CN110036652A - 声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有声学元件的声换能器，该声学元件从该声学元件的前侧发射或接收前侧声辐射，并且从该声学元件的后侧发射或接收后侧声辐射。外壳引导前侧声辐射和后侧声辐射。外壳中的多个声音传导通气孔允许声音进入外壳或允许声音离开外壳。通气孔之间的距离限定声偶极子的有效长度。外壳及该外壳的通气孔被构造并布置成使得有效偶极子长度是频率相关的。

Description

声换能器
背景技术
本公开涉及声换能器。
耳外耳机允许使用者更好地了解环境，并提供佩戴者可用来与其他人进行交互的社交线索。然而，由于耳外耳机的一个或多个声换能器离耳朵更远，并且不将声音限制到仅仅耳朵，所以与耳内耳机相比，耳外耳机产生可以被其他人听到的更多的声音泄漏。泄漏会减损耳外耳机的实用性和合意性。
发明内容
下文提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。
在一个方面，声换能器包括声学元件，该声学元件从该声学元件的前侧发射前侧声辐射或将前侧声辐射接收到该声学元件的前侧，并且从该声学元件的后侧发射后侧声辐射或将后侧声辐射接收到该声学元件的后侧。外壳引导前侧声辐射和后侧声辐射。外壳中的多个声音传导通气孔允许声音进入外壳或允许声音离开外壳。通气孔之间的距离限定换能器的声偶极子的有效长度。外壳及该外壳的通气孔被构造并布置成使得有效偶极子长度是频率相关的。在一个示例中，换能器是具有发射声辐射的声辐射器的扬声器。在另一个示例中，换能器是具有接收声辐射的膜片的麦克风。
在另一个方面，扬声器包括：声辐射器，该声辐射器从该声辐射器的前侧发射前侧声辐射并从该声辐射器的后侧发射后侧声辐射；外壳，该外壳引导前侧声辐射和后侧声辐射；和外壳中的多个发声通气孔，其中通气孔之间的距离限定扬声器偶极子的有效长度。外壳及该外壳的通气孔被构造并布置成使得有效偶极子长度是频率相关的。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。有效偶极子长度在较低频率下可能比该有效偶极子长度在较高频率下大。通气孔可以包括外壳中的由电阻屏覆盖的开口。通气孔可以包括端口开口。扬声器还可以包括在声辐射器和通气孔之间的声传输线。扬声器还可以包括用于将扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中当扬声器佩戴在使用者的头部时，声辐射器被保持在使用者的耳朵附近但不覆盖使用者的耳朵。第一通气孔、第二通气孔和第三通气孔可以分别包括第一端口开口、第二端口开口和第三端口开口，其中第一端口开口接收前侧声辐射或后侧声辐射，并且第二端口开口和第三端口开口都接收前侧声辐射或后侧声辐射，但是不接收与第一端口开口相同的声辐射。扬声器还可以包括带通气孔的声传输线，该带通气孔的声传输线接收前侧声辐射或后侧声辐射，但是不接收与第一端口开口相同的声辐射，其中第二端口开口位于靠近声辐射器的声传输线中，并且第三端口开口位于比第二端口开口远离声辐射器的声传输线中。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。第一通气孔可以包括外壳中的由电阻屏覆盖的第一开口，并且第二通气孔可以包括外壳中的第二开口。第一通气孔和第二通气孔都可以接收前侧声辐射或后侧声辐射。扬声器还可以包括外壳中的第三发声通气孔，其中第三通气孔接收前侧声辐射或后侧声辐射，但是不接收与第一通气孔和第二通气孔相同的声辐射。第三通气孔可以包括在端口的端部处的开口，该开口由端口壁限定，并且扬声器还可以包括减少端口驻波共振的端口中的结构。减少端口驻波共振的端口中的结构可以包括端口壁中的被电阻屏覆盖的开口。扬声器还可以包括带通气孔的声传输线，该带通气孔的声传输线接收不被第一通气孔和第二通气孔接收的前侧声辐射或后侧声辐射。扬声器还可以包括用于将扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中当扬声器佩戴在使用者的头部时，声辐射器被保持在使用者的耳朵附近但不覆盖使用者的耳朵，并且其中第一通气孔和声传输线通气孔都指向耳朵。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。扬声器还可以包括外壳中的第三发声通气孔和第四发声通气孔，其中第三通气孔和第四通气孔都接收前侧声辐射或后侧声辐射，但是不接收与第一通气孔和第二通气孔相同的声辐射。扬声器还可以包括用于将扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中当扬声器佩戴在使用者的头部时，声辐射器被保持在使用者的耳朵附近但不覆盖使用者的耳朵，并且其中第一通气孔和第二通气孔都比第三通气孔和第四通气孔靠近耳朵。所有四个通气孔可以是大体共面的。第三通气孔可以包括外壳中的由电阻屏覆盖的第三开口，并且第四通气孔可以包括外壳中的第四开口。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。通气孔可以包括无源辐射器。扬声器可以包括两个声辐射器和用于控制由两个声辐射器中的每一个声辐射器发射的声辐射的相位的系统，其中两个声辐射器在该两个声辐射器的一侧上流体耦合到公共声体积，并且其中第一通气孔流体耦合到公共声体积，第二通气孔流体耦合到一个声辐射器的另一侧，并且第三通气孔流体耦合到另一个声辐射器的另一侧。
在另一个方面，扬声器包括：声辐射器，该声辐射器从该声辐射器的前侧发射前侧声辐射并从该声辐射器的后侧发射后侧声辐射；外壳，该外壳引导前侧声辐射和后侧声辐射；用于将扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中当扬声器佩戴在使用者的头部时，声辐射器被保持在使用者的耳朵附近但不覆盖使用者的耳朵；和外壳中的多个发声通气孔，其中通气孔之间的距离限定扬声器偶极子的有效长度。外壳及该外壳的通气孔被构造并布置成使得有效偶极子长度是频率相关的，其中有效偶极子长度在较低频率下比该有效偶极子长度在较高频率下大。第一通气孔包括外壳中的由电阻屏覆盖的第一开口，并且第二通气孔包括外壳中的第二开口，其中第一通气孔和第二通气孔都可以接收前侧声辐射或后侧声辐射，并且在外壳中存在第三发声通气孔，其中第三通气孔接收前侧声辐射或后侧声辐射，但是不接收与第一通气孔和第二通气孔相同的声辐射。第三通气孔可以包括外壳中的由电阻屏覆盖的第三开口。
附图说明
图1是沿着图2B的线1-1截取的扬声器的部分示意性剖视图。
图2A和图2B是在使用者的耳朵附近使用的图1的扬声器的前透视图和侧视图。
图3是图1的扬声器的电学等效图。
图4是图1的扬声器的代表性示例的阻抗与频率的曲线图。
图5是单极声体积速度源和两个不同偶极子体积速度源的泄漏(声压)与频率的曲线图。
图6是示例性扬声器的驱动器位移与频率的曲线图。
图7是与图6中相同的示例性扬声器的泄漏与频率的曲线图。
图8A是扬声器的示意性剖视图。
图8B是图8A的扬声器的阻抗与频率的曲线图。
图9A是扬声器的示意性剖视图。
图9B是图9A的扬声器的控制系统的示意性框图。
图10A和图10B是示例性四极扬声器中四个辐射器的布置的两种型式的示意图。
图11是图10A和图10B的偶极子和四极子的泄漏(声压)与频率的曲线图。
图12是在耳朵附近使用的示例性四极扬声器的侧视图。
图13是图12的扬声器的透视图。
图14是在使用者的耳朵附近使用的扬声器的示意性剖视图。
图15是扬声器的示意性剖视图。
图16是麦克风的示意性剖视图。
图17是麦克风的示意性剖视图。
具体实施方式
声换能器包括声学元件，该声学元件从该声学元件的前侧发射前侧声辐射或将前侧声辐射接收到该声学元件的前侧，并且从该声学元件的后侧发射后侧声辐射或将后侧声辐射接收到该声学元件的后侧。外壳引导前侧声辐射和后侧声辐射。外壳中的多个声音传导通气孔允许声音进入外壳或允许声音离开外壳。通气孔之间的距离限定换能器的声偶极子的有效长度。有效长度可以被认为是对任何特定频率下发射或接收的辐射贡献最大的两个通气孔之间的距离。外壳及该外壳的通气孔被构造并布置成使得有效偶极子长度是频率相关的。在一个示例中，换能器是具有发射声辐射的声辐射器的扬声器。在另一个示例中，换能器是具有接收声辐射的膜片的麦克风。当构造为扬声器时，与不具有该特征的耳外耳机相比，换能器能够实现传递到耳朵的声压与泄漏声音的更大比率。当构造为麦克风时，与典型耳外麦克风相比，换能器能够在人类语音的典型频率下实现转换声压与噪声的更大比率。
耳机是指一种通常装配在耳朵周围、耳朵上或耳朵内并将声能辐射到耳道内的设备。本公开描述了一种装配在耳朵附近但不堵塞耳朵的耳机，称为耳外耳机。耳机有时被称为耳筒、听筒、头戴式受话器、耳塞或运动耳机，可以是有线或无线的。耳机包括声换能器驱动器以将音频信号转换为声能。声学驱动器可容纳在耳罩中。虽然下面的一些附图和描述显示了单个耳机，但是耳机可以是单个独立单元或者一对耳机(每个耳机包括至少一个声学驱动器)中的一个耳机，每个耳机对应一只耳朵。耳机可以机械地连接到另一个耳机，例如通过头带和/或通过将音频信号传导到耳机中的声学驱动器的引线。耳机可以包括用于无线接收音频信号的部件。耳机可以包括主动降噪(ANR)系统的部件。耳机还可以包括其他功能，诸如麦克风。
在耳朵周围或耳朵上或耳朵外的耳机中，耳机可以包括头带和至少一个外壳，该至少一个外壳被布置成安放在使用者的耳朵上或上方或靠近使用者的耳朵。头带可以是可收缩的或可折叠的，并且可以由多个部分制成。一些头带包括滑块，该滑块可以定位在头带的内部，有助于外壳的任何期望的平移。一些耳机包括枢转地安装到头带的轭，其中外壳枢转地安装到轭，以有助于外壳的任何期望的旋转。
示例性扬声器10在图1中描绘，该图是示意性纵向剖视图。扬声器10包括位于外壳14内的声辐射器12。外壳14是封闭的或基本上封闭的，除了一些发声通气孔之外。外壳及该外壳的通气孔被构造并布置成实现向特定位置的期望的声压级(SPL)传递，同时使泄漏到环境中的声音最小化。这些结果使得扬声器10成为有效的耳外耳机。然而，本公开不限于耳外耳机，因为扬声器在其他用途中也是有效的，诸如只能从特定位置清晰听到的露天扬声器，该露天扬声器可以包括内置在汽车中座椅的头枕或另一部分中的扬声器，以及用于例如电影院、街机游戏和娱乐场游戏的扬声器。
外壳14限定标识为“V1”的声辐射器前体积16以及标识为“V0”的声辐射器后体积20。声辐射器12将声压辐射到体积16和体积20两者中，到两个不同体积的声音是异相的。外壳14因此引导前侧声辐射和后侧声辐射两者。在该非限制性示例中，外壳14包括三个(在某些情况下四个或更多个)通气孔：前开口通气孔18(可以任选地由电阻屏覆盖，以形成更理想偶极子，如下面进一步解释的)；由电阻屏覆盖的后开口24，该电阻屏为诸如由SaatiAmericas Corp.制造的19Rayl聚合物屏，该公司的位置在美国南卡罗来纳州方廷因；以及后端口开口26，该后端口开口位于端口(即声传输线)22的远侧端部。声传输线是适于传输声压的管道，诸如端口或声波导。端口和波导通常具有声质量。如现有技术中已知的，由电阻屏覆盖的第二后开口23是任选的有源元件，其可以被包括以阻尼端口22中的驻波。在不具有带屏开口23的情况下，在端口长度等于波长一半的频率下，驱动端口的阻抗非常低，这将导致空气通过端口而不是带屏开口24逸出。当包括带屏开口23时，沿着端口22的距离可以分为从端口22的入口到开口23的距离“端口1”和从开口23到开口26的距离“端口2”。应注意，任何声学开口都具有复阻抗，具有电阻(能量耗散)部件和电抗(非耗散)部件。当我们称开口为电阻性时，我们的意思是电阻部件占主导地位。
前通气孔和后通气孔以可以等同于声偶极子的方式向外壳14外部的环境辐射声音。一个偶极子将由通气孔18和通气孔24来实现。第二更长的偶极子将由通气孔18和通气孔26来实现。理想声偶极子表现出由两个波瓣组成的极性响应，具有沿辐射轴线向前和向后相等的辐射，并且没有垂直于该轴线的辐射。扬声器10整体上表现出近似偶极子的声学特性，其中有效偶极子长度或力矩不是固定的，即该有效偶极子长度或力矩是可变的。偶极子的有效长度可以被认为是在任何特定频率下对声辐射贡献最大的两个通气孔之间的距离。在本示例中，偶极子长度的可变性是频率相关的。因此，外壳14和通气孔18、24和26被构造并布置成使得扬声器10的有效偶极子长度是频率相关的。可变长度偶极子的频率依赖性及该可变长度偶极子对扬声器的声学性能的影响将在下面进一步描述。偶极子长度的可变性与哪些通气孔在什么频率下占主导地位有关。在低频下，通气孔26相比通气孔24占主导地位，因此偶极子长度为长。在高频下，通气孔24相比通气孔26(体积速度)占主导地位，因此偶极子间距为短。
在换能器的前侧上的一个或多个通气孔和在换能器的后侧上的一个或多个通气孔从扬声器产生偶极子辐射。当在开放式个人近场音频系统(诸如具有耳外耳机)中使用时，本公开的可变长度偶极子扬声器解决了两个主要的声学挑战。耳机应该向耳朵传递足够的SPL，同时使到环境的泄漏最小化。本扬声器的可变长度偶极子允许扬声器具有在低频下相对大的有效偶极子长度和在高频下较小的有效偶极子长度，其中有效长度在两个频率之间相对平滑地过渡。对于声源在耳朵附近放置但不覆盖耳朵的应用，所期望的是在耳朵处的高SPL和泄漏给旁观者的低SPL(即远离声源的低SPL)。在耳朵处的SPL是偶极子的前侧和后侧距耳道的距离的函数。对于给定驱动器体积位移，一个偶极子源靠近耳朵而另一个偶极子源远离耳朵导致在耳朵处的SPL较高。这允许使用较小的驱动器。然而，泄漏的SPL是偶极子长度的函数，其中较大的偶极子长度导致较多的泄漏的声音。对于其中驱动器需要相对小的耳机，在低频下，驱动器位移是传递到耳朵的SPL的限制因素。这导致了这样的结论，即较大的偶极子长度在较低频率下更好，其中在较低频率下泄漏不是什么大问题，因为与中频相比，人类对低音频率不太敏感。在较高频率下，偶极子长度应该较小。
在本文的一些非限制性示例中，扬声器用于将声音传递给使用者的耳朵，例如作为耳机的一部分。图2A和图2B中描绘了示例性耳机34。扬声器10定位成将声音传递到具有耳廓41的耳朵E的耳道40。外壳14由头带30承载，使得声辐射器保持在耳朵附近但不覆盖耳朵。为了简单起见，不包括与本公开无关的耳机34的其他细节。前通气孔18比后通气孔24和26靠近耳道40。通气孔18优选地位于耳廓41的前方，并指向耳道且靠近耳道，使得逸出通气孔18的声音在该声音到达耳道之前不会被耳廓阻挡或显著影响。从图2B的侧视图中可以看出，通气孔24和28直接远离使用者的头部引导。通气孔18、24和26的面积应该足够大，使得由于由高流速引起的湍流导致的流动噪声最小。应注意，通气孔的这种布置是对本文原理的说明，而不是对本公开的限制，因为通气孔的位置、尺寸、形状、阻抗和数量可以变化，以实现特定的声音传递目标，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。
声辐射器的一侧(图1和图2的示例中的前侧)通过靠近耳道的通气孔辐射。驱动器的另一侧可以迫使空气通过屏，或者通过端口。当端口的阻抗较高时(在相对高的频率下)，在辐射器的后部产生的声压主要通过屏逸出。当端口的阻抗较低时(在相对低的频率下)，声压主要通过端口的端部逸出。因此，将带屏通气孔放置得比端口开口靠近前通气孔，实现了在较低频率下更长的有效偶极子长度和在较高频率下更小的有效偶极子长度。本扬声器的外壳和通气孔优选地被构造并布置成实现在较低频率下较长的有效偶极子长度和在较高频率下较小的有效偶极子长度。
图3是图1的扬声器的电学等效图或模型50。辐射器12被建模为具有体积速度Q驱动器的体积速度源51。后体积20(V0)被建模为电容器53，带屏开口24被建模为电阻器24a，并且具有开口26的端口22被建模为电感56(对于部分“端口1”)和57(对于部分“端口2”)，其中后声辐射经由开口26从后体积20出来。前体积16(V1)被建模为电容器55，前声辐射被引导至该前体积中。如果前通气孔打开，则假设具有零阻抗，并且因此不会反映在模型中。然而，前侧可以具有带屏开口(建模为任选电阻器52)和/或端口(建模为任选电感54)。
图4是如由图3的模型50建模的图1的扬声器的代表性示例的后侧的阻抗(Z)的幅值与频率(f)的曲线图。较低的阻抗相当于较大的输出体积速度。在任何特定的频率下，来自后侧通气孔中的任何或所有后侧通气孔的输出都可以有助于从扬声器发出的声音。然而，在大多数频率下，后侧通气孔中的一个后侧通气孔的阻抗将低于其他通气孔的阻抗，并且因此从该通气孔以及前侧通气孔传递的声压将控制扬声器输出。
在最高至频率f1的相对低的频率下，扬声器后侧输出由端口开口26控制(曲线62)。曲线62可以具有与L/A成比例的值，其中L是端口22的长度，而A是端口开口26的面积。在频率f1以上，扬声器后侧输出由带屏开口24控制(曲线66)。屏的阻抗(Z)随频率而恒定。在频率f2下，端口和体积共振，这导致驱动器锥的运动减弱或停止，尤其是当由于一个或多个屏引起的阻尼为低时。这导致来自后侧的体积速度大于前侧(开口18)，并且产生非理想偶极子。在频率f3以上，扬声器后侧输出仍然由屏控制，但是由于后侧体积(64)的低阻抗，大部分驱动器体积速度被该体积吸收，并且从屏出来的较少。在一个示例性非限制性示例中，频率f1约为650Hz，频率f2为约3,050Hz，并且频率f3为约16,000Hz。
图5是单极声源(曲线70)和两个不同偶极子源(曲线72和74)的模拟泄漏(距源1米处的声压)与频率的曲线图，所有源都具有1.0立方米每秒的体积速度。曲线74的偶极子具有间隔100mm的两个理想点源，并且曲线72的偶极子具有间隔10mm的两个理想点源。在波长等于偶极子间距的约1/3的频率以下，从偶极子的泄漏小于从单极的泄漏。在该频率以上，从偶极子的泄漏比从单极的泄漏多接近3dB。因此，图5确定，可以通过防止或抑制波长等于偶极子间距的约1/3的频率以上的后侧辐射来减少声音泄漏。这可以通过在后部形成声学低通滤波器来实现。低通滤波器可以用提供一阶滚降的声体积和电阻器或者逼近二阶滚降的声体积和端口(具有电抗和电阻)来实现。
图6是示例性理想化扬声器(诸如图1的扬声器10)的驱动器位移与频率的曲线图(曲线84)，具有四个源体积速度(前通气孔18、后空腔屏24、屏23和后端口出口26)。该模型被简化以使所有四个源共线。源距耳朵的距离分别为10mm、15mm、23.4mm和33.5mm。这与5mm长度的偶极子(曲线80)和30mm长度的偶极子(曲线82)进行了比较。在所有情况下，最靠近耳朵的开口距离耳朵10mm，并且假设偶极子源都沿着离耳朵的轴线共线地定位。图7是与图6中相同的示例性扬声器和两个偶极子在1米处的平均泄漏(耳朵处的100dBSPL)与频率的曲线图。这些曲线确定了主题扬声器的可变有效偶极子长度可以实现在较低频率下较大的偶极子间距和在较高频率下较小的偶极子间距。
图8A是使用无源辐射器312作为通气孔中的一个通气孔的扬声器300的示意性剖视图。无源辐射器使得可变长度偶极跃迁与端口(如图1的示例中使用的)相比更加突然。图8B是图8A的扬声器300的后侧的阻抗与频率的曲线图。扬声器300具有驱动器302。在一侧上(在该非限制性示例中为前侧)的体积速度被引导到前体积306中，并通过端口通气孔308出来。另一侧(后侧)体积速度被引导到后体积304中，并且能够经由带屏开口310和/或无源辐射器312在扬声器外部产生声压。无源辐射器是声学领域众所周知的，并且因此本文不再进一步描述。
后侧阻抗在图8B中绘制。最高至频率f1，体积速度由屏310控制。从f1到f3，体积速度由无源辐射器(PR)312控制。由于PR 312与前开口308的间隔比带屏开口310的间隔大得多，因此PR产生了比屏大得多的偶极子。在频率f3以上，越来越大量的后侧体积速度经由屏310离开，从而减小偶极子长度。
声换能器可以具有多于一个驱动器(或多于一个麦克风膜片)。例如，图9A的扬声器320包括位于外壳321中的驱动器322和324。公共后体积326通过端口328通气，该端口与前带屏开口332和336位于外壳321的同一侧，其中屏332处于驱动器322的前侧，而屏336处于驱动器324的前侧。驱动器324的前体积334也在比前屏332和336离后通气孔328远的位置通气338，以便产生可变长度偶极子。
图9B的系统340可以用于控制扬声器320。音频信号被输入到相位控制和放大器系统342，该相位控制和放大器系统向驱动器1(322)和驱动器2(324)发送适当的音频信号。在一个示例性使用中，在低频下，驱动器322和324同相播放。这在端口328的调谐频率下给后体积326加压，并且产生比驱动器锥可移动的大的体积速度。驱动器324向端口338通气。在低频上段/中频/高频下，系统342用于异相播放驱动器。结果是在端口328处没有体积速度。在低频上段下，来自屏332和端口338的体积速度相等且相反，从而产生大的偶极子长度。在中频/高频下，屏336的阻抗低于端口338的阻抗，因此通过屏336的流量大于端口338的流量，从而产生较小的偶极子长度(屏332和屏336之间的距离)。
可以选择用于覆盖主题换能器中的开口的电阻屏的声阻，以帮助实现更“理想”偶极子，即来自前侧和后侧的体积速度更接近相等的偶极子。如果假设到驱动器的前侧和后侧的体积速度相等，那么前体积和后体积以及屏就像相应的体积速度的过滤器一样。为了实现来自前带屏开口和后带屏开口的相等的体积速度，空腔体积与屏电阻的乘积需要相等。因此，可以根据相应的空腔体积来选择屏电阻。类似地，如果出口具有声质量，为了实现来自具有声质量的前通气孔和后通气孔的相等的体积速度，空腔体积与声质量的乘积需要相等。因此，可以根据相应的空腔体积来设计声质量。
声学四极子是具有两个反相偶极子的声学元件。四极子可以被设计成比偶极子具有少的远场泄漏，因此在本扬声器中可能是有利的。图10A和图10B是示例性四极扬声器中四个辐射器的布置的两种型式的示意图。图11是图10A和图10B的偶极子和四极子的泄漏(声压)与频率的曲线图。
图10A的线性四极子100包括彼此异相的点源102和106，以及也异相的点源104和108。源102和104彼此同相，源106和108也是如此。图10B的矩形四极子110包括彼此异相的点源112和116，以及也异相的点源114和118。源112和114彼此同相，源116和118也是如此。
图11的曲线图示出了偶极子在1m处的泄漏(曲线150)，其中每个源具有1立方米每秒的体积速度和10mm的间距。此外，曲线152绘出了图10A和图10B的两个四极子的泄漏，其中图10A的线性四极子具有间距，其中距离b和B都是10mm，并且图10B的方形四极子具有间距，其中距离b和B都是18.7mm，并且其中源都具有0.5立方米每秒的体积速度。在约8kHz以下，四极子比偶极子泄漏少的辐射，并且随着频率以约60dB/dec的斜率而不是以对于偶极子的约40dB/dec的斜率降低，泄漏的辐射减少。
图12是位于具有耳道40的耳朵E附近的示例性四极扬声器120的示意性侧视图。图13是图12的扬声器120的透视图。端口开口126和带电阻屏的开口128都面向耳朵，并且都在驱动器124的同一侧上，优选地在驱动器124的前侧。带电阻屏的后开口132与端口126和屏128暴露于驱动器的同一侧。屏130和134暴露于驱动器的另一侧。在通气孔126相比带屏通气孔128和132占主导地位的低频下，来自驱动器的前侧的体积速度中的大部分或所有体积速度来自通气孔126，因此作用类似于来自前侧的单个单极源。在较高的频率下，通气孔126由于高阻抗而被有效阻挡，通气孔128和通气孔134或通气孔130形成四极子的第一有效偶极子，而通气孔132与通气孔134和130中的另一个通气孔形成四极子的另一个有效偶极子。如图13所示，所有通气孔都形成在外壳140的侧壁中。通气孔都是大体共面的，在这种非限制性的情况下，位于大体平行于外壳140的平顶部139的平面中。无数种可能的四极子设计中的另一个四极子设计是类似于图10A的线性设计，但是其中两个同相源102和104由强度两倍并且位于源102和104中间的单个源代替。这种更强的单个源位于耳道附近，并且当安装在头部上且人直立时，所有源都沿着竖直线对齐。
扬声器可以采取无数种其他形式，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，图14是在具有耳道40的使用者的耳朵E附近使用的扬声器160的示意性剖视图。扬声器160被构造并布置成增强低频，同时仍然实现主题扬声器的总体目标。驱动器162的后侧装载有长波导174，并且可以包括向波导174馈送的后体积163。驱动器162的前侧向靠近耳朵的带屏开口170通风，以及其开口168更远离耳朵的短端口或波导166。长波导174在该长波导的低音调谐频率附近(甚至低于其调谐频率)产生大量的体积速度，超过了驱动器锥自身能够辐射的体积速度。为了防止这种体积速度被前侧辐射抵消，在低频下，前侧通过远离耳朵的短端口/波导辐射。在中频/高频下，当波导输出不显著时，前侧通过屏辐射。前侧从短波导/端口过渡到屏的频率由屏电阻和端口的声阻抗确定。当端口的阻抗大于屏的阻抗时，更多的空气将流过屏，并且反之亦然。
图15是锥形槽辐射扬声器190的示意性剖视图，该扬声器也被优化以增强低频。外壳194包括后体积193和后端口196、以及前端口198和200。屏202允许前侧体积速度沿着锥形槽辐射扬声器的长度逸出。端口196允许驱动器192的后侧在其(低音)调谐频率下辐射更多的声音，而端口198和/或200允许前侧在中低音频率下辐射。在高频下，前端口阻塞，并且扬声器190的作用更像锥形槽辐射扬声器。
主题声换能器不限于扬声器；同样的原理可以应用于另一种类型的声换能器，例如麦克风。根据互易原理，具有以体积速度Q移动的源和具有小偶极子长度的偶极子辐射器向远场辐射非常小的压力，也可以像偶极子接收器(麦克风)一样起作用，对于给定量的远场压力，该偶极子接收器非常少地移动麦克风的膜片(即麦克风具有低灵敏度)。类似地，大偶极子长度的接收器(麦克风)对远场声音更敏感。并且，将声源(如说话者)放置在比连接到另一侧的通气孔靠近连接到麦克风膜片的一侧的通气孔处，将增加麦克风对近场说话者的灵敏度。
图16是根据本公开的可变偶极子麦克风220的示意性剖视图。麦克风膜片222位于外壳224中。声音从箭头240的方向到达，可以进入在膜片222的第一侧上的端口开口228，并且也可以通过在膜片的另一侧上的带屏开口232进入。带有开口236的端口234位于外壳的远离声源的远侧。也可以包括体积230。当麦克风220靠近声源使用时，该声源相比通气孔236更靠近通气孔228(例如，作为手持麦克风或翻领麦克风)，在低频下，该麦克风响应由端口开口228主导，并且因此该麦克风对声音(说话者)敏感，并且对环境扩散噪声也更敏感。然而，对于存在低频噪声环境但对说话者更高的灵敏度更重要的情况，麦克风220将是有用的。在较高的频率下，麦克风对说话者较不敏感，但环境噪声传递给膜片的信号较少。
图17是根据本公开的另一可变偶极子麦克风250的示意性剖视图。麦克风膜片252位于外壳254中。声音从箭头270的方向到达，并且可以进入在膜片252的第一侧上的端口开口258，并且还可以通过端口264的端口开口266进入，该端口开口与在膜片252的另一侧上的体积260流体连通。带屏开口262在膜片的另一侧上，并且位于远离声源的外壳的后侧上。当麦克风250靠近声源使用时，该声源相比通气孔262靠近通气孔258(例如，作为手持麦克风或翻领麦克风)，在低频下，该麦克风对说话者的灵敏度相对低，但是对环境声音的灵敏度非常低。在较高频率下，对说话者的灵敏度较高，而环境噪声灵敏度也相对较高。因此，麦克风250在噪声处于较低频率的环境中可能最有用。
已描述了多个实施方式。然而，应当理解，在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下，可进行附加修改，并且因此，其他实施方案在以下权利要求书的范围内。

Claims (24)

1.一种扬声器，包括：
声辐射器，所述声辐射器从所述声辐射器的前侧发射前侧声辐射并且从所述声辐射器的后侧发射后侧声辐射；
外壳，所述外壳引导所述前侧声辐射和所述后侧声辐射；以及
多个发声通气孔，所述多个发声通气孔位于所述外壳中，其中，通气孔之间的距离限定扬声器偶极子的有效长度；
其中，所述外壳及所述外壳的通气孔被构造并布置成使得所述有效偶极子长度是频率相关的。
2.根据权利要求1所述的扬声器，其中，所述有效偶极子长度在较低频率下比所述有效偶极子长度在较高频率下大。
3.根据权利要求1所述的扬声器，其中，通气孔包括所述外壳中的由电阻屏覆盖的开口。
4.根据权利要求1所述的扬声器，其中，通气孔包括端口开口。
5.根据权利要求1所述的扬声器，还包括声传输线，所述声传输线位于所述声辐射器和通气孔之间。
6.根据权利要求1所述的扬声器，还包括用于将所述扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中，当所述扬声器被佩戴在所述使用者的头部时，所述声辐射器被保持在所述使用者的耳朵附近但不覆盖所述使用者的所述耳朵。
7.根据权利要求1所述的扬声器，其中，第一通气孔、第二通气孔和第三通气孔分别包括第一端口开口、第二端口开口和第三端口开口，其中，所述第一端口开口接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射，并且所述第二端口开口和所述第三端口开口都接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射，但是不接收与所述第一端口开口相同的声辐射。
8.根据权利要求7所述的扬声器，还包括带通气孔的声传输线，所述带通气孔的声传输线接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射，但是不接收与所述第一端口开口相同的声辐射，其中，所述第二端口开口位于靠近所述声辐射器的所述声传输线中，并且所述第三端口开口位于比所述第二端口开口远离所述声辐射器的所述声传输线中。
9.根据权利要求1所述的扬声器，其中，第一通气孔包括所述外壳中的由电阻屏覆盖的第一开口，并且第二通气孔包括所述外壳中的第二开口。
10.根据权利要求9所述的扬声器，其中，所述第一通气孔和所述第二通气孔都接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射。
11.根据权利要求10所述的扬声器，还包括第三发声通气孔，所述第三发声通气孔位于所述外壳中，其中，所述第三通气孔接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射，但是不接收与所述第一通气孔和所述第二通气孔相同的声辐射。
12.根据权利要求11所述的扬声器，其中，所述第三通气孔包括在端口的端部处的开口，所述开口由端口壁限定，并且所述扬声器还包括减少端口驻波共振的所述端口中的结构。
13.根据权利要求12所述的扬声器，其中，减少端口驻波共振的所述端口中的所述结构包括端口壁中的被电阻屏覆盖的开口。
14.根据权利要求10所述的扬声器，还包括带通气孔的声传输线，所述带通气孔的声传输线接收不被所述第一通气孔和所述第二通气孔接收的所述前侧声辐射或所述后侧声辐射。
15.根据权利要求14所述的扬声器，还包括用于将所述扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中，当所述扬声器被佩戴在所述使用者的头部时，所述声辐射器被保持在所述使用者的耳朵附近但不覆盖所述使用者的所述耳朵，并且其中，所述第一通气孔和所述声传输线通气孔都指向所述耳朵。
16.根据权利要求10所述的扬声器，还包括所述外壳中的第三发声通气孔和第四发声通气孔，其中，所述第三通气孔和所述第四通气孔都接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射，但是不接收与所述第一通气孔和所述第二通气孔相同的声辐射。
17.根据权利要求16所述的扬声器，还包括用于将所述扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中，当所述扬声器被佩戴在所述使用者的头部时，所述声辐射器被保持在所述使用者的耳朵附近但不覆盖所述使用者的所述耳朵，并且其中，所述第一通气孔和所述第二通气孔都比所述第三通气孔和所述第四通气孔靠近所述耳朵。
18.根据权利要求16所述的扬声器，其中，所有四个通气孔都是大体共面的。
19.根据权利要求16所述的扬声器，其中，所述第三通气孔包括所述外壳中的由电阻屏覆盖的第三开口，并且所述第四通气孔包括所述外壳中的第四开口。
20.根据权利要求1所述的扬声器，其中，通气孔包括无源辐射器。
21.根据权利要求1所述的扬声器，包括两个声辐射器和用于控制由所述两个声辐射器中的每一个声辐射器发射的所述声辐射的相位的系统，其中，两个声辐射器在所述两个声辐射器的一侧上被流体耦合到公共声体积，并且其中，第一通气孔被流体耦合到所述公共声体积，第二通气孔被流体耦合到一个声辐射器的另一侧，并且第三通气孔被流体耦合到另一个声辐射器的另一侧。
22.一种扬声器，包括：
声辐射器，所述声辐射器从所述声辐射器的前侧发射前侧声辐射并且从所述声辐射器的后侧发射后侧声辐射；
外壳，所述外壳引导所述前侧声辐射和所述后侧声辐射；
用于将所述扬声器佩戴在佩戴者的头部的结构，其中，当所述扬声器被佩戴在所述使用者的头部时，所述声辐射器被保持在所述使用者的耳朵附近但不覆盖所述使用者的所述耳朵；以及
多个发声通气孔，所述多个发声通气孔位于所述外壳中，其中，通气孔之间的距离限定扬声器偶极子的有效长度；
其中，所述外壳及所述外壳的通气孔被构造并布置成使得所述有效偶极子长度是频率相关的，其中，所述有效偶极子长度在较低频率下比所述有效偶极子长度在较高频率下大；
其中，第一通气孔包括所述外壳中的由电阻屏覆盖的第一开口，并且第二通气孔包括所述外壳中的第二开口，其中，所述第一通气孔和所述第二通气孔都接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射，并且还包括所述外壳中的第三发声通气孔，其中，所述第三通气孔接收所述前侧声辐射或所述后侧声辐射，但是不接收与所述第一通气孔和所述第二通气孔相同的声辐射。
23.根据权利要求22所述的扬声器，其中，所述第三通气孔包括所述外壳中的由电阻屏覆盖的第三开口。
24.一种声换能器，包括：
声学元件，所述声学元件从所述声学元件的前侧发射前侧声辐射或将前侧声辐射接收到所述声学元件的所述前侧，并且从所述声学元件的后侧发射后侧声辐射或将后侧声辐射接收到所述声学元件的所述后侧；
外壳，所述外壳引导所述前侧声辐射和所述后侧声辐射；以及
多个通气孔，所述多个通气孔位于所述外壳中，所述多个通气孔允许声音进入所述外壳或允许声音离开所述外壳，其中，通气孔之间的距离限定所述换能器的声偶极子的有效长度；
其中，所述外壳及所述外壳的通气孔被构造并布置成使得所述有效偶极子长度是频率相关的。
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