CN201104364Y - 双极性调制大功率气流扬声器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气流扬声器，包括正气源、负气源、调制阀、电磁驱动部件和喇叭；所述调制阀由定环和动环组成，所述定环具有分别与正气源和负气源连通的正气室和负气室，所述正气室和负气室分别开有多排槽，所述正气室的槽口与负气室的槽口位置相错；所述动环也开有多排槽，所述电磁驱动部件在电信号的作用下驱动所述动环运动，使得所述动环槽口与定环的正气室槽口或负气室槽口连通且通气面积可调。本实用新型的优点包括：具有精确的线性调制关系；采用了片式组合，易装配，精度高；有气压稳定控制系统，输出声音没有失调；输出气流可将热量带出，保证了系统的长寿命工作；在喉部有声锥来保证气流混合均匀，保证输出声音的低失真。

Description

双极性调制大功率气流扬声器

技术领域

本实用新型属于声学领域，具体地说，本实用新型涉及一种气流扬声器。

背景技术

普通调制气流扬声器，是在半通气量的基础上调节气流量大小，来达到产生声音的目的。普通调制气流扬声器的原理如图1所示。动环和定环紧贴安装，气隙相对错位，在无控制信号时，动环和定环的通气槽口有一半正对着，输出一半气流，当有声音信号时，声音信号控制动环上下运动改变通气面积，达到调制气流量产生声音的目的。这种气流调制方式不仅存在大量的气流浪费，而且有直流气流产生流噪声，存在一定的非线性失真，导致需要播放的声音在近场的信噪比不高，特别是对低暂载率声音，气流能量浪费很大。尽管由于流噪声强度比所播放声音低，但它是一种宽带噪声，导致播放声音的清晰度降低，特别是播放语音时的可懂度降低。另一方面，气流发声的效率与气压有直接关系，气压越低，效率越高，而普通气流扬声器都是工作在4kg气压(即4个大气压)左右，效率在20％左右。

另一种气流扬声器是双极性调制气流扬声器，该扬声器具有全调制气流输出的特点，适合于低气压气流扬声器，能够节省气流能量，并且所产生声音的失真小，背景噪声低，同时工作在低压状态，气-声转换效率高。双极性调制所扬声器的原理如图2所示，有一个由压气机供气的正储气罐和一个由抽气机提供负压的负储气罐。并有两个压力检测与控制器自动调节储气罐内的压力。正、负气压并排连接到气流扬声器的气流入口，调制动环在声音信号的控制下交替地切换到正、负气压的入口，使得喇叭喉部的气压随声音信号交替地改变，达到产生声音的目的。双极性调制气流扬声器的一个突出特别是喉部气压始终在零压力(常压)附近波动，所需的气量大，同时发声的效率也高。

但是现有的双极性调制气流扬声器调制阀结构较为简单，使得调制输出声音存在非线性失真；定环气室与管状动环间存在轴线偏心时不能很好地装配；没有气压稳定控制系统保证双气室分别在相同水平的正大气压和相同负大气压上保持稳定，而导致所产生的声音具有很大的失调；没有良好的散热机制，容易使得线圈被烧坏；没有保证气流混合均匀的装置，易导致所产生声音失真。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够适应于播放语音(包括动物叫声，如鸟鸣)的大功率双极性气流扬声器。

为实现上述发明目的，本实用新型提供的双极性调制大功率气流扬声器如图3所示，包括正气源、负气源、调制阀、电磁驱动部件和喇叭；所述调制阀由定环和动环组成，其特征在于，所述定环具有分别与正气源和负气源连通的正气室和负气室，所述正气室和负气室分别开有多排槽，所述正气室的槽口与负气室的槽口位置相错；所述动环也开有多排槽，所述电磁驱动部件在电信号的作用下驱动所述动环运动，使得所述动环槽口与定环的正气室槽口或负气室槽口连通且通气面积可调；所述多排槽的槽口数目至少为2。

上述技术方案中，所述动环的相邻的两排槽口的间距是槽口宽度的两倍；所述定环的相邻的两排槽口的间距也是槽口宽度的两倍；所述动环和定环的槽口宽度相等。

上述技术方案中，所述动环具有N排槽时，所述定环的正气室和负气室分别开有N+1排槽。

上述技术方案中，所述定环的多排槽是由多个气室单元相互叠加而形成的；所述气室单元外形为片状，且各气室单元交替与正气室或负气室连通。

上述技术方案中，所述各气室单元的中心均具有通孔，所述动环从所述通孔内穿过，并与所述通孔滑动配合使得动环上的槽口与各气室单元相连通且通气面积可调。

上述技术方案中，所述动环为圆筒状，所述通孔为圆形或方形。

上述技术方案中，所述动环内安装有声锥。

上述技术方案中，所述电磁驱动部件的磁轭底部开有用于散热和外接信号线的小孔。

上述技术方案中，所述电磁驱动部件上具有磁隙，紧靠所述磁隙边沿的一个与正气室连通的气室单元侧壁上开有小孔，该小孔使得该气室单元与所述电磁驱动部件连通。

上述技术方案中，所述正气源和负气源均具有用于保证气源压力恒定的压力控制系统。

上述技术方案中，所述正气源包括正气压罐和压气机；所述负气源包括负气压罐和抽气机，所述压力控制系统通过调节压气机或抽气机的转速保证正、负气源的压力恒定。

上述技术方案中，所述电磁驱动部件中的磁钢中心具有通孔，所述动环通过该通孔与所述喇叭连通。

本实用新型具有如下技术效果：一是具有精确的线性调制关系，其多排槽调制阀环的每一个槽口高度与槽口间隔板的厚度构成精确相等的关系，使得调制输出声音非线性失真小，这是保证双极性调制气流扬声器性能的关键技术；二是采用多排槽定环采用了片式组合，易装配，精度高；三是有气压稳定控制系统保证正、负气室压力平衡和稳定，输出声音没有失调；四是输出气流经过磁轭和调制线圈的气隙，可将热量带出，保证了系统的长寿命工作；五是在喉部有声锥来保证气流混合均匀，保证输出声音的低失真。

附图说明

图1是普通半通气调制气流扬声器原理示意图；

图2双极性全调制气流扬声器的原理组成图；

图3是双极调制气流扬声器原理组成图；

图4是在控制电压信号分别为正、零、负时的动环调制正、负通气关系图示；

图5是正气室、负气室、动环的装配关系图示；

图6是双极性调制气流扬声器的片状气室示意图；

图7是用片状气室组装的双性气流扬声器组合示意图；

图8是音喉、动环、声锥组装示意图；

图9是双极性调制气流扬声器的组合外观；

图10是喉部气流穿过磁轭具有散热功能的双极性调制气流扬声器原理图示；

图11数制编码的双极性调制气流扬声器功能结构示意图；

图12数制编码的双极性调制气流扬声器气流控制示意图。

图13是半通气普通调制气流扬声器的气流输出量示意图；

图14有旁路的半通气普通调制气流扬声器的气流输出量示意图；

图15有正、负压气流的双极性调制气流扬声器原理示意图；

图16对正弦信号的在满调制时三种调制原理的气流能量利用率对比；

图17对脉冲或方波信号的在满调制时三种调制原理的气流能量利用率对比；

图18对三角波信号的在满调制时三种调制原理的气流能量利用率对比；

图19对锯齿波信号的在满调制时三种调制原理的气流能量利用率对比；

图中各部件分别是：

1-喇叭，2-喉，3-声锥，4-正气室，5-负气室，6-支承，7-动环，8-音圈，9-磁轭，10-永磁体，11-压气机，12-压气控制系统，13-储气罐，14-压力传感器，15-抽气机，16-机体，17-进气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地描述。

实施例1

本实施例是一种电动式双极性调制气流扬声器，由多排槽调制定环，多排槽调制动环7，电磁驱动部件，声锥3，喇叭1等组成。其中定环和动环7组成气流扬声器的调制阀，如图3所示。

所述电磁驱动部件由管状的永磁体1 0、磁轭9、音圈8、支承6组成，其中永磁体10中心开有一个大孔。磁轭9底部开有两个小孔，用于散热和外接信号线。驱动音圈8与动环7粘接在一起上，该音圈8的两端(即调制信号的两个接头)分别从磁轭9底部的两个小孔中接出。

多排槽调制定环由正气室4、负气室5组成，每一个气室都包括多个片状气室单元。其中正气室4和负气室5相互隔离，交错装配，正、负气室的一侧具有平行排列的多排矩形槽(这里的矩形槽仅指图3中示出的槽的截面为矩形)，每个槽口与一个气室单元相配合，并与外接气流输入、输出口连通。两个相邻槽口之间的间距(即气室隔层宽度)为两倍槽口宽度。气室单元的气道宽度与槽口宽度相等，气室单元的左右两侧壁的壁厚均为槽口宽度的一半。负气室5与正气室4的槽口位置相互错开，使得负气室5的槽口对应于正气室4的气室隔层，且正气室4的槽口对应于负气室5的气室隔层。

紧靠磁隙(安装音圈的间隙)边沿的一个正气室4的气室单元左侧壁上开有小孔，该孔与磁路系统连通。工作状态下，一路正压气流从正气室4经过紧靠磁隙边沿的一个小孔进入磁路系统中，将音圈8产生的热量由磁轭9底部的两个小孔导出，起到减少发热，提高音圈8寿命，同时降低磁钢受热使之不出现退磁的目的。

本实施例中，所述正气室4依次与正气压罐和压气机11连接，正压气罐中设有压力传感器14，压气控制系统通过压力传感器14调节压气机11的转速，从而达到维持正气室4压力恒定的目的。所述负气室5依次与负气压罐和抽气机15连接，负压气罐中设有压力传感器14，抽气控制系统通过压力传感器14调节抽气机15的转速，从而达到维持负气室5压力恒定的目的。由于双极性调制气流扬声器适合采用低气压大流量气源，为了减小设备体积，可以用高压压气机11和高压储气罐13，高压储气罐13输出气流再经过一下缓泄装置进入低压储气罐13，然后供给气流扬声器，这样的压气机11和储气罐13体积都可以小很多。另外，双极性调制的最重要的是要保证外气室供气压力恒定，即总气压不变。为此需要采用压力传感器14实时监测储气罐13的静压力，实时自动地控制压气机11向正压储气罐13补充气或由抽气机15降低负压储气罐13的压力。压力控制系统可由计算机控制或完全独立的自动控制系统实现。在控制过程中要求压气机11和抽气机15不要出现停机和开机现象，而是控制运转速度实现气量的增减。

本实施例中，动环7呈圆筒状。动环7内部安装有导流椎(声椎)，侧壁上开有多排槽，其槽口形状与气室单元一致，槽口间距与正(或负)气室的槽口数目一致，槽口数目多少与输出声功率大小有关，要求的声功率越大，则气流调制面积就要越大，槽口数目就要越多。动环7的一端固定在音圈8上，并且动环7是不封闭的，使得气压不会影响动环7的运动。动环7的另一端与喇叭1连通。所述导流椎的根部安装于磁钢上。音圈8安装在支承6上，支承6一般是用环氧树脂折环做成，支承6的弹性决定了扬声器的发声的频率特性。本实施例中导流椎的作用是调节气流的相位，使得在喉2部的气流混和均匀，高频声音和低频声音具有一致的相位输出，从而保证了输出声音不产生色散现象。

工作状态下，动环7在线圈振动的驱动下，改变调制阀的通气量实现调制。在零信号时动环7的开口(即槽口)对准定环的气室隔层，气路被阻断，无气流输出，如图4所示。当声音信号为正时，线圈驱动动环7向前移动，开口与定环的正气室4相通，负气压室被完全阻断，正压气流进入喉2部(即动环内部的空腔)，形成正向振动。当声音信号为负时，线圈驱动动环7向后移动，开口与定环的负气压室相通，正气压室被完全阻断，负压气流进入喉2部，形成正向振动。正负双极性信号控制下线圈驱动动环7上下交替振动，正负压气流交替输出，形成双极性声音波动。

下面进一步地介绍一种本实施例的具体实现方式。

双极性气流扬声器的调制阀是由正气室4和负气室5交替安装而成的，如图5所示，每两个正气室4夹一个负气室5，每两个负气室5夹两个正气室4。管状动环7插在定环中间。当多排槽口数量大时，可以设计片状气室来精确控制气室开口尺寸。如图6所示的片状气室是组成双极性调制器定环的核心，片状气室是内部容积完全一致的结构完全一致的，气流从端口进入后通过中间的环状开口进入动环7，气室单元的中间开孔的内壁光洁度要求很高，以便与动环7的开口滑动配合相通。气室单元叠装后，方形端口朝一个方向形成一个是进气口17，而气室单元的圆形边是封闭的。

将正气室单元和负气室单元嵌套安装，再分别与进气端口和出气端口连通，形成定环，如图7所示。动环7上的音圈8与磁轭9上的磁隙的装配，以及动环7与声锥3的装配如图8所示。动环7插入定环的中间通孔。环状腔内气隙高度2mm，腔壁厚1mm，单个腔高4mm。动环插在两个气室中间的同心圆柱洞中，动环的气隙高度2mm，封闭段(上下气隙段之间)高度6mm。动环是上下通气的筒状，这样喉2部气压不会加在动环上。在加工精度能保证足够高的情况下(目前已能加工)，动环的振动阻力极小。动环内径200mm，外径202mm，每个腔内高2mm，腔壁上下层板各1mm厚，定环正气室和负气室腔外径256mm，中心到外壳128mm，中心到后腔边131mm，后腔深16mm，外壳板厚3mm。定环正负气室总长度300mm，总宽度256mm，总高度108mm。

一个典型的设计参数如下：

正、负气室各13个腔，正气室4多一个底座。动环直径200mm，槽口高度2mm，上下排槽间隔高度2mm。动环有13排槽，动环总长度120mm，其中调制段104mm，上端凸出8mm，下端空出8mm接调制线圈。线圈长度10mm。定环有14排槽，定环正气压气高度110mm(底座高4mm)，负气压室高度108mm。均匀分布的6条槽胫总宽度占周长1/4，每条胫宽27.3mm。正、负气室的进气口17内径80mm，外径86mm，长度15mm。

动环的内部每个封闭段有一条直径1mm的环状加强筋，最下端和最上端内口有一个直径3mm的环状加强筋。

在实际加工组装时，按照上、下各厚1mm±0.1，中间空高2mm±0.1，周边厚3mm，中心能孔直径23mm±0.1，加工出同样形状，同样尺寸的气隙盒共26只，按照正气室方向13只，负气室方向13只重叠组装而成。外周的6面用护板夹装固定，形成机体16的外壳。

动环最大振幅1.5mm(正、负向各0.75mm)，最大总有效调制面积92cm2，喉面积314cm2，面积比为0.292。

双极性调制气流扬声器较适合于低压大流量工作，气流产额220瓦.分/立方米。这里取正气室压力0.5kg/cm2，负气室压力-0.5kg/cm2，与常压力比值为0.67。质量流0.5kg/s。最大气功率理论值24000w，最大总声功率理论值11000w，气/声能量转换效率理论值约55.8％。

13只气室单元的进气口17向左与另13只气室单元进气口17向右交叉叠装配，分别形成正气室单元和负气室单元。装配时要保证和气室的中间环形口完全同心，即组装好后内壁能保持完全平滑，以便与动环安装时滑动配合。动环与音圈8粘接在一起，音圈8在上方，即音喉2方向。音圈8和动环与一个折环支承6固定在支承板上。

定环的气室安装好，并与动环装配好后，左、右方向各安装正气室4进气口17和负气室进气口17。并在前面和后面安装护板。下部安装支承板，下支承板上安装了声锥3。声锥3伸入动环内部，位于轴向中心位置。

音圈8与动环7粘接好后，与折环支承固定在支承板上。在音圈8的表面涂溥了一层厚度0.01mm的黑色二硫化钼材料，用于保护音圈8在振动中不会被蹭破绝缘层，音圈8蹭坏是气流扬声器损坏的最主要因素。折环是采用质轻，强度大，弹性好的材料做成的，这里采用环氧树脂材料，该材料的内耗系数大，有利于在大功率时保持很好的频响。环氧树脂折环的使用寿命和储存寿命都很长。也有使用橡胶支承的，但是其储存时间短，使用寿命短。折环还起到密封气体，使气流不进入磁隙的目的，防止气流中尘粒影响音圈8振动。

多层片状气室叠装而成的双极性调制的气流扬声器最后形成了有一个输入气流，一个外抽气流，一个喇叭辐射声音的结构形式，如图9所示。音头的外观还可以按照实际需要进行设计。

实施例2

本实施例与实施例1原理相同。与实施例1的不同之处是导流锥和喇叭1的安装方向相反，结构如图10所示。本实施例的磁钢是中空的，调制阀输出的脉动气流进入磁钢的中心通孔，这个通孔的进口是一个喇叭1形的收口，脉动气流进入该通孔后形成声音辐射。磁路上的通孔直接与喇叭1相连。气流穿过磁路系统中心的通孔的这种设计方法，可以利用气流将磁路系统中音圈8产生的热量带出，提高了散热能力，起到了降温以延长气流扬声器寿命的作用，因而可以适用于万瓦级以上的气流扬声器。

实施例3

本实施例与实施例1原理相同。与实施例1的不同之处是用数制编码调制实现双极性调制气流扬声器，双极性调制数制编码调制的气流扬声器的原理结构如图11所示。其独特的一点是有一个将声音信号的模拟量转化成数字量的模/数转换器件。所述的模/数转换器件将要播放的声音的电压信号转换成数字量后，分别用数字量的不同位值为1或0时控制相应的气流控制阀的开和关，在管束集气喉内，各路气流集中形成综合动效应，实现数-模转换功能。产生可听的声音。

数制编码的双极性调制利于避免采用电动调制阀时的伯努利力的影响。不仅有利于减小伯努利力影响产生的非线性影响，而且可以消除半通气的单极性普通调制存在的固有非线性。

在数制编码的双极性调制气流扬声器中，每一路气流有两个控制阀，分别控制正气流量和负气流量。所以信号采集时要采用双极性编码，即最高位是符号位，用来选择正压阀门组或负压阀门组。

数制编码双极性调制的气流扬声器完全由分立的控制阀来调节向喉部输入气流和从喉部抽出气流的多少。其它还包括了与实施例1完全一样的压气机11、储气罐13，压气控制系统12，压力检测传感器，另外的一点是数制编码双极性调制的气流扬声器的喉是由多个管束集合而成的。并在喉部由声锥3实现气泫混和后产生声音。数制编码双极性调制的气流扬声器的气流控制原理如图12所示。

为了便于理解，对双极性气流扬声器的气流能量利用率高的优势进行详细的讨论如下：

半通气调制方式的气流扬声器原理如下图1所示，扬声器喉产生的脉动气流变成播放声音的同时产生很大的背景噪声，并且播放声音对应的气流脉动幅值总是比背景气流量还小。半通气调制方式的气流扬声器的气流输出规律如图13所示，对应播放声音为零电平信号时的气流量，该气流量会产生很大的噪声，既使在信号的负最大值点，总气流也很难达到零值。所以普通调制气流扬声器存在很大的气流浪费，所播放声音的清晰度也较低。另一种全通气方多气流扬声器的气流输出规律如图14所示，不管有没有揪放声音，气流输出总量都是最大值，当播放声音时，与声音相关的气流从喉部输出产生声音，与播放声音无关的气流从排气道输出不产生有用声音。这两和方式的气流浪费很大。

双极性调制气流扬声器具有高气流能量利用率，和低调制非线性的优点。在低压大流量状态下工作，气-声转换效率可以达到50％左右。

如图15的双极性气流扬声器的气流输出与播放声音的关系示意图，在声音信号为零时动环与定环之间的气流通道被完全切断，当信号为正电平时输出相应大小正气流进入喇叭喉产生正向声音振动，当信号为负电平时从喉部抽出相应大小的气流，在喉部产生负向声音振动。

图16，17，18，19分别是针对播放正弦信号、脉冲或方波信号、三角波信号、锯齿波信号，处在满调制时比较3种调制方式的气流能量利用率对比。从计算结果来看，三种不同的调制方式的气流利用率相差很大。双极性调制的气流利用率始终是100％，且不随播放声音大小改变，半通气普通调制第二，有旁路的半通气普通调制最低，而且播放不同波形的声音时的气流利用率也相差很大。在满调制时，半通气普通调制气流扬声器的气流利用率也都达不到双极性调制的值。

双极性全调制的气流能量利用率始终是100％，而且与声音波形及声压高低没有关系，相应的气流浪废为零，播放声音的信噪比也最好，这是其最突出的优点，但是它需要提供高负压气室，要播放大功率声音，就必须有大流量低气压的气源。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (12)

1、一种双极性调制大功率气流扬声器，包括正气源、负气源、调制阀、电磁驱动部件和喇叭；所述调制阀由定环和动环组成，其特征在于，所述定环具有分别与正气源和负气源连通的正气室和负气室，所述正气室和负气室分别开有多排槽，所述正气室的槽口与负气室的槽口位置相错；所述动环也开有多排槽，所述电磁驱动部件在电信号的作用下驱动所述动环运动，使得所述动环槽口与定环的正气室槽口或负气室槽口连通且通气面积可调；所述多排槽的槽口数目至少为2。

2、按权利要求1所述的气流扬声器，其特征在于，所述动环的相邻的两排槽口的间距是槽口宽度的两倍；所述定环的相邻的两排槽口的间距也是槽口宽度的两倍；所述动环和定环的槽口宽度相等。

3、按权利要求2所述的气流扬声器，其特征在于，所述动环具有N排槽时，所述定环的正气室和负气室分别开有N+1排槽。

4、按权利要求3所述的气流扬声器，其特征在于，所述定环的多排槽是由多个气室单元相互叠加而形成的；所述气室单元外形为片状，且各气室单元交替与正气室或负气室连通。

5、按权利要求4所述的气流扬声器，其特征在于，所述各气室单元的中心均具有通孔，所述动环从所述通孔内穿过，并与所述通孔滑动配合使得动环上的槽口与各气室单元相连通且通气面积可调。

6、按权利要求5所述的气流扬声器，其特征在于，所述动环为圆筒状，所述通孔为圆形或方形。

7、按权利要求1、2、3、4、5或6所述的气流扬声器，其特征在于，所述动环内安装有声锥。

8、按权利要求1所述的气流扬声器，其特征在于，所述电磁驱动部件的磁轭底部开有用于散热和外接信号线的小孔。

9、按权利要求8所述的气流扬声器，其特征在于，所述电磁驱动部件上具有磁隙，紧靠所述磁隙边沿的一个与正气室连通的气室单元侧壁上开有小孔，该小孔使得该气室单元与所述电磁驱动部件连通。

10、按权利要求1所述的气流扬声器，其特征在于，所述正气源和负气源均具有用于保证气源压力恒定的压力控制系统。

11、按权利要求10所述的气流扬声器，其特征在于，所述正气源包括正气压罐和压气机；所述负气源包括负气压罐和抽气机，所述压力控制系统通过调节压气机或抽气机的转速保证正负气源的压力恒定。

12、按权利要求1所述的气流扬声器，其特征在于，所述电磁驱动部件中的磁钢中心具有通孔，所述动环通过该通孔与所述喇叭连通。

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