CN108702563B - 用于信号处理的装置 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括能够接纳用于将电信号转换成转向可听信号的换能器阵列的包围件。该装置还包括在包围件内的限定端口的一个或多个结构，该端口具有位于包围件内的一端和在包围件之外的另一端。该装置还包括位于一个或多个结构中的一个结构中的声阻元件，该声阻元件能够减小端口的声学特性对由换能器阵列产生的可听信号的影响。

Description

用于信号处理的装置
技术领域
本文涉及用于换能器的包围件，特别是用于改善带端口(ported)换能器阵列包围件的声学性能的设计。
背景技术
扬声器可以被认为包括至少两个主要部件：将电信号转换成机械运动的换能器，以及被设计为将机械运动转换成辐射声音的包围件。虽然一些包围件是密封的，但另一个包围件设计包括允许空气在包围件的内部和外部之间通过的端口。通过并入端口，可以产生较小的包围件，其是高效的(在给定电功率输入而辐射的声音方面)，并且相对于密封包围件更灵敏(在给定电信号输入而辐射的声音方面)。
发明内容
本公开提供了一种技术，用于改善具有换能器阵列的带端口换能器包围件的声学特性。通过引入声阻元件，端口的声学特性(例如，模式)可以被减弱。通过使用这样的阻性元件(或多个元件)，不需要的声学效应(例如，出现在播放内容的频带内的端口特征的频谱峰值)可以被减少，以改善由单个扬声器产生的输出声音、由扬声器阵列形成的束等。
在一个方面，装置包括用于将电信号转换成转向可听信号换能器阵列。该装置还包括包围件，该包围件包括换能器阵列中的每个换能器。该装置还包括在包围件内的限定端口的一个或多个结构，该端口具有位于包围件内的一端和在包围件之外的另一端。该装置还包括位于一个或多个结构的一个结构中的声阻元件，该声阻元件能够减小端口的声学特性对由换能器阵列产生的可听信号的影响。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。声阻元件可以被配置为改变被包括在端口中的一个或多个通道的声学特征。声学元件可以由端口和被包括在包围件中的另一个端口共用。端口可以包括第一通道部分和第二通道部分，阻性元件位于由第一通道部分和第二通道部分共用的壁结构中。阻性元件可以位于由被包括在端口中的通道和包围件的外部共用的壁结构中。声阻元件可以包括单个层。声阻元件可以包括多个层。声阻元件可以包括织物材料层。声阻元件可以包括金属网。声阻元件的形状通常可以为矩形。
在另一方面，装置包括用于将电信号转换成转向可听信号的换能器阵列。该装置还包括包围件，该包围件包括换能器阵列中的每个换能器。该装置还包括在包围件内的限定端口的一个或多个结构，该端口具有位于包围件内的一端和在包围件之外的另一端。该装置还包括位于一个或多个结构中的一个结构中的声阻元件，声阻元件能够减小端口的声学特性对由换能器阵列产生的可听信号的影响。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。声阻元件可以被配置为改变被包括在端口中的一个或多个通道的声学特征。声学元件可以由端口和被包括在包围件中的另一个端口共用。端口可以包括第一通道部分和第二通道部分，阻性元件位于由第一通道部分和第二通道部分共用的壁结构中。阻性元件可以位于由被包括在端口中的通道和包围件的外部共用的壁结构中。声阻元件可以包括单个层。声阻元件可以包括多个层。声阻元件可以包括织物材料层。声阻元件可以包括金属网。声阻元件的形状通常可以为矩形。
根据说明书和附图，以及根据权利要求，其他特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是带端口扬声器包围件的截面视图。
图2是用于换能器阵列的带端口包围件的图形表示。
图3是包括声阻元件的用于换能器阵列的带端口包围件的图形表示。
图4是用于换能器阵列的带端口包围件的图形表示，该带端口包围件将声阻元件结并入到由两个端口通道段共用的壁结构中。
图5是用于换能器阵列的带端口包围件的图形表示，该带端口包围件包括被并入到多个壁结构中的声阻元件。
各个附图中的相同附图标记指示相同元件。
具体实施方式
参考图1，示出了扬声器的带端口包围件100的截面视图，其包括四个壁102、104、106、108，它们通常限定包围件的结构。在该布置中，将电信号转换成可听信号的换能器(换能器110)被安装到上壁108；然而，在其他示例中，换能器可以不同地被定向。为了允许空气在由包围件100限定的声学体积(即包围件的内部)和包围件的外部环境之间自由流动，端口112被并入到包围件的上壁108中。在该特定示例中，通过圆柱形结构来实现端口；然而，可以采用其他设计(例如，不同的形状、截面等)。通常，端口112包括端口接口114，其允许空气从周围环境进入端口并离开端口。端口112还包括端口通道116，其将空气引入包围件的内部并且将空气从包围件的内部引出。
通常，端口可以具有不期望的声学属性，包围件设计可以解决(例如，最小化)不期望的声学属性以提供适当的性能并且仍然保持相对小的尺寸。通过允许空气流动通过端口，可以产生不期望的噪声和失真。例如，端口的几何形状(例如，端口通道长度)可以产生声驻波，该声驻波可以通过激励驻波引入共振、增强噪声和/或失真等来改变扬声器的期望频率响应。在端口的体积是整个包围件体积的相当大部分的布置中(例如，端口体积是包围件体积的50％或更多)，端口中的驻波可以发生在扬声器(其包括端口和(一个或多个)换能器)的工作频带内的频率。通过控制技术(例如，阻尼)，可以减少它们的破坏(corrupt)效果。附加地，通过适当地抑制这种驻波，波和/或谐振可以被利用来改善(例如，增加)扬声器的输出、效率等。
计算机辅助建模和设计、计算分析(例如，有限元分析)、先进的制造工艺和材料等的引入已经允许带端口包围件被设计为与密封包围件设计相比具有更高的质量水平和改进的频率响应。连同包围件本身的布局(例如，换能器位置等)和其他设计参数(例如，包围件尺寸、所采用的材料，诸如壁衬里等)一起，允许空气流动(向和来自包围件的内部)的端口的设计可能影响扬声器的整体性能。
如上文所提及的，端口112可以有助于增加扬声器(包括包围件100和换能器110)的输出处的噪声。特别地，端口接口114和端口通道116两者均可能引起可以被认为是噪声源的共振、驻波等的引入。例如，可能通过端口接口的结构、端口通道的结构等而激发共振音调。当由扬声器播放的可听内容的频谱范围包括共振音调的频率时，这样的噪声音调可能特别地分散听者的注意力。例如，内容的低音调可能受到音调共振、驻波等的影响，并且从而破坏播放。除了影响单个换能器包围件的性能之外，包含多个换能器的包围件的性能可能劣化。其他类型的包围件也可能以类似的方式受到影响。例如，波导型包围件可以被认为是消耗几乎包围件的整个体积的端口(例如，包围件的小部分(10％)由换能器或包围件中的换能器使用)。类似于所图示的包围件，驻波可以形成在波导包围件中并且潜在地破坏扬声器的输出。这样的波导的示例在题为“Acoustic Waveguiding”的美国专利No.7,565,948和题为“Low Frequency Enclosure for Video Display Devices”的美国专利No.8,295,525中被描述，这两篇专利以其全部内容通过引用并入本文。
参考图2，图形表示图示了用于多个换能器的带端口包围件设计的横截面。在该示例中，包围件200包括换能器阵列202(例如，五个换能器204、206、208、210、212)和端口214。端口214包括端口接口216和端口通道218，端口通道218允许空气在包围件200的内部和包围件之外的周围环境之间流动。特别地，端口通道218在端口接口216处开始并且在通向包含换能器阵列202的腔体222之前沿着包围件的后壁220延伸。在一些布置中，包围件200可以被用于生产音响棒产品(也被称为媒体棒)，其可以在使用单个包围件时产生多通道环绕效果。对于这种音响棒设备，多个换能器通常沿特定维度(例如，沿水平方向或竖直方向)被定向。通常，扬声器的定向是针对感兴趣的声学效果、音响棒的安装位置(例如，在诸如电视，计算设备显示器等的显示设备之上或之下)被确定的。
类似于图1所示的单个换能器包围件，端口接口216和端口通道218两者都可以是能够影响换能器阵列202的包围件200的性能的噪声源。例如，在某些频率(例如，几十赫兹及以上)，基于由端口创建的开放端通道内的空气移动，驻波可以在端口214中形成。这种驻波的声学效应可以在各种频率(例如，1KHz等)处出现，这些频率也被包括在正在播放的音频内容的频谱中，从而可能破坏由包围件200产生的可听信号。附加地，这些噪声源也可以影响换能器阵列202的输出。例如，波束形成操作可以在被输入到各个换能器204至212的信号上被执行，例如，将一个或多个方向上的可听信号转向到包围件之外的一个或多个位置，等等。由于由端口部件创建的噪声相位难以控制，由换能器阵列202产生的转向波束(或多个波束)可能受到影响，并且所产生的音频内容的声学质量可能(与听觉体验一起)退化。
参考图3，一种或多种技术可以被实现以减少端口噪声源的效应，以免破坏各个扬声器的音质和换能器阵列的整体性能。例如，减少声学效应的一个或多个元件可以被并入到限定换能器阵列包围件的端口部件(例如，端口通道)的一个或多个结构(例如，壁)中。示出了包围件300，其包括换能器阵列302(包括五个换能器304、306、308、310和312)和端口314，端口314包括端口接口316和端口通道318(其具有位于端口接口处的一端和通向腔体320的另一端，该腔体320包含换能器布置302)。为了减少基于端口314的声学特性形成的一个或多个驻波的效应，阻抗声学元件322被并入到结构(例如，壁结构324)中以减小端口接口306、端口通道318等的声学共振特征。在该图示中，元件322的几何形状(例如，尺寸，形状等)被图形地示出以在视觉上突出显示该元件。例如，元件322被示出为从壁结构324的两个表面向外延伸；然而，在各种实施方式中，元件的几何形状可以被设计成使得元件基本上与一个或两个壁表面齐平。例如，元件322可以是被并入到壁中的屏(screen)。通常，为了减小声学效应，跨元件的声压差(例如，元件322的端口通道318侧存在的声压与换能器306附近的元件322的腔体320侧存在的声压之间的差)可能很低。
在该被示出的示例中，单个声阻元件被并入壁结构324中；然而附加的元件可以类似地被并入壁中。而且，一个或多个阻性元件可以并入端口通道318的其他结构中；例如，一个或多个阻性元件可以被包括在由端口通道和包围件300的另一部分共用的壁结构中。在一个布置中，一个或多个元件可以被并入与端口通道318共用的外壁结构(例如，壁326)中。每个壁结构上的类似位置可以被选择以用于并入这样的阻性元件，或者针对多个元件的不同位置的方位可以被选择。
元件的各种类型的设计参数可以被调整以减小端口(例如，端口接口，端口通道等)的声学特性。例如，一个或多个元件的尺寸和形状可以被调整。类似地，元件的定向(例如，被嵌入在壁结构中)可以单独地或一致地(例如，以创建特定图案)被调整(例如，被平移、旋转等)，以解决某些共振效果。
各种类型的结构可以被采用以用于制造一个或多个声阻元件。例如，单层元件(例如，单层屏)或多层元件(例如，堆叠的屏)可以被设计和使用。对于多层阻性元件，一个或多个间隔距离可以被采用以用于设计。此外，空气可以被允许在多个层之间流动，或者，一种或多种材料可以被使用以在屏之间创建结构。例如，不同的图案(例如，脊、通道等)可以被结合到位于屏对之间的结构中。这种屏还可以结合一个或多个几何形状(例如，通常为矩形形状等)。
各种类型的材料可以被使用以用于制造阻性元件，以抑制端口接口和通道的声学特性的效应。例如，被包括在阻性元件322中的一个或多个屏的成分可以是金属的，并且包括一种或多种金属(在一些布置中与其他类型的材料一起)。基本上固体的金属层(或多个层)可以被用来制造屏。网和其他类型的图案设计可以在一个或多个屏中被采用。一种或多种织物可以在阻性元件中被采用；例如，相对坚硬的织物可以被使用，其能够承受换能器阵列包围件300的环境影响(例如，温度、声压、振动等)。复合材料也可以被用来创建阻性元件322的屏、屏框架或其他结构部件。不同材料的组合也可以被用于制造阻性元件322的部件；例如，一种或多种复合材料(例如塑料)和金属可以被采用。
参考图4，图形表示图示了另一个换能器阵列包围件设计的截面。在该示例中，包围件400包括换能器阵列402(包括换能器404、406、408和410)和相对更复杂的端口(与图1的圆柱形端口112相比)。端口413包括由一系列区段组成的端口通道，这些区段产生在方向上交替的路径。在该示例中，端口接口414(其将包围件400连接到外部环境)之后是端口通道的第一区段416，并且沿着包围件的后壁418从左向右延伸。在180度转弯之后，端口通道的第二区段420沿着第一区段416(在相反方向上)延伸。相邻的两个区段416和420在包围件的内部共用共同的壁结构422。在壁结构422和相对的壁结构424之间沿着端口通道区段420(从右到左)移动，在另一转弯之后，该区段通向包含换能器阵列402的腔体426。类似于图1至图3中所示的端口接口和通道，端口413的重叠区段设计(例如，端口接口414、和端口通道的多个区段)可以是能够限制换能器阵列性能的噪声源。例如，在一些频率(例如，几十赫兹)下，驻波可以基于由端口创建的开放端通道内的空气的移动而在端口413中形成。这种驻波的声学效果可能出现在也可以被包括在回放内容的频谱中的频率(例如，1KHz等)处，从而可能破坏产生的声音。此外，这种驻波可能影响换能器阵列402的波束形成能力。
为了减少基于端口413的声学特性形成的一个或多个驻波的影响，电阻声学元件428被并入共用壁结构422中，以减小可能影响换能器阵列402的性能的端口接口414、端口通道(例如，区段416、420)等的声学共振特征。
在该示例中，单个声阻元件被结合到壁422中；然而，附加元件可以类似地被并入壁中。而且，一个或多个阻性元件可以被并入端口通道区段的其他结构中；例如，一个或多个阻性元件可以被包括在其他壁结构中。例如，一个或多个元件可以被并入壁结构418中，该壁结构418由端口通道区段416和包围件400的外部环境共用。在另一示例中，一个或多个元件可以嵌入壁结构424中，该壁结构424由端口通道区段420和腔体426(其中换能器阵列402被安装)共用。每个壁结构上的类似位置可以被选择以用于并入这样的阻性元件，或者针对两个或更多个元件的位置的方位可以被选择。如上所述，在声阻元件中可以采用不同的几何形状、材料、特征(例如，单层、多层等)和其他设计。
参考图5，不同类型的带端口扬声器阵列包围件可以采用声阻元件，诸如包括多个端口、多个扬声器腔体等的设计。采用一个或多个声阻元件的多端口设计的示例在2015年12月28日提交的名称为“Acoustic Resistive Elements for Ported TransducerEnclosure”的美国专利号**/***，***中被描述，该专利的全部内容通过引用并入本文。在该图示的示例中，换能器包围件500(例如，用于音响棒设计)包括两个单独的端口，声阻元件可以被定位在其中以改善被包围的换能器阵列性能。端口502和504分别包括端口接口506、508和端口通道510、512。在该示例中，壁结构514将两个端口502和504分开；然而，其他设计变型可以被采用来分离端口。端口通道的每个分别通向空腔体516和518，空腔体516和518包含用于声音产生的阵列的换能器。每个腔体包含两个换能器(例如，腔体516包括换能器520和522，并且腔体518包括换能器524和526)。附加地，每个腔体包括用于产生声音的其他类型的设备；例如，能够在特定方向上转向声音的传送管528和530。这种传送管设备的示例在题为“Passive Directional Acoustical Radiating”的美国专利号8,351,630和题为“Passive Directional Acoustical Radiating”的美国专利号8,358,798中被描述，两者的全部内容通过引用并入本文。另一个换能器532(例如，高音扬声器)也被包括在包围件中，并且可以被包括或不被包括在使用安装的扬声器的阵列内。
在该布置中，为了减小端口(例如，端口502和端口504)、腔体(例如，腔体516和518)等的声学效应，一个或多个声阻元件可以被嵌入包围件500内的结构(例如，壁结构)中。在该特定示例中，声阻元件并入两个端口502和504的相应壁结构中。特别地，一个阻性元件534并入由端口通道510和腔体516共用的壁结构536中，并且另一个阻性元件538被并入由端口通道512和腔体518共用的壁结构540中。通过嵌入这些相应的方位，每个阻性元件能够减小相应的端口通道和腔体之间的声压差。这种声学元件可以被定位在换能器阵列包围件500内的其他方位；例如如上所述，一个或多个元素可以被嵌入其他结构中。在一些布置中，一个或多个元件可以被并入由端口通道(例如，端口通道510)和包围件500外部的环境共用的壁结构542中。类似地，元件可以被定位在腔体(例如，壁结构514)之间共用的壁结构中、被定位在由腔体和壳体500的外部共用的壁结构(例如，壁结构544、546等)中等。
如图所示，两个端口510和512被采用以允许空气在包围件500的外部和包围件内部之间流动。在一些设计中，单个端口或多于两个端口可以被使用来提供(一个或多个)空气流动路径。这种设计可以产生可能会破坏传出包围件的声音的噪声源。为了减少潜在破坏性音质，一个或多个有损耗材料声阻元件可以被并入这些设计的一个或多个结构(例如，壁结构)中。类似于先前描述的设计，为了减少这种影响，阻性元件可以是屏、屏的堆叠(例如，多屏设计)等，其被嵌入以基本上与壁结构的两侧的表面齐平。如上所述，阻性元件可以包含各种设计，使用各种设计参数(例如，几何形状、材料、定向、定位)等。例如，阻性元件可以由三维设计(例如，管状结构)提供(或被并入其中)，该三维设计连接不共用结构的包围件的部分(例如，壁结构)。虽然一个阻性元件可以被并入壁结构(例如，共用壁结构)中，但是附加的阻性元件可以被并入壁中；例如，多个阻性元件(例如，以特定图案被定向)可以被嵌入壁中。连同至少一个阻性元件被并入共用壁结构(或由端口共用的其他类型的结构部件)中，多个阻性元件可以被并入在换能器阵列包围件的其他方位；例如，阻性元件被并入壁结构514、542、544、546等之内，以减少被包括在包围件500(例如，换能器阵列)中的换能器输出的潜在破坏。类似地，不同的设计、设计参数等可以被用来减少由端口、腔体和其他包围件部分引起的声学模式，该端口、腔体和其他包围件部分可能影响正由换能器阵列播放的内容。
除所描述的那些之外的许多其他实施方式可以被采用，并且可以由以下权利要求包含。

Claims (20)

1.一种用于信号处理的装置，包括：
包围件，能够接纳用于将电信号转换成转向可听信号的换能器阵列；
所述包围件包括两个端口和两个腔体，其中
所述两个腔体中的第一腔体包括所述换能器阵列中的第一多个换能器；
所述两个腔体中的第二腔体包括所述换能器阵列中的第二多个换能器；
其中所述装置还包括：
在所述包围件内的限定第一端口的第一多个结构，所述第一端口具有位于所述包围件内的向所述第一腔体开口的一端和在所述包围件之外的并且向周围环境开口的另一端；
在所述包围件内的限定第二端口的第二多个结构，所述第二端口具有位于所述包围件内的向所述第二腔体开口的一端和在所述包围件之外的并且向周围环境开口的另一端，其中所述第一端口与所述第二端口分离；
位于所述第一多个结构中的第一声阻元件，所述第一声阻元件能够减小一个或多个驻波对所述第一多个换能器所产生的可听信号的影响，所述影响反映了所述第一端口的声学特性；以及
位于所述第二多个结构中的第二声阻元件，所述第二声阻元件能够减小一个或多个驻波对所述第二多个换能器所产生的可听信号的影响，所述影响反映了所述第二端口的声学特性。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件被配置为改变被包括在所述端口中的一个或多个通道的声学特征。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件由所述端口和被包括在所述包围件中的另一个端口共用。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述端口包括第一通道部分和第二通道部分，所述声阻元件位于由所述第一通道部分和所述第二通道部分共用的壁结构中。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件位于壁结构中，所述壁结构由被包括在所述端口中的通道和所述包围件的外部共用。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件包括单个层。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件包括多个层。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件包括织物材料层。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件包括金属网。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述声阻元件成矩形形状。
11.一种用于信号处理的装置，包括：
换能器阵列，用于将电信号转换为转向可听信号；
包围件，所述包围件包括所述换能器阵列；
所述包围件包括两个端口和两个腔体，其中
所述两个腔体中的第一腔体包括所述换能器阵列中的第一多个换能器；
所述两个腔体中的第二腔体包括所述换能器阵列中的第二多个换能器；
其中所述装置还包括：
在所述包围件内的限定第一端口的第一多个结构，所述第一端口具有位于所述包围件内的通向所述第一腔体的一端和在所述包围件之外的并且通向周围环境的另一端；
在所述包围件内的限定第二端口的第二多个结构，所述第二端口具有位于所述包围件内的通向所述第二腔体的一端和在所述包围件之外的并且通向周围环境的另一端，其中所述第一端口与所述第二端口分离；
位于所述第一多个结构中的第一声阻元件，所述第一声阻元件能够减小一个或多个驻波对由所述第一多个换能器产生的可听信号的影响，所述影响反映所述第一端口的声学特性；以及
位于所述第二多个结构中的第二声阻元件，所述第二声阻元件能够减小一个或多个驻波对由所述第二多个换能器产生的可听信号的影响，所述影响反映所述第二端口的声学特性。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述声阻元件被配置为改变被包括在所述端口中的一个或多个通道的声学特征。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述声学元件由所述端口和被包括在所述包围件中的另一个端口共用。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述端口包括第一通道部分和第二通道部分，所述声阻元件位于由所述第一通道部分和所述第二通道部分共用的壁结构中。
15.根据权利要求11所述的装置，其中所述声阻元件位于壁结构中，所述壁结构由被包括在所述端口中的通道和所述包围件的外部共用。
16.根据权利要求11所述的装置，其中所述声阻元件包括单个层。
17.根据权利要求11所述的装置，其中所述声阻元件包括多个层。
18.根据权利要求11所述的装置，其中所述声阻元件包括织物材料层。
19.根据权利要求11所述的装置，其中所述声阻元件包括金属网。
20.根据权利要求11所述的装置，其中所述声阻元件成矩形形状。
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