CN1135058C - 根据弯曲波原则的音响装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种音响装置，有一支持弯曲波，并包封一容积(2)的外壳(1)。弯曲波耦合至包封的容积，以提供耦合谐振模式。一换能器(3)，(5)予以耦合至外壳以激励耦合谐振模式。包封容积的耦合可改进谐振模式的分布。

Description

根据弯曲波原则的音响装置及其驱动方法

发明的领域

本发明涉及音响装置及其驱动方法，其型式为使用在其整个表面上支持弯曲波作用的元件，弯曲波再耦合至周围。这种装置可用作扬声器或麦克风。

发明的背景

国际专利申请WO97/09842及相关的申请案，描述了具有一音响元件及一耦合至音响元件的换能器的扬声器及其他音响装置。在这些装置中，元件的各种参数可予以调整，以便在元件的谐振弯曲波模式，在频率上予以均匀分布。谐振弯曲波模式也可予以分布在元件的表面。本案也揭示了在元件上安装换能器的优先位置。一典型的优先安装位置为在一近中心位置，但不在中心。然而，根据元件的形状，也可有其他优先位置。

然而，并不总是容易提供足够模态密度，特别是在较低频率。因此，如果可提供改进的模态密度或其他提高，其将会具有优点，特别是对较低或中间频率响应。

发明的概述

根据本发明的第一方面，提供一种音响装置，包含一支持弯曲波的实际连续外壳，外壳予以弯曲为至少部分包封一空气容积，以便弯曲波耦合至容积，以提供耦合谐振模式，及一耦合至外壳的换能器，供将在换能器的电信号与耦合模式耦合，并因而再耦合至周围声音。

在根据本发明的装置，除了在传统分布模式装置所可利用的谐振弯曲波模式外，并存在有另外模式。计算将会在稍后提供，示出空气耦合至外壳的增加模式数。因此，根据本发明的装置，可增加在预定频率范围所存在的模式数。

优选地，耦合谐振模式在预定频率范围内在频率上均匀分布，有益的是，此频率范围约为高于基本谐振频率1至2或3个八音度。在此范围，谐振弯曲波模式为最稀疏，并且在此范围分布弯曲及同平面模式产生最大益处。

外壳可予以完全封闭，以完全包围该容积。或者，可在外壳提供孔口或通气孔。孔口或通气孔可予以设计为提供特定谐振效应，并特别增强或控制在较低音响频率范围的界限输出。

虽然外壳不必要完全包围包封的容积，但外壳必须实际为连续，以便其可呈现有效音响作用。换句话说，外壳必须不具有太多孔眼或窗孔。高度穿孔元件无法适合作为音响辐射体，由于来自元件前面的辐射将会破坏性地干扰来自后面，与来自前面的辐射反相所发出的辐射。而且，外壳应该足够连续，以供外壳至包封容积的耦合显著。

对板的测试曾示出穿孔元件与环境空气的很低耦合。因此，外壳可在其总面积的表面界定不大于表面积的20％，优选地不大于10％，更佳为不大于5％的孔。

在容积内的空气也可能呈现腔谐振。

根据本发明的音响装置，在三维外壳的表面支持谐振弯曲波模式，并且耦合至一至少部分被外壳所包封的容积。对照而言，传统分布模式扬声器有分布在一单一面板的谐振弯曲波模式。

在上述WO97/09842号中，建议将一分布模式面板安装至一框架的前面。在此等现有技术装置，任何谐振弯曲波模式实际受限于面板面积，而不受限制于框架。因此，此等装置不提供改进的模态密度，并因而不提供根据本发明的装置所提供的改进音响性能。

另一先前公开，WO98/31188号，说明一种安装在一托盘的扁平板。托盘予以高度穿孔，而较之实心区域有较多窗孔区域，并因此不实际连续。托盘将会因此不有效耦合至周围，也不有效耦合至在托盘内的空气。

外壳可为固定厚度。或者外壳的厚度可予以缓慢或连续或较快速改变。

在外壳可提供肋片或其他延伸部分。

外壳可为一单一整体外壳。或者外壳可包含元件的组合，机械式耦合以造成希望的音响辐射体结构。在元件间的结合，其边界状况可能有益地予以规定。

外壳可成一种有许多个别端面的多面体或其一部分的形式。

每一端面可有一自然谐振频率，并且自然谐振频率可予以选择为具有不同值。此可增加外壳整体的模态密度。而且，不同的自然谐振频率可予以选择为致使谐振在不同端面的模式在频率上交错。此方法可能特别用于增加供较低10至20谐振模式的模态密度。

个别诸端面或单独板元件无需具有均匀机械特性，并且其可在刚性，刚性的各向同性，阻尼性，或厚度有所改变。

音响装置可为一扬声器，换能器为一激励器。

音响装置可包含板形式的前后端面，连同至少另一板，提供一路径，供自前面至后面的谐振模式，并因此耦合前及后板。前及后板可实际为平面。前及后板可借单独的分立激励器予以驱动，或一单一激励器可予以耦合至前及后板。

在诸实施例中，一激励器的音圈可予以耦合至诸板之一，并且激励器的磁铁总成耦合至其他板。由于磁铁总成重，其耦合至板将会导致高频率衰减。此可增强音响装置的低音响应。可提供许多激励器。激励器可同相，不同相或彼此成任何适当相位关系予以驱动。

在一种传统的扁平板扬声器，任何同平面压缩波均产生很少或不产生音响输出。此系因为扁平板的同平面压缩及膨胀不耦合至周围空气。对照而言，在根据本发明的装置，外壳予以弯曲，因而同平面压缩及膨胀导致外壳局部或总体的收缩及膨胀，其作用如一将压缩波耦合至包封容积及耦合至周围的机构。因此，同平面压缩波可有益地有助于耦合模式。事实上，在若干实施例，谐振模式可耦合弯曲波，同平面模式及包封的容积。因此可改进模态密度。

根据本发明的第二方面，提供一种音响装置，包含一包封一容积的实际连续外壳，支持许多谐振模式，耦合外壳及包封的容积，谐振模式跨越外壳，及一换能器耦合至外壳，供在换能器将电信号与谐振模式耦合，并因而再耦合至周围声音。

在根据本发明第二方面的装置，谐振模式跨越表面，自前面至背面，自侧面至侧面，并自顶部至底部。这允许在整个表面与包封容积的良好模式耦合。模式不必要覆盖整个表面；外壳可例如有不谐振的孔口或区域。

根据本发明的另一方面提供一种驱动音响装置的方法，包含：提供一实际连续外壳，外壳予以弯曲为至少部分包围一空气容积，提供二换能器，二换能器耦合至外壳；外壳支持弯曲波，致使弯曲波耦合至该容积，以提供耦合谐振模式，以共同电信号同相驱动所述二换能器，致使换能器驱动外壳及容积的耦合模式成一种单极构形；以及将声音能量自耦合模式辐射至周围空气。

附图的简要说明

现将参照附图，说明本发明的特定实施例，意在作为实例，在附图中：

图1a显示出通过一根据本发明第一实施例的扬声器的剖面，该扬声器有一椭球形外壳；

图1b显示出通过另一根据本发明第一实施例的扬声器的剖面，该扬声器有一椭球形外壳；

图2显示出通过一根据本发明第二实施例的扬声器的剖面；

图3显示出通过一根据本发明第三实施例的扬声器的剖面，该扬声器有一孔口；

图4显示出通过一孔口的修饰的剖面；

图5显示出一根据本发明第四实施例的扬声器的视图，该扬声器呈一种开口箱形式；

图6显示出一根据本发明第五实施例的扬声器的视图，该扬声器具有一封闭箱；

图7显示出可配合图6中所示扬声器使用的各种激励技术；

图8显示出在一无空气的开口箱的激励响应；

图9显示出在图8中所示开口箱的激励响应，包括空气耦合的效应；

图10a显示出在激励器的速度响应，该速度响应为图8中的箱中，无空气时的频率的函数；

图10b显示出在激励器的速度响应，该速度响应为图9中的箱中，包括空气效应时的频率的函数；

图11显示出在图9b的箱内的压力；

图12显示出在一有封闭箱的扬声器内的模式，有二激励器在反相驱动；

图13显示出在图12的扬声器内的模式，有二激励器以在同相驱动；

图14显示出图12及13中的装置的速度响应；

图15显示出一六面封闭箱的速度响应，其中前端面的弯曲刚性与后端面不匹配；

图16显示出一根据本发明，成截头锥形体形式的扬声器的视图；

图17显示出一根据本发明，成四面体形式的扬声器的视图；

图18显示出一根据本发明，成十二面体形式的扬声器的视图；

图19显示出一根据本发明，成圆柱体形式的扬声器的视图；

图20显示出一根据本发明，成锥体段形式的扬声器的视图；

图21显示出模式频率的均方根(rms)中央差，其为图5的装置前端面纵横比的函数；

图22显示出图5的装置的三个激励器位置的速度分布，其具有一纵横比为2∶1的前端面；

图23显示出激励器位置功效的图，其为激励器在图22所使用模型的装置上位置的函数。

详细说明

请参照图1，一封闭椭球体外壳1包封一容积2，并有换能器3，5固定在外壳的内部，在椭球体的短轴安装在对置位置。外壳1支持自耦合至包封容积的谐振弯曲波组份所形成的谐振模式。

换能器将电信号耦合至外壳及容积的耦合谐振模式。在本实施例中，换能器为激励器，其在使用时，可予以驱动以激励耦合模式，产生音响输出。换能器可为传统型式，其中一音圈在电流通过音圈时，相对于一接地磁铁总成移动。换能器可为惯性，在该情形，磁铁总成为自由，并且音圈的力作用反抗磁铁总成的惯性。或者，可使用一接地换能器，在该情形，磁铁总成予以支持。在本实施例中，通常用以驱动分布模式板的商用激励器，使用于一种惯性构形。

以已知的极性驱动换能器，借以可在发出的声音产生希望的极性状态。对于单极源，换能器可予以同相驱动，而产生一偶极源，换能器可在反相予以驱动。或者，激励器可在任何适当相位关系予以驱动。

本发明允许扬声器予以无障板使用。在使用单一振膜或板的传统活塞式或分布模式扬声器中，自后面所辐射的声音为在与自前面所辐射声音的反相。因此，要避免干扰效应，必须通过一箱包封振膜，或绕扬声器提供一障板，借以防止自后面所辐射的声音到达前面。通过作为一有二换能器同相操作的单极驱动根据本发明的扬声器，可借以避免需要此障板。

耦合模式可由二种型式的外壳振动耦合至包封的容积构成。此二型式之一，为使外壳弯曲离开外壳的局部平面的弯曲波。另一型式为在外壳平面的膨胀或收缩。

一完全扁平板将不提供这种具有谐振弯曲波模式的耦合的膨胀-收缩模式。虽然扁平板可具有振荡模式的膨胀及收缩，但其仅只使板在其自身平面移动，并且不影响周围空气分子的运动。因此，在扁平板的此等模式，很少或无音响效应。对照而言，如果板其本身足够的向后弯，或甚至形成一完全封闭主体，同平面压缩波模式便导致该主体的总体膨胀及收缩，其可耦合至空气，并因而具有音响效应。

外壳振动的实际模式无需为纯弯曲波模式，或纯压缩波模式。相反，各模式可能彼此干扰及耦合，而提供耦合模式。然而，此等模式仍可能保有主要弯曲波特性。在外壳的此等波然后耦合至所包括的容积，以产生耦合的谐振模式。

换能器予以安装在短轴，并不必要。可能方便如图2中所显示，将其安装离轴，或实在为在任何适当位置。优选地将换能器安装在一选择为供最佳或所希望响应的位置。使用规律的几何结构，诸如椭球体，使此比较容易。或者可使用诸如有限元分析等方法，以探究适当换能器位置。通常，相似于使用分布模式扬声器的方法可能适当；特别是不对称换能器位置可能证明是适当的。稍后将参照图21至23，讨论此情形的实例。

对于某些应用一单一换能器可能就足够；其他则可需要若干换能器在外壳上分布开。换能器的布局可能影响外壳耦合至环境的定向性。

提供包封的容积，允许使用诸孔口控制在容积内的谐振。图3显示出一孔口7在椭球体的一端成一简单孔的形式。或者可如图4中所显示，提供一有管道孔口9。

孔口可能导致相似于此等孔口在传统活塞式型扬声器或管所产生的效应。诸孔口可具有不对称剖面。

如以上所示出，容积不必要整个被外壳包封。相反，所有需要的为外壳在其本身弯回足够，使外壳的谐振模式耦合至包封容积中的空气，以产生音响效应。图5显示出一开口箱，包含一被与前端面11成直角的四侧面15构成的框架13所包围的大前端面11。设置单一换能器3，经由音响接头9连接至放大器。侧面15均予以音响耦合至前端面11。在前端面11的谐振弯曲波模式不仅只保持在前端面，而且耦合至侧面(15)。

一箱也可予以实施为成一密封包壳的形式(图6)，前及后端面11，17以及四侧面13将前端面11结合至后端面17，以形成一内含一容积的密封包壳。设置二换能器3，5，各在每一端面11，17。

图6中也示出一电路19，其可在二换能器的反相与非反相驱动之间切换。一双刀双掷开关21在换能器的平行驱动与反平行驱动之间切换。

如图7a中所示，换能器或前及后端面可予以解除耦合。或者二传统动圈换能器的磁铁总成可如图7b中所示，予以耦合在一起。作为另一替代，一单一换能器可有其音圈连接至前端面11，而磁铁总成连接至后端面17，磁铁总成远重于音圈，并因而总成将会优先耦合低频至后端面。因此，此配置可用以增加扬声器的低音响应。前及后端面可予以倒反。

对于一种类似于图5中所示出的五面装置，曾进行音响装置的响应的有限元计算。为方便起见，此构形将称作开口箱。图8示出在178Hz(图8a)，在348Hz(图8b)及在1000Hz(图8c)，无空气时，箱响应激励的状态。图9示出在相同频率，亦即在178Hz(图9a)，在348Hz(图9b)，及在1000Hz(图9c)，存在有空气时的状态。如可看出，响应不限于任一平面表面，而是耦合在箱的整个五表面。而且，存在有空气有利增加形状的复杂性。

换能器的速度响应，为图10中所示频率的函数：图10a示出无空气的结果，及图10b示出有空气的结果。大的值指示在该频率的激励所达成的高速。在谐振时出现特别大的速度。如可看出，无空气的响应示出较小数目的较大尖峰。此为较小数目的谐振模式所特有。在有空气包封时的响应，示出较大数目的尖峰，各峰则较小。此为较大数目的较弱模式所特有。如可看出，在板耦合至包封的容积的模式，增加谐振模式的数目，并因而改进音响装置。意想不到的是，此效应颇为明显，甚至在开口的箱。

图11中示出在348Hz时，箱内的空气压力。可清楚看出不对称空气压力型式。导致空气耦合谐振模式的复杂模式形状的，就是此空气压力分布。

曾对一种相似于图6中所示出的音响装置实施相似的计算，亦即一有一前，一后及四侧面的封闭六面箱。图12及13中示出部分结果。所有计算均包括空气。而且，耦合模式耦合在箱的所有表面，前及后，左及右侧面，以及顶及底部。

图12a显示出以同相速度驱动封闭箱，在178Hz时所导致的模式。由于前及后端面面向相反方向，此系以在后板的换能器使板向内移动时，在前板的换能器使板向外移动所达成。此可借例如使用图6中所示的开关不同相电连接换能器达成。图12b示出在1000Hz的振荡。

图13a及13b示出作为单极，箱的前及后板在反相移动，亦即同相电连接至换能器的相同频率模式。如可看出，再次获得复杂响应。

图12c及13c分别示出在1000Hz以偶极及单极驱动时箱内的空气压力，对应于图12b及13b中所示箱的响应。图12c清楚示出一种不对称响应，即便驱动及箱为对称。图13c示出以不同方式驱动相同箱所刚导致的很不同压力响应。

在图14中提供以封闭箱所获得的若干换能器速度对频率曲线图。图14a及14b示出在一对称封闭箱匹配的前及后端面(以单极驱动)的响应，其可预料。图14c示出供相同箱的偶极驱动所获得的显著较不均匀，并因而较差的结果。

当然，所有以上结果均仅为计算，但其确实示出使用一在其本身弯回的外壳，以包封一容积所可能的改进。

图15示出对于一其前端面有不同于后端面的刚性的箱，由二换能器，一在前面(示于图15a)，及一在后端面，所驱动(图15b)的速度响应曲线圈。如可看出，前端面的响应有利地不同于后端面。因此，使用不对称可有利在频率增加模态密度。

应注意到，在诸如图5中所显示出有许多端面的装置，与诸如图1中成一种连续曲线形式的装置间具有差异。在端面间的结合32作用如铰链，并且因而谐振弯曲波模式不仅不自一小面行进至次一小面。相反，出现模式的一种较复杂耦合。

其他多面结构也可能。图16至20显示出各种形式，亦即截头正方锥形体，四面体，十二面体，圆柱体及锥体区段。每一此等形式可为开口或封闭；例如圆柱体可有或无端面，及锥体区段可有或无后端面。个别诸端面可单独形成，并且然后予以结合，或诸组端面或甚至整个结构可予以整体形成。

如在WO97/09842号中所讨论，供一种各向同性矩形板的良好纵横比为0.707∶1及0.882至1。也可根据本发明调整外壳的特性，借以使音响装置最佳化，以使在频率的谐振模式的分布最大，并使换能器正确定位在板上，借以提供换能器至模式的良好均匀耦合。

此可使用在各不同分布模式专利申请案中所讨论的技术完成。特别是，使用一种顺序的方法找到最佳纵横比及换能器位置，以提供1999年8月19日，以New Transducer Ltd等的名义发表的WO99/41939号中所说明的尽可能良好的结果。

为了找出供开口箱的适当特性，所实施的第一步骤，将图5中的开口箱中央板的纵横比的变化作成模型。纵横比予以自1改变至2.25，并借有限元分析计算模式的对应频率。模式频率的均方根中央差对纵横比(请见图21)予以描绘。第n模式的模式频率的中央差为第(n+1)模式的频率加第(n-1)模式者，减二倍第n模式的频率。如果诸模式予以均等间隔开，此测量将会等于零。因此，均方根(rms)中央差提供各种纵横比的优点的图。rms中央差愈小愈佳。

自图21可看出，纵横比在1.6与2.2之间获得良好的结果，特别是在1.95与2.05之间获得良好的结果。取纵横比2为一供进一步研究的方便值。

下一阶段为在端面找到最佳化驱动点。就若干驱动点位置作为频率的函数计算速度响应。图22产生三实例，在中心22a，在一扁平分布模式板22b的标准驱动点，及在最佳驱动点22c。诸如此等者的曲线图，其标准偏差予以描绘为在图23中的位置的函数。最佳结果为以黑色所示，具有最小偏差者。请察知板的边缘未示出。此等边缘为不良驱动点。

如检查该图可看出，最佳驱动点出现在四部位，位于沿长边约30％距离，及沿短边的30％距离，以及第一部位绕中央对称轴线所找到的三其他部位，至沿长轴约70％及沿短轴30％，沿各别轴线30％及70％，以及沿各别轴线70％及70％的位置。这些点不同于供一简单矩形的最佳驱动点，其位置在靠近中央在表示为沿侧面距离比的座标约(3/7，4/9)处所出现。

位置为颇容许变化，并且可在沿长边自14％至42％，及沿短边自22％至34％的位置，连同此值的对称点，获得良好的结果。

虽然实施以上计算，而未计及空气的影响，但即使对于真实的装置，其也提供适当纵横比及换能器位置的良好指示。当然，诸如空气耦合或端面的略微各向异性等特色，可使最佳纵横比及驱动位置略微移动。

以上已经说明的实施例是关于扬声器，亦即将电能量转换为声音的装置。本发明的方法同样适用于入射声音能量被换能器转换至电能量的麦克风。

Claims (17)

1.一种音响装置，包含

一实际连续外壳(1)，外壳予以弯曲，以至少部分包围一空气容积(2)，

一换能器，耦合至外壳(1)，其特征在于，所述外壳(1)支持均匀分布的弯曲波模式，所述弯曲波耦合至该容积(2)，以提供耦合谐振模式，使一电信号在换能器中与该耦合模式耦合，因而再耦合至周围声音。

2.如权利要求1所述的音响装置，其中谐振模式跨越外壳。

3.如前述任一权利要求所述的音响装置，其中换能器(3)为一激励器，供激励谐振模式，以使音响装置作用如扬声器。

4.如权利要求1或2所述的音响装置，其中，在外壳上有一孔口(7，9)。

5.如权利要求4所述的音响装置，其中该孔口(9)包括一自外壳伸入容积(2)内的管道。

6.如权利要求1或2所述的音响装置，其中所述外壳包含多个端面(11，13，15，17)。

7.如权利要求6所述的音响装置，其中每一端面(11，13，15，17)有一自然谐振频率，并且自然谐振频率具有不同值。

8.如权利要求7所述的音响装置，其中不同自然谐振频率予以选择致使十至二十最低频率谐振模式为在交错的频率。

9.如权利要求6所述的音响装置，其中外壳包括一前端面(11)，并且前端面有纵横比1.6至2.2。

10.如权利要求6所述的音响装置，其中外壳包括一矩形前端面(11)，并且换能器(3)在自一沿长边的一边自14％至42％，及自一沿短边的一边自22％至34％间的位置，接触前端面。

11.如权利要求6所述的音响装置，其中外壳包括对置的前端面(11)及后端面(17)。

12.如权利要求11所述的音响装置，其中在前端面设置一第一换能器，并在后端面设置一第二换能器(5)。

13.如权利要求12所述的音响装置，其中第一及第二换能器(3，5)予以机械耦合。

14.如权利要求11所述的音响装置，其中一单一换能器(3)予以耦合至前及后端面(11，17)。

15.如权利要求6所述的音响装置，其中外壳(1)为截头正方锥形体。

16.如权利要求6所述的音响装置，其中外壳(1)为四面体。

17.一种驱动音响装置的方法，包含

提供一实际连续外壳(1)，外壳予以弯曲为至少部分包围一空气容积(2)，

提供二换能器(3，5)，二换能器耦合至外壳；

其特征在于，外壳支持弯曲波，致使弯曲波耦合至该容积，以提供耦合谐振模式，以共同电信号同相驱动所述二换能器(3，5)，致使换能器(3，5)驱动外壳及容积的耦合模式成一种单极构形；以及

将声音能量自耦合模式辐射至周围空气。

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