CN107431856B - 定向声学设备 - Google Patents
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Abstract
一种定向声学设备，具有声源或声学接收器、以及导管，声源或声学接收器声学耦合至导管并且在导管内，声能从声源沿传播方向行进或沿该传播方向行进至声学接收器，导管具有导管结构终止的有限范围。导管具有辐射部分，辐射部分具有辐射表面，该辐射表面具有泄漏开口，泄漏开口限定受控泄漏，通过泄漏开口，从源辐射到导管中的声能可以泄漏到外部环境，或通过该泄露开口，外部环境中的声能可以泄漏到导管中。导管中的声能到达外部环境或外部环境中的声能进入导管的声能的唯一路径是通过受控泄漏。泄漏开口限定了在传播方向上具有第一范围的泄漏，并且还在相对于源或接收器的位置的时间延迟恒定的沿着导管的位置处限定具有第二范围的泄漏。
Description
背景技术
本公开涉及包括声源和声学接收器的定向声学设备。
定向声学设备可以控制所辐射或接收的声能的方向性。
发明内容
下文所提及的所有示例和特征可以以任何技术上可能的方式进行组合。
在一个方面中，一种定向声学设备包括声源或声学接收器、以及导管，声源或声学接收器声学耦合至该导管，并且在该导管内，声能从声源沿传播方向行进或沿该传播方向行进至声学接收器，该导管具有导管结构终止的有限范围。该导管具有辐射部分，该辐射部分具有辐射表面，该辐射表面具有泄漏开口，该泄漏开口限定受控泄漏，通过该泄漏开口，从源辐射到导管中的声能可以泄漏到外部环境，或通过该泄露开口，外部环境中的声能可以泄漏到导管中。导管中的声能到达外部环境或外部环境中的声能进入导管的声能的唯一路径是通过受控泄漏。泄漏开口限定了在传播方向上具有第一范围的泄漏，并且还在相对于源或接收器的位置的时间延迟恒定的沿着导管的位置处限定具有第二范围的泄漏。泄漏的范围对获得有用的方向性控制的最低频率起决定作用。在传播方向上泄漏的方向性控制的最低频率在时间延迟恒定的泄漏的方向性控制的最低频率的3倍频程(octave)内。
实施例可以包括以下特征中的一个特征或其任何组合。导管的辐射部分可以通常是平面的。导管的辐射部分可以具有沿着圆弧放置的端部。导管的辐射部分可以是圆形扇形。辐射部分可以通常位于平面中，并且源或接收器可以位于辐射部分的平面中。辐射部分可以通常位于平面中，并且源或接收器可能不在辐射部分的平面中。辐射部分可以被弯曲以形成三维壳体。
实施例可以包括以下特征中的一个特征或其任何组合。在传播方向上限定泄漏的泄漏开口的面积可以根据距声源或接收器的位置的距离而变化。在传播方向上限定泄漏的泄漏开口的声阻可以根据距声源或接收器的位置的距离而变化。声阻的变化可以至少部分地由以下各项中的一项或两项来实现：根据距源或接收器的距离而变化泄漏的面积；以及根据距源或接收器的距离而变化泄漏的声阻。声阻的变化可以至少部分地通过以下各项中的一项或两项来实现：根据距源或接收器的距离将声阻随空间变化的材料放置在面积恒定的周边中的泄漏开口上；以及根据距源或接收器的距离而变化泄漏面积并且在泄漏上施加声阻恒定的材料。
实施例可以包括以下特征中的一个特征或其任何组合。在相对于源或接收器位置时间延迟恒定的位置处的导管的深度可以根据距源或接收器的位置的距离而减小。限定恒定时间延迟泄漏的泄漏开口的面积可以介于在传播方向上限定泄漏的泄漏开口的面积的约一倍至四倍之间。固定时间延迟泄漏的范围可以是期望控制方向性的最低频率下声音的至少约1/2波长。传播方向上的泄漏的范围可以是期望控制方向性的最低频率下声音的至少约1/4波长。第一范围与第二范围的比例可以小于6.3并且大于0.25。
实施例可以包括以下特征中的一个特征或其任何组合。泄漏开口可以全部在导管的一个表面中。导管可以安装到房间的天花板上，并且具有泄漏的表面可能面向房间的地板。导管可以安装在房间的墙壁上，并且具有泄漏的表面可能面向房间的地板。对于辐射设备，辐射到导管中的基本上所有的声能在其到达导管结构的端部之前可以通过受控泄漏而泄漏到外部环境。
在另一方面中，一种定向声学设备包括声源或声学接收器、以及导管，声源或声学接收器声学耦合至该导管，并且在该导管内，声能从声源沿传播方向行进，或者沿传播方向行进至声学接收器，该导管具有导管结构终止的有限范围。该导管具有辐射部分，该辐射部分具有辐射表面，该辐射表面具有泄漏开口，该泄漏开口限定受控泄漏，通过该泄漏开口，从源辐射到导管中的声能可以泄漏到外部环境，或通过该泄露开口，外部环境中的声能可以泄漏到导管中。导管中的声能到达外部环境或外部环境中的声能进入导管的声能的唯一路径是通过受控泄漏。导管的辐射部分在至少15度的对向角内从源的位置径向地扩张。随着距声源的距离增加，导管的深度可以减小。
在另一方面中，一种定向声学设备包括声源或声学接收器、以及导管，声源或声学接收器声学耦合至该导管，并且在该导管内，声能从声源沿传播方向行进，或者沿传播方向行进至声学接收器，该导管具有导管结构终止的有限范围。导管具有辐射部分，该辐射部分具有辐射表面，该辐射表面具有泄漏开口，该泄漏开口限定受控泄漏，通过该泄漏开口，从源辐射到导管中的声能可以泄漏到外部环境，或通过该泄露开口，外部环境中的声能可以泄漏到导管中。导管中的声能到达外部环境或外部环境中的声能进入导管的声能的唯一路径是通过受控泄漏。泄漏开口限定了在传播方向上具有第一范围的泄漏，并且还在相对于源或接收器的位置最大时间延迟恒定的沿着导管的位置处限定具有第二范围的泄漏。第一范围与第二范围的比例小于6.3并且大于0.25。
附图说明
图1A是定向辐射声学设备的示意性平面图，而图1B是沿着线1B-1B截取的横截面。
图2是定向辐射声学设备的示意性平面图。
图3A是定向辐射声学设备的示意性平面图，而图3B是沿着线3B-3B截取的横截面视图。
图4A是定向辐射声学设备的示意性平面图，而图4B是沿着线4B-4B截取的横截面视图。
图5A是定向辐射声学设备的示意性平面图，而图5B和图5C分别是沿着线5B-5B和5C-5C截取的横截面视图。
图6示出了根据距源的距离通过线性端射线源(linear end fire line source)中的电阻性屏幕对输出体积速度进行加窗。
图7示出了图6的加窗的方向性效应，
图8是定向辐射声学设备的示意性横截面视图。
图9A是定向辐射声学设备的示意图，而图9B是其横截面视图。
图10A和图10B分别是定向辐射声学设备的顶部平面图和底部平面图。
图11A和图11B是用于定向接收设备的外壳的顶部透视图和底部透视图。
具体实施方式
一个或多个声源或声学接收器耦合至中空结构(诸如任意形状的导管)，其包含来自(多个)源的声学辐射并且将其传导远离源，或者从结构外部传导声能通过该结构并且到达接收器。该结构具有周边壁，其被构造并且布置成允许声能以受控方式通过它泄漏(从其中泄露或泄露到其中)。周边壁在空间中形成3D表面。相对于图1至图10的大部分讨论涉及定向辐射声学设备。然而，该讨论还适用于其中接收器(例如，麦克风元件)代替声源的定向接收声学设备。在接收器中，辐射通过泄漏进入结构，并且被传导到接收器。
通过周边壁上的任意点处的泄漏而泄漏(即，通过泄漏泄露出导管或通过泄漏泄露到导管中)的声能的幅度取决于任意点处的导管内的声压和存在于任意点处的导管外部上的环境压力之间的压力差、以及任意点处的周边壁的声阻抗。在相对于位于导管内的任意参考点的、任意点处泄漏的能量的相位取决于从源辐射到导管中的声音通过导管从源行进到任意参考点所花费的时间与声音通过导管从源行进到所选任意点所花费的时间之间的时间差。尽管可以将参考点选择为导管内的任何地方，但是为了将来的讨论，参考点被选择为源的位置，使得通过导管周边壁上的任何点泄漏的声能将在相对于从源发射声音的时间的时间上延迟。对于被配置成从位于导管外部的源接收声学输出的接收器，在相对于沿着泄漏表面的任何第二点的沿着泄漏表面的任何第一点处接收的声音的相位是从外部声源发射的能量到达第一点和第二点所花费的相对时间差的函数。在第一点和第二点处进入导管的声音在接收器处的相对相位取决于上述的相对时间延迟、以及导管内从每个点到接收器位置的相对距离。
通过其声能泄漏的结构的周边壁表面(本文中还被称为“辐射段”或“辐射部分”)的形状是任意的。在一些示例中，周边壁表面(辐射部分)可以通常是平面的。在图1A和图1B中示出了任意形状的大致平面的壁表面20的一个示例。壁20的交叉阴影表面23表示通过其辐射声体积速度的辐射部分。定向辐射声学设备10包括结构或导管12，扬声器(声源)14在近端16处声学耦合至该结构或导管12；源沿着导管的2D投影形状的边缘耦合至导管。在该非限制性示例中，辐射部分20是导管12的底部表面，但辐射表面可以位于大致平面导管12的顶部、或顶部表面和底部表面两者上。箭头22描绘了被引导出导管12通过壁20中的泄漏段23进入环境的声体积速度的表示。箭头的长度通常与所发射的体积速度的量有关。发射到外部环境的体积速度的量可以根据距源的距离而变化。这在本公开的其他地方得以更详细地描述。为了用作接收器，源14可以使用一个或多个麦克风元件来替代，并且体积速度可能被接收到辐射部分20中、而非从辐射部分20发射。
泄漏段23是壁20的辐射部分的一部分，并且被描绘为沿着声音传播的方向从扬声器14朝向导管外围18延伸。泄漏段23的以下讨论还可应用于壁20的辐射部分的其他各部分。为了更好地理解本文中所公开的示例的操作性质，出于讨论的目的，仅考虑第23段中正在发生的情况是有用的。泄漏段23被描绘为连续的，但是可以通过沿着声音传播方向(或接收器的声音接收方向)对齐的一系列泄漏来实现。泄漏段23在图1A中被示为矩形条，其沿直线延伸远离扬声器14的位置。这是一种简化以帮助说明壁20的辐射部分的纵向范围。一般而言，如交叉阴影所图示的，值得注意的是或在一些示例中，表面20的整个部分可以是辐射的。在一些示例中，结合泄漏的表面20的部分可以根据距离或角度或者距源(或具有多于一个源的示例中的源)的位置的距离和角度而变化。如下文所描述的，泄漏的位置、大小、形状、声阻和其他参数是变量，其被考虑在内以实现期望结果，包括但不限于声音辐射或声音接收的期望方向性。
图2图示了其中源34耦合至具有任意形状的结构32的定向辐射声学设备30。
在图3A和图3B所示的定向辐射声学设备40的一个示例中，源46(或接收器)位于导管40的辐射周边壁表面42上方，并且导管向下弯曲、并且远离源以形成大致平面的辐射周边壁表面(辐射部分)，其水平向外延伸并且在最远范围44处结束。图3A图示了泄漏区域段48(包括在虚线内)。泄漏段48在图3A中被示出为弧形条，其在半径恒定的弧形中从扬声器46的位置延伸一定距离。因此，如下文进一步所解释的，段48因此位于距源恒定时间延迟处。段48的图示是一种简化以帮助说明从这种弧形发射的声音同时在弧形两端发射。一般而言，泄漏段48将在表面42上方延伸(在图中画交叉阴影线的)，并且值得注意的是或在一些示例中，存在于表面42的整个部分上。结合泄漏的表面42的部分可以根据距离或角度、或距源/接收器(或具有多于一个源/接收器的示例中的源/接收器)的位置的距离和角度两者而变化。
在另一示例(未示出)中，当导管延伸远离源/接收器时，辐射周边壁表面继续在空间中弯曲，在这种情况下，辐射部分不是大致平面的，或者可以仅部分地是大致平面的。周边的位置、程度和曲率范围不受限制。
在一些示例中，声源/声学接收器在中心位置中耦合至导管结构。在图4A和图4B所示的一个示例50中，源56位于具有外端54的圆形导管的平面辐射周边壁部分52上方。在另一示例60、图5A至图5C中，任意形状的导管62通常在360度弧内水平延伸远离源66和68。尽管在该示例中没有明确限定中心，但是源/接收器通常可以被定位成与2D投影导管形状的几何中心在相同的直线上(即，在2D平面图中观察时与几何中心对齐)。在一些示例中，源/接收器耦合到导管结构的位置是任意的、并且可以与导管形状具有任何关系。例如，源66和68均不在具有周边64的导管62的几何中心处。
源/接收器耦合到导管结构中，并且导管结构被构造并且布置成使得源声能耦合到导管结构中以辐射到外部环境(或者声能辐射到接收器中的导管)的唯一路径是通过导管结构的周边壁中的受控泄漏。选择泄漏的声阻抗(通常，该阻抗主要是电阻性的，并且该声阻的幅度被确定)以及泄漏的位置和导管的几何形状，使得从源辐射到导管中的基本上所有的声能通过泄漏的声阻消散，或者能量通过导管的周边壁中的受控泄漏而辐射到外部环境，到其到达导管的端部的时候。对于接收器，撞击在导管结构的外表面上的声能辐射到导管中或消散到电阻中。最后，通常我们是指从源(或接收器)的位置观察导管，沿着导管的点移动远离其中导管的物理结构停止的源/接收器位置。端部还可以被认为是沿着导管的点，其中由传播的声能看到的声阻抗在幅度和/或相位上具有急剧转变。声阻抗的急剧转变引起反射，并且期望导管中的基本上所有的声能已经泄漏到外部环境中，或者在导管内传播的声波达到阻抗转变之前已经被消散，以便减少或消除反射。沿着传播方向消除或显著减少导管内声能的反射导致沿着传播方向消除或显著衰减导管内的驻波。减少或消除导管结构内的驻波提供了更平滑的频率响应和更好的受控方向性。
选择导管形状以及周边壁中的泄漏的范围(或面积和/或跨周边壁的分布和/或厚度)和声阻，使得用于影响定向行为的声体积速度的量通过周边壁中的泄漏区域的基本上所有部分而泄漏。对于被认为是辐射(向外或向内)有用量的体积速度的泄漏，我们是指所讨论的泄漏应该辐射这样的体积速度幅度，其是辐射最高体积速度幅度的泄漏所辐射的体积速度幅度的至少1％。然而，可以选择泄漏参数(位置、面积、范围、声阻抗(主要是声阻))，使得用于影响定向行为的声体积速度没有通过泄漏区域的基本上所有部分而辐射。仍然可以获得有用的方向性。然而，泄漏的“有效范围”限于辐射有用声能的泄漏的部分。如果泄漏存在但没有辐射有用的能量，则泄漏的该段对于控制方向性行为是无用的，并且泄漏的有效范围小于其物理范围。例如，如果源位置附近的声阻太小，则由源辐射到导管中的大量声能将通过源附近的泄漏而退出导管，其将减少可用于通过更远离源定位的泄漏而发射的声能的量。与通过源附近的泄漏而辐射的过度能量相比较，下游泄漏的有效性将是可忽略的。导管的端部附近的泄漏可能不再有效地发射任何有用的声体积速度。辐射部分在传播方向上的范围通常小于导管在传播方向上的物理范围。
一般而言，期望通过泄漏辐射的声体积速度根据沿着导管距源或接收器位置的距离而逐渐变化。在短距离内辐射的体积速度的突然改变可能引起不期望的方向行为。图6和图7示出了根据距源的距离，通过线性端射线源中的电阻性屏幕对输出体积速度进行加窗的效果。图6示出了两条曲线。第一曲线描绘了具有矩形体积速度分布(均匀宽度屏幕；实线曲线)的端射线源设备的输出体积速度，第二曲线描绘了类似设备，其中输出体积速度已经被遮蔽(主要通过变化设备的周边壁中的电阻性泄露的宽度)以近似汉明窗函数，除了x大于0.2m之外，其中屏幕宽度对于端部(成形屏幕；虚线曲线)保持恒定。虽然不是必需的，但是对于导管的端部泄漏的宽度保持恒定有助于确保导管内的所有声能在其到达导管的端部之前，通过泄漏声阻泄漏出或者被泄漏声阻消散。在图7中可以看出，对于具有汉明遮蔽输出体积速度(成形屏幕；虚线曲线)的设备，旁瓣电平明显降低。虽然图6和图7中的图描述了遮蔽线性端射设备中的输出体积速度的结果，但是这些原理适用于本文中所公开的所有示例。
所辐射的体积速度的幅度应当理想地、但不一定在源/接收器与导管的端部(或者导管的辐射部分的端部)之间的距离的中间附近的某处达到最大值，其通常从源/接收器位置平滑地增加到最大辐射点，并且通常从最大辐射点平滑地减小到端部。这种行为可以被认为是提供关于根据距源/接收器的距离所辐射的体积速度的窗口函数。可以选择各种窗口函数[例如，汉宁(Hanning)、汉明(Hamming)、cos、均匀矩形等]，并且本公开内容在所使用的窗口函数中不受限制。各种窗口函数允许在主辐射瓣和旁瓣行为之间进行权衡。可以换取获得更高的主瓣方向性，以增加旁瓣能量(假设固定泄漏范围)，或者可以接受减少的主瓣方向性以减少旁瓣能量。加窗还可以在与传播方向正交的方向上实现，使得在设备的中心辐射更多的体积速度并且朝向设备的侧面移出较少。例如，在一些情况下，相对于源或接收器位置的、时间延迟恒定的沿着导管的位置落在轴线(例如，圆弧)上，并且通过泄漏辐射的声体积速度根据沿着该轴线距轴线上的点的距离而逐渐变化。
先前所描述的结构以两种方式控制所发射或接收的声能的方向性。指向性控制的第一方式我们称之为端射方向控制。在现有美国专利8,351,630、8,358,798以及8,447,055中描述了端射方向控制设备，其公开内容通过引用整体并入本文。因为带有具有声阻的泄漏的周边壁在导管结构内沿声音传播方向延伸，有效形成了声源的连续线性分布，所以出现了端射方向控制。一个简化示例是图1A的泄漏23。因为声音在导管(或“管”，例如，在美国专利8,351,630中所提及的那样)内传播远离源，所以来自(由周边泄漏到外部环境形成的)声源的线性分布的输出没有沿着导管的长度同时发生。在声能通过位于更远离声源位置的泄漏被发射到外部环境之前，发射通过位于更靠近声源位置的导管周边壁泄漏发射到外部环境的声能。从源的线性分布发射的声能沿着导管的长度在从声源位置指向的方向上相干地相加。我们参考具有源的线性分布的设备，其将上述行为表现为端射线源。端射线接收器表现出相互行为。
因为导管内的声音的传播速度基本上与外部环境中的声音的传播速度相匹配，所以由端射线源/接收器发射/接收的能量沿着导管长度的方向，在指向远离声源位置的方向上相干地相加。然而，如果来自周边壁中的所有泄漏的输出或输入同时发生，则来自源/接收器设备的输出/接收图案(pattern)可能具有“宽边”定向，而非端射。泄漏的相对时间延迟沿着导管周边壁的长度线性分布，其提供了端射线源/接收器的方向行为。
通过本文中所公开的示例获得的另一方向控制方法类似于早前提及的宽边方向性。在本文中所描述的示例中，这种方向控制方法与上文所描述的端射方法组合。在这种方向控制方法中，导管的周边壁中的泄漏的“范围”或尺寸被扩展以形成一个与更早描述的端射线源/接收器相反的“端射表面源”或端射表面接收器。在端射表面源或接收器(即，设备)中，仍然存在端射行为。然而，端射表面设备被布置成附加地控制在尺寸上与端射方向不同的方向性，其通常垂直于端射方向。然而，注意，正交性不是必需的。然而，为了便于描述，以后，这个附加方向控制尺寸被称为正交方向。为了实现这一点，具有任意的固定时间延迟的通过导管的周边壁泄漏被构造并且布置成具有关于期望该端射表面方向性控制方法的最低频率的声音的波长在尺寸上是显着的“范围”(例如，长度)。一般而言，当固定时间延迟泄漏的范围是期望控制方向性的最低频率下声音的大约1/2波长时，端射表面设备开始在与端射方向正交的方向上提供有用的方向性控制。一般而言，当端射方向上的周边泄漏的大小近似等于1/4波长时，开始有用的端射方向性控制。有用的是，我们是指当在远场测量时，与在没有定向设备的情况下操作声源或声学接收器的输出或输入相比较，定向设备在其中不要辐射的方向上的输出或输入减少至少3dB。
当耦合至导管的声源/接收器可以通过简单点元件近似，诸如单个电声换能器或麦克风耦合的情况，固定时间延迟处的平面端射表面的“范围”将是圆弧段，诸如图3A的泄露48。在这种情况下，当弧长大约为1/2波长时，发生正交方向的方向性控制。应当注意，上述弧形段的长度由导管的形状以及评估弧长的时间延迟确定。对于更长的时间延迟，从源发射的声音已经行进了更长的距离，并且弧形段的半径会更大，其意味着弧形段长度较大。这受到端射方向上导管的长度的限制。从源到导管的端部的距离控制给定结构可能的最大半径。上述描述适用于平面几何形状，但不一定适用于下文所描述的更复杂的3D壳体形状。还有，如果声源/接收器具有不同的构造并且没有通过简单的单极子近似，则固定时间延迟处的导管的范围可能不是圆弧。
在一些示例中，期望端射方向控制和正交尺寸方向控制的频率范围基本上重叠。在这些示例中，端射方向上的周边泄漏的长度被构造并且布置成与时间延迟固定的泄漏的(最大)范围处于相同的量级。在形状为圆形截面的设备的一个示例中，该截面的半径和最大时间延迟处的弧长被选择为处于相同的数量级。在一些示例中，这些选择是相同的。对于相同的方向控制频率范围，最大可用时间延迟处(即，导管的端部处)的泄漏的弧长应当大约是端射方向的周边泄漏的长度的两倍。如先前所提及的，当端射周边泄漏长度为1/4波长并且当最大恒定时间延迟处的弧长为1/2波长时，获得有用的方向性控制。
在一些示例中，如果端射方向控制和正交方向方向性控制的频率范围中存在高达倍频程差异，则获得有用行为。在一些示例中，最大时间延迟处的弧长与端射方向上的周边壁泄漏长度的比例被选择介于1和4之间，其导致端射方向和正交方向上的方向控制的频率范围在彼此的倍频程之内。
在一些示例中，如果在方向性控制的频率范围中有高达3倍频程差异，则获得有用行为。其他关系也是可能的，并且包括在本公开的范围内。
对于端射周边泄漏长度为r的平面设备，对于恒定时间延迟可能的最大弧长是360度圆形平面设备，其中弧长是半径r处的设备的圆周。这给出了恒定时间延迟泄漏弧长与端射周边泄漏长度的最大比例约为6.28。随着平面圆形导管对向的角度减少，该最大比例进一步减少。例如，对于180度对向的半圆形辐射表面，恒定时间延迟处的最大弧长减少至端射周边泄漏长度的3.14倍。一般而言，对于端射表面，辐射表面的对向角度应当至少为15度，以获得优于简单线性端射设备的任何有用的方向性控制的益处。圆形导管对向角度为15度的弧长与端射周边泄漏长度的比例为0.25。
在图1和图3中示出了端射表面源的示例。在图1A和图3中，导管从源位置以大致半圆形的方式延伸。图3示出了完整的1/2圆导管，其中图1示出了跨越略小于1/2圈的导管。图1还示出了基本上在平面导管的平面中的声源，而图3中的源位于平面导管的平面上方，并且导管的一段将能量从凸起源传导到平面段中。周边壁中的泄漏发生在半圆形的大致平面段上。在这些示例中，固定时间延迟泄漏的范围是圆弧段。任意角度的圆形段的弧长容易计算。图1A的示例示出了半圆形端射表面源。在一些示例中，端射表面设备具有大致平面的辐射段，其是任意圆形段。例如，端射声学设备可以是如图4A所示的1/4圆形段、1/8圆形段、1/2圆形段(如图3A所示)、3/4圆形段或全圆形段。本文中设想了任何圆形段。
如图1和图2所示，源/接收器可以大致位于导管的平面辐射段的平面中，或者如图3所示，可以在大致平面段的上方或下方移位。
端射表面设备的示例不限于半圆形形状或圆形几何形状。在一些示例中，如图2所示，导管的大致平面段可以具有任意形状。源/接收器可以大致位于导管的平面辐射段的平面中，或者在导管的平面辐射段的平面上方或下方移位。源/接收器可以在任意形状的平面段的几何中心处或附近耦合至导管，或者可以偏离该中心。可以存在一个或多个声源/接收器声学耦合至导管。
在上述端射表面设备示例中，导管被描述为具有大致平面辐射段，其中平面段具有围绕其周边壁分布的泄漏，以通过泄漏将声能从导管内辐射到外部环境，或者从环境辐射到导管中。在一些示例中，具有周边壁泄漏的该辐射段的一部分或全部被弯曲成三维形状，使得辐射段不再被描述为大致平面的。在这些示例中，该设备被称为端射壳体设备(即，源或接收器)。在图4、图5和图8(图8图示了锥形几何形状，尽管该形状不是限制性的)中示出了端射壳体源的示例。由于输出或输入体积速度不再局限于平面，所以具有受控泄漏的导管段的周边弯曲成三维表面可以进一步控制设备的方向性。曲率可以用于拓宽端射方向性控制，特别地，在较高频率下，其中端射设备倾向于具有相对较窄的方向性图案。
在一些示例中，通过其声能泄漏的周边壁表面可以弯曲成3D表面。具有制造稍微简单的益处的一个示例表面是锥形的，诸如图8的定向辐射声学设备70的锥形导管表面72。在该示例中，来自源78的声音通过下表面74泄漏，尽管表面可以被反转，使得声音通过面向上方的壁而泄漏。在一些示例中，设备还可以仅是锥形结构的一部分，诸如图8的锥形设备的180度。
例如，美国专利8,351,630描述了端射线源的示例。它描述了垂直于“管”内的声能传播方向的“管”(在美国专利8,351,630中使用的术语“管”通常与本文中所使用的术语“导管”相对应)的横截面可以沿着“管”的长度改变，并且更具体地，可以随距源的距离而减小。这被描述为在能量从管泄漏到外部环境时沿着“管”的长度保持“管”内的压力更恒定的方式。
在端射表面和端射壳体设备中，由于能量通过泄漏的电阻泄漏或在泄漏的电阻中消散，因此可能期望保持导管内的声压大致恒定。然而，还可能是不需要恒定压力但是期望更改导管的几何形状以减少如果横截面面积不变则否则会发生的压降的情况。在端射表面和端射壳体设备中，泄漏的范围基本上大于端射线设备中的泄漏的范围。在端射表面设备和端射壳体设备示例中，因为恒定时间延迟泄漏的范围大约是方向控制的最低频率的1/2波长(在端射线源示例中，其基本上大于恒定时间延迟泄漏的范围)，US 8,351,630中所描述的端射线源的导管的横截面面积的变化可能不足以维持端射表面和端射壳体设备的有用操作。这是因为导管的深度根据距源/接收器的距离没有足够快地减小以补偿根据距离通过周边泄漏的额外能量，因为恒定时间延迟尺寸的范围基本上大于线性情况。因为在恒定时间延迟方向上范围增加，所以为了保持导管中的压力相对恒定而需要在传播方向上根据距源/接收器的距离减少导管深度可能导致导管的深度对于声音传播而言变得太浅，而不会对壁造成过大的粘性损失。
为了避免使所有的声能从太靠近端射表面和端射壳体源中的源的位置的导管中泄漏出，可以遵循以下途径中的一种或多种途径。所有其他方面均相同，距源(恒定时间延迟段)恒定距离处的导管的横截面面积必须沿着远离源的方向比现有技术的端射线源情况中的横截面减小更快。因为随着固定时间延迟泄漏的范围增加，导管的深度必须非常小，所以这可能是个问题。在具有这样浅的深度的导管内的传播可以引起可能不期望的非线性的传播行为。导管本身可能开始妨碍声能的流动(即，它可能表现出粘性损失)，并且声能在该导管粘性损失中消散。在导管粘性损失中消散的任何能量不再用于方向性控制，并且设备的效率可能会降低。
为了避免非常浅的深度出现的问题，在一些示例中，通过周边壁泄漏而泄漏的能量的量会根据距源/接收器位置的距离而变化。这可以通过以下各项来实现：根据距源/接收器的距离而变化泄漏的面积，根据距源/接收器的距离而变化泄漏的声阻，或两者的组合。一般而言，在源/接收器附近泄漏的面积小，和/或在源/接收器附近泄漏的声阻高，并且泄漏的面积随着距源/接收器的距离而逐渐增加，和/或泄露的电阻随着距源/接收器的距离增加而降低。这可以通过以下各项来实现：根据距源/接收器的距离将声阻随空间变化的材料放置在面积恒定的周边中的泄露开口上，根据距源/接收器的距离而变化泄漏面积并且对泄露施加声阻恒定的材料，或者变化面积并且使用声阻变化的材料。附加地，可以通过以某种方式(例如，使用光刻法)形成导管的周边壁的蚀刻区域来直接控制周边的声阻和泄露面积，其中控制蚀刻孔的位置、大小和形状来直接控制周边壁表面的声阻。
在图9A的设备80中示出了使用掩模材料来根据距源的距离更改泄漏的面积的百分比的一个示例。图9B示出了分成两半的图9A的设备80。设备80通过上辐射部分86发射体积速度。换能器可能在位置88处耦合。在这些图中，白色区域82用不透声材料掩蔽，以使体积速度不会通过这些段从导管泄漏。其他交叉阴影区域84具有声阻，并且来自导管的体积速度可以通过这些区域而泄漏。区域84可以通过使用声阻性屏幕或网格材料形成，而区域82可以通过用不透声材料覆盖网格材料的各部分来形成。下面结合图10A和图10B对选择性掩蔽的电阻性表面的非限制性示例进行进一步描述。可替代地，可以使用声阻可变的材料，例如，编织材料，其中编织物的紧密度在空间上变化。可以看出，随着距源位置的距离增大，中心附近的非常小的区域(其是源位置88)可用于泄漏，而逐渐更多的区域可用于体积速度的泄漏。还可以看出，在该示例中的掩蔽具有规则的矩形图案。这样做只是为了方便制作。本文中设想了其他图案。图9A和图9B中所图示的概念可以应用于定向接收器。
图10A和图10B分别示出了周边被掩蔽以控制泄漏面积的大致半圆形的端射壳体源90、以及安装在导管94上方的单个扬声器源92的完整组件的底视图和顶视图。加固结构106可以包括底座101、半圆形外围部分102和径向肋103。可以包括孔104以提供用于安装到诸如墙壁或天花板之类的表面。图案化区域96用不透声材料来掩蔽，而导管表面100的剩余部分98包括辐射部分，其可以包括电阻性屏幕。
在声波到达外部环境之前，它们通过电阻性屏幕98。电阻性屏幕98可以包括一层或多层网格材料或织物。在一些示例中，一层或多层材料或织物各自可以由单丝织物(即，由仅具有一根细丝的纤维制成的织物，使得细丝和纤维重合)制成。该织物可以由聚酯制成，尽管可以使用其他材料，包括但不限于金属、棉、尼龙、丙烯酸、人造纤维、聚合物、芳族聚酰胺、纤维复合材料、和/或具有相同、类似或相关属性的天然材料和合成材料、或它们的组合。在其他示例中，复丝织物可以用于这些层织物中的一层或多层。
在一个示例中，电阻性屏幕98由两层织物制成，一层由与第二层相比较具有较高声阻的织物制成。例如，第一织物的声阻的范围可以为从200瑞利至2,000瑞利，而第二织物的声阻的范围可以为从1瑞利至90瑞利。第二层可以是由粗网格制成的织物，以向电阻性屏幕提供结构完整性并且防止屏幕在高声压级下移动。在一个示例中，第一织物是声阻大约为1,000瑞利的聚酯基织物(例如，由意大利米兰的Saati提供的
Polyester PES10/3)，第二织物是由粗网制成的聚酯基织物(例如，也由意大利米兰的Saati提供的
Polyester PES 42/10)。然而，在其他实施例中，可以使用其他材料。另外，电阻性屏幕可以由单层织物或材料制成，诸如金属基网格或聚酯基织物。并且，在另外示例中，电阻性屏幕可以由多于两层的材料或织物制成。电阻性屏幕还可以包括疏水涂层以使屏幕防水。
声阻性图案96可以应用于电阻性屏幕的表面上或在电阻性屏幕的表面上生成。声阻性图案96可以是基本上不透明和不透水层。因此，在施加声阻性图案96的地方中，其基本上阻塞网格材料或织物中的孔，从而产生随着所生成的声波通过电阻性屏幕98径向向外(或对于非圆形和非球形形状而言，沿线性方向向外)移动而变化的平均声阻。例如，在没有声阻性图案96的电阻性屏幕98的声阻在规定区域内大约为1,000瑞利的情况下，具有声阻性图案96的电阻性屏幕98的平均声阻可以在更靠近电声驱动器92的区域内大约为10,000瑞利，以及在更靠近扬声器的边缘102的区域内(例如，在不包括声阻性图案96的区域中)大约为1,000瑞利。声阻性图案96的大小、形状和厚度可以变化，并且在图10A和图10B中仅示出一个示例。
用于生成声阻性图案96的材料可以取决于用于电阻性屏幕98的材料或织物而变化。在电阻性屏幕98包括聚酯织物的示例中，用于生成声阻性图案96的材料可以是油漆(例如，乙烯基漆)或与聚酯织物相容的一些其他涂层材料。在其他示例中，用于生成声阻性图案96的材料可以是粘合剂或聚合物。在另外的示例中，除了将涂层材料添加到电阻性屏幕98之外，还可以通过转换包括电阻性屏幕98的材料(例如，通过加热电阻性屏幕98来选择性地融合网格材料或织物的交叉点)来生成声阻性图案96，从而基本上阻塞材料或织物中的孔。
在于2015年3月31日提交的题为“Method of Manufacturing a Loudspeaker”的美国专利申请__________中描述了用于制造如本文中所描述的扬声器的示例性过程，其全部内容通过引用并入本文。
在一些示例中，端射表面和端射壳体设备安装在房间中的一个或多个墙壁或天花板表面上、或与房间中的一个或多个墙壁或天花板表面相邻。在这些示例中，周边壁中的泄漏可以被布置成将声音发射到房间的内部体积中，或从房间的内部体积接收声音。根据需要，辐射可以指向房间的地板或房间的其他地方，或从房间的地板或房间的其他地方接收。在这些示例中，设备可以具有单侧行为。也就是说，声能仅通过平面或壳体表面的一侧而泄漏。
在图11A和图11B中示出了示例性端射壳体声学接收器。设备120包括外壳122，该外壳122具有保持麦克风元件的开口132和开口133。可以有一个麦克风元件、两个麦克风元件或更多个麦克风元件。设备120具有大致1/4圆形轮廓，对着约90度的角度。端部/侧壁123允许设备向下倾斜，但这不是必要特征。外围凸缘126提供刚性。在实心壁124上方突出的肋127至129以及内部搁板130限定了在其上设有电阻性屏幕(未示出)的表面。屏幕实现了泄漏。屏幕可以是上文关于图9和图10所描述的类型。导管形成在该屏幕和壁124之间。可以看出，从外围壁126到麦克风位置，导管的深度逐渐增加。
已经描述了若干个实现方式。然而，应当理解，在不背离本文所描述的发明构思的范围的情况下，可以进行附加的修改，因而，其他实施例在所附权利要求的范围内。
Claims (24)
1.一种定向声学设备，包括：
声源或声学接收器；
导管，所述声源或声学接收器声学耦合至所述导管，并且在所述导管内，声能从所述声源沿传播方向行进或沿所述传播方向行进至所述声学接收器，所述导管具有所述导管结构终止的有限范围；
其中所述导管具有辐射部分，所述辐射部分具有辐射表面，所述辐射表面具有泄漏开口，所述泄漏开口限定受控泄漏，通过所述泄漏开口，从所述声源辐射到所述导管中的声能能够泄漏到外部环境，或通过所述泄漏开口，所述外部环境中的声能能够泄漏到所述导管中；
其中所述导管中的声能到达所述外部环境、或所述外部环境中的声能进入所述导管的声能的唯一路径是通过所述受控泄漏；
其中所述泄漏开口限定在所述传播方向上具有第一范围的泄漏，并且还在相对于所述声源或声学接收器的位置的最大时间延迟恒定的沿着所述导管的位置处限定具有第二范围的泄漏；
其中所述泄漏的所述第一范围和所述第二范围对获得有用的方向性控制的最低频率起决定作用；以及
其中在所述传播方向上所述泄漏的方向性控制的最低频率在最大时间延迟恒定的所述泄漏的方向性控制的最低频率的3倍频程内。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述导管的所述辐射部分是平面的。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述导管的所述辐射部分具有沿着圆弧搁置的端部。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述导管的所述辐射部分是圆形扇形。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述导管的所述辐射部分位于平面中，并且其中所述声源或声学接收器位于所述辐射部分的所述平面中。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述导管的所述辐射部分位于平面中，并且其中所述声源或声学接收器不在所述辐射部分的所述平面中。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述导管的所述辐射部分被弯曲以形成三维壳体。
8.根据权利要求1所述的设备，其中在所述传播方向上限定泄漏的所述泄漏开口的面积根据距所述声源或声学接收器的位置的距离而变化。
9.根据权利要求8所述的设备，其中在所述传播方向上限定泄漏的所述泄漏开口的声阻根据距所述声源或声学接收器的位置的距离而变化。
10.根据权利要求1所述的设备，其中在所述传播方向上限定泄漏的所述泄漏开口的声阻根据距所述声源或声学接收器的位置的距离而变化。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述声阻的变化至少部分地由以下各项中的一项或两项来实现：根据距所述声源或声学接收器的距离而变化所述泄漏的面积；以及根据距所述声源或声学接收器的距离而变化所述泄漏的所述声阻。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述声阻的变化至少部分地通过以下各项中的一项或两项来实现：根据距所述声源或声学接收器的距离，将声阻随空间变化的材料放置在面积恒定的周边中的泄漏开口上；以及根据距所述声源或声学接收器的距离而变化所述泄漏面积、并且在所述泄漏上施加声阻恒定的材料。
13.根据权利要求1所述的设备，其中在相对于所述声源或声学接收器位置的时间延迟恒定的位置处，所述导管的深度根据距所述声源或声学接收器的位置的距离而减小。
14.根据权利要求1所述的设备，其中限定恒定时间延迟泄漏的所述泄漏开口的所述第二范围介于限定沿所述传播方向的泄漏的所述泄漏开口的所述第一范围的一倍至四倍之间。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一范围与所述第二范围的比例小于6.3、并且大于0.25。
16.根据权利要求1所述的设备，其中固定时间延迟泄漏的范围是期望控制方向性的最低频率处声音的至少1/2波长。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述传播方向上的所述泄漏的所述第一范围是期望控制方向性的最低频率处声音的至少1/4波长。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述泄漏开口全部在所述导管的一个表面中。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述导管安装到房间的天花板上，并且具有泄漏的所述表面面向所述房间的地板。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述导管安装在房间的墙壁上，并且具有泄漏的所述表面面向所述房间的地板。
21.根据权利要求1所述的设备，其中通过所述泄漏辐射的声体积速度根据沿着所述导管距所述声源或声学接收器的距离而逐渐变化。
22.根据权利要求1所述的设备，其中相对于所述声源或声学接收器的位置的时间延迟恒定的沿着所述导管的位置落在轴线上，并且其中通过泄漏辐射的声体积速度根据沿着该轴线距所述轴线上的点的距离而逐渐变化。
23.一种定向辐射声学设备，包括：
声源或声学接收器；
导管，所述声源或声学接收器声学耦合至所述导管，并且在所述导管内，声能从所述声源沿传播方向行进，或者沿所述传播方向行进至所述声学接收器，所述导管具有所述导管结构终止的有限范围；
其中所述导管具有辐射部分，所述辐射部分具有辐射表面，所述辐射表面具有泄漏开口，所述泄漏开口限定受控泄漏，通过所述泄漏开口，从所述声源辐射到所述导管中的声能能够泄漏到外部环境，或通过所述泄漏开口，所述外部环境中的声能能够泄漏到所述导管中；
其中所述导管中的声能到达外部环境或所述外部环境中的声能进入所述导管的声能的唯一路径是通过所述受控泄漏；
其中所述导管的所述辐射部分在对向角内从所述声源或声学接收器的位置径向地扩张；
其中随着距所述声源或声学接收器的距离增加，所述导管的深度减小；以及
其中所述对向角至少为15度。
24.一种定向辐射声学设备，包括：
声源或声学接收器；
导管，所述声源或声学接收器声学耦合至所述导管，并且在所述导管内，声能从所述声源沿传播方向行进，或者沿所述传播方向行进至所述声学接收器，所述导管具有所述导管结构终止的有限范围；
其中所述导管具有辐射部分，所述辐射部分具有辐射表面，所述辐射表面具有泄漏开口，所述泄漏开口限定受控泄漏，通过所述泄漏开口，从所述声源辐射到所述导管中的声能能够泄漏到外部环境，或通过所述泄漏开口，所述外部环境中的声能能够泄漏到所述导管中；
其中所述导管中的声能到达所述外部环境或所述外部环境中的声能进入所述导管的声能的唯一路径是通过所述受控泄漏；
其中所述泄漏开口限定在所述传播方向上具有第一范围的泄漏，并且还在相对于所述声源或声学接收器的位置的最大时间延迟恒定的、沿着所述导管的位置处限定具有第二范围的泄漏；以及
其中所述第一范围与所述第二范围的比例小于6.3、并且大于0.25。
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