CN111405418B - 具有减小的由来自表面的反射导致的音频染色的扬声器 - Google Patents

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Abstract

本公开至少涉及具有减小的由来自表面的反射导致的音频染色的扬声器。本公开描述了扬声器，其可通过以下方式减小收听者所感知到的梳状滤波效应：1)通过竖直(高度)或旋转地调节换能器而移动换能器使其更靠近声音反射表面(例如基板、桌面或地板)，或者2)通过使用角状物和与反射表面相距规定距离的开口来引导换能器产生的声音以邻近反射表面地释放到收听区域中。反射表面和换能器所发射的声音被释放到收听区域中的点之间的这个距离的减小可导致缩短的反射路径，该缩短的反射路径减小了由相对于直达声音被延迟的反射声音所导致的梳状滤波效应。因此，本文所示和所述的扬声器可被放置在反射表面上，而没有由反射声音所导致的严重的音频染色。

Description

具有减小的由来自表面的反射导致的音频染色的扬声器
本申请是于2015年9月29日提交的申请号为201580064006.8的题为“具有减小的由来自表面的反射导致的音频染色的扬声器”的发明专利申请的分案申请。
本申请要求提交于2014年9月30日的美国临时专利申请62/057,992 的权益，本申请据此以引用方式并入该临时专利申请。
技术领域
本申请公开了一种扬声器，用于减小由从安置该扬声器的表面反射所导致的效应。在一个实施方案中，该扬声器具有单独的换能器，该换能器位于与反射表面(例如，要安置在桌面或地板表面上的基板)相距指定距离内，使得来自换能器的反射声音和直达声音的行进距离几乎相等。还描述了其他实施方案。
背景技术
扬声器可被计算机和家用电子设备用来将声音输出到收听区域中。扬声器可包括布置在扩音器箱体中的多个电声换能器。扩音器箱体可放置在硬的反射表面诸如桌面上。如果换能器紧邻桌面表面，则来自桌面的反射可能导致对于收听者来说不期望的梳状滤波效应。由于反射路径比声音的直达路径长，所以反射的声音可能在时间上比直达声音更晚到达。反射声音可能(在收听者的耳朵处)导致与直达声音的相长干涉或相消干涉，这是基于(由延迟导致的)这两个声音之间的相位差。
在此背景技术部分中描述的方法是可执行的方法，但不一定是先前已设想或执行的方法。因此，除非另外指明，否则不应认为在此部分中描述的方法中的任一个仅仅凭借其被包括在此部分中而有资格作为现有技术。
发明内容
在一个实施方案中，扬声器设置有位于箱体内的对齐在平面中的换能器的环。在一个实施方案中，扬声器可被设计成是阵列，在该阵列中换能器全部都是复制品使得每个换能器以相同频率范围生成声音。在其它实施方案中，扬声器可以是多路扩音器，其中并非所有的换能器都被设计成工作于相同的频率范围。扬声器可包括耦接到箱体的底端的基板。基板可以是固体平坦结构，其尺寸被设定成为扬声器提供稳定性，使得在基板置放在桌面上或另一表面(例如地板)上时，箱体不容易倾倒。该换能器环可位于箱体的底部并在与基板相距预定距离之内，或者(在没有使用基板并且箱体的底端要安置在桌面或地板上的情况下)在与桌面或地板相距预定距离之内。换能器可向下以预定的锐角朝底端成角度，以便相比于直立的换能器，减小由来自换能器的声音从桌面或地板反射所引起的梳状滤波。
换能器所发射的声音可能从基板或安置箱体的其他反射表面反射，然后才与来自换能器的直达声音一起到达收听者的耳朵。可选择所述预定距离以确保反射声音路径与直达声音路径类似，使得减小可由收听者感知到的梳状滤波效应。在一些实施方案中，可基于相应换能器的大小或尺寸或者基于换能器要发射的音频频率集合来选择所述预定距离。
在一个实施方案中，这个预定距离可通过换能器向下朝箱体的底端成角度来实现。这个旋转或倾斜可处于值范围内，使得实现所述预定距离而不导致不期望的共振。在一个实施方案中，换能器已相对于箱体的底端 (或者如果使用基板，则相对于基板)被旋转或倾斜到锐角，例如介于 37.5°和42.5°之间。
在另一个实施方案中，所述预定距离可通过使用角状物来实现。角状物可将来自换能器的声音引导到箱体中邻近该底端定位的声音输出开口。因此，在这种情况下，所述预定距离可介于所述开口的中心和桌面、地板或基板之间，因为所述开口的中心是在其处允许声音传播到收听区域中的点。通过使用角状物，可缩短所述预定距离，而不需要将换能器本身移动或定位成邻近底端或基板。
如上所述，本文所述的扬声器相对于传统扬声器可展现出改善的性能。特别地，本文所述的扬声器可减小收听者所感知到的梳状滤波效应，这是由于1)通过竖直或旋转地调节换能器而移动换能器使其更靠近可安置扬声器的反射表面(例如基板，或者直接在桌面或地板上)、或者2)通过使用角状物并通过箱体中位于与反射表面相距规定距离处的开口来引导换能器产生的声音，使得声音被释放到邻近反射表面的收听区域中。处于反射表面和换能器所发射的声音在其处被释放到收听区域中的点之间的这个距离的减小缩短了声音的反射路径，并且可减小由相对于直达声音被延迟的反射声音所导致的梳状滤波效应。因此，本文所示和所述的扬声器可被放置在反射表面上，而没有由反射声音所导致的严重的音频染色。
以上概述不包括本发明的所有方面的详尽列表。可以预期的是，本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的具体实施方式中公开并且在随本专利申请提交的权利要求中特别指出的各种方面的所有合适的组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述发明内容中具体阐述的特定优点。
附图说明
本发明的实施例以举例的方式进行说明，而不仅限于各个附图的图示，在附图中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，本公开中提到本发明的“一”或“一个”实施方案未必是同一实施方案，并且它们表示至少一个实施方案。另外，为了简洁以及减少附图的总数，可使用某个附图示出本发明的不止一个实施方案的特征，并且对于某个实施方案，可能并非需要该附图中的所有元素。
图1示出了根据一个实施方案的具有音频接收器、扬声器和收听者的收听区域的视图。
图2A示出了根据一个实施方案的音频接收器的部件图。
图2B示出了根据一个实施方案的扬声器的部件图。
图3示出了根据一个实施方案的可由扬声器生成的一组示例性指向性/ 辐射图案。
图4示出了根据一个实施方案的由扬声器相对于坐着的收听者生成的直达声音和反射声音。
图5示出了根据一个实施方案的相对于扬声器和坐着的收听者在一米处以20度检测到的声音的对数声压与频率图。
图6示出了根据一个实施方案由扬声器相对于站着的收听者生成的直达声音和反射声音。
图7示出了根据一个实施方案的相对于扬声器和站着的收听者在一米处以20度检测到的声音的对数声压与频率图。
图8示出了图示根据一个实施方案的由扬声器产生的梳状滤波效应的轮廓图。
图9A示出了根据一个实施方案的一种扬声器，其中已经将集成的换能器朝箱体的底端移动。
图9B示出了根据一个实施方案的换能器和反射表面之间的距离。
图9C示出了根据一个实施方案的一种具有邻近一组换能器定位的吸收性材料的扬声器。
图9D示出了根据一个实施方案的一种具有邻近一组换能器定位的格网的扬声器的剖面图。
图9E示出了根据一个实施方案的一种具有邻近一组换能器定位的格网的扬声器的近距离视图。
图10A示出了根据一个实施方案的由扬声器产生的声音的轮廓图。
图10B示出了根据一个实施方案的相对于扬声器在一米处以20度检测的声音的对数声压与频率图。
图11A示出了根据一个实施方案的分开的三种类型的换能器的距离。
图11B示出了根据一个实施方案的分开的N种类型换能器的距离。
图12示出了根据一个实施方案的一种扬声器的侧视图。
图13示出了根据一个实施方案的一种扬声器的俯视剖面图。
图14A示出了根据一个实施方案的直接面向收听者的换能器与反射表面之间的距离。
图14B示出了根据一个实施方案的向下成角度的换能器与反射表面之间的距离。
图14C示出了根据一个实施方案的由指向收听者的换能器和向下成角度的换能器产生的反射声音路径之间的比较。
图15A示出了根据一个实施方案的相对于扬声器在一米处以20度检测的声音的对数声压与频率图。
图15B示出了根据一个实施方案的由扬声器产生的声音的轮廓图。
图16A示出了根据其中不设置基板的一个实施方案的包括角状物的扬声器的箱体的剖面侧视图。
图16B示出了根据一个实施方案的具有用于多个换能器的多个角状物扬声器的透视图。
图17示出了根据一个实施方案的由扬声器产生的声音的轮廓图。
图18示出了根据另一实施方案的扬声器的箱体的剖面图，其中换能器被安装穿过箱体壁。
图19示出了根据一个实施方案的由扬声器产生的声音的轮廓图。
图20示出了根据另一实施方案的一种扬声器的箱体的剖面图，其中换能器安装在箱体内。
图21示出了根据一个实施方案的由扬声器产生的声音的轮廓图。
图22示出了根据另一实施方案的一种扬声器的箱体的剖面图，其中换能器位于箱体内并且狭长角状物被使用。
图23示出了根据一个实施方案的由扬声器产生的声音的轮廓图。
图24示出了根据一个实施方案的扬声器的箱体的剖面图，其中使用相位塞将换能器的有效声辐射区域设置为更靠近反射表面。
图25示出了根据一个实施方案的具有隔件的扬声器。
图26A、图26B示出了根据另一实施方案的在多路扬声器或扬声器阵列中使用声音隔离器。
具体实施方式
现在将解释参考所附的附图所述的若干个实施方案。虽然阐述了许多细节，但应当理解，本发明的一些实施方案可在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免模糊对该描述的理解。
图1示出了具有音频接收器103、扬声器105和收听者107的收听区域101的视图。音频接收器103可耦接到扬声器105以驱动扬声器105中的各个换能器109，从而将各种声束图案发射到收听区域101中。在一个实施方案中，扬声器105可被配置为扬声器阵列并要作为扬声器阵列进行驱动，以生成代表一条声音节目内容的独立通道的波束图案。例如，扬声器105(作为阵列)可生成代表一条声音节目内容(例如，音乐作品或电影声道)的左前通道、右前通道和前方中心通道的波束图案。扬声器105 具有箱体111，换能器109容纳在箱体111的底部102中，并且基板113 耦接到换能器109，如图所示。
图2A示出了根据一个实施方案的音频接收器103的部件图。音频接收器103可以是任何能驱动扬声器105中的一个或多个换能器109的电子设备。例如，音频接收器103可以是台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、家庭影院接收器、机顶盒、或智能电话。音频接收器103可包括硬件处理器201和存储器单元203。
在此统一使用的处理器201和存储器单元203是指可编程数据处理部件和数据存储器的任意适当组合，其执行实施音频接收器103的各种功能和操作所需的操作。处理器201可以是通常在智能电话中找到的应用处理器，而存储器单元203可指微电子非易失性随机存取存储器。操作系统可与特定于音频接收器103的各种功能的应用程序一起存储于存储器单元203 中，它们将由处理器201运行或执行以执行音频接收器103的各种功能。
音频接收器103可包括一个或多个音频输入端205以接收来自外部或远程设备的多个音频信号。例如，音频接收器103可从远程服务器接收音频信号，作为流式媒体服务的一部分。另选地，处理器201可解码本地存储的音乐或电影文件，以获得音频信号。音频信号可代表一条声音节目内容(例如音乐作品或电影音频轨道)的一个或多个通道。例如，与一条多通道声音节目内容的单个通道对应的单个信号可被音频接收器103的输入端205接收，并且在该情况下，可能需要多个输入端来接收这条内容的多个通道。又如，单个信号可对应于或其中编码有或其中多路复用有(这条声音节目内容的)多个通道。
在一个实施方案中，音频接收器103可包括数字音频输入端205A，其接收来自外部设备或远程设备的一个或多个数字音频信号。例如，音频输入端205A可以是TOSLINK连接器，或者其可以是数字无线接口(例如无线局域网(WLAN)适配器或蓝牙适配器)。在一个实施方案中，音频接收器103可包括模拟音频输入端205B，其接收来自外部设备的一个或多个模拟音频信号。例如，音频输入端205B可以是被设计用于接收线材或导线以及相应模拟信号的接线柱、弹簧线夹、或拾音插头。
在一个实施方案中，音频接收器103可包括用于与扬声器105通信的接口207。接口207可利用有线介质(例如导线或线材)与扬声器105通信，如图1所示。在另一实施方案中，接口207可通过无线连接与扬声器 105通信。例如，网络接口207可利用一个或多个无线协议和标准来与扬声器105通信，包括IEEE 802.11标准集、IEEE 802.3、蜂窝全球移动通信系统(GSM)标准、蜂窝码分多址(CDMA)标准、长期演进(LTE)标准、和/或蓝牙标准。
如图2B所示，扬声器105可通过相应的接口213从音频接收器103 接收换能器驱动信号。如同接口207那样，接口213可利用有线协议和标准和/或一个或多个无线协议和标准，包括IEEE 802.11标准集、IEEE 802.3、蜂窝全球移动通信系统(GSM)标准、蜂窝码分多址(CDMA)标准、长期演进(LTE)标准、和/或蓝牙标准。在一些实施方案中，驱动信号是以数字形式被接收，因此为了驱动换能器109，扬声器105在那种情况下可包括耦接在功率放大器211前面的数模转换器(DAC)209，用于在放大驱动信号以驱动每个换能器109之前将驱动信号转换成模拟形式。
虽然被描述和图示为与音频接收器103分开，但是在一些实施方案中，音频接收器103的一个或多个部件可集成在扬声器105中。例如，如下文所述，扬声器105还可在其箱体111内包括硬件处理器201、存储器单元203和所述一个或多个音频输入端205。
如图1所示，扬声器105在扩音器箱体111中容纳多个换能器109，它们可相对于彼此以环形式对齐，来形成扬声器阵列。特别地，箱体111如图所示是圆柱形的；然而在其他实施方案中，箱体111可为任意形状，包括多面体、截头体、圆锥体、棱锥体、三棱柱、六棱柱、球体、截头圆锥体形状、或任何其他类似形状。箱体111可至少部分中空，并且还可允许将换能器109安装在其内侧表面上或其外侧表面上。箱体111可由任何合适的材料制成，包括金属、金属合金、塑性聚合物、或它们的某种组合。
如图1和图2B所示，扬声器105可包括多个换能器109。换能器109 可以是全音域驱动器、中音域驱动器、重低音扬声器、低音扬声器和高音扬声器的任意组合。每个换能器109可具有振动膜或圆锥体，该振动膜或圆锥体经由柔性悬架连接到刚性盆架或框架，该柔性悬架限制附接到振动膜的线圈(例如音圈)轴向地移动穿过大致柱形磁隙。当电音频信号施加到音圈时，由音圈中的电流形成磁场，从而使得其成为可变电磁体。线圈和换能器109的磁系统相互交互，从而生成使线圈(并因此使所附接的圆锥体)来回移动的机械力，由此在来自诸如音频接收器103之类的音频源的所施加的电音频信号的控制下再现声音。虽然电磁动态扬声器驱动器被描述为用作换能器109，但本领域的技术人员将认识到，其他类型的扬声器驱动器诸如压电的平面电磁驱动器和静电驱动器也是可能的。
每个换能器109可响应于从音频源(例如音频接收器103)所接收的单独的且离散的音频信号而被独立且单独地驱动以产生声音。通过知道换能器109的队列以及允许换能器109根据不同参数和设置(包括相对延迟和相对能级)被独立且单独地驱动，扬声器105可被布置成阵列并作为阵列进行驱动，以产生准确地表示由音频接收器103所输出的一条声音节目内容的每个通道的多个指向性图案或波束图案。例如，在一个实施方案中，扬声器105可被布置成阵列并作为阵列进行驱动，以产生图3所示的指向性图案中的一个或多个。扬声器105产生的同时指向性图案可以不仅形状不同，而且可以方向不同。例如，不同指向性图案可在收听区域101 中指向不同方向。为了产生所期望的指向性图案而需要的换能器驱动信号可通过处理器201(参见图2A)执行波束形成过程来生成。
虽然上文已经相对于可作为扬声器阵列的一部分被布置和驱动的多个换能器109描述了一种系统，但该系统也可以与(容纳在箱体111中的) 仅单个换能器一起工作。因此，虽然以下描述有时将扬声器105称为被配置为阵列并作为阵列进行驱动，但在一些实施方案中，可以本文所述类似的方式配置或使用非阵列扬声器。
如上文所示和所述，扬声器105可包括被布置成作为阵列进行驱动的单个换能器109环。在一个实施方案中，该换能器109环中的每个换能器 109可以是相同类型或型号的，例如是复制品。该换能器109环可被取向成从所述环“向外”发射声音，并且可沿(或位于)水平面进行对齐，使得每个换能器109相对于桌面或相对于扬声器105的基板113的顶面是竖直等距的。通过包括沿水平面对齐的换能器109的单个环，扬声器105发射的声音的竖直控制可受到限制。例如，通过调节相应换能器109的波束形成参数和设置，该换能器109环发射的声音可在水平方向上受到控制。这个控制可允许生成沿水平面或轴的图3所示指向性图案。然而，由于缺少多个堆叠的换能器109环，声音的这个方向控制可被限制到这个水平面。因此，扬声器105在(垂直于这个水平轴或平面的)竖直方向产生的声波可向外扩展而没有限制。
例如，如图4所示，换能器109发射的声音可竖直地以极小的限制进行扩散。在这个场景中，收听者107的头部或耳朵相对于扬声器105中的该换能器109圈位于大约1米处且成20度角。来自扬声器105的声音的扩散可包括1)向下发射到放置扬声器105的桌面上的声音和2)直接向收听者 107发射的声音。朝桌面发射的声音将从桌面的表面朝收听者107反射。因此，来自扬声器105的反射声音和直达声音都可被收听者107感知。由于在这个示例中，反射路径是迂回的并因此比直达路径长，所以收听者 107可能检测到或感知到梳状滤波效应。梳状滤波效应可被定义为在相同但具有相位差的信号加和时导致在频率响应中生成峰和谷。这些信号的加和可导致不良染色的声音。例如，图5示出了相对于扬声器105在一米处以20度(即图4所示收听者107的位置)检测到的声音的对数声压与频率图。在图5所示图中可观察到例示这个梳状滤波效应的一组凸起或峰和凹陷或谷。凸起可对应于其中反射声音与直达声音同相的频率，而凹陷可对应于其中反射声音与直达声音异相的频率。
这些凸起和凹陷可随着仰角或角度(度)改变而移动，因为直达声音与反射声音之间的路径长度差基于收听者107的移动而快速改变。例如，收听者107可站着，从而收听者107相对于扬声器105成30度角度或仰角，如图6所示，而不是图4所示的20度仰角。图7中示出在30度角度(仰角)测量的声压与频率。可以看到，声压与频率表现中的凸起和凹陷随着仰角的改变而移动，并且这在图8的轮廓图中示出，图8示出了从不同角度观察的图5和图7的梳状滤波效应。着色较深的区域代表高SPL(凸起)，而着色较浅的区域代表低SPL(凹陷)。随着收听者107改变相对于扬声器 105的角度/位置，凸起和凹陷在频率上偏移。因此，随着收听者107相对于扬声器105沿竖直方向移动，对于该收听者107的声音感知改变。在收听者107移动或位于不同仰角期间，声音的这种缺少一致性可能是不期望的。
如上所述，由反射声音在到收听者107的途中必须行进更长距离所导致的反射声音与直达声音之间的相位差触发梳状滤波效应。为了减少基于梳状滤波而能被收听者107感知的音频染色，可缩短反射声音与直达声音之间的距离。例如，所述换能器109环可被取向成使得换能器109发射的声音在桌面或另一反射表面上反射之前行进更短或甚至极小的距离。这个缩短的距离将导致直达声音与经发射声音之间更短的延迟，这因此将导致在收听者107 最可能位于的位置/角度处更一致的声音。以下将以举例的方式更详细地描述用于使来自换能器109的反射路径和直达路径之间的差异最小化的技术。
图9A示出了一种扬声器105，其中与图4所示的扬声器105中的换能器109相比，已经移动了集成的换能器109使其与箱体111的底部的距离比与箱体顶部的距离近。在一个实施方案中，换能器109可定位为邻近基板113，该基板113固定到扬声器105的箱体111的底端。基板113可以是固体平坦结构，其尺寸被设定成在扬声器105安放在桌上或另一表面(例如地板)上时为扬声器105提供稳定性，使得箱体111能保持直立。在一些实施方案中，基板113的尺寸可被设定成接收换能器109发射的声音，使得声音可从基板113反射。例如，如图9A所示，被换能器109向下引导的声音可从基板113反射，而不是从安置扬声器105的桌面反射。基板113可被描述为耦接到箱体111的底部102，例如直接耦接到其底端，并且可向外延伸超过箱体的侧壁的最外侧点的竖直投影。虽然被图示成直径比箱体111大，但在一些实施方案中，基板113可以直径与箱体 111相同。在这些实施方案中，箱体111的底部102可向内弯曲或裁切 (例如直到其到达基板113)，并且换能器109可位于箱体111的底部102 的这个弯曲或切口区部中，诸如如图1所示。
在一些实施方案中，可围绕基板113或围绕换能器109放置吸收性材料901，诸如泡沫。例如，如图9C所示，可在箱体111中在换能器109和基板113之间形成狭槽903。狭槽903内的吸收性材料901可减少已经沿与收听者107相反的方向从基板113反射(并且原本然后会从箱体111朝收听者107反射回)的声音的量。在一些实施方案中，狭槽903可围绕箱体111的基部环绕箱体111，并且可被调整成在特定频率范围中提供共振以进一步减少声音反射。在一些实施方案中，狭槽903可形成涂覆有吸收性材料901的共振器，其被设计用于抑制特定频率范围中的声音以进一步消除从箱体111的声音反射。
在一个实施方案中，如图9D、图9E所示，可在换能器109下面放置格网905。在该实施方案中，格网905可以是充当用于换能器109所发射的声音的低通滤波器的冲孔网(例如金属、金属合金或塑料)。特别地，并且在图9D中最佳地看到，格网905可在箱体111下方在基板113和换能器109之间形成腔体907(类似于图9C所示的狭槽903)。从箱体111反射的换能器109所发射的高频声音可被格网905衰减，并且被阻止传递到收听区域101中。在一个实施方案中，可调节格网905的孔隙率，以限制可自由进入收听区域101的频率。
在一个实施方案中，换能器109的振动膜中心与反射表面(例如基板 113的顶部)之间的竖直距离D可介于8.0mm和13.0mm之间，如图9B所示。例如在一些实施方案中，距离D可为8.5mm，而在其他实施方案中，距离D可为11.5mm(或者介于8.5mm至11.5mm之间的任何值)。在其它实施方案中，距离D可介于4.0mm与20.0mm之间。如图9A和图9B所示，通过与反射声音的表面(例如基板113，或在其他情况下是桌面或地板表面本身，诸如如果没有提供基板113的话)邻近地(即以距离D)定位，扬声器105的反射声音路径可具有缩短的长度。对于源自集成在箱体111内的换能器109的声音，这个缩短的反射声音路径因此减小反射声音路径的长度与直达声音路径的长度之间的差，例如差值(反射声音路径距离–直达声音路径距离)接近零。反射路径与直达路径之间长度差的这个最小化或至少减小可导致更一致的声音(例如一致的频率响应或幅值响应)，如图10A和图 10B的图所示。特别地，图10A和图10B中的凸起和凹陷已经在量值上有所降低并且显著地向右移动并且更靠近人类感知边界(例如某些凸起和凹陷已经移动到10kHz以上)。因此，可减小收听者107感知的梳状滤波效应。
虽然以上针对单个换能器109进行了描述并且在图9A至图9C中进行了图示，但是在一些实施方案中，多个换能器109的环形式(例如换能器阵列)中的每个换能器109可类似地沿箱体111的侧边或面布置。在那些实施方案中，该换能器109环可沿水平面对齐或位于水平面内，如上所述。
在一些实施方案中，可基于相应换能器109的半径(例如换能器109的振动膜的半径)或用于换能器109的频率范围来选择距离D或用于距离D 的值范围。特别地，高频声音可能更容易受由反射导致的梳状滤波的影响。因此，产生越高频率的换能器109可能需要越小的距离D，以便更严格地减少其反射(与产生更低频率声音的换能器109相比)。例如，图11A示出了一种多路扬声器105，其具有用于/被设计用于第一组频率的第一换能器 109A、用于/被设计用于第二组频率的第二换能器109B和用于/被设计用于第三组频率的第三换能器109C。例如，第一换能器109A可用于/被设计用于高频内容(例如5kHz-10kHz)，第二换能器109B可用于/被设计用于中频内容(例如1kHz-5kHz)，并且第三换能器109C可用于/被设计用于低频内容(例如100Hz-1kHz)。可利用集成在扬声器105内的一组滤波器来实现每个换能器109A、109B和109C的这些频率范围。由于第一换能器109A 产生的声波的波长比换能器109B和109C产生的声波的波长小，所以与换能器109A相关联的距离DA可以比分别与换能器109B和109C相关联的距离DB和DC小(例如换能器109B和109C可定位为与安置扬声器105的反射表面距离更远，而没有与梳状滤波相关联的凹陷落入在其工作带宽内)。因此，为了减少梳状滤波效应而需要的换能器109与反射表面之间的距离D 可以基于换能器109的大小/直径和/或要由换能器109再现的频率。
虽然被显示有单个换能器109A、109B和109C，但图11A所示的多路扬声器105可包括换能器109A、109B和109C中的每一者形成的环。每个换能器109A、109B和109C的环可对齐在分开的水平面中。
另外，虽然在图11A中被显示为包括三种不同类型的换能器109A、 109B和109C(即三路扬声器105)，但在其他实施方案中，扬声器105可包括任意数量不同类型的换能器109。特别地，扬声器105可以是图11B 所示的N路阵列，其中N是大于等于1的整数。类似于图11A，在图11B 所示的这个实施方案中，与换能器109A-109N的每个环相关联的距离DA- DN可基于换能器109A-109N的大小/直径和/或要由换能器109A-109N再现的频率。
虽然实现换能器109的中心与反射表面之间小的距离D(即上述范围内的值)对于具有较小半径的换能器109而言可以能通过移动换能器109 使其更靠近反射表面(即，沿箱体111布置换能器109以更靠近基板 113)来实现，但是由于换能器109的尺寸增大，所以实现规定范围内距离 D的值的能力可能很难或者不可能。例如，在换能器109的半径大于D的阈值(例如阈值为12.0mm，而换能器109的半径为13.0mm)时，通过简单地沿箱体111的面在竖直方向上移动换能器109使其更靠近反射表面来实现D的所述阈值是不可能的。在这些情况下，可采用附加的运动自由度来实现D的阈值，如下所述。
在一些实施方案中，扬声器105中换能器109的取向可被调节，以进一步减小换能器109与反射表面之间的距离D，减小反射声音路径，从而减小反射声音路径与直达声音路径之间的差别。例如，图12示出了根据一个实施方案的扬声器105的侧视图。类似于图9所示的扬声器105，图12 所示的扬声器105包括位于箱体111底部中或围绕箱体111底部并在基板 113附近的换能器109环。该换能器109环可环绕箱体111的圆周(或可与该圆周同轴)，每个相邻的换能器109对之间的间距相同，如图13中俯视剖面图所示。
在图12所示的示例性扬声器105中，换能器109通过被安装在箱体 111的底部102中而邻近基板113定位。这个示例的底部是截头圆锥体，如图所示，具有联结上基部和下基部的侧壁，其中上基部大于下基部，并且基板113耦接到下基部，如图所示。在这种情况下，每个换能器109可被描述为安装在侧壁中的相应开口内，使得其振动膜基本上在箱体111之外，或者从箱体111外部沿视线至少清楚可见。需指出，所指示的距离D 是从振动膜的中心(例如其外表面的中心)向下到达基板113的顶部的竖直距离。(底部102的)侧壁具有形成在其中的多个开口，这些开口布置成环形式，并且换能器109已经相应地安装在其中。如上文结合图9A和图9B所述，将换能器109定位成靠近反射来自换能器109的声音的表面，例如使距离D最小化同时限制角度θ。
参考图14B ，角度θ可如该附图所示那样定义，即被定义成1)换能器 109的振动膜平面诸如振动膜的周边所位于的平面与2)桌面表面或者如果使用基板113的话则是触碰基板113顶部的水平面之间的角度。每个换能器109的角度θ可被限制到指定范围，使得与图14A 所示换能器109的直立布置相比，反射声音的路径与直达声音的路径之间的差异可减少。不朝下成角度的换能器109在图14A中示出，其中其可被描述为直立的或者“直接面对”收听者107，从而限定至少90度的角度θ、以及换能器109 中心与下面的反射表面(例如桌面或基板113顶部)之间的距离D1。如图 14B所示，使换能器109朝下以锐角θ成角度就得到换能器109中心与反射表面之间的距离D2，其中D2<D1。因此，通过将换能器109围绕其最底点“向前”旋转(倾斜或枢转)使得其振动膜更指向反射表面，换能器 109的中心与反射表面之间的距离D减小(因为振动膜的最底边缘在图14A和图14B之间保持固定，例如尽可能靠近反射表面)。如上所述，D 的这个减小导致直达声音路径与反射声音路径之间的差异减小，因此减小由梳状滤波导致的音频染色。反射声音路径的减小可在图14C中看到，其中来自未旋转换能器109的实线比来自倾斜了角度θ的换能器109的虚线更长。因此，为了进一步减小距离D(例如换能器109中心与基板113或箱体111下面的其他反射表面之间的距离)并因此减小反射路径，可将换能器109向下朝基板113成角度，如上文所述并且还如图12所示。
如上所述，距离D是每个换能器109的振动膜和反射表面(例如基板 113)之间的竖直距离。在一些实施方案中，这个距离D可从振动膜中心测量到反射表面。虽然被图示有凸出振动膜和平坦振动膜二者，但在一些实施方案中可使用倒转的振动膜。在这些实施方案中，距离D可从倒转振动膜的中心或者从已将其沿振动膜平面的法线投射到振动膜平面时的中心开始测量，其中振动膜平面可以是振动膜的周边所位于的平面。与换能器相关联的另一平面可以是由换能器109的正面限定的平面(不考虑其振动膜的倒转曲率)。
虽然倾斜或旋转换能器109可得到减小的距离D和反射声音路径的相应减小，但将换能器109朝反射表面过度旋转可能导致单独的不期望的效应。特别地，将换能器109旋转超过阈值可能导致由将声音从反射表面或箱体 111向回朝换能器109反射所引起的共振。因此，可采用旋转下限来确保不出现不期望的共振。例如，换能器109可在30.0°与50.0°之间旋转或倾斜(例如，以上在图14B中限定的θ可介于30.0°与50.0°之间)。在一个实施方案中，换能器109可在37.5°与42.5°之间旋转(例如，θ可介于37.5°与 42.5°之间)。在其它实施方案中，换能器109可在39.0°与41.0°之间旋转。换能器109的旋转角度θ可基于换能器109的所期望或阈值距离D。
图15A示出了沿直达路径与扬声器105相距一米且相对于水平面向上 20度的(收听者107)位置处–参见图4–检测的声音的对数声压与频率图。特别地，图15A的图代表换能器109的旋转角度θ为45°的情况下图12所示扬声器105发射的声音。在该图中，声级在可听范围(即20Hz至 10kHz)内相对一致。类似地，对于收听者107会位于的大多数角度，单个换能器109的图15B的轮廓图展示了竖直方向上的相对一致性。例如，在图15B的轮廓图中对于0°的收听者107的竖直位置(收听者107直接坐在扬声器105前面)以及对于45°与60°之间的竖直位置(收听者107站在扬声器105附近)展示了线性响应。特别地，这个轮廓图中的凹陷大多已经移动到可听范围之外，或者已经移动到收听者107不可能位于的竖直角度 (例如，收听者107不可能以竖直角度90°直接站在扬声器105上方)。
如上所述，旋转换能器109就实现了换能器109的中心与反射表面 (例如基板113)之间较小的距离D。在一些实施方案中，旋转角度或旋转范围可基于换能器109的频率集合和大小或直径来设置。例如，较大的换能器109可产生波长较大的声波。因此，为了减轻这些较大换能器109的梳状滤波而需要的距离D可以比为了减轻较小换能器109的梳状滤波而需要的距离D长。由于与较小换能器109相比，距离D对于这些较大换能器 109更长，所以为了实现这个更长距离D而需要将换能器倾斜的相应角度θ可能更大(需要更少的倾斜或旋转)，以便避免过度旋转(或过度倾斜)。因此，换能器109的旋转角度θ可基于换能器109的振动膜大小或直径以及期望由换能器109输出的频率集合来进行选择。
如上所述，沿扬声器105的箱体111的面对换能器109定位和成角度可减小反射声音路径距离，减小反射声音路径与直达声音路径之间的差异，因此减小梳状滤波效应。在一些实施方案中，可使用角状物来进一步减小梳状滤波。在此类实施方案中，角状物使得能够调节声音从扬声器 105的箱体111(中的开口)离开(然后沿相应直达路径和反射路径朝收听者107移动)的点。特别地，声音从箱体111进入到收听区域101中的释放点可在制造扬声器105期间被配置成邻近反射表面(例如，基板 113)。下面将描述多个不同角状物配置。这些配置中每一者可允许使用较大换能器109(例如，较大直径振动膜)或者较大数量换能器109或较少换能器109，同时仍然减小梳状滤波效应并维持扬声器105的小箱体111。
图16A示出了具有角状物115且不具有基板113的扬声器105的箱体 111的剖面侧视图。图16B示出了被配置成具有布置成环形式的多个换能器109的阵列并且要作为所述阵列进行驱动的图16A所示扬声器105的立体图或透视图。在该示例中，换能器109安装或定位为在箱体111内侧或内部更远(而不是在箱体111的侧壁中的开口内)，并且设置角状物115来将换能器109的振动膜声学地连接到箱体111的声音输出开口117。与换能器109安装在箱体111的侧壁中的开口内且从外部可见的图9D所示的实施方案相比，不存在从箱体111外部到图16A、图16B中换能器109 的“视线”。角状物115从换能器109向下延伸到开口117，开口形成在位于桌面或地板上的箱体111的底部102的倾斜侧壁中。在该示例中，底部102是截头圆锥体。角状物115将声音从换能器109引导到开口117所位于的箱体111的侧壁的内侧表面，声音在该点然后通过开口117被释放到收听区域中。如图所示，虽然换能器与箱体111的底端的距离可能仍然比到其顶端的距离更近，但与图12的实施方案相比，换能器109处于升高位置(高于底端)。然而，换能器109发射的声音仍然能在“邻近”或足够靠近下面的反射表面的点处从箱体111释放。这是因为声音从自身定位为紧邻基板113的开口117释放。在一些实施方案中，开口117可被定位和取向成实现与上文结合图9B、图12、图14B的实施方案(其中距离D 是在振动膜与箱体111下方的反射表面之间测量)所述相同的竖直距离 D。对于这里的角状物实施方案，预定竖直距离D(从开口117的中心竖直向下到安置箱体111的桌面或地板)可例如介于8.0毫米和13.0毫米之间。在这里的角状物实施方案的情况下，距离D可部分地通过使开口117 倾斜(类似于图14B的旋转或倾斜角度θ)，例如适当地限定形成有开口117的(箱体111的)截头圆锥体底部102的侧壁的角度或斜率来实现。
角状物115和开口117可以各种尺寸形成，以适应换能器109产生的声音。在一个实施方案中，扬声器105中的多个换能器109可类似地配备有相应的角状物115和箱体111中的开口117，它们一起被构造为阵列并且要作为阵列来进行驱动。来自每个换能器109的声音在与箱体111下方的反射表面(例如安置箱体111的桌面或地板、或者基板113)相距规定距离D处从箱体111释放。这个距离D可从开口117的中心(竖直向下) 测量到反射表面。由于声音因此邻近基板113发射，所以反射的声音可沿与直达声音的路径类似的路径行进，如上所述。特别地，由于声音在被反射之前从开口117只行进短的距离，所以反射声音路径与直达声音路径的差异可以很小，这导致收听者107能感知的梳状滤波效应减小。例如，与图16A和图16B所示扬声器105对应的图17的轮廓图与图8所示的梳状滤波效应相比展示了在频率和竖直角度(竖直角度是限定收听者107的可能竖直位置的角度)上平滑一致水平的差异。
图18示出了根据另一角状物实施方案的扬声器105的箱体111的剖面图。在这个示例中，换能器109安装到或安装穿过箱体111的侧壁，但向内指向(而不是例如图9D的实施方案中那样向外)。换句话讲，其振动膜的前向面朝向箱体111内。相应的角状物115分别声学地耦接到换能器 109的振动膜的正面，并沿相应曲线向下延伸到相应开口117。在该实施方案中，虽然换能器109面向第一方向，但角状物115A的弯曲允许从旨在用于沿(与第一方向不同的)第二方向将声音发射到收听区域101中的开口117发射声音。该实施方案中箱体111的开口117可与上文结合图 16A、图16B的角状物实施方案所述相同地定位和取向。另外，相位塞 119可被加到换能器109与其相应开口117之间的声学路径中，如图所示，以重新导向高频声音而避免反射和抵消。与图18的扬声器105对应的图19的轮廓图展示了与图8所示的不期望的梳状滤波效应相比在频率和竖直收听位置(竖直方向角度)上平滑一致水平的差异。
图20示出了根据另一实施方案的扬声器105的箱体111的剖面图。在该示例中，换能器109也安装在箱体111内，但它们向下指向(而不是如图 18的换能器109可安装到箱体111的侧壁的实施方案中那样侧向)。这个布置可使得能够使用比图18的实施方案中的角状物短的角状物115。如图21 的轮廓图所示，与也使用角状物115的其他实施方案(如上所述)相比，较短角状物115可有助于该实施方案实现更平滑的响应。在一个实施方案中，角状物115的长度可介于20.0mm和45.0mm之间。该实施方案中箱体111 的开口117也可形成在箱体111的截头圆锥体底部102的倾斜侧壁中，并且可与上文结合图16A、图16B的角状物实施方案所述相同地定位和取向，以实现相对于反射表面(例如，基板113的顶表面)较小的距离D。
图22示出了根据另一实施方案的扬声器105中箱体111的剖面图。在该示例中，每个换能器109安装在箱体111内，例如与图20类似，但是角状物115(其将从其相应换能器109发射的声音引导到其相应开口117)比图20中的角状物长且窄。在一些实施方案中，一个或多个亥姆霍兹共振器 121的组合可与相位塞119一起用于每个相应换能器109(例如800Hz共振器、3kHz共振器、或这二者)。共振器121可沿角状物115布置或就布置在开口117外侧，用于吸收声音以及减少反射。如图23的轮廓图所示，这个实施方案的较长较窄的角状物115与800Hz和3kHz亥姆霍兹共振器121 一起可得到平滑的频率响应(在竖直方向的各个角度处)。
图24示出了根据另一实施方案的扬声器105的箱体111中换能器109 与其相位塞119的组合的剖面图或横截面视图。在该实施方案中，相位塞 119与其相应换能器109相邻地设置，并且换能器109与相位塞119的每个此类组合可完全位于箱体111内(箱体111的侧壁向内)，如图所示。在一个实施方案中，耦接到箱体111的外侧表面或者还耦接到基板113的屏蔽设备2401可保持相位塞119贴靠其换能器109就位。屏蔽设备2401可围绕箱体111的周边或圆周延伸，形成用于保持所有换能器109的所有相位塞119 的环(例如，在扬声器阵列的情况下)。相位塞119可被制成从中央毂部 2405延伸的多个肋片2403。肋片2403可将声音(穿过相邻肋片2403之间的空间)从相应换能器109的振动膜引导到形成在屏蔽设备2401中的孔隙 2407。因此，相位塞119可被成形为围绕换能器109，包括如图所示的换能器109的振动膜，使得声音可从换能器109沟道引导到孔隙2407。通过还相应地将声音从换能器109引导到开口117，这个实施方案的相位塞119还能够将换能器109的有效声辐射区域设置为更靠近反射表面(例如基板 113、或安置扬声器105的桌面)。如上所述，通过将换能器109的声辐射区域或声辐射表面定位成更靠近反射表面，该实施方案中的扬声器105可减小反射声音路径与直达声音路径之间的差异，这又可减小梳状滤波效应。
现在转到图25，在该实施方案中，扬声器105具有隔件2501。隔件 2501可由刚性材料(例如金属、金属合金或塑料)制成，并在箱体111的底部102上方从箱体111的外侧表面延伸，以部分地阻挡换能器109–参见图12，图12示出了箱体111的底部102与其中的换能器109的一个示例，其被图25的隔件2501阻挡。该示例中的隔件2501是简单的圆筒(直向下延伸)，但其可另选地具有另一弯曲形状，例如如裙摆或幕帘那样的波纹状，以环绕箱体111并部分地阻挡每个换能器109。在一个实施方案中，隔件2501可包括形成在其弯曲侧壁中的多个孔2503，如图所示，这些孔的尺寸可被设定成允许各个期望频率的声音穿过。例如，与基板113相距最远的孔2503的一个组或一个子集的尺寸可被设定成允许低频声音 (例如100Hz-1kHz)穿过，而位于低频孔下方的孔2503的另一个组或另一个子集的尺寸可被设定成允许中频声音(例如1kHz-5kHz)穿过。在该实施方案中，高频声音可在形成于隔件2501的底端与基板113之间的间隙 2505间通过。因此，通过将高频内容限制到间隙2505，推动该内容使其更靠近基板113。这个使高频内容更靠近基板113(即反射点)的运动减小了反射声音路径，因此降低了高频内容的梳状滤波的可感知性，这如上所述特别易受这种形式的音频染色影响。
现在转向图26A、图26B，这些附图示出了根据本发明的另一实施方案在多路版本或阵列版本的扬声器105中使用声音隔离器2601。隔离器 2601可以是形成壁的平坦件，该壁将箱体111的底部102接合到基板 113，如图26B的侧视图中最佳地看到的那样。隔离器2601开始于换能器 109并向外纵向延伸，例如直到从箱体中心延伸的半径r所给定的水平长度 (箱体111的竖直纵向轴线穿过所述中心)-参见图26B 。隔离器2601不必到达箱体111的最外侧侧壁限定的竖直边界，如图所示。换能器109任一侧上的一对相邻隔离器2601可与箱体111的底部102的表面和基板的顶表面一起如换能器109的角状物那样工作。
如上所述，本文所述的扬声器105在被配置为阵列并作为阵列进行驱动时相对于传统阵列提供了改善的性能。特别地，这里所提供的扬声器105 通过以下方式减小收听者107所感知的梳状滤波效应：1)通过竖直或旋转地调节换能器109而移动换能器109使其更靠近反射表面(例如基板113、或桌面)、或者2)通过使用角状物115和与反射表面相距规定距离的开口117 来引导换能器109产生的声音以邻近反射表面地释放到收听区域101中。反射表面与换能器109所发射的声音被释放到收听区域101中的点之间这个距离的减小因此缩短了声音的反射路径，并且减小了由相对于直达声音被延迟的反射声音所导致的梳状滤波效应。因此，本文所示和所述的扬声器105可被放置在反射表面上，而没有由反射声音所导致的严重的音频染色。
同样如上所述，使用布置成环的换能器109阵列可有助于提供扬声器 105产生的声音的水平控制。特别地，扬声器105产生的声音可有助于形成水平面中良好限定的声束。这个水平控制与通过将换能器109定位为紧邻箱体111下面的声音反射表面而提供的改善的竖直控制(如附图所示轮廓图所证实的那样)结合就允许扬声器105提供声音的多轴控制。然而，虽然以上针对多个换能器109进行了描述，但是在一些实施方案中，可在箱体111中使用单个换能器109。在这些实施方案中，应当理解，扬声器105会是单路或多路扬声器，而不是阵列。具有单个换能器109的扬声器105仍然可通过换能器109如上所述的谨慎放置和取向来提供声音的竖直控制。
虽然已描述并且在附图中示出了某些实施方案，但应当理解，此类实施方案仅用于说明广义的发明而非对其进行限制，并且本发明并不限于所示和所述的特定构造和布置，因为对于本领域的普通技术人员而言可想到各种其它修改。因此，要将描述视为示例性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种扬声器，包括：
圆柱形壳体；
第一多个换能器，被布置成阵列并绕圆柱形壳体径向分布；
音频输入部，用于从外部设备接收声音内容，
其中所述第一多个换能器中的每个换能器被独立且分离地驱动以生成表示在音频输入部处接收的声音内容的各个通道的多个声音图案；
一个或多个角状物，被定向成使得所述一个或多个角状物将从第一多个换能器中的每个换能器发射的声音引导到圆柱形壳体中的一个或多个开口中；以及
基板，耦合到所述圆柱形壳体的底部，以使得位于所述圆柱形壳体上的所述一个或多个开口处于所述一个或多个开口中的每个开口的中心与放置扬声器的表面之间为预定垂直距离处。
2.根据权利要求1所述的扬声器，其中所述声音图案在形状和方向上不同。
3.根据权利要求1所述的扬声器，其中第一多个换能器被配置成生成表示在音频输入部处接收的声音内容的左、右和中心通道的多个声束图案。
4.根据权利要求1所述的扬声器，还包括有线音频输入部。
5.根据权利要求1所述的扬声器，还包括无线音频输入部。
6.根据权利要求5所述的扬声器，其中声音内容通过无线音频输入部以数字形式被接收，并且扬声器包括耦接在无线音频输入部和所述第一多个换能器之间的数模转换电路。
7.根据权利要求6所述的扬声器，还包括多个功率放大器，其中所述多个功率放大器中的功率放大器耦接在所述第一多个换能器中的每个换能器与数模转换电路之间。
8.根据权利要求1所述的扬声器，其中所述第一多个换能器绕圆柱形壳体均匀间隔并在第一水平平面中对齐。
9.根据权利要求8所述的扬声器，还包括布置在圆柱形壳体内并且在与第一水平平面垂直间隔开的水平平面中对齐的至少一个第二换能器。
10.根据权利要求1所述的扬声器，还包括处理器和存储器单元，所述存储器单元被配置成存储能够由处理器执行以控制扬声器的操作系统。
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