CN1438816A - 螺旋形声学波导式电声换能系统 - Google Patents

螺旋形声学波导式电声换能系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种声学波导和用于传输在传播压力波能量的介质中的电声换能器所产生的压力波能量的系统。该声学波导和系统包括形成长度为L的一个螺旋形通道的管。该管具有第一端部和第二端部,第一端部封闭,第二端部向介质开放。该管有一个换能器开口,用于容纳位于该管的第一和第二端部之间的电声换能器。该系统包括安装在该声学波导的一个电声换能器。

Description

螺旋形声学波导式 电声换能系统
技术领域
本发明涉及声学波导式电声换能系统。
背景技术
作为背景技术,可参考Bose的美国专利4628528和Bose的美国专利6278789B1。这里引用该二个专利作参考。
发明内容
本发明的一个重要目的是要提供一种改进的声学波导以及一种在较紧凑的结构内具有长的波导通道的电声换能系统。
一方面,本发明特征在于一种用于传输电声换能器在传播压力波能量的介质中所产生的压力波能量的声学波导。该声学波导具有形成一个长度为L的螺旋形通道的管。该管具有第一端部和第二端部,并在靠近该管第一端部的位置具有一个换能器开口,用于容纳电声换能器。该管的第二端部向介质开放。
本发明的实施例可以包括一个或多个下列特点。该螺旋形通道可以具有随半径平滑变化的曲率。另外,波导的各内壁可以是相连接的。通道的有效长度L可以大约为要由该波导传输的频率最低的压力波能量的波长的1/4。所传输的最低频率基本上相应于这样一个频率:在该频率以下,输出随着频率开始显著地连续地下降。该管可以形成一个矩形横截面的螺旋形通道。该管形成的螺旋形通道,可以是在单一的一个平面上盘绕,构成一个平面螺旋形;或在多个平面上盘绕,形成一个空间螺旋形。
本发明的另一个方面是,一种用于传输电声换能器在传播压力波能量的介质中所产生的压力波能量的声学波导,该波导包括:一根具有第一端部和第二端部、并作成螺旋形形状的管。该管的第一端部封闭,其第二端部向介质开放,并且在该管上第一端部和第二端部之间有一个用于容纳电声换能器的换能器开口。该管在换能器开口和第一端部之间形成第一螺旋形通道,在换能器开口与第二端部之间形成一个相连接的第二螺旋形通道。
本发明的实施例可包括一个或多个下列特点。该管形成的第一螺旋形通道的长度可以为1/3L,而第二螺旋形通道的长度可以为2/3L。第一螺旋形通道的长度1/3L,加上第二螺旋形通道的长度2/3L,再加上端部效应,大约为要由该波导传输的最低频压力波能量的波长的1/4。第一和第二螺旋形通道中的每一个通道都具有随半径平滑变化的曲率。该管的各内壁可以是相连接的。第一螺旋形通道的横截面可以基本上与第二螺旋形通道的横截面相同。第一、第二螺旋形通道的横截面可以为矩形的。该管可由PVC制成。形成螺旋形通道的该管可以在单一一个平面上盘绕,形成平面螺旋形。该管也可以在多个平面上盘绕,形成空间螺旋式的螺旋形。换能器壳体可以固定在该管上,该管可以具有位于该管和换能器壳体之间的第二换能器开口。该管可以为二件式结构,该二个件用螺钉、螺栓、夹子、粘接剂或胶水等装配起来。
本发明的再一个方面是,一种用于在传播压力波能量的介质中传输压力波能量的系统,该系统包括:具有可振动的表面的一个电声换能器;和一个螺旋形波导。
本发明的实施例可以具有一个或多个下列特点。
螺旋形波导允许在较紧凑的结构内有一个长的波导通道。长的波导通道可以改善扬声器系统的低音部分响应,而紧凑的结构能够尤其方便在实际空间受限制的扬声器系统(例如汽车或便携式立体声收音机)中使用。另外,螺旋形波导在通道内没有突然的90°或180°的弯曲,这可减少波导通道中的不期望的紊流现象。螺旋形波导的结构也可以是,具有一个开口和一个封闭端,换能器则放置在该开口和封闭端之间的一个特定距离上,以便减小由波导传输的声能的频率响应中的第一峰值。
本发明的其他特点、目的和优点,从下面结合附图进行的详细说明中将会变得非常清楚。
附图说明
图1A为一个顶部螺旋形声学波导件的俯视图,该波导件包括具有开放端和封闭端的电声换能系统。
图1B为图1A所示的顶部螺旋形波导件的底视图;
图1C为具有开放端和封闭端的底部螺旋形波导件的俯视图;
图1D为图1C所示的底部螺旋形波导件的底视图;
图2A为声功率输出随频率变化的曲线图,其中,(i)为在单个端部的波导端部的输出,(ii)为在通道长度比为2∶1的两通道波导的端部开放的通道的端部的输出;
图2B为换能器的声功率输出随频率变化的曲线图,其中,(i)为单端部的波导的换能器的输出,(ii)为通道长度比为2∶1的二通道波导的换能器的输出;
图3A为具有一个开放端和一个封闭端、并且具有一个换能器壳体的顶部螺旋形波导件的俯视图;
图3B为图3A所示的顶部螺旋形波导件的底视图;
图3C为具有一个开放端和一个封闭端、并具有一个换能器壳体的底部螺旋形波导件的俯视图;
图3D为图3C所示的底部螺旋形波导件的底视图;和
图3E为固定在图3C~3D所示的底部波导件上的图3A~3B所示的顶部螺旋形波导件的侧视图。
图中,相同的标号表示相同的零件。
具体实施方式
现参见附图。图1A和1B分别表示顶部波导件10的俯视图和底视图,而图1C和1D分别表示与它配合的底部波导件11的俯视图和底视图。螺旋形波导是将一个顶部波导件10与一个底部波导件11固定形成的,这样就形成一条具有一个开放端30和一个封闭端31的波导通道20(长度为L)。在这个具体的实施例中,二个波导件10和11是利用四个螺钉通过4个孔41,42,43和44来固定的。然而,该二个波导件也可以用螺钉、螺栓、钉子、夹子、接片和槽、舌片和槽、销子、胶水、粘接剂、水泥等固定。
再参见图1A和1B可看出,顶部波导件10有一个换能器开口50,电声换能器(例如扬声器换能器)(没有示出)可以安装在该开口中。在这个具体的实施例中,底部波导件11带有二个孔61,62,它们形成连接换能器和电信号源的导线的通道。换能器开口50沿着波导通道20设置,它将波导通道20分割成二个相连接的通道:一个是端部开放的通道21(长度为L1),一个是端部封闭的通道22(长度为L2)。这二个相连接的通道21,22都具有随半径平滑变化的曲率,具有基本上相同的矩形横截面,并且其中心都在同一条螺旋形轴线。
波导通道20加上任何端部效应的长度,大约为由该波导传输的最低频的压力波能量的波长的1/4。例如,如果由该波导在室温下在空气中传输的最低频的压力波能量为60HZ,则波导通道20(加上任何端部效应)的长度大约为1.4m。
波导通道20的壁是硬的。PVC、ABS、Lexan以及其他的硬塑料、金属或、木材等是制造波导壁的适当材料。
根据系统设计的不同,换能器可以安装在沿着波导通道20的任何位置上。在图1A~1D所示的实施例中,换能器开口50的形状作成可安装一个电声换能器,使端部开放的通道21的通道长度大约为端部封闭的通道22的通道长度的二倍。换能器的这个位置可以大大减小单端波导传输的声能频率响应中出现的第一共振峰值。
图2A和2B表示在波导通道开放端(图2A)和在换能器开口(图2B)处的声功率输出随频率变化的曲线图。其中,(i)为换能器位于靠近长度为L的波导通道的封闭端;(ii)为换能器位于开放端和封闭端之间,使开放端和换能器之间的距离(2/3L)大约为封闭端和换能器之间距离(1/3L)的二倍。在这个具体的实施例中,波导通道的长度大约为1.34m,具有横截面直径为7.23cm的圆形横截面,其横截面积大约为换能器横截面积的56%。在这个例子中,位于换能器后面和换能器与波导通道之间的容积大约为500cm3。如果换能器、波导的横截面面积和其他设计限制允许的话,则换能器后面和换能器与波导通道之间的容积不是必要的,或者使该容积最好尽可能小(理想为零)。在这个例子中,消除或减小换能器与波导通道之间的容积的仍然能够带来可以减小第一共振峰值的优点。
如图2A所示,在这个例子中,将换能器放置在将波导通道分成长度为1/3L的端部封闭的通道和长度为2/3L的端部开放的通道(即比值为2∶1)的位置,可以大大减小大约在200Hz处出现的第一共振峰值。同样,图2B表示换能器输出在大约200Hz处没有经历相应的零信号(即,减小位移)。
图3A~3E表示螺旋形波导式电声换能系统的另一个实施例。图3A和3B分别表示顶部波导件10的俯视图和底视图,而图3C和3D分别表示相匹配的底部波导件11的俯视图和底视图。图3E表示装配好的螺旋形波导式电声换能系统的侧视图。
图3A~3E所示的波导结构与图1A~1D所示的波导结构相类似,具有带开放端30和封闭端31的螺旋形波导通道20。换能器开口50作在顶部波导件10上,并将波导通道20分成一个端部开放的通道21和相连接的端部封闭的通道22。换能器开口沿着波导通道20设置,使端部开放的通道21的长度大约为端部封闭的通道22长度的二倍。在这个实施例中,使换能器的后部突出在所述底面之外,可以减小装配好的波导顶面和底面之间的尺寸,使其结构更紧凑。换能器的所述后部由后壳体70覆盖,该后壳体可以作成底部波导件11的一个整体部分;或可以作成一个单独的结构,然后固定在底部波导件11的后部。换能器的前侧面向换能器开口50的外面。在图3A~3E所示的实施例中,在换能器后面和换能器与波导之间形成一个容积。虽然,从声学性能观点来看,通常最好是换能器后面和换能器与波导之间的容积最小,但其他的设计考虑(例如限制波导的实际空间大小)可能需要在换能器后面和换能器与波导之间有一个容积。
已经说明了本发明的多个实施例。然而,在不偏离本发明的精神和范围的条件下,可以作各种改进。例如,在图1A~1D和图3A~3E所示的实施例中,表示了二个相连接的螺旋形通道21、22从换能器开口50辐射出来的一种螺旋形的波导组件。然而,螺旋形波导的另一个实施例可以具有一条从内端辐射至外端的螺旋形通道,而电声换能器则安装在靠近内端的地方(这样,形成单端的波导)。换能器可以安装成,使换能器的可振动表面与螺旋形波导通道的平面平行,如图1A~1D和3A~3E所示那样;或者可以安装成使该可振动表面在通道端部并与螺旋形波导通道的平面垂直。螺旋形波导可以作成波导通道盘绕在单一一个平面上的平面螺旋形(如图1A~1D和3A~3E所示);或者波导作成波导通道盘绕在一个不断变化的平面上的空间螺旋式的螺旋形(即螺旋管)。波导通道的横截面可以为矩形、圆形、椭圆形等。波导通道的长度和横截面可以根据所希望的最低传输频率、传输的介质和换能器可振动表面的表面积而改变。换能器不是必需部分或全部被波导结构封闭而使所述换能器的前端面向波导通孔50的外面;也可以例如,安装在所述波导结构的外面,使换能器的前端朝向波导通孔50内。图1A~1D和图3A~3E所示的螺旋形声学波导为一个二件式的波导通道结构,然而,二件式结构可以由包括波导壁的单一一个顶部件或底部件组成。与基本上为平面形的相应的底部或顶部件,与顶部或底部件装配时,形成波导的第四壁。或者说,波导通道的结构可以为单件式结构,或由多个固定在一起的件构成。另外的实施例可以包括阻尼材料,例如聚酯,该材料放置在一个或多个波导通道内。
显然,本领域技术人员,在不偏离本发明构思的条件下,可以对所述的特定装置和方法作许多改进。本发明可以构建成包涵这里所描述的装置和方法中的每一特征或者这些特征的新颖性的组合,并只受所附权利要求书的精神和范围限制。

Claims (39)

1.一种声学波导,用于传输电声换能器在传播压力波能量的介质中产生的压力波能量,该波导包括:
一根管,具有第一端部和第二端部,作成螺旋形形状,其中,该管形成一个长度为L的螺旋形通道;和
一个换能器开口,用于容纳电声换能器,其靠近该管的第一端部,该管的第二端部向介质开放。
2.如权利要求1所述的声学波导,其特征为,该螺旋形通道具有随着半径平滑变化的曲率。
3.如权利要求1所述的声学波导,其特征为,该管的各个内壁是相连接的。
4.如权利要求1所述的声学波导,其特征为,加上端部效应的通道长度L,大约为由该波导传输的最低频的压力波能量的波长的1/4。
5.如权利要求1所述的声学波导,其特征为,该管形成一个横截面为矩形的螺旋形通道。
6.如权利要求1所述的声学波导,其特征为,该管构成的螺旋形通道在单一一个平面上盘绕,形成一个平面螺旋形。
7.如权利要求1所述的声学波导,其特征为,该管构成的螺旋形通道在多个平面上盘绕,形成一个空间螺旋式的螺旋形。
8.一种声学波导,用于传输电声换能器在传播压力波能量的介质中产生的压力波能量,该波导包括:
一根具有第一端部和第二端部、并作成螺旋形形状的管,该管在其第一端部和第二端部之间具有一个容纳电声换能器的换能器开口,
其中,该管形成位于该管的换能器开口和该管的第一端部之间的第一螺旋形通道,和位于该管的换能器开口和该管的第二端部之间的相连接的第二螺旋形通道,
其中,该管的第一端部封闭,而该管的第二端部向介质开放。
9.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,由该管形成的第一螺旋形通道的长度为1/3L,而第二螺旋形通道的长度为2/3L。
10.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,第一螺旋形通道和第二螺旋形通道中的每一个通道都具有随半径平滑变化的曲率。
11.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,该管的内壁是相连接的。
12.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,第一螺旋形通道的长度1/3L,加上第二螺旋形通道的长度2/3L,大约为由该波导传输的最低频压力波能量的波长的1/4。
13.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,由该管形成的第一螺旋形通道的横截面,基本上与由该管形成的第二螺旋形通道的横截面相同。
14.如权利要求13所述的声学波导,其特征为,第一、第二螺旋形通道的横截面为矩形。
15.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,该管由硬塑料制成。
16.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,该管在单一一个平面上盘绕,形成平面螺旋形。
17.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,该管在多个平面上盘绕,形成空间螺旋式的螺旋形。
18.如权利要求8所述的声学波导,它还包括:
与该管固定的一个换能器壳体,
其中,该管具有位于该管和换能器壳体之间的第二电声换能器开口。
19.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,该管包括:
具有顶面和底面的上部管件,该顶面具有换能器开口;而该底面具有形成位于换能器开口和该管的第一端部之间的第一螺旋形通道的上部的第一螺旋形槽;该底面还具有与第一螺旋形槽连接的、并形成位于换能器开口和该管的第二端部之间的第二螺旋形通道的上部的第二螺旋形槽;和
具有顶面和底面的一个下部管件,该顶面具有形成位于换能器开口和该管的第一端部之间的第一螺旋形通道的下部的第一螺旋形槽;该顶面还具有与第一螺旋形槽连接、并形成位于换能器开口和该管的第二端部之间的第二螺旋形通道的下部的第二螺旋形槽,
其中,上部管件的底面固定在下部管件的顶面上,使每一个管件的第一和第二槽对准,以形成第一螺旋形通道和第二螺旋形通道。
20.如权利要求19所述的声学波导,它还包括:
固定在该管上的一个换能器壳体,
其中,下部管件的底面具有位于该管和换能器壳体之间的第二换能器开口。
21.如权利要求19所述的声学波导,其特征为,上部管件用螺钉固定在下部管件上。
22.如权利要求19所述的声学波导,其特征为,上部管件用粘接剂固定在下部管件上。
23.一种用于在传播压力波能量的介质中传输压力波能量的系统,该系统包括:
具有可振动表面的一个电声换能器;和
一个螺旋形波导,该波导包括具有第一端部和第二端部、并盘绕成螺旋形形状的一根管,该管形成一个长度为L的螺旋形通道,其中,该管的第一端部靠近电声换能器,而该管的第二端部向介质开放。
24.如权利要求23所述的系统,其特征为,该螺旋形通道具有随半径平滑变化的曲率。
25.如权利要求23所述的系统,其特征为,该管的内壁是相连接的。
26.如权利要求23所述的系统,其特征为,该通道的长度L大约为该波导传输的最低频的压力波能量的波长的1/4。
27.如权利要求23所述的系统,其特征为,该管形成横截面为矩形的螺旋形通道。
28.一种用于在传播压力波能量的介质中传输压力波能量的系统,该系统包括:
具有可振动表面的一个电声换能器;和
一个螺旋形波导,该波导包括具有第一端部和第二端部、并盘绕成螺旋形形状的一根管,该管在其第一和第二端部之间有一个换能器开口,该开口与该电声换能器声学耦合,
其中,该管形成位于该管的换能器开口和该管的第一端部之间的第一螺旋形通道,和位于该管的换能器开口和该管的第二端部之间的相连接的第二螺旋形通道,
其中,该管的第一端部封闭,而该管的第二端部向介质开放。
29.如权利要求28所述的系统,其特征为,由该管形成的第一螺旋形通道的长度为1/3L,而第二螺旋形通道的长度为2/3L。
30.如权利要求28所述的系统,其特征为,该管的内壁是相连接的。
31.如权利要求29所述的系统,其特征为,第一螺旋形通道的长度1/3L,加上第二螺旋形通道的长度2/3L,再加上端部效应,大约为由该波导传输的最低频压力波能量的波长的1/4。
32.如权利要求28所述的系统,其特征为,由该管形成的第一螺旋形通道的横截面,基本上与由该管形成的第二螺旋形通道的横截面相同。
33.如权利要求32所述的系统,其特征为,第一、第二螺旋形通道的横截面为矩形。
34.一种制造螺旋形波导的方法,它包括:
形成具有顶面和底面的第一个件,该第一个件的顶面具有一个换能器开口,第一个件的底面具有至少一个螺旋形管;
形成具有顶面和底面的第二个件,该顶面具有至少一个螺旋形槽,该槽是作在第一个件底面上的螺旋形槽的镜面图像;
将第一个件的底面和第二个件的顶面固定,使在第一个件底面上作出的槽与在第二个件顶面上作出的槽对准,从而形成一个螺旋形通道。
35.如权利要求34所述的方法,其特征为,第一个件的底面与第二个件的顶面用螺钉固定。
36.如权利要求34所述的方法,其特征为,第一个件的底面和第二个件的顶面用粘接剂固定。
37.如权利要求1所述的声学波导,其特征为,所述波导包括形成三个波导壁的第一个组件,和基本上为一块平板、包括第四个波导壁、封闭该波导的第二个组件。
38.如权利要求8所述的声学波导,其特征为,所述波导包括形成三个波导壁的第一个组件,和基本上为一块平板、包括第四个波导壁、封闭该波导的第二个组件。
39.如权利要求23所述的系统,其特征为,所述波导包括形成三个波导壁的第一个组件,和基本上为一块平板、包括第四个波导壁、封闭该波导的第二个组件。
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