CN204482020U - 一种偶极辐射式扬声器系统 - Google Patents

Abstract

一种偶极辐射式扬声器系统(DRLS)——声腔刚性壁具有导声孔，相邻导声孔间距d≥9mm；当频响范围f＜1000Hz时，100μm≤孔径Φ≤300μm，孔隙率p≤0.1‰；当f≥1000Hz时，300μm＜Φ＜1000μm，p≤3％。DRLS可以减小“声短路”的模态密度，充分利用扬声器背面的辐射声能，提高电声转换效率，改善低频响应——解决偶极辐射型扬声器系统无法用于低频与全频带扬声器系统的问题。相对于倒相箱，DRLS声辐射效率提升的带宽更大(从点到线)。“让声音更动听”——DRLS可以解决“声短路”导致的音质与音色劣化问题，提升结像力/解析度与层次感。双向偶极辐射，可获得一种“动态性气压平衡”，降低失真。

Description

一种偶极辐射式扬声器系统

技术领域

本实用新型涉及一种扬声器系统——具体说是一种扬声器双向偶极辐射的扬声器系统。

背景技术

扬声器的电声转换效率极低，电动式扬声器一般只有1％左右，大部分都变为热能白白浪费掉了——在能源日益紧缺的当代社会，这不符合“低碳节能”的绿色消费理念。

“声短路”(Acoustic Short Circuit)——振动方向相反的两列声波在空间相遇后相互抵消的现象，声压级SPL为零。由两个相距很近，以相同振幅/相反相位(相差180°)的小球源组成的“声偶极子”可以产生“声短路”(尤其是低频)——如电动式扬声器正面与背面声辐射，“声短路”会导致电声转换效率进一步下降。由于“声短路”问题，一般扬声器系统都采用封闭式音箱结构(相当于无限大障板)——虽然避免了“声短路”，但却无法利用扬声器背面的辐射声能，效率低。音箱内部的声波还会对扬声器振动产生干扰，导致失真。

“偶极型”扬声器系统(敞开式音箱/开口箱)——音箱前/后方向辐射的声波相位相反，相当于“声偶极子”，虽然效率低(声短路)，但可以避免封闭式音箱结构导致的失真，如独树一帜的Linkwitz Dipole Loudspeaker系列。中国专利CN102413399A“无箱体音箱”/CN202634689U“一种敞开式扬声器装置”等在这方面也作了积极有益的探索。

不同频率声波的指向特性不同，低频声波的有效辐射角度大，比中高频声波更容易发生“声短路”——“偶极型”扬声器系统一般只用于中高频扬声器系统，而不用于低频与全频带扬声器系统。

“声短路”会导致辐射效率下降/低频响应变差——实际上，“声短路”还会影响到音质与音色(如结像力/解析度/声音质感/层次感/动态范围等方面)。

低频扬声器系统大多采用“亥姆霍兹共鸣器”(如倒相管/无源辐射器设计)或“波导驻波共鸣器”(如传输线型音箱)改善低频响应，同时利用扬声器背面的辐射声能——但声辐射效率提升的带宽很窄，仅限于共鸣频率fop附近。实际上，倒相箱/传输线型音箱共鸣频率fop之外——扬声器振膜正面与背面声辐射其它频率的声波，都可能会通过倒相管/声波导管发生“声短路”。

“消声器”是一种允许气流通过而衰减噪声的装置。“抗性消声器”——通过管道截面的突变或旁接共振腔等，引起声阻抗的改变，使声波反射/干涉，而衰减向外辐射的声能。“抗性消声器”起源于声滤波器的研究——早期用于飞机发动机设计，后在内燃机排气系统与通风空调系统中广泛应用。“扩张式消声器”(膨胀式消声器)——利用管道截面突变导致声阻抗突变，引起声波的反射与干涉进行消声。声波从截面积为S₁的管中传入截面积为S₂的管中，S₂管对S₁管相当一个“声负载”——可以引起声波的反射/透射。面积比S₂₁＝S₂/S₁也称为“扩张比”——当S₂₁＜1即S↓时，相当于声波遇到“硬”边界，发生反射(声阻抗增加)；当S₂₁＜＜1即S₂远小于S₁时，相当于声波遇到刚性壁，发生“全反射”；当S₂₁＞1即S↑时，相当于声波遇到“软”边界，发生透射(声阻抗减小)；当S₂₁＞＞1即S₂远大于S₁时，如同声波遇到“真空”边界。

一般理论认为——截面突变的变径管消声效果明显；而截面渐变的管道，声能大部分可以透过，反射很少。在管内传播的声波当其波长远大于管径时，如果管端出口缩小或有障碍物，声波在出口处的反射量将增大。当声阻抗达到某一临界值时，反射将发生突变，产生类似一端封闭的“闭管”(Stoped pipe)效果，声波只能在管内反射，而不会传出管端(全反射)。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种偶极辐射式扬声器系统——减小“声短路”的模态密度，充分利用扬声器背面的辐射声能，提高电声转换效率，改善低频响应——解决偶极辐射型扬声器系统无法用于低频与全频带扬声器系统的问题。

本实用新型的技术方案——扬声器背面与一刚性壁声腔耦合，声腔刚性壁具有导声孔，导声孔为通孔，相邻导声孔间距d≥9mm；当频响范围f＜1000Hz时，100μm≤孔径Φ≤300μm，孔隙率p≤0.1‰；当频响范围f≥1000Hz时，300μm＜孔径Φ＜1000μm，孔隙率p≤3％——孔隙率p按导声孔总面积与扬声器投影面积之比计算。

“偶极辐射式扬声器系统”(Dipolar Radiation mode Loudspeaker System)——以下简称为DRLS，可以减小“声短路”的模态密度，提高电声转换效率。

DRLS电-力-声类比图——扬声器的振动系统质量Mm/支撑系统Cm与后腔声顺Ca/声阻Ra(Rm/Rr)构成“串联谐振”；导声孔的质量抗Xm(空气柱质量Mm')/弹性抗Xe/声阻尼Da(Rm')与后腔声顺Ca可构成“串联共鸣”(亥姆霍兹共鸣器)，多个(k＝1，2，3，……，n)导声孔并联。参照图1。

木质音箱壳壁厚度t一般为9-18mm(MDF板规格)，塑料音箱(如ABS)一般t≤5mm——故导声孔的长度L按照L≤18mm计。音箱壳壁厚度t↑→导声孔长度L↑/孔径Φ↓；t↓→导声孔长度L↓/孔径Φ↑。可以根据具体情况——设置导声孔的孔径与数量，调节声阻抗Za/声阻尼Da，获得不同的延时效果。

实际上——“闭管”(Stoped pipe)理论及其应用是基于气体绝热过程的“物态方程”(静态)，体积小则压强大，V↓(S↓)/P↑→声阻抗Za↑。而抗性消声器声波在波导管中传播，与气流相关(气流速度v≠0)——因此应该考虑气流对于声波的影响，采用“流体力学”可以动态/准确地诠释之。对于飞机发动机设计，气流速度一般大于声速(Ma＞1)，根据“伯努利方程”——管道截面积S↑(管径d↑)，P↓/v↑，声阻抗Za↓；S↓(d↓)，P↑/v↓，Za↑——而通风空调系统等抗性消声器管道中气流速度一般小于声速，属于“不可压缩流体”(Ma＜0.3)——则S↑(d↑)，P↑/v↓，Za↑；S↓(d↓)，P↓/v↑，Za↓。

管道截面积S减小，则声阻抗Za减小——无论截面突变还是截面渐变，声波反射的模态密度都会减小，故向外辐射的声能并不会衰减。气流速度增加(P↓/v↑)——则更有利于声辐射，突破“瓶颈”。并且使声波(低频)更容易通过孔，而发生衍射。“扩张式消声器”一般采用中间插管设计——插管的长度等于声波波长λ/4的奇数倍时，反射最强；而长度等于波长λ/2的整数倍时，声波可以全部透过——因此“消声”具有频率选择性，实际上是利用驻波原理——前者入口端为波腹，出口端为波节(Za最大)；后者入口端/出口端都为波腹(Za最小)，中间为波节。对于频率低于抗性消声器“低频截止频率”(fl＝0.4c/√S2)的声波，并无消声效果。

“波动”与“流动”是两回事——空气粒子在原地振动，并不随声波前进。声波辐射不一定产生气流，扬声器振动/辐射声波宏观上是“静态”的——适用气体绝热过程的“物态方程”(V↓/P↑)；扬声器系统形成“亥姆霍兹共鸣器”或“驻波共振”时产生气流(同消声器)——则适用“流体力学”(动态)。

相位主要与时间相关，一般认为相位与空间无关——但声辐射的指向特性可以影响“声短路”的模态——通过调整辐射方向，避免轴向声波发生“声短路”，从而减小其模态密度(尤其是中高频)。反射(f↑/λ↓)可以改变相位，降低“声短路”；衍射(f↓/λ↑)会产生延时而改变相位，即使不能改变相位——也可以改变声辐射方向，改变声波的指向特性，减小“声短路”的模态密度。

导声孔衍射会将原来的平面波变为球面波——改变声辐射方向(指向特性)。音箱“半封闭”结构具有障板/波导作用——通过反射/衍射改变声波传播途径，从而改变扬声器背面声波的指向特性，也有利于降低“声短路”。

DRLS采用独特的导声孔(Acoustic Transmissible Vent)设计——降低“声短路”的模态密度，实现偶极双向辐射。参照图2/图3。

导声孔的声阻抗Za包括质量抗Xm与弹性抗Xe——以弹性抗Xe为主，Xe具有电容性质(容抗X_C)，相当于“高通滤波器”(高通/低阻)；声阻尼Da主要为摩擦力阻Rm。对于低频，导声孔的作用主要表现为声阻抗Za；对于高频，导声孔的作用主要表现为声阻尼Da——f↓，Da↓/Za↑；f↑，Za↓/Da↑。f↓，Xe↑；f↑→Rm↑→Da↑，吸声系数增加。

声阻尼Da/声阻抗Za都可以使声传播延时(Δt)，改变相位(ΔP)——降低“声短路”模态密度。

根据延时公式可以确定时间差与相位差的函数关系——φ＝ωTd(φ为相位角即相位差ΔP，ω为角频率，Td为延时时间即时间差Δt)，ω＝2πf＝360°f，则φ＝360°fTd。若延时1ms——f＝50Hz，ΔP＝18°；f＝100Hz，ΔP＝36°；f＝150Hz，ΔP＝54°；f＝200Hz，ΔP＝72°；f＝500Hz，ΔP＝180°；f＝1000Hz，ΔP＝360°；f＝5000Hz，ΔP＝1800°。

当声波遇到小孔时，若小孔的线度比波长小会发生衍射，但如果考虑声阻抗与声阻尼，则声波可能无法通过孔——故孔可能会“导气”，但不一定会“导声”。

孔径Φ↓——质量抗Xm↓，但弹性抗Xe↑(体积V↓→压强P↑)，则声阻抗Za↑，反射增加，可能会发生“全反射”(低频)；声阻尼Da增加，吸声系数增加(高频)。

若导声孔孔径Φ＜1mm，则可形成“微孔板”——具有阻尼吸声特性(尤其对中高频)，降低辐射效率。根据微孔板吸声理论——微孔板(孔径Φ＜1mm)声阻尼随孔径的平方反比增加；频率提高(f↑)——空气振动速度增加，则摩擦阻尼增加，吸声系数增加。

f↑→声强I↑(I＝2π²A²f²ρu)，高频比低频更容易通过孔——低频只有形成“亥姆霍兹共鸣器”时才容易通过之。但导声孔气流速度小于声速，属于“不可压缩流体”(Ma＜0.3)，根据流体力学——Φ↓→P↓→v↑，则Rm↑→Da↑，孔径减小，气流速度反而降低——相当于“交通堵塞”，流阻R可以使流体流速减慢/流量减小，起到阻尼作用。

导声孔Φ↓/长度L↑→Za/Da↑→Δt↑→ΔP↑，则“声短路”↓，但声能损耗↑；

导声孔Φ↑/长度L↓→Za/Da↓→Δt↓→ΔP↓，则声能损耗↓，但“声短路”↑。

导声孔Φ↓/长度L↑——声阻抗Za/声阻尼Da↑，但同时音箱声阻抗Za↑(弹性抗Xe↑)→声压Pa↑→声辐射效率σr↑，“驱动力”增加(势能→动能)。

导声孔孔径Φ↑/长度L↓——声波更容易通过孔发生衍射，但音箱声阻抗Za↓(弹性抗Xe↓)→声压Pa↓→声辐射效率σr↓，“驱动力”减小。

通过调节孔径Φ/孔长度L，调整声阻抗Za/声阻尼Da——可以使声波既发生衍射，又获得适当的延时效果，改变相位，降低“声短路”。调节导声孔Φ/孔长度L，还可以获得不同的频率响应效果。

当扬声器系统的频响范围f＜1000Hz时(低频系统)——100μm≤Φ≤300μm，孔隙率(porosity)p≤0.1‰(孔隙率p按导声孔总面积与扬声器投影面积之比计算)。当扬声器系统的频响范围f≥1000Hz时(中高频系统)——300μm＜Φ＜1000μm，孔隙率p≤3％。

根据扬声器投影面积/导声孔孔径/孔隙率可以计算出导声孔的数量n，一般导声孔数量在百个以内为宜(n≤100)——例如，低频系统导扬声器口径Φ为6″(152.4mm)，其投影面积S₁为18232.222mm²，孔隙率p为0.1‰，则导声孔总面积S₂为9.116mm²；声孔孔径Φ为200μm，其截面积S为0.031mm²；则导声孔数量n约为59个。又如，中高频系统扬声器口径Φ为1″(25.4mm)，其投影面积S₁为506.451mm²，开孔率p为3％，则导声孔总面积S₂为15.194mm²；声孔孔径Φ为900μm，其截面积S为0.636mm²；则导声孔数量n约为24个。

低频比中高频更容易发生“声短路”——频率f↓，减小导声孔Φ与孔隙率p，有利于降低“声短路”。孔隙率p增加，声阻尼Da/声阻抗Za减小，延时效果变差——而且后腔弹性抗Xe与辐射声功率Wr减小。

在孔径Φ要求范围里可以采用多种不同孔径(而非单一孔径)——导声孔总的截面积相同，单一孔径与多种不同孔径的延时效果不同。数量n↑/孔径Φ↓→Da/Za↑→Δt↑/ΔP↑，“声短路”模态密度降低。

采用多个导声孔的好处之一在于——即使其中一些不慎被堵塞，DRLS仍然能够继续工作(偶极辐射)。导声孔集中排列，声阻尼/声阻抗减小，延时效果变差——分散排列(随机)效果更好，相邻导声孔间距d≥9mm。

当声波波长λ大于导声孔孔径Φ时，发生衍射，形成以导声孔为中心的“环形波”——Φ＜1mm，则可闻频率都可以通过导声孔衍射传播出来(f＝20kHz/λ＝17.7mm)。

DRLS“双向偶极辐射”设计还有利于改善低频响应——音箱“相对开放空间”(导声孔)，可以增加声顺Ca，使扬声器谐振频率fo下降；扬声器正/背面“声短路”的模态密度降低，则低频声辐射效率增加。

DRLS音箱半封闭结构实质上为“变阻抗”(Acoustical Impedance Variable)结构——设音箱容积为V，音箱通过导声孔与周围空气耦合，相当于容积增加(变为V')——从V到V'有一个“时间差”(Δt)，可以兼顾瞬态响应与低频响应。音箱容积V↓→声阻抗Za↑→“空气弹簧”弹性系数Km↑→瞬态响应IR↑，低频更纯净；V↑→Za↓→Km↓→扬声器fo↓，频响范围扩大。DRLS兼具传统密闭箱与开口箱的声音优势。

因此可以采用较小体积的音箱，不必一味增加容积以保证低频响应——而倒相箱/无源辐射器音箱则需要保持一定的容积(声顺Ca)降低“亥姆霍兹共鸣器”共鸣频率fop(fop＝1/2π√MaCa)。扬声器谐振频率为fo，装配到音箱上变为fo'——由于音箱“空气弹簧”的存在，一般fo'＞fo(声阻抗Za↑→声顺Ca↓)。对于DRLS“变阻抗”结构而言，实际上fo'并非单一固定值，而是随Za变化从高到低的一系列变量——这有利于扩大低频提升的频响范围。

辐射阻抗Zr包括辐射阻Rr与辐射抗Xr(Zr＝Rr+jXr)——辐射阻(Rr)表示声源向介质辐射声能量的能力；辐射抗(Xr)代表“无功声能”，储存于近场中，而不辐射出去。一般认为，辐射抗(Xr)为“质量抗”(Xm)，即“附加辐射质量”(Mr)——实际上，辐射抗还包括“弹性抗”(Xe)。“质量抗”相当于感抗(X_L)，“弹性抗”相当于容抗(X_C)。

“质量抗”(Xm)与扬声器系统振动的“排气量”(V)成正比——“排气量”(V)与体速度(u)相关——V↑→u↑→Wr↑(Wr＝u²Za)。

“空气弹簧”——声波为纵波，空气为弹性媒质，在空气中传播时，空气振动产生“容变”(压缩/膨胀)——“空气弹簧”弹性系数Km↑→辐射阻Rr↑(势能→动能)，密部(Km↑)—疏部(Rr↑)。Km↑→弹性抗Xe(容抗X_C)↑→辐射阻Rr↑，则声压Pa↑(Pa＝uRr)/辐射声功率Wr↑(Wr＝u²Rr/2)，声辐射效率σr增加——Xr(Xe/Xm)代表势能，Rr代表动能，势能可以转化为动能。

频率f↓→波数K↓→“空气弹簧”弹性系数Km↓→辐射阻Rr↓→Wr↓——故“低频比高频辐射更困难”。

号筒式扬声器(Horn loudspeakers)属于间接辐射式扬声器——“号筒”即截面积逐渐变化的声管，实质上就是通过增加辐射抗Xr(Xm/Xe)而提升声压Pa/辐射声功率Wr——故其效率高(可达25％)。

DRLS音箱“相对封闭结构”(导声孔)可以增加质量抗Xm与弹性抗Xe，提升扬声器背面的辐射声功率Wr——导声孔分散排列比集中排列更有利于增加弹性抗Xe。

“气压平衡理论”——扬声器的很多失真都与振膜前后气压不平衡有关。DRLS双向偶极辐射，相对于封闭式音箱，可以获得一种“动态性气压平衡”，有利于降低失真。

传统理论认为，音箱内部扬声器背面的声辐射产生驻波以及多次反射，导致“声染色”，使音质劣化。但是从另一角度看——DRLS声音经过“酝酿”，变得醇厚/有弹性/有韵味(余音缭绕)，虽然有“声染色”，但会更动听——类似于号筒式扬声器，与“胆机”也异曲同工。DRLS由于扬声器正/背面声辐射产生“时间差”——虽然可能会使瞬态响应下降，但同时可以使声场层次更丰富(类似于多次反射的空间效果)。

不同于传统音箱——DRLS导声孔不采用任何阻尼吸声材料(而且声腔壳为刚性材料构造)，有利于简化制造工艺。DRLS主要通过调整导声孔的孔径Φ与孔长度L，调节声阻抗Za/声阻尼Da，使声波延时而改变其相位以降低“声短路”——而非为了消耗声能。

音箱声顺Ca与导声孔声质量Ma可以构成“亥姆霍兹共鸣器”——会产生声染色，使频响曲线不平坦。但由于导声孔声阻尼Da(摩擦力阻Rm)大，可以降低共鸣品质因数Q与气流速度v，减小因声染色与“湍流”导致的失真——因此DRLS导声孔设计可以不采用阻尼吸声材料。

一方面增加导声孔的声阻抗Za/声阻尼Da——使声波延时/改变相位以降低“声短路”；另一方面增加音箱的弹性抗Xe/质量抗Xm，提高辐射声压(势能→动能)——使声波(尤其是低频)能够通过导声孔衍射出来，不至于发生“全反射”或者完全被“阻尼掉”；辐射抗Xr(Xe/Xm)增加，则不必形成“亥姆霍兹共鸣器”也能通过导声孔。

导声孔通过调节声阻尼Da/声阻抗Za使声波延时并改变其相位——DRLS可以有效降低“声短路”的模态密度，因而能够采用“双向偶极辐射”设计。

本实用新型具有以下有益效果——

DRLS可以减小“声短路”的模态密度，充分利用扬声器背面的辐射声能，提高电声转换效率，改善低频响应——解决偶极辐射型扬声器系统无法用于低频与全频带扬声器系统的问题。

“声学延时器”(Acoustical Time Delayer)——DRLS导声孔通过调节声阻尼/声阻抗，使声波延时并改变其相位，从而降低“声短路”。电子系统延时器只能使扬声器正/背面的声辐射同时延时——DRLS则可以使扬声器两面的声辐射产生时间差。

“声学功率放大器”(Acoustical Power Amplifier)——DRLS可以提升辐射声功率与声辐射效率，充分利用扬声器正/背面的辐射声能——相对于电子系统功率放大器，更“绿色低碳”。

从“点”到“线”——相对于倒相箱，DRLS低频系统声辐射效率提升的带宽更大，从扬声器的频率下限fmin可以一直延伸至分频点fc——而且能够避免其fop以外频率的“声短路”问题。

“让声音更动听”——DRLS通过降低声短路的模态密度，解决声短路导致的音质与音色劣化问题，从而提升结像力/解析度/声音质感/层次感等。双向偶极辐射，可获得一种“动态性气压平衡”，降低失真。

“清风”——相对于倒相箱/传输线型音箱等“轰轰烈烈”的震撼效果(暴风)，DRLS沉稳平和，细水长流，自然真实——可以避免其听觉疲劳/噪声污染等副作用，因而具有“绿色性”。

相对于倒相箱/无源辐射器音箱——DRLS在改善低频响应的同时，音箱体积可以更小，适于代表未来音响发展趋势的新媒体微型音响。

附图说明——

图1为DRLS电-力-声类比图

图2为DRLS结构示意图(后壁/侧壁导声孔，图2A/图2B)

图3为DRLS结构示意图(前壁导声孔，图3A/图3B)

图4为多单元分频设计DRLS示意图

图5为蜗壳式“声聚能管”DRLS示意图(图5A/图5B剖面图)

图6为多层套筒式“声聚能管”DRLS示意图

图7为“回”字形“声聚能管”DRLS示意图

图8为多单元DRLS“声聚能管”示意图

图9为“弹性抗增压”设计DRLS示意图

其中——

1-导声孔，2-扬声器，3-中高频单元，4-低频单元，5-“声聚能管”，6-脚垫

具体实施方式

导声孔加工可以采用激光打孔技术——其效率高/速度快/光洁度高/精度高(微米级)，适用于多种材料(如塑料/金属/木材等)。由于导声孔孔径小，加工过程中很容易被粘合剂/涂料等堵塞——采用激光打孔技术，可以在其它工序完成后进行，则能够避免上述问题。激光钻出的孔为圆锥形的，而非是机械钻孔的圆柱形——可以通过软件编程控制图形输出获得圆柱孔。实际上，圆锥孔作为导声孔也有其优越性——圆锥孔相当于正号筒(从外侧打孔)，内侧Φ↓→声阻抗Za/声阻尼Da↑→Δt↑→ΔP↑，则“声短路”↓；外侧Φ↑→Za/Da↓→声导纳Ya↑，有利于提高辐射效率。导声孔孔径以外侧Φ为标准，可以在权利要求范围内适当增加孔径。

作为优选——DRLS导声孔设置于声腔后壁/侧壁(音箱背面/侧面)，扬声器振膜两侧声辐射的相位差ΔP增加，有利于降低“声短路”的模态密度。参照图2。当频响范围f＜1000Hz时(低频扬声器系统)，100μm≤Φ≤300μm，p≤0.1‰；当频响范围20Hz≤f≤20000Hz时(全频带扬声器系统)，100μm≤Φ≤400μm，p≤0.1‰。导声孔设置于音箱背面或侧面时，由于高频声波的有效辐射角度小，具有“指向性”，如果缺乏有效反射，可能不会被听到——因此DRLS导声孔还可以设置于音箱正面，音箱内部高频声波经过背板的反射，再通过导声孔传播出来。但是低频声波容易发生“声短路”，减小导声孔Φ与开孔率p，降低“声短路”——可以取得一种平衡。扬声器正面/背面的声波耦合，则声压Pa↑→声辐射效率σr↑。参照图3。

DRLS导声孔位于声腔前壁——当频响范围f≥1000Hz时(中高频扬声器系统)，300μm＜Φ＜1000μm，p≤3％；当频响范围20Hz≤f≤20000Hz时(全频带扬声器系统)，100μm≤Φ≤300μm，p≤0.1‰。

DRLS可以采用全频带扬声器(不分频)或多单元分频扬声器系统设计——也可采用同轴扬声器(分频)以及BMR平衡模式辐射器(Balanced Mode Radiator)——BMR低频为活塞振动模式/高频为弯曲波振动模式，频响范围宽(40Hz-20000Hz)，无需分频。DRLS采用多单元分频扬声器系统设计时，各单元具有独立的声腔——可以保证不同频响范围扬声器系统的导声孔孔径Φ与孔隙率p设计保持相对独立，互不干扰。参照图4。

传统音响“Hi-Fi之道”之一就是采用低Q值扬声器单元/而增加额定功率(↓Qo/↑RMS)——降低扬声器Q值，增加阻尼，则fo谐振时失真减小/瞬态响应提高，但是以牺牲电声转换效率为代价的，不符合“低碳/节能”的绿色理念——很多低频单元Qo＜0.5(过阻尼)，低频响应降低，fo附近声压级SPL减小，频响范围缩小，用于倒相箱更容易产生“湍流”。

DRLS可以采用高Q值/高顺性扬声器(0.7＜Qo＜1)——增加灵敏度，降低能耗，提高电声转换效率。减小阻尼Ro(欠阻尼)，提高Qo；增加扬声器折环与定心支片的顺性Co，相当于增加阻尼Ro(Qo＝1/ωCoRo)，可以使Q值不至于过高(Qo＞1)，有利于减小失真——还可以降低fo(fo＝1/2π√MoCo)，改善低频响应。提高Qo，同时降低额定功率(↓RMS)——则可以减小失真，取得一种平衡；而且符合“绿色节能”理念。异曲同工——DRLS“变阻抗”结构音箱声阻抗Za增加，相当于增加扬声器阻尼Ro，可以改善瞬态响应(包括fo'以外的大动态信号)。

DRLS还可以采用“声聚能管”增加扬声器正面声辐射的效率——“声聚能管”(Acoustic Energy Gathered Pipe)是一种具有声能聚集作用的声管，可以增加声压Pa，将势能转化为动能；也可以将动能转化为势能储存起来。“声聚能管”可以采用号筒结构，包括正号筒与反号筒。“声聚能管”还能够改善低频响应——质量抗Xm↑→附加辐射质量Mr↑→扬声器谐振频率fo↓；低频声波弹性抗Xe↑→“空气弹簧”弹性系数Km↑→辐射阻Rr↑，使“低频辐射更容易”。

“声聚能管”实际上是一个“声压增益/压限器”——小信号时可以补偿声压，提升辐射声功率(节能)；信号电平提高时，则能够限制声压，降低能流密度(健康)——可以双向调节声压(蓄水池效应)。“声聚能管”具有“波导”作用，可以改变扬声器正面声波的指向特性；还具有延时作用，可以改变相位(反射/衍射)——有利于降低“声短路”。

正号筒(Horn)——声波辐射方向为从小口端(喉部)到大口端(口部)；

反号筒(Inverse-horn)——声波辐射方向为从大口端到小口端。

一般号筒式扬声器设计都采用正号筒——实际上，反号筒(Inverse-horn)的“声压控制性”优于正号筒的，扬声器辐射声压增加时，能够平抑声压，降低能流密度(声强I)，具有健康性。反号筒相对密闭空间/管壁反射，可以增加弹性抗Xe；声阻抗Za随截面积S逐渐减小而增加，Xe↑→辐射阻Rr↑——则声压Pa/声辐射效率σr增加，其“增压”效果与低频响应更好。故作为优选，DRLS声“声聚能管”采用反号筒结构——可以采用指数线/双曲线/“郁金香”形等形状。

“声聚能管”还可以采用折叠结构——可以增加弹性抗Xe，提高辐射效率，视觉长度减小/实际长度增加，“造型性”提高。相同容积(质量抗Xm相同)，采用折叠结构，由于弹性抗Xe增加，总的辐射抗Xr更大，而且“λ/4”谐振频率fop也不同(声管长度不同)——可采用蜗壳式/多层套筒式折叠结构。

蜗壳式(立体对数螺旋线)折叠结构——大口端扩展成圆形加载扬声器，小口端为出声口——参照图5。多重套管式折叠结构(参照图6)——类似于传统折叠式号筒扬声器，多个同轴声管(取奇数)层层相套，并保持一定间距，相邻两层可通过连接柱支撑固定——声管一端封闭/另一端开放，截面积相同或按规律变化。“回”字形螺旋折叠结构——类似于阿基米德螺旋线，利用“弹性抗增压”原理增加辐射抗Xr。并且可与导声孔设计结合——提高效率/降低失真。参照图7。

无论正号筒还是反号筒，都不可避免地会产生“驻波共振”——会导致声染色，使某些频率的声压级SPL提高，频响曲线不平坦。实际上，声染色虽然不符合传统“Hi-Fi标准”，但是处理得当，就能够“化腐朽为神奇”，使声音更动听——“声聚能管”的谐波能量随谐波次数增加而逐渐减弱(类似于胆机)，可以获得醇厚/柔和/清新的音色。

实施例参照图8(Castle)——多单元分频扬声器系统也可以采用“声聚能管”，扬声器/“声聚能管”向上，360°辐射——中高频单元“声聚能管”顶端封闭，附近开设导声孔(与其它导声孔意义/作用不同，Φ取4-6mm)。音箱导声孔位于侧面，有利于聆听。

DRLS还可以利用“弹性抗增压”原理提高声辐射效率——扬声器向下辐射，通过桌面或地面等刚性壁向侧上方反射声波；扬声器声轴与空间直角坐标系Y轴的夹角α满足下述关系：60°≤α＜90°，扬声器声轴与扬声器障板所在平面的交点O到刚性壁所在平面的距离d满足下述关系：9mm≤d≤60mm；音箱采用脚垫支撑。该方案适合采用全频带扬声器以及同轴扬声器/BMR。由于其独特的声场设计——即使导声孔位于音箱背面或侧面，也不会影响高频声波的聆听(而不必设置于音箱正面)——可以解决不同频率导声孔设置的矛盾问题。

“弹性抗增压”原理——扬声器辐射声波，被桌面/地面/墙面等刚性壁反射或衍射，具有“增压”(Pa)作用——刚性壁反射或衍射可以使弹性抗Xe(辐射抗Xr)增加，“空气弹簧”弹性系数Km↑→弹性抗Xe↑→辐射阻Rr↑，则声压Pa增加，辐射声功率Wr提升。虽然“固定端反射”(波阻抗Za＝∞)存在能量损失——但由于声压增加，声辐射效率σr提高。声阻抗Za(波阻抗)——某表面的声压与体积流量的复数比。弹性抗Xe与声阻抗相关，但并非同一概念——弹性抗强调辐射势能；而声阻抗强调介质对声波的阻碍作用。

扬声器声轴与空间直角坐标系Y轴(桌面或地面)的夹角α满足下述关系：60°≤α＜90°(α为锐角)，α不同，指向性与聆听效果也不同。

α＝90°时——“弹性抗增压”作用增强，但高频轴向声波不容易传播出去(波长小，衍射作用减弱)，且会产生驻波，频响范围下降，音质劣化——故其适于低频系统，而不适于全频带扬声器系统。α≠90°时——虽然“弹性抗增压”作用减弱，但高频响应/结像力/定位感/清晰度提高，音乐“色彩感”好，更生动——可以在“绿色性”与“Hi-Fi性”之间取得一种平衡，也更适于AV/GAME。朝向使用者的方向，反射波模态密度增大，Wr增加；相反方向则反射波/Wr减小，因此其指向性更具有针对性，效率提高——小音量也可以获得良好的聆听效果。α≠90°时，指向性可选择，聆听位置相对固定，更适于PC音响；α接近90°时，虽然音质下降，但可以形成“全指向”辐射(360°)。

音箱底面与桌面或地面的距离L为9-60mm(α＝90°)——一般微型音响为9-20mm；书架箱/落地箱为20-60mm——可以按照上述原则先确定高度，再调节角度(α≠90°)。音箱底面与桌面或地面的距离L增加，质量抗Xm增加，排气量V增加，辐射声功率Wr增加——但L过大，弹性抗Xe减小，反射不充分，“弹性抗增压”作用减弱，效率下降，驻波共振会导致声染色。L过小——Xe增加，“压缩效应”使声音不舒展，清晰度/层次感下降，声波干涉(高频)明显，低频响应差。

这种设计的优势在于声场/而非音质——虽然相对于传统Hi-Fi音响，结像力/定位感/频响范围降低，但其声场宽阔/自然/真实(360°辐射)——由于不采用声管结构，可以避免“驻波共振”声染色导致的音质劣化问题。

实施例参照图9(Leaning Tower of Pisa)——音箱采用圆柱造型结构，铝合金箱体铸造工艺/激光打孔技术，铜质脚垫。α＝75°，扬声器采用4″BMR平衡模式辐射器(60Hz-20000Hz)；导声孔100μm≤Φ≤400μm，p＝1‰。音箱内部还增设彩色LED背光灯，朦胧的光线通过导声孔透射出来，亮度随音乐信号电平强弱变化——在黑暗中听音乐有一种梦幻/神秘的视觉效果。

Claims (7)

1.一种偶极辐射式扬声器系统，

扬声器背面与一声腔耦合，声腔具有刚性壁，其特征在于

声腔刚性壁具有导声孔，

所述导声孔为通孔，相邻导声孔间距d≥9mm；

当频响范围f＜1000Hz时，100μm≤孔径Φ≤300μm，孔隙率p≤0.1‰；

当频响范围f≥1000Hz时，300μm＜孔径Φ＜1000μm，孔隙率p≤3％；

孔隙率p按导声孔总面积与扬声器投影面积之比计算。

2.根据权利要求1所述的偶极辐射式扬声器系统，其特征在于

所述导声孔位于声腔后壁或侧壁，

当频响范围f＜1000Hz时，100μm≤Φ≤300μm，p≤0.1‰；

当频响范围20Hz≤f≤20000Hz时，100μm≤Φ≤400μm，p≤0.1‰。

3.根据权利要求1所述的偶极辐射式扬声器系统，其特征在于

所述导声孔位于声腔前壁，

当频响范围f≥1000Hz时，300μm＜Φ＜1000μm，p≤3％；

当频响范围20Hz≤f≤20000Hz时，100μm≤Φ≤300μm，p≤0.1‰。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的偶极辐射式扬声器系统，其特征在于

采用全频带扬声器或同轴扬声器或BMR平衡模式辐射器；

也可采用多单元分频扬声器系统设计，

所述多单元分频扬声器系统各单元具有独立的声腔。

5.根据权利要求4所述的偶极辐射式扬声器系统，其特征在于

所述全频带扬声器与低频单元采用高Q值、高顺性扬声器，

扬声器Qo满足下述要求：0.7＜Qo＜1。

6.根据权利要求4所述的偶极辐射式扬声器系统，其特征在于

扬声器正面加载一“声聚能管”，

所述“声聚能管”结构包括反号筒，以及

蜗壳式、多层套筒式与“回”字形螺旋折叠结构中任一种类型。

7.根据权利要求4所述的偶极辐射式扬声器系统，其特征在于

扬声器向下辐射，通过桌面或地面向侧上方反射声波；

扬声器声轴与空间直角坐标系Y轴的夹角α满足下述关系：60°≤α＜90°，

扬声器声轴与扬声器障板所在平面的交点O到刚性壁所在平面的距离d满足下述关系：

9mm≤d≤60mm；

音箱采用脚垫支撑。