CN221381162U - 一种高音波导及包含该波导的高音号角和音箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，波导呈Y形，包括呈水平设置的两条波导通道，波导通道用于连接球面波高音驱动器，波导通道由依次连接的第一通道，第一反射面，第二通道，第二反射面，和第三通道组成。本实用新型的波导通过特定的反射声波通道使两个或者多个压缩驱动器(高音或者中音驱动器)声源在水平位置波前不共腔耦合，并转换声波为平面波形状且无声学干扰的波前。本实用新型的波导相对于现有技术单个驱动器垂直耦合的波导最大声压级会增加≥6dB。

Description

一种高音波导及包含该波导的高音号角和音箱

技术领域

本实用新型涉及一种声波波导，尤其是用于扬声器多个相同或者不同驱动器声源波前不共腔水平垂直方向耦合辐射的波导。

背景技术

随着扩声领域对扬声器重放质量要求提高，覆盖远近场范围的声压要求要一致均匀，比传统点声源扩声性能更好的线声源逐渐推广开来。以线声源的方式扩散组成的线阵列音箱(扬声器系统)，其特点是单只扬声器垂直角度小，有效解决扬声器之间的声干涉问题，同时线阵列音箱(扬声器系统)声压衰减慢、传输距离远。

如图1所示，点声源2是指以点声源呈球面波的方式扩散，其特点是水平跟垂直方向覆盖角度大、声压衰减快，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1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。距离R增加一倍，声压级衰减6dB。

如图2所示，线声源4是由多只柱面波声源音箱系统组成，其高音驱动器一般是接近平面波的带式驱动器，例如US2007/0160233A1公开的扩音器。或者是通过相关波导装置把传统压缩驱动器转换成类似于平面波的圆柱波声源，例如US5163167A公开的声波波导。线声源扬声器的垂直高频部分指向角度非常窄，其垂直指向一般为5-10度左右，每当声源距离增加一倍圆柱波的能量会衰减3dB。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2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。由于线声源音箱传输衰减小的特性，可以有着更远的扩声效率。高频耦合特性好，可以减少干涉引起的失真，有利于高质量的扩声。整串线声源音箱工作时指向性控制更佳，在垂直方向数量越多，指向性可控频率越低。

跟随市场的需要，各个厂家设计出基于线声源的阵列音箱产品而应用到专业音响扩声中来。例如，US7965857B2，该专利是US2007/0160233A1的同族专利。专利公布了一种适合线声源扩声应用的带式高音驱动器。根据US2007/0160233A1的说明书和附图可知，扬声器包括两个相同的金属壳体，金属壳体有2个延伸的槽或声音通道，使扬声器产生的声音向外传播。一个喇叭可以连接到扬声器，喇叭提供了一个逐渐变宽的波前。

此外，也有很多厂家设计出基于压缩驱动器设计接近于平面波形状的圆柱波转化的号筒波导。最早以法国Heil Christian为代表提出的专利US005163167A为代表。US005163167A的说明书和附图指出，波导有3个元件组成，两个元件沿着垂直平面对称并且包括固定内芯的壳体，每个壳体包括后边板和前边板并通过中心板连接，前边板之间有开口，壳体包覆内芯并有空隙。该专利公开了一种由几何学解释在压缩驱动器经圆形出口处，经由抛物面和双曲面组成的声波通道槽到长方形出口处，波前经过相位塞表面的任意时间近似于相等的，即波导中的压缩驱动器经圆型孔和波导出矩形口波前之间允许声波路径之间的路径差(δ)为：δ≤λ/4，(λ是设计目标最高可用频率的波长)误差小于或者等于最高工作频率的四分之一波长，当然不会是绝对相同。只是误差小到可产品设计工作可用频率允许的能接受范围之内。

在以上为代表的两种线阵列线声源只能实现单个声源音箱垂直阵列组合耦合，如US005163167A附图13所示。而且两个垂直的声源必须工作在相同频率范围，否则不能产生连续的相干声波。一个合格的线声源矩形开口尺寸w小于或者等于其设计目标最高频率波长即为：W≤λ。例如US2007/0160233A1专利中带式高音矩形出口宽度为18mm，US005163167A专利中波导矩形出口宽度为18mm，根据W≤λ可计算出其工作最高频率上限为19KHz。

为了满足耦合条件，相邻的两个声源的中心距M应当小于或等于频率上限波长的二分之一即为：M≤λ/2。因此，高音单元的耦合上限频率Fh＝18KHz时，其声源中心距M可以按照Fh＝18KHz,声速V0＝343米/秒计算得出，M≤9.5毫米。如图3A所示，当两个带式高音单元6水平排列时，其声源间距M为109毫米时，其对应的耦合上限频率Fh＝3155Hz。图3A显示了两个带式高音的干涉情况，直线表示小于3155Hz频率呈平面波状传播，而大于3155Hz频率的开始出现梳状滤波干涉。

如图3B所示，当两个压缩高音单元8经由如US005163167A专利中波导10水平排列时，其声源中心距M为18毫米时，其对应的耦合上限频率Fh＝9555Hz，图3B显示了两个波导的干涉情况，直线表示小于9555Hz呈平面波状传播，而大于9555Hz频率的开始出现干涉。

由此可见，由于物理结构问题无论是带式高音，还是以法国Heil Christian为代表申请的相关圆柱波转换装置，由于物理结构上的原因而不能实现多个驱动器水平方向上的完美耦合，期望的可用频率小于10KHz，远远小于单个垂直耦合工作时的18KHz。

实用新型内容

针对以上为代表的目前行业线声源技术不能水平面完美耦合的问题，而本实用新型在实现水平面完美耦合时还同时实现以下目的：

本实用新型的另一个目的是提供一种潜望式反射号筒，以通过特定的反射声波通道槽使两个或者多个压缩驱动器(高音或者中音驱动器)声源在水平位置波前不共腔耦合，并转换声波为平面波形状且无声学干扰的波前。

本实用新型的另一个目的是提供一种增大声压级输出方法，在音箱内有同时工作相同频率的有多个驱动器波导波前不共腔耦合，相对于目前行业内现有技术单个驱动器垂直耦合的波导最大声压级会增加≥6dB。

本实用新型的另一个目的是提供一种方法，该方法允许在相同频率范围内工作的多个驱动器声源在水平位置相同波前不共腔产生公共波前耦合，而且几乎为零声学干扰

本实用新型的另一个目的是提供一种方法，该方法允许在不同频率范围内工作的多个驱动器声源在水平位置相同波前不共腔产生公共耦合，而且几乎为零声学干扰

本实用新型的另一个目的是提供一种在音箱内的一个或多个频率范围内产生一个或多个波前的方法，该波前将线阵列吊挂相邻音箱中的相同频率范围的声波耦合并且无声学干扰。

本实用新型提供了一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，波导呈Y形，包括呈水平设置的两条波导通道，波导通道用于连接球面波高音驱动器，波导通道由依次连接的第一通道，第一反射面，第二通道，第二反射面，和第三通道组成，第一通道为抛物面构成，第一反射面为椭圆面，第二通道为双曲面构成，第三通道为矩形面构成。

作为改进，第一通道由一对相互拟合的凸抛物面和凹抛物面组成，第一通道由两个抛物面之间的空间构成，凹抛物面其末端抛物面截面抛物线为第一反射面椭圆面截面部分抛物线，第一反射面椭圆面末端截面抛物线为第二通道的其一双曲面截面部分抛物线，凸抛物面部分为直角圆锥体一部分，其顶点角度小于或者等于90°，其末端抛物面截面抛物线为第二通道的其二双曲面截面部分抛物线。

作为改进，第二通道通过第一反射面与第一通道相连，第二通道通过第二反射面与第三通道相连，第二通道位于第一反射面和第二反射面之间。

作为改进，第一反射面是位于第一通道的末端，第一反射面呈椭圆面反射表面，第二反射面呈矩形平面，在水平剖面图上第二通道由相互平行内壁和外壁构成，第二通道内壁入口端与第一反射面相连，第二通道外壁入口端与凸抛物面相连，第二通道外壁出口端与第二反射面相连。

作为改进，声波射线经过第一通道，第一反射面，第二通道，第二反射面，和第三通道，经第一反射面和第二反射面的声波射线符合反射定律即入射角等于反射角：θi1＝θr1＝θi2＝θr2，其声波经过波导通道之间的路径差(δ)为：δ≤λ/4。

作为改进，在水平剖面图上第三通道由第三通道内壁和第三通道外壁构成。

作为改进，第三通道外壁入口端与第二反射面相连，第三通道内壁入口端与反射通道内壁相连。

作为改进，在通过波导中心的水平面上，第一通道的中心线与第三通道外壁平行，第三通道内壁呈折线状，第三通道内壁的入口段与第三通道外壁平行，第三通道内壁的出口段一端连接第三通道内壁的入口段，一端连接第三通道的出口。

作为改进，本实用新型提供了一种高音号角，包括一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，和安装在波导通道入口端的两个高音驱动器。

作为改进，本实用新型提供了一种音箱，包括一种高音号角，在高音号角两侧呈水平对称配置的两个中低音驱动器，和箱体。

如图3C所示，是根据本实用新型设计的波导12，两个球面波高音驱动器14水平排列时，其矩形开口宽度W为18毫米，根据W≤λ可计算出其工作最高频率上限为19KHz。图3C显示本实用新型设计实施的波导小于19kHz频率呈平面波状无声波干涉传播。

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是两个带式高音单元水平耦合的示意图。

图3B是两个高音单元通过常规波导水平耦合的示意图。

图3C是本实用新型的波导和高音声源水平耦合的示意图。

图4是本实用新型的高音号角在通过波导中心的水平面上的剖视图。

图4A是本实用新型波导的波导通道内壁示意图。

图4B是本实用新型波导的波导通道外壁示意图。

图4C是本实用新型波导通道中声波射线传播路径和反射关系的示意图。

图5是本实用新型的波导外部壳体的立体示意图。

图6A是本实用新型波导应用于音箱设计的水平剖视图。

图6B是本实用新型波导应用于音箱设计的主视图。

图7是本实用新型波导与现有技术在同一测试条件下测试曲线对比图。

图8A是现有技术波导水平3D指向性图。

图8B是现有技术波导垂直3D指向性图。

图9A是本实用新型实施案例波导水平3D指向性图。

图9B是本实用新型实施案例波导垂直3D指向性图。

图10是本实用新型实施案例跟现有技术相同测试条件声压级对比曲线。

图11A和图11B是本实用新型使用两个相同驱动器工作在相同频段频响曲线图。

图12A和图12B是本实用新型使用两个不同驱动器工作在不同频段频响曲线图。

图13A是根据本实用新型的波导应用设计的音箱垂直阵列组合示意图。

图13B和图13C是本实用新型的波导在音箱垂直阵列组合中耦合示图。

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。

如图3A所示，当两个带式高音单元6水平排列时，因为带式高音单元体积限制，其声源间距M为109毫米时，其对应的耦合上限频率Fh＝3155Hz。图3A显示了两个带式高音的干涉情况，直线表示小于3155Hz频率呈平面波状传播，而大于3155Hz频率的开始出现梳状滤波干涉。

如图3B所示，当两个压缩高音单元8经由如US005163167A专利中波导10水平排列时，其声源中心距M为18毫米时，其对应的耦合上限频率Fh＝9555Hz，图3B显示了两个波导的干涉情况，直线表示小于9555Hz呈平面波状传播，而大于9555Hz频率的开始出现干涉。

如图3C所示，是根据本实用新型设计的波导12，两个球面波高音驱动器14水平排列时，其矩形开口宽度W为18毫米，根据W≤λ可计算出其工作最高频率上限为19KHz。图3C显示本实用新型设计实施的波导小于19kHz频率呈平面波状无声波干涉传播。

如图4所示，本实用新型所提供的一种高音号角16，包括一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导18，和安装在波导通道20入口端的两个球面波高音驱动器14。波导18呈Y形，包括呈水平设置的两条波导通道20，波导通道20用于连接球面波高音驱动器14，波导通道20由依次连接的第一通道22，第一反射面24，第二通道26，第二反射面28，和第三通道30组成，第一通道22为抛物面构成，第一反射面24为椭圆面，第二通道26为双曲面构成，第三通道30为矩形面构成。第一通道22由一对相互拟合的凸抛物面和凹抛物面组成，第一通道22由两个抛物面之间的空间构成。

如图4所示，第二通道26通过第一反射面24与第一通道22相连，第二通道26通过第二反射面28与第三通道30相连，第二通道26位于第一反射面24和第二反射面28之间。第一反射面24是位于第一通道22的末端，第一反射面24呈椭圆面反射表面，第二反射面28呈矩形平面，在水平剖面图上第二通道26由相互平行内壁36和外壁38构成，第二通道内壁36入口端与第一反射面24相连，第二通道外壁38入口端与凸抛物面34相连，第二通道外壁38出口端与第二反射面28相连。

如图4所示，在水平剖面图上第三通道30由第三通道内壁40和第三通道外壁42构成。第三通道外壁42入口端与第二反射面28相连，第三通道内壁40入口端与第二通道内壁36相连。在通过波导中心的水平面上，第一通道的中心线AB与第三通道外壁42平行，第三通道内壁40呈折线状，第三通道内壁40的入口段与第三通道外壁42平行，第三通道内壁40的出口段一端连接第三通道内壁的入口段，一端连接第三通道的出口44。作为一种替代方案，第三通道内壁40可以呈直线，一端与第二通道内壁36相连，一端连接第三通道30的出口44。

如图4A所示，图4A是本实用新型波导的凹抛物面和第一反射面连接关系的示意图。凹抛物面32其末端抛物面截面抛物线33为第一反射面24椭圆面截面部分抛物线。第一反射面24椭圆面末端截面抛物线35为第二通道26的其一双曲面截面部分抛物线，

如图4B所示，图4B是本实用新型波导的凸抛物面的示意图。凸抛物面34部分为直角圆锥体一部分，其顶点A0角度小于或者等于90°，其末端抛物面34截面抛物线37为第二通道26的其二双曲面截面部分抛物线。

如图4C所示，图4C是本实用新型波导声波射线传播途径和反射关系的示意图。声波射线AB经过第一通道22，第一反射面24，第二通道26，第二反射面28，和第三通道30，经第一反射面24和第二反射面28的声波射线符合反射定律即入射角等于反射角：θi1＝θr1＝θi2＝θr2，其声波经过波导通道之间的路径差(δ)为：δ≤λ/4。

如图4C所示，A点是高音驱动器14发射面上的任意点；B点是声波首次接触及第一反射面24上任意的点；C点是声波首次接触及第二反射面28上任意的点；D点是经第二反射面28反射后声波到达的位置；线段AB代表声波在第一通道22的路径；线段BC代表声波在第二通道26的路径；线段CD代表声波在第三通道的路径。声波在波导通道20中的路径存在以下关系：(1)声波从高音驱动器20发射面上的任意点A点发出，沿路径AB，经过第一反射面24上的任意点B。(2)BN为垂直于第一反射面24上点B的法线。(3)入射角θi1，这是声波线段AB，即入射波的路径，与法线之间的夹角。(4)声波在第一反射面24上点B处反射，沿路径BC继续传播,这是声波的反射路径。(5)反射角θr1，这是声波线段BC，即反射波的路径，与法线之间的夹角。(6)声波沿路径BC到达第二反射面28上的任意点C。(7)CN为垂直与第二反射面2上点C的法线。(8)入射角θi2，这是声波线段BC，即反射波路径，与法线之间的夹角。(9)声波在第二反射面28上任意点C处反射，沿路径CD继续传播，这是声波的反射路径。(10)反射角θr2，这是声波线段CD，即反射波的路径，与法线之间的夹角。(11)第一反射面24，与第二反射面28互相平行，两条法线BN和CN是与两反射面垂直,所以，法线BN和CN也平行。所以，(12)根据反射定律，θi1＝θr1,θi2＝θr2。(13)因为互为内错角，所以θ5＝θ6。(13)又因为θr1+θ5＝θi2+θ6＝90°，各自为补角，所以θr1＝θi2。最终，可以得出θi1＝θr1＝θi2＝θr2。

如图4所示，波导18包括3件壳体，凸抛物面34，第二通道外壁38，第二反射面28，第三通道外壁42依次连接，构成两件以垂直平面左右对称的外部壳体。凹抛物面32，第一反射面24，第二通道内壁36，和第三通道内壁40依次连接，构成一件以垂直平面左右对称的内部壳体。外部壳体和内部壳体之间的空间构成了相互接续的第一通道22，第二通道26，和第三通道30。通道的内部结构几何形状变化，有矩形面，抛物面，或者相关曲面形状特征。在第一通道22入口端有法兰，可以使用螺钉通过法兰上的通孔把高音驱动器20与第一通道22入口端相连。

作为改进，可以在第一通道22，第二通道26，和第三通道30中加设等分的格栅(图中未画出)，可以提高零部件强度的作用，同时能够抑制大声压下由材料物理特性引起的共振，以及减少声波通道内声波不必要的衍射，提高有效高频上限，减少失真。

本实用新型涉及一种声波耦合波导。基于几何声学原理设计，即基于射线理论的声学领域。因此，本实用新型利用光学已知的相关物理定律同样适用于声音的传播的特性，例如反射定律，费马的最短时间原理等。本实用新型中应用的抛物线抛物面，双曲面，椭圆面等都可以通过截取圆锥截面表面(是指通过旋转来自圆锥体的曲线生成的表面)来获得。更具体地，在本实用新型的上下文中，使用了具有以下几种几何特征：矩形面，双曲面、抛物面或椭圆体等表面来反射声波来进行完成设计。它包括一种潜望式波导，该波导有多段声波通道，声波通道呈潜望式结构，内部由具有明显几何特征的各种形状结构组成多段通道。

如图4所示，波导18内部声波通道反射路径关系图所示，A点是高音驱动器20发射面上的中心点，B点是第一反射面24的中点，C点是第二反射面28的中点，D点是波导出口的中点。线段AB代表声波的第一通道22路径，线段BC代表声波的第二通道26路径，线段CD代表第三通道30路径。

相应的，声波由声源20从发射面进入路径AB是平行射线，经由第一反射面24反射，声波沿路径BC传播也是平行射线，再经由第二反射面28反射，仍保持平行射线。平行声波射线基本没有对声音传输耦合不利的衍射。相对于其他波导结构，这也是本实用新型的优势特点。

同时，在声波沿路径AB、BC、CD中，入射线AB、反射线BC，反射线CD和法线都位于同一平面上，这也是反射定律条件之一。

根据费马最短时间原理表示：光线(或者在本波导结构情况下声波)在从一点传播到其他点的时间，其路径会是使传播时间最短的路径。在如图4中所示的条件下，声波会选择使从A到D的总传播时间最短的路径。假设声波在介质中的速度是v，那么从A到B再到C最后到D时间t是：t＝AB/v+BC/v+CD/v＝(AB+BC+CD)/v。这个时间将在AB和BC,CD满足入射角等于反射角时达到最小值，这是因为在给定AB+BC+CD的长度固定的情况下，入射角等于反射角时，AB到BC,CD的路径是最短的，声波的传输衰减最小。

由上推论在本实用新型中声源从发射面A到波前D点的声线都是沿直线最短路径传输，在本实用新型中声源从发射面A到波前D点的时间T都是相等的，在时间T相等的情况下，声波路径AB、BC、CD中的声波都是相位相等的，也就是说都是符合线声源的等相等距圆柱波。

本实用新型实施中，可以理解的是，声波波导通道对声源射线进行引导，修正声波路径，不限于采用上述的圆锥面形式的(曲面)结构跟矩形结构，其还可以采用其他形式的(反射)面。可以理解的是，波导通道反射面可以是为采用多通道、歧管，平的，环状抛物线的，双曲线的或椭圆的，或更概括地说，平的，凹的，凸的均可，例如环状、抛物线，或者采用多通道、歧管等各种结构方式。

波导的可用上限频率精确度通常作为衡量一个成功设计的要求，特别是对于波长很短的超高频率。波导声波通道设计在必须有效的频率区间，以及相关工作频率的波长，限制了波导相关声波通道的宽度以及波导总体高度。

如图4所示，声波路径AB、BC、CD中存在如下几何路径关系：(1)凹抛物面32和凸抛物面34的长度相等；(2)第一反射面24和第二反射面28长度相等；(3)第二通道内壁36和第二通道外壁38长度相等；(4)第三通道内壁40的长度，与第三通道外壁42的长度，之差，需要小于第三通道外壁42的末端到第三通道的末端44的距离。

如图5所示，凸抛物面34，第二通道外壁38，第二反射面28，第三通道外壁42依次连接，构成两件以垂直平面左右对称的外部壳体。外部壳体对应的波导出口的总高度是H。声波路径AB、BC、CD中存在如下几何路径关系：L＝Ln，其中L＝AB+BC+CD即波导的声源发射面A点到波导出口的D点中心剖面路径总长，L n＝AB n+BC n+CD n波导的声源发射面任意A点到波导出口的高度H上任意D点路径总长。

此外，如图4所示，当高音驱动器20的发射面直径大于声波通道的空间宽度时，因此，凹抛物面32在拟合凸抛物面34的过程中，需要调整凸抛物面直角圆锥体、母线为弧线，两个抛物面之间的间距逐渐从高音驱动器20的发射面直径过渡至第一通道22出口端需要的空间宽度。

如图4所示，根据选用的高音驱动器20的工作参数，可以根据声学关系做如下设计。(1)根据波导设计目标最高可用频率波长λ，可以计算波导出口端矩形平面输出口的总宽度W，其中W1+W2＝λ＝W，W1,W2分别为波导左侧出口宽度，和波导右侧出口宽度。例如，波导设计目标最高可用频率为20KHz，取声音传播速度为343.2m/s,则对应的最高可用频率波长λ就等于17.16毫米。相应的，波导出口端矩形平面输出口的总宽度W就等于17.16毫米，如果波导中两侧的通道设计一致，则W1＝W2＝8.58毫米。(2)根据波导左右两侧设计目标最高可用频率波长λ3和λ4，可以计算波导左侧反射通道26的宽度W3，和波导右侧反射通道26的宽度W4,其中，W3＝λ3,W4＝λ4。例如，波导左右两侧设计目标最高可用频率波长λ3和λ4，相等并均为20KHz，取声音传播速度为343.2m/s,则对应的最高可用频率波长λ3和λ4就等于17.16毫米。相应的,W3＝W4＝17.16毫米。如果根据特定声学应用需求，可以设计波导左右两侧设计目标最高可用频率波长λ3和λ4不相等，就需要分别计算W3和W4。

如图5所示，根据波导设计目标最低可用频率波长λ5，可以计算波导出口端矩形平面输出口的总高度H,其中，H≥λ5/2。例如，波导设计目标最低可用频率为800Hz，取声音传播速度为343.2m/s,则对应的最低可用频率波长λ就等于429毫米。相应的，根据H≥λ5/2波导出口端矩形平面输出口的总高度H就等于214.5毫米。

如图4所示，W1，W2的宽度通过第三通道30来修正获得。其中：W1＝W3/2,W2＝W4/2。其中，在通过波导中心的水平面上，第一通道的中心线AB与第三通道外壁42平行，第三通道内壁40呈折线状，第三通道内壁40的入口段与第三通道外壁42平行，第三通道40的出口段一端连接第三通道内壁40的入口段，一端连接第三通道的末端44。作为一种替代方案，第三通道内壁40可以呈直线，一端与第二通道内壁36相连，一端连接第三通道30的出口44。

如图4所示，声波在圆柱模式传播中，圆柱的轴是垂直的，使得输出矩形是等相平面，需要满足以下条件：(1)当两个高音驱动器20工作在相同频段时W3＝W4≤W1+W2≤W。(2)当两个高音驱动器工作在不同频段时W1+W2＝W。

如图5所示，δ是波导设计目标可用频率的声学路径之间的最大长度偏差，即声波发射面任意A点到任意D点在L上的路径差，为了有效耦合，δ需要小于最高设计目标可用有效频率的四分之波长即：δ≤λ/4。

如图5所示，为了使传播有效地沿垂直轴呈圆柱形，有必要使H大于或者等于λ5。

如图4所示，A1＜A2＜A3其中，A1是两个第一反射面24与通过波导中心的水平面的接线中点B的切线之间的夹角。A2是两个第二通道内壁36在入口端的夹角。A3是两个第三通道内壁40的出口段在第三通道的末端44的夹角。

根据本实用新型一个实施例，选定最高可用频率波长λ＝18kHz，相应的，W＝18mm，选用两个相同的高音驱动器20，W1＝9mm，W2＝9mm，W3＝18mm，W4＝18mm。

如图4所示，选用高音驱动器20的发射面直径为35mm，因此，凹抛物面32在拟合凸抛物面34的过程中，两个抛物面之间的间距逐渐从高音驱动器20的发射面直径35mm减少至第一通道22出口端的18mm，以方便声波在波导18的通道中以柱面波形式传播。

如图4所示，第一反射面24与通过波导中心的水平面的接线中点B的切线与第二反射面28平行，声波经第一反射面24反射到第二通道26的声波射线符合反射定律即入射角等于反射角：θi1＝θr1＝θi2＝θr2。因此，两次反射的入射角和反射角均可以选定为45°，构成了潜望式反射系统。

如图5所示，声源发射面A到波前输出D’的水平中心剖面物理路径长度L＝210mm，声源发射面A到波前输出Dn的物理路径上任意点长度Ln＝210mm，满足了声波等距离传播的需要。

如图5所示，选定波导设计目标最低可用频率波长λ5，波导出口端矩形平面输出口的总高度H＝210mm，对应波导设计目标最低可用频率800Hz左右。

应当理解，这些尺寸不是限制性的，而是简单地以示例的方式给出实施本实用新型的示例。

如图6A所示，从应用本实用新型波导设计的音箱45水平剖面图中可以看到，在箱体46中，本实用新型波导18居中，波导18剖面显示左右两个声波通道呈潜望式结构，波导18的两个声波通道入口端分别与高音驱动器20连接，构成了高音号角16。中低音驱动器48左右水平对称排列安装在面板50上。

如图6B所示，由箱体46正面观察可以看到第三通道内壁的出口段末端44，和第三通道外壁之间的中空潜望式结构声波通道槽，以及面板50的矩形切口52形成的声波输出槽54，也就是波前出口。

本实用新型的技术优势可以通过与现有技术的比对展示。

美国专利US20110085692A1公布了一种双振膜驱动器，由该专利附图所示，其波前由两个环形平面膜片，其两个相同直径尺寸振膜同时工作在相同频段，通过共腔耦合输出。

美国专利US20130243232A1公布了一种带波导输出的双振膜驱动器，其中，两个振膜可以采用相同直径尺寸，也可以采用不同直径尺寸，振膜声波经共腔波前耦合输出。

以上两种方案的实施转换到产品中最终结果是：(1)两个振膜工作在相同频段，最大声压级增加6dB(计算公式为L_max＝L+20*log20(n)L表示单个音箱的声压级，n表示驱动器数量)，一般工作有效可用频率段800Hz-20KHz；(2)两个振膜工作在不同频段(扩展工作频段可到300Hz-20KHz)，小尺寸振膜有效可用频率段3KHz-20KHz，大尺寸振膜有效可用频率段最低300Hz-6KHz。

以上两种实用新型其优点是结构相对小巧。由于声波是通过介质中分子和粒子的机械振动传播的机械波。它们以纵波的形式传播，通过分子之间的相互作用传递能量。声波在空气中传播时会引起空气的压强变化。当声源振动时，它会产生连续的压缩和稀疏的振动，形成声波。这些振动会引起空气分子的运动，导致空气中的压强发生变化。声波在空气传播中，声源的振动会导致周围空气分子的压缩和稀疏。当声源向外振动时，它会将空气分子推向一起，形成压缩区域，增加了压强。当声源向内振动时，它会将空气分子拉开，形成稀疏区域，降低了压强。这种周期性的压强变化沿着声波传播方向传递。

由以上两种专利结构可见，振膜都是共腔同时工作的，波前耦合在腔内完成。当驱动器大功率工作时，其腔内压强会随着改变，引起声阻的变化，从而引起非线性失真，这种尤其在大功率下及其明显。振膜其物理特性膜片厚度薄的其高频响应瞬态好，假如膜片材料刚性不够大功率下容易引起非线性失真。膜片厚的中频响应好，但其高频效率低，高频8KHz-20KHz部分衰减严重，达到了10dB左右。当振膜单个工作时，腔内压强为P，当两个振膜工作时，压强增大一倍为2P，在这种情况下只有选择膜片加厚膜片厚度，来解决腔内2倍压强带来的失真问题，膜片加厚带来问题就是高频效率低。

如图7所示，图中是US20110085692A1专利中量产驱动器跟本实用新型实施波导同一测试条件下测试曲线对比图，其中，US20110085692A1专利中量产驱动器曲线(在曲线转折位置标注A)跟本实用新型实施案例波导曲线(在曲线转折位置标注B)对比可见,US20110085692A1专利在500Hz-5KHz频段效率比较高，而在高频4KHz-20KHz部分(以F框标识)衰减严重，达到了10dB左右，这对于线阵列扩声中应用是不利的，而远距离扩声中空气衰减主要在4KHz-20KHz高频段。

同样的，专利US20130243232A1一种实施方案量产压缩驱动波导公布的数据表显示，其高频振膜尺寸1.75"(44.4mm)，中高频振膜尺寸3.5"(90mm)，工作频率范围：400Hz-22000Hz，当两个振膜一起工作时，其高频振膜尺寸1.75"处于中高频振膜尺寸3.5"(90mm)同一压强，但其膜片的厚度不一样，从而会引起高频失真，功率越大，非线性失真越大。

本实用新型通过以下2种方法实现以上两个专利相同目的：

(1)两个声源驱动器工作在相同频段扩展声压级方法，最大声压级增加6dB(计算公式为L_max＝L+20*log20(n)L表示单个声源驱动器的声压级，n表示声源驱动器数量)，一般工作有效可用频率段800Hz-20KHz；

(2)两个声源驱动器工作在不同频段扩展频宽方法(扩展工作频段可到300Hz-20KHz)，小尺寸振膜有效可用频率段3KHz-20KHz，大尺寸振膜有效可用频率段最低300Hz-6KHz)。本实用新型通过两个声源驱动器不共腔波前耦合的方法解决了以上硬件上的物理缺陷引起的失真问题，同时还有以下几个应用设计上的优点：

(1)本实用新型实施的方法两个声源驱动器兼容目前行业量产的任何压缩驱动器，包括传统的中高音压缩驱动器，和带式高音驱动器。而以上两项专利或者类似专利由于物理结构或技术特点是不能实现的。

(2)以上两个专利实施都是自己技术的产品，有自己的固有技术特征或声音风格，而本实用新型的实施方法中两个驱动器可以选用不同厂家的量产驱动器设计搭配，从来获得不同的声音风格及产品。通过波导的设计使音箱搭配不同的驱动器，获得不同的声音风格及产品。

(3)根据本实用新型方案实施两个不同声源驱动器，工作在不同频段，可以扩展频响。两个声源频段由于波前不共腔结构，在交叠区域有更宽的频宽，利于研发工程师灵活分频设计。而在现有技术中，交叠区域频响曲线峰谷较多，分频点选择局限性很窄，不利于研发人员设计灵活应用。

本实用新型的波导通过模具用以下材料完成，例如金属、ABS塑料、碳纤维，树脂等。如图4所示，波导18包括3件壳体，其中，凸抛物面34，第二通道外壁38，第二反射面28，第三通道外壁42依次连接，构成两件以垂直平面左右对称的外部壳体。凹抛物面32，第一反射面24，第二通道内壁36，和第三通道内壁40依次连接，构成一件以垂直平面左右对称的内部壳体。外部壳体和内部壳体之间的空间构成了波导18的声波通道，此外，外壳体还可以包括用于固定高音驱动器20的法兰。这些部件可以通过胶合、热焊或螺钉，超声波焊接等工艺组装。

本实用新型的波导，其内部几何特征的形状使得从高音驱动器发射面到输出矩形平面波的最短路径全部或几乎等长。在波导设计应用中，声波经过潜望式反射通道槽传播的时间是恒定相的，其内部都是最短路径，没有声波衍射等不利于声波传输的现象产生。

由于模具生产误差精度问题，从声源发射面A点到D点平面波前，它们之间允许声波路径之间的路径差(δ)为：δ≤λ/4，λ是设计目标最高可用频率的波长，即路径差小于或者等于最高工作频率的四分之一波长。

因此，本实用新型的波导可以将由两个相同或不同驱动器的等相球面波或者柱面波转换为柱面等相波在水平位置耦合，两个柱面声波水平位置波前耦合以柱面波形式传播。

图8A，图8B，图9A，图9B本实用新型实施案例跟现有技术波导在同等条件下测试的3D指向性图，其中，图8A是现有技术波导水平3D指向性图，图8B是现有技术波导垂直3D指向图。图9A是本实用新型实施例波导水平3D指向图，图9B是本实用新型实施例波导垂直3D指向图。从图8A和图9A的比对可以发现，本实用新型波导对比现有技术波导水平3D指向性图结果基本是一致的，而且在16KHZ左右指向性更均匀，可见其达到设计目标可用频率，相对于现有技术精度更高。从图8B和图9B的比对可以发现,本实用新型波导对比现有技术波导垂直3D指向性图结果基本是一致的，其频率越高指向性越窄，并且无其他旁瓣，符合线声源指向特征。

如图10所示，图中声压级曲线是使用相同驱动单元，相同110°指向性控制号角相同电压同等条件测试所得。可见图中A声压级曲线(以A框标识)是本实用新型波导比现有技术波导曲线B(以B框标识)整体高6dB左右，而且下端可用频率更低至800HZ，现有技术波导在1KHZ左右截止。这种技术优势，对应于本实用新型的另一个目的，即提供一种增大声压级输出方法，在音箱内有同时工作相同频率的有多个驱动器波导波前不共腔耦合，相对于目前行业内现有技术单个驱动器垂直耦合的波导最大声压级会增加≥6dB。

如图11A和图11B所示，图11A和图11B是本实用新型使用两个相同驱动器工作在相同频段频响曲线图：如图中所示，B曲线(以B框标识)为单个驱动器工作时的频响曲线，A曲线(以A框标识)为左右两个驱动器同时工作耦合曲线，C曲线(以C框标识)为相位曲线。声压级(SPL)的计算公式为：L_max＝L+20*log20(n)，N表示声源驱动器数量。当两个驱动器同时工作时候曲线完美整体叠加6dB，其相位曲线C完全一致。如图中测试结果所示两个声源到达波前耦合是无任何声学干扰的。这种技术优势，对应于本实用新型的另一个目的，即提供一种波导，该波导允许在相同频率范围内工作的多个驱动器声源在水平位置相同波前不共腔产生公共波前耦合，而且几乎为零声学干扰。

如图12A和图12B所示，图12A和图12B是本实用新型使用两个不同驱动器工作在不同频段频响曲线图。如图所示，高频压缩驱动器A(以A框标识曲线)跟中频压缩驱动器B(以B框标识曲线)在相位C(以C框标识)走势基本接近一致，高频压缩驱动器A可用频段1KHz-18KHz,中频压缩驱动器B可用频段300Hz-9KHz。由图中交迭区域F(以F框标识)所示，两个驱动器分频点选择范围很宽，对于设计者来说分频更加灵活。这种技术优势，对应于本实用新型的另一个目的，即提供一种波导，该波导允许在不同频率范围内工作的多个驱动器声源在水平位置相同波前不共腔产生公共耦合，而且几乎为零声学干扰。

图13A是根据本实用新型的波导应用设计的音箱垂直阵列组合示意图，图13B和图13C是本实用新型的波导在音箱垂直阵列组合中耦合示图。如图13A所示，3个音箱45垂直叠放，构成了音箱垂直阵列组合56。如图13B和图13C所示，3套波导18+声源20的组合，在音箱垂直叠放时，柱面波无干涉耦合。在线阵列音箱中多个个本实用新型波导垂直耦合，此技术优势，对应于本实用新型的另一个目的，即提供一种在音箱内的一个或多个频率范围内产生一个或多个波前的波导，该波前将线阵列垂直叠放的相邻音箱中的相同频率范围的声波耦合并且无声学干扰。

Claims (10)

1.一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于，所述波导呈Y形，包括呈水平设置的两条波导通道，所述波导通道用于连接球面波高音驱动器，所述波导通道由依次连接的第一通道，第一反射面，第二通道，第二反射面，和第三通道组成，第一通道为抛物面构成，第一反射面为椭圆面，第二通道为双曲面构成，第二反射面为矩形面构成，第三通道为矩形面构成。

2.根据权利要求1所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于，所述第一通道由一对相互拟合的凸抛物面和凹抛物面组成，所述第一通道由两个抛物面之间的空间构成，所述凹抛物面其末端抛物面截面抛物线为第一反射面椭圆面截面部分抛物线，所述第一反射面椭圆面末端截面抛物线为第二通道的其一双曲面截面部分抛物线，所述凸抛物面部分为直角圆锥体一部分，其顶点角度小于或者等于90°，其末端抛物面截面抛物线为第二通道的其二双曲面截面部分抛物线。

3.根据权利要求1所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于所述第二通道通过第一反射面与第一通道相连，所述第二通道通过第二反射面与第三通道相连，所述第二通道位于第一反射面和第二反射面之间。

4.根据权利要求1所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于所述第一反射面是位于所述第一通道的末端，第一反射面呈椭圆面反射表面，所述第二反射面呈矩形平面，在水平剖面图上所述第二通道由相互平行内壁和外壁构成，第二通道内壁入口端与第一反射面相连，第二通道外壁入口端与凸抛物面相连，第二通道外壁出口端与第二反射面相连。

5.根据权利要求1所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于声波射线经过第一通道，第一反射面，第二通道，第二反射面，和第三通道，经第一反射面和第二反射面的声波射线符合反射定律即入射角等于反射角：θi1＝θr1＝θi2＝θr2，其声波经过波导通道之间的路径差(δ)为：δ≤λ/4。

6.根据权利要求1所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于在水平剖面图上所述第三通道由第三通道内壁和第三通道外壁构成。

7.根据权利要求6所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于所述第三通道外壁入口端与第二反射面相连，第三通道内壁入口端与第二通道内壁相连。

8.根据权利要求6所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，其特征在于在通过波导中心的水平面上，所述第一通道的中心线与第三通道外壁平行，所述第三通道内壁呈折线状，所述第三通道内壁的入口段与第三通道外壁平行，所述第三通道内壁的出口段一端连接第三通道内壁的入口段，一端连接第三通道的出口。

9.一种高音号角，其特征在于，包括根据权利要求1所述的一种双声源波前不共腔水平耦合高音波导，和安装在波导通道入口端的两个高音驱动器。

10.一种音箱，其特征在于，包括根据权利要求9所述的一种高音号角，在高音号角两侧呈水平对称配置的两个中低音驱动器，和箱体。