CN112104956A - 被动辐射器和包含被动辐射器的电声装置 - Google Patents

被动辐射器和包含被动辐射器的电声装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了被动辐射器，其包括线圈‑磁铁结构、振膜和分流电路，所述线圈‑磁铁结构的线圈连接至分流电路并用于提供附加至所述振膜的声质量。本发明可以通过调整分流电路参数从而改变被动辐射器的声学振动特性。

Description

被动辐射器和包含被动辐射器的电声装置
技术领域
本发明属于电声装置领域，尤其涉及一种被动辐射器和包含被动辐射器的电声装置。
背景技术
传统音箱的低频辐射效率(或称低频频响)受箱体体积的限制。一般的，在音箱壁面开孔并安装一个振膜，在低频额外地形成一个低频共振，此振膜称为被动辐射器。当主动发声的扬声器在被动振膜与箱体形成的共振频率(f0)附近驱动声波辐射时，箱体内的声波会推动被动振膜以极大的振幅振动，被动振膜辐射的声压占主导，从而增强在该频率附近的声波辐射效率。但是，传统的被动辐射器有一些难以克服的缺点：1、传统的被动辐射器是一种悬挂系统，具有固有的阻尼，而阻尼会降低这种被动辐射器的效率。2、传统的被动辐射器给音箱带来了一个额外的声质量，因此让音箱在低频增加一个共振点，从而增加低频的辐射效率，一旦设计完成并安装后就很难调整它的声质量。参见图1A和图1B所示的传统被动辐射器，图1A示出的传统被动辐射器由橡胶或泡沫悬挂及悬挂质量板构成，图1B所示的传统被动辐射器由扬声器纸盆(拆除扬声器的磁铁部分后的剩余部分)和骨架构成，它们都是单自由度系统，设计加工完成后无法调节刚度和声质量等参数，另一方面，这种被动振膜的阻尼参数依赖于材料参数，材料一旦选定，阻尼参数即确定，无法修改。因此，传统被动辐射器与扬声器箱体及主动发声扬声器组成了一种双自由度发声系统，难以调节。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种新型的被动辐射器，其包括线圈-磁铁结构、振膜和分流电路，所述线圈-磁铁结构的线圈连接至分流电路并用于提供附加至所述振膜的声质量。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述振膜为板状振膜。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述线圈-磁铁结构和所述板状振膜设置在骨架上。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述骨架包括第一环形部、第二环形部和连接所述第一环形部和所述第二环形部的连接部，所述板状振膜设置在所述第一环形部内侧并通过弹性悬挂与所述第一环形部连接，所述线圈-磁体结构固定在所述第二环形部内侧。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述振膜为盆状振膜，所述盆状振膜和所述线圈-磁铁结构构成动圈扬声器。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述分流电路为有源分流电路或无源分流电路。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述分流电路包括运算放大电路、第一平衡电阻、第二平衡电阻、第一负载和第二负载，所述运算放大器的反向输入端和输出端之间连接有第一平衡电阻或第一负载，所述运算放大器的正向输入端和输出端之间连接有第二平衡电阻或第一平衡电阻，所述运算放大器的反向输入端通过第一负载连接至所述线圈的一端，所述运算放大器的正向输入端通过第二负载或者第二平衡电阻连接至所述线圈的另一端。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述第一负载和/或所述第二负载为RLC电路。
根据本发明的被动辐射器，优选地，所述RLC电路为串联型RLC电路。
本发明还提供了一种电声装置，其包括根据本发明的被动辐射器。
与现有技术相比，本发明通过引入电路耦合增加了一个自由度，即可以通过调整分流电路参数从而改变被动辐射器的声学振动特性。当一个或者多个本发明的所述被动辐射器安装于音箱壁面时，即可以通过调整电路参数来微调音箱的低频频率响应。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1A和1B分别示出两种传统的被动辐射器；
图2A和2B分别为根据本发明的第一实施例的被动辐射器的立体视图和纵剖面视图；
图3为根据本发明的第二实施例的被动辐射器的纵剖面视图；
图4为图3中所示的分流电路的电路图；
图5示出图4的分流电路中的第一负载14和第二负载18的电路构成；
图6为根据本发明的第三实施例的被动辐射器的分流电路的电路图；
图7为根据本发明的第四实施例的音箱的纵剖面视图；
图8示出传统封闭式音箱的频率响应；
图9示出阻尼对传统被动辐射器的影响；以及
图10示出没有被动辐射器的小型音箱、安装有传统被动辐射器的小型音箱和安装有本发明所述的被动辐射器的小型音箱的幅频响应曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
该实施例提供一种被动辐射器，参见图2A所示的该实施例的被动辐射器的立体剖视图和图2B所示的该实施例的被动辐射器的纵剖面视图，被动辐射器包括骨架3，该骨架3包括第一环形部3-1、第二环形部3-2和连接第一和第二环形部的连接部3-3，连接部3-3的截面为“L”形，第一环形部3-1的内直径和外直径分别大于第二环形部3-2的内直径和外直径，第一环形部3-1的内侧设置有质量板1并且通过弹性悬挂2连接质量板1，缠绕有线圈8的线圈纸环或铝环7通过第二环形部3-2的内侧抵接至质量板1，第二环形部3-2的外侧依次设置有导磁体4、永磁体5和导磁体软铁6，导磁体4和永磁体5分别为厚度不同的环形，导磁体软铁6包括圆盘部分和圆柱部分，截面为“T”形，圆柱部分的一部分插入线圈纸环或铝环7内。在本发明中，线圈8的两个信号输入端分别通过导线9连接至分流电路10。通电的线圈8在磁体的作用下构成动圈，通过磁场和线圈的耦合改变被动辐射器的声学阻抗。
从结构上来说，由于分流电路10的引入，本发明的被动辐射器是一种双自由度系统，与箱体和主动发声扬声器结合即成为一个三自由度发声系统。通过调整分流电路参数可以等效地调整被动辐射器的振动参数，例如等效刚度，等效质量，等效阻尼等。
第二实施例
图3是根据本发明的第二实施例的被动辐射器的纵剖面视图，其包括盆状振膜、磁铁、线圈和借由导线12连接至线圈两端的分流电路13。本领域技术人员能够理解，在该第二实施例中，盆状振膜、磁铁和线圈构成传统的动圈扬声器11，也就是说，基于该第二实施例，可以很容易地将传统动圈扬声器改造为本发明的被动辐射器，在传统动圈扬声器的线圈两端连接分流电路即可。动圈扬声器是最常用的扬声器，也称为电动式扬声器，扬声器中的线圈运动，就带动膜片振动，继而压缩或拉伸空气，从而传播声波。传动的扬声器都是用来主动发声，但是在本发明中，将扬声器接入分流电路之后作为非主动发声的被动辐射器。分流电路13的具体结构如图4所示，第一负载14的一端和第二负载18的一端分别连接至运算放大器16的反相输入端和同相输入端，第一平衡电阻15的两端连接至运算放大器16的反相输入端和输出端之间，第二平衡电阻17的两端连接至运算放大器16的同相输入端和输出端之间，第一负载14的另一端和第二负载18的另一端作为整个分流电路的两端连接至动圈扬声器11的两个动圈引线端口。
第一负载14和第二负载18的电阻抗值为Z14和Z18，电阻抗值由具体接入的电路元件决定。第一负载14和第二负载18一般由电阻、电容和电感这三种基本原件组成，图5示出第一负载14和第二负载18的示意性示例，其分别包括串联的电容、电感和电阻。返回图4，第一平衡电阻15和第二平衡电阻17的电阻值分别为R15和R17。图4所示的分流电路的等效电阻抗可以表示为：
Figure BDA0002096759750000041
为了设计简单，让R15＝R17，则图4所示的分流电路的等效电阻抗为Ze＝Z14-Z18。如图5所示出的，第一负载14由电容19、电感20和电阻21构成，那么第一负载14的电阻抗即为
Figure BDA0002096759750000051
其中C19，L20和R21分别为电容19、电感20、电阻21的电容值、电感值以及电阻值，i为虚数单位，ω为角频率。同样的，第二负载18为由电容22、电感23和电阻24构成的R-LC串联电路，它的电阻抗为
Figure BDA0002096759750000052
其中C22，L23和R24分别为电容22、电感23、电阻24的电容值、电感值以及电阻值。
因此，当R15＝R17时，总的电阻抗即为
Figure BDA0002096759750000053
整个电路的等效电容、等效电感及等效电阻分别为
Figure BDA0002096759750000054
当Z18具有的等效电阻大于Z14时，Ze的等效电阻即为负值，即Reff<0。电路反馈给振膜的声阻抗为(即线圈-磁铁会将电阻抗转换为声阻抗)。
Figure BDA0002096759750000055
其中SD为被动辐射器表面积，即振膜的轴向投射的面积。这个电路引入的声阻抗会改变振膜的声学特性。振膜本身的声学阻抗可表达为
Figure BDA0002096759750000056
其中χD为声抗，δD为声阻。被动辐射器接入分流电路后阻抗可表达为
ZP＝ZD+ΔZ。
当分流电路等效于一个负电阻时，ΔZ是一个负阻尼，可以用来抵消振膜的正阻尼δD，从而提高被动辐射器的效率。
第三实施例
该第三实施例提供又一种被动辐射器，其纵剖面视图同样参见图3，区别在于该第三实施例采用图6所示的分流电路构成一种新的被动辐射器。该实施例的分流电路中，运算放大器的两个输入端分别连接至第一负载14的一端和第二平衡电阻17的一端，第二负载18的两端连接至运算放大器16的反相输入端和输出端之间，第一平衡电阻15的两端连接至运算放大器16的同相输入端和输出端之间，第一负载14的另一端和第二平衡电阻18的另一端作为整个分流电路的两端连接至动圈扬声器的两个动圈引线端口。
基于与前述类似的分析，分流电路的等效电阻抗为
Figure BDA0002096759750000061
前述功能和电路分析同样适用。
本发明所提供的实施例中的分流电路既可以是无源的模拟电路，也可以为有源的模拟电路。有源的模拟电路能够引入负的声学阻尼，该负阻尼能够抵消悬挂中固有的正阻尼，从而提高被动辐射器的效率，有源的模拟电路还可以引入一个由电路参数决定的正声质量附加于振膜本身的声质量，从而具有可调性。另外，虽然无源的模拟电路无法引入负阻尼，但是其可以引入一个由电路参数决定的正声质量，该正声质量附加于振膜本身的声质量，从而具有一定的可调性。
当负载Z14和Z18采用图5所示的电路时，电路反馈给被动辐射器的声阻抗为
Figure BDA0002096759750000062
频率
Figure BDA0002096759750000063
时，并且
Figure BDA0002096759750000064
上式可简化为
Figure BDA0002096759750000065
meff即为等效声质量，这个声质量附加于振膜本身的声质量，从而调整电容值，即可调整被动振膜的等效声质量，使被动辐射器达到最好的效率。
第四实施例
该实施例提供一种封闭式音箱，其具体结构如图7所示，包括箱体17，设置在箱体17内的主动发声扬声器驱动器15和被动辐射器14，主动发声扬声器驱动器15连接至驱动电源16，被动辐射器14为本发明的被动辐射器，优选为前述第二和第三实施例的被动辐射器或其变型。被动辐射器14用胶水或者螺丝紧固在箱体17内部。当驱动电源16输入驱动电压至主动发声扬声器驱动器15时，主动发声扬声器驱动器发出的声波使箱体内部的空气压缩或者膨胀。在箱体内的声波会推动被动辐射器14的锥形振膜运动，从而调节整个音箱输出声音的空间感等声学表现。
对于传统封闭式音箱，它的频率响应通常如图8所示，当频率低于封闭式音箱的共振频率fr时，随着频率的下降，音箱的响应亦下降，每倍频程下降12dB。音箱的共振频率决定于箱体的体积(VB)，扬声器振膜的动质量(mD)，扬声器振膜的悬挂刚度(kD)。具体来说
Figure BDA0002096759750000071
其中ρ0，c0和SD分别为空气的密度，声速及扬声器驱动器表面积。可见如果箱体的体积(VB)很小，fr会很大。即是说一个小体积的封闭式音箱在低频的频响会很差。表现在频谱上即是当低于fr时，音箱的频率响应曲线的幅值随着频率的下降而下降，大概每个倍频程下降12dB，这是所有封闭式扬声器的共有特性。改善小体积封闭式音箱通常是安装一个被动辐射器。
对于一个安装有被动辐射器的音箱。传统的被动辐射器是一块简单的振膜，它的共振频率(fa)略低于主动发声的扬声器驱动器的共振频率(fr)。当驱动电压的频率在fa附近时，被动辐射器的振幅极大，此时主要是被动振膜发出声音，从而在fa频率附近改善音箱的幅频响应。然而，传统的被动振膜有固有的阻尼，这会极大的降低它的效率，使其无法很好的改善音箱的低频响应。如图9所示，被动振膜阻尼增加时，传统被动振膜对音箱低频频响的改善越来越小。
为了体现本发明的效果，发明人理论计算了没有被动辐射器的小型音箱、安装有传统被动辐射器的小型音箱和安装有本发明所述的被动辐射器的小型音箱的幅频响应曲线，具体结果参见图10。可以看出，以平坦响应为基准(0dB)，-10dB为标准衡量被动辐射器时，本发明的被动辐射器能更有效的在低频改善频响。这表明本发明的被动辐射器能使小型音箱具有更低的截止频率。以-6dB为基准亦可得到同样的结果。在此计算中，传统被动辐射器的阻尼是空气声阻尼的0.3倍。带分流电路的被动辐射器的机械参数与传统被动辐射器参数一致，但是本发明所述的被动辐射器接入如图4或者图6所示的电路，这个电路的等效电容(Ceff)，电感(Leff)，电阻(Reff)分别为1mF,1mH以及-15Ω,线圈及磁铁耦合的力系数Bl＝4Tm。可以计算出在电路共振时，电路引入的负的声阻抗为空气声阻抗的-0.25倍，被动辐射器总的声阻抗为0.05倍空气，仍然为正，可以保证系统的稳定性。
在本发明中，将振膜与线圈-磁铁结构结合构成被动辐射器，通过分流电路来调节整个被动辐射器的声阻抗。振膜可以为平面振膜，也可以为盆状振膜，盆状振膜与线圈-磁铁结构就构成传统的扬声器结构。与传统的被动辐射器相比，本发明的被动辐射器可以通过调节分流电路参数改变声学性质，当其用于音箱时，用户可以通过调整电路参数获得自己需要的音效。
根据本发明的其他实施例，在本领域公知的其他电声装置中设置本发明的被动辐射器，达到调节电声装置的声学性质的目的。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种被动辐射器，其包括线圈-磁铁结构、振膜和分流电路，所述线圈-磁铁结构的线圈连接至分流电路并用于提供附加至所述振膜的声质量。
2.根据权利要求1所述的被动辐射器，其中，所述振膜为板状振膜或者盆状振膜。
3.根据权利要求2所述的被动辐射器，其中，所述线圈-磁铁结构和所述板状振膜设置在骨架上。
4.根据权利要求3所述的被动辐射器，其中，所述骨架包括第一环形部、第二环形部和连接所述第一环形部和所述第二环形部的连接部，所述板状振膜设置在所述第一环形部内侧并通过弹性悬挂与所述第一环形部连接，所述线圈-磁体结构固定在所述第二环形部内侧。
5.根据权利要求1所述的被动辐射器，其中，所述振膜为盆状振膜，所述盆状振膜和所述线圈-磁铁结构构成动圈扬声器。
6.根据权利要求1所述的被动辐射器，其中，所述分流电路为有源分流电路或无源分流电路。
7.根据权利要求1所述的被动辐射器，其中，所述分流电路包括运算放大电路、第一平衡电阻、第二平衡电阻、第一负载和第二负载，所述运算放大器的反向输入端和输出端之间连接有第一平衡电阻或第一负载，所述运算放大器的正向输入端和输出端之间连接有第二平衡电阻或第一平衡电阻，所述运算放大器的反向输入端通过第一负载连接至所述线圈的一端，所述运算放大器的正向输入端通过第二负载或者第二平衡电阻连接至所述线圈的另一端。
8.根据权利要求7所述的被动辐射器，其中，所述第一负载和/或所述第二负载为RLC电路。
9.根据权利要求8所述的被动辐射器，其中，所述RLC电路为串联型RLC电路。
10.一种电声装置，包括根据前述权利要求中任一项所述的被动辐射器。
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