CN1387698A - 多驱动器谐振耦合扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种具有在低频范围内的大为减少的阻抗和改进的响应和功率处理的改进的扬声器(6)。本发明的优点来自于新的、同步的、多驱动器设计,其中第一驱动器(2)的输出与第二驱动器(4)的输出进行同步以产生声音上增强的输出。这种同步(24)通过输入到驱动器的输入信号的相移获得。

Description

多驱动器谐振耦合扬声器

发明领域

本发明涉及高音质扬声器领域，尤其涉及这样一种高音质扬声器，其克服回波干扰和回波消除的缺点和其它伴随高保真扬声器的问题。本发明的扬声器利用在被封装于等压腔中的多极配置的多驱动器。

发明背景

扬声器实质上是变换器，其将电能转换为物理的声能。几十年来典型的基本扬声器的设计一直没有改变。通常，扬声器驱动器由框架或机架，连在音圈上的纸盆或其它振膜，圆圈和支撑圈悬架和永久磁铁组成。通过所述振膜运动以在振膜周围的空气中产生声波来发出声音。这通过电磁铁的吸力与音圈的斥力来完成。利用可变形的圆环来将所述振膜的外周连接到机架或框架，所述可变形圆环允许振膜自由地运动并且对于保持振膜和音圈合适地对准有一定帮助。典型地，音圈为金属线圈，其形成导体。当电流通过线圈时其产生磁场。音圈被置于提供永久磁场的永久磁铁附近，永久磁场和线圈的可变磁场相互作用，引起线圈根据线圈磁场及线圈电流的极性和大小被排斥或者吸引。支撑圈和圆圈使线圈与永久磁铁保持精确对准，因此线圈中电流的微小变化能够准确地产生振膜运动和声音。

驱动器的物理特性使它们更适合于在某一频率范围内产生声音。高频声音要求驱动器能够快速地响应，但其不需要必须位移很远的距离的振膜。低频声音要求驱动器能够位移较远的距离，但其不需要快速地响应。因此，典型地，用较大的驱动器即所说的低音扬声器来产生低频声音而将非常小的刚硬的驱动器即所说的高音扬声器用于高频声音。通常，高音质扬声器具有多驱动器用于产生各种频率范围内的声音。许多扬声器具有至少一个低音扬声器、中音扬声器和高音扬声器以再现整个可听到的声音频谱，然而，正如下面公开所述，这可通过其它方式来获得。

在典型的驱动器设计中固有的一个问题是当振膜从延伸位置弹回时产生的“回波”。这就产生了声波，其从所述振膜的退回中发出，如果不加以控制振膜，将干扰甚至消除振膜产生的原始声音。

一种处理回波干扰的方法是在封闭室中安装所述驱动器，所述封闭室将吸收绝大多数回波防止它们到达听者。这就是众所周知的“声支撑”扬声器。另一种常用的处理回波反射的方法是允许部分声波通过通孔(vent)或端口(port)到达收听区域。这就是众所周知的“低音反射”设计。然而，另一种方法涉及无源辐射器或“低音驱动器(dronedriver)”的使用，所述无源辐射器被回波所振动从而吸收能量并且有助于消除回波。所有这些方法对消除回波干扰有一些帮助，然而它们以丢失能量和性能为代价完成所述作用。

也可以利用双极扬声器室配置来处理回波干扰。典型的双极配置使用安装在扬声器室的前部和后部的两个相同的驱动器。这两个驱动器被同相驱动以从所述扬声器室的前部和后部发出相同的波。这消除了回波对消问题，因为所述波未同相的，但是由于需要克服在所述室中增加的压力，驱动器可允许响应降低和损失能量。

由于振膜或纸盆的变形由音圈和永久磁铁的不对准导致伴随当前扬声器技术的另外的问题。驱动器圆圈和支撑圈必须是可变形的以提供对电输入的必要响应，但这使驱动器振膜及其易受穿过其表面的不平衡气压影响。当振膜遇到由是不连续或气流图形产生的不平衡气压时，所述振膜变形引起所附音圈绕其中轴旋转。这使得永久磁铁的精确的平衡磁场和音圈对不准，由此引起感应变化且从放大器返回的电流增加。这导致处理能力降低、响应变差且声音不能被准确再现。

利用异相配置可克服同相双极设计遇到的压力问题。在典型的异相双极配置中，将相同的驱动器安装在相反方向上并被等压腔连接。然而，一个驱动器被以与另一个驱动器相反的极性绕线使得尽管面向相反方向两个驱动器的振膜在同一方向上运动。这种配置使所述等压腔保持恒定的容量和压力。当一个振膜向外运动时，另一个振膜以相同的量相内运动。尽管所述压力问题得到了减少，驱动器间的干扰仍是问题。

发明内容

本发明为多驱动器，共振扬声器，其减少或消除现有技术的问题并且提供很好地增加的功率处理、扩展的、更好的线性、对低频的响应、中频响应增加和更低的内部调制失真。

本发明包括多个驱动器，其被安装和定向成使来自至少一个驱动器的回波可与至少另一个驱动器的波阵面一致从而引起所述回波和所述波阵面间的干扰。本发明的同步电路使在被发射到其它一些驱动器的信号中的相移以使得回波和波阵面间的干扰导致增强所有驱动器输出。正如在一个优选实施例中，可将本发明的驱动器以多极、等压配置安装，或者它们可以其它配置被安装，该配置受益于本发明的同步和增强的输出。

在本发明的一些优选实施例中，将偶数个驱动器安装在等压腔中，该等压腔做成以将所述驱动器围在最小的容积中的大小并定向。驱动器可被定向以面向所述室或背向所述室。本发明中使用的驱动器被分成多对，在每一对中的一个驱动器面向所述扬声器集的外部并且一个驱动器面向等压腔的内部。在本发明中使用一种新的二级选频网络来以这种多极、等压配置集成驱动器。

已知无源和有源选频网络用于对到扬声器驱动器的输入信号进行滤波。低通、高通、带通和带阻滤波器被用来限制发送到给定驱动器的信号频率。这些常规选频网络可与本发明一起使用，然而在驱动器对相互间也使用一种新的二级网络以使所述驱动器对的运动同步。常规的异相多极扬声器被用直接的反极性进行绕线并且没有二级选频网络。本发明的二级成对驱动器选频网络被用于调整成对驱动器之间的相位关系使得来自外驱动器的回波一致于且增强来自内驱动器的波阵面从而增加从所述内驱动器的声腔发出的组合波的幅度。通过在所述内驱动器的声腔的端口测量对平方波信号的响应，可以测量这种增强。

因此，本发明的一些优选实施例提供了一种具有增加频率范围的扬声器。

本发明的一些优选实施例提供了一种具有大为降低的内部调制失真的扬声器。

本发明的一些优选实施例也提供了一种具有更好的功率处理的扬声器。

此外，本发明的一些优选实施例提供了一种具有快速响应的扬声器。

而且，本发明的一些优选实施例提供了一种具有更低谐振频率的的扬声器。

本发明的一些优选实施例提供了一种扬声器，其提供了整个中频的全范围响应而不需使用常规的中频驱动器。

本发明的一些优选实施例也提供了一种具有更大的、更好的线性动态范围的扬声器。

附图简要说明

为了获得上述的方法(manner)和本发明的其它优点，通过参照在附图中说明的特定实施例给出前面简要描述的本发明的更为详细的说明。理解了这些附图仅描述本发明的典型实施例并且因此不被认为是对其范围的限制，本发明将被通过使用附图结合另外的特征和细节进行描述和说明，其中：

图1为本发明的第一实施例的扬声器室、驱动器和其它组件的剖视图；

图2为本发明的第二实施例的扬声器室、驱动器和其它组件的剖视图；

图3为本发明的二级多驱动器选频网络的原理图。

具体实施方式

在下面的描述中，通过参照有助于说明用于执行本发明的装置、系统和方法的优选实施例的结果或处理的功能方框图、原理图、功能流程图、程序流程图和其它图说明对本发明的优选实施例进行描述按照这种方式使用所述图形和其它说明不应当被解释为对其范围的限制。

参见图1，可理解本发明优选实施例的实际布置，其中一对相似的驱动器包括：外驱动器2，其直接发出声音到扬声器室6的外部；和内驱动器4，其直接发出声音到声腔8。驱动器2和4可朝向相反方向，互相垂直，以多级配置或多个其它配置。等压腔10为密封性很好的封闭腔。驱动器2和4被安装在等压腔10使得它们的振膜，即外振膜12和内振膜14，按照没有补偿的任一振膜的位移将引起所述等压腔10的容积变化这样一种方式形成等压腔的一部分。在这种配置中，外振膜12的运动将引起内振膜14基本相等的运动。如果外振膜12被安装朝外，其运动引起等压腔10的容积增加并且在腔10内相应的空气压力的降低。这种降低的压力将振膜14拉向腔10从而产生内振膜14的位移。如此，外振膜12和内振膜14被用等压腔10内的气体运动物理地连接。

相对于所使用的驱动器的大小，应当保持等压腔10的容积尽可能地小。很小的腔容积在驱动器间产生脆弱的气体连接，所述驱动器在腔10中的压缩空气中产生更快的响应时间和更少的能量损失。即使对于在等压腔10中的最小的容积，驱动器2和4之间仍然保持较短距离。

在现有技术的多极、等压扬声器中，除了输入到一个转到一个驱动驱动器的信号被反相之外，一对驱动器被输入完全相同的信号。典型地，通过切换输入到一个驱动器的输入信号的极性来获得此目的。这种安装使得具有相反朝向的驱动器同时在相同方向运动。然而，这种现有技术的安装没有解决由驱动器间的距离产生的滞后。

从驱动器2散发出的本质上为位于等压腔19内的压力波的声波在遇到它们的来自从驱动器4发出的相同信号序列的相应波之前它们必须穿过此距离。这种滞后引起驱动器工作不同步并且引起驱动器输出之间的干扰和消除。本发明的多驱动器同步电路(MD sync)能解决驱动器之间的这种滞后并且将外驱动器2的回波与产生加强或增强波的内驱动器4的波阵面进行同步，所述加强或增强波散发进入声腔8。

常规的多驱动器扬声器有多个具有使每一个驱动器更加适合在给定频谱中产生声音的可变特征的驱动器。由于每一个这种驱动器很适合于一个特定频率范围，使用选频网络来将输入信号过滤成多个频率范围。这可通过使用电感、电容或其它元件的无源滤波器来完成或通过可能采用运算放大器或甚至数字电路的有源滤波器来完成。本发明的扬声器可以也可以不利用选频网络，然而选频网络对于本发明来说是优选的，其利用多驱动器而不是被连接到所述MD同步电路的多个驱动器。在图1所示的本发明的优选实施例中，高音扬声器16被用于产生高频声音。高音扬声器被利用本行业中所熟知的典型的导线18直接连接到常规的交叉电路22。尽管中频驱动器也能被用于本发明的特定实施例，但是，由于通过用MD同步电路增强的多驱动器低音扬声器获得的响应性和范围扩展的增加，其不是必须的。

在本发明当前的优选实施例中，成对驱动器2和4为10″低音扬声器，其在从小于20Hz到高于1KHz的范围内，其中包括典型的中频，提供良好的响应。因此，本发明的一个优点是消除了对常规中频驱动器的需要和费用。

如图2所示，成对驱动器2和4也可被配置为面对面朝向。这种配置有助于使由驱动器振膜形成的等压腔10中的空气体积最小。这也使得驱动器更加接近从而减少外驱动器2的回波在与内驱动器4的波阵面一致前必须穿越的距离。这种朝向要求的相移修正比具有更大驱动器间距的扬声器所要求的相移修正更少，然而，所述MD同步电路仍然提供具有这种朝向的明显的性能提高。

本发明的成对驱动器被用本领域熟知的典型的导线26和28电连接到本发明的新的MD同步电路。然而，通过使所述成对驱动器同步，而不是将一个驱动器按正常极性连接并将另一个驱动器按相反极性连线，本发明新的MD同步电路被用来改善多驱动器组合的性能。

如图3所示，本发明的MD同步电路包括使在多极、等压配置或其它一些多驱动器配置中使用的一对或多对驱动器的工作同步的电路。MD同步电路24包括输入导线(input lead)30，其从诸如声音系统的声频输出之类的声源接收信号。这种信号可被直接输入到输入导线30或者经选频网络发送，所述选频网络为所使用的特定驱动器对的输入信号进行滤波。当与低音扬声器一起使用MD同步电路时，正如在一优选实施例中一样，所述输入信号优选地被经适合于所使用的驱动器的低通滤波器输入。不论使用滤波器或是选频网络，输入信号导线被连接到输入导线30。

图3的MD同步电路说明了用于本发明优选实施例的电路，其利用成对的10″低音扬声器提供产生低频和中频声音。电路元件值将随着驱动器布置和朝向及驱动器大小而变化。

参见图3，正极输入导线32直接连接到负极内驱动器输出导线42。正极输入导线32也经初级电感36用常规导线连接到正极外驱动器输出导线44。负极输入导线34直接地连接到负极外驱动器输出导线46。负极输入导线34也经同步电感38连接到正极内驱动器输出导线40。应当理解，初级电感36提供了输入信号中的相移，其将本发明优选实施例的低音扬声器的低频信号与发送到高音扬声器的高频信号对准。同步电感38进一步引进相移以将外驱动器2的回波与内驱动器4的波阵面同步。

负极外驱动器输出导线46连接到负极外驱动器终端50。正极外驱动器输出导线44连接到正极外驱动器终端48。负极内驱动器输出导线42连接到负极内驱动器终端54。正极内驱动器输出导线40连接到正极内驱动器终端52。这种连接配置有效地以改进的相对于外驱动器4的反向极性连接内驱动器4。

通过分析调谐过程获得在本发明的MD同步电路中使用的元件值。开始调谐过程时，利用已知的用于计算大约2KHz和3KHz之间的常规的选频截止频率的技术选择初级电感36。可将Thiele-Samll参数用于这些计算。大多数常用的计算技术将产生具有在1.5mH左右到2mH左右之间的值的电感。

一旦选择初级电感并将其放在电路中，所述同步电感38暂时被短路所代替。然后将麦克风放在内驱动器的输出离开所述室的地方。对于封闭盒室，典型地，将麦克风放在相对于内驱动器最远侧的地点的盒子的外部。对于开口盒子或传输线室，麦克风将被放置在所述端口或传输线的末端。对于诸如在图1和2中所示的具有声腔8的开口盒子，麦克风被放置在所述开口处。

然后，在输入导线30处引入脉冲信号，并且来自所述驱动器的输出结果被所述麦克风拾取并且被用合适的设备进行分析。快速付立叶变换(FFT)系统为优选地用于这一步的调谐方法，因为信号结果能够容易地被选出并在计算机屏幕上观察。然而，示波器也可能被用于这一步处理。响应结果具有由短时间间隔分隔开的两个波峰。这些波峰被理解为对应于来自内驱动器的原始波阵面和来自外驱动器的回波。

调谐过程将信号中的相移引入内驱动器，其将对准所述两个波峰。这通过使用同步电感38完成。通过将具有各种值的导线传入到同步线圈38处的电路的电路获得所述波峰的实际同步。典型地，同步线圈38将具有高于初级线圈36的值。初级线圈36的值为一好的起始点用于对同步线圈38的第一试用值，尤其是在面对面系统和具有极其接近的驱动器振膜的系统中。在所述驱动器振膜不是如此靠近的系统中，跟高的起始值可减少调音处理的时间。

一旦同步线圈38被引入，脉冲被再次经输入导线30发送，并且响应结果被测量。所述波峰很可相互能靠得很近。当引入具有不同值的同步线圈时这种处理被重复执行直到响应波峰重合形成一个响应。随着两个响应被峰重合形成一个最大波，结果会产生一个最大幅度的响应脉冲。

在本发明的另一个实施例中，12″低音扬声器被放在相似于图2所示的室中的面对面的配置中。通过上述处理得到的电感值分别为10.75mH和11.5mH，分别用于初级和同步电感。

在本发明的另一个实施例中，61/2″驱动器在室中被背靠背定向，所述室与图1所示的相似。通过上述处理得到的电感值分别为0.18mH和2.0mH，分别用于初级和同步线圈。

应当注意，尽管电感被优选用于与MD同步电路完成相移，但是也可以使用其它电气和电子元件。电容可被使用来完成输入信号中的相同相移。数字电路也可被使用来获得同步化驱动器波的相同结果。

本发明可以是其它形式的实施例，而没有背离本发明的精神或本质特征。所描述的实施例被认为仅是在各方面进行说明而不是限制性的。因此，本发明的范围被所附权利要求书而不是前面的描述所说明。所有来自权利要求书中的等价的意图和范围的改变均包括在 书的范围内。

Claims (13)

1.一种扬声器设备，包括：

至少一组驱动器；

同步电路，用于使所述驱动器组的输出同步，使得一个或多个第一驱动器的输出在声音上增强所述组中的一个或多个其它驱动器的输出。

2.根据权利要求1的扬声器设备，进一步包括至少一个等压腔，并且其中所述驱动器组包括多对基本上相似的驱动器。

3.根据权利要求1的扬声器设备，进一步包括至少一个用于接收来自所述组中的至少一个所述驱动器的输出的声腔。

4.根据权利要求1的扬声器设备，其中所述同步电路使输入到所述驱动器的输入信号同步，使得由所述输入信号产生的至少一个所述第一驱动器的输出使由所述输入信号产生的至少另一个所述驱动器的输出增强。

5.根据权利要求1的扬声器设备，其中所述同步电路使输入到所述至少一个第一驱动器和所述至少一个其它驱动器的输入信号同步，使得所述至少一个第一驱动器的回波使所述至少一个其它驱动器的波阵面增强。

6.一种扬声器设备，包括：

至少一个等压腔；

至少一个扬声器室；

至少一个声腔；

至少一组驱动器，其中所述组包括多对基本上相似的驱动器，所述驱动器对包括第一驱动器和第二驱动器；

同步电路，用于使所述驱动器组的输出同步，使得至少一个第一驱动器的输出在声音上增强所述组中的至少一个第二驱动器的输出。

7.根据权利要求6的扬声器设备，其中所述声腔位于所述室内，并且其中所述驱动器对的所述第一驱动器将它们的前面的输出引出所述室，并且所述驱动器对的所述第二驱动器将它们的前面的输出引入位于所述室内的所述声腔。

8.根据权利要求6的扬声器设备，其中所述第一驱动器被相对于所述第二驱动器定向和定位，使得来自所述第一驱动器的回波被引向所述第二驱动器，并且所述同步电路引起所述第二驱动器在所述回波到达所述第二驱动器从而形成增强波的精确瞬间接收信号并且产生波阵面。

9.根据权利要求8的扬声器设备，其中所述增强波进入所述声腔，其中其被引到所述室的外部。

10.一种扬声器设备，包括：

至少一个扬声器室；

至少一个等压腔；

至少一个声腔；

至少一对基本上相似的驱动器，所述至少一对驱动器中的每一对驱动器包括第一驱动器和第二驱动器，每一个所述第一驱动器被与第二驱动器一起安装在所述至少一个等压腔中，使得每一个所述第一驱动器的振膜引起在它的成对的第二驱动器的振膜中的相应的运动，所述第二驱动器被定向使得它们的波阵面输出被引出室并且它们的回波输出被引入所述第二驱动器，所述第二驱动器被定向使得它们的波阵面输出被引入所述声腔；

同步电路，用于使所述驱动器对的输出同步，使得所述第一驱动器的回波输出在声音上增强所述第二驱动器的波阵面输出从而形成增强波。

11.根据权利要求10的扬声器设备，其中所述声腔在所述第一驱动器的波阵面的方向上引导所述增强波。

12.一种扬声器设备，包括：

用于从原始电信号产生第一波阵面和第一回波的装置；和

用于产生增强所述回波的第二波的装置。

13.根据权利要求12的扬声器设备，其中所述第二波从为所述原始电信号的相移形式的信号产生。

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