TWI707588B - 喇叭裝置 - Google Patents

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Abstract

一種喇叭裝置包括音箱、喇叭單元及低音補強單元。音箱包括一內腔體，內腔體的腔體容積介於0.5毫升至1毫升之間，且音箱具有腔體聲學順性值，腔體聲學順性值為腔體容積除以空氣密度與聲速平方之乘積。喇叭單元設置於內腔體中，喇叭單元包括振膜與懸邊，懸邊環繞設置於振膜周圍，喇叭單元具有喇叭聲學順性值與有效出音面積，喇叭聲學順性值為懸邊的機械順性值與有效出音面積平方之乘積，其中有效出音面積正比於振膜的面積，且喇叭聲學順性值與腔體聲學順性值的比值小於等於1。低音補強單元設置於內腔體中，低音補強單元根據喇叭單元的運作而輸出低頻響應頻率。

Description

喇叭裝置
本發明係關於一種音訊播放裝置，特別是指一種喇叭裝置。
喇叭（或稱揚聲器）為目前十分常見的聲音播放裝置，喇叭的功能是可將電氣信號轉換成振膜的機械振動，進而使周圍的空氣產生疏密的變化以產生聲音供周遭的人聆聽。
對於一些大型喇叭來說，為了加強低頻段的聲壓，一般會在音箱中加入低音加強裝置，例如低音反射管（Bass reflex）或被動輻射器（Passive Radiator）等，以利用相位反轉的特性，達到強化低頻的作用。
隨著現今電子裝置的輕薄化發展，許多電子裝置（例如智慧型手機、平板電腦或筆記型電腦等等）由於內部空間小，因此，大多都是採用微型喇叭以減少佔用的體積與厚度。然而，微型喇叭的音箱容積非常小（大多在1毫升以下），若導入低音加強裝置不僅無法正常發揮強化低頻的作用，反而還會造成減損喇叭原有的輸出表現。
鑒於上述，於一實施例中，提供一種喇叭裝置包括音箱、喇叭單元及低音補強單元。音箱包括一內腔體，內腔體的腔體容積介於0.5毫升至1毫升之間，且音箱具有腔體聲學順性值，腔體聲學順性值為腔體容積除以空氣密度與聲速平方之乘積。喇叭單元設置於內腔體中，喇叭單元包括振膜與懸邊，懸邊環繞設置於振膜周圍，喇叭單元具有喇叭聲學順性值與有效出音面積，喇叭聲學順性值為懸邊的機械順性值與有效出音面積平方之乘積，其中有效出音面積正比於振膜的面積，且喇叭聲學順性值與腔體聲學順性值的比值小於等於1。低音補強單元設置於內腔體中，低音補強單元根據喇叭單元的運作而輸出低頻響應頻率。
綜上所述，本發明實施例喇叭裝置透過將喇叭聲學順性值與腔體聲學順性值的比值調整至小於等於1，使低音補強單元導入內腔體較小（例如腔體容積介於0.5毫升至1毫升的內腔體）之音箱時，確保低音補強單元能夠發揮加強低頻段的聲壓之作用，強化喇叭裝置的輸出表現。
圖1為本發明喇叭裝置一實施例之應用示意圖，圖2為本發明喇叭裝置一實施例之分解立體圖。如圖1與圖2所示，本實施例之喇叭裝置1為包括音箱10、喇叭單元20及低音補強單元30，喇叭單元20與低音補強單元30設置在音箱10的內部。在一實施例中，喇叭裝置1可為微型喇叭以應用於內部空間較小的薄型或小型電子產品（例如智慧型手機、平板電腦或筆記型電腦）。例如圖1所示，在本實施例中，喇叭裝置1是設置於一智慧型手機2內部，用以發出聲音供周遭的人聆聽，但本實施例並不限制。
如圖2所示，在本實施例中，音箱10包括有一內腔體11，在本實施例中，內腔體11包括第一腔體111與第二腔體112，也就是說內腔體11進一步區分成兩個腔體，第一腔體111具有第一出音口12，第二腔體112具有第二出音口13，其中第一出音口12與第二出音口13設置於音箱10的同一側，但此並不侷限，第一出音口12與第二出音口13也可設置音箱10的不同側。另外，在本實施例中，音箱10包括一中空基座101與一蓋體102，於製造過程中，可先將喇叭單元20與低音補強單元30分別安裝至中空基座101內，再將蓋體102蓋設固定於中空基座101上，使喇叭單元20與低音補強單元30分別固定在第一腔體111與第二腔體112中。
如圖2與圖3所示，本實施例之音箱10的內腔體11之腔體容積V介於0.5毫升至1毫升之間以適用於內部空間較小的薄型或小型電子產品。在一些實施例中，腔體容積V可為內腔體11之第二腔體112的淨容積，也就是排除第二腔體112內部其他元件（如低音補強單元30）的容積。
承上，音箱10具有一腔體聲學順性值Cab，其中腔體聲學順性值Cab為腔體容積V除以空氣密度ρ與聲速c平方之乘積，也就是說，腔體聲學順性值Cab的計算式為 Cab＝V/ρc2 ，其中V為內腔體11的腔體容積，ρ為空氣密度 （約1.29 Kg/m³），c為聲速（約343m/s）。由上述計算式可見，腔體聲學順性值Cab與腔體容積V彼此為正相關，換言之，腔體容積V越小，音箱10的腔體聲學順性值Cab就越小。
如圖2與圖3所示，喇叭單元20對應於音箱10的第一出音口12並可透過黏固、鎖固或卡固等方式固定在音箱10內部，在本實施例中，喇叭單元20是朝向第一腔體111內部而非正對於第一出音口12，但此並不侷限。在另一實施例中，如圖4所示，喇叭單元20亦可直接朝向第一出音口12，以由第一出音口12輸出聲音。如圖4所示，在一實施例中，喇叭單元20可為動圈式喇叭而包括振膜21、懸邊22（surround）、磁性體23、音圈24、支架25及軛鐵26。其中磁性體23為導磁材料所製成並結合於軛鐵26，軛鐵26具有環狀的磁間隙G，音圈24繞設於軛鐵26的磁間隙G中而鄰近於磁性體23，且音圈24不接觸於軛鐵26並與振膜21相連，使音圈24運動時能帶動振膜21同步振動。懸邊22環繞設置於振膜21周圍並連接於振膜21與支架25之間。藉此，當音圈24有電流通過時，即可產生交變的磁場變化，並於磁間隙G中切割磁力線而產生隨時間而改變的勞倫茲力以驅使音圈24運動，進而使連接於音圈24的振膜21同時振動，從而產生聲波以透過空氣由第一出音口12傳遞出。在一些實施例中，上述懸邊22可為彈性材質所製成，例如橡膠、聚丙烯或熱塑性彈性體等，由於懸邊22具有良好的彈性與韌性，使振膜21振動時，懸邊22能產生均勻變形與應力，以使振膜21運動更為柔順，從而產生較佳的音質。
如圖2與圖4所示，低音補強單元30對應於音箱10的第二出音口13，低音補強單元30可透過黏固、鎖固或卡固等方式固定在第二腔體112內部。在本實施例中，低音補強單元30包括低音反射管31而構成音箱10形成一低音反射式音箱（bass reflex enclosure）。其中低音反射管31為開放式管路，也就是說，低音反射管31的兩端未受到封閉，且低音反射管31一端位於第二出音口13，另一端連通於音箱10之第二腔體112。在一些實施例中，低音補強單元30亦可設置於音箱10外部並與第二腔體112連通，本實施例並不限制。
此外，如圖2與圖3所示，低音反射管31可根據喇叭單元20的運作而輸出一低頻響應頻率，以加強喇叭裝置1於低頻段的聲壓。舉例來說，低音反射管31之低頻響應頻率的計算式為
Figure 02_image003
，其中f為低頻響應頻率，c為聲速（約343m/s），A為低音反射管31的截面積，V為音箱10之內腔體11的腔體容積，L為低音反射管31的長度。在一實施例中，假設低音反射管31的截面積A為0.636mm2 ，低音反射管31的長度L為5mm，內腔體11的腔體容積V為700mm^3，代入上述計算式可得出低頻響應頻率f為735.7Hz，也就是說，當喇叭單元20的運作時，低音反射管31可產生735.7Hz的低頻響應頻率f，以加強喇叭裝置1於735.7Hz附近的低頻段聲壓。
在另一實施例中，如圖5所示，低音補強單元30也可包括一被動輻射器32（Passive Radiator），在此被動輻射器32與喇叭單元20分別設於內腔體11的相對兩側，被動輻射器32包括一從動振膜33，當喇叭裝置1運作而使振膜21振動發出聲音時，從動振膜33可經由空氣產生低頻共振，以產生低頻響應頻率加強喇叭裝置1於低頻段的聲壓。
如圖4所示，喇叭單元20具有一喇叭聲學順性值Cas與一有效出音面積S，喇叭聲學順性值Cas為懸邊22的一機械順性值Cms與有效出音面積S平方之乘積，也就是說，喇叭聲學順性值Cas的計算式為Cas＝Cms×S2 ，其中Cms為懸邊22的一機械順性值，S為有效出音面積。所述有效出音面積S正比於振膜21的面積或喇叭單元20的口徑，換言之，振膜21的面積或者喇叭單元20的口徑越大，有效出音面積S則越大。懸邊22的機械順性值Cms代表的是懸邊22的柔順性，舉例來說，機械順性值Cms越大時，代表懸邊22柔順性越大（剛性越小），機械順性值Cms越小時，代表懸邊22柔順性越小（剛性越大）。由上述計算式可見，喇叭聲學順性值Cas與懸邊22的機械順性值Cms彼此為正相關，換言之，懸邊22的機械順性值Cms越小，則喇叭聲學順性值Cas則越小。
此外，本發明實施例之喇叭裝置1更將喇叭單元20之喇叭聲學順性值Cas與音箱10之腔體聲學順性值Cab的比值調整至小於等於1（也就是Cas/Cab≦1），可使低音補強單元30應用於內腔體11較小（例如腔體容積V介於0.5毫升至1毫升的內腔體11）之音箱10時，確保低音補強單元30能夠發揮加強低頻段的聲壓之作用，強化喇叭裝置的輸出表現。
詳言之，由於應用於內部空間較小的薄型或小型電子產品之喇叭裝置1的腔體容積V都相當小（多介於0.5毫升至1毫升之間），因此，腔體聲學順性值Cab也會隨著減小（由於Cab＝V/ρc2 ）。因此，於本發明一實施例中，透過降低懸邊22的機械順性值Cms，以降低喇叭單元20之喇叭聲學順性值Cas（由於Cas＝Cms×S2 ），使喇叭聲學順性值Cas能夠小於等於腔體聲學順性值Cab，從而使喇叭聲學順性值Cas與腔體聲學順性值Cab的比值調整至小於等於1。
在一實施例中，懸邊22的機械順性值Cms可調整至介於0.12mm/N～1.2mm/N之間，例如透過調整懸邊22的外形結構或材質以減小機械順性值Cms。舉例來說，懸邊22可使用較高硬度的材質以提高懸邊22的剛性，從而使懸邊22柔順性減小而降低機械順性值Cms。或者，在其他實施例中，也可透過在懸邊22加上紋路或者增加懸邊22厚度，以提高懸邊22的剛性而降低機械順性值Cms。舉例來說，如下揭表一所示，在本實施例中，內腔體11的腔體容積V為0.7毫升，懸邊22的機械順性值Cms調整至0.75mm/N，喇叭單元20的有效出音面積S為81mm2 ，將上述數值代入腔體聲學順性值Cab的計算式（Cab＝V/ρc2 ）以及喇叭聲學順性值Cas的計算式（Cas＝Cms×S2 ），並計算喇叭聲學順性值Cas與腔體聲學順性值Cab的比值，即可得出比值約為0.98。 表一
Figure 107136833-A0304-0001
如圖6所示，為本發明實施例將喇叭單元20之喇叭聲學順性值Cas與音箱10之腔體聲學順性值Cab的比值調整至小於等於1後，實際測試出之喇叭裝置1的聲壓-頻率曲線圖。在本圖中可看出，橫軸代表的是頻率（Hz），左邊縱軸代表的是聲壓（dB），其中曲線C1代表的是過去採用封閉式音箱所產生的聲壓-頻率曲線，曲線C2～曲線C4代表的是本發明實施例之喇叭裝置1（音箱10之內腔體11的腔體容積V介於0.5毫升至1毫升之間、以及喇叭聲學順性值Cas與腔體聲學順性值Cab的比值調整至小於等於1）後所產生的聲壓-頻率曲線。其中曲線C2是以低音反射管31的長度L為4mm為例，曲線C3是以低音反射管31的長度L為6mm為例，曲線C4是以低音反射管31的長度L為10mm為例。經由比對曲線C1～曲線C4可明顯看出，本發明實施例透過將喇叭聲學順性值Cas與腔體聲學順性值Cab的比值調整至小於等於1後，即使是音箱10較小之喇叭裝置1，低音補強單元30也能夠順利發揮加強低頻段的聲壓之作用，例如在本圖中，曲線C2～曲線C4約在400Hz～700Hz區段的聲壓明顯大於曲線C1的聲壓。
由於調整降低懸邊22的機械順性值Cms會相對造成喇叭單元20的共振頻率Fc (Fh )提高。因此，在本發明的一實施例中，為了降低喇叭單元20的共振頻率以維持在預定範圍，可透過提高喇叭單元20的一振動質量M來實現，例如透過將振動質量M與機械順性值Cms成反比的方式調整，也就是機械順性值Cms調整越小時，振動質量M則調整越大。在一實施例中，振動質量M為喇叭單元20運作時，喇叭單元20內部之至少一個振動件（例如振膜21、懸邊22或音圈24等）之質量總和。
承上，喇叭單元20的共振頻率Fc (Fh )、機械順性值Cms及振動質量M的關係式為
Figure 02_image006
，其中Fc (Fh )為喇叭單元20的共振頻率，M為振動質量，CAT 為喇叭系統聲學總順性。此外，上式中的喇叭系統聲學總順性CAT 與喇叭聲學順性值Cas及腔體聲學順性值Cab的關係式為
Figure 02_image009
，由上述關係式可見，當機械順性值Cms調整越小時，喇叭聲學順性值Cas與喇叭系統聲學總順性CAT 就越小，而使喇叭單元20的共振頻率Fc (Fh )提高，因此，可透過提高喇叭單元20的振動質量M，例如增加音圈24或振膜21的重量以提高振動質量M，從而降低喇叭單元20的共振頻率Fc (Fh )至預定的共振頻率範圍內。
如上揭表一所示，在本發明的一實施例中，假設喇叭單元20預定的共振頻率範圍介於870Hz至875Hz之間，當懸邊22的機械順性值Cms調整至0.75mm/N，使喇叭聲學順性值Cas與腔體聲學順性值Cab的比值為0.98時，可將喇叭單元20的振動質量M調整升高至88mg，以使喇叭單元20的共振頻率Fc (Fh )為872.6Hz而維持在預定的共振頻率範圍內。
承上，由於提高喇叭單元20的振動質量M會造成喇叭單元20輸出的聲壓略為降低。據此，如圖7與圖8所示，其中圖8為圖7之區域E的局部放大圖。本實施例是將音圈24拆分成兩組線圈（如圖中第一組線圈241與第二組線圈242），其中第一組線圈241與第二組線圈242的圈數可相同或不同。此外，本實施例更將第一組線圈241與第二組線圈242彼此並聯，此請對照圖9與圖10所示，在本實施例中，第一組線圈241是環繞設置於第二組線圈242外部，且第一組線圈241與第二組線圈242分別電性連接於供電源而達成並聯型態。然而，上述實施例僅為舉例，在其他實施例中，第一組線圈241與第二組線圈242也可彼此交織而成（例如彼此交錯設置或彼此纏繞設置），此實施例圖面省略繪示。
藉此，本發明實施例透過將音圈24分成第一組線圈241與第二組線圈242並彼此並聯，可達到降低音圈24的總電阻值及提高的力量因子，以提高喇叭裝置1輸出的聲壓。詳言之，力量因子與勞倫茲力的關係式為F=iBL，其中F為勞倫茲力，i為電流，B為磁場強度，L為音圈24總長度，力量因子為磁場強度B與音圈24總長度L之乘積，因此，當喇叭裝置1在運作時，透過電流磁效應所產生的勞倫茲力為電流i與力量因子BL之乘積，因此，當力量因子或電流i越大時，可產生的勞倫茲力也越大，而能提高喇叭裝置1輸出的聲壓。
舉例來說，請對照下揭表二與圖10，透過將音圈24分成第一組線圈241與第二組線圈242並彼此並聯，相對於過去音圈24非並聯的方式來說，可大幅降低音圈24總電阻值（R total）而相對提高總電流值與力量因子，達到提高喇叭裝置1輸出的聲壓。在一些實施例中，亦可將音圈24拆分成兩組以上的線圈並彼此並聯，以進一步降低音圈24總電阻值而提高聲壓。
在一些實施例中，亦可透過調整音圈24的繞線圈數與線圈截面積的比例而產生適當力量因子。舉例來說，如下揭表二所示，在固定的繞線空間下，當音圈24圈數越多時，音圈24的截面積可調整越小，也就是說，透過將音圈24的繞線圈數與線圈截面積成反比的方式調整，以在固定的繞線空間下，調整產生最佳的電阻值及線圈長度，而得到最佳的勞倫茲力，從而適用於不同產品或功能需求。 表二
Figure 107136833-A0304-0002
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:喇叭裝置2:智慧型手機10:音箱101:中空基座102:蓋體11:內腔體111:第一腔體112:第二腔體12:第一出音口13:第二出音口20:喇叭單元21:振膜22:懸邊23:磁性體24:音圈241:第一組線圈242:第二組線圈25:支架26:軛鐵G:磁間隙30:低音補強單元31:低音反射管32:被動輻射器33:從動振膜E:區域C1～C4:曲線
[圖1] 係本發明喇叭裝置一實施例之應用示意圖。 [圖2] 係本發明喇叭裝置一實施例之分解立體圖。 [圖3] 係本發明喇叭裝置一實施例之剖視圖。 [圖4] 係本發明喇叭裝置一實施例之內部示意圖。 [圖5] 係本發明喇叭裝置另一實施例之內部示意圖。 [圖6] 係本發明喇叭裝置一實施例之聲壓-頻率曲線圖。 [圖7] 係本發明喇叭單元一實施例之剖視圖。 [圖8] 係圖7之局部放大圖。 [圖9] 係本發明喇叭單元一實施例之音圈示意圖。 [圖10] 係本發明喇叭單元一實施例之電路示意圖。
1:喇叭裝置
10:音箱
101:中空基座
102:蓋體
11:內腔體
111:第一腔體
112:第二腔體
12:第一出音口
13:第二出音口
20:喇叭單元
30:低音補強單元
31:低音反射管

Claims (10)

  1. 一種喇叭裝置，包括：一音箱，包括一內腔體，該內腔體的一腔體容積介於0.5毫升至1毫升之間，且該音箱具有一腔體聲學順性值，該腔體聲學順性值為該腔體容積除以一空氣密度與一聲速平方之乘積；一喇叭單元，設置於該內腔體中並對應該內腔體之一第一出音口，該喇叭單元包括一振膜與一懸邊，該懸邊環繞設置於該振膜周圍，該喇叭單元具有一喇叭聲學順性值與一有效出音面積，該喇叭聲學順性值為該懸邊的一機械順性值與該有效出音面積平方之乘積，其中該有效出音面積正比於該振膜的面積，且該喇叭聲學順性值與該腔體聲學順性值的比值小於等於1；以及一低音補強單元，連通於該內腔體並對應該內腔體之一第二出音口，該低音補強單元根據該喇叭單元的運作而輸出一低頻響應頻率。
  2. 如請求項1所述之喇叭裝置，其中該內腔體包括一第一腔體與一第二腔體，該第一腔體具有該第一出音口，該第二腔體具有該第二出音口，該低音補強單元包括一低音反射管，該低音反射管對應於該第二出音口。
  3. 如請求項1所述之喇叭裝置，其中該低音補強單元包括一被動輻射器，該被動輻射器包括一從動振膜，該從動振膜係響應該喇叭單元的運作而振動。
  4. 如請求項1所述之喇叭裝置，其中該懸邊的該機械順性值介於0.12mm/N~1.2mm/N之間。
  5. 如請求項1所述之喇叭裝置，其中該喇叭單元更具有一振動質量，該振動質量為該喇叭單元內部之至少一振動件之質量總和，該振動質量與該懸邊的該機械順性值成反比，以維持該喇叭單元於一共振頻率範圍。
  6. 如請求項5所述之喇叭裝置，其中該至少一振動件包括該振膜與該懸邊。
  7. 如請求項1所述之喇叭裝置，其中該喇叭單元包括一磁性體與一音圈，該音圈鄰設於該磁性體且包括一第一組線圈與一第二組線圈，該第一組線圈與該第二組線圈彼此並聯。
  8. 如請求項7所述之喇叭裝置，其中該音圈的一繞線圈數與一線圈截面積成反比。
  9. 如請求項7所述之喇叭裝置，其中該第一組線圈環繞於該第二組線圈外部。
  10. 如請求項7所述之喇叭裝置，其中該第一組線圈與該第二組線圈係彼此交織而成。
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