CN111492666B - 用于产生低音频率的声音的偶极扬声器 - Google Patents

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Abstract

偶极扬声器，用于产生低音频率的声音。偶极扬声器包括：具有第一辐射表面和第二辐射表面的振膜，其中第一辐射表面和第二辐射表面位于振膜的相对面上，并且其中第一和第二辐射表面均具有至少100cm2的表面积；驱动单元，其被配置为使振膜以低音频率移动，使得第一和第二辐射表面产生低音频率的声音，其中，第一辐射表面产生的声音与第二辐射表面产生的声音异相；框架，其中振膜通过一个或多个悬架元件从框架悬挂，其中框架被配置为允许由第一辐射表面产生的声音从偶极扬声器的第一侧传播出去，并允许由第二辐射表面产生的声音从偶极扬声器的第二侧传播出去，其中该扬声器用于与用户的耳朵一起使用，该用户的耳朵位于第一辐射表面的前方且距第一辐射表面40cm或更小的收听位置。

Description

用于产生低音频率的声音的偶极扬声器
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年12月18日提交的GB1721127.7和2018年4月4日提交的GB1805525.1的优先权，其内容和组成出于所有目的通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于产生低音频率的声音的偶极扬声器。
背景技术
在可听频谱中的频率中，较低的频率是在较远距离内最能很好承载的频率，并且是很难在房间内保持的频率。例如，来自邻近大声音乐的干扰大部分具有低频谱。“低频”频率也可以称为“低音”频率，这些术语在本申请中可以互换使用。
现今，许多汽车都配备了主音频系统，该系统通常包括一个具有内部或外部音频放大器的中央用户界面操作台，以及一个或多个放置在车门中的扬声器。这种类型的音频系统用于确保所有乘客具有相同内容的足够响度(例如广播或CD播放)。
一些汽车包括个人娱乐系统(音乐、游戏以及电视)，这些系统通常配备有耳机，以确保单个乘客接收个人的声音，而不会干扰参与不同视听内容的其他乘客，或受到参与不同视听内容的其他乘客的干扰。
一些汽车的扬声器位置非常靠近单个乘客，因此该单个乘客的耳朵可获得足够高的声压级(“SPL”)的声音，而其他位置的乘客却具有较低的声压级。
本发明人已经观察到，个人声音软罩(cocoon)的概念是理解将扬声器放置在靠近用户的方法的有用方式，其中个人声音软罩是用户能够体验具有SPL声音的区域。SPL被认为对于他们的享受度来说是高度可接受，而在个人声音软罩之外的声音被认为具有低于其在个人声音软罩中的SPL。
本发明人还观察到，创建个人声音软罩以使用户能够享受而几乎没有声音泄漏到他/她的周围环境中是一个巨大的挑战，如果克服这一挑战，将会给用户在整体上体验我们所有类型的设置/环境(例如(但不限于)汽车，家庭，游戏以及航空设置)的个人多媒体内容的方式带来巨大的改变。
本发明人还观察到，创建有效的个人声音软罩可能涉及声音降低或抵消软罩外的声音。
当今大多数汽车中使用的主要音频系统(门上装有一个或多个扬声器)无法为每个乘客提供有效的个人声音。
尽管耳机的使用可确保良好的音质和非常有效的个人声音软罩(很小的声音泄漏)，但耳机的使用仍存在安全性、人体工程学以及舒适性问题。类似的考虑也适用于其他环境中的独立应用程序，例如家庭、工作室、公共场所等需要个人娱乐而不打扰邻居的环境。
使用高指向性扬声器，其位置靠近单个乘客/用户，为中高频提供了有效的解决方案。但是，在大多数情况下，使扬声器指向低音频率是不切实际的，因为要为低音频率提供高指向性的扬声器，辐射表面的尺寸必须与波长同阶，并且对于低音频率内容的波长通常非常长(例如，对于f＝100Hz，λ＝3.4m)。在许多情况下，例如在汽车中，具有如此规模的辐射表面以产生低音频率内容的扬声器是不切实际的。但是，低音频率内容是音频频谱中非常重要的部分，在大多数音乐中，此频谱占总声功率的一半或更多。
如众所周知的等响曲线(equal-loudness contours)[1]所示，例如，作为标准化的ISO 226：2003，我们的耳朵对150Hz以下的低音频率不敏感。因此，为了平衡频谱响度，通常需要增强低音频率的声音。而且，道路噪声或环境噪声将在频谱的这一部分具有更大的掩蔽效果。然而，本发明人已经发现，使用传统的单极扬声器(通常是锥形单极扬声器)以为低音频率的个人用户创建个人声音软罩的目的通常不会产生令人满意的结果，因为，为了创建个人声音软罩，在低音频率需要相对较高SPL，以克服我们耳朵在频谱这一区域中有限的灵敏度，但是传统的单极扬声器在低音频率上将具有球形辐射图(所有方向均为相同声压)，在自由场条件下，距扬声器的每两倍距离，其声压仅下降6dB。此外，汽车环境的行为不作为自由场，这使得单极扬声器在低音频率软罩中的使用更加麻烦：一个小空间会表现出压力室效应，从而提高由单极扬声器提供的低音频率能量(对于典型的汽车室中，整体压力在低于70Hz的情况下会增加12dB/倍频程(octave))。
本发明人了解一些专利文件，这些专利文件描述了使用各种扬声器布置以用于提供在车辆中产生个人声音的目的：
EP0988771A1
EP1460879A1
US8130987B2
US7688992B2
US9327628B2
US9440566B2
US9428090B2
本发明人还了解到用于在其他情况下产生个人声音的其他扬声器布置：
WO2014143927A2
US7692363B2
偶极扬声器及其方向特性在使用偶极扬声器的文献和上述引用的一些专利文件中均已有很好的描述，主要是为了利用偶极扬声器的方向特性在中高频区域产生空间效果，或者使用偶极扬声器进行远距离低频再现，例如正常的立体声设置，例如请参见[2]以获得有用的背景信息。
鉴于以上考虑而设计了本发明。
发明内容
本发明人已经观察到偶极扬声器可以在低音频率下提供极其有效的个人声音软罩，从而有效地提供个人超低音扬声器(subwoofer)。
在第一方面，本发明可以提供：
一种用于产生低音频率的声音的偶极扬声器，该偶极扬声器包括：
振膜，具有第一辐射表面和第二辐射表面，其中第一辐射表面和第二辐射表面位于振膜的相对面上，并且第一辐射表面和第二辐射表面均具有至少为100cm2的表面积；
驱动单元，所述驱动单元被配置为使振膜以低音频率移动，使得所述第一辐射表面和第二辐射表面产生低音频率的声音，其中，所述第一辐射表面产生的声音与第二辐射表面产生的声音为异相；
框架，其中振膜通过一个或多个悬架元件从所述框架悬挂，其中所述框架被配置为以允许由第一辐射表面产生的声音从所述偶极扬声器的第一侧传播出去并且允许由第二辐射表面产生的声音从所述偶极扬声器的第二侧传播出去；
以这种方式，第一辐射表面产生的声音能够与第二辐射表面产生的声音发生干扰。本发明人已经观察到，这种干扰导致有益的效果，该效果可能有助于在低音频率下产生个人声音软罩。
尤其地，本发明人已经观察到，对于适当尺寸的振膜，从40cm或更小(更优选地30cm或更小，更优选地25cm或更小，更优选地20cm或更小，更优选地15cm或更小)的收听位置观察到。从这样的扬声器的第一辐射表面(例如，沿着第一辐射表面的主辐射轴测量)，用户可以体验到高位置的低音，在某种意义上讲，用户将体验到的声压级(SPL)随着与扬声器距离的增加而迅速减小。
因此，根据本发明的第一方面的扬声器尤其适合于帮助在低音频率处创建个人声音软罩。
该扬声器可以用于(例如被配置为用于)用户的耳朵位于第一辐射表面的收听位置(优选地，用户的每只耳朵位于相应的收听位置)其在前方并且距第一辐射表面40cm或更小(更优选30cm或更小，更优选25cm或更小，更优选20cm或更小，更优选15cm或更小)。
在本公开中，术语“用户”和“收听者”可以互换使用。
这里要注意的是，尽管相对于第一辐射表面的前面已经定义了(/每个)收听位置，但是这并不排除在第二辐射表面的前面可获得类似效果的可能性。的确，由于框架被配置为允许第一辐射表面产生的声音从偶极扬声器的第一侧传播出去，并且允许由第二辐射表面产生的声音从偶极扬声器的第二侧传播出去，所以预期可以在第二辐射表面的前面获得类似的效果，例如因此，第一辐射表面产生的声音能够干扰第二辐射表面产生的声音。
不希望受到理论的束缚，发明人相信上述效果是由于第一辐射表面产生的声音干扰第二辐射表面产生的(异相)声音，发明人认为这有助于获得清晰的声音。距收听位置的距离会降低SPL(与等效单极子相比)。下文参考附图更详细地描述该效果。
考虑到本文所包含的技术讨论，本领域技术人员将理解的是，框架应在扬声器的第一侧和第二侧均适当地打开，即，主要是避免妨碍由第一辐射表面和第二辐射表面产生的声音。因此，由第一辐射表面和第二辐射表面产生的声音可以相互干扰，而不会被框架过度抑制或引导。
技术人员将理解，框架在扬声器的第一侧和第二侧处打开的程度将取决于许多因素，例如所需的个人声音软罩的水平，所需的个人声音软罩的尺寸以及其他。设计上的考虑(例如，在汽车头枕中安装扬声器可能需要某些框架或其他结构位于第一辐射表面和/或第二辐射表面的前面)。
因此，不能以精确的方式容易地确定框架在扬声器的第一侧和第二侧应打开的程度，以实现期望的个人声音软罩水平。但是，以下段落提供了各种示例性准则，这些准则对于本领域技术人员在确定框架在扬声器的第一侧和第二侧应打开的程度时可能是有用的。
偶极扬声器可以配置为(例如，通过适当地布置和调整振膜和框架的尺寸和/或调整路径长度)，使得在自由场条件下，由扬声器产生的声音在距第一辐射表面80cm处测得的60Hz低音频率的沿着第一辐射表面的主辐射轴测量的SPL，比沿第一辐射表面的主辐射轴在10cm处测得的SPL低至少20dB(更优选地，至少25dB)。
在本申请中，自由场条件可以理解为无声条件，例如。可以在消声室中测量。
在本发明人看来，这些距离之间的20dB的SPL下降比甚至小的单极扬声器在这种距离之间在60Hz的低音频率上所能达到的下降(本发明人认为约为18dB)还要多。在下文讨论的示例中，使用具有辐射表面的振膜分别具有540cm2的表面积，在这些距离之间的60Hz低音频率下，SPL下降了26dB。对于较小的振膜(和/或减小的路径长度)，本发明人相信，在60Hz的低音频率下，这些距离之间的SPL降幅会更大。
在本文中，辐射面的主辐射轴可以理解为辐射面沿其产生最大振幅(声压级)的直接声音的轴。通常，主辐射轴将从辐射表面上的中心位置向外延伸。由于第一辐射表面和第二辐射表面位于振膜的相对面上，所以它们的主辐射轴通常沿相反的方向延伸。
偶极扬声器的路径长度D可以是25cm或更小，更优选地20cm或更小，更优选地15cm或更小，其中路径长度D可以由等式定义。
Figure GDA0003560833720000051
其中c是声速(343m/s)，其中fequal是在自由场条件下偶极子的声压等于等效单极子的声音的频率，该频率是在第一辐射表面的主辐射轴上的区域测量的。如在下文的“补充说明”部分中所指出的，第一辐射表面在主辐射轴上的位置可以距第一辐射表面1米。如技术人员将理解的那样，fequal可以通过各种不同方式的测量或仿真来计算。例如，如何计算fequal的示例方法在[3]中列出。
扬声器可能包含影响路径长度的功能，因此会影响扬声器获得的个人声音软罩(因为通常，较大的路径长度会增加个人声音软罩的大小，而较小的路径长度会减少个人声音软罩的大小)。
例如，振膜可以包括从第一辐射表面延伸到第二辐射表面的一个或多个孔。此类孔可导致扬声器的路径长度减小(与缺少孔的扬声器相比)，在本文中可称为“调谐孔”。
例如，振膜可以安装在隔板中，振膜和隔板之间没有间隙。这样的隔板可能导致扬声器的路径长度增加(与缺少隔板的扬声器相比)。
路径长度D及其与创建个人声音软罩的关系在下文更详细地描述，参见例如。下文的“补充说明”部分。
在某些应用中，扬声器可以包括一个或多个非刚性元件，该非刚性元件位于第一辐射表面和/或第二辐射表面的前方，例如出于审美或设计原因(例如，汽车头枕通常需要用柔软的材料覆盖)。在这种情况下，一个或多个非刚性元件优选地被配置为避免扰乱由第一辐射表面和/或第二辐射表面产生的声音，例如通过选择足够透声的材料。然而，由第一和第二辐射表面产生的声音通常将不能自由传播，直到它们通过位于第一和/或第二辐射表面前面的任何一个或多个非刚性元件。在一些实施例中，在第一辐射表面的主辐射轴上的一点(第一辐射表面产生的声音从该点自由传播)与在第二辐射表面的主辐射轴上的一点(第二辐射表面产生的声音从该点自由传播)之间的距离可以为30cm或更小(更优选为25cm或更小，更优选为20cm或更小)。
尽管以上段落提供了各种示例性准则，这些准则对于本领域技术人员在确定框架在扬声器的第一侧和第二侧应打开的程度方面可能是有用的，但是其他准则也可以被本领域技术人员考虑。
驱动单元被配置为移动振膜的低音频率优选地包括跨度为60-80Hz的频率，更优选地包括跨度为50-100Hz的频率，更优选地包括跨度为40-100Hz的频率，并且包括跨度为40-160Hz的频率。在这些频率下，本发明人发现扬声器能够产生特别有用的个人声音软罩。
将振膜以低于40Hz的频率移动可能对某些应用很有用，但对于其他应用则无用(例如在低于40Hz的汽车中，背景噪音往往太大)。
在160Hz以上，本发明人发现“软罩”效应大大恶化。因此，驱动单元可以配置为以不超过250Hz，200Hz甚至160Hz的频率移动振膜。如可以参考图6和下文的相关讨论所理解的，这可以帮助确保扬声器达到期望的“软罩形”水平。
鉴于以上考虑，扬声器优选地(配置为)超低音扬声器。超低音扬声器可以理解为专用于(而不是适合于)以低音频率产生声音的扬声器。
在其他应用中(例如，在不需要软罩式的情况下)，驱动电路可以被配置为向驱动单元提供各自的电信号，该电信号包括超过250Hz的频率，并且可以提供整个范围的频率，例如高达20kHz或更高。
考虑到下文参考图5更详细解释的解释，第一和/或第二辐射表面可各自具有至少100cm2，更优选至少150cm2，更优选至少200cm2，更优选至少250cm2的表面积。在一些情况下，第一和/或第二辐射表面可各自具有至少300cm2或至少400cm2的表面积。
为了在其他设计约束内(例如将扬声器结合到汽车头枕中)使第一和第二辐射表面的表面积最大化，振膜可以具有非圆形的形状，例如矩形或正方形。
在本公开的上下文中，术语框架旨在涵盖振膜可以从其悬挂的任何基本刚性的结构。
振膜可以采取各种形式。
举例来说，振膜可以是单片(单块)材料。该材料优选是轻质的，例如。密度为0.1g/cm3或更低。该材料可以是挤塑聚苯乙烯或挤塑聚丙烯或类似材料。
在一些示例中，振膜可以被皮肤覆盖，例如以保护振膜。例如，皮肤可以是例如，纸，碳纤维，塑料箔。
在一些示例中，振膜可以包括(例如，用胶水)附连在一起的几片材料。例如，振膜可以包括第一锥体和第二锥体，其中第一锥体和第二锥体背对背粘合。第一锥体和第二锥体可以是例如用纸做的。
第一和第二辐射表面可以是圆形，矩形，具有圆角的矩形，或者实际上具有更自由的形状。
振膜通过其从框架悬挂的一个或多个悬架元件可以采取多种形式。
用于扬声器的悬架元件是众所周知的，并且在本公开中列举一个或多个悬架元件的每种情况下，可以使用多种不同类型的悬架元件。例如，本文所指的悬架元件可以是辊式悬挂件，金属弹簧，橡皮筋等。
举例来说，一个或多个悬架元件(通过其将振膜从框架悬挂)可包括附接在第一辐射表面和框架之间附接的一个或多个悬架元件(例如一个或多个辊式悬挂件)，以及附接在第二辐射表面与框架之间的一个或多个悬架元件(例如一个或多个辊式悬挂件)。优选地，附接在第一辐射表面与框架之间的一个或多个悬架元件(例如，一个或多个辊式悬挂件)对应于(例如，匹配,例如，位置匹配，数量匹配和长度匹配)附接在第二辐射表面和框架之间的一个或多个悬架元件(例如，一个或多个辊式悬挂件)。如果振膜是非圆形的，则悬架元件的这种匹配特别有用，因为它可以帮助抵消附接到振膜的一个辐射表面的悬架元件的性能上的任何不对称性。
可以将一个或多个悬架元件调整为具有低于频谱(扬声器被配置为在该频谱上操作)的谐振频率，例如，在感兴趣的频谱中最大化扬声器的效率。
驱动单元可以是电磁驱动单元，其包括构造成产生磁场的磁体单元和附接到振膜的音圈。在使用中，可以对音圈通电(有电流流过)以产生磁场，该磁场与磁体单元产生的磁场相互作用，并导致音圈(并因此振膜)相对于音圈运动。磁体单元可以包括永磁体。磁体单元可以被构造成提供气隙，并且可以被构造成在气隙中提供磁场。音圈可以被配置为在振膜静止时位于气隙中。这样的驱动单元是众所周知的。
磁体单元可以位于振膜的第二辐射表面的前面。扬声器可以包括位于磁体单元和振膜的第二辐射表面之间的安全元件。例如在碰撞事件或涉及扬声器突然减速的其他事件中(例如扬声器一直沿第一辐射表面的主辐射轴方向移动的情况)，安全元件可以被配置为防止磁体单元穿过振膜。安全元件优选是刚性的。安全元件可以是音圈耦合器。
如果扬声器安装在例如汽车座位的头枕中，则这种安全元件可能特别有用。如参考本发明的第二方面和第三方面所描述的(如下)，因为在车辆碰撞的情况下它可以帮助为坐在这样的座位上的人提供保护。
音圈可以附接至振膜上，例如至振膜的第二辐射表面。音圈可以经由音圈耦合器附接到振膜(例如，振膜的第二辐射表面)。如上所述，音圈耦合器也可以是安全元件。
框架可以包括一个或多个刚性支撑元件(例如，臂)，这些刚性支撑元件被配置为将驱动单元的磁体单元保持在振膜的第一和/或第二辐射表面的前面(优选地，在振膜的第二辐射表面的前面)。
从中悬挂振膜的框架可以包括一个或多个安装腿，该安装腿延伸到振膜中的一个或多个(相应)腔中，其中，振膜通过一个或多个悬架元件从一个或多个安装腿中悬挂下来。
振膜可在辐射表面之一(优选地第二辐射表面)中包括一个或多个切口，其中，当扬声器在使用中时，每个切口被配置为具有穿过其延伸的相应的刚性支撑元件。这可以允许扬声器在振膜的厚度方向上具有较低的轮廓(profile)。
可替代地，在一些示例中，磁体单元可以经由一个或多个悬架元件从振膜悬挂。
在第一组示例中(以下示出了一些非限制性示例)，从其上悬挂振膜的框架是第一框架，其中振膜通过一个或多个第一悬架元件从第一框架悬挂，以及其中第一框架通过一个或多个第二悬架元件从第二框架悬挂。
如下文更详细说明的，使用从第二框架悬挂下来的第一框架(如在第一组示例中)可用于减少从扬声器传递到环境中的振动。
可以将一个或多个第二悬架元件调谐为具有低于频谱(扬声器被配置为在该频谱上操作)的谐振频率，例如，以限制作用在支撑结构上的力。可以将一个或多个第二悬架元件调整为具有比一个或多个第一悬架元件调整为具有的谐振频率低的谐振频率。可以将一个或多个第二悬架元件调整为具有20Hz或更低，更优选地10Hz或更低，更优选地5Hz或更低的谐振频率。
第一框架可以包括刚性体，该刚性体绕着振膜轴线延伸，驱动单元构造成沿着该振膜轴线移动振膜。第一框架优选地相对于振膜轴线从振膜径向向外定位。
第一框架可以包括一个或多个刚性支撑元件(例如，臂)，其被配置为将驱动单元的磁体单元保持在振膜的第一和/或第二辐射表面的前面(优选地，在振膜的第二辐射表面的前面)。
振膜可在辐射表面之一(优选地第二辐射表面)中包括一个或多个切口，其中，当扬声器在使用中时，每个切口被配置为具有穿过其延伸的相应的刚性支撑元件。这可以允许扬声器在振膜的厚度方向上具有较低的曲线。
第二框架可以包括刚性体，该刚性体绕着振膜轴线延伸，驱动单元构造成沿着该振膜轴线移动振膜。第二框架优选地相对于振膜轴线从第一框架径向向外定位。
第二框架可以是刚性支撑结构(例如汽车座位框架)的一部分，或者可以配置为固定地附接到刚性支撑结构。
下文参考附图描述第一组示例的各种可选特征。这些特征可以结合本文描述的第一组示例单独使用或以任何组合使用。
在第二组示例中(以下示出了一些非限制性示例)，从其上悬挂振膜的框架是刚性支撑结构(例如汽车座位框架)的一部分或配置为牢固地连接到该刚性支撑结构。
例如，从其上悬挂振膜的框架可以包括一个或多个安装腿，该安装腿延伸到振膜中的一个或多个(相应)腔中，其中振膜通过一个或多个悬架元件从一个或多个安装腿上悬挂下来。例如，安装腿可以是刚性支撑结构的一部分，或者可以被构造成固定附接到刚性支撑结构，例如汽车座位框架。
在第二组示例中，磁体单元可以经由一个或多个磁体单元悬架元件从振膜悬挂。这尤其适用将振膜从一个或多个安装支脚上悬挂下来的情况。
一个或多个磁体单元悬架元件可包括例如一个或多个(优选地两个或多个)星形轮，其中星形轮可理解为具有周向延伸的波纹的纺织环(其可促进沿纵轴的运动同时垂直于该纵轴)，如本领域中已知的。本领域技术人员可以考虑其他悬架元件形式，例如，弹簧(例如金属弹簧)。
下文参考附图描述第二组示例的各种可选特征。这些特征可以结合本文描述的第二组示例单独使用或以任何组合使用。
扬声器可以被配置为用于执行噪声抵消，例如，在低音频率。例如，驱动单元可以被配置为(例如，以低音频率)驱动振膜，使得第一辐射表面产生被配置为抵消环境声音(如由一个或多个麦克风检测到的)的声音。这可能在嘈杂的环境中使用，例如在汽车或飞机上。其中扬声器是包括汽车座位的座位组件的一部分。噪声抵消技术是众所周知的。
根据本发明的第一方面的扬声器可以在可能需要提供个人声音软罩的任何应用中找到实用性。
在第二方面，本发明可以提供：
一种偶极扬声器，用于产生低音频率的声音，该偶极扬声器包括：
两个或更多个振膜的阵列，该阵列中的每个振膜具有第一辐射表面和第二辐射表面，其中第一辐射表面和第二辐射表面位于振膜的相对面上，其中第一辐射表面具有组合表面积至少为100cm2，其中第二辐射表面的组合表面积至少为100cm2；
多个驱动单元，其中每个驱动单元被配置为以低音频率移动阵列中的各个振膜，使得振膜的第一和第二辐射表面产生低音频率的声音，其中由第一振动表面产生的声音辐射表面与第二辐射表面产生的声音异相；
框架，其中阵列中的每个振膜通过一个或多个悬架元件从框架悬挂，其中框架被配置为允许由第一辐射表面产生的声音从偶极扬声器的第一侧传播出去并允许声音由第二辐射表面产生的辐射从偶极扬声器的第二侧传播出去。
这种布置提供了与根据本发明的第一方面的扬声器基本上相同的效果，但是通过使用了多个振膜。这可以用于向用户的不同耳朵提供立体声，或补偿用户头部的移动用。
考虑到以下参考图5更详细解释的表述，第一辐射表面的组合表面积可为至少100cm2，更优选至少150cm2，更优选至少200cm2，更优选至少250cm2。在一些情况下，第一辐射表面可以具有至少300cm2或至少400cm2的组合表面积。类似地，第二辐射表面可以具有至少100cm2，更优选至少150cm2，更优选至少200cm2，更优选至少250cm2的组合表面积。在一些情况下，第二辐射表面可以具有至少300cm2或至少400cm2的组合表面积。
扬声器可以与用户的第一只耳朵一起使用(例如配置为使用)，用户的第一只耳朵位于第一收听位置，该第一收听位置在前面且距离第一个振膜的第一辐射表面40厘米或更小(更优选为30厘米或更小，更优选为25厘米或更小，更优选为20cm或更小，更优选为15cm或更小)。)，同时用户的第二只耳朵位于第二收听位置，该第二收听位置在前面且距离第二个振膜的第一辐射表面40cm或更小(更优选30cm或更小，更优选25厘米或更小，更优选25厘米或更小，更优选20厘米或更小，更优选15厘米或更小)。第一振膜优选地不同于第二振膜，但是在一些示例中可以是相同的振膜。
优选地，将振膜从框架悬挂下来，以使每个振膜的第一辐射表面面向相同的方向，例如朝前的方向。然而，为了避免任何疑问，多个振膜的主辐射轴不必彼此平行，以便被认为面向相同的方向，并且可以例如布置成彼此平行。第一辐射表面的主辐射轴布置成会聚或发散。
提供给用户的第一只耳朵的声音与提供给用户的第二只耳朵的声音可能不同。这可以用于向用户的不同耳朵提供立体声，或补偿用户头部的移动(如下所述)。
扬声器可以包括驱动电路，该驱动电路被配置为向每个驱动单元提供从相同音频源得到的相应的电信号，使得第二辐射表面产生的声音相对于第一辐射表面产生的声音异相。
优选地，驱动电路包括信号处理单元(未示出)，该信号处理单元可以是数字信号处理器或“DSP”，其被配置为向每个驱动单元提供从音频源提供的音频信号中导出的相应电信号。这种信号处理单元提供的优点在于，该信号处理单元不仅可以用于向每个驱动单元提供从相同音频源导出的相应电信号，从而向每个驱动单元提供相同的电信号，而且也可以用于操纵分别提供给每个驱动单元的电信号，例如改变分别提供给每个驱动单元的电信号的相位，延迟或振幅。以便优化提供给用户的声音。
优选地，所述座位组件包括头部跟踪单元，所述头部跟踪单元被配置为追踪坐在所述座位中的使用者的头部运动。基于视频监视/处理的头部跟踪和面部识别技术是一种已知技术，其出于各种目的而进入汽车，例如安全性(检测并防止驾驶员入睡)和手势控制，参见例如[5]-[9]。基于一个或多个超声传感器的头部跟踪也是可能的。
优选地，驱动电路被配置为基于由头部跟踪单元跟踪的头部移动来修改提供给驱动单元的电信号，该驱动单元被配置为移动第一和第二振膜(例如，使用信号处理单元)，以补偿坐在座位上的使用者头部的运动。
头部移动的补偿可涉及(例如，根据合适的算法)调节例如一个或多个电信号的一个或多个振幅(u)，延迟(t)和相位(I)中的任何一个或多个。
例如，在简单的示例中，如果根据由头部跟踪单元跟踪到的头部移动确定用户的耳朵已经进一步远离该振膜的第一辐射表面移动，则驱动电路可被配置为增加由第一和第二振膜之一产生的声音的振幅。类似地，如果根据由头部跟踪单元跟踪到的头部移动确定用户的耳朵已经移近该振膜的第一辐射表面，则驱动电路可以被配置为减小由第一和第二振膜之一产生的声音的振幅。对于本领域技术人员而言，调整现有的头部跟踪技术将是简单的，如为此目的[5]-[9]中所讨论的
在本发明的第二方面的一些示例中，每个隔板从其悬挂的框架是第二框架，其中，隔板通过一个或多个第一悬架元件从一个或多个第一框架(可选地，一个第一框架)悬挂，其中，该/每个第一框架通过一个或多个第二悬架元件从第二框架悬挂。注意，在这种情况下，振膜可以看作是通过第一框架和第一悬架元件从第二框架悬挂下来的。
在本发明的第二方面的一些示例中，每个振膜悬挂于其上的框架是刚性支撑结构(例如汽车座位框架)的一部分或被配置为固定地附接到该刚性支撑结构。
根据本发明的第二方面的扬声器可包括结合本发明的第一方面描述的任何特征，除非明显不允许或明确避免这种组合。
特别地，关于根据本发明的第一方面的扬声器的振膜的第一辐射表面或第二辐射表面的表面积描述的特征可以分别应用于根据本发明第二方面的扬声器的振膜的第一辐射表面或第二辐射表面的组合表面积。
而且，关于根据本发明的第一方面的扬声器的振膜，驱动单元或第一框架描述的特征可以分别应用于根据本发明的第二方面的扬声器的每个振膜，驱动单元或第一框架。
在第三方面，本发明可以提供一种座位组件，其包括根据本发明的第一方面或第二方面的座位和扬声器。
优选地，座位被配置成将坐在座位上的用户定位成使得用户的耳朵位于如上所述的收听位置，例如，用户的耳朵位于收听位置(最好是用户的每只耳朵都位于各自的收听位置)，该收听位置距离扬声器的第一辐射表面40厘米或更小(更优选30厘米或更小，更优选25厘米或更小，更优选20厘米或更小,更优选15厘米或更小)。
扬声器可以安装在座位的头枕(“座位头枕”)内。由于典型的头枕被配置为与坐在座位上的使用者的耳朵之间的距离很小(例如30厘米或更小)，因此这是配置座位以定位坐在座位上的使用者的特别方便的方式，使用户的耳朵位于距扬声器的第一辐射表面较小距离(例如30厘米或更小)的收听位置
座位头枕通常具有被构造成面向坐在座位中的使用者的头部的前表面和被构造成背离坐在座位中的使用者的头部的背面。扬声器优选例如安装在座位的头枕内。扬声器的第一辐射表面朝向头枕的前表面，例如第一辐射表面的主轴延伸穿过头枕的前表面。
座位可以具有刚性的座位框架。扬声器的框架可以是刚性座位框架的一部分或固定地附接到刚性座位框架。例如，在上面讨论的第一组示例中，扬声器的第二框架可以是刚性座位框架的一部分或固定地附接到刚性座位框架。例如，在以上讨论的第二组示例中，扬声器的框架可以是刚性座位框架的一部分或固定地附接到刚性座位框架。
该座位可以是用于诸如汽车(“汽车座位”)或飞机(“飞机座位”)之类的车辆中的汽车座位。
座位可以是在车辆外部使用的座位。例如，该座位可以是用于计算机游戏玩家的座位，用于演播室监视或家庭娱乐的座位。
在第四方面，本发明可以提供一种具有根据本发明的第三方面的多个座位组件的车辆(例如，汽车或飞机)。
本发明包括所描述的方面和优选特征的组合，除非明显不允许或明确避免这种组合。
附图说明
现在将参考附图讨论说明本发明原理的实施例和实验，其中：
图1A至图1C为示出了单极扬声器和偶极扬声器之间的差异的理论图。
图2提供了在各种条件下振荡无限薄盘振膜的有限元模拟结果。
图3示出了与等效单极扬声器相比，偶极扬声器的路径长度D对SPL的影响。
图4示出了与等效单极扬声器相比，距偶极扬声器的距离r对SPL的影响。
图5示出了所需的辐射表面积(cm2)与峰值偏移(mm一个方向上)的关系，以使偶极扬声器的振膜以110dB产生40Hz的偶极扬声器(实线)和以在自由场条件下，在距主辐射轴上的振膜10cm的收听位置处的全空间(4pi空间)内的单极扬声器。
图6示出了偶极扬声器的频率与SPL的关系，该偶极扬声器具有相对于偶极扬声器的主辐射轴具有不同距离和角度，辐射面积为400cm2的振膜(每个辐射表面)且路径长度D为11.3cm。
图7-9示出了将本发明的教导实现为集成在四个汽车座位头枕中的偶极扬声器(不可见)。
图10A至图21示出了实现本公开的教导的第一组示例。
图22A至图25B示出了实现本公开的教导的第二组示例。
图26A至图26B示出了实现本公开的教导的另一示例。
图27A至图27C是在路径长度的补充说明中参考图。
具体实施方式
现在将参考附图讨论本发明的方面和示例。对于本领域技术人员而言，其他方面和示例将是显而易见的。本文中提及的所有文件均通过引用并入本文。
本发明人已经用偶极扬声器进行了实验，该偶极扬声器是专门为在听众附近产生纯低音频率(例如10Hz至150Hz范围内)的声音而构造的，发现结果令人信服。在实验中，低音的感知质量非常高，并且在此低频范围内获得的个人声音软罩比以前体验的要好，因此，使得站在旁边的人正经历偶极扬声器产生的低频声音(享受低音演出)仅能听到软罩中高频泄漏的声音。
这些实验向本发明人证明了在所有可能的音频应用(例如汽车、航空、游戏、演播室监视器、家庭影院)中使用本文所述技术的潜质。在嘈杂的环境中，本发明还可以用于在低音频率的噪音抵消，例如，如集成在包括有车辆座位组件的交通工具座位(例如飞机座位或汽车座位)中。
如上述背景技术中所讨论的，已知使用偶极扬声器的方向特性来在中频和高频区域中产生空间效果，以及将偶极扬声器用于远距离的低频再现。
然而，本公开采用不同的方法，并且在一些示例中试图使用偶极扬声器，优选地，该偶极扬声器优选地安装在如上述提到的在两侧上充分敞开的框架中(因此提供发明人所称的“直通偶极子”(“thru dipole”))，通过利用偶极扬声器在振膜附近的邻近效应和远处的声音抵消，其中，在用户的头部非常靠近该偶极扬声器的辐射表面来产生个人声音软罩。在实践中，该扬声器可以作为次重低扬声器(subwoofer)被实现并且可以被并入头枕中，例如交通工具座位，如汽车座位。
本发明人已经观察到偶极扬声器具有用于创建低频个人声音软罩有用的特性。
尤其是，本发明人已经观察到，在远场中，与低于fequal频率的等效单极子相比，偶极扬声器具有随频率的下降更快的SPL，(与等效单极子相比，每倍频程多下降了6dB)，如图2所示下文进行更详细地描述。请注意，fequal是偶极SPL等于等效单极扬声器的SPL的频率(此参数将在补充说明部分中更详细地讨论)。然而，在很短的距离处偶极扬声器附近，该SPL几乎等于等效单极扬声器的SPL(邻近效应)。
通常，本公开避免使用术语“近场”来描述偶极扬声器的潜在用途，因为“近场”通常是指距扬声器几厘米，而在本公开中设想了可以将收听位置设置为距辐射表面更远，可能高达偶极扬声器的路径长度D的1或2倍。
此外，本发明人己观察到，由于偶极扬声器自身抵消，偶极扬声器将不会对诸如车辆内部或听音室之类的较小的收听空间加压(单极扬声器也是如此)。因此，与单极扬声器在较小的收听空间中的加压效果相比，使用偶极扬声器在较小的收听空间中产生低频的优势更加有益。
与此相关值得一提的是，在典型的汽车中，这种增压效果会在70Hz以下将每倍频程提高12dB(即，与开放空间相比，通过倍频程降低频率会导致较小的收听空间的SPL提升12dB。)。这种增压效果仅适用于单极扬声器，不适用于偶极扬声器。
本发明人还观察到，众所周知的等响度曲线[1]表明耳朵对150Hz以下的低音频率具有低灵敏度，这也将有助于限制扬声器产生低音频率时产生的个人声音软罩的尺寸，如本文所述，因为在低频(10Hz-150Hz)时，为了听到声音，(与诸如1000Hz等中频频率相比)SPL需要(的频率)相对较高，但用户的SPL会小幅下降导致该用户体验到的感知音量大幅下降。换句话说，人耳的动态范围在低频时会降低(因为例如可以从30Hz时的60-120dB的实际SPL范围中获得完整的感知音量范围，而需要0-100dB的SPL范围在1000Hz时提供相同的动态范围来实现)。因此，由于人耳在这样的频率下的动态范围减小，因此使用偶极扬声器时SPL随着距离的快速下降会在低频率的感官响度下降方面产生更大的影响。
以下讨论总结了偶极扬声器和单极扬声器之间观察到的差异。
图1A至图1C为在与主辐射轴不同角度的单极和偶极扬声器之间的差异的理论图。
尤其是，图1A示出了带隔板的单极扬声器，图1C示出了等效的偶极扬声器。两种扬声器均具有半径为a的圆形振膜，但带隔板的单极扬声器具有无限的路径长度(通过设置无限长的隔板或封闭的隔板，使得来自振膜一侧的声波不会到达另一侧的声波)而偶极扬声器的路径长度D大约等于半径a。如果将偶极扬声器的振膜安装在半径为b的光盘隔板中，并且振膜和隔板之间没有间隙，那么偶极扬声器的路径长度D将近似等于半径b加隔板的扬声器的厚度。
路径长度在下文的“补充说明”部分中进行了详细说明。
图1B示出了在自由场条件下的全空间(4pi空间)中，距扬声器较远的距离处在频率fequal时计算出的SPL(尽管相同的计算在更近的距离处也应有效，例如1m)，对于图1A(虚线)所示的单极扬声器和图1B(实线)所示的偶极扬声器，角度均相对于扬声器的主辐射轴而变化。fequal在下文的“补充说明”部分中将进行更详细的说明。
图1B示出了单极扬声器在低频范围内的全自由空间中辐射，其中，该波长远大于振膜的最大尺寸(在这种情况下)，将提供360°全向压力响应。
图1B还示出了，对于在全自由空间中辐射的偶极扬声器，360°压力响应将遵循在90°和270°处为零的余弦函数。图1B示出，对于偶极扬声器，在90°处为零的离轴SPL随着与主辐射轴的夹角增加而迅速下降(因为偶极两侧的声音相互抵消)。
如本领域技术人员将理解的是，如果偶极扬声器的路径长度增加，则在偶极子的SPL等于等效单极扬声器的SPL时的频率会降低(此效果在下文的图3中示出)。
图2是基于[4]的，该文献是Mellow和
Figure GDA0003560833720000151
的论文，提供了在各种条件下振荡无限光盘振膜的有限元模拟结果。
更详细地，图2提供了在以下条件下，在“远场”中振荡的无限光盘振膜的有限元模拟结果：(i)[如虚线所示]将光盘安装在无限大的平面隔板中，该隔板等同于在自由场条件下的辐射到半空间(2pi空间)的完美单极子；(ii)[如实线所示]光盘本身没有隔板，相当于在自由场条件下辐射到全空间(4pi空间)的完美偶极子；(iii)[如虚线所示]以单极形式安装在无限长管中的光盘(如图1A所示)在自由场条件下辐射到整个空间(4pi空间)。
从图2可以观察到的关键点是，单极配置(虚线和点线)导致SPL在较低频率下大致恒定，而纯偶极子具有随频率降低而快速下降的SPL。图2有助于表明，对真实振膜(如图2所示)进行高级有限元计算得出的结果与下文讨论的简化模型一致。
图3示出了与等效单极扬声器相比，偶极扬声器的路径长度D对SPL的影响。
更详细地，图3示出了当在大范围的自由场条件下的扬声器辐射到全空间(4pi)时，与单极扬声器相比，具有不同的路径长度D值(D＝20cm，10cm，5cm)的偶极扬声器的SPL与频率的关系。如图3所示，随着D的增加，低频下的性能变得更像单极子，偶极子产生的SPL的频率fequal等于降低的等效单极子的频率。
图4示出了与等效单极扬声器相比，距偶极扬声器的距离r对SPL的影响。
更详细地，图4示出了与单极扬声器相比，距离偶极扬声器的距离r不同值(r＝10cm、100cm、1000cm)时，路径长度D＝10cm的偶极扬声器的SPL与频率的关系。在自由场条件下辐射到全空间(4pi空间)。如图4所示，随着与偶极扬声器的距离减小，偶极扬声器产生的SPL在低频处会由于邻近效应而变得更像单极子(非常接近扬声器的SPL实际上与单极相同)，尽管偶极产生的SPL的频率fequal等于等效单极产生的SPL的频率保持不变。
图4示出了在距偶极扬声器辐射面的距离为r收听位置与距离等于路径长度D的收听位置处具有可比性，偶极扬声器在低频下产生的SPL与单极扬声器在低频下产生的SPL具有可比性。而在更远的距离上，与等效的单极扬声器相比，该SPL可以大大降低，从而在低频下获得有用的软罩音效果。
因此，位于靠近收听位置以被用户的头部占据的低频偶极扬声器(例如，可以通过将偶极扬声器集成到头枕中来实现)可以为背景技术中描述的问题提供解决方案，关于如何为低频提供个人声音软罩的部分，例如以便为汽车中的不同乘客再现不同的低频内容。
本领域技术人员将理解的是，为了给定应用从偶极扬声器获得期望的软罩声水平，应当考虑各种因素。
一个考虑因素是，可能希望在低音频率范围内，例如40Hz至160Hz获得接近扬声器的足够大的SPL。其他频率范围也是可能的，并且会因应用而异，尽管在嘈杂的环境中从40Hz开始是令人满意的。低于40Hz的频率范围在诸如录音棚或家庭等安静环境中可能会很有帮助。
我们近场偶极超低音扬声器的上限频率将由我们想要达到的软罩声水平来定义，因为从以上讨论可以看出，提供有效的个人声音软罩声的能力会随着频率的增加而变差。
可以从已知的等响度曲线[1]中减去，例如按照ISO 226：2003的标准，我们耳朵的灵敏度会随着频率的降低而降低。因此，期望提供一种扬声器，该扬声器能够在如上所述的收听位置处产生具有80dB至110dB(或更高)范围内的SPL的声音。
图5示出了所需的辐射表面积(cm2)与峰值偏移(一个方向上的mm)的关系，为了使偶极扬声器的振膜以40Hz的频率产生110dB的偶极扬声器(实线)和单极扬声器，以在自由场条件下，在距主辐射轴上的振膜10cm的收听位置处的全空间(4pi空间)中测量。
图5证示，与等效的单极扬声器相比，对于偶极扬声器，为了在收听位置获得期望的SPL，需要更大的振膜辐射面积或偏移。例如，如果选择一个5mm的峰值偏移，这将需要400cm2的辐射表面积才能在收听位置获得110dB的SPL。
5mm的峰值偏移是相当安全的，在实践中可以很容易地达到12mm或更小的峰值偏移(尽管可能出现较大的峰值偏移，但在较高的峰值偏移下谐波失真会成为问题)。但是，从图5可以看出，峰值偏移与振膜辐射表面积(以获得给定的SPL)之间的关系是非线性的，需要增加峰值偏移来补偿振膜辐射表面的减小。随着振膜辐射表面积变小，面积迅速增加。因此，为了将峰值偏移保持在对于大多数应用而言合理的参数内，通常优选地，使振膜具有尽可能大的辐射表面积。对于最典型的应用，振膜的辐射表面积至少为100cm2，更优选至少为150cm2，更优选至少为200cm2，更优选至少为250cm2。在某些情况下，辐射表面的表面积至少为300cm2或至少为400cm2。
图6示出了偶极扬声器的SPL与频率的关系，该偶极扬声器具有相对于偶极扬声器的主辐射轴具有不同距离和角度，辐射面积为400cm2的振膜(每个辐射表面)，路径长度D为11.3cm。
具体而言，与等效的单极子(虚线)相比，实线表示主辐射轴上距离10cm处的收听位置的SPL与频率的关系(角度＝0°)，虚线表示主辐射轴上100cm处的收听位置的SPL与频率的关系(角度＝0°)，虚线表示在距主辐射轴70°的50cm距离处的收听位置的SPL与频率的关系(角度＝70°)。此处应注意的是，如图7所示，虚线大致对应于坐在汽车前排乘客座位中的人的位置相对于位于驾驶员座位头枕中的扬声器的位置。
从图6中可以看出，400cm2振膜具有fequal＝500Hz，这意味着与偶极子相比，在500Hz以上创建个人声音软罩同轴(角度＝0°)等效单极子没有优势。然而，偶极扬声器的余弦极性响应得以保持，因此即使在高于500Hz的频率下，离轴仍然存在有利的声音抵消。
根据这些考虑，可以限制根据本申请的教导设计的偶极扬声器的上限频率范围。例如，如果希望在个人声音软罩之外将SPL调至足够低，则可能希望将频率限制为大大低于fequal，以便从使用偶极扬声器获得的抵消中受益。例如，可能期望以不超过低于fequal一个倍频程的频率(在此示例中，低于fequal一个倍频程为250Hz)或在不超过两个倍频程低于fequal的频率(此处，低于fequal两个倍频程为125Hz)来驱动偶极扬声器。
需要注意的是，众所周知的等响度曲线[1]也表明，对人耳低音频率的响应有利于在非常低的频率上创建个人声音软罩，但对越高的频谱帮助就越小。
谐波失真是在实施本申请描述的技术时可以考虑的另一个考虑因素。如本领域中已知的，扬声器谐波是基频的倍数，该基频是由于移动振膜的驱动力和振膜的悬架中存在的非线性而发生的。由于这些多个频率通常会位于超低音扬声器的频率范围之外，因此人们希望将这些失真值保持在最小值。这是因为所产生的任何扬声器谐波将具有比超低音扬声器的首选频率范围更高的频率，并且在这样的频率下，此类谐波产生的噪声将从上面讨论的“软罩”效应中受益较少，因此可以听到在个人声音软罩之外(的声音)。对于摩擦和嗡嗡声，类似的考虑也是有效的，因为它们具有较宽的频谱，因此应避免来自蜘蛛的开裂噪声或来自电机系统的吹奏噪声，因为它们也可能在个人声音软罩之外被听到。此外，失真和摩擦噪声对于个人声音软罩内的听众来说也可能非常容易听见，因为该听众会被放置在非常靠近扬声器的位置，因此这种噪声可能会损害用户可能听到的低音纯度。因此，在软罩外可能不会听到的小摩擦和嗡嗡声仍可能危及听众的体验。当在更常规的较远距离处收听传统扬声器时，此类噪声可能较少受到干扰，因为在较远距离处，这些噪声的水平将得到充分降低，因此更容易被扬声器产生的未失真声音掩盖。因为在本申请所述的应用中，听众可以被放置在非常靠近扬声器的位置，所以与更传统的听众布置相比，这些噪声的掩盖会更少。
由于这些原因，出于避免谐波失真，摩擦和嗡嗡声的考虑，本申请描述的技术的实现优选地使用低失真扬声器。可以根据众所周知的技术(更长的音圈，更多的磁性材料)来制造低失真扬声器，尽管这些技术倾向于导致更昂贵的扬声器。
此外，为了优化其在低频下的效率，优选地，实施本申请描述的技术的偶极扬声器具有低于要驱动扬声器的频率范围的谐振频率(Fs)。需要注意的是，当低于Fs时，振膜将不再受质量控制，并且将显示出额外的12dB/倍频程降低的输出。
可以通过以下逻辑总结以上概念：
·人耳对低频的低灵敏度意味着人耳低频需要较高的SPL
·人耳所需的高SPL需要较大的偶极子尺寸
·较大的偶极子尺寸会导致较大的路径长度D
·大路径长度D导致fequal降低
·降低fequal限制了有效产生个人声音软罩的频率上限
·有限的上限频率范围意味着此处教导的概念最适用于低音频率，并建议应使用低失真分量。
从上文的讨论可以看出，当实现根据本公开的扬声器时，路径长度D可以是另一考虑因素。下面，我们参考图20、图21以及图24，介绍一些实现方式，其中路径长度D可以独立于振膜的尺寸进行调整。
与实现根据本公开的扬声器相关联的其他考虑因素可以包括将声阻结合到我们的偶极扬声器周围的壳体中，例如形成极性响应，从而形成最终的个人声音软罩的形状。例如，添加吸收材料或减小壳体背面的穿孔的开放度可能有助于获得更强的心形极性响应。
现下文讨论根据本公开的偶极式扬声器的可能实施方式的各种非限制性示例，如在汽车座位的一个或多个头枕中实现的。
图7-9示出了实现本公开教导的偶极扬声器(不可见)，该偶极扬声器被集成到汽车90的四个座位头枕80中。
在该示例中，将相应的偶极扬声器结合到两个前座位(驾驶员座位和乘客座位)和两个后座位的每个的相应头枕中。由每个扬声器产生的个人声音软罩的极性SPL响应由如图8和9虚线所示。
由于使用了偶极扬声器，值得注意的是，在向前和向后的方向都创建了个人声音软罩，尽管在这种实施方式中，仅面向前方的个人声音软罩是相关联的，因为乘客的头部通常不会位于向后的个人声音软罩中。
图7示出了坐在前排乘客座位中的人耳，与距离约为50cm的扬声器的主辐射轴(相对于驾驶员头枕中的偶极扬声器)，且坐在前排乘客座位中的人耳与扬声器的主辐射轴(相对于驾驶员头枕中的偶极扬声器)成α＝70°偏角。由此可见，图6中的虚线近似于坐在乘客座位上的人从位于同一汽车的驾驶员座位的头枕中的扬声器接收到的SPL。
以简单的形式，可以在头枕中实现传统的单圆锥扬声器，以自然地充当偶极子。然而，如上所述，在合适的头枕设计的边界内最大化第一和第二辐射表面的表面积的期望可能导致考虑例如非圆形的表面，例如矩形或不规则的振膜形状。使用非圆形振膜可能会对用于悬挂振膜的悬架元件产生连锁影响。通常，辊式悬架在作为直线元件或圆形元件执行时效果最好，因此弯曲辊的边缘，使其跟随非圆形振膜的角/弯曲边缘可能会影响其性能(摩擦增大以及不同刚度的向内移动vs向外移动)。针对该原因，可以考虑偶极振膜悬挂的对称执行(在振膜的两个辐射表面上均相同)，以便抵消任何不对称性。对于具有相对尖锐拐角的矩形振膜，遵循其曲线的连续的辊式悬架将意味着辊式悬架在拐角处的半径较小，从而危及流体的顺畅运动，因此可以考虑使用曲率半径较大的振膜角。由于不需要将来自振膜的压力密封到壳体中(因振膜被用作偶极子)，因此也可以考虑仅使用直的辊式悬架部件，而没有拐角。为了减轻重量和提高运动稳定性，可以考虑使用由涂层纺织品制成的辊式悬挂件装置。其他合适的材料可以包括橡胶和泡沫。
此外，偶极扬声器构造可以被设计为纤细的以适合可接受的头枕设计和人体工程学。因此，在以下描述的一些示例中，允许在振膜中进行切口，其中框架的一个或多个支撑元件穿过切口延伸，以将驱动单元的磁体单元保持在振动单元的辐射表面的前面。
在另一种实际的实施方式中，驱动单元的磁体单元可以从振膜本身悬挂下来，从而节省了重量，参见例如图22。
在实施本公开时要考虑的另一考虑是滤除来自振膜的质量加速度的振动的程度，例如，因此这些振动不会传递到安装头枕的座位上。除非有人想利用偶极子产生的残留振动来建立触觉效果，否则大多数情况下这些机械振动都是不需要的，因为它们可能会分散“纯低音”的体验。因此，使用电气高通滤波器，该滤波器设置为允许频率超过由扬声器提供的质量弹簧组件所产生的机械滤波器的调谐频率(例如，在图10E中，元件Ca将提供与其他质量弹簧组件组合使用的机械滤波器)，并且其频率应低于要驱动扬声器的频率范围。设置这样的频率完全在本领域技术人员的能力范围内，因此在此无需进一步详细描述。
汽车安全要求包括碰撞影响验证。我们的声学要求可能会导致使用相对较重的电动机系统来驱动偶极扬声器的振膜。如果将其合并到头枕中，则可能需要采取措施以防止扬声器的任何重物(例如，合并到磁体单元中的钢)在碰撞事件中到达用户的头部。下文考虑实现此目的的可能的实现方式，例如参见图10。
以下讨论列出了安装在汽车座位头枕内的扬声器。这些示例分为第一组示例和第二组示例。
第一组示例
在第一组示例中，振膜从其悬挂的框架为第一框架，其中振膜通过一个或多个第一悬架元件从第一框架悬挂，并且其中从第二框架通过一个或多个第二悬架元件悬挂该第一框架。
图10A至图10C示出了来自第一组示例的第一示例扬声器100。
如图10A至图10C所示，该扬声器100具有振膜101，该振膜101具有第一辐射表面101-1(“正面”，其面向坐在有头枕的座位上的乘客)和第二辐射表面101-2(“背面”，背对坐在有头枕的座位上的乘客)。在该示例中，振膜101由挤塑聚苯乙烯泡沫或类似物制成，并且可以可选地用表皮(未示出)加强。
振膜101通过第一悬架元件102从第一框架103悬挂。该第一框架103通过第二悬架元件104从第二框架105悬挂。该第二框架刚性地附接到安装腿110，安装腿110本身是汽车座位框架的一部分。
在该示例中，第一悬架元件102和次要悬架元件104中的每一个均为围绕振膜101的边缘连续延伸的辊式悬挂件。在其他示例中，第一悬架元件102和/或第二悬架元件104的连续的辊式悬挂件可以被多个辊式悬挂件代替，所述多个辊式悬挂件围绕振膜101的边缘不连续地延伸。对于第一悬架元件102以及可选地第二悬架元件104使用连续的辊式悬挂件的好处是这样做增加了路径长度D。辊式悬挂件中的角部的曲率半径随着它们的绕角而延伸。在此示例中，振膜被故意保持得相当大。
该扬声器100还具有电磁驱动单元，该电磁驱动单元包括配置成产生磁场的磁体单元106和通过音圈耦合器108附接到振膜的音圈107。
所述第一框架103包括刚性支撑臂103-1，该刚性支撑臂103-1被配置为将磁体单元106保持在振膜101的第二辐射表面101-2的前部。
在该示例中，音圈耦合器108是将音圈107附接到该振膜101的第二辐射表面101-2的元件。在该示例中，音圈耦合器被粘合至音圈107和振膜101这两者上(由此将振膜101附接到音圈107)，并且包括许多孔有助于粘合。该音圈耦合器108可以被配置成在碰撞的情况下防止磁体穿过振膜。因为音圈耦合器108将音圈107附接到振膜101的第二辐射表面101-2，所以振膜101不需要在第一辐射表面101-1上具有防尘罩。
音圈耦合器108可以例如由塑料制成。举例来说，该音圈耦合器108可以由丙烯腈丁二烯苯乙烯(“ABS”)、聚碳酸酯(“PC”)或聚氯乙烯(“PVC”)制成，并且可以填充有(例如20％)玻璃纤维以改善结构强度。与其他材料(例如金属)相比，塑料为更优选的，因为塑料通常更轻，从而有助于降低扬声器的运动质量。
扬声器100还包括适于被声学透明装饰材料覆盖的声学透明壳体109或头枕框架。
图10D至图10E示出了扬声器100的机械类比中呈现的质量和顺应性。
在图10D至图10E中，使用以下符号：
Md：振膜101的质量
Mm：磁体单元106的质量
Mf：第一框架103的质量
Ma：“应用”的质量(＝第二框架105的质量，以及第二框架105固定地附接到其上的结构，其中，在这种情况下是通过安装腿110和汽车座位框架的车组)
Cd：第一悬架元件102的顺应性
Ca：第二悬架元件104的顺应性
Rd：Cd的机械摩擦(损耗)
Ra：Ca的机械摩擦(损耗)
扬声器100的质量/顺应性分布示例：
Figure GDA0003560833720000211
图11A示出了图10A至图10E所示的扬声器100的力曲线，其中粗曲线表示作用在Md(振膜101)上的峰值应力，介质曲线表示作用在Mm+Mf(磁体单元106和第一框架103)上的峰值应力，细曲线示出了作用在Ma(“应用”)上的峰值应力。
需要注意的是，第二悬架元件104已经被调谐到5Hz，远低于扬声器100意图在其上操作的频谱，从而有效地限制了“应用”上的残余应力。
图11B示出了图10A至图10E所示的扬声器100的应力曲线。其中，第二悬架元件104已经被无限刚性的元件代替(从而抵消了第二框架105和第二悬架元件104的益处)。
图11C示出了图10A至图10E所示的扬声器100的偏移曲线。粗曲线表示振膜Md的峰值偏移，中曲线表示框架和马达Mm+Mf的峰值偏移，细曲线表示应用的峰值偏移。为了图11B的目的，该第二悬架元件104以其预期形式(弹性的而不是无限刚性的)存在。
图11C示出了第二悬架元件104有限的偏移要求(请参见中等曲线)，这意味着第二悬架元件104不需要允许太多移动。如下文参考图13所描述的，这为第二悬架元件104创建了其他弹簧选择。
曲线(峰值应力和峰值偏移)是通过将9Vrms信号施加到所示频率的音圈107上而产生的(可以通过施加从1Hz到1kHz的正弦扫描来实现)。这样，系统将由音圈107–磁体单元106相互作用产生的应力致动。需要注意的是，在不使用升压电路的情况下，9Vrms是针对标准的汽车放大器将能够使用12V的汽车电池提供的典型最大电压。
图12示出了在距扬声器100的第一辐射表面101-1不同距离处以1W电功率在轴上(在主辐射轴上)测量的绝对SPL，其中扬声器的第一辐射表面101-1具有表面积为540cm2，Md为82g，Bl＝11.88Tm。这里要注意的是，例如在40Hz的频率下，从10厘米的收听位置移动到80厘米的收听位置会下降28dB。
图13A至图21示出了来自第一组示例的另一示例扬声器。相似的特征已被给予相应的附图标记，并且未进一步详细描述，除非这提供了额外的见解。
图13A示出了来自第一组示例的第二示例扬声器100a。在该示例中，一些其他的弹簧选择被用于第二悬架元件104a。
在示出的示例中，振膜101a通过多个第一悬架元件102a从第一框架103a悬挂，每个第一悬架元件102a为直辊式悬挂件。
由于如上所述，扬声器100的第二悬架元件104无需允许很大的移动，因此在该示例中，第一框架103a通过多个第二悬架元件104a从第二框架105a悬挂，该第二悬架元件104a包括如图13B所示的金属弹簧104-1a的如图13C所示的直辊式悬架104-2a以及图13D所示的弹性橡皮筋104-3a。辊式悬架104-2a增加了很少的刚度，但是用于将扬声器100的除了第二框架105a的整个质量保持在垂直平面中。
在将第一框架103a从第二框架105a悬挂下来的情况下，使用所有可能形状的金属弹簧的可能原因是，与辊式悬挂件相比，其提高了耐久性并提供了更好的恢复力，从而将扬声器框架相对于第二个框架/头枕底盘保持在适当的位置。需要注意的是，第二悬架保持扬声器的整个质量，这比第一悬架(仅保持振膜101a)要大得多。也可以添加弹性橡胶，以通过提供恢复应力将柔性悬挂块保持在适当位置。
图14示出了来自第一组示例的第三示例扬声器100b。在该示例中，第二悬架元件104b直接安装到头枕的框架，该头枕在该示例中用作第二框架105b。换句话说，在此示例中，扬声器没有专用的第二框架。在该示例中，振膜101b由纸板制成，如图中的波纹所示。
图15示出了来自第一组示例的第四示例扬声器100c。在该示例中，振膜101c和第一框架103c相对于垂直于振膜轴线的轴线弯曲，驱动单元构造成沿着该轴线移动振膜。
图16示出了来自第一组示例的第五示例扬声器100d。在该示例中，金属弹簧用作将第二框架105d悬挂在第一框架103d上的多个第二悬架元件104d。还添加了吸收材料112d以影响扬声器100d的指向性图案。
图17A至图17B示出了来自第一组示例的第六示例扬声器100e。在该示例中，振膜101e是锥体的组合，包括第一锥体(其提供第一辐射表面101-1e)和第二锥体(其提供第二辐射表面101-2e)，第二锥体被切口中断以用于第一框架103e的刚性支撑臂103-1e通过。振膜的第一锥体和第二锥体两者都通过辊式悬架从第一框架悬置，该辊式悬架用作第一悬架元件102e。
第一锥体和第二锥体可以由纸制成，并且与使用聚苯乙烯振膜的其他实施方式相比，可以有助于提供更轻盈的振膜101e，从而减少扬声器的总运动质量。
在该示例中，第一框架103e经由金属弹簧从汽车座位框架的安装腿110e悬挂。此时，安装腿110e用作扬声器100e的第二框架，并且金属弹簧用作第二悬架元件104e。
图18示出了来自第一组示例的第七示例扬声器100f。该示例类似于图17A至图17B中所示的例子，不同之处在于金属弹簧被用作第二悬架元件104f的弹性悬架代替。
图19示出了来自第一组示例的第八示例扬声器100g。此示例示出了一个双驱动器选择，其中有两个磁体单元和两个音圈以及两个音圈耦合器。
图20示出了来自第一组示例的第九示例扬声器100h。除了通过在振膜101h上增加“路径长度调谐开口”119h来减小扬声器的路径长度D之外，该示例与图19所示的示例相似。
图21示出了来自第一组示例的第十示例扬声器100i。该示例示出了具有不均匀形状的振膜，表明可以以多种几何自由度和多种悬架元件来实现本文所述的技术。
第二组示例
在第二组示例中，悬挂振膜的框架为刚性支撑结构的一部分(例如汽车座位框架)或被配置为刚性支撑结构、该框架固定连接到所述刚性支撑结构。
图22A至图22B示出了来自第二组示例的第一示例扬声器200。图22C示出了扬声器200的电磁驱动单元。
如图22A至图22B所示，扬声器200具有振膜201，该振膜具有第一辐射表面201-1(“正面”，其面向坐在有头枕的座位中的乘客)和第二辐射表面201-2(“背面”，背对坐在有头枕的座位上的乘客)。在该示例中，振膜201由聚苯乙烯泡沫或类似物制成，并且可以可选地用表皮(未示出)加强。
振膜201通过悬架元件202从安装腿210悬挂。安装腿210本身是汽车座位框架的一部分，用作悬挂振膜201的框架。在该示例中，悬架元件202是具有波纹曲线以便于偏移的弹性悬架。
扬声器200的电磁驱动单元包括磁体单元206和音圈(未示出)
在该示例中，音圈通过音圈耦合器208附接到(例如胶粘)到振膜201(在下文中更详细地描述)。
在该示例中，磁体单元206通过两个磁体单元悬架元件214-1、214-2以及音圈耦合器208从振膜201悬挂。在该示例中，该两个磁体单元悬架元件214-1、214-2采取“蜘蛛形”的形式，其可以由浸渍的织物制成(在其他示例中可以使用金属弹簧)。如本领域中已知的，蜘蛛形可理解为具有周向延伸的波纹的纺织环(其有助于沿纵轴的运动，同时基本上避免垂直于该轴的运动)。蜘蛛形可以由浸渍的纺织品制成。该磁体单元206包括永磁体206-1和磁场引导元件206-2。磁体单元206的永磁体206-1和磁场引导元件206-2被配置为限定气隙206-2并且在气隙206-2中提供具有集中的通量的磁场。音圈配置为在振膜201静止时位于气隙206-2中。
在该示例中，该音圈耦合器208采用具有表面208-1、208-2的壳体的形式，该表面208-1、208-2被配置为允许两个磁体单元悬架元件214-1、214-2被附接(例如胶合)到音圈耦合器208。在该示例中，音圈耦合器208的壳体还包括柱状的引导表面208-3，音圈可以在其上安装(例如胶粘)在适当的位置，尽管在图22中未示出音圈。
当电流通过音圈时，它将产生一个磁场，该磁场与磁体单元206产生的磁场相互作用，这将导致振膜相对于磁体单元206移动，并且该移动被磁体单元悬架元件214-1、214-2保留。
如上所述，该音圈耦合器208可以由塑料制成，例如ABS，PC或PVC，并且可以填充(例如20％)玻璃纤维以提高结构强度。音圈耦合器208也可以打孔，以有助于粘合和/或允许目视检查所用胶的量和固化。音圈耦合器208的尺寸可以根据碰撞冲击保护的需要而扩大。
扬声器200还包括适合于用透声装饰材料覆盖的透声壳体209或头枕框架。
图22D至图22E示出了扬声器200的机械类比中呈现的质量和顺应性。
在图22D至图22E中，使用以下符号：
Md：振膜201的质量
Mm：磁体单元206的质量
Ma：“应用”的质量(＝安装腿210的质量，以及安装腿210固定附接到其上的结构，其中，在这种情况下为通过汽车座位框架的车组的其余部分)
Cd：第一悬架元件的顺应性202
Cm：第二悬架元件的顺应性214
Rd：Cd的机械摩擦(损耗)
Ra：Ca的机械摩擦(损耗)
扬声器100的质量/顺应性分布示例：
Figure GDA0003560833720000251
图23A示出了图22A至图22E所示的扬声器200的应力曲线。在图中，粗曲线表示作用在Md(振膜)上的峰值应力，中曲线表示作用在Mm(磁体单元)上的峰值应力，细曲线表示作用在Ma(应用)上的峰值应力。
在该示例中，与第一组示例的第一扬声器100相比，如前所述施加在应用程序上的应力要大得多。但是，与没有采取任何措施的情况相比，施加在应用上的应力(细曲线)仍然大大降低，并且低音频率超过20Hz施加在应用上的应力小于磁体单元(中曲线)和振膜(粗曲线)的应力。
图23B示出了图22A至图22E所示的扬声器200的偏移曲线。粗曲线表示振膜Md的峰值偏移，中曲线表示磁体系统Mm的峰值偏移，细曲线表示应用Ma的峰值偏移。
图23B示出了，与其他元件相比，振膜201的偏移占主导地位，这可以认为视为是可接受的。
图24A至图24B示出了来自第二组示例的第二示例扬声器200a。在该示例中，振膜通过两个连续辊式悬架形式的悬架元件202-1a、202-2a从刚性头枕框架211a悬架，该刚性头枕框架是汽车座位框架的一部分。刚性头枕框架提供了隔板，由于连续的辊式悬挂件导致扬声器200a的路径长度D增加，例如为了获得更大的个人声音软罩的目的。
图25A至图25B示出了来自第二组示例的第三示例扬声器200b。在该示例中，振膜通过多个悬架元件202b从安装腿210b悬挂，该悬架元件由四个半球形的辊式悬挂件装置的组合提供，这可以有助于带来更稳定的运动和偏移可能性。
进一步示例
图26A至图26B示出了在汽车头枕中应用的示例扬声器300a。
图26A至图26B的示例扬声器300a包括两个振膜301a的阵列，该阵列中的每个振膜301a具有第一辐射表面301a-1和第二辐射表面301a2，其中第一辐射表面301a-1和第二辐射表面301a-2位于振膜301a的相对面上，其中第一辐射表面301a-1具有至少100cm2的组合表面积，并且其中第二辐射表面301a-2具有至少100cm2的组合表面积。
该扬声器300a包括多个驱动单元，其中每个驱动单元包括磁体单元306a，并且被配置为以低音频率移动阵列中的各个振膜301a，使得振膜301a的第一和第二辐射表面301a-1、301a-2产生低音频率的声音，其中由第一辐射表面301a-1产生的声音与由第二辐射表面301a-2产生的声音为异相。
在该示例中，每个振膜301a经由第一悬架元件302a从相应的第一框架303a悬挂，其中每个第一框架303a经由第二悬架元件304a从第二框架305a悬挂。从而使振膜301a通过第一框架303a和第一悬架元件302a从第二框架305a悬挂。
振膜301a从第二框架305a悬挂，使得每个振膜的第一辐射表面301a-1面向前向方向F，并且第二辐射表面301a-2面向后向方向B。在该示例中，第一辐射表面301a-1的辐射轴彼此平行，但是为了避免疑问，振膜301a的主辐射轴不必彼此平行，以便被认为是面向同一方向，并可以安排例如第一辐射表面301a-1的主辐射轴布置成会聚或发散。
扬声器300a被配置为如图所示使用，用户的第一只耳朵位于第一收听位置，该第一收听位置在前面并距离第一个振膜301a的第一辐射表面301a-1为40厘米或更小(更优选为30厘米或更小，更优选为25厘米或更小，更优选为20cm或更小，更优选为15cm或更小)，同时用户的第二只耳朵位于第二收听位置，该第二收听位置在前面且距离第二个振膜301a的第一辐射表面301a-1为40cm或更小(更优选30cm或更小，更优选25厘米或更小，更优选25厘米或更小，更优选20厘米或更小，更优选15厘米或更小)。
这可能是有用的，例如以向用户的不同耳朵提供立体声，或补偿用户头部的运动(如下所述)。
优选地，座位组件包括汽车头枕，该座位组件还包括头部追踪单元(未示出)，该头部追踪单元被配置为追踪坐在座位中的使用者的头部运动。
该扬声器300a可以包括驱动电路，该驱动电路被配置为向每个驱动单元提供从相同音频源得到的相应的电信号，使得第二辐射表面301a-2产生的声音相对于第一辐射表面301a-1产生的声音为异相。
各个电信号可以从音频源提供的音频信号中导出。音频源可以是任何能够提供音频信号的源。在此，音频信号可以理解为包含表示声音的信息的信号。由音频源产生的音频信号通常可以是电信号(可以是数字信号或模拟信号)，但是也可以采用另一种形式，例如光信号。为了避免任何疑问，由音频源提供的音频信号可以包括单个通道或多个通道。例如，由音频源提供的音频信号可以是包括两个声道的立体声音频信号，每个声道都是立体声音频信号的相应组成部分(尽管认为相应的立体声声道需要相似才能获得足够的声音抵消)。扬声器300a中的不同驱动单元可以被提供有各自的电信号，该电信号从音频源提供的音频信号的不同通道中导出，例如，由音频源提供的音频信号，从而提供立体声效果。
如本领域技术人员将理解的是，驱动电路可以采取各种形式。例如，在一个简单的示例中，驱动单元可以被连接以接收相同的电信号，使得两个振膜以完全相同的方式运动。
优选地，驱动电路包括信号处理单元(未示出)，该信号处理单元可以是数字信号处理器或“DSP”，其被配置为向每个驱动单元提供从音频源提供的音频信号中导出的相应电信号。
优选地，信号处理单元被配置为基于由头部跟踪单元跟踪的头部运动来修改提供给驱动单元的电信号，该驱动单元被配置为使振膜移动，从而补偿坐在座位上的使用者的头部的运动。
头部移动的补偿可包括根据合适的算法来调节一个或多个电信号的振幅(u)、延迟(t)以及相位(φ)中的任何一个或多个。
在一个简单的例子中，如果根据头部跟踪单元所跟踪的头部移动确定用户的耳朵已经从该振膜301a的第一辐射表面301a-1移远(例如，如图26B所示的距离Δd)，则信号处理单元可以被配置为增加由振膜301a之一产生的声音的振幅。类似地，如果根据由头部跟踪单元跟踪的头部移动确定用户的耳朵已经移近振膜301a的第一辐射表面(例如，如图26B所示的距离Δd)，则驱动电路可被配置为减小由振膜301a之一产生的声音的振幅。声音的振幅增加/减少的量可以取决于相关耳朵已经移动的距离(例如，如图26B所示的距离Δd)。
进一步讨论
本公开的教导可以以多种方式实施，而不仅限于汽车座位。在运输业中，可以实现本公开的教导以为汽车，公共汽车或飞机中的每个单独乘客创建低频个人声音软罩，并且可以选择为这些环境中典型的低频隆隆声实现主动噪声抵消。这样可以在各种情况下(例如在游戏，个人电影，工作室工作，舒适的座位中或只是更换不舒服的耳机)为听众的体验带来附加值。
提出的低频偶极子解决方案可以与中高频(例如心形)的高指向性扬声器结合使用，从而可以实现音质和声软罩的重要改善。
适当地以其特定形式或用于执行所公开的功能的手段，或用于获得所公开的结果的方法或过程来表达在前述说明书，或所附权利要求书或附图中公开的特征。可以单独地，或以这些特征的任何组合来使用以用于以各种形式实现本发明。
尽管已经结合上述示例性实施例描述了本发明，但是当给出本公开时，许多等同的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，以上阐述的本发明的示例性实施例被认为是说明性的而不是限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种改变。
为了避免任何疑问，提供本文提供的任何理论解释是为了提高读者的理解。发明人不希望受到任何这些理论解释的束缚。
本文使用的任何章节标题仅用于组织目的，并且不应解释为限制所描述的主题。
在整个说明书中，包括所附的权利要求书，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”以及诸如“包括”，“包括”和“包含”之类的变体将被理解为暗示包括以下内容：陈述的整数或步长或一组整数或(多个)步长，但不排除任何其他整数或步长或一组整数或(多个)步长。
必须注意的是，如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指出。范围可以在本文中表示为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一特定值。当表达这样的范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，将理解的是，特定值形成另一实施例。相对于数值的术语“约”是可选的，并且是指例如+/-10％。
参考文献
上面引用了许多出版物，以便更全面地描述和公开本发明以及本发明所属的目前的工艺水平。下文提供了这些参考的完整引用。这些参考文献中的每一个都整体并入本文。
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Equal-loudness_contour
[2]http://www.linkwitzlab.com
[3]http://www.linkwitzlab.com/models.htm
[4]“在有限的打开和关闭圆形隔板中的振动盘的声场上”，Tim Mellow和
Figure GDA0003560833720000281
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[9]“嵌入式系统中的人脸识别和头部跟踪”，Lenka Ivantysynova和TobiasScheffer，Optik&Photonik，2015年1月，第42-45页。
路径长度的补充说明
为了使读者更好地理解路径长度D的概念，发明人提供了该补充说明，发明人指出，路径长度D在本技术领域中是众所周知的概念。
图27A示出了一个理想的偶极扬声器，其中两个异相单极点源辐射到以距离D隔开的自由空间(其主辐射轴沿相反的方向延伸)。
对于如图27A所示的理想偶极扬声器(只能理论上实现)，路径长度是两个异相单极点源之间的距离，即如图27A所示的距离D。
对于真实偶极扬声器，路径长度可以理解为两个异相单极点源之间的距离，该距离导致两点单极点源近似于真实偶极扬声器的行为。
技术人员会知道，有许多不同的方法可以通过理论或仿真来计算实际偶极扬声器的路径长度。
参考图27A，D可以理解为代表理想偶极子的同相分量和异相分量之间的距离D，如在偶极子前面以0°观察角观察到的(相对于单极点源之一的主辐射轴)。可以认为D等于输入和输出相位分量之间的延迟或时间间隔乘以声音速度。
当以大于0°的角度进行观察时，D将显得更短，因此出于分析目的，我们仅以0°观察角参考D，在这种情况下，cos(α)＝1。
H(d)可以理解为理想偶极扬声器的声压传递函数(如上所述，两个异相单极点源辐射到自由空间中并隔开距离D)。H(m)可以理解为等效理想单极子(单个点源辐射到自由空间(4pi))的声压传递函数。声压传递函数是本领域技术人员众所周知的。
根据教导，例如[3]的教导，H(d)可能与足够大的距离处的H(m)有关，如下：
Figure GDA0003560833720000301
对于观察角为零(α＝0，cos(α)＝1)，并且在频率fequal处，偶极子的声压级等于等效单极子的声压级，即在H(d)＝H(m)处，等式(1)成为：
Figure GDA0003560833720000302
其中：
Figure GDA0003560833720000303
其中c是声速(343m/s)，
公式(2)可以重写为：
Figure GDA0003560833720000304
这使得：
Figure GDA0003560833720000305
将公式(3)带入公式(5)可得出：
Figure GDA0003560833720000306
根据以上等式(6)中给出的关于fequal的关系，可以通过测量频率来获得具有在振膜的相对面上的第一和第二辐射表面的真实偶极扬声器的路径长度D，在观察时，相对于振膜第一辐射表面主轴的夹角为零(α＝0)，偶极扬声器的SPL等于在自由场(4pi)情况下fequal的等效单极扬声器的SPL。需要注意的是，观察角零(α＝0)等于振膜的第一辐射表面在主辐射轴上的位置。以上给出的理论假设在远场中进行测量，但是feqqual值随距离趋于相当稳定(参见例如图4)，因此理论上SPL可以在距第一辐射表面各种距离处进行测量，出于测量fequal的目的。为简化起见，我们建议在扬声器的第一辐射表面的主辐射轴(α＝0)上距扬声器的第一辐射表面1米处测量SPL，因为1米是许多声学测量的标准距离。对于本申请中设想的大多数扬声器，在距第一辐射表面1米处测量SPL应当易于获得fequal值。但是，为了完整起见，我们注意到的是，在距第一辐射表面明显小于1米的距离(或D非常大)处测量SPL时，偶极扬声器的SPL可能近似于单极扬声器的SPL，因此，在这种情况下，出于测量fequal的目的，可以增加距第一辐射表面的距离(在该处，SPL被测量)至例如，距离第一辐射表面5米。
实践中，可以通过安装偶极扬声器以使第二辐射表面被封闭，优选地在沿第二主辐射轴方向延伸的壳体中来获得等效的单极扬声器(等效于偶极扬声器的单极扬声器)。其形状优选地与第二辐射表面的外部曲线的形状相对应(例如，如图1A所示)。
如何计算fequal的另一讨论在[3]中进行，同时对路径长度进行更详细的讨论。
为简化起见，也许更好地理解在kD＜1(非常适合本公开的目的)的低频下，H(d)与H(m)与D之间的关系，并且对于足够远的观察点，根据上面的等式(1)可以简化为：
H(d)＝H(m)·k·D·cos(α)(7)
其中k是由以下定义的波数：
Figure GDA0003560833720000311
对于零观察角(α＝0，cos(α)＝1)，等式(7)的简化模型给出：
Figure GDA0003560833720000312
如本领域技术人员所知，要以对数分贝标度查看SPL响应，可以将计算出的压力除以参考压力20μPa，该值的对数乘以20：
Figure GDA0003560833720000313
其中：
pref＝20μParms (11)
对于公式(1)的宽带模型，得出：
Figure GDA0003560833720000314
对于方程式(7)的简化模型，得出：
Figure GDA0003560833720000321
为了将公式(1)的宽带模型与公式(7)的简化模型进行比较，可以考虑在整个频率范围内具有恒定振幅为20μPa(＝0dB SPL)的理想化单极点源，给出：
H(m)＝0dB＝pref＝20μParms (14)
使用公式(12)中的0dB参考，公式(1)的宽带偶极扬声器模型的SPL给出：
Figure GDA0003560833720000322
同样，使用公式(13)中的0dB参考，公式(7)的简化偶极扬声器模型的SPL给出
SPL(d)＝20·log10(k·D·cos(α))(16)
图27B示出了在距离足够远且观察角为零(α＝0，cos(α)＝1)的情况下，路径长度D＝10cm的偶极扬声器的SPL。在图26B中，根据等式(1)的宽带模型(实线，根据等式(15)计算)和根据与单极响应(虚线，其中SPL为0dB，因为log 1为0)的等式(7)的简单模式(虚线，根据等式(16)计算)，示出了偶极扬声器的SPL。
图27B示出，在kD＝1以下，方程式(7)的简单模型与方程式(1)的宽带模型非常接近，因此，为什么在上面将方程式(7)的简单模型描述为适用于kD＜1。
在方程式(7)的简单模型和方程式(1)的更复杂的模型中，当kD＜1时，偶极子的传递函数(H(d))与频率(f)和路径长度(D)成比例如图27B所示。
为完整起见，我们注意到的是，通过再次将“fequal作为在H(d)＝H(m)的频率，可以使用等式(7)的简单模型得出fequal的关系。
尤其是将频率“f＝fequal和H(d)＝H(m)带入方程式(7)得出：
Figure GDA0003560833720000323
依次得到：
Figure GDA0003560833720000324
由于2π≈6，其是等式(6)的相似结果。
对于光盘振膜，路径长度D大约等于振膜的半径。如果将光盘安装在圆形隔板或半径b中，并且振膜和隔板之间没有间隙，则偶极扬声器的路径长度D大约等于半径b加上隔板的厚度。
这由图27C示出，该图示出了具有半径为A的圆形振膜的偶极扬声器的简化模型，该振膜具有产生异相声音的第一和第二辐射表面。对于这样的扬声器，路径长度大约等于A。
通常，增加隔板会增加声音必须到达振膜另一侧之前从振膜的一侧传播的距离，这会增加路径长度。类似地，减小声音的距离必须在到达振膜的另一侧之前例如从振膜的一侧传播到振膜的另一侧，例如在振膜上加一个孔会减少光程长度。
路径长度的大小将影响由根据本文的教导而制造的扬声器产生的个人声音软罩的大小。通常，较大的路径长度将增加个人声音软罩的大小，而较小的路径长度将减少个人声音软罩的大小。
鉴于以上讨论，技术人员将理解，可以以多种不同方式来测量/计算/模拟路径长度。

Claims (21)

1.一种用于产生低音频率的声音的偶极扬声器，其特征在于，所述偶极扬声器包括：
振膜，所述振膜具有第一辐射表面和第二辐射表面，其中第一辐射表面和第二辐射表面位于所述振膜的相对面上，并且其中所述第一辐射表面和第二辐射表面中的每一个的表面积均至少为100cm2；
驱动单元，所述驱动单元被配置为使振膜以低音频率移动，使得所述第一辐射表面和第二辐射表面产生低音频率的声音，其中，所述第一辐射表面产生的声音与第二辐射表面产生的声音为异相；
框架，其中振膜通过一个或多个悬架元件从所述框架悬挂，其中所述框架被配置为以允许由第一辐射表面产生的声音从所述偶极扬声器的第一侧传播出去并且允许由第二辐射表面产生的声音从所述偶极扬声器的第二侧传播出去，第一辐射表面产生的声音能够干扰第二辐射表面产生的声音；
其中，悬挂所述振膜的框架为第一框架，所述振膜通过一个或多个第一悬架元件从所述第一框架悬挂，所述第一框架通过一个或多个第二悬架元件从第二框架悬挂，所述一个或多个第二悬架元件调谐为具有低于所述偶极扬声器被配置为在其上操作的频谱的谐振频率；
其中，所述扬声器以用户的耳朵位于所述第一辐射表面的前面且距所述第一辐射表面40cm或更小的收听位置进行使用。
2.如权利要求1所述的偶极扬声器，其特征在于，所述偶极扬声器被配置为使得由所述扬声器产生的声音的SPL沿从所述第一辐射表面的主辐射轴到所述第一辐射表面的80cm处以60Hz的低音频率测量；所述SPL在自由场条件下比沿第一辐射表面的主辐射轴距第一辐射表面10cm处测量的相同声音的SPL低至少20dB。
3.如权利要求1-2中任一项所述的偶极扬声器，其特征在于，所述偶极扬声器具有25cm或更小的路径长度D，其中，所述路径长度D由下述等式定义：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中c为声速（343m/s），以及其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为频率，在该频率，在自由场条件下偶极子的声压等于等效单极子的声压其是在所述第一辐射表面的主辐射轴上的位置处测得的。
4.如权利要求1-2中任一项所述的偶极扬声器，其特征在于，所述偶极扬声器为超低音扬声器，并且所述驱动单元被配置为以不超过250Hz的频率移动所述振膜。
5.如权利要求1-2中任一项所述的偶极扬声器，其特征在于，所述第一辐射表面和所述第二辐射表面各自具有至少250cm2的表面积。
6.如权利要求1所述的偶极扬声器，其特征在于，所述第一框架包括一个或多个刚性支撑元件，所述刚性支撑元件被配置为将所述驱动单元的磁体单元保持在所述振膜的所述第二辐射表面的前面。
7.如权利要求6所述的偶极扬声器，其特征在于，所述振膜包括在所述第二辐射表面中的一个或多个切口，其中，当所述扬声器在使用中时，每个切口被配置为具有延伸并穿过其中的相应的刚性支撑元件。
8.如权利要求1、6和7中任一项所述的偶极扬声器，其特征在于，所述第二框架为刚性支撑结构的一部分，或者被配置为固定地附接到刚性支撑结构。
9.如权利要求1、2、6和7中任一项所述的偶极扬声器，其特征在于，悬挂有所述振膜的所述框架为刚性支撑结构的一部分或者被配置成固定地附接到刚性支撑结构。
10.如权利要求9所述的偶极扬声器，其特征在于，磁体单元通过一个或多个磁体单元悬架元件从所述振膜悬挂。
11.如权利要求1、2、6和7中任一项所述的偶极扬声器，其特征在于，悬挂所述振膜的框架包括一个或多个安装腿，所述安装腿延伸到所述振膜中的一个或多个空腔中，其中，所述振膜通过一个或多个悬挂元件从所述一个或多个安装腿悬挂。
12.如权利要求1、2、6和7中任一项所述的偶极扬声器，其特征在于，所述驱动单元被配置为驱动所述振膜，使得所述第一辐射表面产生被配置为抵消由一个或多个麦克风检测到的环境声的声音。
13.如权利要求1所述的偶极扬声器，其特征在于，所述一个或多个第二悬架元件调谐为具有比所述一个或多个第一悬架元件调谐为具有的谐振频率更低的谐振频率。
14.如权利要求1所述的偶极扬声器，其特征在于，所述一个或多个第二悬架元件调谐为具有20 Hz或更低的谐振频率。
15.一种用于产生低音频率的声音的偶极扬声器，其特征在于，所述偶极扬声器包括：
两个或更多个振膜的阵列，所述阵列中的每个振膜具有第一辐射表面和第二辐射表面，其中所述第一辐射表面和第二辐射表面均位于所述振膜的相对面上，其中所述第一辐射表面的组合表面积至少为100cm2，以及其中所述第二辐射表面的组合表面积至少为100cm2；
多个驱动单元，其中每个驱动单元被配置为以低音频率移动阵列中的各个所述振膜，使得所述振膜的所述第一辐射表面和第二辐射表面产生低音频率的声音，其中由所述第一辐射表面产生的声音与第二辐射表面产生的声音为异相；
框架，其中阵列中的每个振膜通过一个或多个悬架元件从所述框架悬挂，其中所述框架被配置为允许由第一辐射表面产生的声音从偶极扬声器的第一侧传播出去，并且允许由第二辐射表面产生的声音从偶极扬声器的第二侧传播出去，第一辐射表面产生的声音能够干扰第二辐射表面产生的声音；
其中，悬挂每个振膜的框架为第二框架，所述振膜通过一个或多个第一悬架元件从第一或多个框架悬挂，每个第一框架通过一个或多个第二悬架元件从所述第二框架悬挂，所述一个或多个第二悬架元件调谐为具有低于所述偶极扬声器被配置为在其上操作的频谱的谐振频率；
其中，所述偶极扬声器以用户的耳朵位于所述第一辐射表面的前面且距所述振膜中的第一个振膜的第一辐射表面40cm或更小的收听位置进行使用。
16.如权利要求15所述的偶极扬声器，其特征在于，所述扬声器被安装在座位的头枕内。
17.一种座位组件，其特征在于，包括座位和根据权利要求1-15中任一项所述的扬声器。
18.如权利要求17所述的座位组件，其特征在于，所述座位被配置为定位坐在座位上的用户，使用户的耳朵位于距扬声器的第一辐射表面30cm或更小的收听位置。
19.如权利要求18所述的座位组件，其特征在于，所述扬声器被安装在所述座位的头枕内。
20.一种车辆，其特征在于，具有根据权利要求17-19中任一项所述的座位组件。
21.一种车辆，其特征在于，具有根据权利要求1-16中任一项所述的偶极扬声器。
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