CN217486637U - 一种同轴式柱面波中高音音箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种同轴式柱面波中高音音箱，包括箱体和安装于箱体面板上的同轴式柱面波中高音模组，同轴式柱面波中高音模组包括具有共同轴线的中音号角，高音模组，和中音相位板，高音模组嵌入中音相位板，中音相位板置于中音号角上。高音模组包括至少一个高音号角，高音号角包括具有共同轴线的高音磁铁，高音振膜，波导号角，和高音相位塞，高音相位塞通过呈十字形的连接筋与波导号角连接，连接筋边缘与高音振膜表面相对应。中音相位板由垂直方向的竖板和水平方向的横板组成，竖板的横截面呈V形，竖板的棱线与中音号角的中音振膜外表面相对应，横板的横截面呈三角形，横板的下表面与中音号角的中音振膜外表面相对应。

Description

一种同轴式柱面波中高音音箱

技术领域

本实用新型涉及扩声装置，尤其是涉及一种同轴式柱面波中高音音箱。本中高音音箱使中频和高频声轴重合，构成同轴结构，使中频转换器和高频转换器的耦合特性得以优化，即实现双柱面波同轴耦合。

背景技术

传统扩声系统，例如现有技术，中国实用新型专利，ZL201921547041.7,披露了一种同轴扬声器。该专利中，低音音圈设置于盆架内，使低音音圈与盆架同轴设置，并将高音扬声器设置于低音音圈内。该实用新型专利技术使扬声器在输出低音的同时，高音同步输出，低音音圈与高音扬声器之间互不干涉，保证扬声器的音质。

但是，前述现有技术仅适用于点声源所发出的球面波应用，现代扩声系统中线声源和柱面波的同轴式号角还需要结合线声源和柱面波的特性做出对应设计。

现代专业扩声系统要求主要有：1、大声压级，需通过耦合叠加来实现；2、低失真，需通过优化结构设计来实现；3、均匀覆盖，需通过良好的指向控制来实现。而要满足上述要求，线声源和柱面波相对于传统的点声源和球面波具有明显的优势。

理论上，点声源为球面波，线声源为柱面波，其传输特性有本质区别。如图1所示，点声源2所产生的波阵面为同心球面，被称为球面波。设想在无限均匀媒质中有一球状声源，其表面迅速地膨胀和收缩，且表面上的各点作同相位同振幅的振动，向周围媒质辐射的波就是球面波。这种声波是球对称的，即声压的大小仅与离球心的距离有关。任何形状的声源，只要它的尺寸比波长小的多得都可以看作点声源，辐射球面波。对于球面波，在离声源任意距离上的声强与距离平方成反比，声压与距离成反比，声压与振动速度之间的相位差与球面波的半径对波长的比值成反比。

如图2所示，线声源4产生的波阵面是同轴柱面的波，被称为柱面波。柱面波是波阵面为同轴柱面的波。设想在无限均匀媒质里有一无限长的均匀线声源，它所产生的波就是理想的柱面声波。在柱面声波中，声压振幅沿轴向分布是均匀的，沿径向与距轴的距离平方根成反比。其径向声强与离轴的距离的一次方成反比。

由上述声学理论分析可见，柱面波构成的线声源，其声学特性远优于传统的点球面波构成的点声源具体表现在：1、传输特性---效率大一倍。2、耦合特性好，干涉引起的失真低。3、指向性控制更佳(垂直方向为强指向特性)。因此，如何实现将球面波转换为柱面波，成为本行业研究人员的主攻方向。

现有技术，中国实用新型专利，CN201320153532.X，披露了一种扩声用植入相位塞式高音号角。该技术通过植入呈梭形的相位塞，产生了路径补偿作用，使声波的传输特性发生变化，由球面波转换为柱面波。

现代声学理论认为，形成了球面波转柱面波的理论条件：1、紧密排列的独立声源中心距离小于其工作带宽范围对应频率上限波长的一半。2、多个独立声源为同相波阵面，且有效辐射区域面积占总面积的80％以上。理论上，满足上述两个条件的任一个，即可实现由球面波向柱面波的转换。

针对第一个条件，现有行业产品中，有多种结构的波形转换器，其基本原理为通过波导管(声音通道)的弯曲调整，使各通道声路径相同，即实现等相位特性。现有技术，中国实用新型专利，ZL200820207136.X，披露了一种扩声用高频指向性控制转换器，通过设置若干个声学路径相等的传输通道，实现了球面波向柱面波的转换，实现了柱面波的指向性控制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种中高音音箱能够使中频柱面波和高频柱面波声轴重合，构成同轴结构，使中频转换器和高频转换器的耦合特性得以优化，即实现双柱面波同轴耦合。

本实用新型提供了一种同轴式柱面波中高音音箱，包括箱体和安装于箱体面板上的同轴式柱面波中高音模组，同轴式柱面波中高音模组包括具有共同轴线的中音号角，高音模组，和中音相位板，高音模组嵌入中音相位板，中音相位板置于中音号角上。

作为改进，高音模组包括至少一个高音号角，高音号角包括具有共同轴线的高音磁铁，高音振膜，波导号角，和高音相位塞，高音振膜与高音磁铁连接，并将电信号转化为震动和声音，波导号角呈盆状并环绕高音磁铁和高音振膜，高音振膜呈凸起的球面，高音相位塞呈凹陷的球面，高音相位塞球面与高音振膜球面相对应，高音相位塞通过呈十字形的连接筋与波导号角连接，连接筋边缘与高音振膜表面相对应。

作为改进，高音模组包括3个高音号角，

作为改进，高音号角的横截面上，高音相位塞表面弧线OA和弧线AB长度之和与波导号角内表面弧线CD的长度之间的差值小于高音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。

作为改进，中音相位板呈十字形，中音相位板由垂直方向的竖板和水平方向的横板组成，高音号角的波导号角与竖板连接，竖板的横截面呈V形，竖板的棱线与中音号角的中音振膜外表面相对应，横板的横截面呈三角形，横板的下表面与中音号角的中音振膜外表面相对应。

作为改进，竖板外表面弧线oa和波导号角外表面弧线ab长度之和与横板外表面弧线od的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。

作为改进，横板在B-B截面呈三角形，横板下表面弧线ef和上表面弧线fg长度之和与中音振膜外表面弧线hj的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。

本实用新型与现有技术相比所带来的有益效果是：本实用新型提供了一种同轴式柱面波中高音音箱，一方面高音相位塞和波导号角产生高音柱面波，中音相位板产生中音柱面波。另一方面中音号角和高音模组具有共同的轴线，并且高音模组嵌入中音相位板使中高音的声源间距离最小化，可有效改高/中频的相位耦合特性，缩小相位偏移，减少相位失真。

附图说明

图1为点声源和球面波的示意图。

图2为线声源和柱面波的示意图。

图3A、图3B为本实用新型一个实施例的结构示意图。

图4A为本实用新型一个实施例中的高音模组的结构示意图。

图4B为本实用新型一个实施例中的高音号角的结构示意图。

图5A为本实用新型一个实施例中的中音相位板的结构示意图。

图5B为本实用新型一个实施例中中音相位板与波导号角连接关系的示意图。

图5C为本实用新型一个实施例的中高音模组的示意图。

图5D为本实用新型一个实施例的中音号角和中音相位板的示意图。

图6为本实用新型一个实施例的高音号角的正视示意图。

图7为本实用新型一个实施例的中音号角的正视示意图。

图8为现有技术和本实用新型中音号角的波束线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。

如图1，点声源和球面波的示意图，所示，点声源2所产生的波阵面为同心球面，被称为球面波。设想在无限均匀媒质中有一球状声源，其表面迅速地膨胀和收缩，且表面上的各点作同相位同振幅的振动，向周围媒质辐射的波就是球面波。这种声波是球对称的，即声压的大小仅与离球心的距离有关。任何形状的声源，只要它的尺寸比波长小的多得都可以看作点声源，辐射球面波。对于球面波，在离声源任意距离上的声强与距离平方成反比。如图所示，当声源距离从R增加至R2，即R的两倍时，波阵面的面积从A增加至4A，声强降至1/4。

如图2，线声源和柱面波的示意图，所示，线声源4产生的波阵面是同轴柱面的波，被称为柱面波。柱面波是波阵面为同轴柱面的波。设想在无限均匀媒质里有一无限长的均匀线声源，它所产生的波就是理想的柱面声波。在柱面声波中，声压振幅沿轴向分布是均匀的，沿径向与距轴的距离平方根成反比。其径向声强与离轴的距离的一次方成反比。如图所示，当声源距离从R增加至R2，即R的两倍时，波阵面的面积从A增加至2A，声强降至1/2。

图3A、图3B为本实用新型一个实施例的结构示意图。其中图3A为垂直平面剖视图，图3B为水平平面的剖视图。如图3A、图3B所示，本实用新型一个实施例中，一种同轴式柱面波中高音音箱6，包括箱体8和安装于箱体面板上的同轴式柱面波中高音模组10。同轴式柱面波中高音模组10包括具有共同轴线Y的中音号角12，高音模组14，和中音相位板16，高音模组14嵌入中音相位板16，中音相位板16置于中音号角12上，高音模组14包括3个高音号角18。

图4A为本实用新型一个实施例中的高音模组的结构示意图。高音模组14包括3个高音号角18。其中，高音号角18包括具有共同轴线的高音磁铁20(因为被高音振膜22遮挡，未示出)，高音振膜22，波导号角24，和高音相位塞26，波导号角24呈盆状并环绕高音磁铁20和高音振膜22，高音相位塞26罩在高音振膜22中心部位，高音相位塞26通过呈十字形的连接筋28与波导号角24连接。

图4B为本实用新型一个实施例中的高音号角的结构示意图。高音号角18包括具有共同轴线Y1的高音磁铁20，高音振膜22，波导号角24，和高音相位塞26，高音振膜22与高音磁铁20连接，并将电信号转化为震动和声音，波导号角24呈盆状并环绕高音磁铁20和高音振膜22，高音振膜22呈凸起的球面，高音相位塞26呈凹陷的球面，高音相位塞26的球面与高音振膜22的球面相对应。在高音号角18的横截面上，高音相位塞26表面弧线OA和弧线AB长度之和与波导号角24内表面弧线CD的长度之间的差值小于高音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。高音相位塞26通过呈十字形的连接筋28与波导号角24连接，连接筋28边缘与高音振膜22表面相对应。

图5A为本实用新型一个实施例中的中音相位板的结构示意图。中音相位板16呈十字形，中音相位板16由垂直方向的竖板30和水平方向的横板32组成，竖板30的宽度为W1,横板32的宽度为W2,为了方便中音相位板16与箱体8的面板的连接，中音相位板16可以包含环绕中音相位板16，并且连接竖板30和横板32端点的连接板34。

图5B为本实用新型一个实施例中中音相位板与波导号角连接关系的示意图。高音号角的波导号角24与竖板30可以在对应的孔位连接。

图5C为本实用新型一个实施例的中高音模组的示意图。同轴式柱面波中高音模组10包括具有共同轴线Y的中音号角12，高音模组14，和中音相位板16，高音模组14嵌入中音相位板16，中音相位板16置于中音号角12上，高音号角的波导号角24与竖板30连接，竖板30的横截面呈V形，竖板30的棱线与中音号角12的中音振膜36外表面相对应,横板32的下表面与中音号角12的中音振膜36外表面相对应，竖板30外表面弧线oa和波导号角24外表面弧线ab长度之和与横板32外表面弧线od的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。其中，o点是竖板30外表面与轴线Y的交点，a点是竖板30外表面的端点，b点是波导号角24外表面的端点，d点是横板32与连接板34的交线在横截面上的交点。

图5D为本实用新型一个实施例的中音号角和中音相位板的示意图。中音相位板16置于中音号角12上，竖板30的棱线与中音号角12的中音振膜36外表面相对应,横板32的横截面呈三角形，横板32的下表面与中音号角12的中音振膜36外表面相对应。横板32在B-B截面呈三角形，横板32下表面弧线ef和上表面弧线fg长度之和与中音振膜36外表面弧线hj的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。其中，在B-B横截面上，e点是与轴线Y平行的垂直线与横板32下表明的交点，f点是横板32一侧的端点，g是横板32的顶点，h点是与轴线Y平行的垂直线与中音振膜26外表面交点，j点是中音振膜的端点。

本实用新型的一个实施例的开发和设计过程主要包含以下步骤：

(1)选定音箱的有效频率响应范围。通常要满足现代化扩声的多种应用需求，二分频音箱系统，其有效频响范围通常为100Hz～18KHz(-10dB)。

(2)选择高/中音单元。现有工业标准中，能够满足扩声条件(灵敏度，承受功率，最大声压级)的最小尺寸高音单元为0.75英寸，其外径约31毫米。工业标准中，能够满足扩声条件，且f0≈100Hz的最小中音单元为4英寸，其外径约107毫米。相应的，采用等距法，选定高/中音数量比为3:1。

(3)高音单元校核。首先，根据线声源等效条件，相邻的两个高音单元的间距LH应当小于或等于频率上限波长的二分之一。因此，高音单元的耦合上限频率f上＝18KHz时，其声源间距LH可以按照f上＝18KHz,声速V0＝343米/秒计算得出，LH≤9.5毫米。而现有工业标准中，能够满足扩声条件(灵敏度，承受功率，最大声压级)的最小尺寸高音单元为0.75英寸，其外径约31毫米。相应的，当高音单元声源间距LH为31毫米时，其对应的耦合上限频率f上＝5532Hz，远远小于期望的耦合上限频率f上＝18000Hz。由此可见，直射式高音无法满足f上的设定条件，因此，只能用相位塞+波导号角的“声间距”等分法来设计与之匹配的“高音相位塞+波导号角”结构。

(4)中音单元校核。现有工业标准中，0.75英寸高音单元，其标称频响范围为1500Hz～20000Hz。在实际分频应用设计时，为确保其长期工作的安全可靠性和低失真状态，通常采用“回缩倍频程法则”而将工作频率下限上移1倍频率，由此可确定，选择其长期有效工作频率范围为：3000Hz～20000Hz。由此，也可以推算出0.75英寸高音的分频频率下限为3000Hz，则该音箱的二分频的分频点为f分≥3000Hz。由线声源理论，该音箱系统中音单元的耦合上限频率f上≥3000Hz时，才能形成连续的线声源。而在现有工业标准中，能够满足扩声条件，且f0≈100Hz的最小中音单元为4英寸，其外径约107毫米。相应的，当中音单元声源间距LH为107毫米时，其对应的耦合上限频率f上＝1603Hz。在直射条件下，f上＝1603Hz远远小于3000Hz的构成条件。因此，也必须采用相位板“声间距”等分法，来缩小声距，提高f上，才能满足线声源条件。

(5)高音相位塞+波导号角结构设计。如图4A所示，高音号角18包括具有共同轴线的高音磁铁20(因为被高音振膜22遮挡，未示出)，高音振膜22，波导号角24，和高音相位塞26，波导号角24呈盆状并环绕高音磁铁20和高音振膜22，高音相位塞26罩在高音振膜22中心部位，高音相位塞26通过呈十字形的连接筋28与波导号角24连接。相应的，如图6所示高音号角的正视示意图，高音号角18被呈十字形的连接筋28分割成了4个相同的扇形区域，构成了4个虚拟声源S1-S4。4个虚拟声源的中心，即是虚拟声源点C1-C4。高音相位塞26的直径是DS,高音振膜22的外缘直径是DZ,各虚拟声源点C1-C4在直径DY的圆与从圆心K出发的45°射线X1-X4的交点，其中DY＝(DS+DZ)/2。相应的，虚拟声源点C1-C4在垂直和水平方向的间距为LH，即相邻两个高音声源的间距。

根据0.75英寸高音单元的规格，其高音振膜的外缘直径DZ约为19毫米，选定高音相位塞直径为8毫米，则虚拟声源点C1-C4所在的圆的直径DY为13.5毫米，相应的，虚拟声源点C1-C4在垂直和水平方向的间距为LH为9.5毫米，能够满足高音耦合上限f上＝18KHz的要求。

另，为降低耦合失真，高音相位塞26表面弧线OA和弧线AB长度之和与波导号角24内表面弧线CD的长度之间的差值小于高音号角适配的频率上限对应波长的四分之一，即2.375毫米。根据以上约束条件，参考0.75"高音单元的规格尺寸，采用CAD绘图软件的辅助设计，可以确定高音相位塞及波导号角的尺寸。

(6)中音相位板结构设计。同样的，应用声间距等分法，辅助CAD软件，可确定中音相位板的结构尺寸。如图5A所示，中音相位板16呈十字形，中音相位板16由垂直方向的竖板30和水平方向的横板32组成，竖板30的宽度为W1,横板32的宽度为W2,为了方便设计与验证，竖板30的宽度W1＝横板32的宽度W2。

如图7所示中音号角的正视示意图，中音号角12被呈十字形的中音相位板16分割成了4个相同的扇形区域，构成了4个虚拟声源M1-M4。4个虚拟声源的中心，即是虚拟声源点N1-N4。竖板30和横板32交汇部位对中音振膜36中心部位形成了遮盖，换算为与4个交汇点的内接圆，其直径为D1。中音振膜36的外缘直径是D2,各虚拟声源点N1-N4在直径D3的圆与从圆心P出发的45°射线X1-X4的交点，其中D3＝(D1+D2)/2。相应的，虚拟声源点N1-N4在垂直和水平方向的间距为LM，即相邻两个中音声源的间距。

根据4英寸中音单元的规格，其中音振膜的外缘直径D2约为102毫米，选定竖板30的宽度W1＝横板32的宽度W2＝38毫米，则D1约等于54毫米，虚拟声源点N1-N4所在的圆的直径D3＝78毫米，相应的，虚拟声源点N1-N4在垂直和水平方向的间距为LM＝55毫米，根据公式换算对应分频点(中音耦合上限频率)f上≈3118Hz，能够满足中音耦合上限f上，即二分频的分频点频率f分≥3000Hz的要求。

另，为降低耦合失真，中音相位板16的设计还需要满足如下条件：1)竖板30的横截面呈V形，竖板30的棱线与中音号角12的中音振膜36外表面相对应,横板32的下表面与中音号角12的中音振膜36外表面相对应，竖板30外表面弧线oa和波导号角24外表面弧线ab长度之和与横板32外表面弧线od的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。2)横板32的横截面呈三角形，横板32的下表面与中音号角12的中音振膜36外表面相对应。横板32在B-B截面呈三角形，横板32下表面弧线ef和上表面弧线fg长度之和与中音振膜36外表面弧线hj的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。其中，中音号角适配的频率上限就是分频点频率f分＝3000Hz，其对应的波长为57毫米。

根据以上约束条件，参考4英寸中音单元的规格尺寸，采用CAD绘图软件的辅助设计，可以确定中音相位板的尺寸。

(7)将“高音相位塞+号角”嵌入中音相位板中，使其满足：①有效缩小高/中音间距离，减小由此引起的相位失真。②避免了高音磁体对中音声波的声反射，为中/高音分频区频响及指向波束的连续性，奠定基础条件。③高音单元对称式分布，使高音耦合声轴与中高音声轴重合，构成声学同轴结构，改善中/高音声波的耦合特性。

(8)分频器设计调试，根据前述计算条件，选定分频频率f分＝3000Hz，采用LRC两阶分频法，选择合适的分频电路，结合实际测试，完成系统分频。经过实测，该音箱系统符合技术预设条件，实现线声源特性。

(9)音箱装配，按照以下步骤装配音箱：①高音组装->嵌装入中音相位板。②与中音单元同步紧固于箱体。

本实用新型具有如下技术优势：(1)通过高音相位塞和波导号角的设计，根据理论上“声路径相等的声波，可以构成等相位波”，和“等相耦合叠加原理”，即可在号角出口形成等相波阵面。(2)利用高音相位塞和连接筋对声源分隔作用，将高音振膜等分开来，形成了4个独立的虚拟声源点，使声源间距缩小，提高了其耦合上限频率。(3)根据“等路径相位耦合”理论，中频相位板的设计，可在出口面形成等相的耦合波阵面。(4)利用十字形中音相位板的分割作用，将中音振膜等分开来，形成了4个独立的虚拟声源点，使声源间距缩小，满足了分频的需要。(5)中音相位板提高了中音号角耦合上限频率，使中频声波由其中音相位板两侧导出，形成“声波绕射”效应，使中频声波连续一致。(6)中频相位板，可有效“展宽”水平指向角度。如图8显示了现有技术和本实用新型中音号角的波束线。其中横轴为频率，纵轴为指向角，线40是现有技术，即没有中音相位板的中音号角的波束线，线42是本实用新型，即有中音相位板的中音号角的波束线。测试表明：1)在同样的频率，本实用新型技术有更大的指向角。2)在同样的指向角范围内，如图8所示，-45度至+45度，本实用新型技术对应频率Pf90高于现有技术Df90，说明相位板“展宽”了中频的水平指向。(7)将高音单元“嵌入”中音相位板内，使高/中音的声源间距离最小化，可有效改高/中频的相位耦合特性，缩小相位偏移，减少相位失真。

Claims (7)

1.一种同轴式柱面波中高音音箱，其特征在于，包括箱体和安装于箱体面板上的同轴式柱面波中高音模组，同轴式柱面波中高音模组包括具有共同轴线的中音号角，高音模组，和中音相位板，高音模组嵌入中音相位板，中音相位板置于中音号角上。

2.根据权利要求1所述的同轴式柱面波中高音音箱，其特征在于，所述高音模组包括至少一个高音号角，高音号角包括具有共同轴线的高音磁铁，高音振膜，波导号角，和高音相位塞，高音振膜与高音磁铁连接，并将电信号转化为震动和声音，波导号角呈盆状并环绕高音磁铁和高音振膜，高音振膜呈凸起的球面，高音相位塞呈凹陷的球面，高音相位塞球面与高音振膜球面相对应，高音相位塞通过呈十字形的连接筋与波导号角连接，连接筋边缘与高音振膜表面相对应。

3.根据权利要求2所述的同轴式柱面波中高音音箱，其特征在于，所述高音模组包括3个高音号角。

4.根据权利要求2所述的同轴式柱面波中高音音箱，其特征在于，所述高音号角的横截面上，高音相位塞表面弧线OA和弧线AB长度之和与波导号角内表面弧线CD的长度之间的差值小于高音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。

5.根据权利要求2所述的同轴式柱面波中高音音箱，其特征在于，所述中音相位板呈十字形，中音相位板由垂直方向的竖板和水平方向的横板组成，高音号角的波导号角与竖板连接，竖板的横截面呈V形，竖板的棱线与中音号角的中音振膜外表面相对应，横板的横截面呈三角形，横板的下表面与中音号角的中音振膜外表面相对应。

6.根据权利要求5所述的同轴式柱面波中高音音箱，其特征在于，竖板外表面弧线oa和波导号角外表面弧线ab长度之和与横板外表面弧线od的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。

7.根据权利要求5所述的同轴式柱面波中高音音箱，其特征在于，横板在B-B截面呈三角形，横板下表面弧线ef和上表面弧线fg长度之和与中音振膜外表面弧线hj的长度之间的差值小于中音号角适配的频率上限对应波长的四分之一。

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