CN111052764B - 扬声器 - Google Patents

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Abstract

一种扬声器，包括一个或多个驱动器和至少两个波导。一个或多个驱动器被布置为发射声波。波导耦合到一个或多个驱动器以接收由一个或多个驱动器发射的声波。至少两个波导中的第一波导在扬声器的第一位置处具有输出位置，并且被配置为将接收到的声波转发到第一位置处的输出，其中，至少两个波导中的第二波导在扬声器的第二位置处具有输出位置，并且被配置为将接收的声波转发到第二位置处的输出。

Description

扬声器
技术领域
本发明的实施例涉及扬声器。优选实施例涉及通过声学装置进行扬声器波束成形。
背景技术
在许多应用中，例如，在声区、声场再现或可调方向性[1、2、3、4]中，扬声器波束成形用于控制再现声音辐射的方向。根据最新技术，这些技术意味着使用多个扬声器的阵列，每个扬声器都具有单独的驱动器。将分路的信号提供给这些驱动器，这通常意味着这些驱动器具有相同数量的数模转换器(DAC)和放大器。在下文中，将DAC放大器-扬声器级联称为再现通道。
有效定向再现的低频率边界由阵列孔径确定，例如，相应转向维度上两个扬声器之间的最大距离。另一方面，通过混叠来施加用于受控声音再现的高频率边界。每当声波长变得小于相应转向维度上两个相邻扬声器之间距离的两倍时，就会发生混叠。这两个方面意味着两个相邻扬声器之间的距离必须尽可能短，而同时还必须有距离尽可能大的扬声器。遵循两个优化目标意味着要使用大量的再现通道。当需要在两个以上的维度上转向时，这个问题变得更加严重。由于每个再现通道意味着相对较高的成本，因此在消费产品领域使用大量再现通道是不可行的。然而，在波束成形中使用许多再现通道仍然被认为是最新技术(US2002012442A、US 2009060236A、US3299206)。
在许多情况下，波束成形器接收单个输入信号，并与静态数字滤波器一起工作，以使得所有扬声器信号都线性相关。此外，对于某些类别的波束成形器，也可以通过非放大组件来实现这种滤波器。满足该特性的一类众所周知的波束成形器延迟和求和波束成形器，然而，其仍使用多个再现通道以相应的实现成本来实现(US2004151325A、US2002131608)。如在US2013336505A中所公开的，可以通过使用由单个DAC放大器级联驱动的无源组件(在电子电路领域中)来缓解该问题。不过，实现这样的系统仍需要大量单独的扬声器驱动器，已知这些单独的扬声器驱动器是非常昂贵的组件。
波束成形的备选是使用定向扬声器，通常以号角形式(GB484704A)，具有特殊壳体的扬声器(EP3018915A1)，利用自解调超声波束(US2004264707A、US4823908A)或极为特定的结构(US5137110A)。另外，号角扬声器或类似的换能器可以配备声透镜(US3980829A、US2819771A)。虽然这些方法提供了一种低成本的解决方案，但它们在波束图和方向的选择上受到很大的限制。实际上，这些方法的目标通常只是垂直于扬声器孔径进行辐射或在很宽的频率范围内实现球形辐射。除了方向限制之外，实施这些方法通常还需要相当大体积的给定的形状。这妨碍在电子消费产品或汽车应用中使用此类方法，在这些应用中，空间是宝贵的资源，并且内置组件的形状通常由外观设计预先确定。
US2003132056A描述了一种具有连接到扬声器驱动器的多个波导的扬声器。这方面的另一专利出版物是US2002014368A。专利出版物US2011211720A公开了使用由单个驱动器驱动的隔离的声音路径。这方面的另一专利出版物是US2011019853A。最新技术描述了类似的一组组件，但是以不同的布置来处理从扬声器膜片背侧辐射的声波(US4553628A、US5025886A)。其中US4553628A教导了从背侧吸收声音，US5025886A教导了对声音进行辐射以提高效率。本发明从上述缺点开始，目的是提供一种能够进行波束成形的简单且成本有效的方法。
发明内容
通过独立权利要求的主题来实现该目的。
本发明的实施例提供了一种扬声器，该扬声器包括一个或多个驱动器和至少两个波导。一个或多个驱动器被布置为发射声波，其中至少两个波导耦合到一个或多个驱动器以接收声波。至少两个波导中的第一波导具有定位在扬声器的第一位置处的输出，并且被配置为将接收到的声波转发到输出，其中至少两个波导中的第二波导具有定位在扬声器的第二位置处的输出，并且被配置为将接收到的声波转发到相应的输出。根据优选实施例，扬声器仅包括一个(就单个而言)驱动器，例如压力腔室驱动器，其中，压力腔室的输出耦合到至少两个波导。根据实施例，耦合可以由布置在一个或多个驱动器与至少两个波导之间的所谓的声分路器来支撑，其中，声分路器包括一个输入和用于至少两个波导的至少两个输出，并且被配置为将在其输入处接收到的声波分路为两个输出。优选地，声分路器执行声密封，使得声波被最佳地耦合到波导中。另外，可以将声分路器设计成能够实现良好的阻抗匹配。
本文所公开的教导基于如下原理：能够执行(声学)波束成形的扬声器可以由单个声源形成，例如，单个驱动器或向具有至少两个波导的波导布置共同发射声音信号(即，由共同的源信号驱动)的驱动器布置。技术背景是根据实施例，利用纯声学装置，即主要通过相应设计的波导，来实现某种类别的滤波和求和波束成形器。波导可以由任何固体材料的简单的管形成，例如挠性管或PVC管，并且被配置为转发接收到的声音信号，以便将声波分发到不同的输出位置。为此，根据核心构思，将声波分路并利用相应选择的特性馈送到波导中，以输出到布置在特定位置处的输出(出口)。由于输出/出口的声音发射位置不同和/或由于波导对传输的声波的影响，可以实现扬声器发射的声音进行波束成形。因此，可以通过仅具有单个扬声器驱动器的扬声器来实现波束成形或通常的定向音频再现。该方法允许低廉且灵活地实现再现系统，否则将需要大量昂贵的硬件组件。已经发现，该性能可与具有多个扬声器的传统延迟和求和波束成形器相当，但成本仅为其一小部分。
假设将在下面讨论的更高级的波导设计可以进一步改善性能，其中所得的设计足够灵活，可以集成到各种消费电子产品或汽车应用中。
关于声分路器，应提及的是，根据实施例，声分路器包括一个输入和两个或更多个输出，其中，分路器的横截面沿分路器的长度保持恒定，即，横截面至少与一个或多个驱动器的输出一样大。当从驱动器的优选实现方式为具有输出的压力腔室扬声器开始时，这意味着压力腔室扬声器的输出的横截面面积基本上等于输出的声音横截面。注意，每个驱动器通常有一个分路器。当使用多个驱动器时，将使用在输出处组合的多组波导。
根据其他实施例，多个波导的声音横截面基本上等于扬声器驱动器的出口的横截面面积。这样的设计使得波导与扬声器驱动器之间的声学匹配良好或充分良好。良好的声学匹配的结果是高声学效率。根据其他实施例，波导或尤其是至少两个波导中的每个波导具有的横截面尺寸小于要传输的声波的波长的一半。
关于波导，应提及的是，根据实施例，第一波导和第二波导被配置为以延迟的方式转发声波，使得至少两个波导中的第一波导以第一延迟转发声波，其中至少两个波导中的第二波导以第二延迟转发声波，其中第一延迟和第二延迟之间的差确定所实现的波束图。根据另一实施例，延迟也可以是相同的，取决于期望的再现方向。关于延迟的这种设计可以通过设计至少两个波导使得至少两个波导的长度与分别期望的延迟成比例来实现。根据优选实施例，至少两个波导的每个长度至少与要传输的声波的波长的一半一样长。另外，应当注意，波导设计的结果是，每个波导被配置为改变要转发的声波的相位和/或幅度。
根据其他实施例，每个波导在其输出处包括能够实现声阻抗匹配的所谓的输出装置。根据实施例，输出装置可以由被配置为匹配声阻抗的号角形元件形成。
如上所述，第一位置和第二位置彼此不同，以便通过至少两个波导的输出的布置来形成阵列。根据其他实施例，第一位置与第二位置间隔开小于要被转发的声波的波长的一半的距离。根据另一实施例，扬声器包括在第三位置处具有输出的第三波导，并且还被配置为接收声波并将声波转发到其输出。可选地，可以对至少三个波导的输出进行布置，以便形成二维图。
根据另一实施例，每个波导可以被设计为声滤波器，例如，包括边通道或反馈通道。该特征仅通过改变波导的实现方式，就能够改善声学设计。
附图说明
随后将参考附图讨论本发明的实施例，在附图中
图1示出给出了根据基本实施例的扬声器的单独(部分可选的)组件的概述的示意框图；
图2示出根据基本实施例的扬声器的示意图(纵向切面)；
图3示出了用于根据图2的布置的辐射图的示意实现方式；
图4示出了根据另一实施例的扬声器的示意图(纵向切面)；
图5示出了根据图4的机构的示意辐射图；
图6示出了根据另一实施例的扬声器的示意图(纵向切面)；
图7示出了根据图6的机构的示意辐射图；
图8示出根据另一实施例的由与数字FIR滤波器等效的滤波器元件增强的波导的示意图(横截面切面)；
图9示出了根据其他实施例的由与数字IIR滤波器等效的滤波器元件增强的波导的示意图(横截面切面)；以及
图10a至图10c示出了根据实施例的扬声器的原型的示意图。
具体实施方式
随后将在下面参考附图来讨论实施例，其中，对具有相同或相似功能的元件提供相同的附图标记，以使得其描述可以相互应用和互换。
参考图1，给出了对本发明构思的总体概述，其中，下面将讨论图1所示的扬声器10的组件以及可选组件。
图1示出了扬声器10，扬声器10至少包括扬声器驱动器12和至少两个波导14a和14b。每个波导14a和14b可以具有出口14a_o和14b_o。出口14a_o和14b_o形成到再现空间的过渡，该再现空间由附图标记18标记。
可选地，在两个波导14a和14b与扬声器12之间，可以布置所谓的声分路器16。声分路器的替代方案可以是将单个波导分支成多个波导或配置为分路/分发声波的另一个实体。
扬声器驱动器12可以是压力腔室扬声器12或可以将声压发射到外壳内部的任何其他扬声器驱动器，该外壳可以耦合到包括元件14a和14b的波导布置14。压力腔室扬声器驱动器12将是许多应用的选择，因为这些驱动器最初被设计为连接到波导14或分别作为代表波导的号角。
可选的声分路器16耦合到驱动器12，以便接收由驱动器12产生的声波(声音信号)以及耦合到多个波导输出，通过该多个波导输出耦合波导。换句话说，声分路器16将单个波导输入分路成多个波导输出，使得来自驱动器12的一个声音信号可以被分发到多个波导14a至14b。声分路器16的重要特性是针对n个输出中的每个输出保持输入的声阻抗，以避免波向扬声器12反射，否则会干扰扬声器12的操作。用于实现声阻抗匹配的适当解决方案是从驱动器12的输出到分路器16的输出的横截面面积恒定。优选但非必须，声分路器16将扬声器驱动器空间相对于再现空间密封，使得仅通过波导14a和14b发射的声波可以到达再现空间18。可选地，声分路器16可以被设计成将不同量的声功率馈送到每个单独的输出。声分路器16(acoustic splitter)的所有输出被馈送到单独的波导14a和14b，其具有两个目的：
-第一，将声功率馈送到相应位置的出口14a_o和14b_o。
-第二，将声波延迟，使得波以合适的相位和幅度到达出口14a_o和14b_o，以创建期望的波束图。
出口14a_o和14b_o的作用主要由它们的位置确定，该位置与馈入它们的波的相位和幅度一起确定再现空间18中的辐射图。另外，出口14a_o和14b_o可以被设计为使波导14a和14b的声阻抗与再现空间18中的介质的声阻抗匹配。
现在，由于已经讨论了扬声器10的基本结构，因此将讨论其功能。
一个驱动器12产生声波，该声波经由声分路器16馈送到至少两个波导14a和14b。换句话说，这意味着分路器16将声音信号分发到波导14a和14b，波导14a和14b将接收到的声音信号转发到其输出14a_o和14b_o。输出14a_o和14b_o布置在不同的位置处，并形成到再现空间18的过渡。由于声音信号被分发到不同的位置，并且由于波导14a和14b能够使转发的声波延迟，该声波可以与第一波导14a至第二波导14b不同，因此可以实现波束成形。这里，波束成形是在没有信号处理的情况下，即仅通过固定的装置来实现的。因此，可以总结为，所示的扬声器10能够将声音信号分发到布置在不同位置处的出口14a_o和14b_o，可选地并且另外地，在其中能够进行波束成形。
换句话说，可以将图1的实施例描述为单个再现通道，例如，包括用于波束成形的扬声器驱动器(以及可选的DAC和放大器)。所提出的方法包括将单个扬声器驱动器12耦合到多个波导14a、14b。这些波导14a、14b中的每个波导被设计成在导波到达特定位置处的出口14a_o、14b_o之前，对导波应用至少特定的延迟和可能的进一步的修改。这样，可以实现某个类别的滤波器和求和波束成形器。出口14a_o、14b_o，波导14a、14b以及所有连接元件16可以使用廉价的材料来制造。由于本发明仅规定了出口14a_o和14b_o相对于彼此的位置：例如出口14a_o和14b_o并排布置，并且优选地，使得出口14a_o和14b_o指向相同的方向，从而平行地发射声波。由于这种定位和波导的特性-例如它们的长度(例如，波导14a、14b可以具有与期望频率范围的波长相当的长度)或其将声波延迟的能力-可以实现声波束成形，其中本文所公开的教导在波导14a、14b以及出口14a_o和14b_o的形状方面保留了许多自由度。注意，扬声器10可以在具有严格空间约束的环境中实现。下面将参考图2、图4和图6讨论扬声器10的不同实现方式。
图2示出了具有压力腔室扬声器驱动器12、两个波导14a和14b的扬声器10′的实施例每个波导14a和14b耦合到并排布置的相应输出14a_o和14b_o。例如，两个出口14a_o和14b_o可以包括或可以被形成为用于实现在再现空间与波导14a和14b之间进行阻抗匹配的装置。因此，出口14a_o和14b_o可以形成为号角形元件。备选地，可以将能够实现阻抗匹配的号角形元件或其他元件附接到波导14a和14b的输出。
两个波导14a和14b耦合到将波导14a和14b与压力腔室扬声器12连接的声分路器16。
图2的具有两个出口14a_o和14b_o的实施例(对于功能实现而言是最小的可能数目)能够实现如箭头所示的定向声音辐射。考虑到感兴趣的频率范围，两个出口14a_o和14b_o位于再现空间中，相对于彼此的距离小于波长的一半。应当注意，感兴趣的频率范围可以是20Hz至20KHz或40/100/200/400/1000Hz至16/20KHz，通常由音频信号的有限带宽定义。
连接到出口14a_o的波导比连接到出口14b_o的波导14b长。因此，与由出口14b_o辐射的波相比，出口14a_o的声波辐射被延迟。应当注意，由于声分路器16将声功率均匀地分发到两个波导14a和14b，因此两个波导14a和14b接收到相同的信号，其中，由于波导14a和14b的设计不同，因此出口14a_o和14b_o的声波输出可以彼此不同，例如在其延迟或其幅度或其相位方面彼此不同。
对于扬声器驱动器12，应当注意，扬声器驱动器12的特性是次要的。此外，图2所示的纵向切面是二维图，缩小空间中的辐射图是基于三维的。针对该描述，假设出口14a_o和14b_o的辐射图由理想点源充分近似，在理想点源处阵列轴穿过两个出口14a_o和14b_o的位置。所得的辐射图将是旋转对称的，其中最大值不垂直于区域轴而是朝向出口14a_o倾斜。所得辐射图的计算机仿真如图3所示。
图3的仿真从以下假设开始：出口14a_o和14b_o定位在x轴上的±5cm处，由于波导引起的延迟差为0.1ms，长度差为3.44cm(以及表面的距离)，顺序显示了1KHz和3KHz(示例性感兴趣波长)之间的累积辐射功率。
尽管使用两个出口14a_o和14b_o是本发明最简单的可能实施例，但是在实际应用中会期望使用更多的出口，其中可以将三个或更多个出口布置为线阵列或可以被布置为二维阵列，以便将波束成形能力提高到第二维度。更多的出口将增加定向性，同时，在同一时间制造单个出口极其便宜。
图4示出了具有四个出口的示例。图4示出了扬声器10”，其中，波导的长度从出口1到出口4(参见附图标记14a_o和14d_o)线性减小。
从图5可以看出，辐射图类似于参考图2和图3给出的情况，但是表现出更高的定向性。应当注意，基于以下假设来仿真图5的辐射图：出口14a_o至14d_o在x轴上对准，在它们之间具有10cm的间隔，其中出口14a_o在正x轴上。出口1至出口4的相对延迟分别为0.3、0.2、0.1和0ms。
图6示出了扬声器10”’，其也具有四个出口14a’_o至14d’_o，其中通向四个出口14a_o至14d_o波导14a’至14d’的具有相同的长度。所得的垂直于阵列轴的辐射图如图7所示。
图6示出了本发明的另一个优点：由于单独的波导14a’至14d’的形状几乎可以任意选择，并且它们不必彼此相邻，因此可以毫不费劲地避开结构障碍。这里，应当注意，波导14a’至14d’可以由可以任意形成的挠性管或PVC管来执行。有避开结构障碍的可能性，上述背景可以有利地用于以下应用中：其中用于某些组件的空间已经通过传递来限定，或者其他组件对于汽车应用或消费电子产品而言是典型的。
下面将详细讨论单独组件的设计，尤其是扬声器驱动器、波导、声分路器和出口的设计。
同时，本发明涉及定向音频再现，本发明所包括的扬声器驱动器实际上对空间特性没有影响。然而，它对再现声音的频谱特征有影响，因此而影响再现质量。因此，此处并非所有扬声器驱动器都同样适于应用。压力腔室扬声器被设计为附接到波导，或者在此处考虑的情况下，附接到声分路器。因此，它们是用于该场景的即用型组件。不过，这并不排除为其他目的而设计的扬声器驱动器的使用。当考虑到用于电动换能器的众所周知的Thiele-Small参数时，典型的建议是选择相对高的Qms和相对低的Qes，使得所得的号角负载的驱动器的Qts在0.2和0.3之间。相同的建议适用于这里。
声分路器的目的是将来自扬声器驱动器的声能分发到单独的波导，避免声波向后反射或负载与扬声器驱动器不匹配。一种简单的实现方法是在分路器的整个长度上保持垂直于波行进方向的总横截面面积，其中图2、图4和图6中的声分路器是此类组件的典型示例。这种分配器保持了从输入到输出的声阻抗。通常，只要输入阻抗与扬声器驱动器的要求相匹配，就可以构建声分路器来对声阻抗进行变换。
众所周知，可以通过将单独阵列元件辐射的功率进行加权来控制波束成形器的旁瓣。在本发明的情况下，这可以通过对由单独出口辐射的声能进行加权来实现。然而，如果出口会吸收或反射声功率，则这将是不合适的。因此，应该通过声分路器(例如，具有不同直径的输出)来实现输出功率的加权。
波导确定空间辐射图，因此是本发明最重要的组件之一。
这些波导通常将呈现管状形状，其中两个横向尺寸小于波长的一半。注意，与波长相比，波导的长度通常不短。由于这种几何形状，仅波的0阶模可以传播。这意味着每个波导引起的波延迟仅取决于单独波导的长度，而不取决于实际导波的波长。因此，当考虑到出口的已知位置时，可以选择波导的长度以实现延迟和求和波束成形器。以这种方式，可以在较宽的频率范围内选择主波束的方向，在较窄的频率范围内选择零位(null)。此外，这种几何形状允许以几乎任意曲率构建波导。这允许将本发明装配成多种体积形状，即使是具有相交障碍的那些形状也是允许的。实际的管状形状也可以是任意的，这是因为只有0阶模正在传播。由于波导不必对齐，因此其长度与从声分路器到出口的距离无关。这用于图6所示的布置中，在该布置中，尽管声分路器到出口的距离不同，但是所有的波导都表现出相同的长度。
当应该实现更先进的波束成形技术时，可以通过添加空腔、侧分路、单独波导之间的连接或类似结构，以稍微不同的方式设计波导。原则上，这允许实现范围广泛的无源滤波器，其中可以应用许多已知用于波导滤波器(用于电磁波)的技术。然而，声波可以满足电磁波无法满足的一些边界条件，在这些情况中无法使用一些适用于电磁波的特定技术。注意，与上述简单波导相反，这些滤波器元件可以允许0阶以上的模传播。
可以包括在波导中的滤波器元件的示例在图8中示出，其效果与简单的有限脉冲响应(FIR)滤波器相同。图8示出了等效于数字FIR滤波器的波导滤波器元件，其中形成滤波器元件的波导14”包括三个通道14”_c1至14”_c3。
当彼此比较时，三个通道14”_c1至14”_c3的具有不同的直径。这些元件将入射波的功率分发到三个较小的波导，编号分别为1、2和3。由于波导具有不同的长度，因此相关的延迟也不同，分别由t1、t2和t3表示。此外，波导表现出不同的直径，这意味着当被脉冲激发时，它们携带不同量的能量。该能量的量分别由幅度权重w1、w2和w3来描述。当将pin1(t)定义为输入声波的声压时，输出波将由下式给出：
Figure BDA0002402838770000111
其准确描述了与FIR的卷积。然而，该元件是无源的，这意味着：
Figure BDA0002402838770000112
图9示出了实现滤波器元件的备选形式，其中一部分波被反馈。图9示出了具有反馈回路14”’_f的波导14”’。反馈回路与主通道14”_m平行布置，并经由开口14”_o耦合到反馈回路14”’__f。这里应注意，开口14”’_o用作反馈回路14”’_f的入口和出口。根据其他实施例，可以使用多个开口，用于入口和用于出口。
该波的声压由pfb(t)表示。在下文中，假设从输入到输出行进的波的延迟由t4给出，反馈路径的延迟为t5，并且反馈波导附接到输入到输出路径的中间。进一步假设，反馈波导的孔径与w5成比例，输出波导的孔径与w4成比例，并且由于阻抗阶跃而引起的反射波被忽略。然后，输出处的声压由下式给出：
pout2(t)＝w4(pin2(t-t4))+pfb(t-t5-t4/2))， (3)
其中
pfb(t)＝w5(pin2(t-t4/2)+pfb(t-t5))， (4)
在将方程变换到频域时，可以给出pout2(t)的显式表达，其中ω表示角频率，j是虚数单位：
Figure BDA0002402838770000121
Figure BDA0002402838770000122
然后，方程组可以求解为：
Figure BDA0002402838770000123
其中H(jω)描述了波导滤波器的频率响应。另一个备选方案是使用波导短截波滤波器，此处不再讨论，因为在文献中已对其进行了广泛介绍。
每个单个出口的目的是使波导的声阻抗与再现空间中空气的声阻抗相匹配。除此之外，出口在再现空间中相对于彼此具有单独位置。这些与先前部分中讨论的延迟一起确定了波束成形器的辐射图。单个出口的实际形状不太重要。可能的形状包括但不限于圆形、矩形或狭缝状形状。单个出口的孔径尺寸通常小于感兴趣的频率范围内波长的一半。
匹配声阻抗的一种方法是使用小号角作为出口，如图2、图4和图6所示。由于其几乎理想的特性，这是一个非常常见的解决方案。另一解决方案是将波导延伸到开放空间中，并在延伸部分的一侧上放置缝隙，以随着在延伸部分中的行进长度释放波的声功率。
出口的位置可以根据波束成形中通常使用的阵列几何形状进行选择。两个出口之间的最大距离通常大于感兴趣的频率范围内的波长。当不接受混叠时，两个出口之间的距离必须小于波长的一半。如果由于混叠而引起的旁瓣不干扰应用，则可以放弃此要求。一个简单的原型阵列几何形状是线性阵列，其可以用于创建旋转对称波束图。然而，所提出的方法与阵列形状无关。可以直接使用二维出口分布来实现平面阵列，从而可以在二维方向上选择波束方向。在这样的配置中，所提出的方法的经济优势将更加明显，因为平面阵列另外需要大量的相对昂贵的换能器。通常，出口所定位的表面不需要是平坦的。因此，出口也可以例如位于半球采样位置。还可以实现不太常见的阵列形状，例如弯曲的线性阵列。注意，由于每个出口由单独的波导馈送，因此可以任意选择出口位置。这与基于声学透镜的方法实质不同，基于声学的方法受限于将(可能是相交的)单个输入孔径连接到一个(可能是相交的)单个输出孔径。
注意，当每个独立信号使用附加的驱动器-分路器-波导组合时，可以使用同一组出口来操纵独立信号的多个波束。
图10a至图10c示出了在扬声器腔室12*内布置单个驱动器的扬声器10*的三个不同的透视图，该扬声器腔室耦合到由附图标记14*标记的多个波导。多个波导中的每个波导由挠性管形成，例如挠性管的内径为12mm2(5-25mm2)。多个管14”耦合到由附图标记16*(例如，如上所述，具有与输入和输出的相同的横截面面积的声分路器)标记的区域中的驱动器12*。在区域16*内，形成了从驱动器12*的出口到多个波导14*的过渡，其中多个管14*被收集成束，同时该束相对于周围被密封。
从图10c可以看出，每个波导14*的出口由号角14*_o形成，该号角14*_o被构造为分路的实体，并且附接到相应的波导14*。所有号角14*_o，或者通常所有出口14*可以被布置为使得它们指向相同的方向。因此，如上所述，多个出口14*_o的声音发射方向彼此平行，其中，由于由多个波导14*/出口14*_o发射的声波的组合，可以产生定向图。从图10a可以进一步看出，所有出口号角都串联布置，以形成一个阵列。
如参考其他实施例所讨论的，扬声器10*使用单个扬声器驱动器或至少一个由单个单独的转向信号驱动的扬声器布置也是足够的。源自驱动器12*的声波被分发到区域16*中的多个单独的波导14*。在选择的位置14*处馈送到单独的出口14*_o的波导主要被设计为延迟引导通过它们的波。确定延迟使得所有出口14*_o辐射的声波的叠加产生期望的空间再现图。根据这些特性的实现方式已经允许大规模进行实现。要考虑的事实：可选地，波导14*不仅可以被设计为延迟，而且还可以如参：考图8和图9所讨论的那样通过它们对波导进行滤波。
根据其他实施例，波导可以彼此独立地构造。这尤其意味着，尽管它们可以共享公共壳体并且相邻布置，但是它们的功能独立于公共壳体或相邻布置。根据实施例，与感兴趣的频率范围内的波长相比，波导14*的长度通常不小。然而，波导的横截面通常可以小于感兴趣的频率范围内的波长的一半。
如图10a和图10c所示，出口14*_o是可分离的。因此，它们不需要处于相邻布置中，但是可以相邻布置。这意味着出口14*_o的孔径可以解释为单独孔径。根据实施例，单独的出口14*_o的尺寸通常可以小于感兴趣的频率范围内的波长的一半。两个出口14*_o之间的最大距离通常可以大于感兴趣的频率范围内的波长。分别使用两个波导14*和出口14*_o是功能上的最小值，其中通常使用两个以上的出口来实现足够的定向性。
以上构思适用于需要定向音频再现的任何领域。两个主要优点是低成本和设计灵活性大。因此，本发明特别适合于在消费电子或汽车场景中应用。在这些应用中，经济压力很高，因此所有组件的成本都必须极低。另外，已经通过消费电子设备的设计或车辆内部的设计预先确定了适合于这些场景的组件的形状。这强调了灵活设计的重要性。
此外，除了扬声器驱动器之外，本发明的所有部件都可以在没有金属部件的情况下制造。这允许将本发明用于不允许金属组件的环境中的定向音频再现，例如磁共振成像(MRI)设备的内部。在这种情况下，扬声器驱动器将被放置在该环境之外，而波导会将声音引导到该环境内的出口。
应当注意，上述示例仅是示例性的，其中保护范围由所附权利要求限定。
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Claims (15)

1.一种扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，包括：
一个或多个驱动器(12、12*)，被布置为发射声波；
至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)，耦合到所述一个或多个驱动器(12、12*)，以接收由所述一个或多个驱动器(12、12*)发射的声波；
其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的第一波导具有定位在所述扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)的第一位置处的输出(14a_o、14b_o)，并且被配置为将接收到的声波转发到所述第一位置处的输出(14a_o、14b_o)，其中所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的第二波导具有定位在所述扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)的第二位置处的输出(14a_o、14b_o)，并且被配置为将接收到的声波转发到所述第二位置处的输出(14a_o、14b_o)；
其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的每个波导具有小于要传输的声波的波长的一半的横截面尺寸，并且其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的一个波导的长度至少与要传输的声波的波长的一半一样长；
其中至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)具有至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)之间的连接，以形成无源滤波器；或者
其中至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的至少一个形成包括多个通道(14”_c1至14”_c3)的滤波器元件，所述多个通道在相互比较时具有不同的直径和/或在相互比较时具有不同的长度以形成无源滤波器。
2.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)仅包括一个驱动器(12、12*)。
3.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)包括声分路器(16)，所述声分路器被布置在所述一个或多个驱动器(12、12*)与所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)之间，其中所述声分路器(16)包括一个输入和用于所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)的至少两个输出(14a_o、14b_o)，并且被配置为将在所述输入上接收的声波分路到所述两个输出(14a_o、14b_o)。
4.根据权利要求3所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述声分路器(16)包括一个或多个通道，并且其中所述一个或多个通道的横截面沿所述分路器(16)的长度保持恒定；和/或
其中，所述一个或多个通道的总计横截面至少与所述一个或多个驱动器(12、12*)的输出(14a_o、14b_o)一样大。
5.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的所述第一波导被配置为以第一延迟转发所述声波，其中所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的所述第二波导被配置为以第二延迟转发所述声波，其中对两个延迟之差进行选择，以便执行波束成形。
6.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的所述第一波导和/或所述第二波导被配置为改变要转发的所述声波的相位和/或改变要转发的所述声波的幅度。
7.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)在其输出处包括用于匹配声阻抗的装置(14a_o、14b_o、14c_o、14d_o、14*_o、14a’_o、14b’_o、14c’_o、14d’_o)和/或被配置为与所述声阻抗匹配的号角。
8.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述第一位置与所述第二位置不同，以便由所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)的输出(14a_o、14b_o)的布置形成阵列；和/或其中，所述第一位置与所述第二位置间隔开小于要由所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)转发的声波的波长的一半的距离。
9.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)包括第三波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)，所述第三波导具有定位在所述扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)的第三位置处的输出(14a_o、14b_o)，并且被配置为将接收到的声波转发到所述第三位置处的输出(14a_o、14b_o)；或者
其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)包括第三波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)，所述第三波导具有定位在所述扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)的第三位置处的输出(14a_o、14b_o)，并且被配置为将接收到的声波转发到所述第三位置处的输出(14a_o、14b_o)；其中所述至少三个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)的输出(14a_o、14b_o)形成二维图案。
10.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述一个或多个驱动器(12、12*)被设计为压力腔室驱动器(12、12*)和/或被布置在公共压力腔室内。
11.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)包括将相应波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)的输入与所述相应波导的输出(14a_o、14b_o)相连接的管或通道；和/或其中，所述波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)具有号角形波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)输出(14a_o、14b_o)。
12.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的每个波导具有小于要传输的声波的波长的一半的两个横向尺寸。
13.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的所述第一波导的长度与所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的所述第二波导的长度不同。
14.根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)，其中，
所述至少两个波导(14a、14b、14c、14d、14a’、14b’、14c’、14d’、14*)中的至少一个波导包括边通道或反馈通道，以便形成声滤波器。
15.一种汽车声音系统，包括根据权利要求1所述的扬声器(10、10’、10”、10”’、10*)。
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