CN108141659A - 扩音器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于扬声器装置的外壳单元。该外壳单元包括一体的细长中空的主体，该中空主体限定了用于将扬声器的电子单元安装在其中的腔。该中空主体具有限定了外壳单元的开口端的远端部分、具有开口端的近端部分，以及位于远端部分和近端部分之间的中间部分，其中由所述电子单元再现的声音通过外壳单元的开口端输出。该中空主体的近端部分在中间部分上的某一位置与中间部分连接，从而限定中空主体的环状部分。该中空主体内部的横截面尺寸从远端部分朝向近端部分减小。

Description

扩音器及其制造方法
技术领域
本发明涉及扬声器，特别是扩音器，以及扬声器外壳的配置方式，并且涉及扬声器外壳的制造方法。
背景技术
扩音器能再现初始记录的信号。评估扩音器的性能就是评估其忠实再现初始源波形的能力，即扩音器输出曲线与初始源信号的曲线(频率和振幅分布)之间的匹配度。
影响扬声器性能的扬声器(例如扩音器)的主要部件之一是扬声器外壳(例如机壳)，电声波换能器(在下文中也可互换地称为扬声器驱动器)和相关电子硬件都安装在其中。扬声器外壳可以是简单的盒式设计，或者可以是复杂的机壳，包括复合材料、内部挡板、喇叭、端口和声学处理系统(吸声、扩散、填充、隔声)。
为提高扬声器的性能，所期望的是扬声器的外壳/机壳相对于被再现的信号而言基本是呈中性的，从而减少/最小化由信号与外壳的相互作用以及信号在外壳中的传播而造成的系统的共振。
此外，扩音器应当在配置时，减少回波失真的影响。回波失真是由振动膜朝后的表面所产生的声波与驱动器前面所产生的声波之间的相互作用而引起的。这是因为收听空间中前向产生的声音和后向产生的声音(彼此异相)之间的相互作用造成了要被再现的初始信号的失真。因此，前向声波和后向声波到达听者位置的时间稍有不同，从而导致损失了所再现声音的细节与清晰度，并损害了立体声声像和声级。为解决这一问题，已经研发了各种技术。大多数(如果不是全部的话)这些技术的常用方法是，用泡沫或其它纤维材料或多孔材料填充扬声器外壳，以吸收后向产生的声音。然而，这会降低输出信号的质量，例如使系统听起来“模糊不清”。此外，声吸收并不是在所有频率下都是同样有效的，而是与振幅有关。这就意味着，并不是所有频率都是均匀衰减的，扬声器播放的声音越大，效果就越差(因为实现所期望的结果需要更多的吸收)。
发明内容
本领域需要一种配置扬声器(例如扩音器)，特别是其外壳的新型方法，以提高扬声器的性能。
应当理解，在本发明的语境中所使用的术语“扬声器”是指包括且/或配置为声波换能器(特别是电声波换能器)的任何装置/模块。
本发明提供了一种提高扬声器输出信号分布(即，为了与初始信号的曲线相匹配)的扬声器外壳的新型配置。本发明通过提供外壳单元的新型几何形状以及新型材料结构，解决了回波失真和外壳中性影响所导致的问题。
应该注意的是，为了清楚并且不失其通用性，下文中有时将扬声器的外壳称为“机壳”。更具体地，本发明涉及扩音器性能的提高，因此下面针对这一具体应用对本发明进行了描述。然而，本发明的范围不应限制于扩音器。
本发明的扬声器外壳/机壳被配置为了减少或基本防止后向产生的声波从扬声器中输出。应当理解，“后向产生的声波”和“前向产生的声波”是分别从声波的源/发生器(即扩音器)沿相反方向出现的声音/声波。
本发明的扬声器外壳被配置为一体的中空主体，该中空主体可以被大致地按功能分成彼此流体连接以形成机壳主体的三个功能上不同的中空部分。更具体地，该机壳主体具有远端部分、中间部分和近端部分，其中远端部分限定了机壳的开口端，在该开口端处可设置电声波换能器(例如扬声器、扩音器或声波的其它源/发生器，以及可能的话还有诸如分频器和/或放大器和/或DSP(数字信号处理器)的其它部件/电路)；中间部分流体连接至远端部分，并且具有闭环状(环形)声传播通道的形式；而近端部分形成于闭环状中间部分与其自身的交叉区域处，并具有流体连接至中间部分的开口端。
因此，形成闭环状(环状)声传播通道的机壳主体的中间部分流体连接在远端部分和近端部分之间。因而，机壳主体(特别是其中间部分)是由中空主体的中间部分的曲线(例如完整的一圈)形成的环状/环形中空部分，从而使得其与自身相交。主体的近端部分限定了形成在主体的中间部分与其自身相交处的声耦合部分。更具体地，近端部分在中间部分上的某一位置处(在交叉点处)联接至中间部分，并且提供声耦合，以使得当声波到达该交叉点处的时候，沿中间部分传播的声波可以耦合并再次进入中间部分，从而使得这些声波再次在中间部分中传播。应当理解，大部分声波(其主要部分，例如除了其可忽略的反向散射的其余部分)以与其来自的方向相同的转向方向不断的通过机壳的中间部分反复传播。(即以永续的方式)。
为此，如上所述，机壳主体是中空的，并且其内腔是细长的并且在其远端和近端之间延伸，从而起到波导的作用，该波导引导来自主体的远端部分的后向产生的声波(来自扩音器)沿某一方向通过闭环状中间部分传播，从而使得到达主体的远端部分的波分量再次耦合至中间部分，以沿相同方向通过其其它路径传播。中空主体内部的横截面尺寸(例如直径)从远端部分朝向近端部分减小。因此，机壳主体具有喇叭形状，更具体地是具有倒喇叭配置/结构，该倒喇叭配置/结构配置为了使得位于近端部分的喇叭的窄端的尺寸与位于远端部分的喇叭的宽端(即，扬声器位置处/附近的喇叭的较宽一端)的尺寸相适合，从而完全不会阻碍开口并且仍然使回波(源自扬声器位置并引导至近端)能够在喇叭的窄端周围衍射/通过，并进入由机壳的中间部分限定的闭环状通道。虽然收缩部分的影响导致阻抗失配，但由于机壳的宽度/横截面区域从喇叭的宽端(远端)向窄端(近端)的转变是光滑且渐进的，所以这种影响被最小化了。在传播中可能发生一些反射/散射，但大部分声波都得以进入，且回波失真明显降低。在声波被环回以进行第二个循环，并到达喇叭的窄端(近端部分)处，阻抗失配有利于该环路(因为当声波沿声波传播方向行进时，在近端部分处的横截面区域会突然立即增大)，并且有利于将声波引入并进行另一圈循环。这对于本发明的实施例(例如，如图3A至3C、图4A至4C、图5A至5C和图6A至6B所示的实施例)来说是尤其有效的，在这些实施例中，近端设置为与中间部分相交但不伸出的孔/窗口。
通常而言，近端部分(喇叭的窄端)是由位于闭环状中间部分与其自身的交叉点处/附近的孔(例如，开口和/或声窗/声膜)形成的，或者近端部分(喇叭的窄端)包括位于闭环状中间部分与其自身的交叉点处/附近的孔(例如，开口和/或声窗/声膜)。该孔/开口的指向/定向，是为了使得从主体的中间部分传播并通过近端的孔的声波被反馈以沿相同方向(与在通过近端的孔之前在中间部分传播的方向相同的方向)通过中间部分传播。这使得来自远端处的扩音器后向产生的声波可以进入闭环状通道(由中间部分形成)中，并在其中进行再循环(滞留在其中)直到其振幅/强度减小(例如通过随着时间的推移而自然衰减，例如通过与其自身/或与具有与进入中间部分/在中间部分中传播的有着类似波长的其它声波的相消干涉，或者例如通过主体/中间部分的内壁的声吸收)。
根据某些实施例，近端部分的孔/开口位于近端部分与中间部分的交叉点处。在某些其它实施例中，近端部分还包括中空主体的延伸部分，该延伸部分至少部分地进入(延伸入)中间部分中，并进一步向其内部延伸。在这种情况下，近端的孔位于机壳的中间部分的腔内的延伸部分的末端。就这一点而言，优选地，该配置使得近端的孔和/或延伸部分被设置为定向，使得在中间部分中循环并通过中间部分传播的声波由孔/延伸部分引导，以与声波从远端部分进入中间部分时相同的方向在主体的中间部分中传播。这就使得，在主体的中间部分中传播并到达近端的声波被反馈以与之前相同的方向通过中间部分传播，而同时从扩音器远端到达的后向产生的声波沿相同方向进入中间部分并在中间部分的闭环状通道中传播，并滞留在其中。
如上所述的机壳主体的配置提供了对从安装在外壳远端部分处的声波换能器发出的回波的有效吸收。更具体地，中间部分被配置为了有效地发挥吸声体的作用。这是因为，机壳的几何形状有利于声波在机壳的中间部分的闭环中循环，从而每一次循环可以吸收一定比例的循环声能/声波，并且因此声吸收程度因喇叭结构(例如，闭环状通道横截面面积沿传播方向的逐渐减少)而增加，这有助于声波与机壳/壁/壁内的材料的多次冲击与反射。在机壳内传播的声波与其内部的材料的每一次相互作用会吸收一定量的声能，并指引其余声能继续以永续的方式进行再循环。实际上，根据本发明的各种实施方式，机壳的吸声率通过在中间部分/近端部分(例如在其壁附近/处)使用吸声材料/结构(例如使用由下文将更具体描述的功能不同的材料组合物形成的多层结构)以吸收在其中传播的声波/声能而进一步提高。
此外，如上所述的机壳主体的配置使得在中间部分再循环的滞留的声波/声能和进入远端部分至中间部分的声波/声能的增量之间能够相消干涉。这进一步降低了来自扩音器的后向传播声波的强度，并减少了其声学伪影。
因此，本发明的扬声器外壳配置使得吸声体能有效吸收后向传播声波，因为这些声波的能量大部分被滞留并通过中间部分和近端部分进行再循环(其大部分强度没有逃离中间部分)，直到其振幅/强度由于主体/中间部分的内壁或其它吸收性材料的吸声以及可能的话还有通过相消干涉(例如声波与其/或与具有与进入/传播于中间部分内的类似波长的其它声波的相消干涉)或随时间的推移而发生的自然衰减而减小。
为了有效减少回波的声学伪像，优选地是防止或减少尽可能多的回波量/强度逃离扬声器外壳，并保持它们在外壳内传播直到回波由于机壳壁的吸收或其之间的相互干涉而减少。为此，根据本发明的某些实施例，将近端部分和远端部分联接至中间部分的孔/界面区域配置为面向通过中间部分的同一大致传播方向。这有效地防止/减少了来自中间部分的声波向其上设置有声波换能器的远端开口传播，因此这样的配置防止或至少明显减少了逃离扬声器外壳的回波的量/强度。
考虑到该机壳主体限定了由扩音器的驱动器再现的声音的声传播路径/通道，本发明的机壳主体形成了由闭环状通道部分和通路部分构成的一体的波导结构，其中波导的横截面尺寸/面积沿其长度而变化。一方面，机壳主体的这种配置通过引起各种频率的回波传播声音在闭环状通道中循环并被吸收到闭环状通道中，同时使得与初始信号相对应的这些声波可以在通路内朝向远端传播以从扩音器中输出，而提供了最佳回波吸收条件，从而有利于再现的输出信号曲线与初始信号曲线达到高度匹配。
优选地，机壳主体的壁呈现出多层和/或图案化结构，这样的配置通过提供所需的机壳中性并减少了回波失真的影响，进一步提高扩音器性能。这样的多层和/或图案化结构包括声波吸收体层，是单层或多层(弹性)材料组合物，封闭在基本呈刚性的高反射性外层和基本呈刚性的高反射性内层之间。外反射层和内反射层的材料组合物可以是相同的或也可以是不同的。
优选地，内反射层由表面特征图案构成，其表面特征图案呈现了布置为了引导穿透了该层进行传播的声波进入该吸收体的折射界面。此外，这些特征优选地具有不同的配置，例如具有不同的晶格和/或呈减小几何形状和/或分形几何形状(形状和尺寸)，以用作用于不同频率的信号分量的折射界面。
在某些实施例中，上述一个或多个层体可以是沿着机壳主体具有不同厚度的。例如，该吸收体可能在位于/延伸于机壳主体的中间部分内部的近端部分的延伸部分中较厚。
因此，根据本发明的一个主要方面，本发明提供了一种用于扬声器装置的外壳单元，该外壳单元包括一体的中空主体，因而所述中空主体包括：
远端部分，其限定了用于将扬声器装置的声波换能器安装在其中的腔，并且具有开口端，来自所述声波换能器的前向传播声波通过该开口端输出；以及
闭环状声波波导通道，其流体连接至所述远端部分，用于接收从所述声波换能器发出的后向传播声波，并且配置为且可操作用于引导所述后向传播声波以永续的方式在闭环内传播，直到所述后向传播声波的强度减小。
根据本发明的某些实施例，闭环状声波波导通道内部的横截面尺寸朝向其近端部分减小。
根据本发明的某些实施例，中空主体的中间部分(限定闭环状波导通道)被配置用以吸收预定范围的声学波长，从而降低其在闭环状波导通道内传播期间后向传播声波的强度。在某些实施方式中，中空主体的中间部分包括一种限定了所述中间部分的壁的图案化结构。该图案化结构包括一个或多个配置为并且可操作用于吸收预定范围的声波波长的吸收体区域，以及具有基本反射和基本折射特性(对于声波波长的范围来说)中的至少一种特性的区域。例如，该图案化结构可以是包括吸收体层并且基本封闭在外层和内层之间的多层结构。至少内层(可能/通常还有外层)基本是刚性的。内层可包括配置用于将至少一部分与其相互作用的声波中的引导向吸收体层的折射界面的特征图案。
因此，根据本发明的另一个主要方面，本发明提供了一种用于扬声器装置的外壳单元，该外壳单元包括一体的细长中空主体，该细长中空主体限定了用于将扬声器的电子单元(例如声波换能器)安装在其中的腔，所述中空主体具有限定了外壳单元的开口端(由所述电子单元再现的声音通过所述开口端输出)的远端部分、具有开口端的近端部分以及位于远端部分和近端部分之间的中间部分，其中，中空主体的近端部分在中间部分的某一位置处联接至中间部分，从而限定了中空主体的环状部分，并且其中，中空主体内部的横截面尺寸从远端部分朝向近端部分减小。
根据本发明的又一个主要方面，本发明提供了一种用于扬声器装置的外壳单元，该外壳单元包括一体的细长中空主体，该细长中空主体具有限定外壳单元的开口端(再现的声音通过该开口端输出)的远端部分、具有开口端的近端部分，以及位于远端部分和近端部分之间的中间部分，其中，主体的近端部分在中间部分上的某一位置处联接至中间部分，从而限定外壳主体的环状部分。
根据本发明的又一个主要方面，本发明提供了一种用于扬声器装置的外壳单元，该外壳单元包括一体的细长中空主体，该细长中空主体具有限定外壳单元的开口端(再现的声音通过该开口端输出)的远端部分、具有开口端的近端部分，以及位于远端部分和近端部分之间的中间部分，其中，主体的近端部分在中间部分上的某一位置处部分地进入中间部分，并在中间部分内部从所述位置沿从远端部分向后的方向延伸。
本发明还提供了一种扩音器装置，该装置包括上述机壳/外壳单元以及配置为将与初始声音相对应的电信号转换为再现的输出声音的电子单元。该电子单元位于机壳主体内，在距机壳主体的远端部分较近的位置处。
在其又一方面，本发明提供了一种扩音器装置，该扩音器装置包括上述机壳/外壳单元，该机壳/外壳单元具有一体的细长中空机壳主体，该细长中空主体的内腔中承载有电子单元。可选地，在某些实施方式中，可以将多个扬声器(换能器)和/或分频器和/或放大器和/或DSP安装在由机壳主体的环状部分限定的开口内。
在本发明的又一个主要方面，本发明提供了一种用于扬声器装置的外壳单元。该外壳单元包括中空主体，该中空主体限定了用于将扬声器装置的声波换能器安装在其中的腔，并具有开口端，而来自声波换能器的后向传播声波通过该开口端输出。根据本发明的这一方面，中空主体的至少一部分的壁包括图案化多层结构，该图案化多层结构包括至少一个封闭在外层和内层之间的吸收体层。该至少一个的吸收体层被配置为且可操作用于吸收预定范围的声波波长。内层和外层基本上是刚性层，并且至少有一个层体是用来吸收该范围的声波波长。内层还可包括配置用于将至少一些与所述界面相互作用的声波中引导向所述吸收体层的折射界面的特征图案。
本发明还提供了一种制造扩音器外壳的新型方法。应当注意的是，尽管在下面的描述中，这种方法作为用于制造本发明的上述外壳单元而示出，但该方法可以有利地用于制造任何其它的扩音器。本发明的方法提供了通过3D打印技术和/或通过增材制造技术来制造机壳主体的方法。
附图说明
为了更好地理解本文所公开内容的主题，并举例说明其在实际中的操作方法，现将参照附图以非限定性示例的方式对实施例进行描述，其中：
图1A至1B、图2A至2B、图3A至3C、图4A至4C、图5A至5C和图6A至6B分别示出了根据本发明的原理配置的扬声器的机壳主体的六种配置；
图7A至7D示意性地示出了本发明用于选择机壳主体的材料组合物的原理；
图8列举了用于本发明的机壳主体的各种设计方案；
图9A至9K列举了机壳配置的各种特征；
图10A和10B示出了配置为亚低音扬声器的扬声器设计的示例；
图11A和11B是实验的扩音器装置的前视图和后视图；
图11C更具体地示出了图8所示扩音器装置中机壳的内表面；
图12A至12F示出了本发明的机壳装置中各种尺寸选择的非限制性示例，其中一些选择为用于优化扩音器的功能，一些用于优化装置的设计；
图13至图16列举了本发明用于扩音器机壳的3D打印的方法；并且
图17和图18A至18J示出了用于扩音器机壳主体的材料选择的模拟/实验结果。
具体实施方式
本发明提供了一种扩音器机壳的新型配置，旨在通过消除或至少明显减少回波失真影响并提供所需的机壳中性效应，从而提高扩音器性能。如上所示，在本发明中，这是通过机壳单元/主体的新型几何形状和材料结构而实现的。
参照图1A至1B、图2A至2B、图3A至3B、图4A至4C、图5A至5C和图6A至6B，图中分别示出了根据本发明的原理配置的扬声器机壳/外壳的六个示例。本发明的机壳配置为一体的细长中空主体10，其具有限定了机壳的开口端15的远端部分12A、具有开口端的近端部分12B，以及位于远端部分和近端部分之间的中间部分12C。应当注意，在本发明的某些实施例中，中空主体10内部的横截面尺寸(例如直径)从远端部分12A朝向近端部分12B减小。机壳主体10形成一个圈，使得主体的近端部分12B限定了/具有使中间部分12C与其自身在中间部分12C上的某一位置L处形成流体连通的孔。因此，机壳主体10具有由中间部分与其自身的连接而形成的环状(例如闭环状/环形)部分。联接位置L被选择设置在位于机壳主体内部的扬声器振动膜(此处未示出)的背面。
本发明的机壳主体10的配置形成由闭环状波导通道W1(谐振器)和通路通道W2形成的一体的波导结构，例如，波导沿其长度具有不同横截面尺寸，即，从远端部分12A朝向近端部分12B减小。这样的机壳主体配置所限定的闭环状通道W1，使得回波传播声音SB-W在闭环状通道中循环，同时使前向产生的声音可以在通路W2中沿方向D朝向远端传播，以从扩音器中输出。此外，机壳主体变化的内直径使得，不同频率分量的回波传播声音被引导在闭环状波导W1中循环，同时使与初始信号的分布相对应的各种频率分量可以在通路W2中向远端12A传播，从而提供了再现的输出信号曲线与初始信号曲线之间的高匹配度。
图1A至1B和图2A至2B所示的实施例列举了近端部分12B和中间部分12C之间的联接。如图所示，在这些示例中，主体的近端部分包括延伸入中间部分12C的延伸部位/部分12D。该联接使得近端部分12B的延伸部分12D进入中间部分，并且在其内部沿从远端部分12A向后的方向延伸。这使得，来自主体的远端部分的和来自主体的近端部分的声波被耦合并沿着相同方向在主体的中间部分中传播，从而促进它们之间有效的相消干涉。
在图1A至1B所示的示例中，近端部分12B进入中间部分12C，并且近端部分12B的延伸部分12D沿着闭环状中间部分12C的一部分延伸。在图2A至2B所示的示例中，该配置使得近端部分12B进入远端部分12A，并且近端部分12B的延伸部分12D延伸进入闭环状中间部分12C。
在图3A至3C、图4A至4C、图5A至5C和图6A至6B所示的实施例中，机壳主体10的配置使得主体的近端部分12B限定了位于中间部分12C与其自身的交叉点(通过流体连接方式交叉)位置L处的孔。配置位置L处的孔是为了使得来自远端部分12A的声波(向后传播的声波)和在中间部分12C中循环的声波在所述位置L处被耦合，以在主体的中间部分内沿相同方向(即循环方向)传播。因此这样也有利于声学回波的有效吸收，以及可能的话还有利于回波的有效相消干涉。
就这一点而言，应该指出的是，根据本发明优选，远端部分12A和近端部分12B都呈掠射角流体联接至中间部分12C(连接至闭环)，以防止/减少声波的后向反射通过闭环状中间部分(即防止声波沿相反方向循环)。在这一点上，应当理解，短语“远端”是指机壳主体10位于扬声器位置背面(在扬声器位置后面)和中间(闭环)部分12C之间的位置处的部分。
更具体地，图3A至3C所示的实施例示出，该机壳主体10的配置可以使得近端部分12B可以不与中间部分交叉，以插入中间部分的中空腔中。由位置L处的孔(在这一位置处中间部分12C与其自身流体交叉)形成的连接形成了永续环路。在这个具体的非限制性的示例中，近端部分和中间部分一个层叠在另一个上面。
图4A至4C、图5A至5C和图6A至6B列举了这种构思的变型。图4A至4C的配置通常类似于图3A至3C所示的配置，其中近端部分并不与中间部分相交，并且两个部分通过位于位置L处的孔合并在一起，同时两个部分一个层叠在另一个上面。然而，在这种配置中，扬声器位置后面紧邻一个漏斗状的几何形状(空腔的形状)，其将回波引导入现在环绕在扬声器周围的永续环路中。在图5A至5C和图6A至6B所示的示例中，机壳主体10的配置类似于图4A至4C所示的示例，其中存在一个将回波引导入环绕扬声器位置周围的环路中的漏斗，并且机壳主体10还类似于图3A至3C所示的示例，其中不存在近端部分和中间部分的自相交几何形状。然而，这里与图4A至4C所示的示例不同。近端部分和中间部分一个堆叠在另一个前面(沿深度轴线)，而不是一个层叠在另一个上。
因此，图3A至3C、图4A至4C、图5A至5C和图6A至6B示出了在图1A至1B和图2A至2B中所示的本发明的总体构思的实施方式/配置的各种具体的非限制性示例，根据该实施方式/配置，该机壳主体配置限定了永续自续式环形几何形状。这种几何形状可以采用任何截面轮廓(圆形或有锋利边缘)；可以与扬声器位置的方向一致或者转向不同的方向(即，环路可紧接在扬声器之后或者可通过使用将声波引导到环路中的漏斗几何形状与扬声器呈一定角度连接)；并且可以具有自相交几何形状或不相交合并路径(可以以任何方向进行自相交或合并)。应当理解，这种几何形状是指扬声器单元(驱动器)所位于的扬声器位置后面的空气容积/腔的形状，并且这种几何形状并不一定要在设备的外部形状中体现出来。
参照图7A，图中示出了根据本发明的另一个实施例的用于扬声器装置的外壳单元(机壳主体)10。该图示出了外壳单元/机壳主体10的壁的示意性剖视图。在本实施例中，如图所示，外壳单元10具有中空主体，该中空主体的至少一部分的壁包括图案化的多层结构14。
应当理解，根据本实施例，机壳主体10可采用适合于再现感兴趣的声波波长范围内的声音的任何三维形状和尺寸。在这一点上，图中所示的横截面的圆形形状仅仅是为了清楚起见以及出于说明的目的而提供，并且不应理解为是对机壳主体10的三维形状的限制。例如，机壳主体10的外部三维形状和/或其内腔的内部形状可以是立方体和/或球形/椭圆形形状，并且/或者可以是任何其它形状。机壳主体的替代或其它/几何配置可以类似于上述参考图1A至图6B中的任何一个所描述的配置，同时也如下所示。
机壳主体壁呈现由功能不同的材料组合物形成的结构。这可以实现为如图所示的多层结构14，或者可以大体上是图案化结构的形式，即这种结构具有多个区域，这些区域分别针对了在其中进行的声波传播的不同性质。
此类图案化结构14包括声(声音)波相对吸收的区域，以及相对于声波发生反射/折射的区域。如图7A所示的具体的非限制性示例所述，机壳主体结构14是包括可以是单层或多层结构的声波吸收体14B的多层结构，以及将该吸收体14B封闭在其中的外层14A和内层14C。吸收体层14B可以由弹性材料组合物制成。外层14A和内层14C基本上是刚性的高反射层；这些层可以由相同或不同的材料组合物制成。内层14C优选地还进一步图案化，如下文所进一步描述的。
图7B、7C和7D更具体地示出了机壳主体的上述不同层体。为了清楚起见，在这些具体的非限制性图示中，机壳主体的三维几何形状和配置类似于上文参考图2A和2B所示出和描述的，实现了上述闭环状几何形状。然而，正如本领域的技术人员将容易理解的，根据本发明的机壳主体壁的多层结构的实现并不限于这一具体的几何形状。
图7B是示出了机壳主体的外部高反射层14A的机壳主体10的最终结构14；图7C是没有外层的机壳主体，图中示出了吸收体层14B；并且图7D示出了主体结构14的内层14C。如图所示，内反射层14C具有由图案特征16的排列而形成的表面图案(表面浮雕)，图案特征16限定了折射界面，以引导声波与该层相互作用/通过该层传播，从而进入吸收体14B中。此外，这些图案特征16(在本示例中是菱形的)优选地是不同几何形状(尺寸和/或形状)的，可包括减小了的几何形状和/或分形几何形状以用作不同频率的信号分量的折射界面。
应当理解，图7B至7D仅仅出于说明的目的而提供，以更具体地示出机壳主体配置中的不同层体。机壳主体可以在多材质3D打印方法中的普通打印阶段(即，将所有层打印在一起)中被制造。
14A、14B和14C所示的层中的一个或多个可沿机壳主体具有不同的厚度。例如，可以将吸收体层14B配置为其位于机壳主体10的中间部分12C内部的延伸部分12D内的部分比吸收体层14B的其他部分更厚的形式。
图8示出了利用本发明的上述原理配置的机壳主体的各种可能设计。机壳主体各部分的尺寸以及材料的组分可以被适当地选择，以优化机壳主体内的声波传播能力，从而提高扩音器设备的性能。
机壳主体10安装在支撑结构上。图9A中示出了支撑结构20的具体的非限制性示例。图9B至9J示出了扩音器机壳10的各种制造步骤，图中以不言自明的方式示出了本发明的机壳主体的上述结构特征。
图9K示出了扩音器装置30，其包括安装在支撑结构20上的上述机壳10，以及安装在其远端部分处的机壳内部的电子单元22。此类电子单元的配置和操作本身是已知的，并且不构成本发明的一部分，因此不需要对其进行具体描述，除了需要指出，电子单元操作用来将与初始声音(之前所记录的)相对应的电信号转换为要从扩音器中输出的声音，并且电子单元通常包括驱动器和相关的振动膜。如上所述，机壳主体的近端部分12B与其中间部分12C之间的联接位置位于振动膜的背(后)面，即，在回波传播路径中。
图10A和10B示出了本发明的扩音器装置的具体非限制性示例(配置为亚低音扬声器)。如图所示，由机壳主体10限定的环状部分11限定的开口/空间21(如图10B所示)可用于放置集成在机壳中的放大器单元24，从而形成用于再现低音调音频(低音)的有源扬声器(亚低音扬声器结构)。
图11A和11B示出了示例性扩音器装置的前视图和后视图，图中机壳主体安装在支撑结构上，并且其后侧适当设置有电连接端口。图11C示出了机壳主体的图案化结构，即，上述最底层14C的表面。
如上所示，可出于功能和设计的目的，适当选择机壳主体的各结构部分的尺寸。这在图12A至12F中进行了列举。
扬声器机壳的上述配置可以通过任何已知的适当技术制造。以下是本发明用于制造扩音器机壳的新型方法的示例。该方法可用于制造本发明的上述机壳主体，以及任何其它的扩音器机壳。本发明的方法提供了(但不限于)通过3D打印技术制造机壳主体，和/或使用增材制造技术制造机壳主体。
本发明申请的发明人已经研究了不同的3D打印材料和材料配置如何对给定几何形状的机壳主体的声学响应产生影响。为此，本发明的发明人进行了实验，实验中钢球从受控的高度下落到各种不同材料或材料配置的尺寸一致的板(“实验坯料”)上。用电容式传声器记录下所产生的可听见的碰撞(脉冲)。然后对未压缩的录音进行剪辑，以便在每个文件上同时发生脉冲；这有利于录音之间的进一步对比。然后将录音转换为显示了随时间推移的频率和振幅的频谱瀑布图(waterfall chart)。该图表之后可以与另一个图表进行比较并作出对照解释，以做出正确的决定。
这一点可以参考图13至图16，图中示出了实验装置。为了控制测试坯料的位置、钢球的高度、球在测试坯料上的撞击点以及麦克风相对于测试坯料的位置，使用激光切割MDF(中密度纤维板)构建了一种可以在测量之间进行精确和可重复的定位的结构。
该结构的特点是，其是具有几个可以容纳用于释放钢球的托盘的狭槽的“塔”。这使得可以在撞击点处进行一定程度的高度调整(以及因此而来的速度调整)。该结构的中心的特点是与切出空间呈45度角倾斜的平台，以及设置在所有内角上的圆顶状硅胶垫(每个角有3个)。这使得测试坯料可以以牢固的且可重复的方式装载到平台上，并与该结构实现最小接触。45度倾斜可确保钢球撞击时能够立刻从测试坯料弹回，并且不会撞击两次。该结构使得麦克风可以直接定位在球的撞击点之下，该结构在倾斜平台的底部标有指定的孔。整个结构放置在毡垫上，以将其与放置它的表面分离，从而使得录音更清晰。
所使用的钢球是标准的16mm直径的镀铬钢轴承。该轴承被托起，并且对准顶部托盘中圆孔的底侧，钕磁体放置在相对侧上。当所述磁铁被移除，轴承自由下落，并以相同的速度撞击测试坯料的相同位置。
用于音频录音的麦克风是一对立体声相配的Samson C02笔形电容录音话筒。一个直接放置在测试板上的冲击点的下方，另一个放置在向下指向测试坯料中心的顶侧上，并以大约30度的角度偏向一侧。
图17示出了包括不同材料与配置的100x100x10mm(宽x长x高)的由3D打印的块状测试坯料。具有不同机械性能的不同材料的组合会导致不同的吸声/声反射性能，并提供了用于实现图案化结构和忠实再现声音的所需的声学特性。本发明人用不同的材料配置进行了实验，以确定用于扬声器外壳中实现的最佳性能组合和结构。在这些实验设置中，下列材料组合(测试坯料)用在扬声器外壳的多层/图案化结构中，为扬声器外壳提供良好的声学和机械/结构特性。
坯料A：单种材质的试块，使用数种材料重复试验，包括：诸如Vero ClearTM的透明光聚合物、诸如Digital ABSTM的ABS类光聚合物以及诸如RGD525TM的起到支撑和填充作用的耐热性光聚合物。
坯料B：一个柔性材料(例如，诸如TangoBlackPlusTM的弹性光聚合物)层，其夹在两个刚性材料(例如，诸如VeroWhiteTM的高性能光聚合物)层之间，柔性层的厚度是夹层厚度的两倍，从而各层厚度比为1:2:1，且总材料比为1:1。
坯料C：几个柔性材料(例如，诸如TangoBlackPlusTM的弹性光聚合物)层和刚性材料(例如，诸如VeroWhiteTM的高性能光聚合物)层，这两种层体以交替的顺序一个层叠在一个上面。在某些实施例中，坯料C包括十个交替排列的具有均匀厚度的上述两种材料层，总材料比为1:1。优选地，柔性材料层暴露在坯料的一侧上，而刚性材料层暴露在另一侧上。
坯料D：一个柔性材料(例如，诸如TangoBlackPlusTM的弹性光聚合物)层，其夹在两个刚性材料(例如，诸如VeroWhiteTM的高性能光聚合物)层之间，所有层厚度均匀，因此层厚度比为1:1:1，总材料比为2:1(刚性材料占多数)。
坯料E：由柔性材料组成(例如，诸如TangoBlackPlusTM的弹性光聚合物)的内芯，其嵌入在厚度均匀的刚性材料(例如，诸如VeroWhiteTM的高性能光聚合物)的连续外壳内，总材料比为1:1。
坯料F：由刚性材料(例如，诸如VeroWhiteTM的高性能光聚合物)制成的各种尺寸的正方形方块，其是由柔性材料(例如，诸如TangoBlackPlusTM的弹性光聚合物)的“壁”分隔，形成具有嵌入了分隔开的刚性方块部分的连续柔性结构，总材料比为1.8:1(刚性材料占多数)。
坯料G：一种由柔性材料组成的(例如，诸如TangoBlackPlusTM的弹性光聚合物)的“分子”结构，其嵌入在刚性材料(例如，诸如VeroWhiteTM的高性能光聚合物)的连续方块中，总材料比例为2.3:1(刚性材料占多数)。
在这一点上，应当注意，在本发明的某些实施例中，用于构建扬声器外壳的大多数或所有材料可以是聚合物，例如可固化聚合物(例如光聚合物)。因此，根据本发明的某些实施例，其提供了一种用于制造扬声器外壳的新型技术，其是通过使用例如上述的3D打印技术(例如，在使用光聚合物的情况下用UV固化的PolyJet 3D打印)，和/或其它增材制造技术，以聚合物(优选地为光聚合物，如上文所述的那些光聚合物)构建外壳的图案化结构而实现的。通过使用这些技术，可以制造上述坯料A至坯料G的图案化/多层结构中的任何一个，以及可能的话还可以制造用于扬声器外壳的其它多层配置。
实际上，在本发明的其它实施例中，其他不同的材料(即，刚性和柔性(例如金属和塑料)材料)的物理上地组合也可用于(如上述配置)以上述方式构造扬声器的外壳(其图案化/多层结构)。
图18A至18J示出了上述测试坯料的测量结果。这些图中的每一幅都以脉冲响应振幅对频率和时间的函数的形式示出了机壳主体的信号响应。图中示出了特定频率随时间的推移而发生的衰减。在这些实验中，存在四或五个频率，或者可能存在六个频率，这取决于所选的振幅阈值。这意味着某些频带被放大，而其余的不放大。重要的是要指出，频率标度上的数字“2”对应于20000Hz，这是人类听觉的极限：任何频率在2至4.5之间的事物都是听不到的。
图18A、18B和18C对应着坯料A，图18A对应VeroClearTM、图18B对应DigitalABSTM和图18C对应起到支撑和填充作用的的RGD525TM。图18D对应于坯料B材料组合物。图18E和18F分别对应坯料C的VeroWhiteTM层和TangoBlackPlusTM层。图18G至18J分别对应坯料D、坯料E、坯料F、坯料G。
根据坯料A的不同情况，其显示出，DigitalABSTM和VeroClearTM的特征是都具有许多(4-6个)不同的频率，其响应声音最大且衰减最慢。RGD525TM方块的性能类似于多材料坯料，特点为在低频频谱中只有1或2个主频率，其声音最大，且衰减最慢，但仍然不如单材质的方块声音大衰减慢。这是由于RGD252TM方块本身就是一种多层材料，其与坯料D一样，是一种起到支撑和填充作用的结构。
坯料B和坯料C(VeroWhiteTM)的结果之间的对比表明，多层坯料C的特征在于在所测量的频谱上衰减更快。
坯料B和材料D之间的对比(考虑刚性材料和柔性材料的比)表明，坯料D的材料比倾向于刚性材料导致更快的衰减。然而，应当指出，这并不意味着完全移除柔性材料将导致衰减时间最快，如坯料A的测量所示的。
坯料B和坯料E(连续vs分离)的对比显示出，嵌入在连续的中空壳体内的坯料E的内柔性芯导致了比坯料B的“自由浮动”分层结构上更快的衰减。
坯料C(TangoBlackPlusTM)和坯料C(VeroWhiteTM)之间的对比显示，刚性冲击表面在较高频率下比柔性材料显示出更多信息，其在低频频谱中明显声音更大。用刚性材料作为冲击表面导致在测量的频谱上发生更均匀的响应和衰减。将柔性材料作为冲击表面导致中高频下的振幅更低，衰减更快，但在低频频谱下振幅更高，衰减更慢。
与其它坯料不同并且不控制任何物料的坯料F和坯料G的特征都是，总材料比中都是刚性材料占比大，并且与所有的单材质的坯料和许多多材料坯料相比，二者均产生更均匀的响应且衰减更快。与具有嵌入式柔性结构的坯料G的连续刚性方块相比，具有“隔离岛”结构的坯料F在所测量的频谱上衰减更快。这与之前表明连续结构性能更好的观察结果相矛盾，但可以根据坯料之间材料比不同而进行解释。然而，坯料F和坯料G之间不同的材料比表明，坯料G的性能应该更好。因此，可能存在实现最快衰减的刚性和柔性材料比的“最佳点”。在给定几何形状的情况下，柔性和刚性材料的形状(或几何分布)对声学响应产生显著的差异，这个差异可能甚至比材料之间的比率差异更大。
鉴于以上内容，申请人已经发现，在本发明的实施例中可以发现使得外壳具有最佳声学性能和结构完整性的配置，其中，该外壳包括至少两个刚性层，并且至少两个的刚性层夹住至少一个弹性吸收层，并且优选地，内层被分割成单独的片段/分段。
因此，本发明提供了一种用于配置扩音器的机壳主体的新型方法。这种方法有利于从功能和设计的角度来优化了机壳主体的配置。本发明的机壳主体有利于通过降低回波失真影响并提供所需的机壳中性从而提高扩音器的性能。

Claims (22)

1.一种用于扬声器装置的外壳单元，包括一体的细长中空主体，所述中空主体限定了用于将所述扬声器的电子单元安装在其中的腔，所述中空主体具有限定了所述外壳单元的开口端的远端部分、具有开口端的近端部分，以及位于所述远端部分和所述近端部分之间的中间部分，由所述电子单元再现的声音通过所述外壳单元的所述开口端而输出，其中，所述主体的近端部分在所述中间部分上的某一位置处与中间部分连接，从而限定了所述中空主体的环状部分，并且其中，所述中空主体内部的横截面尺寸从所述远端部分朝向所述近端部分减小。
2.根据权利要求1所述的外壳单元，其中，所述近端部分在所述位置处部分地进入所述中间部分中，并且在所述位置处沿着所述远端部分向后的方向在所述中间部分内部延伸。
3.根据权利要求1所述的外壳单元，其中，所述近端部分限定了所述中间部分用于流体连通的孔，所述孔在所述中间部分与其自身的交叉点处。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的外壳单元，其中，所述中空主体限定了用于使声音通过其传播的一体的波导结构，所述波导结构由闭环状波导通道和通路通道形成，所述闭环状波导通道由所述环状部分限定，并且所述通路通道由所述中空主体的一部分限定，所述通路通道位于所述中间部分上的所述连接位置与所述远端部分之间。
5.根据权利要求4所述的外壳单元，其中，所述远端部分以掠射角联接至所述闭环状波导信道。
6.根据权利要求4所述的外壳单元，其中，所述联接位置位于相对于用于定位电子单元的所述腔的中间部分上，从而使得在操作中，由电子单元产生并沿向后的方向传播的声波在所述闭环状波导信道中循环。
7.根据前述权利要求中任一项所述的外壳单元，其中，所述中空主体是图案化结构，所述图案化结构包括配置为且可操作为用于预定范围声辐射的吸收体的区域，以及对于所述范围的声辐射基本反射和折射的区域。
8.根据权利要求7所述的外壳单元，其中，所述图案化结构是多层结构，所述多层结构包括吸收体层，该吸收体层封闭在具有所述基本反射和折射区域的外层与内层之间。
9.根据权利要求8所述的外壳单元，其中，所述内层和外层基本上是刚性层。
10.根据权利要求7或8所述的外壳单元，其中，所述内层配置为图案化结构，所述图案化结构包括以下特征：配置为声波的折射界面，从而引导与所述界面相互作用的声波进入所述吸收体中。
11.根据权利要求10所述的外壳单元，其中，所述图案化结构的特征具有用于折射所述声波中不同频率分量的不同晶格和/或减小了的几何形状和/或分形了的几何形状。
12.根据前述权利要求中任一项所述的外壳单元，所述外壳单元装备有声波换能器，所述声波换能器安装在由所述远端部分限定的开口中。
13.一种扩音器装置，包括前述权利要求中任一项所述的外壳单元，以及一种配置为将与初始声音相对应的电信号转换为再现的输出声音的电子单元。
14.根据权利要求13所述的扩音器装置，其中，所述电子单元位于所述外壳单元的所述中空主体内部，所述电子单元在距所述中空主体的所述远端部分较近的位置处。
15.一种包括外壳单元的扩音器装置，所述外壳单元包括装备有电子单元的一体的细长中空主体，所述电子单元包括将与初始声音相对应的电信号转换为再现的输出声音的声波换能器，其中，所述一体的细长中空主体限定了用于将所述电子单元安装在其中的内腔，并且具有限定了所述外壳单元的开口端的远端部分、具有开口端的近端部分，以及位于所述远端部分和所述近端部分之间的中间部分，由所述电子单元再现的声音通过所述外壳单元的所述开口端输出，所述主体的所述近端部分在所述中间部分上的某一位置处与所述中间部分连接，从而限定所述中空主体的环状部分，所述声波换能器安装在由所述远端部分限定的开口内。
16.一种用于扬声器装置的外壳单元，所述外壳单元包括一体的中空主体，其中，所述中空主体包括：远端部分，所述远端部分限定了用于定义为将所述扬声器装置的声波换能器安装在其中的腔，并且具有开口端，从所述声波换能器发出的前向传播声波通过所述开口端而输出；以及
闭环状声波波导通道，所述闭环状声波波导通道流体连接至所述远端部分，设置用于接收从所述声波换能器发出的后向传播声波，并且配置为且可操作用于引导所述后向传播声波在所述闭环内以永续的方式传播，直到所述后向传播声波的强度降低。
17.根据权利要求16所述的外壳单元，其中，所述中空主体包括具有开口端的近端部分，以及流体连接在所述远端部分和所述近端部分之间的中间部分，并且其中，所述近端部分的所述开口端在所述中间部分的某一位置处沿着中间部分流体连接至所述主体的所述中间部分，从而使得通过所述中间部分朝向所述近端部分的所述开口端传播的声波在穿过所述近端部分的所述开口端、所述中间部分和所述近端部分之后，再次进入所述中间部分中，从而限定所述中空主体的所述闭环状声波波导通道。
18.根据权利要求17所述的外壳单元，其中，所述中空主体的所述闭环状声波波导通道内部的横截面尺寸从所述中间部分朝向所述近端部分减小。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的外壳单元，其中，所述中空主体的至少所述中间部分配置用来吸收预定范围的声波波长，从而当后向传播声波在所述闭环状波导通道中传播时降低其强度。
20.根据权利要求19所述的外壳单元，其中，所述中空主体的至少所述中间部分包括限定了所述中间部分的壁的图案化结构，并且其中，所述图案化结构包括：配置为且可操作用于吸收所述预定范围的声波波长的一个或多个吸收体区域，以及对于所述范围的声波波长具有基本反射和基本折射特性中的至少一种特性的区域。
21.根据权利要求20所述的外壳单元，其中，所述图案化结构是多层结构，所述多层结构包括基本封闭在外层和内层之间的所述吸收体层，并且其中，所述内层基本是刚性的，并且包括配置为用于将至少一些与折射界面相互作用的声波引导向所述吸收体的所述折射界面的特征图案。
22.一种用于扬声器装置的外壳单元，所述外壳单元包括中空主体，所述中空主体限定了用于将所述扬声器装置的声波换能器安装在其中的腔，并且具有开口端，从所述声波换能器发出的前向传播声波通过所述开口端输出，并且其中，所述中空主体的至少一部分的壁包括图案化多层结构，所述图案化多层结构包括封闭在外层和内层之间的至少一个吸收体层，其中，所述至少一个吸收体层配置为且可操作用于吸收预定范围的声波波长，所述内层和所述外层是对于所述范围的声波波长具有基本反射和基本折射特性中的至少一种特性的基本刚性层，并且所述内层包括配置为用于将至少一些与折射界面相互作用的声波引导向所述吸收体的所述折射界面的特征图案。
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