CN107708043B - 一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成及工作原理 - Google Patents
一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成及工作原理 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成，包括:高音扬声器、号角阵列；其特征在于：所述高音扬声器顶部设置有振膜，高音扬声器的振膜设置在号角阵列的中央，所述号角阵列包括：号角格档、顶板、底板；高音扬声器的振膜设置在号角阵列顶板和底板之间,号角阵列的号角格档用于连接号角阵列顶板与底板,并支撑号角阵列的整体结构,所述号角阵列的结构与高音扬声器的振膜内部共同形成喉噻部和喉孔部；喉噻部位于号角阵列的顶板、底板和高音扬声器振膜的连接处，由喉噻部逐渐向外延伸且处于号角阵列结构内的部分形成喉孔部；高音扬声器在播放声波时，声波发出后经过喉噻部对声波进行压缩，在经过喉孔部对声波进行混音，声波延喉噻部向喉孔部的指向性传播；再被传送出高音扬声器总成。
Description
技术领域
本发明涉及电子制造领域的音箱设计，尤其是涉及一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成的结构及工作原理，具有声波指向性强，效果好等技术特征。
背景技术
随着人工智能技术的不断进步，家居智能化的步伐越来越快，智能家居自然需求一个智能家居控制中枢和人工智能助手的角色，用来沟通人们的需求并控制智能家居，协助人通过网络与第三方沟通，交易等等。语音交互是人类最直接便捷的交互方式，随着智能语音交互技术的突破，由于音箱产品既能听，又能说的功能，很荣幸的被各大公司选择成为了人工智能的最佳入口，承担起了智能家居控制中枢和智能助手的这个角色。相应智能音箱产品雨后春笋般跃现市场，比如Amazon的Echo，谷歌的Google Home，苹果的HomePad，微软的Invoke等等产品。国内也有京东，联想，小米等出品了AI音箱。
智能音箱与传统音箱在声学角度上，最大的不同就是智能音箱需求全指向性，期望在音箱的水平360度全方向范围内，都能有清晰一致的声波传送，便于人在家庭内任意位置都能和智能音箱进行良好的交互体验。
如图2～3所示的传统全指向性音箱一般采用直接辐射式高音朝上或朝下安装的应用方式，实际应用中听音者在扬声器10振膜的偏轴90°方向，此方向上音频衰减严重，高频表现很差；或采用多个高音或低音扬声器(100、200、300、400)采用环绕方式进行分布设计，形成多个点声源分布，在音箱四周任意听音位置上，多个点声源到人耳有距离差，偏轴角度差，因此造成耳朵接收到的声波存在相位差，时间差，形成声干涉，产生谐波失真，不同位置的声压偏差很大，形成很不均匀的声场，从而音质浑浊不够干净，细节模糊不够细腻，听音体验大大降低。同时使用多个高音或低音扬声器，成本较高，性价比较低。
发明内容
本技术所设计的一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成，具有高音扬声器总成的压缩腔泄声口(喉孔部)在高音扬声器总成的振膜的经度方向上传送，均匀分布在膜片四周360度范围内；喉孔部的入口可形成呈梯形，靠近赤道位置较宽，靠近球顶位置较窄，通道的上下曲面是指数型曲线，可以限定声波辐射的上下指向性角度。泄声通道经仿真验证，泄声通道个数在6/8/12个数量时，能取得较佳辐射效率带宽积；经过仿真验证(如图10)，振膜面积与泄声口面积之比在5-15之间时，辐射效率变化不大，但随着压缩比升高，效率带宽积会增加。
为解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现：
一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成，包括:高音扬声器、号角阵列；其特征在于：所述高音扬声器顶部设置有振膜，高音扬声器的振膜设置在号角阵列的中央，所述号角阵列包括：号角格档、顶板、底板；高音扬声器的振膜设置在号角阵列顶板和底板之间,号角阵列的号角格档用于连接号角阵列顶板与底板,并支撑号角阵列的整体结构,所述号角阵列的结构与高音扬声器的振膜内部共同形成泄声通道，泄声通道包括喉噻部和喉孔部；喉噻部位于号角阵列的顶板、底板和高音扬声器振膜的连接处，由喉噻部逐渐向外延伸且处于号角阵列结构内的部分形成喉孔部；高音扬声器在播放声波时，声波发出后经过喉噻部对声波进行压缩，在经过喉孔部对声波进行混音，声波延喉噻部向喉孔部的指向性传播；再被传送出高音扬声器总成。
优选的、所述号角阵列的顶板与底板之间设置有号角格挡；号角格挡为一个或多个，多个号角格挡、顶板、底板将号角阵列均匀分隔为多个泄声通道及多个喉噻部和喉孔部；所述号角阵列顶板内部中心位置与高音扬声器的振膜配合连接，其号角阵列的顶板内部中心位置的接触面与高音扬声器的振膜位置的结构相配合连接；所述号角阵列顶板内部为圆滑曲面设计，号角阵列顶板内部的截面为凹型结构，特征为号角阵列的顶板中间结构低逐渐向外逐渐升高，所述号角阵列的底板中部设置有开口，其高音扬声器的振膜完全穿过该开口被放置在号角阵列中部，号角阵列底板内部表面向外部逐渐延伸且设置有一段圆滑曲面，这样号角阵列的结构与高音扬声器的振膜内部共同形成喉噻部和喉孔部，由喉噻部向喉孔部为逐渐扩大的结构，这样设计利于声波的指向性传播。
优选的、所述号角阵列顶板的截面为防锤型设计，内部与外部表面均为多曲面延伸结构，内部表面结构向顶板中心聚焦，外部表面结构向顶板中心聚焦。
优选的、所述号角阵列的号角格挡与的号角阵列的顶板和底板垂直设置，其垂直设置的截面为防锤型设计，且延号角阵列中心向外逐渐缩小，使喉孔部的入口可形成呈梯形，喉孔部靠近号角阵列的赤道位置较宽，喉噻部靠近号角阵列的中心位置较窄，这样的设计可有效提高声波经过喉噻部向喉孔部传送时的扩大效果。
优选的、所述高音扬声器包括:振膜、电磁线圈、高音支架、华司片、磁片、垫片；高音扬声器振膜下端设置有电磁线圈、高音支架、华司片、磁片、垫片的组合结构，并通过多个端子固定在基座上。
附图说明
图1是本技术的示意图1；
图2是传统技术的示意图1；
图3是传统技术的示意图2；
图4是本技术的示意图2；
图5是本技术的示意图3；
图6是本技术的示意图4；
图7是本技术电路示意图；
图8是本技术曲线效果图1；
图9是本技术曲线效果图2；
图10是本技术与传统技术曲线对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成，包括:高音扬声器2、号角阵列1；其特征在于：所述高音扬声器顶部设置有振膜21，高音扬声器的振膜21设置在号角阵列1的中央，所述号角阵列1包括：号角格档3、顶板11、底板12；高音扬声器的振膜21设置在号角阵列1的顶板11和底板12之间,号角阵列1的号角格档3用于连接号角阵列顶板11与底板12,并支撑号角阵列1的整体结构,所述号角阵列1的结构与高音扬声器2的振膜21内部共同形成泄声通道5，泄声通道5包括喉噻部和喉孔部；喉噻部位于号角阵列1的顶板11、底板12和高音扬声器振膜21的连接处，由喉噻部逐渐向外延伸且处于号角阵列1结构内的部分形成喉孔部；高音扬声器2在播放声波时，声波发出后经过喉噻部对声波进行压缩，在经过喉孔部对声波进行混音，声波延喉噻部向喉孔部的指向性传播；再被传送出高音扬声器总成。
优选的、所述号角阵列1的顶板11与底板12之间设置有号角格挡3；号角格挡3为一个或多个，多个号角格挡3、顶板11、底板12将号角阵列1均匀分隔为多个泄声通道5及多个喉噻部和喉孔部；泄声通道5经仿真验证，泄声通道5的个数在6/8/12个数量时，能取得较佳辐射效率带宽积；所述号角阵列1顶板11内部中心位置与高音扬声器2的振膜21配合连接，其号角阵列11的顶板11内部中心位置的接触面与高音扬声器2的振膜21位置的结构相配合连接；所述号角阵列1顶板11内部表面111为圆滑曲面设计，号角阵列1顶板1内部的截面为凹型结构，特征为号角阵列1的顶板1中间结构低逐渐向外并逐渐升高，所述号角阵列1的底板12中部设置有开口，其高音扬声器1的振膜21完全穿过该开口被放置在号角阵列1中部，号角阵列1底板12内部表面121向外部逐渐延伸且设置有一段圆滑曲面，这样号角阵列1的结构与高音扬声器1的振膜21内部共同形成喉噻部和喉孔部，由喉噻部向喉孔部为逐渐扩大的结构，这样设计利于声波的指向性传播。
优选的、所述号角阵列1顶板11的截面为防锤型设计，内部表面111与外部表面均为多曲面延伸结构，内部表面111结构向顶板11的中心聚焦，外部表面结构向顶板中心延长线聚焦。
优选的、所述号角阵列1的号角格挡2与的号角阵列1的顶板11和底板12垂直设置，其垂直设置的截面为防锤型设计，且延号角阵列中心向外逐渐缩小，使喉孔部的入口可形成呈梯形，喉孔部靠近号角阵列的赤道位置较宽，喉噻部靠近号角阵列的中心位置较窄，这样的设计可有效提高声波经过喉噻部向喉孔部传送时的扩大效果。
优选的、所述高音扬声器1包括:振膜21、电磁线圈22、高音支架23、华司片24、磁片25、垫片26；高音扬声器2的振膜21下端设置有电磁线圈22、高音支架23、华司片24、磁片25、垫片的组合结构，并通过多个端子固定在基座上。
本技术所采用的高音扬声器的设计在原理里完全符合导纳型集总参数模型,其原理为:高音扬升器通电的线圈在永磁场中受到力的作用，音圈推动振膜振动，振膜辐射出声波,线圈在磁场中的受力可以用F＝BIL来表示。振膜辐射出的声波在喉塞部位狭小空隙内被压缩，空气压强变大，使得辐射阻抗也增大。压缩后的声能在压缩腔内反复激荡后进入喉塞部均匀分布的泄声口，进入单个泄声口的声波通过在号角通道内的多次反射到达出口并辐射出去，连续的号角阵列结构覆盖360度的水平范围，在水平360度，上下±30度范围内形成了均匀稳定的高频声场。
如图7所示，Cmme为振动系统的质量Mm转换成电学元件后的容值，表达式为Cmme＝M m/BL2；在使用本技术后声波在传送时,高音经过后喉噻部产生振动系统等同于Cmme；
Lcme为高音扬声器振膜边缘与空气等效力顺Cm转换成电学元件后的电感值，表达式为Lcme＝C m BL2/Sd2；高音扬声器振膜振动推动前方空气，由于前方空隙狭小，空气被压缩，空气压强变大，使得辐射阻抗也增大；
Rrme为声波的振动系统的线圈的机械损耗Rm转换成电学元件后的阻值，其表达式为Rrme＝BL2/Rm；
Lfcae为喉噻部空气等效力顺的电感表示；泄声口的总面积可以调整泄声口波面的辐射阻抗，当振膜的力阻与声辐射阻相当时，阻抗匹配特性良好，输出效率最高；
Rrae为喉噻部内高音扬升器振膜辐射阻抗的电阻表示，其表达式为：
泄声通道的入口呈窄梯形，靠近赤道位置较宽，靠近球顶位置较窄。窄梯形泄声口沿半球经线方向均匀分布，可以有效修正振膜上各个点辐射声波的相位。泄声口的数量分布可以影响辐射声波的带宽。
泄声通道的上下曲面是指数型曲线，可以限定声波辐射的上下指向性角度。通道的左右两侧的曲面不是标准曲面，是渐变的曲面。泄声通道的出口呈长方形。振膜上越接近球顶位置的点辐射的声波与泄声口的距离越近，而越靠近赤道位置的点与泄声口距离越远，本来会造成声波传递的相位差，但是号角通道靠近球顶位置离出口波阵面距离较远，靠近赤道位置离出口波阵面距离较近，通过仿真设计，可以起到调整振膜球顶和半球位置辐射声波的相位，在出口的波阵面上，达到比较稳定一致的同相声波。
号角阵列的数量取决于两点：
1，此高音尺寸大小可以根据使用音箱的尺寸大小进行调整，高音整体尺寸较大时，号角阵列数量可以增多，整体尺寸较小时，号角阵列数量可以减少。
2，号角阵列左右曲面角度决定单号角的指向性特性，多号角阵列要考虑相邻号角辐射声波的声干涉问题。
本技术高音扬声器总成的创新之处在于把传统家用音响领域的直接辐射式高音扬声器和专业舞台音响领域的定向式号角压缩驱动头的声学原理进行了优势整合，采用莲花式放射状号角阵列结构，在声波由喉噻部和喉孔部所形成的压缩场，经压缩场表面的弧面向外部自由场进行传播，并实现更好的音质及音效。
本发明高音扬声器总成技术特征如下：
A，在指向性特性方面。
普通直接辐射式扬声器是声波向振膜前方正向辐射，声波传播呈心形扩散。
定向式号角压缩驱动头是声波向振膜前方正向辐射，声波压缩汇聚后按号角限定角度定向辐射。
本发明高音扬声器总成是声波向振膜四周360度方向辐射，正前方声波被压缩到四周。
B，普通压缩驱动头喉塞上的泄声通道,是在高音扬声器振膜的纬度方向上向外传送，环形等距的通道把声波束汇聚到喉口；
本发明高音扬声器总成的压缩腔泄声口在振膜的经度方向上，且经过多级的均匀分布在膜片四周360度范围内。
C，在球形振膜上360度内均布的泄声通道是相位喉塞和号角功能的结合。泄声口的入口呈梯形，靠近赤道位置较宽，靠近球顶位置较窄。通道的上下曲面是指数型曲线，可以限定声波辐射的上下指向性角度。通道的左右两侧的曲面不是标准曲面，是渐变的曲面。声通道的出口呈长方形。梯形的入口和渐变的曲面这个是通过仿真设计(如图8所示)，可以起到调整振膜球顶和半球位置辐射声波的相位，在出口的波阵面上，达到比较稳定一致的同相声波。
D，经仿真验证(如图9所示)，泄声通道个数在6/8/12个数量时，能取得较佳辐射效率带宽积。连续的号角阵列结构覆盖360度的水平范围，在水平360度，上下±30度范围内形成了均匀稳定的高频声场。
E，辐射阻抗与负载阻抗匹配相近时，辐射效率达到最高。过低或过高效率都会降低。
F，经过仿真验证，振膜面积与泄声口面积之比在5-15之间时，辐射效率变化不大，但随着压缩比升高，效率带宽积会增加。
G，本发明高音扬声器总成的振膜应该选择轻质硬球顶振膜，比如钛膜，铝膜，铍膜。不适合选择软的材料，比如丝膜，PEI，MYLAR的材料。普通的直接辐射式高音的振膜一般都会带软材料折环，本发明的高音扬声器总成不需要折环。这是由于压缩腔内振动需要振膜具有较均匀稳定的振动模态，软性材料振膜容易发生分割振动；球顶与折环贴合工艺也是易偏位造成振动不均衡，膜片振动模态扭曲。
本发明的高音扬声器总成主要是针对目前智能音箱的需求而发明的，主要有以下的有益效果：解决了目前市场上出现的智能音箱普遍高频表现较差的缺陷。当然也可以应用到其他需要水平全指向性特性的产品类型中。采用莲花12个连续的号角阵列结构覆盖360度的水平范围，在水平360度，上下±30度范围内形成了均匀稳定的高频声场。这是目前常规音箱应用很难实现的一个效果此发明高音扬声器总成制造工艺简单，成本跟普通直接辐射式高音扬声器相比稍贵，但却比使用两只以上高音扬声器去提升高频表现的应用方式要便宜，性价比较高，可以普遍应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成，包括:高音扬声器、号角阵列；其特征在于：所述高音扬声器顶部设置有振膜，高音扬声器的振膜设置在号角阵列的中央，所述号角阵列包括：号角格档、顶板、底板；高音扬声器的振膜设置在号角阵列顶板和底板之间,号角阵列的号角格档用于连接号角阵列顶板与底板,并支撑号角阵列的整体结构,所述号角阵列的结构与高音扬声器的振膜内部共同形成泄声通道，泄声通道包括喉噻部和喉孔部；喉噻部位于号角阵列的顶板、底板和高音扬声器振膜的连接处，由喉噻部逐渐向外延伸且处于号角阵列结构内的部分形成喉孔部；高音扬声器在播放声波时，声波发出后经过喉噻部对声波进行压缩，在经过喉孔部对声波进行混音，声波延喉噻部向喉孔部的指向性传播；再被传送出高音扬声器总成；所述号角阵列的顶板与底板之间设置有号角格挡；号角格挡为多个，多个号角格挡、顶板、底板将号角阵列均匀分隔为多个泄声通道及多个喉噻部和喉孔部；所述号角阵列顶板内部中心位置与高音扬声器的振膜配合连接，其号角阵列的顶板内部中心位置的接触面与高音扬声器的振膜位置的结构相配合连接；所述号角阵列顶板内部为圆滑曲面设计，号角阵列顶板内部的截面为凹型结构，所述号角阵列的底板中部设置有开口，其高音扬声器的振膜完全穿过该开口被放置在号角阵列中部，号角阵列底板内部表面向外部逐渐延伸且设置有一段圆滑曲面，这样号角阵列的结构与高音扬声器的振膜内部共同形成喉噻部和喉孔部，由喉噻部向喉孔部为逐渐扩大的结构；所述号角阵列顶板的截面为防锤型设计，内部与外部表面均为多曲面延伸结构，内部表面结构向顶板中心聚焦，外部表面结构向顶板中心聚焦；所述号角阵列的号角格挡与号角阵列的顶板和底板垂直设置，其垂直设置的截面为防锤型设计，且延号角阵列中心向外逐渐缩小，使喉孔部的入口形成呈梯形，喉孔部靠近号角阵列的赤道位置较宽，喉噻部靠近号角阵列的中心位置较窄；所采用的高音扬声器的设计在原理里完全符合导纳型集总参数模型,其原理为:高音扬升器通电的线圈在永磁场中受到力的作用，音圈推动振膜振动，振膜辐射出声波,线圈在磁场中的受力用F＝BIL来表示；振膜辐射出的声波在喉塞部位狭小空隙内被压缩，空气压强变大，使得辐射阻抗也增大；压缩后的声能在压缩腔内反复激荡后进入喉塞部均匀分布的泄声口，进入单个泄声口的声波通过在号角通道内的多次反射到达出口并辐射出去，连续的号角阵列结构覆盖360度的水平范围，在水平360度，上下±30度范围内形成了均匀稳定的高频声场；
Cmme为振动系统的质量Mm转换成电学元件后的容值，表达式为Cmme＝Mm/BL2；在使用本技术后声波在传送时,高音经过后喉噻部产生振动系统等同于Cmme；
Lcme为高音扬声器振膜边缘与空气等效力顺Cm转换成电学元件后的电感值，表达式为Lcme＝CmBL 2/Sd2；高音扬声器振膜振动推动前方空气，由于前方空隙狭小，空气被压缩，空气压强变大，使得辐射阻抗也增大；
Rrme为声波的振动系统的线圈的机械损耗Rm转换成电学元件后的阻值，其表达式为Rrme＝BL2/Rm；
Lfcae为喉噻部空气等效力顺的电感表示；泄声口的总面积能够调整泄声口波面的辐射阻抗，当振膜的力阻与声辐射阻相当时，阻抗匹配特性良好，输出效率最高；
Rrae为喉噻部内高音扬升器振膜辐射阻抗的电阻表示，其表达式为：
泄声通道的入口呈窄梯形，靠近赤道位置较宽，靠近球顶位置较窄；窄梯形泄声口沿半球经线方向均匀分布，能够有效修正振膜上各个点辐射声波的相位；泄声口的数量分布能够影响辐射声波的带宽；泄声通道的上下曲面是指数型曲线，能够限定声波辐射的上下指向性角度；通道的左右两侧的曲面不是标准曲面，是渐变的曲面；泄声通道的出口呈长方形；振膜上越接近球顶位置的点辐射的声波与泄声口的距离越近，而越靠近赤道位置的点与泄声口距离越远，本来会造成声波传递的相位差，但是号角通道靠近球顶位置离出口波阵面距离较远，靠近赤道位置离出口波阵面距离较近，通过仿真设计，能够起到调整振膜球顶和半球位置辐射声波的相位，在出口的波阵面上，达到比较稳定一致的同相声波。
2.如权利要求1所述的一种具有水平全指向号角阵列的压缩式高音扬声器总成，其特征在于：所述高音扬声器包括:振膜、电磁线圈、高音支架、华司片、磁片、垫片；高音扬声器振膜下端设置有电磁线圈、高音支架、华司片、磁片、垫片的组合结构，并通过多个端子固定在基座上,所述高音扬声器的振膜为轻质硬球顶振膜。
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