CN110234057A - 一种变换扬声器内外辐射面积的方法及新型扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变换扬声器内外辐射面积的方法，其实现方法如下：将扬声器的后腔分隔成两个不同容积的音腔，两个音腔与扬声器的振膜的不同背面辐射区域对应，在两个音腔上均设置倒相管；在固定容积的音腔和固定尺寸扬声器条件下，对振膜背部的辐射面积和所对应的音腔进行分割，对分割后的两块辐射面积匹配不均匀的音腔空间，可以提升低频辐射的效率，延伸低频下潜频率，改善低频效果。
Description
技术领域
本发明涉及扬声器技术领域，更具体地说，涉及一种变换内外辐射面积的新型扬声器。
背景技术
市面上各类小型智能音箱，蓝牙音箱琳琅满目，市场需求非常旺盛。厂家在设计这些小型音箱的时候，通常都会对选用多大尺寸喇叭这个问题上遇到选择性困难。在固定容积的小型音箱设计上，选用较大辐射面积的喇叭可以得到较高的整体声压级，但是相对低频截止频率会偏高；选用较小辐射面积的喇叭可以得到更低的低频截止频率，但是却丧失了整体声压级，低频下潜和声压级之间是一个矛盾体，不可兼得，只能两者之间取得一个平衡点。造成这个矛盾的内在原因是由于辐射面积较大的振膜，振动引起后腔体积变化越大，腔体空气的弹性应变对振膜背部的附加质量就越高，扬声器低频谐振频率升高越多；需要一种在固定容积的小型音箱上，可以比常规方式获得更多的低频下潜和更高的整体的声压级的方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种变换扬声器内外辐射面积的方法，还提供了一种新型扬声器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种变换扬声器内外辐射面积的方法，其实现方法如下：将扬声器的后腔分隔成两个不同容积的音腔，两个所述音腔与扬声器的振膜的不同背面辐射区域对应，在两个所述音腔上均设置倒相管。
本发明所述的变换扬声器内外辐射面积的方法，其中，体积较小的所述音腔上的所述倒相管朝向所述扬声器的正面或背面。
一种新型扬声器，根据上述的变换扬声器内外辐射面积的方法，其中，包括音箱壳，所述音箱壳上设置有喇叭，所述音箱壳内设置有隔板，所述隔板将所述音箱壳的内部空间分隔为两个不同容积的音腔；两个所述音腔与所述喇叭的不同背面辐射区域对应，在两个所述音腔上均设置倒相管。
本发明所述的新型扬声器，其中，所述喇叭包括喇叭支架，所述音箱壳上设置有与所述喇叭对应的第一安装开口；所述隔板上设置有与所述喇叭支架对应的第二安装开口；所述隔板靠近所述第一安装开口侧的所述音腔为小箱体，所述隔板远离所述第一安装开口侧的所述音腔为大箱体；与所述小箱体对应的所述倒相管为第一风管，与所述大箱体对应的所述倒相管为第二风管。
本发明所述的新型扬声器，其中，所述喇叭支架的尾部设置有U铁，所述U铁上设置有磁铁，所述磁铁外套设有华司；所述喇叭还包括胴体，所述胴体的下端设置有套设在所述华司外的音圈；所述胴体的上部与所述喇叭支架通过第一折环密封连接；所述音圈的外侧表面设置有弹波，所述弹波位于所述胴体下方与所述喇叭支架连接；所述胴体上设置有防尘帽。
本发明所述的新型扬声器，其中，所述喇叭支架的上端位于所述第一安装开口处，所述喇叭支架的下端位于所述第二安装开口处；所述胴体的上端部与所述喇叭支架通过所述第一折环连接。
本发明所述的新型扬声器，其中，所述第一风管的开口朝向所述音箱壳的前端。
本发明所述的新型扬声器，其中，所述喇叭支架在所述第一安装开口和/或所述第二安装开口位置与所述音箱壳固定连接。
本发明所述的新型扬声器，其中，所述喇叭支架的上端位于所述第二安装开口处；所述胴体的上端延伸至所述第一安装开口处，并通过第二折环在所述第一安装开口处与所述音箱壳密封连接；所述音圈通过所述弹波与所述喇叭支架密封连接。
本发明所述的新型扬声器，其中，所述第一风管的开口朝向所述音箱壳的后端。
本发明的有益效果在于：在固定容积的音腔和固定尺寸扬声器条件下，对振膜背部的辐射面积和所对应的音腔进行分割，对分割后的两块辐射面积匹配不均匀的音腔空间，可以提升低频辐射的效率，延伸低频下潜频率，改善低频效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
图1是本发明实施例一的新型扬声器结构模型图；
图2是本发明实施例二的新型扬声器结构模型图；
图3是本发明结构模型的电-力-声等效电路图；
图4是本发明常规倒相箱的四种特性曲线图；
图5是本发明结构模型的响应特性图；
图6是本发明结构模型的仿真几何模型图；
图7是本发明结构模型的2.5寸两种仿真模型频响比较图；
图8是本发明结构模型的2.5寸两种仿真模型阻抗比较图；
图9是本发明结构模型的3寸两种仿真模型频响比较图；
图10是本发明结构模型的3寸两种仿真模型阻抗比较图；
图11是本发明结构模型的2.5寸实物测试频响比较图；
图12是本发明结构模型的2.5寸实物测试阻抗比较图；
图13是本发明结构模型的适用系统改善效果图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
本发明较佳实施例的变换扬声器内外辐射面积的方法，其实现方法如下：将扬声器的后腔分隔成两个不同容积的音腔，两个音腔与扬声器的振膜的不同背面辐射区域对应，在两个音腔上均设置倒相管；在固定容积的音腔和固定尺寸扬声器条件下，对振膜背部的辐射面积和所对应的音腔进行分割，对分割后的两块辐射面积匹配不均匀的音腔空间，可以提升低频辐射的效率，延伸低频下潜频率，改善低频效果。
优选的，体积较小的音腔上的倒相管朝向扬声器的正面或背面；
实施例二
一种新型扬声器，根据上述的变换扬声器内外辐射面积的方法，如图1所示，包括音箱壳1，音箱壳1上设置有喇叭，音箱壳1内设置有隔板2，隔板2将音箱壳的内部空间分隔为两个不同容积的音腔；两个音腔与喇叭的不同背面辐射区域对应，在两个音腔上均设置倒相管；在固定容积的音腔和固定尺寸扬声器条件下，对振膜背部的辐射面积和所对应的音腔进行分割，对分割后的两块辐射面积匹配不均匀的音腔空间，可以提升低频辐射的效率，延伸低频下潜频率，改善低频效果。
优选的，喇叭包括喇叭支架3，音箱壳1上设置有与喇叭对应的第一安装开口10；隔板2上设置有与喇叭支架3对应的第二安装开口20；隔板2靠近第一安装开口10侧的音腔为小箱体4，隔板2远离第一安装开口10侧的音腔为大箱体5；与小箱体4对应的倒相管为第一风管6，与大箱体5对应的倒相管为第二风管7。
优选的，喇叭支架3的尾部设置有U铁30，U铁30上设置有磁铁31，磁铁31外套设有华司32；喇叭还包括胴体33，胴体33的下端设置有套设在华司32外的音圈34；胴体33的上部与喇叭支架3通过第一折环35密封连接；音圈34的外侧表面设置有弹波36，弹波36位于胴体33下方与喇叭支架3连接；胴体33上设置有防尘帽37。
优选的，喇叭支架3的上端位于第一安装开口10处，喇叭支架3的下端位于第二安装开口20处；胴体33的上端部与喇叭支架3通过第一折环35连接。
优选的，第一风管6的开口朝向音箱壳1的前端。
优选的，喇叭支架3在第一安装开口10和/或第二安装开口20位置与音箱壳1固定连接。
实施例三
本实施例与上一实施例基本相同，相同之处不再赘述，如图2所示，不同之处在于：喇叭支架3的上端位于第二安装开口20处；胴体33的上端延伸至第一安装开口10处，并通过第二折环38在第一安装开口10处与音箱壳1密封连接；音圈34通过弹波36与喇叭支架3密封连接；在固定容积的音腔和固定尺寸扬声器条件下，对振膜背部的辐射面积和所对应的音腔进行分割，对分割后的两块辐射面积匹配不均匀的音腔空间，可以提升低频辐射的效率，延伸低频下潜频率，改善低频效果。
优选的，第一风管6的开口朝向音箱壳1的后端。
对上述的实施例一的方法以及实施例二、三的两个结构模型原理说明如下：
根据上述实施例二和实施例三提供的结构模型，其等效电路图参见图3，其中等效电路参数说明如下：
Eg:信号源电动势
i:流经音圈的电流
Rg:信号源内阻
Re:音圈直流电阻
Le:音圈电感
Ev:电-力转换的电动势
BL:电-力转换因子
Vc:音圈振动速度
Mmd:振动系统等效质量
rms:振动系统等效力导
Cms:振动系统等效力顺
F:磁场对音圈的作用力
S:振膜辐射面积
p1,p2:振膜辐射声压
u1,u2:振膜体积速度
Mab1,Mab2:振膜背面空气附加质量
Cab1,Cab2:音腔内部等效声顺
Rab1,Rab2:音腔内部等效声阻
Map1,Map2:倒相管内部等效声质量
Rap1,Rap2:倒相管内部等效声阻
Rar:外部辐射声阻
Mar:外部辐射声质量；
工作原理说明：上文设计构想中已经明确了我们最终的目的是想延伸低频下潜，数值上讲，就是要提升低频段的声压级，下面就以提升低频段声压级为主旨，对此模型扬声器系统的工作原理进行分步阐述：
1.本新型扬声器系统距离r处的声压Pr：
从结构模型可以看出，本新型扬声器系统有一张振膜，两处倒相孔开口总共三个等效声源，那么距离r处的声压决定于三个等效声源容积速度的矢量和。
设定以下参数：
Uc：振膜容积速度
Uc1:大腔体对应振膜背部容积速度
Uc2:小腔体对应振膜背部容积速度
Up1:大腔体对应倒相管内容积速度
Up2:小腔体对应倒相管内容积速度
对应表达式如下：
Uc＝Uc1+Uc2
结合以上，本新型扬声器系统距离r处的声压表达式为：
上述声压表示式中，前面物理常数和扬声器参数常数与常规倒相箱一致。后面大括号内组合部分，主要是分割后振膜背部辐射面积和所对应背腔的乘积部分在两个分割后腔体未发生空气共振时，Mab1+Mab2＝Mab，跟常规倒相箱没有差别，所以此部分不是造成本新型扬声器系统与常规倒相箱低频响应差异的原因。剩下随频率变化的部分|G(jω)|，也就是倒相箱的响应函数应该是造成与常规倒相箱设计的原因所在，下面单独进行分析。
2.本新型扬声器系统低频响应|G(jω)|随频率变化的特性分析：
由于高阶滤波函数的复杂性，限于公式推导能力不足，以下从常规倒相箱低频响应特性基础上用类比推演的方法来分析本新型扬声器系统的响应特性。下面从阻抗频率特性，相位频率特性，容积速度特性，声压级频率响应特性四个方面来类比推演新模型的特性。常规倒相箱的上述四种特性曲线总结如图4所示：
(1)阻抗频率特性：常规倒相式音箱的响应函数为四阶高通滤波函数，其阻抗频率特性有三个极值点，即为两峰一谷，中间一谷为腔体内空气的谐振频率点。由于低频段的阻抗主要呈现为动生阻抗，其值大小主要取决于音圈的运动速度，阻抗曲线的极值点都是音圈运动速度的极大或极小点。在Fb处阻抗达到极小值是由于腔体内空气发生共振，空气弹簧给振膜施加的反向作用力达到极大值。那么，新模型振膜背部分为了一大一小两个独立的腔体，也就是会有两个腔体空气谐振频率点，新模型的阻抗频率特性有五个极值点，即三峰两谷，新模型的推测阻抗特性曲线见图5；
(2)相位特性：常规倒相箱振膜正面和倒相管口的相位关系总结如表1。振膜正面和倒相管口相位进行正负变换的规律：在F1，Fb，F2三个阻抗极值点具有零相位特性；扬声器振膜的相位在每一个阻抗极值点进行正负转换；倒相管口的相位只在腔体内空气发生共振的频点(Fb)进行正负转换。依循这个规律，结合第(1)点阻抗特性推演的结果，新模型扬声器系统的振膜正面和倒相管口的相位特性如表2所示，表2中倒相管1为大箱体的倒相管，倒相管2为小箱体的倒相管，新模型相位曲线见图5；
表1
表2
(3)容积速度及声压级频率响应特性：由于低频段的阻抗主要呈现为动生阻抗，其值大小主要取决于音圈的运动速度，因此速度曲线和阻抗曲线的极值是一一对应的，从阻抗特性的推测结果可以对应出音圈运动速度曲线。振膜容积速度Uc＝Sd·Vc，在面积一定情况下，倒相箱的振膜正面的容积速度曲线跟音圈运动速度曲线特性是一致的。依据图4常规倒相箱的容积速度及频响特性，再结合上述对新模型阻抗特性，相位特性及音圈速度的结果，可以推出新模型扬声器系统的容积速度曲线及频响曲线特性如图5所示；
3.上述第2点推演出了新模型扬声器系统的低频响应特性，那么，此种响应特性比起常规倒相箱的响应特性是否确实对提升低频有帮助呢？如何进行匹配性设计才能获得有益效果呢？下面逐一分析解答：
(1)低频频响的上升区间为F1-F2，F2为低频频响的至高点。频响上升的斜率取决于F1到F2的频程差，也即振膜容积速度曲线或阻抗曲线上双峰之间的距离，距离越短，斜率越陡。而F1到F2的相互距离主要取决于容积比(α＝Vas/Vb)，α越小，双峰越近。常规倒相箱B4响应(四阶巴特沃斯响应)的α＝1.414(无泄漏)，为标准的四阶高通滤波，其频响上升的斜率为24dB/oct。而我们新模型的扬声器系统恰好获得了降低α的效果，例如一个0.4L容积的腔体装一个Vas＝0.8L的扬声器，如果按常规倒相箱设计，α＝0.8/0.4＝2，如果按新模型，振膜背面分割成大小两个腔体后，例如我们给60％的辐射面积分配90％的后腔容积，则大箱的α＝0.8×60％/0.4×90％＝1.33；α从2下降到1.33，下降到原来的66％。籍此可以预见到在相同Fb情况下，新模型比常规倒相箱其阻抗曲线双峰会相互靠近一些，F1频率点相对升高，F2频率点相对降低。F1到F2的频响上升斜率会变陡，频响至高点F2相对提前；
(2)上述第(1)点是箱体调谐频率不变的情况下，新模型可以获得的有益效果，其实当α降低之后，箱体调谐频率Fb相对于扬声器参数的优化值也会相应降低，可以选择更低的Fb，以保障低频提升的效果；
数值仿真验证
分别用2.5寸和3寸扬声器装入0.4L腔体为例，分别比较单后腔常规倒相箱设计和新模型双后腔设计的频响及阻抗响应，数值模型如图6(横纵坐标代表尺寸，颜色的深浅代表声压级分布情况)，仿真软件为：COMSOL；
2.5寸仿真两种模型频响比较如图7，图中实线：2.5寸常规模型，线段虚线：2.5寸新模型A，点虚线：2.5寸新模型B(横坐标为频率，纵坐标为声压级)；阻抗比较图如图8，图中实线：2.5寸常规模型，点虚线：2.5寸新模型A，虚线2.5寸新模型B(横坐标为频率，纵坐标为阻抗)。
3寸仿真两种模型频响比较如图9，图中实线：3寸常规模型，线段虚线：3寸新模型A，点虚线：3寸新模型B(横坐标为频率，纵坐标为声压级)；阻抗比较图如图10，图中实线：3寸常规模型，点虚线：3寸新模型A，虚线3寸新模型B(横坐标为频率，纵坐标为阻抗)；
上述的新模型A和新模型B，是在实施例三的结构模型基础上调整了小箱体和大箱体的容积分配，其中新模型A中大箱体和小箱体的容积比为9:1，新模型B中大箱体和小箱体的容积比为8:2。
新模型相对于常规倒相箱设计，阻抗峰F1到F2的距离靠近了，F1-F2的频响比常规有所提升，在Fb2频点的频响出现一个凹坑。仿真结果显示的频响特性及阻抗特性与上文所述图5总结的新模型扬声器系统的响应特性描述基本吻合，可以证明工作原理的推演结果的有效性；
实物样品测试验证：对2.5寸扬声器配0.4L腔体的常规模型和新模型进行了样品试制并测试验证，测试频响曲线见图11，阻抗特性曲线见图12，测试结果呈现的频响及阻抗特性与图5原理描述基本吻合；
验证结果：
仿真验证和实物样品测试验证的结果佐证了新模型扬声器系统的工作原理推演的合理性，设计构想的意图基本实现。在固定容积的音腔和固定尺寸扬声器条件下，新模型扬声器系统比常规倒相箱设计确实可以提升低频辐射的效率，延伸低频下潜频率，改善低频效果；
适用范围：
对于α过高，阻抗双峰距离过远，Q值过高，频响在F2频点处呈现为高峰值，Fb和F2处频响落差较大的音箱系统采用此新型扬声器系统实际意义会比较大一些，在提升低频的同时可以得到比较均衡的频响，改善效果如图13所示。这类产品比如TV类内置小音箱，要求灵敏度高，因此振动面积都比较大，但成本便宜，采用小磁路造成高Q。还有一些公共广播音柱类产品，车载户外soundbar类产品，喇叭个数多，容积比α很高；
对于一些蓝牙/WIFI/智能小音箱系统，在功放增益余量能提升的声压级范围内，如果对低频需求较高的话，采用此新型扬声器系统设计方法可以获得比常规设计更低的Fb；
结论：
变换内外辐射面积的新型扬声器系统对比常规倒相式扬声器系统确实有改善低频效果的作用。主要是因为对两块辐射面积和背腔占比进行不均匀分配后，大腔体的容积比α得以大幅降低，由此增加了F1到F2频响提升的斜率，F2频点得以降低，另外箱体调谐频率Fb相对于扬声器参数的优化值也会相应降低，可以选择更低的Fb；
对于α过高，阻抗双峰距离过远，Q值过高，频响在F2频点处呈现为高峰值，Fb和F2处频响落差较大的音箱系统采用此新型扬声器系统设计方法实际意义会比较大一些，在提升低频的同时可以得到比较均衡的频响。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种变换扬声器内外辐射面积的方法，其特征在于，实现方法如下：将扬声器的后腔分隔成两个不同容积的音腔，两个所述音腔与扬声器的振膜的不同背面辐射区域对应，在两个所述音腔上均设置倒相管。
2.根据权利要求1所述的变换扬声器内外辐射面积的方法，其特征在于，体积较小的所述音腔上的所述倒相管朝向所述扬声器的正面或背面。
3.一种新型扬声器，根据权利要求1或2所述的变换扬声器内外辐射面积的方法，其特征在于，包括音箱壳，所述音箱壳上设置有喇叭，所述音箱壳内设置有隔板，所述隔板将所述音箱壳的内部空间分隔为两个不同容积的音腔；两个所述音腔与所述喇叭的不同背面辐射区域对应，在两个所述音腔上均设置倒相管。
4.根据权利要求3所述的新型扬声器，其特征在于，所述喇叭包括喇叭支架，所述音箱壳上设置有与所述喇叭对应的第一安装开口；所述隔板上设置有与所述喇叭支架对应的第二安装开口；所述隔板靠近所述第一安装开口侧的所述音腔为小箱体，所述隔板远离所述第一安装开口侧的所述音腔为大箱体；与所述小箱体对应的所述倒相管为第一风管，与所述大箱体对应的所述倒相管为第二风管。
5.根据权利要求4所述的新型扬声器，其特征在于，所述喇叭支架的尾部设置有U铁，所述U铁上设置有磁铁，所述磁铁外套设有华司；所述喇叭还包括胴体，所述胴体的下端设置有套设在所述华司外的音圈；所述胴体的上部与所述喇叭支架通过第一折环密封连接；所述音圈的外侧表面设置有弹波，所述弹波位于所述胴体下方与所述喇叭支架连接；所述胴体上设置有防尘帽。
6.根据权利要求5所述的新型扬声器，其特征在于，所述喇叭支架的上端位于所述第一安装开口处，所述喇叭支架的下端位于所述第二安装开口处；所述胴体的上端部与所述喇叭支架通过所述第一折环连接。
7.根据权利要求6所述的新型扬声器，其特征在于，所述第一风管的开口朝向所述音箱壳的前端。
8.根据权利要求6所述的新型扬声器，其特征在于，所述喇叭支架在所述第一安装开口和/或所述第二安装开口位置与所述音箱壳固定连接。
9.根据权利要求5所述的新型扬声器，其特征在于，所述喇叭支架的上端位于所述第二安装开口处；所述胴体的上端延伸至所述第一安装开口处，并通过第二折环在所述第一安装开口处与所述音箱壳密封连接；所述音圈通过所述弹波与所述喇叭支架密封连接。
10.根据权利要求9所述的新型扬声器，其特征在于，所述第一风管的开口朝向所述音箱壳的后端。
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