CN110519674A - 一种扩声用相位塞及其设计制造方法 - Google Patents

Abstract

一种扩声用相位塞，包括两个以上的环形的声波通道，所述声波通道的截面为指数型截面，各声波通道的输入口和输出口的面积之比相同，形成等传输比特性，声波在各声波通道中的模拟声路径相等，形成等相位特性。采用上述技术方案，采用指数型截面声波通道，降低声波传输过程中的失真，等传输比特性，使得声波通过本相位塞各声波通道后，在出口处形成传输效率相同的等效波阵面，等相位特性，实现声波通道输出的声波全效的耦合叠加。另外，本发明还公开该相位塞的设计制造方法。

Description

一种扩声用相位塞及其设计制造方法

技术领域

本发明涉及扩音设备领域，尤其是一种扩声用相位塞及其设计制造方法。

背景技术

在专业扩声应用中，为了提高声压级SPL（音量的声学单位）通常采用号角结构（见图）。号角可使驱动器前负载的辐射阻增加，从而显著提高扩声的效率，使声压级大幅提升。但与此同时，也常常引起声干涉，导致失真效应，使扩声音质大幅降低。

为了解决这一问题，常用的方法是加相位塞结构，以减少号角内的声干涉，改善音质。

根据号角式扬声器已知的相关理论，我们可以将号角扬声器设计技术总结为：一个中心，三个基本点。

一个中心——降低失真率（THD）。因为失真直接破坏扩声的音质，影响扩声的效果。

三个基本点，也可以理解为优化设计的三个方向。如图1所示，

1、扩声效率——取决于号角的压缩比，通常用振膜与喉口的面积比表示：S振膜/S喉口

2、下限截止频率f_下——f_下主要取决于号角的长度（L）。但长度L过长，会使失真THD加大。且导致外形尺寸过大，运输困难。因此f_下的可优化的空间有限。

3、有效重放上限频率f_上——f_下～f_上构成号角扬声器的有效工作带宽。f_上取决于相位塞的结构。f_上越高，则有效的工作带宽越宽。因此，f_上将是号角优化设计的主攻方向。

现有的相位塞，存在以下问题：

第一，相位塞采用外压式，该结构虽然可改善中频干涉，但无法解决中频驱动器的高频延展问题，使号角中频的频宽较窄，可用频率范围受限。频率范围通常为300Hz-1.5kHz；通常，防尘帽下的“前腔体”在中频振膜上下振动时，其前腔区的空气将被压缩释放，形成“气垫”效应，这将影响振膜的振动特性，形成非线性振动，从而引起非线性失真；通常，扩声应用中，需要较高的声压级，以便使声音传输更远，扩大扩声覆盖范围，这将导致输入功率加大，因而中频单元承受功率也随之加大。这将导致音圈温度迅速提高，如不能有效散热，将使音圈过热“烧毁”。

第二，声波通道采用平行管型，直线型，抛物线型等，传输失真高。

第三，各声波通道的输入口面积和输出口面积之比不同，不能使使各通道实现等效率传输。

第四，声波在各声波通道的传输时间不同，即两个或多个声波不能同时触发、同时到达，不能实现声波的全效的耦合叠加，因相位差形成局部干涉或抵消。

综上所述，需要改进。

发明内容

本发明目的是提供一种能有效解决上述问题的一种扩声用相位塞及其设计制造方法。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种扩声用相位塞，包括两个以上的环形的声波通道，所述声波通道的截面为指数型截面，各声波通道的输入口和输出口的面积之比相同，声波在各声波通道中的相位相等。

采用上述技术方案，声波通道的截面为指数型截面，声波沿指数型管道传输扩散，相比于平行管，直线型，抛物线型等，传输失真最低。各声波通道的输入口和输出口的面积之比相同，形成等传输比特性，这将使声波通过本相位塞各声波通道后，在出口处形成传输效率相同的等效波阵面。声波在各声波通道中的相位相等，即模拟声路径相等，因为声速为一常数，要实现相位相等，即模拟声路径要相等，则可实现声波传输时间相等，即等相位，相当于同步效应。即两个或多个声波同时触发、同时到达。理论上，等相位是构成声波全效耦合的必要条件。即：只有相同相位特性的声波，才能实现全效的耦合叠加，否则，则会因相位差形成局部干涉或抵消。

进一步的，所述声波通道的截面包括靠近相位塞中心的截面线q_i和靠近相位塞外侧的指数型截面曲线y_i，i指由相位塞中心到外侧的第i个声波通道。

进一步的，指数型截面曲线y_i的函数公式为y_i=a^x，其中a为常数且大于1。每个声波通道必须遵循同一个y=a^x的指数模型，以确保每一个通道的声波传输特性一致。这将有效的降低声波在各声波通道出口处的耦合失真。

进一步的，声波在声波通道中的模拟声路径d_i=q_i+c_i，其中，所述相位塞的输入端为锥形曲面，所述锥形曲面在声波通道的截面曲线为c，E_i为q_i与c的交点，c_i为E_i和E₁两点在截面曲线c上的路径长度。此处给出了声波在每个声波通道中的模拟声路径，因为声音传播速度是常数，所以只用每个声波通道中的模拟声路径距离相等，则可实现声波的等相位，此处将抽象的理论具体化，为声波的等相位提供了具体的实现方式。

进一步的，E₁为振膜的模拟声源点。驱动器作为声源，其理论声源点位于音圈的物理中心点。本相位塞输入端设有锥形曲面，其与驱动器振膜的相匹配，假设音圈及其骨架为刚体，则E₁即为振膜的模拟声源点。

进一步的，S_i/s_i=b，S_i为第i个声波通道的输出口面积，s_i为第i个声波通道的输入口面积，b为常数。若设有3个声波通道，依据等传输比原则，三个声波通道输入口和输出口的面积之比相同，则3个通道的传输比相等，则S₁/s₁= S₂/s₂= S₃/s₃。

进一步的，所述相位塞包括锥形曲面的输入端和设在输入端中间位置的植入体，植入体的外径与中频驱动器的内径匹配，所述相位塞通过植入体植入到中频驱动器中，所述锥形曲面与中频驱动器的振膜匹配。

采用植入式设计，有以下优点，第一，锥形整膜驱动器，其高频发声区域，集中在中心部位，通过植入式结构设计，可获得更多的高频响应，有效扩展频率上限f_上，从而使号角的有效工作带宽加大。第二，可使振膜的活塞振动顺性最佳。避免了外压式，因凸帽内的气垫作用，而引起的非线性失真。第三，植入式可使音圈通过与植入部分形成环形通道，与外界相通。工作中，通过活塞振动，形成对流式散热。可有效降低因温升引起热损耗和过热损毁。提升系统的工作效率和可靠性。

一种扩音用相位塞的设计制造方法，借助计算机CAD辅助制图软件，使相位塞上的各环形声波通道同时满足下列条件：

（1）同一指数模型：声波通道的截面为指数型截面且各声波通道的指数型函数的常数a相等；

（2）等相位：声波在各声波通道中的模拟声路径相等；

（3）等传输比：各声波通道的输入口和输出口的面积之比相同；

具体应用在设计制造中，包括下列步骤：

S1：根据号角扬声器的技术要求和设计目标，确定相关参数；

S1-1：参考驱动器的频响范围，结合号角扬声器的目标工作带宽f_下~f_上，确定号角的长度范围；

S1-2：参考驱动器的灵敏度和功率，结合目标最大声压级，可计算出压缩比的范围；

S1-3：由压缩比=振膜面积/喉口面积，可计算出相位塞出口（即喉口）的直径；

S2：根据等效声路径模拟算法，借助计算机CAD辅助制图软件，在同时满足、等模拟声路径、等传输比以及同一指数模型三个条件下，即可确定相位塞的结构模型及相关尺寸。

进一步的，在上述步骤基础上，还包括下列步骤：

S3：以3D打印技术，制作出相位塞模型，匹配驱动器，过障板测试法，借助声学测试软件，分别测量各个通道的相位响应，经过反复修正相关尺寸的偏差值，最终使各通道的相位曲线趋近重合，相位曲线重合即说明相位相等，即可最终确定相位塞的精确尺寸和结构；

S4：装配相应的号角，测试相关参数与设计目标参数对比，以环形垫片调节振膜和相位塞之间间隙，以提高f_上，调节号角长度以延展f_下，使f_上～f_下达到设计目标；

S5：用数控加中心，制作出各零部件的分体模具，并生产出成品；

S6：用数控加工中心，以仿形加工方式，制作出与振膜曲率相同的装配靠模；

S7：组装，将各定位平台打胶，将定位翼板插入对应的定位槽，用装配靠模定位，加压直至翼板到达定位平台，待胶水固化后，取下装配靠模。

综上所述，采用本发明的技术方案，有以下优点：

植入式结构——有效降低了非线性失真，提高散热效率，增加系统可靠性，扩展了f_上。

同一指数型传输结构——各细分声波通道，均采用同指数模型波导管结构，使声波传输特性一致且失真最小化。

等相传输设计——创新的提出等效模拟算法，大大简化了声路径的计算，为各声波通道实现等相位及耦合叠加奠定基础。

等传输比设计——创新的提出等传输比概念。使各声波通道实现了等效率传输。

附图说明

图1为SPL-f曲线图。

图2为相位塞的立体示意图。

图3为相位塞和中频驱动器的装配示意图。

图4为相位塞输入端的声波通道输入口示意图。

图5为相位塞输出端的声波通道输出口示意图。

图6为扩音器的示意图。

图7相位塞制造过程的示意图。

图8为图7的俯面视图。

图9为相位塞制造过程安装靠模的示意图。

图10为y=a^x的指数模型的坐标模型图。

图11为各声波通道的相位响应曲线表。

图12为本相位塞的指向测试表。

图13为本相位塞的效率测试表。

图14为本相位塞的失真测试表。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本发明进行说明。

如图2、3所示，一种扩声用相位塞1，包括两个以上的环形的声波通道，具体的，在本实施例中，相位塞1设置有三个环形的声波通道，由中心向外围分别为声波通道K₁、声波通道K₂以及声波通道K₃。

在上述三个声波通道中，声波通道的截面为指数型截面且各声波通道的指数型函数的常数a相等（称之为同一指数模型），各声波通道的输入口和输出口的面积之比相同（称之为等传输比），声波在各声波通道中的模拟声路径相等（称之为等相位）。

针对同一指数模型的特征，各声波通道采用如下设计：

如图3、4、5、10所示，声波通道的截面包括靠近相位塞1中心的截面线q_i和靠近相位塞1外侧的指数型截面曲线y_i，i指由相位塞1中心到外侧的第i个声波通道。指数型截面曲线y_i的函数公式为y_i=a^x，其中a为常数且大于1。每个由l/L构成的声波通道，必须遵循同一个y=a^x的指数模型，即声波通道K₁、声波通道K₂以及声波通道K₃中的a为相同的值，以确保每一个通道的声波传输特性一致。这将有效的降低声波在各声波通道出口处的耦合失真。

针对等相位（或等声路径）的特征，各声波通道采用如下设计：

如图3所示，声波通道的模拟声路径d_i=q_i+c_i，其中，相位塞1的输入端为锥形曲面，锥形曲面在声波通道的截面曲线为c，E_i为q_i与c的交点，c_i为E_i和E₁两点在截面曲线c上的路径长度。具体到本实施例的三个声波通道处，E₁为振膜5的模拟声源点，E₀为振膜5的理论声源点，模拟声路径d₁为曲线E₁O₁，模拟声路径d₂为曲线E₁E₂+E₂O₂，模拟声路径d₃为曲线E₁E₃+E₃O₃，因此，d₁= d₂= d₃，及E₁O₁= E₁E₂+E₂O₂= E₁E₃+E₃O₃。

此处给出了声波在每个声波通道中的模拟声路径，因为声音传播速度是常数，所以只用每个声波通道中的模拟声路径距离相等，则可实现声波的等相位，此处将抽象的理论具体化，为声波的等相位提供了具体的实现方式。E₁为振膜5的模拟声源点。驱动器作为声源，其理论声源点位于音圈的物理中心点。本相位塞1输入端设有锥形曲面，其与驱动器振膜5的相匹配，假设音圈及其骨架为刚体，则E₁即为振膜5的模拟声源点。

针对等传输比的特征，各声波通道采用如下设计：

如图3-5所示，S_i/s_i=b，S_i为第i个声波通道的输出口面积，s_i为第i个声波通道的输入口面积，b为常数。若设有3个声波通道，依据等传输比原则，三个声波通道输入口和输出口的面积之比相同，则3个通道的传输比相等，则S₁/s₁= S₂/s₂= S₃/s₃。

另外，如图1、2所示，作为一个优选的方案，相位塞1采用植入式的结构设计，植入到中频驱动器2中，具体的，相位塞1包括锥形曲面的输入端和设在输入端中间位置的植入体3，植入体3的外径与中频驱动器2的内径匹配，相位塞1通过植入体3植入到中频驱动器2中，锥形曲面与中频驱动器2的振膜5匹配。

另外，为了制造同时满足上述各特性的相位塞1，本发明提供了一种扩音用相位塞1的设计制造方法，具体如下：

S1：根据号角扬声器的技术要求和设计目标，确定相关参数；

S1-1：参考驱动器的频响范围，结合号角扬声器的目标工作带宽f_下~f_上，确定号角的长度范围；

S1-2：参考驱动器的灵敏度和功率，结合目标最大声压级，可计算出压缩比的范围；

S1-3：由压缩比=振膜5面积/喉口面积，可计算出相位塞1出口（即喉口）的直径；

S2：根据等效声路径模拟算法，借助计算机CAD辅助制图软件，在同时满足、等模拟声路径（E₁O₁= E₁E₂+E₂O₂= E₁E₃+E₃O₃）、等传输比（S₁/s₁= S₂/s₂= S₃/s₃）以及同一指数模型（y_i=a^x，a值相同）三个条件下，即可确定相位塞1的结构模型及相关尺寸。再借助声学测试软件，通过实际测试1、2、3、通道的相位响应曲线，辅助微调修正相位塞的结构。最终使3个通道的相位曲线重合，相位曲线重合即说明相位相等，说明3个通道的有效声路径相等。至此，在出口处，各通道声波的全效耦合叠加，形成特性一致的等相波阵面。理论上，等相波阵面，将使号筒的指向性控制均匀一致，且因干涉导致的失真最低。图11为各声波通道的相位响应曲线表，表中， 1、2、3为K₁、K₂、K₃通道单独导通的相位响应曲线，1+2+3为K₁、K₂、K₃通道同时导通的相位响应曲线，由表可知。4条线基本重合，说明各通道等相位。

S3：以3D打印技术，制作出相位塞1模型，匹配驱动器，过障板测试法，借助声学测试软件，分别测量各个通道的相位响应，经过反复修正相关尺寸的偏差值，最终使各通道的相位曲线趋近重合，即可最终确定相位塞1的精确尺寸和结构；

S4：如图6所示，装配相应的号角，测试相关参数与设计目标参数对比，以环形垫片6调节振膜5和相位塞1之间间隙，以提高f_上，调节号角长度L_h以延展f_下，使f_上～f_下达到设计目标；

S5：用数控加中心，制作出各零部件的分体模具，并生产出成品；

S6：如图7-9所示，用数控加工中心，以仿形加工方式，制作出与振膜5曲率相同的装配靠模9；

S7：组装，将各定位平台4打胶，将定位翼板7插入对应的定位槽8，用装配靠模9定位，加压直至翼板到达定位平台4，待胶水固化后，取下装配靠模9。

采用上述技术方案，三个声波通道采用同一指数模型，相比于平行管，直线型，抛物线型等，传输失真最低，各指数模型中a值相同，以确保每一个通道的声波传输特性一致。这将有效的降低声波在各声波通道出口处的耦合失真。

三个声波通道等传输比，这将使声波通过本相位塞1各声波通道后，在出口处形成传输效率相同的等效波阵面。

三个声波通道等相位（等声路径），等相位，相当于同步效应，即两个或多个声波同时触发、同时到达，因为声速为一常数，要实现相位相等，即模拟声路径要相等，则可实现声波传输时间相等，理论上，等相位是构成声波全效耦合的必要条件。即：只有相同相位特性的声波，才能实现全效的耦合叠加，否则，则会因相位差形成局部干涉或抵消。

采用植入式设计，有以下优点，第一，锥形整膜驱动器，其高频发声区域，集中在中心部位，通过植入式结构设计，可获得更多的高频响应，有效扩展频率上限f_上，从而使号角的有效工作带宽加大。第二，可使振膜5的活塞振动顺性最佳。避免了外压式，因凸帽内的气垫作用，而引起的非线性失真。第三，植入式可使音圈通过与植入部分形成环形通道，与外界相通。工作中，通过活塞振动，形成对流式散热。可有效降低因温升引起热损耗和过热损毁。提升系统的工作效率和可靠性。

综上，采用本发明的技术方案，结合附图12-14可知，本发明有以下优点：

植入式结构——有效降低了非线性失真，提高散热效率，增加系统可靠性，扩展了f_上。

同一指数型传输结构——各细分声波通道，均采用同指数模型波导管结构，使声波传输特性一致且失真最小化。

等相传输设计——创新的提出等效模拟算法，大大简化了声路径的计算，为各声波通道实现等相位及耦合叠加奠定基础。

等传输比设计——创新的提出等传输比概念。使各声波通道实现了等效率传输。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化，特别是存在制造误差，相位塞的各声波通道不可能做到传输比完全相等、等相位（模拟声路径相等），不同声波通道中的指数模型中的a也可能存在误差，但凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种扩声用相位塞，其特征在于：包括两个以上的环形的声波通道，所述声波通道的截面为指数型截面，各声波通道的输入口和输出口的面积之比相同，声波在各声波通道中的相位相等。

2.根据权利要求1所述的扩声用相位塞，其特征在于：所述声波通道的截面包括靠近相位塞中心的截面线q_i和靠近相位塞外侧的指数型截面曲线y_i，i指由相位塞中心到外侧的第i个声波通道。

3.根据权利要求2所述的扩声用相位塞，其特征在于：指数型截面曲线y_i的函数公式为y_i=a^x，其中a为常数且大于1。

4.根据权利要求2所述的扩声用相位塞，其特征在于：声波在声波通道中的模拟声路径d_i=q_i+c_i，其中，所述相位塞的输入端为锥形曲面，所述锥形曲面在声波通道的截面曲线为c，E_i为q_i与c的交点，c_i为E_i和E₁两点在截面曲线c上的路径长度。

5.根据权利要求4所述的扩声用相位塞，其特征在于：E₁为振膜的模拟声源点。

6.根据权利要求2所述的扩声用相位塞，其特征在于：S_i/s_i=b，S_i为第i个声波通道的输出口面积，s_i为第i个声波通道的输入口面积，b为常数。

7.根据权利要求1所述的扩声用相位塞，其特征在于：所述相位塞包括锥形曲面的输入端和设在输入端中间位置的植入体，植入体的外径与中频驱动器的内径匹配，所述相位塞通过植入体植入到中频驱动器中，所述锥形曲面与中频驱动器的振膜匹配。

8.一种扩音用相位塞的设计制造方法，其特征在于：借助计算机CAD辅助制图软件，使相位塞上的各环形声波通道同时满足下列条件：

（1）同一指数模型：声波通道的截面为指数型截面且各声波通道的指数型函数的常数a相等；

（2）等相位：声波在各声波通道中的模拟声路径相等；

（3）等传输比：各声波通道的输入口和输出口的面积之比相同。

9.根据权利要求8所述的扩音用相位塞的设计制造方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1：根据号角扬声器的技术要求和设计目标，确定相关参数；

S1-1：参考驱动器的频响范围，结合号角扬声器的目标工作带宽f_下~f_上，确定号角的长度范围；

S1-2：参考驱动器的灵敏度和功率，结合目标最大声压级，可计算出压缩比的范围；

S1-3：由压缩比=振膜面积/喉口面积，可计算出喉口的直径；

S2：根据等效声路径模拟算法，借助计算机CAD辅助制图软件，在同时满足、等模拟声路径、等传输比以及同一指数模型三个条件下，确定相位塞的结构模型及相关尺寸。

10.根据权利要求9所述的扩音用相位塞的设计制造方法，其特征在于：还包括下列步骤：

S3：以3D打印技术，制作出相位塞模型，匹配驱动器，过障板测试法，借助声学测试软件，分别测量各个通道的相位响应，经过反复修正相关尺寸的偏差值，最终使各通道的相位曲线趋近重合，确定相位塞的精确尺寸和结构；

S4：装配相应的号角，测试相关参数与设计目标参数对比，以环形垫片调节振膜和相位塞之间间隙，以提高f_上，调节号角长度以延展f_下，使f_上～f_下达到设计目标；

S5：用数控加中心，制作出各零部件的分体模具，并生产出成品；

S6：用数控加工中心，以仿形加工方式，制作出与振膜曲率相同的装配靠模；

S7：组装，将各定位平台打胶，将定位翼板插入对应的定位槽，用装配靠模定位，加压直至翼板到达定位平台，待胶水固化后，取下装配靠模。