CN109474867B - 用于传播声波的波导装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声波的扩散领域，公开了一种用于传播声波的波导装置，该波导装置包括：喇叭状的第一反射体(10)，该第一反射体(10)具有用于导入声波的第一开口(100)和用于导出声波的第二开口(101)；以及第二反射体(11)，该第二反射体(11)的至少一部分位于所述第一反射体(10)内，所述第一反射体(10)和所述第二反射体(11)之间形成反射腔(15)，以使导入所述第一开口(100)的声波经过所述反射腔(15)的反射后沿所述第二开口(101)的指向从该第二开口(101)导出。该波导装置能够提高声音的远距离传输效果。

Description

用于传播声波的波导装置

技术领域

本发明涉及声波的扩散领域，具体地涉及一种用于传播声波的波导装置。

背景技术

发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波借助各种介质向四面八方传播。声波是一种纵波，是弹性介质中传播着的压力振动。但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波。

声波(Sound Wave或Acoustic Wave)是声音的传播形式。声波是一种机械波，由物体(声源)振动产生，声波传播的空间就称为声场。在气体和液体介质中传播时是一种纵波，但在固体介质中传播时可能混有横波。人(人的听力由内脏颅骨耳等器官组成)可以听到的声波的频率一般在20Hz(赫兹)至20000Hz之间。

声波传播时波阵面的形状不同可以将声波分成平面声波、球面声波和柱面声波等类型。波阵面是指空间中在同一时刻由相位相同的各点构成的轨迹曲面、波阵面垂直于波传播的方向。现有的声波传导装置在扩散声音的过程中，使得声音以球面波的形式传播，因此声音的远距离输送效果较差，例如在远距离传输后，声音的清晰度大大下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的声音的远距离传输效果较差的问题，提供一种用于传播声波的波导装置，该波导装置能够提高声音的远距离传输效果，使得声音在远距离传输后仍然较为清晰。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于传播声波的波导装置，所述用于传播声波的波导装置包括：喇叭状的第一反射体，该第一反射体具有用于导入声波的第一开口和用于导出声波的第二开口；以及第二反射体，该第二反射体的至少一部分位于所述第一反射体内，所述第一反射体和所述第二反射体之间形成反射腔，以使导入所述第一开口的声波经过所述反射腔的反射后沿所述第二开口的指向从该第二开口导出。

优选地，所述第一反射体为由从第一抛物线上截取的部分第一抛物线围绕所述第一反射体的中心轴线旋转形成的抛物面，并且所述第一反射体从所述第一开口到所述第二开口处呈逐渐扩大状。

优选地，所述第一抛物线满足下述方程式h(x)＝(a^-1)x²-b，其中，a>0，b>0，所述部分第一抛物线通过下述方式截取获得：在二维坐标系中作出与Y轴平行且与Y轴的距离为(1/2)a的第一直线，所述第一直线与所述第一抛物线相交形成交点f₁，所述第一抛物线的位于所述交点f₁上方的任意一点与所述交点f₁之间的抛物线段为所述部分第一抛物线。

优选地，所述第二反射体为由从第二抛物线上截取的部分第二抛物线围绕所述第一反射体的中心轴线旋转形成的抛物面，其中，所述第二抛物线与所述第一抛物线的开口方向一致，所述第一反射体的内周面和所述第二反射体的外周面之间形成所述反射腔，并且所述第二反射体的靠近所述第一开口的端部形成为封闭端。

优选地，所述封闭端呈锥状，并且/或者，所述封闭端与所述第一开口所在的平面相平齐。

优选地，所述第二抛物线满足下述方程式f(x)＝(c^-1)x²，其中，c＝(1/2)a，所述部分第二抛物线通过下述方式截取获得：在所述二维坐标系中作出与所述第一直线相平行的第二直线，所述第二直线和所述第一直线均位于Y轴的同侧，所述第二直线与Y轴的距离为(1/4)a，所述第二直线与所述第二抛物线相交形成交点f₂，所述第二抛物线的位于所述交点f₂上方的任意一点与所述交点f₂之间的抛物线段为所述部分第二抛物线。

优选地，所述第二反射体的远离所述第一开口的端口的外径与所述第一开口的内径相等。

优选地，所述用于传播声波的波导装置包括用于连接所述第一反射体的内周面和所述第二反射体的外周面的至少一个连接板，所述连接板平行于由所述第二开口导出的声波的传播方向。

优选地，所述第一反射体由两个相对的第一弧面和两个相对的平直面共同围合形成，所述第一反射体从所述第一开口到所述第二开口处呈逐渐扩大状；或者，所述第一反射体由四个第二弧面共同围合形成，所述第一反射体从所述第一开口到所述第二开口处呈逐渐扩大状。

优选地，所述用于传播声波的波导装置包括设置于所述第一反射体的内部且与所述第二反射体的远离所述第一开口的端部相对接的圆锥体，所述圆锥体在沿所述第一开口到所述第二开口的方向上逐渐收缩。

优选地，所述圆锥体的远离所述第一开口端部与所述第二开口所在的面相平齐，和/或所述第一开口处设置有发声器。

在上述技术方案中，通过在呈喇叭状的所述第一反射体的内部设置第二反射体，并且使得所述第一反射体和所述第二反射体之间形成反射腔，从而使得由所述第一反射体的第一开口导入的声波经过所述反射腔的反射作用后沿所述第一反射体的第二开口的指向从所述第二开口导出，即由所述第一开口导入的声波经过所述反射腔反射后沿着平行于所述第一反射体的中心轴线的方向传播并被所述第二开口导出，可以理解的是，导入的声波经过该波导装置的反射作用后形成平面波并由所述第二开口导出，这样，能够使得声音在远距离传输后仍然较为清晰，由此大大提高了声音的远距离传输效果，另外还提高了声音在扩散时的指向性，尤其是提高了低频段声音在扩散时的指向性。

附图说明

图1是抛物线g(x)对由抛物线g(x)的焦点f处发出的声波的反射作用示意图；

图2是抛物线q(x)对平行于抛物线q(x)的对称轴的声波的反射作用示意图；

图3是本发明优选实施方式的用于传播声波的波导装置的整体结构示意图；

图4是图3所示的用于传播声波的波导装置的剖面结构示意图，其中在所述第一开口处设置有发声器；

图5是分别形成图3所示的用于传播声波的波导装置中的第一反射体和第二反射体的第一抛物线h(x)和第二抛物线f(x)在二维坐标系中的位置示意图；

图6是图5中所示的第一抛物线h(x)和第二抛物线f(x)分别经过截取旋转后形成的结构的剖面结构示意图；

图7是本发明的另一优选实施方式的用于传播声波的波导装置的剖面结构示意图。

附图标记说明

10-第一反射体；100-第一开口；101-第二开口；11-第二反射体；12-圆锥体；13-发声器；14-连接板；15-反射腔。

具体实施方式

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指结合附图中所示的方位和实际应用中的方位理解，“内、外”是指第一反射体10或第二反射体11的轮廓的内部、外部。

如图1中所示，由抛物线g(x)的焦点f处发出的声波经过该抛物线g(x)的内周反射后，声波的传播方向平行于该抛物线g(x)的对称轴，其中，所述焦点f可认为是声波源。另外，如图2中所示，由平行于抛物线q(x)的对称轴的声波经过该抛物线q(x)的外周反射后，声波的反向延长线均经过该抛物线q(x)的焦点f。

本发明提供了一种用于传播声波的波导装置，所述用于传播声波的波导装置包括：喇叭状的第一反射体10，第一反射体10具有用于导入声波的第一开口100和用于导出声波的第二开口101，具体来讲，第一开口100和第二开口101分别形成于第一反射体10的两端；所述用于传播声波的波导装置还包括：第二反射体11，第二反射体11的至少一部分位于第一反射体10内，第一反射体10和第二反射体11之间形成反射腔15，以使导入第一开口100的声波经过反射腔15的反射后沿第二开口101的指向从第二开口101导出，也就是说，由第一开口100导入的声波(所述导入的声波的传播方向可平行于第一反射体10的中心轴线，另外，也可将由点状声波源发出的声波导入第一开口100经过反射腔15反射后沿着平行于第一反射体10的中心轴线的方向传播并被第二开口101导出，可以理解的是，导入的声波经过该波导装置的反射作用后形成平面波并由第二开口101导出，这样，能够使得声音在远距离传输后仍然较为清晰，由此大大提高了声音的远距离传输效果。可以理解的是，声波在自由声场内扩散传播时由于扩散角度大，声音通常以球面波的方式传播，能量比较分散加上空气对高频能量的吸收，一般要求声音传输距离较近，若保证声音清晰度的前提下极限距离是50米-70米。而本发明提供的用于传播声波的波导装置能够使得声音远距离传输，把扩散角度大的球面波转换成扩散角度极小的平面波，从而使得远距离传输的声音的高频清晰度得到保证，并且在保证声音清晰度的前提下可使得声音的传输距离为1-3公里，另外，还提高了声音在声音扩散的时的指向性，尤其是能够提高低频段声音的指向性。结合图3和图4中所示，第一反射体10和第二反射体11可同轴设置，即第一反射体10的中心轴线和第二反射体11的中心轴线相互重合。

其中，第一反射体10可由从第一抛物线上截取的部分第一抛物线围绕第一反射体10的中心轴线旋转形成，第一反射体10呈抛物面，并且第一反射体10从第一开口100到第二开口101处呈逐渐扩大状。由于第一反射体10由截取的部分抛物线旋转形成，这样能够进一步提高出于扩散中的声音的指向性。

进一步地，结合图5和图6中所示，将所述第一抛物线和所述第一直线置于二维坐标系中。所述第一抛物线满足下述方程式h(x)＝(a^-1)x²-b，其中，a>0，b>0，在所述二维坐标系中，所述第一抛物线h(x)的开口朝上，其中需要说明的是，a和b的取值均没有特别的限定，可根据实际需求进行选择，例如a可为50.8，b可为6.35；在所述二维坐标系中确定好所述第一抛物线后，所述部分第一抛物线可通过下述方式截取获得：在所述二维坐标系中作出与Y轴平行且与Y轴的距离为(1/2)a的第一直线，所述第一直线与所述第一抛物线相交形成交点f₁，所述第一抛物线的位于所述交点f₁上方的任意一点与所述交点f₁之间的抛物线段便可为所述部分第一抛物线；之后，可将截取获得的所述部分第一抛物线围绕第一反射体10的中心轴线即所述二维坐标系中的平行于Y轴的第二直线L2旋转一周，最终形成第一反射体10，其中，所述第二直线L2和所述第一直线L1均位于Y轴的同侧，如图5中所示，所述第二直线L2和所述第一直线L1均位于Y轴的左侧，所述第二直线L2与Y轴之间的距离为(1/4)a。

为了进一步提高传播中的声音的指向性，第二反射体11可由从第二抛物线上截取的部分第二抛物线围绕所述第一反射体10的中心轴线旋转形成，第二反射体11呈抛物面，其中，所述第二抛物线与所述第一抛物线的开口方向一致，因此可以明白的是，第二反射体11从第一开口100到第二开口101处呈逐渐扩大状，还可以理解的是，第一反射体10和第二反射体11同轴设置，此外，第一反射体10的内周面和第二反射体11的外周面之间形成反射腔15。当声波由第一开口100导入后，依次被第二反射体11的外周面和第一反射体10的内周面反射，最终被导出第二开口101并形成平行于第一反射体10的中心轴线的声波即平面波。第一开口100处可设置发声器13，例如可选用压缩驱动器作为发声器13，其中所述压缩驱动器包括振膜和相位塞，声波可由所述振膜震动产生，之后，声波经过等距离的相位塞耦合至所述压缩驱动器的喉口并被导入第一开口100。其中，第一开口100也可认为是所述波导装置的喉口。

结合图5和图6中所示，所述第二抛物线满足下述方程式f(x)＝(c^-1)x²，其中，c＝(1/2)a，具体地，c可取25.4，由图5可以得知，所述第一抛物线和所述第二抛物线同轴(即Y轴为对称轴)同焦点；在所述二维坐标系中确立所述第二抛物线后，所述部分第二抛物线可通过下述方式截取获得：在所述二维坐标系中作出与所述第一直线L1相平行的第二直线L2，所述第二直线L2和所述第一直线L1均位于Y轴的同侧例如均可位于Y轴的左侧，所述第二直线L2与Y轴的距离为(1/4)a，其中，第二直线L2也可认为是第一反射体10的对称轴，所述第二直线L2与所述第二抛物线相交形成交点f₂，所述第二抛物线的位于所述交点f₂上方的任意一点与所述交点f₂之间的抛物线段为所述部分第二抛物线；之后，可将上述截取获得的所述部分第二抛物线围绕所述第二直线L2旋转一周，最终获得第二反射体11。

为了利于声波的传导，如图4中所示，可使得第二反射体11的靠近第一开口100的端部形成为封闭端。进一步地，所述封闭端呈锥状，这样，可使得导入反射腔15中的声波基本上被第二反射体11的外周面反射到第一反射体10的内周面上。另外，所述封闭端与第一开口100所在的平面相平齐，这样，更加便于声波的传导。

另外，可使得第二反射体11完全设置于第一反射体10的内部以便于声波的导出，进一步地，第二反射体11的远离第一开口100的端口的外径与第一开口100的内径相等，这样，第二反射体11的两个端部之间的距离小于第一反射体10的两个端口即第一开口100和第二开口101之间的距离，从而使得声波基本上被完全导出。另外，还需要指出的是，为了提高声音的指向性尤其是位于低频段的声音的指向性，可适当的加大第一开口100和第二开口101之间的距离。

此外，第一反射体10可由两个相对的第一弧面和两个相对的平直面共同围合形成，第一反射体10从第一开口100到第二开口101处呈逐渐扩大状。进一步地，两个相对的第一弧面优选关于第一反射体10的中心轴线对称，每个所述第一弧面的形状均相同，两个相对的平直面关于第一反射体10的中心轴线对称，每个平直面的形状均相同。其中，可将截取的部分抛物面作为所述第一弧面，具体的，所述第一弧面上的点优选满足下述方程式h(x)＝(a^-1)x²-b，其中，a>0，b>0，其中，a和b的取值均没有特别的限定，可根据实际需求进行选择，例如a可为50.8，b可为6.35。

另外，第一反射体10可由四个第二弧面共同围合形成，第一反射体10从第一开口100到第二开口101处呈逐渐扩大状。进一步地，每个第二弧面的形状均相同，其中，可将截取的部分抛物面作为所述第二弧面，具体的，所述第二弧面上的点优选满足下述方程式h(x)＝(a^-1)x²-b，其中，a>0，b>0，其中，a和b的取值均没有特别的限定，可根据实际需求进行选择，例如a可为50.8，b可为6.35。

如图7中所示，可在第一反射体10的内部且与第二反射体11的远离第一开口100的端部设置圆锥体12，圆锥体12与第二反射体11的远离第一开口100的端部相对接，圆锥体12在沿第一开口100到第二开口101的方向上逐渐收缩。由于在第一反射体10内设置了圆锥体12，这不仅利于声音的扩散，而且使得第一反射体10与第二反射体11之间的阻抗相匹配。进一步地，圆锥体12的远离第一开口100端部与第二开口101所在的面相平齐，也就是说，圆锥体12的靠近第二开口101的端部和第二反射体11的靠近第一开口100的端部之间的距离与第一开口100和第二开口101之间的距离相等，这样使得第一反射体10与第二反射体11之间的阻抗更加相匹配。

如图3中所示，可在第一反射体10的内周面和第二反射体11的外周面设置至少一个连接板14，从而将第一反射体10和第二反射体11相连接以固定第一反射体10，其中，连接板14平行于由第二开口101导出的声波的传播方向设置，这样在将第二反射体11固定于第一反射体10内部的同时，还利于声波的传导。此外，可设置多个如4个连接板14，多个连接板14均匀分别在第一反射体10的内周面和第二反射体11的外周面之间。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于传播声波的波导装置，其特征在于，该波导装置包括：

喇叭状的第一反射体(10)，该第一反射体(10)具有用于导入声波的第一开口(100)和用于导出声波的第二开口(101)；以及

第二反射体(11)，该第二反射体(11)的至少一部分位于所述第一反射体(10)内，所述第一反射体(10)和所述第二反射体(11)之间形成反射腔(15)，以使导入所述第一开口(100)的声波经过所述反射腔(15)的反射后沿所述第二开口(101)的指向从该第二开口(101)导出；

所述第一反射体(10)为由从第一抛物线上截取的部分第一抛物线围绕所述第一反射体(10)的中心轴线旋转形成的抛物面，并且所述第一反射体(10)从所述第一开口(100)到所述第二开口(101)处呈逐渐扩大状；

所述第一抛物线满足下述方程式h(x)＝(a^-1)x²-b，其中，a>0，b>0，所述部分第一抛物线通过下述方式截取获得：在二维坐标系中作出与Y轴平行且与Y轴的距离为(1/2)a的第一直线，所述第一直线与所述第一抛物线相交形成交点f₁，所述第一抛物线的位于所述交点f₁上方的任意一点与所述交点f₁之间的抛物线段为所述部分第一抛物线；

所述第二反射体(11)为由从第二抛物线上截取的部分第二抛物线围绕所述第一反射体(10)的中心轴线旋转形成的抛物面，其中，所述第二抛物线与所述第一抛物线的开口方向一致，所述第一反射体(10)的内周面和所述第二反射体(11)的外周面之间形成所述反射腔(15)，并且所述第二反射体(11)的靠近所述第一开口(100)的端部形成为封闭端；

所述封闭端呈锥状，并且/或者，所述封闭端与所述第一开口(100)所在的平面相平齐；

所述第二抛物线满足下述方程式f(x)＝(c^-1)x²，其中，c＝(1/2)a，所述部分第二抛物线通过下述方式截取获得：在所述二维坐标系中作出与所述第一直线相平行的第二直线，所述第二直线和所述第一直线均位于Y轴的同侧，所述第二直线与Y轴的距离为(1/4)a，所述第二直线与所述第二抛物线相交形成交点f₂，所述第二抛物线的位于所述交点f₂上方的任意一点与所述交点f₂之间的抛物线段为所述部分第二抛物线。

2.根据权利要求1所述的用于传播声波的波导装置，其特征在于，所述第二反射体(11)的远离所述第一开口(100)的端口的外径与所述第一开口(100)的内径相等。

3.根据权利要求1所述的用于传播声波的波导装置，其特征在于，所述用于传播声波的波导装置包括用于连接所述第一反射体(10)的内周面和所述第二反射体(11)的外周面的至少一个连接板(14)，所述连接板(14)平行于由所述第二开口(101)导出的声波的传播方向。

4.根据权利要求1所述的用于传播声波的波导装置，其特征在于，所述第一反射体(10)由两个相对的第一弧面和两个相对的平直面共同围合形成，所述第一反射体(10)从所述第一开口(100)到所述第二开口(101)处呈逐渐扩大状；或者，所述第一反射体(10)由四个第二弧面共同围合形成，所述第一反射体(10)从所述第一开口(100)到所述第二开口(101)处呈逐渐扩大状。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的用于传播声波的波导装置，其特征在于，所述用于传播声波的波导装置包括设置于所述第一反射体(10)的内部且与所述第二反射体(11)的远离所述第一开口(100)的端部相对接的圆锥体(12)，所述圆锥体(12)在沿所述第一开口(100)到所述第二开口(101)的方向上逐渐收缩。

6.根据权利要求5所述的用于传播声波的波导装置，其特征在于，所述圆锥体(12)的远离所述第一开口(100)端部与所述第二开口(101)所在的面相平齐，和/或所述第一开口(100)处设置有发声器(13)。