CN108781332B - 利用平面声换能器播放音频的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用适于优化音乐发射质量的平面声换能器来播放音乐的装置和方法。

Description

利用平面声换能器播放音频的方法和装置

发明领域

本发明涉及声扬声器技术领域，尤其涉及由平面声换能器制成的声扬声器的技术领域。

背景技术

所谓的平面声换能器是本领域已知的。所述平面声换能器相对于通常称为锥形或喇叭扬声器的传统扬声器具有许多优点和益处。

实际上，锥形的传统声扬声器发射球形压力波，球形压力波从一点沿各个方向传播，与距发射点的距离的平方成比例地衰减，并且由于它们在各个方向上传播，在到达用户的听觉器官之前经受若干次反射，这些反射引起各种类型的失真，这些失真困扰并损害所传递的内容、音乐、语音等。

相反，平面声换能器发射平面型压力波，平面型压力波沿单个方向传播，与距发射点的距离成比例地衰减，并且由于沿单个方向传播，在到达用户的听觉器官之前不经受反射，从而实现传送相对于原始内容基本上完整并且仅最小程度地失真的音频内容。

除此之外，传统的锥形声扬声器体积更大且重量更重、具有长得多的响应时间以及考虑到覆盖面积相同的情况下需要比平面声换能器多大约三倍的传统扬声器而具有更高的最终使用成本。

最后，与传统声扬声器不同，平面声换能器不需要空气作为声学内容的传播介质，且这允许声音也在传统声扬声器不能使用或安装的环境和情况下播放，诸如在墙壁、天花板、地板、家具物品等的表面上。显然，安装平面声换能器的技术不同于用于传统声扬声器的技术，并且各个换能器在安装支架上的相互布置是产生的音乐发射质量的根本。

因此，本发明涉及一种利用适于优化音乐发射质量的平面声换能器进行音乐扩散的装置和方法。

附图简述

本发明的其他目的、特征和优点将从以下通过非限制性示例提供并在附图中示出的详细描述中变得更加明显，其中：

图1示出了根据本发明的用于播放音频的装置的第一优选实施例；

图2示出了根据本发明的用于播放音频的装置的第二优选实施例；

图3示出了根据本发明的用于播放音频的装置的第三优选实施例；

图4示出了根据本发明的用于播放音频的装置的第四优选实施例；

图5示出了根据本发明的用于播放音频的装置的第五优选实施例。

发明的详细描述

本发明的主要目的是提供一种利用适于优化发射质量的平面声换能器来播放音乐的装置和方法。

声音是由压力变化产生的，压力变化在弹性物理介质诸如空气、水、木材和无数其他介质中传播。声波的传播是一种借助于声波发生的能量传递机制，它表现为介质的连续压缩和稀疏；声信号及其传播因此总是与传递介质中的压力变化相关联。

传播速度c[m/s]取决于这些压力变化在其中发生的介质的特征。例如，在流体介质中，声音传播速度由公式c＝√K/ρ来定义，其中K是体积弹性模量，ρ是介质密度。

体积弹性模量(以帕斯卡测量)指示材料承受均匀压缩力的能力，并量化原子(或分子)的运动影响相邻原子(或分子)的运动。一般而言，不管声波的传播介质如何，都必须始终在介质的声学效率和抗变形性之间实现最佳折衷。

人类可听音频的频带范围大约从20Hz延伸到20kHz。通常发生的是，由单个扬声器有效再现的频带(即所谓的有用频带)对于覆盖整个可听频谱不足够宽。事实上，单个扬声器的方向性随频率而变化，并且如果在频谱的宽频带上使用，则扬声器生成的最大声功率平均不足。为此，扬声器系统通常根据可听频谱被划分成的频带的数量来分类，以确保尽可能忠实的再现。实际上，在被馈送到系统中的扬声器之前，信号通过使用一系列滤波器(称为分频器(crossover))被分到多个频带中。

在传统的声扬声器领域中，音频信号播放通过将声音频带通常划分为三个子频带来优化，这三个子频带对应于低频、中频和高频。这允许使用适合于以明确限定的有限频带工作的声扬声器，因为没有传统类型的扬声器能够方便地播放整个范围的可感知声音，即没有显示色散、失真等方面的限制。如上所述，这是真的，因为传统的听觉扬声器是根据构造技术制造的，该构造技术使传统的听觉扬声器特定地适合于给定频带，并且不适合于转换具有的频率在标称范围之外的输入信号分量。

在扬声器的上游使用适当的分离滤波器或分频器来执行音频频带的前述划分，以便分离电信号的各个频带，然后将电信号发送到扬声器以转换成声信号并用于随后的再现。

用于扬声器的典型分频器由滤波器(低通、高通、带通)的网络制成，滤波器网络由电容器和电感器组成，其适于将电信号的频谱划分成不同的频带。由分频器输出的电信号的每一个(包括与单个频带相关的音频内容)被发送到所使用的扬声器系统的扬声器或一组扬声器。

分频滤波器的基本参数是截止(或分频)频率和表示滤波器本身外部的频率截止多急剧的斜率。

最简单的分频器由低通滤波器和高通滤波器组成，这两个滤波器被布置成将它们的输出信号发送到用于双向系统的频谱的低频带和频谱的高频带的扬声器。

与传统双向扬声器一起使用的分频器的典型示例具有3500Hz的单个截止频率，使得低于3500Hz的频率被发送到低音扬声器(用于较低频声音的扬声器)，而高于3500Hz的频率被发送到高音扬声器(用于较高频声音的扬声器)。

前述分离滤波器或分频器也可用于平面扬声器领域，尽管具有不同的截止频率选择。事实上，在平面扬声器领域中，考虑到声波必须在其中传播的介质不同，经常使用具有部分重叠的频带的分频器。

实际上，就与其结构兼容的音频方面，平面声换能器或扬声器基本上是全范围扬声器。实际上，所述平面声换能器的有用频带通常从100Hz延伸到20kHz，因此在其上应用平面声换能器的材料的响应将具有更大的可听频谱。此外，与传统扬声器不同，平面声换能器中的方向性不随频率变化，因为声波在其上安装有所述平面声换能器的材料的整个表面上均匀传播。

这显然允许相对于传统的听觉扬声器有更大的自由度以选择和使用可能的分频滤波器。因此，本发明提出了一种结合使用适当的分频滤波器来使用和定位平面声扬声器的新方法。

平面声扬声器的不同的安装和定位方法必须被提供，因为平面声扬声器中的声音传输动力学相对于充满空气的体积中的声音传输(这是传统听觉扬声器的典型特征)遵循不同的方法。

如上所述，平面声换能器发射的声音借助于压力波在表面上传播，该压力波的特征在于频率和波长与由传统扬声器发射的、在空气中传播的压力波完全相同。因此，一般而言，根据本发明的方法提供：

·选择适合于将可听频带20Hz-20kHz划分为至少两个频率子带的适当分频滤波器；

·选择与所述至少两个频率子带兼容的适当数量的平面声换能器；

·将用于安装前述平面声换能器的可用表面划分成各自专用于前述平面声换能器中的至少一个的安装的区域；

·选择所述至少一个平面声换能器中的每一个的定位点。

以上列出的操作的顺序适于安装多个平面声扬声器，以便尽可能最优地形成它们的发射，从而在保真度和质量方面优化最终声学结果。为了获得满意的结果，必须使用至少两个平面声换能器和两个频率子带，优选实施例包括使用两个、三个、四个或五个声换能器和相应数量的频率子带。

根据本发明的方法的应用的第一示例在以下被描述，并且使用三个声换能器和相等数量的频率子带和滤波器。类似地，在不脱离本发明范围的情况下，将示例中所示的方法和装置应用于不同数量的换能器、频率子带和滤波器。

首先，选择要使用的滤波器。由于线性声换能器通常具有20-40W的截止频率和50Hz至15kHz的频率域，因此使用第一滤波器来消除超低频，这些超低频可能以大的操作音量在平面换能器中引起不期望的振动。为此，可以使用以下滤波器：对于低频，第一带通滤波器，其具有从90Hz到120Hz的下限截止频率、从3000Hz到4000Hz的上限截止频率和例如6、12或24dB/倍频程的衰减。对于中频，提供了第二带通滤波器，其具有从3500Hz到5000Hz的上限截止频率、大约800Hz的下限截止频率以及根据在其上安装声扬声器的表面的材料的例如3或6dB/倍频程的衰减。最后，对于高频，提供了第三高通滤波器，其具有大约8000Hz的下限截止频率，以及根据在其上安装声扬声器的表面的材料的例如3或6dB/倍频程的衰减。例如，在塑料材料(诸如PVC)的情况下选择低衰减，在多层材料的情况下优选高频上的3或6dB/倍频程的衰减，而在非常硬的材料(诸如大理石或陶瓷)的情况下优选中频上的3dB/倍频程的衰减和在高频上的3或6dB/倍频程的衰减。

之后，选择平面声扬声器；它们的数量应该对应于被选择来用上面的滤波器划分音频频带的频带，以及适合于要进行的安装的类型。最后，扬声器安装在可用表面上。

要执行的第一步骤是将表面划分为与声扬声器和由所使用的滤波器确定的频带一样多的区域。

根据本发明并在附图1中示出的优选划分包括确定三个区域20、21、22，其中第一区域的面积大约等于可用于安装的表面的一半，并且第二和第三区域的面积大约等于所述可用表面的四分之一。

平面换能器然后连接到先前选择的滤波器，并且每个平面换能器安装在可用于安装的表面被划分成的区域之一中。

连接到所述第一低频滤波器的换能器10布置在所述第一区域20中，连接到所述第二滤波器的换能器11和连接到所述第三滤波器的换能器12各自布置在其它两个区域21、22中的一个中。优选地，连接到所述第二滤波器的换能器11布置在邻近所述第一区域20的第二区域21内，而连接到所述第三滤波器的换能器12布置在邻近所述第二区域21的第三区域22内。

有利的是，在附图1所示的本发明的优选实施例中，换能器被布置成连接到所述第一滤波器，大约在所述第一区域的中心上，而换能器被布置成连接到所述第二滤波器，并且换能器连接到所述第三滤波器，相对于所述第二和第三区域偏移，从而相对于最小可能距离增加它们之间的距离。由此，实现了由三个单个平面扬声器的发射的组合产生的最佳水平的声发射。

更详细地，第一声扬声器10连接到低频音频滤波器、基本上处于对于所述第一表面部分20的区的中心位置上；第二声扬声器11连接到中频音频滤波器，在相对于贯穿所述第一声扬声器的轴13的第一侧上被布置在对于所述第二表面部分21的区的偏移位置上；第三声扬声器12连接到高频音频滤波器、在相对于所述轴13的与所述第一侧相对的第二侧上被布置在对于所述第三表面部分22的区的偏移位置。

因此，所描述的多个平面声扬声器的布置允许通过控制它们的声发射之间的干扰和节拍来优化它们的声发射的组合。

根据本发明的一个方面，可以在所述表面上形成一系列切口，所述切口适于将每个扬声器的发射限制在有限的区中，以便增加各个平面声扬声器在他们被安装于其上的表面上的声发射的传播之间的区别和分离。附图2示出了本发明的第二优选实施例，其示出了所述切口的示例。它们被制造在与两个相邻扬声器大致等间距的位置上，从而衰减或中断由前述扬声器发射的入射表面声波。基本上，上述切口具有通过限制各个扬声器的各个发射之间的通信区域并由此实际上调节所述发射之间的混合来界定每个扬声器的发射传播区域的效果。

本发明的第二优选实施例再次参照本申请所附的图2示出，其中三个扬声器10、11、12在其上形成两个切口14、15的表面上使用，两个切口适于部分地和相互地界定每个扬声器的交互区域。所述切口的位置和延伸使得在扬声器发射之间界定多个相互作用区域16、17、18中的一个，并因此有利于所使用的扬声器10、11、12的各个发射之间的特定混合。

前述切口的选择标准可以是，根据该标准，由切割口界定的相互作用区域的尺寸(近似与所述切割口的延伸部分成反比)必须至少部分地与来自两个区域和来自两个不同扬声器的声学振荡的量成比例，所述声学振荡必须被混合。可以在这种相互作用区域的功能和适当滤波器的功能之间建立一致，识别对小尺寸相互作用区域的高衰减，例如18或24dB/倍频程，以及对大尺寸相互作用区域的低衰减，例如3或6dB/倍频程。

上述切口的另一选择标准包括制作包括两个不同的延伸部30、31的切口，这两个延伸部30、31相对于彼此倾斜，如附图3所示，其示出了本发明的第三实施例。由此，获得由两个相对的扬声器发射的波长之间的分离的效果，该分离是复合的并且更渐进。实际上，基本上，一个切口具有由扬声器发射的表面声波的截止功率，该截止功率当切口径向于扬声器中心时最小，而当切口垂直于前述径向方向时最大。因此，通过使用包括两个相对于彼此倾斜的不同延伸部30、31的切口，表面声波的传播的截止功率在第一延伸部30处较高，而在随后的延伸部31处较低。

因此，前述切口的倾斜可以与表面声音传播所经历的衰减(以dB为单位)相关联，所述衰减确实随着切口与对于扬声器中心的径向方向之间的角度值而增加。因此，我们可以有对应于6dB、12dB等的衰减的切口。

附图4示出了本发明的第四优选实施例，其中扬声器10、11、12和相应切口40、41的在可用平面上的布置被指示用于硬摇滚或重金属类型的音乐，因为它适于衰减中音(为它们保留有限的表面)并且增强低声部和高声部。

图5示出本发明的第五实施例。扬声器10、11、12和相应切口50-54的在可用平面上的布置被指示为如此分离扬声器发射并限制各个频率之间的重叠和节拍。

本发明的另一示例性实施例包括使用三个分离的独立装配面板，每个使用的扬声器使用一个。在这种情况下，扬声器优选地近似布置在每个面板的中心。

Claims (12)

1.一种用于利用平面声换能器来优化音乐播放的方法，包括：

·提供第一电音频信号；

·提供适于将输入电音频信号转换成输出声信号的多个平面声扬声器；

·提供多个音频滤波器，所述多个音频滤波器适于在频率上对所述第一电音频信号进行滤波，以便输出包括相对于所述第一电音频信号的频带的有限频带的第二电音频信号；

·提供适于容纳所述多个平面声扬声器的表面；

·将所述第一电音频信号电连接到所述多个音频滤波器的每个所述音频滤波器的输入端，并且在所述多个平面声扬声器的每个平面声扬声器的输入端处连接所述多个音频滤波器中的每个所述音频滤波器的输出端；

·在所述表面上定位数量等于所述声换能器的数量的多个表面部分，使得所述多个表面部分中的一个的尺寸大于其他表面部分的尺寸，所述多个表面部分包括第一表面部分(20)、邻近所述第一表面部分的第二表面部分(21)、邻近所述第二表面部分的第三表面部分(22)；

·将所述多个平面声扬声器机械连接到所述表面，对于所述多个表面部分中的每一个有一个平面声扬声器，使得较大尺寸的表面部分与连接到所述多个音频滤波器中的具有最低频带的音频滤波器的声扬声器相关联，其特征在于，所述方法还包括：

·布置第一声扬声器(10)，该第一声扬声器连接到低频音频滤波器、基本上在对于所述第一表面部分(20)的区的中心位置上；

·布置第二声扬声器(11)，该第二声扬声器连接到中频音频滤波器、在相对于贯穿所述第一声扬声器的垂直对称轴(13)的第一侧上处于对于所述第二表面部分(21)的区的偏移位置上；

·布置第三声扬声器(12)，该第三声扬声器连接到高频音频滤波器、在相对于所述轴(13)的与所述第一侧相对的第二侧上处于对于所述第三表面部分(22)的区的偏移位置上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

·所述多个音频滤波器包括三个音频滤波器，其中一个专用于低频，一个专用于中频，并且一个专用于高频。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

·所述第一表面部分(20)具有的面积等于所述表面的面积的大约一半；

·所述第二表面部分(21)具有的面积等于所述表面的面积的大约四分之一；

·所述第三表面部分(22)具有的面积等于所述表面的面积的大约四分之一。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，其包括

·在所述第一表面部分和所述第二表面部分之间的边界处和/或在所述第二表面部分和所述第三表面部分之间的边界处在所述表面上形成至少一个切口(14、15)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述切口适于在所述第一声扬声器的声发射、所述第二声扬声器的声发射和所述第三声扬声器的声发射之间界定一个或更多个相互作用区域(16、17、18)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述切口包括相对于彼此倾斜的两个不同的延伸部(30、31)。

7.一种用于利用平面声换能器优化音乐播放的装置，包括：

·第一电音频信号；

·多个平面声扬声器，其适于将输入电音频信号转换成输出声信号；

·多个音频滤波器，其适于在频率上对所述第一电音频信号进行滤波，以便输出包括相对于所述第一电音频信号的频带的有限频带的第二电音频信号；

·适于容纳所述多个平面声扬声器的表面，其中

·所述第一电音频信号连接到所述多个音频滤波器中的每个所述音频滤波器的输入端，并且

·所述多个音频滤波器中的每个所述音频滤波器的输出端连接到所述多个平面声扬声器的每个平面声扬声器的输入端；

·在所述表面上，数量等于所述声换能器的数量的多个表面部分被定位成使得所述多个表面部分中的一个的尺寸大于其他表面部分的尺寸，所述多个表面部分包括第一表面部分(20)、邻近所述第一表面部分的第二表面部分(21)、邻近所述第二表面部分的第三表面部分(22)；

·所述多个平面声扬声器连接到所述表面，对于所述多个表面部分中的每一个有一个平面声扬声器，使得较大尺寸的表面部分与连接到所述多个音频滤波器中的具有最低频带的音频滤波器的声扬声器相关联，其特征在于，所述装置还包括：

·第一声扬声器(10)，其连接到低频音频滤波器、基本上在对于所述第一表面部分(20)的区的中心位置上；

·第二声扬声器(11)，其连接到中频音频滤波器、在相对于贯穿所述第一声扬声器的垂直对称轴(13)的第一侧上位于对于所述第二表面部分(21)的区的偏移位置上；

·第三声扬声器(12)，其连接到高频音频滤波器、在相对于所述轴(13)的与所述第一侧相对的第二侧上处于对于所述第三表面部分(22)的区的偏移位置上。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

·所述多个音频滤波器包括三个音频滤波器，其中一个专用于低频，一个专用于中频，并且一个专用于高频。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

·所述第一表面部分(20)具有的面积等于所述表面的面积的大约一半；

·所述第二表面部分(21)具有的面积等于所述表面的面积的大约四分之一；

·所述第三表面部分(22)具有的面积等于所述表面的面积的大约四分之一。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，其包括

·至少一个切口(14、15)，其在所述第一表面部分和所述第二表面部分之间的边界处和/或在所述第二表面部分和所述第三表面部分之间的边界处在所述表面上形成。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述切口适于在所述第一声扬声器的声发射、所述第二声扬声器的声发射和所述第三声扬声器的声发射之间界定一个或更多个相互作用区域(16、17、18)。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述切口包括相对于彼此倾斜的两个不同的延伸部(30、31)。

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