ES2197682T3 - Dispositivo acustico de acuerdo con el principio de las ondas de flexion. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo acústico, que comprende un armazón (1) exterior substancialmente continuo doblado al menos parcialmente para encerrar un volumen de aire (2), y un transductor (3) acoplado al armazón (1), caracterizado porque el mencionado armazón (1) soporta los modos de la onda de flexión distribuida uniformemente, en el que las mencionadas ondas de flexión se acoplan al volumen de aire (2), para proporcionar los modos resonantes acoplados, acoplando por tanto una señal eléctrica en el transductor (3) con los modos acoplados y de aquí a su vez al sonido ambiente.

Description

Dispositivo acústico de acuerdo con el principio de las ondas de flexión.

Campo de la invención

Esta invención está relacionada con los dispositivos acústicos del ttipo que utilizan miembros que soportan la acción de la onda de flexión sobre la superficie del miembro, acoplándose las ondas de flexión a su vez al ambiente. Dichos dispositivos pueden ser utilizados, por ejemplo, como altavoces o micrófonos.

Antecedentes de la invención

La solicitud de patente internacional WO97/09842 y las solicitudes relacionadas describen altavoces y otros dispositivos acústicos que tienen un miembro acústico y un transductor acoplado al miembro acústico. En esos dispositivos, los distintos parámetros del miembro pueden ser ajustados de forma que los modos resonantes de la onda de flexión en el miembro estén distribuidos uniformemente en frecuencia. Los modos resonantes de la onda de flexión pueden ser distribuidos sobre la superficie del miembro. Se exponen también los lugares preferenciales para montar el transductor sobre el miembro. Un lugar de montaje preferencial típico es en un lugar casi situado en el centro, aunque no en el mismo centro. No obstante, pueden estar disponibles también otros lugares preferenciales, dependiendo de la forma del miembro.

El documento US-A-4989254 describe un transductor electroacústico que tiene un diafragma de forma esférica para la generación de sonido con una capacidad omnidireccional.

No es siempre fácil proporcionar una densidad modal suficiente, especialmente a bajas frecuencias. En consecuencia, sería ventajoso si se proporcionara una densidad modal mejorada o bien otra mejora, especialmente en la respuesta a frecuencias bajas o medias.

Sumario de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo acústico, que comprende un armazón exterior substancialmente continuo doblado al menos parcialmente para encerrar un volumen de aire, y un transductor acoplado al armazón, caracterizado porque el mencionado armazón soporta los modos de la onda de flexión distribuida uniformemente, en el que las mencionadas ondas de flexión se acoplan al volumen de aire, para proporcionar los modos resonantes acoplados, acoplando por tanto una señal eléctrica en el transductor con los modos acoplados y de aquí a su vez al sonido ambiente.

En el dispositivo de acuerdo con la invención, además de los modos de onda de flexión resonantes disponibles en los dispositivos del modo distribuido convencional, se encuentran presentes modos adicionales. Se expondrán cálculos posteriormente que muestran el número incrementado de modos con el aire acoplado al armazón exterior. En consecuencia, el dispositivo de acuerdo con la invención puede incrementar el número de modos presentes en una gama de frecuencias.

Preferiblemente, los modos resonantes acoplados están distribuidos uniformemente en frecuencia a través de una gama de frecuencias predeterminadas. En forma útil, esta gama de frecuencias es de aproximadamente 1 a 2 ó 3 octavas por encima de la frecuencia resonante fundamental. Es en esta gama en la que los modos de la onda de flexión resonante están dispersos, y en la que la distribución de la flexión y de los modos coplanares proporcionan la mayor ventaja.

El armazón exterior puede estar totalmente cerrado, rodeando completamente el volumen. Alternativamente, pueden proporcionarse puertos o aberturas en el armazón exterior. Los puertos o aberturas pueden estar diseñados para proporcionar unos efectos de resonancia específicos, y en particular para realzar o controlar la salida en la gama de frecuencias acústicas inferiores.

Aunque no es necesario que el armazón exterior envuelva totalmente al volumen encerrado, el armazón exterior puede ser substancialmente continuo, de forma que pueda demostrar una acción acústica efectiva. En otras palabras, el armazón exterior puede no tener demasiadas perforaciones o ventajas. Los miembros altamente perforados pueden no ser apropiados como radiadores acústicos, puesto que la radiación de la parte frontal del miembro se interferirá en forma destructiva con la radiación de la parte posterior que se emite en contrafase a la radiación de la parte frontal. Adicionalmente, el armazón deberá ser suficientemente continuo para acoplar el armazón al volumen encerrado para que sea significativo.

Las pruebas en paneles han demostrado un acoplamiento muy bajo de los miembros perforados con el aire ambiente. En consecuencia, el armazón exterior puede definir agujeros en su superficie con un área total no superior al 20% del área superficial, preferiblemente no superior al 10%, y preferiblemente además no superior al 5%.

El aire dentro del volumen puede mostrar también las resonancias de la cavidad.

El dispositivo acústico de acuerdo con la invención soporta los modos de la onda de flexión resonante a través de la superficie de un armazón de tres dimensiones, y acoplándose a un volumen al menos parcialmente encerrado por el armazón. Por contraste, los altavoces del modo distribuido convencional tienen modos de onda de flexión resonantes distribuidos sobre un único panel.

En el documento antes mencionado WO97/09842 se sugiere montar un panel de modo distribuido en la parte frontal de un bastidor. En dichos dispositivos del arte previo, cualesquiera de los modos de ondas de flexión resonantes están substancialmente restringidos al área del panel, no del bastidor. En consecuencia, dichos dispositivos no proporcionan la densidad modal mejorada y por tanto el rendimiento acústico ofrecido por los dispositivos de acuerdo con la invención.

Otra publicación previa, WO98/31188, describe un panel plano montado en una bandeja. La bandeja está altamente perforada, con una superficie de ventanas superior al área maciza, y no siendo por tanto substancialmente continua. La bandeja no se acopla por tanto realmente al ambiente ni al aire dentro de la bandeja.

El armazón exterior puede ser de un grosor constante. Alternativamente, el grosor del armazón exterior puede variarse, bien sea lenta o continuamente o más rápidamente.

Pueden proporcionarse nervaduras o bien otras prolongaciones sobre el armazón exterior.

El armazón puede ser de un único armazón integral. Alternativamente, el armazón exterior puede comprender una combinación de miembros acoplados mecánicamente para crear la estructura deseada del radiador acústico. La condición de la unión en las juntas entre los miembros puede ser útil que esté especificada.

El armazón exterior puede ser de la forma de un poliedro o en que parte del mismo tenga una pluralidad de caras individuales.

Cada cara puede tener una frecuencia resonante natural, y las frecuencias de resonancia naturales pueden ser seleccionadas para que tengan valores distintos. Esto puede incrementar la densidad modal del armazón exterior como conjunto. Adicionalmente, las distintas frecuencias de resonancia naturales pueden ser seleccionadas de forma que los modos resonantes en las diferentes caras se encuentren en frecuencias intercaladas. Esta solución puede ser particularmente útil para incrementar la densidad modal para los modos resonantes bajos 10 a 20.

Las caras individuales o miembros separados del panel no necesitan tener propiedades mecánicas uniformes, y pueden variar en rigidez, isotropía de la rigidez, amortiguamiento, o en el grosor.

El dispositivo acústico puede ser un altavoz, en el que el transductor es un excitador.

El dispositivo acústico puede comprender las caras frontal y posterior en la forma de paneles conjuntamente con al menos un panel adicional que proporcione un trayecto para los modos resonantes desde la parte frontal a la parte posterior, acoplando así los paneles frontal y posterior. Los paneles frontal y posterior pueden ser substancialmente planos. Los paneles frontal y posterior pueden ser excitados mediante excitadores discretos independientes, o bien un solo excitador puede estar acoplado a ambos paneles frontal y posterior.

En las realizaciones, la bobina de voz de un excitador puede estar acoplada a uno de los paneles y el conjunto de imanes del excitador a los otros paneles. Puesto que el conjunto de los imanes es pesado, el acoplamiento del mismo al panel dará lugar a un desplazamiento de las altas frecuencias. Esto puede realzar la respuesta de los bajos del dispositivo acústico. Puede proporcionarse una pluralidad de excitadores. Los excitadores pueden estar excitados en fase, en desfase o en cualquier relación apropiada de las fases entre sí.

En un altavoz convencional de paneles planos, cualesquiera ondas de compresión coplanares generan una salida pequeña o nula. Esto se debe a que la compresión y expansión coplanares de un panel plano no se acoplan al aire ambiente. Por contraste, en un dispositivo de acuerdo con la invención, el armazón exterior está doblado, por lo que la compresión y expansión coplanares provocan la contracción y la expansión del armazón, local o globalmente, que actúa como un mecanismo para acoplar las ondas de compresión al volumen encerrado y al ambiente. En consecuencia, las ondas de compresión coplanares pueden ser útiles para contribuir a los modos acoplados. De hecho, los modos resonantes pueden acoplar ondas de flexión en algunas realizaciones, modos coplanares y el volumen encerrado. En consecuencia, la densidad modal puede ser mejorada.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo acústico, que comprende un armazón substancialmente continuo que encierra un volumen, soportando una pluralidad de modos resonantes que acoplan el armazón al volumen encerrado, en el que los modos resonantes abarcan el armazón, y un transductor acoplado al armazón para acoplar una señal eléctrica en el transductor con los modos resonantes y de aquí a su vez al sonido del ambiente.

En el dispositivo de acuerdo con el segundo aspecto de la invención, los modos resonantes abarcan la superficie, desde la parte frontal a la posterior, de lado a lado y de arriba hasta abajo. Esto permite un excelente acoplamiento de los modos a través de la superficie completa del volumen encerrado. No es necesario que los modos cubran la superficie completa; el armazón puede, por ejemplo, tener puertos o áreas que no resuenen.

De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona un método de excitación de un dispositivo acústico que comprende un armazón exterior substancialmente continuo, que soporta las ondas de flexión, estando doblado el armazón para al menos un cierre parcial de un volumen de aire, de forma que las ondas de flexión se acoplen al volumen, a fin de proporcionar los modos resonantes acoplados, y dos transductores acoplados al armazón, incluyendo la excitación de dos transductores en fase con una señal eléctrica común, de forma que los transductores exciten los modos acoplados del armazón y del volumen en una configuración monopolar, y radiando la energía del sonido desde los modos acoplados hacia el aire ambiente.

Breve descripción de los dibujos

Se describirán a continuación las realizaciones específicas de la invención, sencillamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 muestra secciones a través de un altavoz de acuerdo con una primera realización de la invención, teniendo un armazón elipsoidal;

la figura 2 muestra una sección a través de un altavoz de acuerdo con una segunda realización;

la figura 3 muestra una sección a través de un altavoz de acuerdo con una tercera realización que tiene un puerto;

la figura 4 muestra una sección a través de una modificación del puerto;

la figura 5 muestra una vista de un altavoz de acuerdo con una cuarta realización de la invención en la forma de una caja abierta;

la figura 6 muestra una vista de una quinta realización de la invención que tiene una caja cerrada;

la figura 7 muestra varias técnicas de excitación que pueden ser utilizadas con el altavoz mostrado en la figura 6;

la figura 8 muestra la respuesta a la excitación en una caja abierta sin aire;

la figura 9 muestra la respuesta a la excitación en la caja abierta mostrada en la figura 8, incluyendo los efectos del acoplamiento del aire;

la figura 10A muestra la respuesta de velocidad en el excitador como una función de la frecuencia para la caja modelada de la figura 8, sin aire;

la figura 10B muestra la respuesta de velocidad en el excitador como una función de la frecuencia para la caja modelada de la figura 9, incluyendo los efectos del aire;

la figura 11 muestra la presión dentro de la caja de la figura 9B;

la figura 12 muestra los modos en un altavoz que tiene una caja cerrada con dos excitadores excitados en contrafase;

la figura 13 muestra los modos en un altavoz modelado de la figura 12 con dos excitadores excitados en fase;

la figura 14 muestra la respuesta de velocidad del dispositivo modelado de las figuras 12 y 13;

la figura 15 muestra la respuesta de velocidad de una caja cerrada de seis lados, en la que la rigidez de doblado de la cara frontal no coincide con la de la cara posterior;

la figura 16 muestra vistas de un altavoz de acuerdo con la invención en la forma de una pirámide truncada;

la figura 17 muestra una vista de un altavoz de acuerdo con la invención en la forma de un tetraedro;

la figura 18 muestra una vista de un altavoz de acuerdo con la invención en la forma de un dodecaedro;

la figura 19 muestra una vista de un altavoz de acuerdo con la invención en la forma de un cilindro;

la figura 20 muestra una vista de un altavoz de acuerdo con la invención en la forma de una sección cónica;

la figura 21 muestra la diferencia central de los valores cuadráticos medios (rms) del modo de frecuencia como una función de la relación de aspecto de la cara frontal del dispositivo de la figura 5;

la figura 22 muestra los perfiles de velocidad para tres posiciones del excitador del dispositivo de la figura 5 que tiene una relación de aspecto de la cara frontal de 2:1; y

la figura 23 muestra una figura de mérito para la posición del excitador como una función de la posición del excitador del dispositivo utilizado en el modelo de la figura 22.

Descripción detallada

Con referencia a la figura 1, un armazón elipsoidal cerrado (1) encierra un volumen (2) y teniendo los transductores (3), (5) montados en el interior del armazón en posiciones opuestas en el eje menor de la elipsoide. El armazón (1) soporta los modos resonantes formados en los componentes de la onda de flexión resonante acoplada al volumen encerrado.

Los transductores acoplan una señal eléctrica a los modos resonantes acoplados del armazón y del volumen. En la realización presente, los transductores son excitadores que pueden, durante la utilización, ser excitados para excitar modos acoplados para generar una potencia de salida acústica. El transductor puede ser de tipo convencional en el que la bobina de voz se desplace con respecto a un conjunto de imán conectado a tierra, cuando se hace pasar la corriente eléctrica a través de la bobina de voz. El transductor puede ser inercial, en cuyo caso el conjunto del imán está libre y la fuerza de la bobina de voz actúa contra la inercia del conjunto del imán. Alternativamente, puede ser utilizado un transductor conectado a tierra, en cuyo caso está soportado el conjunto del imán. En la presente realización, los excitadores disponibles comercialmente utilizados normalmente para excitar los paneles del modo distribuido se utilizan en una configuración inercial.

Mediante la excitación de los transductores con una conocida polaridad, es posible generar un comportamiento polar deseado en el sonido emitido. Para una fuente monopolar, los transductores pueden ser excitados en fase, mientras que para generar un dipolo los transductores pueden ser excitados en contrafase. Alternativamente, los excitadores pueden ser excitados en cualquier relación de fase apropiada.

La invención permite que un altavoz sea utilizado sin pantalla acústica. En un altavoz convencional de pistón o de modo distribuido, utilizando un único diafragma o panel, el sonido radiado desde la parte posterior se encuentra en contrafase con el sonido radiado desde la parte frontal. En consecuencia, para evitar los efectos de interferencia, el sonido radiado desde la parte posterior tiene que impedirse que alcance la parte frontal, encerrando el diafragma en una caja, o proporcionando una pantalla alrededor del altavoz. Mediante la excitación del altavoz de acuerdo con la presente invención como un dispositivo monopolar con dos transductores operando en fase, es posible evitar la necesidad de tales pantallas.

Los modos acoplados pueden estar compuestos por dos tipos de vibraciones del armazón acopladas al volumen encerrado. Uno de estos tipos son las ondas de flexión que flexionan el armazón fuera del plano local del armazón. El otro tipo es una expansión o contracción en el plano del armazón.

Una placa totalmente plana no proporcionaría dichos modos de expansión-contracción acoplados con los modos de las ondas de flexión resonantes. Aunque una placa plana puede tener modos de oscilación de expansión y contracción, éstos mueven sencillamente la placa en su propio plano, y no afectan al movimiento de las moléculas del aire ambiente. En consecuencia, dichos modos en una placa plana tienen un efecto acústico pequeño o ninguno. En contraste con ello, si la placa es doblada hacia atrás suficientemente sobre sí misma, o formando uniformemente un cuerpo completamente cerrado, los modos de las ondas de comprensión coplanares provocan una expansión y contracción globales del cuerpo, lo cual puede acoplarse al aire, y teniendo por tanto un efecto acústico.

Los modos efectivos de vibración del armazón no necesitan ser modos puros de ondas de flexión, ni modos puros de ondas de compresión. En su lugar, los modos pueden interferir y acoplarse entre sí para proporcionar modos acoplados. Estos modos, no obstante, pueden retener todavía un carácter predominante de ondas de flexión. Estas ondas en el armazón se acoplan entonces al volumen incluido para generar los modos resonantes acoplados.

No es esencial que los transductores estén montados sobre el eje menor. Puede ser conveniente montarlos fuera del eje, según se muestra en la figura 2, o realmente en cualquier posición adecuada. Se prefiere montar los transductores en una posición que se seleccione para una respuesta óptima o deseada. El uso de una geometría regular, tal como un elipsoide, hace que sea más fácil. Alternativamente, pueden utilizarse soluciones tales como el análisis de elementos finitos para investigar las posiciones de los transductores adecuadas. En general, las soluciones similares a las utilizadas para distribuir los altavoces de modo distribuido pueden ser las adecuadas; en particular, han probado ser adecuadas las posiciones asimétricas de los transductores en particular. Un ejemplo de lo anterior será expuesto posteriormente con referencia a las figuras 21 a 33.

Un único transductor puede ser suficiente para algunas aplicaciones; otras pueden precisar de varios transductores separados sobre el armazón. La colocación de transductores puede influenciar la directividad de acoplamiento del armazón exterior hacia el ambiente.

La provisión de un volumen encerrado permite el uso de puertos para controlar la resonancia dentro del volumen. La figura 3 muestra un puerto (7) en la forma de un sencillo agujero en un extremo del elipsoide. Alternativamente, puede ser provisto un puerto en forma de un conducto (9) según se muestra en la figura 4.

El puerto puede resultar en sus efectos análogo a los efectos que dichos puertos generan en los altavoces convencionales de tipo de pistón, o tubos. Los puertos pueden tener una sección transversal asimétrica.

Tal como se indicó anteriormente, no es necesario que el volumen esté totalmente encerrado por el armazón. En su lugar, todo lo que es necesario es que el armazón esté doblado hacia atrás suficientemente sobre sí mismo, para que los modos resonantes en el armazón se acoplen al aire en el volumen encerrado, a fin de generar un efecto acústico. La figura 5 muestra una caja abierta que comprende una cara frontal grande (11) rodeada por un bastidor (13), que comprende cuatro caras laterales (15) en ángulo recto con la cara frontal (11). Se proporciona un único transductor (3), conectado a un amplificador a través de conexiones de audio (9). Las caras laterales (15) están acopladas acústicamente en su totalidad a la cara frontal (11). Los modos de ondas de flexión resonantes en la cara frontal (11) no permanecen sencillamente en la cara frontal, sino que se acoplan en torno a las caras laterales (15).

Una caja puede ser implementada también en la forma de un cerramiento sellado hermético (figura 6), con caras frontal y posterior (11), (17) y cuatro caras laterales (13) uniendo la parte frontal (11) a la cara posterior (17), para formar un cerramiento sellado herméticamente conteniendo un volumen. Se proporcionan dos transductores (3), (5), uno en cada cara (11), (17).

Se muestra también en la figura 6 un circuito eléctrico (19) que puede conmutar entre la excitación invertida o no invertida de los dos transductores. Un conmutador bipolar de dos direcciones (21) que conmuta entre la excitación en paralelo de los transductores y una excitación en antiparalelo.

Los transductores o las caras frontal y posterior pueden estar desacopladas, tal como se muestra en la figura 7A. Alternativamente, los conjuntos de los imanes de dos transductores de bobinas móviles convencionales pueden ser acoplados conjuntamente tal como se muestra en la figura 7B. Como una alternativa adicional, un único transductor puede tener sus bobinas de voz conectadas a la cara frontal (11), y conjunto del imán conectado a la cara posterior, (17). El conjunto del imán es mucho más pesado que la bobina de voz, y por ello este conjunto acoplará preferencialmente bajas frecuencias a la cara posterior. En consecuencia, esta configuración puede ser utilizada para incrementar la respuesta de los bajos de un altavoz. Las caras frontal y posterior pueden invertirse.

Se ha ejecutado el cálculo de elementos finitos de la respuesta de un dispositivo acústico para un dispositivo de cinco lados similar al mostrado en la figura 5. Por conveniencia, esta configuración se le denominará como una caja abierta. La figura 8 muestra el comportamiento de la caja en respuesta a la excitación, en la ausencia de aire, para una frecuencia de 178 Hz (figura 8A), a 348 Hz (figura 8B) y a 1000 Hz (figura 8C). La figura 9 muestra el comportamiento en la presencia de aire a las mismas frecuencias, es decir, a 178 Hz (figura 9A), a 348 Hz (figura 9B) y a 1000 Hz (figura 9C). Tal como puede observarse, las respuestas no están restringidas a cualquiera de las superficies planas, sino que en su lugar se acoplan al conjunto total de las cinco superficies de la caja. Adicionalmente, la presencia de aire se añade ventajosamente a la complejidad de las formas.

La respuesta de velocidad en el transductor como una función de la frecuencia es la mostrada en la figura 10; la figura 10A muestra los resultados sin aire y la figura 10B muestra los resultados con aire. Un valor grande indica la alta velocidad obtenida por la excitación a dicha frecuencia. Particularmente tienen lugar grandes velocidades en la resonancia. Tal como puede observarse, la respuesta sin aire muestra un número menor de picos grandes. Esto es característico de un número menor de modos resonantes. La respuesta cuando existe aire encerrado muestra un numero mayor de picos, siendo cada uno menor. Esto es característico de un número mayor de modos más débiles. Tal como puede observarse, el acoplamiento de los modos en el panel al volumen encerrado aumenta el número de modos resonantes, y se mejora por tanto el dispositivo acústico. Lo que es sorprendente es que este efecto esté marcado de esta forma en una caja abierta.

La presión del aire dentro de la caja a 348 Hz es la mostrada en la figura 11. Puede verse claramente el diagrama asimétrico de la presión de aire. Es la distribución de la presión de aire lo que provoca las formas de los modos complejos de los modos resonantes acoplados al aire.

Se han llevado a cabo cálculos similares para un dispositivo acústico similar al mostrado en la figura 6, es decir una caja de seis lados cerrada, teniendo una parte frontal, una posterior, y cuatro caras laterales. Algunos de los resultados se muestran en la figura 12 y 13. Todos los cálculos incluyen el aire. De nuevo, los modos acoplados se acoplan a todas las superficies de la caja, parte frontal y parte posterior, lados izquierdo y derecho y conjuntamente con la parte superior de la caja.

La figura 12A muestra el modo para la frecuencia de 178 Hz, conformado por la excitación de la caja cerrada con la velocidad en fase. Puesto que las caras frontal y posterior están enfrentadas a direcciones opuestas, esto se consigue cuando el transductor en el panel frontal desplaza el panel hacia fuera, y cuando el transductor en el panel posterior desplaza el panel hacia dentro. Esto puede conseguirse mediante la conexión eléctrica de los transductores en desfase, por ejemplo utilizando el conmutador mostrado en la figura 6. La figura 12B muestra la oscilación a 1000 Hz.

Las figuras 13A y 13B muestran los mismos modos de frecuencia en que la caja actúa como un monopolo con el panel frontal y posterior desplazándose en contrafase, es decir, con las conexiones eléctricas a los transductores en fase. Tal como puede observarse, se obtiene de nuevo una respuesta compleja.

Las figuras 12C y 13C muestran la presión del aire dentro de la caja excitada a 1000 Hz como un dipolo y un monopolo, respectivamente, correspondiente a la respuesta de la caja mostrada en las figuras 12B y 13B. La figura 12C muestra claramente una respuesta asimétrica, aunque al excitación y la caja son simétricos. La figura 13C muestra la respuesta de presión muy diferente provocada por la excitación de la misma caja de una forma distinta.

Algunos de los gráficos de la velocidad con respecto a la frecuencia de los transductores obtenidos con la caja cerrada se encuentran expuestos en la figura 14. La figura 14A y 14B muestran que coinciden la respuesta en las caras frontal y posterior (excitadas como un monopolo) de la caja simétricamente cerrada, tal como podría esperarse. La figura 14C muestra los resultados menos uniformes, y por tanto peores, obtenidos para una excitación en modo de dipolo de la misma caja.

Por supuesto, todos los resultados anteriores son solo cálculos, pero muestran la posible mejora utilizando un armazón doblado sobre sí mismo para encerrar un volumen.

La figura 15 muestra un gráfico de respuesta de velocidad para una caja en la que la cara frontal tiene diferentes niveles de rigidez con respecto a la parte posterior, excitada por dos transductores, uno sobre la parte frontal (mostrado en la figura 15A) y otro sobre la cara posterior (figura 15B). Tal como puede verse, la respuesta de la cara frontal es ventajosamente diferente de la correspondiente a la cara posterior. En consecuencia, el uso de la asimetría puede incrementar ventajosamente la densidad modal en frecuencia.

Deberá observarse que existe una diferencia entre los dispositivos tales como los mostrados en la figura 5 con una pluralidad de caras, y los dispositivos tales como los de la figura 1 en la forma de una curva continua. Las uniones (23) entre las caras actúan como bisagras y por tanto los modos de las ondas de flexión resonantes no se desplazan sencillamente de una cara a la siguiente. Más bien, tiene lugar un acoplamiento más complejo de los modos.

Son posibles también otras estructuras multicara. Las figuras 16 a 20 muestran varias de dichas formas, es decir, una pirámide cuadrada truncada, un tetraedro, un dodecaedro, un cilindro y una sección cónica. Cada una de estas formas puede estar abierta o cerrada; por ejemplo, el cilindro puede estar con o sin las caras terminales, y la sección cónica puede tener o no una cara posterior. Las caras individuales pueden formarse por separado, y después estar unidas, o grupos de caras o incluso la estructura completa puede formarse integralmente.

Tal como se expuso en el documento WO97/09842, las relaciones de aspecto correctas para un panel isotrópico son 0,707:1 y 0,882:1. Es posible también optimizar los dispositivos acústicos de acuerdo con la invención, para maximizar la distribución de los modos resonantes en frecuencia, mediante el ajuste de las propiedades del armazón, y proporcionando un acoplamiento uniforme correcto del transductor a los modos mediante el posicionamiento correcto del transductor sobre el panel.

Esto puede hacerse utilizando las técnicas expuestas en las distintas aplicaciones de la patente en el modo distribuido. En particular, el uso de una solución ordenada para encontrar las relaciones de aspecto óptimas y las posiciones de los transductores para proporcionar los resultados correctos posibles, han sido descritos en el documento WO99/41939, publicado el 19 de agosto de 1999, en nombre de New Transducers Ltd., etc.

Con el fin de encontrar propiedades adecuadas para una caja abierta, la primera etapa que se llevó a cabo fue modelar la variación de la relación de aspecto del panel central en la caja abierta de la figura 5. La relación de aspecto fue variada de 1 a 2,25, y las frecuencias correspondientes de los modos fueron calculadas mediante el análisis de elementos finitos. La diferencia central de los valores medios cuadráticos de las frecuencias de los modos se representaron gráficamente con respecto a la relación de aspecto (véase la figura 21). La diferencia central de la frecuencia del modo es, para el modo de orden n, la frecuencia del modo de orden (n+1) más la del modo de orden (n-1), menos el doble de la frecuencia del modo de orden n. Si los modos estuvieran igualmente separados, esta medida sería igual a cero. En consecuencia, la diferencia central de los valores cuadráticos medios (rms) proporciona la Figura de Mérito para las distintas relaciones de aspecto. Cuanto menor sea la diferencia central de los valores cuadráticos medios (rms) mejor será la Figura de Mérito.

A partir de la figura 21 puede verse que los resultados correctos se obtienen para las relaciones de aspecto entre 1,6 y 2,2, con unos resultados especialmente buenos entre 1,95 y 2,05. Se tomó una relación de aspecto de 2 como valor conveniente para un estudio adicional.

La siguiente etapa es encontrar el punto de excitación optimizado sobre la cara. La respuesta de velocidad como una función de la frecuencia se calcula para varias posiciones del punto de excitación. La figura 22 proporciona tres ejemplos, en el centro (22A), en el punto de excitación estándar para un panel plano de modo distribuido (22B), y en un punto de excitación óptimo (22C). La desviación estándar para los gráficos tales como éstos se representa como una función de la posición en la figura 23. Los mejores resultados son aquellos que tienen la menor desviación, mostrada en negro. Obsérvese que los bordes del panel no están mostrados, por ser puntos de excitación débil.

Tal como puede verse mediante la observación de la figura, el punto de excitación óptimo tiene lugar en cuatro zonas, situadas alrededor del 30% de la distancia a lo largo del lado largo, y del 30% de la distancia a lo largo del lado corto, conjuntamente con tres otras zonas situadas por la reflexión de la primera zona alrededor del eje de simetría central, hasta posiciones alrededor del 70% a lo largo del eje largo y del 30% a lo largo del eje corto, 30% y 70% a lo largo de los ejes respectivos, y del 70% y 70% a lo largo de los ejes respectivos. Estas posiciones son diferentes del punto de excitación óptima para un único rectángulo, que tiene lugar casi centralmente en las coordenadas entorno a 3/7, 4/9 expresadas como una relación de la distancia a lo largo de los lados.

Las posiciones son totalmente tolerantes a la variación y los resultados excelentes se obtienen en las posiciones del 14% al 42% a lo largo del lado largo y del 22% al 34% a lo largo del lado corto, conjuntamente con las reflexiones de estos valores.

Aunque los cálculos anteriores se llevan a cabo sin tener en cuenta la influencia de aire, proporcionan excelentes indicaciones de las relaciones de aspecto adecuadas, y de las posiciones de los transductores incluso para un dispositivo real. Por supuesto, las características tales como el acoplamiento del aire o la ligera anisotropía de las caras pueden hacer variar las relaciones de aspecto óptimas y desplazar las posiciones de excitación ligeramente.

Las realizaciones descritas anteriormente están relacionadas con los altavoces, es decir, dispositivos que convierten la energía eléctrica en sonido. Los métodos de la presente invención son totalmente aplicables a los micrófonos, en los que la energía sonora incidente es convertida por un transductor en energía eléctrica.

Claims (17)

1. Un dispositivo acústico, que comprende un armazón (1) exterior substancialmente continuo doblado al menos parcialmente para encerrar un volumen de aire (2), y un transductor (3) acoplado al armazón (1), caracterizado porque el mencionado armazón (1) soporta los modos de la onda de flexión distribuida uniformemente, en el que las mencionadas ondas de flexión se acoplan al volumen de aire (2), para proporcionar los modos resonantes acoplados, acoplando por tanto una señal eléctrica en el transductor (3) con los modos acoplados y de aquí a su vez al sonido ambiente.

2. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los modos resonantes se extienden por el armazón (1).

3. Un dispositivo acústico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el transductor (3) es un excitador para excitar los modos resonantes, de forma que el dispositivo acústico funcione como un altavoz.

4. Un dispositivo acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que tiene un puerto (7, 9) en el armazón exterior.

5. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el puerto (9) incluye un conducto que se extiende dentro del volumen (2) desde el armazón exterior (1).

6. Un dispositivo acústico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el armazón exterior (1) comprende una pluralidad de caras (11, 13, 15, 17).

7. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 6, en el que cada (11, 13, 15, 17) tiene una frecuencia de resonancia natural, y las frecuencias de resonancia naturales tienen diferentes valores.

8. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 7, en el que las distintas frecuencias resonantes naturales están seleccionadas de forma que diez a veinte de los modos de resonancia de frecuencia más bajos se encuentren con las frecuencias intercaladas.

9. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el armazón exterior (1) incluye una cara frontal (11), y en el que la cara frontal (11) tiene una relación de aspecto de 1,6 a 2,2.

10. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 6 ó 9, en el que el armazón exterior (1) incluye una cara frontal rectangular (11) y en el que el transductor (3) hace contacto con la cara frontal (11) en una posición entre el 14% al 42% desde un borde a lo largo del lado largo y a una distancia de entre el 22% y el 34% desde un borde a lo largo del lado corto.

11. Un dispositivo acústico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6, 9 ó 10, en el que el armazón exterior (1) incluye las caras frontal (11) y posterior (17) opuestas.

12. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 11, en el que se proporciona un primer transductor (3) en la cara frontal (11), y un segundo transductor (5) en la cara posterior (17).

13. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el primer y segundo transductores (3, 5) están acoplados mecánicamente.

14. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 11, en el que está acoplado un único transductor (3) a ambas caras frontal y posterior (11, 17).

15. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el armazón exterior (1) tiene una forma de pirámide cuadrada truncada.

16. Un dispositivo acústico de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el armazón exterior (1) tiene una forma de tetraedro.

17. Un método de excitación de un dispositivo acústico que comprende un armazón exterior substancialmente continuo (1), el cual está doblado al menos parcialmente encerrando un volumen de aire (2), y dos transductores (3, 5) acoplados al armazón, caracterizado porque el armazón (1) soporta ondas de flexión que se acoplan al volumen, para proporcionar modos resonantes acoplados, y la excitación de los dos transductores (3, 5) en fase con una señal eléctrica común, de forma que los transductores (3, 5) exciten los modos acoplados del armazón (1) y el volumen (2) en una configuración de monopolo, y radiando la energía sonora desde los modos acoplados en el aire ambiente.