CN109478404B - 可调节的声透镜和扬声器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有对从扬声器发出的声音的指向性进行控制的装置的扬声器组件以及这种组件在音频渲染设备中的使用。本发明的组件包括具有可动机械装置的声透镜，其通过使可动机械装置从第一位置移动至第二位置实现了对从扬声器发出的声音的指向性的控制。

Description

可调节的声透镜和扬声器组件

技术领域

本发明涉及一种具有对从扬声器发出的声音的指向性进行控制的装置的扬声器组件，并且涉及这种组件在音频渲染设备中的使用。

背景技术

扬声器组件在本领域是公知的并且在本发明的范围内，一种扬声器组件应构成为包括一个或多个下述元件：一个或多个扬声器换能器单元、箱体、底架、用于支撑一个或多个扬声器换能器单元的框架、一个或多个声透镜以及可选地用于扬声器的保护盖。

虽然在本领域是公知的，但是全部扬声器组件具有的共同特征是它们常常暴露在外，使得在发出声音时不产生会使来自扬声器的声音分布受到阻碍或失真的障碍，并且它们在不使用时也是暴露在外的。

本领域中已知的是为扬声器设置可动部件。US7702123B2中公开了一个这样的例子，其中扬声器组件是模块化构造，并且其中一个扬声器单元、即高音喇叭(tweeter)单元被构建为包含有高音喇叭换能器的声透镜构造。声透镜可向上/向下移动、倾斜或转动，以对发出的声音进行重定向。另外，出于多种原因需要能够隐藏或保护扬声器，使得它们在不使用时不会暴露在外。

在现代扬声器渲染系统中，对发出的声能的指向性进行的声学控制受到数字信号处理装置(DSP)的控制，以控制滤波器、均衡器以及延迟器。

发明内容

本发明公开了一种声透镜，其可通过可动机械装置以频率不变的方式改变发出的声音的指向性。

本发明的优选实施方式通过机械控制的声透镜/反射器替代了5-7个DSP控制的传统扬声器换能器单元。该传统概念参见申请人在WO2015/117616A1中公开的现有技术。

例如，US5615176中描述了声透镜的构造和优点。可忽略不计的信号失真和声信号频率在所关注的频率范围内的独立性实现了通过具有被十分精细地限定的分配图的声透镜对声能进行重分配的特别的优点。这在考虑到扬声器组件的、与其所处的并且可具有不同形状及尺寸的聆听空间相关的使用时是尤为重要的。以这种方式，能够在没有例如通过从其他表面反射的方式的干扰的情况下来定向声能，使得聆听者会接收到十分纯粹的信号，即，不存在意外的失真、反射的信号。上述文献所公开的声透镜的其中一个原理在于声音被重定向到基本上垂直于换能器的发声方向的方向上。声透镜的总体构造高度是十分有限的，使得包括扬声器单元(换能器)以及声透镜的完整的扬声器组件的构造高度可以十分低矮。

本发明与声透镜所实现的方案相比通过提供一种扬声器组件而解决了对于多种不同的、受控的指向性设置的需求，其中该组件包括声透镜，该声透镜具有一个或多个可动构件，其中该可动构件可从第一位置移动至第二位置、以及移动至该第一位置与第二位置之间的任何位置，在第一位置中可动构件对声透镜的指向性产生第一作用，在第二位置中可动构件对声透镜的指向性产生第二作用。

已在上文中讨论的声透镜具有十分低矮的构造高度，并且同时特别是在垂直方向上提供了集中的声音发射。通过进一步提供能够干涉或控制/调节水平面中的指向性的可动构件，声透镜能够相对精确地使声音集中到聆听者的位置。

在本发明的另外的有利实施方式中，声换能器被设置在声透镜附近，以用于在第一方向上发出声音，并且其中可动构件围绕平行于该第一方向的一条或多条轴线旋转。

可动构件对发出的声音进行反射，因此可动构件的形状是重要的。因此，本发明在另外的有利实施方式中提供的是可动构件具有前表面，该前表面具有在第一轴线的方向上的延伸部以及在第一轴线的径向上的延伸部，其中可动构件在第一轴线的径向上具有弯曲形状。

可从弯曲形状预见到的是，可通过详细设计弯曲形状来避免可动构件的反射产生的干扰。一种优选的弯曲形状在从聆听位置观察时是凸起的。

为了控制可动构件的运动，本发明设置了机电装置来控制可动构件，使得它们被正确地且按照需要地定位。还可经由扬声器组件或扬声器组件所连接的音频系统中的控制单元通过远程控制来进一步控制机电装置，使得远程位置的聆听者可改变可动构件的位置来获得该特定的聆听位置所产生的最佳声音。为了使聆听者更容易地进行这种操作，可通过与该控制单元进行交互来选择可动构件的不同的预设位置。例如，机电装置可以是用于电动致动器的步进马达，或者是与马达结合的有齿的齿轮与摩擦轮的组合，从而以稳定和精确的方式实现可动构件的操作。

本发明涉及一种扬声器组件，其中该扬声器组件在另外的有利实施方式中包括一个或多个低频换能器、一个或多个中频换能器以及具有高频换能器的至少一个声透镜，其中从放大器输送到一个或多个低频换能器、一个或多个中频换能器以及具有高频换能器的至少一个声透镜中的每一个的信号穿过用于一个或多个低频换能器、一个或多个中频换能器以及具有高频换能器的至少一个声透镜中的每一个的有限冲激响应滤波器(FIR)和无限冲激响应滤波器(IIR)。

通过设置滤波器，能够将滤波器编程为，使得聆听者将延迟等等感知为指向性的变化。因此，通过能够对扬声器组件中的每一个换能器单元的滤波器进行编程，可以非常精确地确定指向性并由此确定整个扬声器组件发出的声音。

在一个特定实施方式中，低频换能器和中频换能器的指向性由滤波器控制(这需要每个种类的、多于一个的换能器，其各自能够在常规频率范围内产生足够分散的声能)，以使它们的指向性与高频换能器的指向性相匹配，该高频换能器的指向性由声透镜的可动构件控制。

可替代地，代替使用别处描述的具有滤波器控制的多个换能器，中间频率的指向性还可由(较大的)可动透镜和单一的换能器控制。

所述扬声器组件的另外的有利实施方式使换能器设置有分离的功率放大器，在本发明的另外的有利实施方式中，在已穿过用于一个或多个低频换能器、一个或多个中频换能器以及具有高频换能器的至少一个声透镜中的每一个的有限冲激响应(FIR)滤波器和无限冲激响应(IIR)滤波器之后，信号被发送到分离的功率放大器，该功率放大器连接至一个或多个低频换能器、一个或多个中频换能器以及具有高频换能器的至少一个声透镜中的每一个。

这种构造提供了一种功能十分多样且可控制的扬声器组件，其中可针对任何所需的聆听位置十分精确地控制和再现声音。

在本发明中，声透镜可以被动态地构造为在从宽到窄或在宽和窄之间的每种指向性模式中分配声能。这通过声透镜的一个或多个可动构件的运动来实现，该可动构件从可动构件的一个第一位置移动至可动构件的另一个第二位置或移动至第一位置与第二位置之间的第三位置。其中两个可动构件的运动对应于0-120度范围内的角度转动；该两个可动构件具有相同的旋转中心，或者围绕平行的、不同轴的轴线旋转。还考虑到的是两个可动构件被设置为使得该两个可动构件围绕它们的轴线对称地(耦合的)或不对称地(独立地)移动。

另外的有利实施方式提供的是用于使扬声器和/或声透镜物体移动的机电装置包括一个或多个主轴/臂和/或有齿的轮，这些装置可选地被包含在齿轮箱中或呈现为独立的机械物体。

在本发明的另外的有利实施方式中，还涉及使声透镜从不暴露在外的第一位置移动至暴露在外的第二位置，用于使扬声器和/或声透镜移动的装置包括紧固至周围部分、例如位于扬声器组件壳体内的一条或多条导轨，在另外的有利实施方式中提供的是，其中扬声器组件被设置在壳体中，并且其中所述声透镜可缩回到所述壳体中。该装置可被设置在声透镜上，以用于沿着所述导轨滑动，使得声透镜可在第一位置与第二位置之间移动。

作为对用于提供扬声器声透镜的运动的两个不同实施方式的补充，本发明在另外的有利实施方式中提供了用于使扬声器移动的装置，其中该装置包括一个或多个移动支架、可选的是柔性支架，其被紧固至具有相应的齿轮的扬声器，使得通过转动齿轮，支架、因此扬声器将会移动。

总体上，可使用用于使组件的物体移动的任何其他合适的装置。例如折叠式机构，其包括剪刀式结构，由此通过使剪刀部的臂的端部一起移动而实现抬升/位移，并且通过移开臂而实现缩回。还将组件设置在平行四边形结构中，使得被紧固至该平行四边形一角的组件将会在平行四边形的形状变化时(例如，受到紧固至构造的适当部分的致动器的影响)以直线的方式移动。

利用透镜技术的尤为有利之处在于，由于穿过声透镜的声能的精细限定的分配图被十分精细地限定，顶部和/或底部所产生的失真和意外反射可受到严格限制，从而能够基本上无障碍地朝向聆听者引导声能、即声音。

在另外的有利实施方式中，本发明的原理可设置在电视机、高保真声音装置或其他扬声器中。对于每日使用来说，可取的是，例如电视机不具有突出的扬声器。然而，在使用中，当电视机起到更积极的作用时，例如，当观看黄金时段体育赛事时或当观看故事片时，聚焦点在屏幕上而不是在电视机的设计上，则从这种电视机突出的额外的扬声器更能令人接受。尤其是，如果设置额外的扬声器，例如包括声透镜，则将会极大地提升传播/内容的声音质量并由此提升使用者的整体体验。出于相同的原因，还可取的是将这种扬声器组件设置在高保真声音装置(例如所谓的手提式大型收录机(ghetto blaster))、平板电视(LCD/等离子/OLED)、信号接收器、音频/视频媒体播放器、放大器、车载娱乐系统、便携式计算机、PC或其他移动式声音设备中。

针对某些应用，可取的是具有引导声音的进一步的可能性。为此目的，另外的有利实施方式中的扬声器组件被设置为使得该扬声器组件和/或声透镜可围绕运动轴线旋转。因此，通过能够使声透镜或扬声器围绕第二轴线旋转，可以尽可能更好地朝向聆听者引导声能。

另外，通过提供声透镜构件围绕运动轴线的旋转，能够在最少地失真和反射的情况下朝向聆听者引导声能。

此外，可响应于计算机接收的指令来进行根据本发明的扬声器组件和声透镜的构件的运动，其中输入与聆听者位置和/或房间构造和/或家具数量等等有关的信息可向可动构件给出如何定位或以其他方式使扬声器组件进入基于目前环境的最佳声能输送位置的指令。

在本发明的另外的有利实施方式中，声透镜设置有发光装置，其中所述发光装置可以可选地被控制为根据扬声器的状态发出不同颜色的光和/或不同强度的光。

光可具有不同颜色/色调，以表示扬声器的状态，例如红光可表示准备状态，绿光表示活动状态，脉冲光可表示扬声器组件中的软件正在升级等等。

如另外的有利实施方式中所述，还考虑到的是组件包括两个声透镜，其中第一声透镜被设置为用于与高音对应的高频率，并且第二声透镜被设置为用于中声调频率。通过这种构造，能够更进一步地优化声音发射。公知的是低频率较难被引导并且会在很大程度上相对于低频扬声器在十分宽广的发射角度上分配。对于高频率(中声调和高声调)，更容易在特定方向上引导声音发射。通过在高声调扬声器和中声调扬声器中均设置声透镜、特别是具有可动构件的声透镜，提高了指向性，并因此能够更进一步地提升特定聆听者位置处的声音体验。中频声透镜通常具有比高声调声透镜更大的物理尺寸。

至少在本发明中，中声调扬声器应理解为通常发出/再现250-2000Hz的频率范围内的声音，高音喇叭或高声调扬声器通常设计为再现约1500Hz或更高的频率范围内的声音，并且低声调或低音扬声器再现低于350Hz的频率范围内的声音。人耳通常能够辨别低至约30-40Hz的频率。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，在附图中：

图1示出包括声透镜的扬声器组件。

图2和图3示出声透镜暴露在外的扬声器组件。

图4和图5示出声透镜的替代位置。

图6a示出声透镜的可动构件的例子。

图6b示出透镜的顶部已被移除的声透镜的视图。

图7示出声透镜的实施方式的侧视图。

图8a示出根据声透镜的构造的、可动构件的替代位置。

图8b示出可动构件的可选几何形状的俯视图。

图9示出与指向性的宽模式和窄模式相关的声场。

图10示出随频率变化的、声能的受控的水平分布。

图11示出扬声器组件的框图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的扬声器组件2，其中该组件包括被置入声透镜中的高音喇叭，并且其中声透镜1的上表面被缩回到扬声器组件2的表面中并且与扬声器组件2的上表面无缝整合。

图2示出了声透镜1处于从关闭(不暴露在外的)位置到打开位置的运动过程中的中间位置，声换能器/高音喇叭8在此处是可见的。声透镜的侧壁3局部可见。

图3示出了声透镜1处于打开(暴露在外的)位置，其中高音喇叭8是可见的。声透镜的侧壁3局部暴露在外。声透镜的底板4的部分和顶板的底部限定了间隙，其能够控制、特别是垂直地控制从声透镜发出的声音的散布。高音喇叭的发声方向由虚线40表示。

在图3、4、5中，声透镜具有可动构件5、5’、6、6’、7、7’，其中在第一位置5、5’实现了具有宽指向性的第一模式，在暴露在外的第二位置6、6’实现了具有较窄指向性的第二模式，并且在暴露在外的位置7、7’实现了具有更窄指向性的第三模式。仅出于说明的目的，没有示出用于使根据本发明的声透镜从其第一模式/位置移动至其第二和第三模式/位置的装置，因为可采用提供运动的任何合适的装置。

图6a示出了机电装置的实施方式，其能够使对来自高音喇叭8的分配的声音的水平指向性进行控制的可动构件61、62移动。该装置包括至少一个马达63、以及与连接至可动构件5、5’和6、6’和7、7’的装置64接合的齿轮65和/或摩擦轮67和/或驱动轮66的组合。铰接装置68连接至两个构件61、62并且使所述构件能够围绕共有轴线60旋转。在所示实施方式中，实现了可动构件61、62的对称的(耦合的)运动，例如，使得发出的声音将会对称地(在使用中水平地)发出。然而，还能够构造一种运动机构，其产生两个可动构件61、62的不对称的(独立的)运动。例如，这可通过将每个可动构件连接于独立的致动器、步进马达等等来实现。

图6b示出了根据本发明的声透镜1的视图，其中透镜的顶部已被移除。高音喇叭8基本上居中地设置在透镜1中，并且图6a所示的用于使可动构件5、5’旋转的中心轴线60与高音喇叭8的中心轴线40重合。随着可动构件5、5’从它们的最宽位置移动至所示的位置，凸起的表面后部的开口被弯曲的壁43、43’盖住、其中该最宽位置即止动部45、45’在相应的止动部46、46’处与后盖44接合的位置。以这种方式，因为设置了后盖44、弯曲的壁43、43’以及凸起的表面，所以在不考虑指向角度(即不考虑可动构件之间的相对角度，由此不考虑弯曲的表面5、5’之间的相对角度)的情况下，声透镜总是具有完全的外表面。

图7示出了声透镜装置1的立体侧视图，其具有顶板9、固定的侧壁3、底板4、可动构件5、5’以及高音喇叭8。

在构造可动的声透镜时，重要的是在可动构件与声透镜的顶板和底板之间避免宽间隙。这种宽间隙会导致声音失真。此外，可动构件后部的任何腔体必须填充有吸音材料，以避免由于从剩余间隙中漏出的残余声能泄漏而产生声音失真。

图8示出了声透镜的俯视图，其中示出了可动构件5、5’的指向性模式和相关位置。可动构件5、5’具有在图6a所示的共有轴线60上的旋转中心。根据功能和/或工业设计需求，所述旋转中心轴线可以与高音喇叭8的中心轴线40相同、或者是偏离高音喇叭的中心且位于穿过该中心的垂直线上的中心轴线40’。

指向性的宽模式10、10’是可动构件5、5’位于关闭位置(第一位置)。

指向性的窄模式20、20’是可动构件5、5’位于打开位置(第二位置)。

在这方面，“打开”和“关闭”位置指的是可动构件露出了多少。当可动构件处于它们的第一位置时，它们对发出的声音干涉最少，反之亦然。

指向性的中间模式30’、30是可动构件5、5’位于部分打开位置(第三位置)。这表示在从第一位置到第二位置的运动过程中的位置。可选地，该模式被应用为操作的中间窄模式，产生中间窄度的指向性。总之，可使用可动构件5、5’在最宽位置10、10’与最窄位置20、20’之间的任何位置。另外，可使用可动构件5、5’之间的相对位置的任何不对称的组合。这在水平指向性得到控制和利用的例子中尤为值得注意。例如，一个可动构件5可处于位置10，同时另一个可动构件5’可处于位置20’。在这种构造中，如图8a所示，声透镜将朝右侧(从聆听者的位置观察)引导其声音发射。

图8b示出了可动构件5、5’的可选几何形状的俯视图。在一个实施方式11中，直线限定边界。在替代实施方式12中，曲线限定边界。所述曲线是起点位于中心点40处的直线并且该线的弯曲部分的端点位于包含有声透镜的圆的周缘处。曲线的确切形状可以是复杂的并且通过详细的设计、模拟和测量来确定，目的在于优化声透镜的声学特性，避免声音再现的任何不期望的效果。

图9示出了声音辐射图的例子，表示出窄的(92)或宽的(91)且具有水平分布的两种指向性操作模式。

视图以极坐标图表示出声音辐射图。两个极坐标图针对0度方向进行了统一化。极面区域25对应于可动构件5、5’的窄位置(参考图8a，对应于20、20’)，而极面区域26表示可动构件的最宽位置(参考图8a，对应于10、10’)。

图10示出了从扬声器组件发出的声音的水平分布的示例，该扬声器组件包含有根据本发明的声透镜。作为组件的高音喇叭和声透镜带来的受控的指向性的作用在4kHz及以上的频率范围95内是有效的。低频率范围93内的指向性由与适当的滤波器装置结合的多个低频扬声器换能器控制。中频率范围94内的指向性可由与适当的滤波器装置结合或与结合有单一的中频扬声器换能器的声透镜结合的多个中频扬声器换能器控制。

在图11公开的本发明的实施方式中，概念在于将声透镜的可动构件的机械运动与DSP控制相结合，以控制整个系统的声音分布。

系统100包括三个低频换能器101、102、103(低音喇叭(woofer))、三个中频换能器104、105、106以及安装在机械反射器、即声透镜9中的高音喇叭8，该声透镜9如上所述能够改变其形状。在附图中，声透镜9被示出为处于两种不同的模式，即宽模式91和窄模式92。这些模式对应于上文中参考图8a为例描述的可动构件5、5’的位置。在被送至连接至每个换能器的分离的功率放大器111’-111”””’之前，输入信号110通过FIR滤波器(有限冲激响应滤波器)和IIR滤波器(无限冲激响应滤波器)进行滤波。信号流在图11中示出。

系统100提供了在所有频率下改变扬声器组件的指向性的可能性。改变声透镜9的形状的机械运动控制了高音喇叭的指向性，例如，参考图9中的辐射图。为了适配低音喇叭101、102、103和中频换能器104、105、106的指向性，FIR和IIR的滤波器系数被同时改变，使得所有部分(低音喇叭、中频和高音喇叭)的指向性相匹配。高音喇叭的FIR滤波器和IIR滤波器被同样地改变，使得所有部分的频率特性被校准并且总和为所需的频率特性。

与同轴声级(0dB)相比，在例如-3dB声级下的窄指向性目标具有例如+/-45°的散布，并且宽指向性目标具有例如+/-90°的散布。在图8a中，累积的指向性目标、指向性角度被表示为弧线15。每个机械角度都具有与该特定角度下的高音喇叭的指向性相匹配的、对应的滤波器组(见下表)。

应注意的是跨频率的指向性是恒定的。然而，重要的是，指向性在较高频率下不会加宽。因此，所产生的中频的指向性应该不比高音喇叭的指向性更窄。

总的来说，低音喇叭部分101、102、103在400Hz以下操作，中频104、105、106处于400Hz与4000Hz之间，并且高音喇叭8在4000Hz以上。然而，频率范围是可变的，以尽可能的利用驱动器的固有指向性。

滤波器的阶数不是固定的。这取决于系统的物理实现、精度要求以及采样率。

表1中示出了用于两种机械透镜形状的滤波器系数。LFIRx表示FIR滤波器x的FIR滤波器长度，并且LIIRy表示IIR滤波器y中的双二阶数。

表1

针对参考任何附图描述的所有实施方式，扬声器组件可有利地装备有冲击感应系统，使得在扬声器组件检测到例如手或其他身体部位的形式的冲击被放置或击打在扬声器组件上时，其可以自动地且可选地缩回到不暴露在外的第一位置，或根据冲击的位置和性质回到暴露在外的第二位置，由此不仅保护根据本发明的扬声器组件而且还保护身体部位。

Claims (10)

1.一种扬声器组件，所述扬声器组件包括声透镜(1)，所述声透镜(1)具有一个或多个可动构件，其中所述可动构件能够从第一位置(10，10’)移动至第二位置(20，20’)，以及移动至所述第一位置(10，10’)与所述第二位置(20，20’)之间的任何位置，在第一位置(10，10’)中所述可动构件对所述声透镜(1)的指向性产生第一作用，在第二位置(20，20’)中所述可动构件对所述声透镜(1)的指向性产生第二作用,其特征在于，声换能器(8)被设置在所述声透镜(1)附近，以用于在第一方向(40)上发出声音，并且其中所述可动构件围绕平行于所述第一方向(40)的一条或多条第一轴线(60)旋转。

2.根据权利要求1所述的扬声器组件，其中，所述可动构件具有前表面(12)，所述前表面(12)具有在所述第一轴线(60)的方向上的延伸部以及在所述第一轴线(60)的径向上的延伸部，其中所述可动构件在所述第一轴线的径向上具有弯曲形状。

3.根据权利要求2所述的扬声器组件，其中，所述弯曲形状在从聆听位置观察时是凸起的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的扬声器组件，其中，所述可动构件通过机电装置被移动。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的扬声器组件，其中，所述扬声器组件包括一个或多个低频换能器(101，102，103)、一个或多个中频换能器(104，105，106)以及具有高频换能器的至少一个声透镜(1)，其中从放大器输送到所述一个或多个低频换能器(101，102，103)、所述一个或多个中频换能器(104，105，106)以及具有所述高频换能器的至少一个声透镜(1)中的每一个的信号(110)穿过用于所述一个或多个低频换能器(101，102，103)、所述一个或多个中频换能器(104，105，106)以及具有所述高频换能器的至少一个声透镜(1)中的每一个的有限冲激响应滤波器(FIR1-FIR7)和无限冲激响应滤波器(IIR1-IIR7)。

6.根据权利要求5所述的扬声器组件，其中，在已穿过用于所述一个或多个低频换能器(101，102，103)、所述一个或多个中频换能器(104，105，106)以及具有所述高频换能器的至少一个所述声透镜(1)中的每一个的所述有限冲激响应滤波器(FIR1-FIR7)和所述无限冲激响应滤波器(IIR1-IIR7)之后，所述信号(110)被发送到连接至所述一个或多个低频换能器(101，102，103)、所述一个或多个中频换能器(104，105，106)以及具有所述高频换能器的至少一个所述声透镜(1)中的每一个的、分离的功率放大器(111’-111”””’)。

7.根据权利要求1所述的扬声器组件，其中，设置了两个所述可动构件，并且其中两个所述可动构件围绕它们的轴线对称地或不对称地移动。

8.根据权利要求1所述的扬声器组件，其中，所述扬声器组件被设置在壳体中，并且其中所述声透镜(1)能够缩回到所述壳体中。

9.根据权利要求1所述的扬声器组件，其中，所述声透镜(1)设置有发光装置，其中所述发光装置能够可选地被控制为根据扬声器的状态发出不同颜色的光和/或不同强度的光。

10.根据权利要求5所述的扬声器组件，其中，所述扬声器组件包括两个所述声透镜，其中的第一声透镜被设置为用于与高音对应的高频率，并且第二声透镜被设置为用于中声调频率。