CN1531835A - 声音辐射源和扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了声音辐射源，它包括置于箱壁上的至少一个振膜，从而扬声器振膜的一面向箱内辐射，该箱具有在箱内开口和箱外开口之间形成的通路，辐射源的特征在于通路包括用于在至少一个其开口内衰减气动湍流的衰减装置，所述湍流是由于振膜的大幅度位移产生的空气流动的结果。本发明还提供了声音辐射源，其中空气在从振膜延伸到导管(33)的出口(35)的导管(33)内移动通到外侧。本发明还提供了扬声器，其部件是气动形状的。

Description

声音辐射源和扬声器

本发明涉及将电信号转换成声音信号的一类声音辐射源，即转换成在空气中辐射的压力波。

这种类型的辐射源已知包括置于扬声器箱壁内的至少一个扬声器，其中振膜的一面向外部空气辐射而另一个面向箱内辐射。

扬声器箱通常具有使箱内部和外部连通的一条通路，且使由振膜所产生的压力波辐射至待向外辐射的扬声器箱。

通路形成亥姆霍兹共振器的喷孔，亥姆霍兹共振器的腔体由箱构成。在这种类型共振器的公知属性的应用中，在通路的出口处辐射的压力波和由振膜向箱内辐射的压力波反相。因此，在通路出口处辐射的压力波和由朝向箱外的振膜面辐射的压力波同相，从而两个压力波的效果相加并提高了回放(played-back)声功率。

已知这种共振器具有表示可以由共振器传送的声音频率下限的特性频率。该特性频率是通路截面的正比函数是箱的容积和通路的长度的反比函数。

为了降低共振器的特性频率并因此使其以很低的频率发送声音，必须增加箱的容积，这会使其变得笨重，或增加通路的长度，这会使其很难置于箱内，或甚至减小通路的截面。但是，当截面减小时，会发现辐射源的声音功率降低。

本发明的一个目的是提供具有比已知声音辐射源更高效率的声音辐射源，特别在低频时。

为此，本发明提供了声音辐射源，它包括具有振膜且置于箱壁内的至少一个扬声器，以使扬声器振膜的一面向箱内辐射，该箱具有一条通路，形成箱内开口和箱外开口之间的管道，根据本发明该通路包括用于至少在其一个开口内将气动湍流衰减的装置，所述湍流是由于振膜的大幅度位移而造成通路内空气流动的结果。

术语“大幅度”用于指明振膜位移，它足够使空气在通路内以相对于通路的尺寸而言发生不可忽略的位移。

在这种条件下，且不采用本发明时，通过通路开口的出口气流基本上是湍流的，由此首先无意义地耗散能量，且其次降低了声音辐射源的效率。

本发明的通路可以使在开口处产生的湍流最小，从而改善声音辐射源的效率。

因此，可以发现本发明的通路可以实现低频时声音回放的显著改善，甚至可以，和声学中通常发现的相反，在比由箱和通路形成的亥姆霍兹共振器的特性频率更低的频率时得到极好的效率。

这些现象的仔细分析使发明人提出假设，藉此从通路在出口处得到的压力波不再是以常规方式得到的波，即通过将由箱内空气形成的弹簧(spring)和由通路内空气形成的物质(mass)振动的方式。低频时，振荡器内的空气具有相当于不可压缩的流体的性质。随后，由本发明的辐射源产生的压力波是在通路内准不可压缩空气宏观位移的结果，它产生在外部空气中辐射。

因此，根据本发明调整通路的形状揭示出了用于产生不依赖空气弹性的声波的新颖模式，该新颖模式特别适于低频传送。该现象以下被称为“对流辐射”。

用于衰减湍流的装置较佳地由管道和/或开口的内部形状组成，它们被安排允许空气在通路内以规则方式流动。

术语“规则”用来表示气流趋向在气流的出口截面内以一维形式流动。应注意通过提供十分平滑而没有突变的气流截面而使气流尽可能成层流状的(laminar)。

在本发明的较佳形式中，至少一个开口是向其末端展开的形状。

因此，对于从箱的内部向外部行进的气流，内部开口呈现收缩形状，这使得通路附近的箱内部的空气速度逐渐上升从而使其能以规则方式在其间流动而不形成湍流，且因此使能量损耗最小。

在同样的流动方向中，开口外的展开部分用于将从通路逸出的空气减缓，并因此减少出口湍流。因此，这使得可以调节管道从而降低共振器的特性频率，同时在出口处向压力波提供有效的辐射表面面积，其中所述面积不限于管道的截面。

对于给定的特性频率，该调节有可能给出相比现有声音辐射源更紧凑的箱尺寸容积。

此外，根据流体力学中已知的现象，通过外部开口的发散形状得到的空气减速使得空气动能的相应变化转换成另外的压力。因此，声学上没有用的动能被转换成具有声学效果的压力，由此使得声音辐射源的效率进一步改善。

贯穿该文件，术语“内部”和“外部”是相对于箱的，而术语“收缩”和“发散”是相对于从箱内部向箱外部流动的空气的，可以理解，空气可供选择地以振膜的交替位移的速度沿一个方向流动，随后沿另一个方向流动。

在本发明有利的方面中，展开的开口的截面轮廓呈现朝向开口内部的末端凹部分。

因此，开口形成引导出口气流的喷嘴，而气流没有和开口的壁分开。

在特殊的结构中，通路在其内部开口和外部开口之间配以充气室。

该充气室用于进一步减少气流中的湍流，并因此进一步改善声音辐射源的效率。

根据有利的方面，充气室在内部开口和外部开口之间形成角度弯曲。这种安排使得提供了紧凑的通路。

至少一个开口较佳地具有适合于使开口中的气流呈薄层状的直径。

为了最佳地利用这些近来发现的现象，发明人得出结论，即代替在通路内单独寻求引导气流，更有利的是引导来自振膜附近的气流。

结果，本发明还提供了新颖类型的声音辐射源，它包括置于主体上的至少一个振膜，该主体具有通过末端部分和外部连通的管道，且振膜的一面向该管道内辐射，管道具有用于衰减在空气由于振膜的大幅度位移在管道内部流动时在末端部分产生的气动湍流的装置。

因此，和声学领域内通用的实施相反，本发明不仅寻求通过对主体内空气弹性作用来产生压力波，还引导通过振膜设定为向外运动的气流，从而它流动时具有尽可能少的湍流，因此在主体出口处起到活塞作用并在上述空气活塞的宏观位移的效果下在周围空气中产生压力波，实现对流辐射现象。

用于衰减湍流的装置较佳地由管道的内部形状组成，这些形状被安排来使空气在管道内规则地流动。

在第一变型实施例中，管道具有展开的末端部分。

这个发散部分起到如上所述的作用从而通路将由振膜设定运动的至少部分空气动能转换成压力。

在较佳的配置中，声音辐射源包括两个扬声器，它们各个具有振膜，且以振膜彼此相对且反相电子连接的方式置于主体内，振膜的相对面向内部管道辐射。

振膜的效果在管道内的空气位移上加重。对于给定的空气位移且因此给定的声音功率，振膜所需的位移可以减少，因此使得压低功率阈值成为可能，其中超过该功率阈值则振膜或相关的活动部件将会邻接。

发明人发现当前的扬声器是很差地适合于使空气以薄层状方式流动的形状，特别是在和马达协作的振膜侧上。

因此，为了实现对由振膜产生的气流进行更好的控制，本发明还提供了扬声器，它包含置于支架上的振膜并由连接到支架的马达所驱动，马达和支架具有适合于引起尽可能少的由马达和支架所处的空气中振膜位移所产生的气流中的湍流的气动形状。

最后，本发明提供了产生声音的方法，它包括引起具有外部出口的管道内所包含的空气的交替和对流位移，且将至少部分传递空气的动能在管道出口处转换成压力。

术语“对流位移”用于说明由所有空气通过相对于管道尺寸的不能忽略的振幅的位移。术语“交替”用于说明沿一个方向和沿相反方向以由引起空气位移的部件所采用的速率的位移。

根据参考附图所给出的本发明特殊、非限制实施例的以下描述，本发明的其它特性和优点将变得更加清楚，其中：

图1是本发明的声音辐射源的剖视图；

图2是示出配合本发明的声音辐射源的通路的比图1尺度更大的局部视图；

图3是示出本发明的第二实施例的类似图2的示意图；

图4是示出图3所示实施例的变型的类似图2的示意图；

图5是示出本发明的第三实施例的类似图2的示意图；

图6是本发明的声音辐射源的轴向剖视图；

图7是本发明的声音辐射源的轴向剖视图；

图8是本发明的声音辐射源的轴向剖视图；以及

图9是本发明的扬声器的轴向剖视图。

参考图1和2，本发明的声音辐射源以常规方式包括扬声器1，在这种电动类型的情况中具有置于箱2壁上的振膜，从而振膜的一面向外部辐射而另一面向箱2的内部辐射。箱具有绕X轴的管状通路3，该通路包括朝向箱2内部的开口4、在本例中仅由喉管或缩颈部或节流部构成的管道5以及和朝向箱2外部的开口6。

内部开口4形成会聚收集器，它引导来自箱2受迫逸出的空气，因为扬声器1的振膜向箱2的内部运动。管道5形成限制气流部分通过通路3的喉管并作为由箱2形成腔的亥姆霍兹共振器的喷孔。外部开口6构成发散的扩散器。

声音辐射源工作如下。

对于中或高频的声音，基本由于箱内的空气压缩性而产生压力波。通路3内空气的位移与通路3的内部尺寸相比是微不足道的。该组件起到类似常规的共振器作用。

当功率水平导致振膜大位移时，箱内的压力变化很大且随后空气受到通路3内相对通路3的尺寸不再可以忽略的位移。

通路3的内部尺寸将设定空气的运动从而使空气有规则地流动且基本上是一维的形式。空气初始由内部开口4提升到一速度并随后作为规则的气流通过中间的管道5，之后通过外部开口6引导向外部喷射。

以这种方式实现的规则气流起先用来使湍流和内部摩擦形式的能量消耗最小。它还用来避免离开外部开口6时的额外湍流，其中这种湍流是常规通路中降低声音再现的背景噪声的原因。因此，可以发现，根据本发明的通路3的出现在声音辐射源的整个工作频率范围内具有调整效果，由此改善了声音辐射源的整体功效。

在这方面，通路3的内部形状遵循缓慢变化的轮廓，通路3的壁尽可能地免于突变，该突变可以使湍流增加。为了避免啸声效应，开口的进口边具有圆形的轮廓。

在本发明的显著的方面中，外部开口6是发散形状的。根据流量守恒原理，该形状用于减缓离开通路3的空气，并因此用来减少外部中的喷射湍流。该特性使降低管道5的直径成为可能，从而将亥姆霍兹共振器调整到很低的频率，同时尽管如此向外的气流以较低的速度产生且同时使其具有合理尺寸的容量的箱保持不变。因此，外部开口6的出口部分面积可以超过扬声器2的振膜面积的一半，而管道5的直径可以相当大的程度地减小。

发散形状还使得有可能将由于空气减缓所损耗的动能转换成压力。当辐射低频声音时，该特性特别有利，其中已知传递到扬声器振膜的大部分能量被转换为整个通路内空气的动能。可是，这种动能不会以任何方式有助于声音现象。通过这种转换，恢复了部分的空气动能并将其转换成有助于声音现象的压力。

在显著的方式中，外部开口6具有凹轮廓的端部，其中它的凹侧朝向开口的内部。因此，开口起到扩散器或喷嘴的作用，引导离开通路时来自壁上的空气没有突然分流。

可以观察到有时用来匹配来自扬声器的出口处的阻抗的指数曲线形喇叭不能进行该转换。这种类型的喇叭具有凸形轮廓，它不适于确保以一维薄层方式产生气流。在以低频率和大振幅得到的高流速时，空气过早从喇叭的表面分开且湍流地离开。声音效率衰竭。

已经发现本发明的通路3可以使对于所有超过亥姆霍兹共振器特性频率的频率的声音效率显著地改善。在显著的方式中，通路还使得在共振器的特性频率以下的频率时极好效率的声音传送成为可能。该效果可以将通过对流辐射说明，如该应用的引导部分中所描述的。

图3涉及本发明的第二实施例，其中声音辐射源配合以具有充气室的通路。

通路13具有收缩的内部开口14和发散的外部开口16。充气室15置于开口14和16之间且通过喉管17和内部开口14连通，且通过喉口18和外部开口连通。

充气室15首先用来通过在气流通过喉口17后使它减缓来调整气流，从而减弱任何可能从喉管17上游呈现的湍流。在通过喉管18离开充气室15时空气被再次加速并通过发散的外部开口16再次减缓。根据充气室15的尺寸，可以使空气在其中进行更大或更小程度的减缓。

充气室15和喉管18一起还形成和由箱2和喉管17所形成的第一共振器相串联的第二亥姆霍兹共振器。已知，这种类型的共振器具有相对于扬声器1的振膜运动将压力波的倒相的属性。第二共振器使得该相位第二次倒相从而使压力波和振膜的运动同相。

第二共振器不仅通过喉管18向外辐射，还通过喉管17向内辐射。该反射的辐射具有调整扬声器1的振膜运动的属性，因此使得提升功率阈值，在该功率阈值扬声器的活动部分邻接，在低频时这是特别有利的。充气室15对振膜起到一种加强构件(stiffener)的作用。

在不超过权利要求书所确定的范围的条件下，可以将任何变化应用到如上所述的声音辐射源。

特别地，虽然描述基本涉及对应于振膜向箱内部活动的从箱内部向外部的气流，但这也表明了由于振膜向箱外部活动，气流将从箱外部向内部产生。在这种状况下，通路的内部开口用作外部开口，反之亦然。虽然根据本发明不对称形状也能工作，但较佳地，通路在它们的上游和下游端之间制成对称形状。

虽然以上描述涉及具有直线中轴的管状通路，但只要曲率足够平缓以便确保气流尽可能薄层状的，则还可以使用具有曲线中轴的通路。

如果，由于缺少空间，必须使通路明显弯曲，则较佳地使用具有充气室的通路，该充气室具有从其沿任意方向延伸的上游和下游部分。作为实例如图4所示，上游和下游部分14和16从充气室15沿相互垂直的方向延伸。充气室因此用作缓冲器(damper)，它实现角度弯曲并同时使气动损耗最小。

虽然已经示出通路基本位于箱的外部，但本发明还应用基本置于箱内部的通路。

虽然示出了管状的通路，但本发明还可以应用如图5所示变化的环状部分的通路，其中通路23包括管状外部分21和通过连接装置(未示出)连接到外部部分的内部芯22且限定气流的环状通道。

在参考图1到5所示的实施例中，较佳地注意确保气流是薄层状的，至少在开口处，使用此法甚至可应用到振膜的大幅度位移。为此，为了得到这种薄层状气流，开口的出口部分的直径要做得尽可能大。

在本发明的另一个方面中，不仅在通路中还在箱内控制气流。

参考图6，本发明的声音辐射源包括置于主体31内的扬声器30，主体31具有适于以层流形式传输由扬声器30的振膜运动所产生的气流的内部形状。

在扬声器30的振膜的一侧上，主体31包括发散管道32。管道32引导由扬声器振膜推出或吸入的空气成为基本一维的气流，空气的速度相对于振膜的位移速度而变化，与渐离振膜而变化的截面成反比。相应地，对应速度的降低在出口部分的压力增加。因此通过转换成压力，回收了部分空气动能，且避免了当振膜向空气内辐射时在振膜边缘处通常产生的湍流。

理论上，可以设想将管道32的出口部分足够大从而空气的出口速度是0且完全转换为压力。实际上，出口部分使用了约至少50％的振膜表面积，这样在低频时测量到几个分贝的增益。

在其另一端，主体31包括收缩/发散型的管道33。

管道33还起到当振膜活动时，引导由振膜的另一侧所产生的气流的作用。

具有中间收缩部34的收缩/发散形状用来产生由扬声器30的振膜在一端确定且由收缩部34在另一端确定的内部容积，其中收缩部34将管道33的收缩部分和发散部分隔开。因此，该容积和收缩部34配合在一起组成亥姆霍兹共振器。

随后可以区别两种工作模式。当以比形成的共振器的特性频率高的频率辐射声音时，共振器起到波发生器的作用且将从管道33在出口处辐射的波倒相从而从管道33的出口辐射的波和从管道32在出口处辐射的波同相。相比常规形状的箱，可以发现主体的拉伸的内部形状可以达到超过7分贝的增益。

当辐射的声音频率低于共振器的特性频率时，管道33起到用于引导气流的导向器的作用。随后不由共振器产生压力波，而是通过管道内出现的空气交替位移产生压力波从而产生周围空气中的对流辐射。为了限制在管道33的末端部分35处的湍流，较佳地给出扩散器或喷嘴的形状，即呈现凹侧朝向管道内部的轮廓部分。同样地，为了避免空气向内流动时引发任何提升噪声的湍流，管道33的末端部分的边缘应该是圆形的。

形成的压力波不再倒相，从而离开管道33的波和离开管道32的波是反相的。可以想像这两个波将随后抵消。但是，和由振膜产生的辐射入周围空气的波相比，可以发现在管道33的出口处产生的波明显地高出几个分贝。因此，由于它们声级的不同，防止一个抵消另一个，所以两个输出波是否反相是不十分重要的。

在图7所示的第二实施例中，该声音发生器具有由两个扬声器40.1和40.2组成的激励器，其中这两个扬声器的振膜彼此相对，扬声器较佳地反相电子连接从而振膜交替地彼此移开或移向彼此。

声音发生器具有轴向对称形状绕垂直于振膜的X轴延伸的第一管道41，且扬声器40.2的振膜的后侧向其辐射，该管道具有两个连续的收缩部42和43以及发散出口44。位于收缩部42和43之间的部分管道形成类似室15适合本发明的通路的充气室。

声音辐射源还具有环状绕第一管道41延伸的第二管道45且两个振膜的相对侧向该管道辐射。管道45具有收缩部46和发散出口47。

扬声器40.1振膜的后侧向空气中辐射，与通过管道41和45辐射的功率相比，其辐射的功率是可以忽略的。

在以中频或高频工作时，管道41形成双亥姆霍兹共振器，而管道45形成单个亥姆霍兹共振器。因为它们反相激励，所以离开管道41和45的压力波是同相的。

当以低频工作，低于以这种方式形成的工作的特性频率时，产生了两个宏观的(macroscopic)气流，它们在发散部分44和47的输出处产生压力波。这些压力波是反相的，但它呈现一个气流，特别是管道45中的气流，具有比另一个更大的效果因此离开管道45的波是占优势的。包含于另一个气流中的空气具有更多负反馈效果，它调整两个振膜的活动。

因此，可以发现，在扬声器饱和之前(即，在扬声器的活动部件机械邻接之前)可以传输的功率水平与在自由空气中的工作相比明显上升。此外，与常规辐射源相比，辐射源的增益显著改善，且尤其在低频时明显改善。

在图8所示的第三实施例中，声音辐射源具有以类似之前实施例的扬声器40.1和40.2的方式安置的两个扬声器50.1和50.2。向外辐射的振膜侧和各发散管道51.1和51.2相关，形成沿垂直于振膜的X轴延伸的扩散器，而朝向彼此的振膜侧和收缩/发散类型的管道52联系，值得注意的是它绕X轴环形对称。因此，管道52具有形成亥姆霍兹共振器的孔口的环形收缩部53。

在参考图6到8所示的实施例中，较佳地，要注意确保至少在管道的出口部分中的气流是薄层状的，由此继续应用于大幅度振膜位移。为此，将出口部分的直径选择得相当大，从而得到该薄层状气流。

最终，参考图9，本发明提供扬声器，它包括置于具有光滑内壁的管状支架61上的振膜60，该支架具有用于保持安装于拉长壳体63内的马达的臂62。该马达具有驱动部件64，它和振膜一起工作来给予其交替的位移，由此导致位于振膜任一侧上的空气的宏观位移。因此，如图3中的虚线中所示，内部面被设计来连接到拉长的主体从而引导以这种方式产生的气流。选择流线型的臂62和壳体63从而使沉浸其中的空气流动中的湍流最小。

在未示出的变型中，马达可以细分成安装于各拉长壳体中振膜的相对侧上的两个部分。

本发明不限于上述特殊实施例，但相反地覆盖任何变型，这些变型使用等价的装置来在由权利要求书所定义的本发明的范围内。

虽然声音辐射源的激励器被示作由扬声器的振膜组成，但本发明可以被更普遍地应用到能产生空气宏观位移的任何激励器，诸如在汽缸中活动的活塞。

虽然已经描绘了由导向空气规则流动的气动内部形状组成的湍流衰减装置，但任何用来使边缘层变得重附着的装置，诸如折板(flap)或外部抽气装置，或真正的湍流衰减装置，诸如脉动式壁(pulsating wall)，可以形成本发明的衰减装置。最后，本发明覆盖用于调整管道或通路形状作为的任何措施，如随之而变的工作条件(功率，频率)，和/或周围环境条件(温度，背景噪声，...)。

Claims (19)

1.一种声音辐射源，包括置于箱(2)壁上的至少一个振膜从而振膜的一个面向箱(2)内辐射，箱(2)具有在箱内部的开口(4；14)和箱外部的开口(6；16)之间形成管道(5；15)的通路(3；13；23)，其特征在于，通路(3；13；23)包括用于衰减当空气由于振膜的大幅度位移而在通路(3；13；23)内流动时在至少其一个开口内产生的气动湍流的衰减装置。

2.如权利要求1所述的声音辐射源，其特征在于，所述湍流衰减器装置由管道(5；15)和/或开口(4；14，6；16)的内部形状组成，这些形状被安排来使气流以规则方式在通路(3；13；23)内流动。

3.如权利要求1或2所述的声音辐射源，其特征在于，至少一个开口(4；14，6；16)呈向其末端展开的形状。

4.如权利要求3所述的声音辐射源，其特征在于，所述展开的开口(4；14，6；16)具有呈现凹截面轮廓且其凹侧朝向开口内部的末端部分。

5.如以上任一项权利要求所述的声音辐射源，其特征在于，在内部和外部开口(14和16)之间配有充气室(15)。

6.如权利要求5所述的声音辐射源，其特征在于，所述充气室(15)在内部开口(14)和外部开口(16)之间形成角度弯曲。

7.如以上任一项权利要求所述的声音辐射源，其特征在于，外部开口(6；16)具有不小于振膜的一半表面面积的出口截面。

8.如以上任一项权利要求所述的声音辐射源，其特征在于，至少一个开口(4，6；14，16)具有适合于使开口(4，6，14；16)处的气流成层流的直径。

9.一种声音辐射源，包括置于主体内的至少一个振膜，其特征在于，所述主体具有通过末端部分(35；44；47)与外部连通的管道(32；33；41；45；51.1；51.2；52)，且振膜的一面向其内辐射，所述管道包括用于衰减当空气由于振膜的大幅度位移而在管道(3；13；23)中流动时而在末端部分(35，44，47)内所产生的气动湍流的衰减装置。

10.如权利要求9所述的声音辐射源，其特征在于，所述湍流衰减器装置由管道(3；13；23)的内部形状构成，这些形状被安排来使空气以规则方式在管道(3；13；23)流动。

11.如权利要求9或10所述的声音辐射源，其特征在于，所述末端部分(35；44；47)呈展开的形状。

12.如权利要求11所述的声音辐射源，其特征在于，所述末端部分(35；44；47)具有呈现凹截面轮廓且其凹侧朝向开口内部的末端部分。

13.如权利要求9到12中任一项所述的声音辐射源，其特征在于，所述辐射源具有两个扬声器(40.1，40.2；50.1，50.2)，它们各自具有振膜且一起置于主体内从而振膜彼此相对并反相电连接，振膜相对的面向内部管道(45；52)辐射。

14.如权利要求13所述的声音辐射源，其特征在于，内部管道(45；52)包括收缩部(46；53)。

15.如权利要求13或14所述的声音辐射源，其特征在于，管道(52)呈绕垂直于振膜的轴圆形对称的形状。

16.一种扬声器，它包括至少一个置于支架(61)上并由至少一个连接到支架(61)的马达所驱动的振膜(60)，其特征在于，马达和支架(61)呈气动形状，该形状适于尽可能少在马达和支架(61)所处的空气中由振膜(60)的位移产生气流的湍流。

17.如权利要求16所述的扬声器，其特征在于，马达集成入拉长的壳体(63)中。

18.如权利要求16或17所述的扬声器，其特征在于，支架(61)通过流线型臂(62)连接到马达。

19.一种产生声音的方法，其特征在于，所述方法包括使包含于具有到外部的出口的管道内的空气进行交替和对流式位移，且包括将由此传递到空气中的至少一部分动能在管道出口处转换成压力。

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