑意义上被主要地理解，并且本发明的保护范围参照所附权利要求来确定。

参照图1，公开了一种扬声器外壳10。扬声器外壳容纳密封的声学悬浮室20，该悬浮室包括驱动器22和无源声学振膜24，驱动器22和无源声学振膜24相对于彼此布置在密封的声学悬浮室的内表面26的相对侧。密封的声学悬浮室由诸如高密度纤维板(HDF)、陶瓷或聚合物复合材料之类的高密度的声音中性材料和/或均匀材料制成。扬声器外壳还容纳第一带通室28，第一带通室28通过无源声学振膜连接至密封的声学悬浮室。此外，根据本发明的一个实施方式，密封的声学悬浮室的内表面是连续弯曲的。

参照图2，扬声器外壳布置成容纳至少一个第二带通室30，第二带通室通过具有展开的端部的端口型无源声辐射器32连接至第一带通室。

进一步参照图3至图5，可以想到的扬声器外壳布置示出为具有不同的设计，所有的设计都具有在各种方向上带有通风设备的第一带通室。通风通道的设计和设置有开口的方向都可以不同。该设计可以是直的壁或弯曲的壁，然后在第一带通室的通风通道的内部开口与外部开口之间具有展开部段或线性部段。

进一步参照图6至图8，可以想到的扬声器外壳布置示出为具有不同的设计，所有设计都具有彼此连接的第一带通室和第二带通室以及第二带通室在各种方向上的通风设备。根据先前描述的图3至图5，通风通道的设计和设置有开口的方向都可以不同。该设计可以是直的壁或弯曲的壁，然后在附加地设置的第二带通室的通风通道的内部开口与外部开口之间具有展开部段或线性部段。

从功能的角度来看，通常是常规的音频系统并且特别是扬声器及其外壳长期以来或多或少地基于相同的构造原理。使用的材料、设计和生产方法都在慢慢地发展，但至少从外面来看，似乎并没有发生太多变化。与例如消费性的电子产品和计算机行业相比，扬声器技术的发展速度显著变慢。

然而，在过去几年中，通过在生产用于扬声器的外壳时引入新的材料并且提出了以前未知的制造方法，该领域已经发展。本发明提出了具有在声学上隔离特性的用于扬声器外壳的材料。除此之外，提出采用高密度材料、均匀材料和声音中性材料的数控铣削的自动化制造方法，以便在保持生产成本、所需尺寸和复杂性最小的同时，获得更准确的声音再现、高性能和一致的质量。

当驱动器被安装在密封的声学悬浮室上时，该实施方式呈现出了极限阻尼系统的特征。这意味着当通过音频信号将音频功率供应给驱动器时，驱动器的振膜将以高精度振动以匹配音频信号的幅度。捕获在密封的声学悬浮室内的空气体积严重阻碍了驱动器。这对应于精确的瞬态(脉冲)响应特性。这种布置需要所供应的音频功率的少量增加以抵抗内部空气压力。

当无源辐射器或无源声学振膜安装在所述气密的密封室内的驱动器的相对侧上时，所得到的布置显示出类似于气动活塞的特性，其中，后向的无源辐射器响应于前向的驱动器的振动而几乎即刻振动，尽管无源辐射器与驱动器相位相差180°。因此，精确的瞬态响应特性得到保持。

此外，根据本发明的系统的声顺增加，该系统驱动无源辐射器而不需要增加提供给驱动器的音频功率。当驱动器和无源辐射器布置在连续弯曲的、或甚至大致上球形的或球形的密封室的相对侧时，来自驱动器的向后传播的声波的内部衍射被大大最小化，从而有效地将能量传递到无源辐射器。

如前所述，密封的声学悬浮室的连续弯曲的、或者更精确的球形的内表面呈现出封围给定的体积的所有表面的最小表面面积。这使得能够使用与可以封围在最小的可能的室中的驱动器的顺应性匹配的空气的最佳体积。

根据本发明，密封的声学悬浮室的内表面是连续弯曲的。根据扬声器的预期用途及其位置，弯曲可以采取各种形式和尺寸。对于根据本发明的扬声器外壳，各种用途和位置是可行的，其中一个用途用于乐器放大器。根据需要放大的乐器，扬声器外壳的形状和尺寸将需要适用于乐器放大器。然而，无论适应性修改如何，本发明的益处将被保持，即高保真声音再现、优异的瞬态响应和来自小尺寸放大器的扩展低音响应。这意味着乐器声音即使在放大之后听起来也是原始的声音。与本发明结合使用的可以想到的乐器是原声吉他、低音吉他和低音提琴、弦乐乐器、铜管乐器和木管乐器、风琴、原声钢琴以及当然还有人声。对于带电的乐器而言，放大器部件将包括附加的数字信号处理，以控制增益、反馈和失真。

所要求保护的本发明可以被修改以用于再现声音，特别是在中小型电影院和音乐厅中。使本发明适用于较大的空间将需要更强大的部件，但是尽管形式和尺寸可能不同于其他应用，但是本发明的所提到的优点将保持不变。

虽然可能需要进行一些小的修改，但是本发明的可以想到的其他应用领域是在耳机中或作为车内的集成扬声器。另一个应用是电子设备的集成扬声器，仔细考虑了紧凑的且更加严格的空间限制。为了将本发明用于电子设备，可以改变电子设备本身的设计。例如，使用笔记本电脑或移动电话的框架或本体，两种类型的设备具有比部件的内部大得多的表面面积，该设备本身可以成为引导低频的导管。因此，根据本发明，装置的本体可以作为其自身的一部分被集成。

本发明的另一方面包括三点磁悬浮件。优选地实现为扬声器外壳内的子组件的这种磁悬浮件被布置成将耦合器悬挂在外壳内的三个点(顶部、右侧和左侧)之间。目的不仅是为了允许存在扬声器驱动器的阻尼的悬浮，而且还允许容易的组装、拆卸和实现单体设计，这又允许通过外壳自身重量来对外壳进行气密密封。来自扬声器驱动器的振动力首先被作为磁悬浮件的一部分的硅和氯丁橡胶垫片吸收，最后由放置在扬声器外壳的本体与基部之间的较厚的氯丁橡胶垫片吸收。与这种磁悬浮装置相比，这取代了对扬声器底座和减震垫的需要，扬声器底座和减震垫通常是昂贵的并且增加了很少价值或没有价值。

根据本发明的一个实施方式，提供了定位和限幅指示器。该指示器包括在两个扬声器外壳对中的每一者的低音端口内的LED。只有当使用者的眼睛在扬声器的最佳位置、并且因此他/她的耳朵在扬声器的最佳位置时，定位成用于去听的使用者将能够看到点亮的LED。最佳位置在此处意味着用户相对于一对扬声器外壳处于理想的收听位置。类似于飞机驾驶舱上使用的允许飞行员正确地调整驾驶舱内的座椅方位的定位指示器的布置，应用了基本的三角测量和视差逻辑。

可以想象地，使用压电换能器和二极管整流器来吸收、即拾取来自耦合器的振动并且产生足够的电流来驱动LED。环形扼流圈和/或电感器是另一种可以想到的布置，并且将音频信号传送到扬声器的线将产生足以对驱动LED的电容器充电的微小电磁场。这两种布置通过它们的设计提供了另外的优点，即，当扬声器驱动器在其阈值附近开始操作时，也用作限幅指示器的定位指示器灯亮起，向用户发信号以减小输入信号的幅度。

根据又一实施方式，LED可以使用磁性螺旋桨装置供电。当较大的强磁体与螺旋桨保持一定角度时，小型螺旋桨上的径向容纳的磁体被置于旋转运动中。然后，转动的螺旋桨产生为LED供电的反向电流。磁性螺旋桨装置也可用于冷却放大器。另外的装置可以是使用光辐射表面来代替LED。

Claims (19)

1.一种容纳密封的声学悬浮室(20)的扬声器外壳(10)，所述密封的声学悬浮室包括驱动器(22)和无源声学振膜(24)，所述驱动器(22)和所述无源声学振膜(24)布置在所述密封的声学悬浮室的内表面(26)的相对侧上，其中，所述扬声器外壳还容纳有通过所述无源声学振膜连接至所述密封的声学悬浮室的第一带通室(28)，

其中，所述密封的声学悬浮室的所述内表面是连续弯曲的，

其特征在于，

所述密封的声学悬浮室是大致上球形的。

2.根据权利要求1所述的扬声器外壳，其中，所述驱动器和所述无源声学振膜与所述密封的声学悬浮室一体地形成。

3.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，所述驱动器是全音域驱动器。

4.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，所述无源声学振膜的表面面积(24’)等于或大于所述驱动器的对应声学振膜的表面面积(22’)。

5.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，所述扬声器外壳容纳有至少一个第二带通室(30)，所述至少一个第二带通室通过无源声辐射器(32)连接至所述第一带通室。

6.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，所述密封的声学悬浮室由高密度的均匀材料制成。

7.根据权利要求6所述的扬声器外壳，其中，所述密封的声学悬浮室由高密度纤维板(HDF)、陶瓷或聚合物复合材料制成。

8.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，所述密封的声学悬浮室由声音中性材料制成。

9.根据权利要求8所述的扬声器外壳，其中，所述密封的声学悬浮室由高密度纤维板(HDF)、陶瓷或聚合物复合材料制成。

10.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，所述扬声器外壳使用泡沫底座、或者磁悬浮底座、或者泡沫底座和磁悬浮底座的组合进行声学上的隔离。

11.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，三点磁悬浮件构造为所述扬声器外壳内的子组件，并且被布置成在所述扬声器外壳内的三个点之间悬挂耦合器。

12.根据权利要求1或2所述的扬声器外壳，其中，设置有定位指示器，所述定位指示器布置成被掩蔽，但是仅当被定位在一对扬声器外壳的理想的收听位置中时对用户可见。

13.根据权利要求12所述的扬声器外壳，其中，所述定位指示器是定位在所述扬声器外壳的低音端口内的发光二极管(LED)。

14.根据权利要求12所述的扬声器外壳，其中，所述定位指示器还具有限幅指示器的功能，所述限幅指示器在输入信号的幅度要减小时向用户发信号。

15.根据权利要求12所述的扬声器外壳，其中，三点磁悬浮件构造为所述扬声器外壳内的子组件，并且被布置成在所述扬声器外壳内的三个点之间悬挂耦合器，所述定位指示器由压电换能器和/或二极管整流器供电，所述压电换能器和/或所述二极管整流器拾取来自所述耦合器的振动并且因此产生电流以驱动所述定位指示器。

16.根据权利要求12所述的扬声器外壳，其中，所述定位指示器由环形扼流圈和/或电感器供电，由此将音频信号传送到扬声器的线将产生足以对电容器充电的电磁场以驱动定位指示器。

17.根据权利要求12所述的扬声器外壳，其中，所述定位指示器由磁性螺旋桨装置供电，所述磁性螺旋桨装置包括位于小型的螺旋桨上的径向容纳的磁体，所述小型的螺旋桨通过与所述小型的螺旋桨保持一定角度的更强的磁体被置于旋转运动中，旋转的所述小型的螺旋桨产生反向电流以驱动所述定位指示器。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的扬声器外壳的用途，所述扬声器外壳被用于乐器放大器中、被用于专业用于电影院和音乐厅环境中的声音再现的放大器中、被用于电子设备的集成扬声器中和/或被用于耳机中。

19.根据权利要求18所述的扬声器外壳的用途，其中，所述扬声器外壳被用于移动电话和笔记本电脑。

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