CN1245005A - 杆式定向声辐射器 - Google Patents

Abstract

一种细长形声波辐射器(又称长杆式定向辐射器或杆式发声器)包括一个激励器或振荡发生器(11),此发生器可以直接地或通过选择的匹配器(12)向长杆式机械波导传播机械波运动,因此,机械波可沿波导轴线以波速C_W运动。此机械波引发与波导相连接的转换装置(14)的局部位移,从而将机械波转换成声波辐射信号。如此波导的末端装有一个诸如非反射性阻抗终端的被动或主动式阻抗终端,从而出现局部声波辐射干扰和定向同相声波辐射。输入的阻抗、指向特性、同相范围和辐射效率都可以通过激活点、机械波的波速、波导的长度、位移的幅度、机械声波转换器元件和阻抗终端的特性来调节。封闭的容积可由波导和转换器元件的特性来调节。这种长杆式定向辐射器可以应用于话音和音乐传播、噪音消除的报警或信号设备,也可与此相反作用而应用于定向传声器。

Description

杆式定向声辐射器

本发明所述的最佳实施例涉及一种外形设计呈细长形或杆形的声音发生器，它可以用于从超声频至次声频大范围频谱的辐射。其具体特点包括具有可调节的输入阻抗、可调节的频谱指向性、可调节的频谱等相线平面、可调节的效率和可调节的封闭容积。本发明所述最佳实施例中的所谓细长形定向声辐射器可用于话音、信号和音乐的传输，诸如消除噪声等的防声处理，乐器的放大器和与此相反作用的定向传声器。

普通声音发生器(如电动扬声器、警笛、空气调节装置)通常是以单极子声源在中频和低频范围内进行辐射的。本发明所述***却可以单极子、偶极子、心形或结合的声源在任何要求的指向性条件下工作。这种***能够避免高频时经常出现的不必要的声音集中和分散，而且，与同尺寸的声音发生器相比，辐射声音的波长要小些。

本发明所述***克服了许多现用电动扬声器通常存在的问题。例如，带有线圈和悬挂装置的振动薄膜会形成带有共振的高阻尼的多弹簧装置，这种装置具有非线性的相位响应。应用以往技术的装置的其他不利因素还包括：振动薄膜、线圈和与位移有关的悬挂力的惯性作用，振荡薄膜的作用衰减和薄膜的不必要的部分振荡。这些因素的组合造成了振幅和相位的非线性变化。

普通扬声器的传声效率通常不足5％。由于扬声器作用方法的缘故，它们的设计受到严格的限制。对在中频和低频范围内的大功率声辐射来说，往往出现薄膜正、反两面之间的流体动力短路，这是必须避免的。因此，容纳扬声器振动薄膜的外壳必须要大，即此外壳必须有较大的容积，以确保封闭容积内空气的强度较小，进而确保多弹簧***的共振较小并能进行低频辐射。外壳壁必须重而坚固以免出现振动。此外，外壳应加衬一层阻尼材料，以阻尼外壳容积内空气出现的驻波。

因此，本发明的一个目的是提供一种细长形声音发生器，工作于自超声频至次声频的大范围频谱中，并具有可调节的输入阻抗、可调节的频谱指向性、可调节的频谱等相线平面、可调节的频谱效率和可调节的外壳尺寸。

根据本发明，以上目的通过以下方法实现：提供一种杆式定向辐射器(图1)，它包括一个激励器(11)，该激励器可直接地或通过一个匹配器(12)激励一个长杆式机械波导，使机械波沿波导轴向以频谱速度C_W运动，导致产生局部位移ξ，机械波的如此位移经过机械声转换器元件(14)转换成衰减的局部声辐射。波导的末端装有一个阻抗终端(15)。衰减的局部声辐射的叠加导致综合声辐射的增强，而且，波导的频谱输入阻抗、频谱指向性、频谱等相线平面和频谱效率可以由一个或多个激励点、波速、波导的长度、局部位移、机械声转换器元件和阻抗终端的特性来调节。外壳容积的必要尺寸则取决于波导和转换器元件的特性。本发明的概述

本发明的实施例具有多种物理结构，根据以下所述公式确定的相互关系，确定了一个频谱向量负荷Λ和一个相应的频谱向量位移ξ(以下所有变量若未加具体说明均指频谱变量)。Λ＝{力、动量……}  ξ＝{距离、角度……}相应变量(如力-距离、动量-角度)由频谱阻抗Z来连接，即： $Z=\mathrm{\Λ}/\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}$ 谐波激发时激励器(指示代字为“E”)的频谱功率P_E为：

可作用于长杆式辐射器的有效机械功率(即P_E的实用部分)取决于激励和阻抗。对负荷激励来说，低阻抗较有利；对位移激励来说，高阻抗为宜；对一般激励来说，可以使用所有已知的辐射器或激励器，诸如电动、压电-电动、机械驱动、气动、液压和热驱动的均衡或非均衡激励器，谐振器，机械振动激励器或任何振动装置(发动机表面等)。

根据以下数学关系而制作的下述最基本形式的本发明实施例包括以下主要部件：一个能产生机械波能量的激励器或驱动器(11)，一个细长的波导(13)，多个可将机械波能量转换为作用于四周环境的声输出信号和一些尽可能降低前行波反射的所谓阻抗终端(14)，此外，为确保激励器(11)发出的机械能量有效地传导至波导(13)，还可能需要一个匹配器(12)。如此综合组成结构如图1所示。

从广义上说，本发明就是要提供一种能辐射同相位和指定方向的声学能量的发声器。激励器(11)提供的是机械波传播源，所选用的匹配器(12)连接在激励器和波导之间。长杆式波导(13)用一定材料制作成一定形状，构成一个能传导来自激励器的机械波的传输媒体。本***的核心部件是沿波导配置的多个转换器元件，这些转换器元件与波导机械相连，其结构视以下方面的不同而与波导结构有别：i声学形状；ii材料构成；iii结构取向；iv三维复阻抗或iv以上四方面的任一组合。各转换器元件都有一定声学形状，以利于将来自波导的机械量转换成对向环境媒体的声波输出信号。为了发出单极子声辐射信号，在组合而成的波导中应至少含有一个转换器元件。阻抗终端与波导之间可以传声，阻抗终端的作用是尽量降低沿波导传播的前行波的反射。

取代一个激励器，也可在不同位置点或沿波导轴向连续配置多个激励器。必要时，可使用现有的装置和方法预先矫正激励器发出的信号。如果激励器的输出阻抗和波导的输入阻抗不相匹配，可以使用一个附加的匹配器使两种阻抗相互匹配。如果输入阻抗未加任何附加说明，则说明匹配器与波导的阻抗或未附加匹配器时的波导阻抗是平均的。

匹配器有一个输入阻抗和一个输出阻抗，在传输大功率机械能量时，在负荷激励条件下输入阻抗要小，而在位移激励条件下输入阻抗要大。匹配器的输出阻抗必须与波导的输入阻抗相匹配，如果阻抗匹配的形成没有出现损耗或其他消耗，则可用下式表示(匹配器输出和波导输入均不带指数，即x＝0)： $P_E=\frac{1}{2}{\widehat{\mathrm{\Λ}}}_E\stackrel{\widehat{.}}{\mathrm{\ξ}}E=\frac{1}{2}\widehat{\mathrm{\Λ}}(x=0)\stackrel{\widehat{.}}{\mathrm{\ξ}}(x=0)=P(x=0)$

为了匹配和传导阻抗，可以使用所有已知的硬件技术解决方法(诸如杠杆、指数曲线形喇叭、传动箱、齿轮、曲柄和凸轮装置、液压或气动传动装置、机械网络等机械传动装置)。长杆式波导用来引导激励器和匹配器形成的机械波。

波导用于频谱辐射的有效长度(L)可短于波导的实际长度。机械波(如纵向波、准纵向波、弹性波、横向波、扭力波、弯曲波和这些波的组合波等)沿波导轴的正向(X)以波速C_W运动。针对不同的特性，均匀式和准均匀式波导(坐标X)与分段式和准分段式波导(分为N段，且N≥1，各段长度Li和指数i为恒量或变量)可以下述方法区分：Li＝ LiC_Wi分段式和准分段式

(1)均匀式波导：沿X方向的特性不变(如导线、导带、导管、通管)；

(2)准均匀式波导：不发生突变，但沿X方向的特性逐渐变化(如螺旋体、喇叭、波形体)；

(3)准分段式波导：沿X方向的特性发生突变，但波导为整体结构(如图6所示的截断弹簧式折叠波导)；

(4)分段式波导：波导特性沿波导轴向发生突变，波导由多段组成(如带有附加物的导线、带有备用附加物和弹簧的波导)。

所谓波导特性是指波速、局部阻抗、出口结构和其他已知的材料特性值或参数。分段式波导的每一段可由几个机械部件组成。波导的局部波速可以用纵向波导来计算(其他波导的局部波速可以用类比或相同方式计算)。 $c_W\left(x\right)=\sqrt{E\left(x\right)/\mathrm{\ρ}\left(x\right)}$ 均匀式和准均匀式 $c_{\mathrm{Wi}}=L_i\sqrt{C_i/M_i}$ 分段式和准分段式式中，E(X)为局部频谱弹性模数，ρ(X)为局部密度，Ci为强度，Mi为第i段的质量。非反射式或非限定式纵向波导的局部频谱阻抗可用下式计算(m’是均匀式或准均匀式波导单位长度的质量)：Z(x)＝m′(x)c_W(x)    均匀式或准均匀式 $Z_i=\frac{M_i}{L_i}{c}_{\mathrm{Wi}}$     分段式或准分段式

波导起点的阻抗x＝0是输入阻抗，对于单位长度质量、波速保持恒定不变且配有不需矫正的匹配器的非反射式波导来说，输入阻抗是恒定值。为传输大功率机械能量，单位长度的波导质量和波速要高些。相对局部阻抗的输入阻抗可通过机械声转换器元件的特性、输出阻抗和匹配器的特性来调节。机械波导致出衰减的局部位移ξ(x，t-x/c_W)，衰减时间x/c_W即为机械波以波速开始运动的时间x＝0至运动到达位置点x所经过的时间。

通过同时使用激励器和匹配器，可以将几种波速不同、相互独立的机械波(纵波和横波)引入波导内。机械声波转换器元件将来自波导的局部位移ξ(x，t)转换成局部容积加速度dv(x，t)或作用于大气的局部作用力dF(x，t)。局部容积速度导致局部的单极子辐射或局部作用力的双极子辐射。转换器元件可以制成均匀式或准均匀式和分段式或准分段式，但不一定采取波导相同的制作方式，例如，机械声波转换器元件可以部分或全部地置入波导中。由于可以配用一个或多个转换器元件，以下一个转换器元件的举例即可以代表多个转换的举例。波导和转换器元件可以构成一体，也可以分离，因此，“波导/转换器元件”一语即可以分指波导或转换器元件，也可以指二者组合体。在以类比方法计算作用于大气的作用力

时，考虑以下因素是必要的，只是这里不作细述。均匀式或准均匀式和分段式或准分段式机械声学“王得勒”容积加速度 和

分别为(见图2)： $d\stackrel{\·\·}{V}(x,t)=W(x,\mathrm{\ω},t,\mathrm{\ξ}\left(x\right)){\mathrm{\ξ}}^{\left(n^{\•}\right)\left(m^{\′}\right)}(x,t-x/c_W)\mathrm{dx}$

               均匀式或准均匀式 ${\stackrel{\·\·}{V}}_i\left(t\right)={\stackrel{\·\·}{V}}_{i^{*}+m/2}\left(t\right)=W_i(\mathrm{\ω},t{,\mathrm{\ξ}}_i)\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^j\left[\begin{array}{c}m\\ j\end{array}\right]{\mathrm{\ξ}}_{i^{*}+m-j}^{\left(n^{\•}\right)}(t-x/c_W)$

          分段式或准分段式式中，n是相对时间t的第n个微分值，而m’是相对距离x的第m个微分值。在分段式或准分段式条件下，作为有效分段的第(i*+m/2)分段位于第i和第(i+m)分段之间。转换器元件的序级由W＝m+n决定，相对m的-n则表示的是相对时间t或距离x的积分。频谱局部转换器元件函数W_i(ω，t，ξ)或W(x，ω，t，ξ)则分别表示的是分段式和均匀式转换器元件的局部特性，这些特性确立了上述时间和距离位移的导数与容积加速度之间的比例关系(见图2(a)至(f))。转换器元件函数中所表示的典型特性是局部辐射范围Λ(x)，切口或窗口的宽度B(x)，亦是流体出口速度Ca(x，ξ，t)(恒定不变或与时间有关)，分段长度Li，杠杆传导或用来将位移转换成容积加速度的机械网络的频率响应，相反符号(如各组件沿X方向排列但顺序相反)。转换器元件函数也取决于位移ξ(如取决于位移的出口速度)，或时间t(如转换器元件特性的低频调制，或受控于激励器的时间)，或主动受控(如前馈或后馈控制信号)。相对于距离和时间的微分也是可以相互转换的。

单一转换器元件不起振荡***的作用，但可以像波导那样移动并具备正常衰减，实际传导所有机械功率。为避免流体短路，也许有必要在转换器元件四周作一个小外壳。

波导利用封闭气体的强度作为某一分段的附加或总体强度(见图2e)，而波导本身却不一定有一个固定的外壳(见图2e)。当波导的阻抗很小时(低质量、低惯性或低强度)，转换器元件外壳的强度对机械波的传播有一定影响，如果外壳的强度远远高于波导的强度，就会出现损耗波的传播。这种情况可用来以低频传输更大的机械功率，因为在传播消耗波时，波导阻抗会增大，这就是说，增大波导阻抗就可以避免这种情况的发生。为了利于正在进行的计算，***中的阻抗终端通常是非反射性的，因此，机械波只沿正X方向运动。

有关阻抗终端的详情后文叙述。最终产生于自由空间(远场)的视角度θ而定的距离r的声压，可通过对沿波导和转换器元件组合体的局部容积速度(假定为谐波激励)的积分来计算，如下式所示： ${\mathrm{\ξ}}^{\left(1^{\′}\right)}(x,t-x/c_W)=-\frac{{\mathrm{\ξ}}^{(1\•)}(x,t-x/c_W)}{c_W}$ ${\mathrm{\Δ\ξ}}_i(t-x_i/c_W)=-\frac{{\mathrm{\ξ}}^{(1\•)}(x_i,t-x_i/c_W)}{c_W}\mathrm{\Δx}$

当大气密度为ρ₀时，在不考虑阻尼的条件下，自由空间中的最大声压为：

相对激励的频率响应函数的声压与下述公式成正比：

负荷激励

位移激励通过对激励信号的预先矫正(如积分或微分)或由于激励器、波导或转换器元件的频率响应，就可以实现激励与声压之间的任何频率响应。像在均匀式波导所做的那样，对分段式波导也可以推导出以下表达式。为便于描述声波辐射，将转换器元件函数确定为一个恒定值，而转换器元件函数为变量的声波辐射则可以类比方式推导出来。当频谱阻尼为β₀时，因声波辐射和消耗而导致的位移幅度的下降ξ(x，t)可以表示为： $\widehat{\mathrm{\ξ}}\left(x\right)=\widehat{\mathrm{\ξ}}(x=0)e^{-\mathrm{\βx}}$ 当函数为γ时(“+”、“-”符号分别表示前行波和后行波)，在进行了积分(波数k＝ω/C_O)之后，即出现声压。有效声波辐射则相应于波导长度和波速二者的结合而出现。波导较短时(L＜＜λ)，即便是波速低(C_W＜C_O)，也可以形成有效声波辐射。指向性特性(Γ)为： $p(r,\mathrm{\θ},t)={\hat{p}}_{\max }\left(r\right)\frac{\sin \left({\mathrm{\γ}}_{+}\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{{\mathrm{\γ}}_{+}\left(\mathrm{\θ}\right)}{e}^{j{\mathrm{\γ}}_{+}\left(\mathrm{\θ}\right)}{e}^{\mathrm{j\ωt}-\mathrm{kr}}$ 指向性特性可以通过激励的位置或位段，波速的选择，波导的几何形状，波导的长度L，局部容积加速度，相应于确定的转换器元件函数的局部声波辐射和激励器、匹配器、波导及转换器元件所决定的频率来调节。根据各波导的长度L，各相关波速C_W、心形或单极子辐射特性以及其他特性可通过调节其他参数来达到。即便是波导长度非常小时(L＜λ/2)，在波导中部x＝L/2附加一个单极子辐射源，如波导和转换器元件组合体或转换器元件或普通的发声器，也可以得到心形或其他指向性辐射。在这种情况下，指向特性为： $\mathrm{\Γ}(\mathrm{\θ},L)=|\frac{\sin \left({\mathrm{\γ}}_{+}\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{{\mathrm{\γ}}_{+}\left(\mathrm{\θ}\right)}+R_M|$ 其中的系数R_M表示的是长杆式辐射器和附加的单极子辐射源(指数M)的最大振幅与它们的相位差φ_M的关系： $R_M=\hat{p}M\left(r\right)/{\hat{p}}_{\max }\left(r\right)e^{\mathrm{j\φM}}.$ 例如，当L＝0.1λ，C_W＝C_O和R_M＝0.9355e^jπ时，最终得到的声压级为23.8dB，小于长杆式辐射器的声压，就会形成心形指向性。当波速高于大气中的声速时，长杆式辐射器的最大辐射(主波束)并不沿0°方向辐射，而是沿与波导轴线成所谓“Mach”角度θ_Ma的方向辐射： ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ma}}=\arccos \left(\frac{c_O}{c_W}\right)$ 此公式对L^→∞是完全成立的，对短波导来说，只是概略的估计。根据指向特性可以计算出精确的角度。当L＝λ，C_W＝2C_O时，在与波导轴线成60°和300°Mach角度条件下，即可得到最大幅度的辐射。当CW^→∞时，长杆式辐射器以同相辐射(“Schallzeile”)，主波束相对波导轴线分别成90°和270°角。注意，波导在这种条件下的波速值不可能是无限大的。在大频率范围中，如果波导或转换器元件具备依附于频率的特性，也可以取得相同的指向特性，因此，对所有频率来说，都可以实现λ/L＝const(恒定值)式中，L为波导有效频谱辐射的长度。以下所述的波导长度L都是指波导有效频谱辐射的长度，它可短于波导的总长度。分段式或准分段式波导的频率较宽fg，它取决于分段的长度L(在此频率以上不存在沿波导运动的机械波)，可用下式表示： $f_g=\frac{c_W}{\mathrm{\π}{L}_i}$ 如此结果可以用来实现与频率无关的指向特性，例如，变化各分段的长度或沿波导轴线上排列的转换器元件的其他特性。在波导和转换器元件组合体中***低通(如缓冲器)、高通或带通滤波器，或对波导和转换器元件组合体施以局部频谱阻尼，也可以实现与频率无关的指向特性。波导的有效辐射长度可起于波导的任何一点(例如，只在波导一端的一个局部才以高频辐射)。前行波与后行波的关系Γ_0/180是：

等相线平面或曲率则以以下式计算(由于对称性，半径取决于θ)： $r\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{L}{2}(\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{c_O}{c_W})+\frac{\mathrm{\φ}}{k}$ 式中，φ为相位角。由于括弧内各项与频率无关，所以长杆式辐射器可以在所有频率、任何波速和波导长度的条件下实施同相辐射。等相线平面(即弧线和弧线中点)可用波导的长度和形状、转换器元件的特性和波速来调节，即便是在辐射过程中也能进行调节。

有效辐射长度非常短的波导的等相线平面类似球体的圆周面(自由场)，对某些长杆式辐射器来说，将若干声场叠加一起便可以形成任一等相线平面，因此，只要再生出噪声源的等相线平面，就可以从相对于噪声源成一定角度的长杆式辐射器的任何位置消除噪声源的噪声。以上公式和方法对分段式或准分段式波导也同样适用。在单维情况下(导管的横截面积为S)，长杆式辐射器的声压为：

忽略不计阻尼且容积速度为固定值的最大声压为：当函数为：则均匀式或准均匀式波导的声压可示为： $p(r,t)={\hat{p}}_{\max }\frac{\sin \left({\mathrm{\γ}}^{\′}\left(r\right)\right)}{{\mathrm{\γ}}^{\′}\left(r\right)}{e}^{j{\mathrm{\γ}}^{\′}\left(r\right)}{e}^{\mathrm{j\ωt}-\mathrm{kr}}$

以上公式以类比方法同样适用于分段式或准分段式波导和转换器元件。前行波与后行波关系式Γ_0/180可类比于自由场条件(只对γ’而不对γ)。长杆式辐射器在导管内进行同相辐射，在单维条件下对激励的频率响应声压是： $r\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{L}{2}(\mathrm{sign}\left(r\right)-\frac{c_O}{c_W})+\frac{\mathrm{\φ}}{k}$ $\frac{p}{\mathrm{\Λ}}-{\mathrm{\ω}}^{w-2}\mathrm{bzw}.\frac{p}{\mathrm{\Λ}}-{\mathrm{\ω}}^{w-1}$ 相线平面公式可类比于自由场条件： $r\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{L}{2}(\mathrm{sign}\left(r\right)-\frac{c_O}{c_W})+\frac{\mathrm{\φ}}{k}$

在导管内，可用波速和波导长度来控制相位。当机械波到达波导的尾端(x＝L)时，若机械能量尚未全部转变为声波辐射或消耗殆尽，波导就要被一个主动或被动式阻抗终端封堵，阻抗终端要与波导的阻抗相匹配：

Z(x＝L)＝Z_A如果机械能量已全部转变为声波辐射或消耗殆尽，则不再需要阻抗终端。反射波和驻波也可用来调节辐射的指向特性、等相线平面和声压幅度，因此，必须针对波导的激励方式调节反射波的幅度和相位。

机械波的反射是由于阻抗终端的阻抗不匹配而引发的：

Z(x＝L)≠Z_A

主动式阻抗终端可以形成任何阻抗，而且可以用作效率倍增器，还可用作第2个激励器(必要时可配以匹配器以变换阻抗)，这时，第一个激励器产生的机械波沿X方向前行(用forward注示)，而第二个激励器产生的机械波沿X方向后行(用backward注示)，各激励器将反射和阻尼另一个激励器所产生的机械波。通过这种同时的定向声波辐射，可以产生第二个定向声波信号。在自由场和同时具备前行波与后行波的情况下，声场叠加的声压导致(谐波激励)：Pres(r，θ，t)＝Pforward(r，θ，t)+Pbackward(r，θ，t)

式中，含有远场声压幅度的幅度关系和相位差φ_backward的复式指向性系数R_backward确定为 $R_{\mathrm{backward}}=\left(\frac{{\hat{P}}_{\mathrm{backward}}}{{\hat{P}}_{\mathrm{forward}}}\right)e^{\mathrm{j\φbackward}}$ 指向性系数对指向特性的作用可用下式表示：F_res(θ，L)＝|Γ_forward(θ，L)+R_backwardΓ_backward(θ，L)对短波导(如 )来说，单极子、偶极子或心形辐射的指向特性可通过根据图3所示数值修正R_backward来实现。在单维条件下，任何长度和低波速的波导都可以形成无方向性的同相辐射。在自由场同时具备前行波和后行波的情况下，可以单一前行波时的类比方式对等相线平面进行调节。

长杆式定向辐射器的声效率可用波导的局部阻抗、波导和转换器元件组合体的特性和阻抗终端的特性来调节。对各分段来说，声功率可用下式计算(设各单位长度的辐射阻抗为Z’ak)：

dPak(x)＝1/2Z’ak(x)ξ²

设空气密度为p₀，则因局部消耗而损失的声功率为(单位长度的消耗阻抗为Z’v)：

dPv(x)＝1/2Z’v(x)ξ²

假定位移速度ξ不变，消耗阻力Re(Z’ak)和Re(Z’v)也不变，在波导长度L^*中全部机械功率将转换成声功率和消耗功率，则L^*为： $L^{*}=\frac{\mathrm{Re}\left(Z(x=0)\right)}{\mathrm{Re}\left({Z^{\′}}_{\mathrm{ak}}\right)+\mathrm{Re}\left({Z^{\′}}_V\right))}$

由于位移速度是被假定为不变的，所以从x＝0到x＝L^*长度的波导的阻力呈线性下降：Re(Z(x))＝Re(Z(x＝0))(1-x/L^*)

声效率η即为： $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{Re}\left(P_{\mathrm{ak}}\right)}{\mathrm{Re}\left(P_E\right)}=\frac{\mathrm{Re}\left(Z^{\′}\mathrm{ak}\right)L^{*}}{\mathrm{Re}\left(Z\right)}$

如果因消耗而损失的功率低于因声波辐射而损失的功率(即dPak＜＜dPv)，而且长杆式辐射器的长度为L^*，则声效率η接近于1。这些考虑也同样适用于类似的分段式或准分段式波导和转换器元件组合体。

长杆式定向辐射器可应用于气态、液态和固态介质之中，而且，这种长杆式辐射器还有其他辅助用途(如用作支架装置或液体导管)。由于这种长杆式定向辐射器结构轻小，所以适于在小的空间或小的封闭容器内进行声波辐射(即以声波清洁空间)，在非常靠近某结构的地点或在房角处产生声音，是主动消除噪声的重要方法。为了用声波达到清洁的目的，长杆式辐射器可应用于带有小孔的细管和封闭容器之中。其他用途还包括制造工艺(如粒子工艺技术)、声测定位和大输出功率的超声应用。

在相反作用方式中，长杆式辐射器可用作定向传声器或振动探测器，即波导将接收来自四周大气中的声波或机械波，然后激励器将用作振动探测器，发出基于导致波导位移的转换器元件声负荷的电压和电流。从附图可以清楚看出，诸如静电、电磁或压电转换器元件等任何普通探测器都可以用作本***的探测器。

参照附图阅读下述各实施例的说明，可以清晰了解本发明的其他目的和内容。

附图的简要说明

图1是一种长杆式辐射器的侧视平面图。

图2中的表格以图解方式综合显示了均匀式和分解式波导的容积速度与位移的关系。

图3以表格方式综合介绍了长杆式辐射器指向特性的示例，这种长杆式辐射器带有主动式阻抗终端，波导长度为L＝□/3，并且有单极子、偶极子和心形辐射特点。

图4为包括有喇叭式匹配器、纵向波导、活塞和方形缓冲器的分段式长杆辐射器的一种实施例的剖面图。

图5为一种分段式长杆辐射器实施例的剖面图，这种辐射器包括有纵向波导、折板、带有可增大容积速度的杠杆效应的圆盘和作为阻尼终端的粘滞阻尼器。

图6为包括有机械振动激励器、长切口和弹簧分段的准分段式长杆辐射器的一种实施例的剖面图。

图7为使用振动壁作激励器、横向波导和横向配置的方形缓冲器的均匀式长杆辐射器的剖面图。

图8为以阻尼楔作为阻抗终端的均匀式液压准纵向波导的示意图。

图9为用非均衡旋转驱动器所激励并配用气动支撑转换器元件和摩擦阻尼器的准均匀式长杆辐射器示意图。

图10为用旋转轴作波导的准均匀式气动支撑长杆式辐射器示意图。

图11为一种分段式长杆辐射器，其中包括压电激励器，以片簧转换器元件或弯曲转换器元件组成的透镜作为波导和转换器元件组合体以及调节装置。

图12为使用扭力波导的均匀式长杆辐射器的示意图。

图12A是沿图12所示A-A线截断后的局部图。

图13是采用极化激励和阻尼的长杆式辐射器示意图。

图14为带有长度补偿和频率响应的组合式长杆辐射器的示意图。

图15为采用环形结构的长杆式辐射器示意图。

图16为采用分叉式波导的长杆式辐射器示意图。

图17是位于折叠状外壳中并配用楔形缓冲器和穿孔喇叭的长杆式辐射器局部示意图。

图18是在不同距离上具有不变声压级的声增强式长杆辐射器示意图。

图19是配有电动激励器和转换器元件的长杆式辐射器示意图。

图20是多个辐射器的阵列排列图。

图21是以语音作激励器、空气作波导并配以楔形缓冲器的长杆式辐射器示意图。

图22是使用升降磁铁作为激励器、喇叭作为阻抗终端的高声压级长杆式辐射器的示意图。

下列术语和部件代号适用于所有附图(需将各图编号代入“x”)：x0：长杆式辐射器；x1：激励器，x2：匹配器；x3：波导；x4：转换器元件；x5：阻抗终端；x6和x7：其他专示部件，如外壳等。换句话说，图15和图16中的波导部分分别示为153和163。在介绍单一附图时，只在首次出现的部件上注有代号。

最佳实施例详述

本发明的基本意图是提供一种方法和机械设备，以有效地传导发自激励器或能源的机械振动，并将机械振动传导至一个波导中，波导包括由可将机械能作用于空气、液体或固体的声波转换器元件所组成的一个机械机构。这种组合机构如图1所示，它包括一个启动器或激励器(11)，一个匹配器(12)，一个含有多个转换器元件装置(图中未显示)的波导(13)和一个终端装置(图中未显示)，此终端装置用来控制穿过波导及其附属的转换器元件装置的振动能量。

激励器(11)可以是任何一种振动器、振荡器或其他可产生机械波能量的能源，包括压电换能器、静电和磁力发生器、机械振动器等。这种激励器的一个重要标准是它可以产生机械能量，而如此机械能量可通过一个匹配器传导到一个波导中。此匹配器中有一个喇叭或其他中介体，用于在激励器和波导之间有效传导振动能量。图1所示的喇叭中介体，其半径逐渐增大并与波导(13)合为一体。

从以下示例说明中可以发现，波导与转换器元件相互配合，使振动能量沿一定材料制品运动一定长度，便可以将来自波导的机械能量有效导入与大气或四周环境相接触的声波转换器元件或局部声波转换器元件之中。波导通常使用金属或其他具有良好振动传导性能的材料制作。一般来说，波导的质量和外形应利于传导机械能量，但不能将大部分机械能量转换成声音，之所以出现这种能量传导优先于产生声波输出信号的情况，是因为波导的外形不适于与空气有效接触，使充足容积的空气产生位移进而形成声学响应，波导的作用只是将能量传导至可以识别的转换器元件中，由转换器元件实施能量转换的重要功能。从理论上说，本发明提供了介助波导内小范围运动的机械能量转换方法，即将这种小范围运动协调地转换成组成转换器元件的其他表面的位移。这已证明可以研制出一种极为高效的扬声器***，它能以很低的能量消耗而产生声音输出信号。

这种转换器元件构成了接受来自波导的机械能量的机械部件，而且由于它的表面面积较大，增大了与空气的接触面，所以机构能量被转换成辐射的声音。这里公布的一些实施例的具体结构可以形成高度定向性声音，这是以往那些直接产生低、中频声音的扬声器所不能达到的。不仅如此，从实际转换成声音输出信号的机械能量所占的百分比来看，图中所示结构还提高了能量的使用率。

熟知本项技术的人员都会明白，本发明的关键点是可与波导融为一体或与波导相互连接的声波转换器元件。根据上述数码编号规定，各转换器元件均以附图序号和基数4相结合的数码来表示，即图4～8中的转换器元件分别用44、54、64、74、84表示，这种标注方法同样适用于上述其他装置，如激励器用41、51、61、71、81表示，匹配器用42、52、62、72、82表示，波导用43、53、63、73、83表示，终端装置用45、55、65、75、85表示。所有实施例和附图中标注数码的相互关系是一致的，为了便于判定，对反复叙述的装置赋予了具体性标示码(42)和一般性标示码(x2)。一般标示码中，“x”表示相应于各实施例中的所有附图编号，“2”则表示各相关的部件或装置(即匹配器)。因此，用(10，x0)所标注的发声器或长杆式辐射器，即是指图1所示的发声器，同时也是指所有其他附图中的相应的发声器。

例如，在图1中，激励器(11，x1)通过一个匹配器(12，x2)将机械能量导入波导(13，x3)，机械波沿波导运动并导致局部位移，此位移经与波导单独连接或融为一体的机械声转换器元件(14，x4)转换成声压。波导的一端装有一个主动或被动式阻抗终端(15，x5)。涉及位移、阻抗及波导或转换器元件其他特性时使用的“局部”一词，指的是某一小部分的特性(即波导或转换器元件坐标点x或第i分段的特性)。局部位移可以是波导最小分段或面积的位移，在这个最小面积中，波导的物理特性会因变化而生成理想的声学响应。

图1是辐射器各部件的一般示意图，其余各图则显示的是各具体的实施例，主要强调各种转换器元件结构的可能变化和各种波导的构成。例如，图2显示的是转换器元件的等级W相对波导(x3)和转换器元件(x4)的各种可能组合的关系，并用下述能源术语和转换器元件函数给出了相应于容积行程的容积速度。这里还列举了分段式和均匀式波导与转换器元件组合体的示例，其中的(b)项和(d)项显示的是以前的均匀式波导的相互关系，最后一栏中的公式则给出了分段式或准分段式波导与转换器元件组合体的局部容积加速度dv或Vi。现将波导和转换器元件的多种结合方法介绍如下。

(a)位于带有多个开口的导管(24a)(此导管又是压力导管的一部分)之上的带有多个开口的分段式波导(23a)的纵向位移，导致各顶上开口横截面发生变化。转换器元件(24)是由两个因波导向导管转换器元件的相对运动而形成的活动开口结合而成的。由于导管(24a)中的压力与大气气压存在压差，所以形成了以出口速度(ca)流动的气流。

(b)均匀式波导(23b)的横向位移使导管(24b)的长切口发生变化，气流将以类似(a)的方式穿过变化的切口。

(c)波导(23c)由多块介助弹簧相连接的各表面面积为Λ的一系列隔板组成，波导的这些隔板由转换器元件外壳(24c)封闭，以避免流体短路(没有转换器元件外壳时将出现偶极子辐射)。弹簧穿过隔音孔而从转换器元件外壳的反面伸出。由于隔板的位移导致容积的位移。机械弹簧的强度和封闭气体的强度构成了整个***的总强度。例如，如果用钢丝制作弹簧，那么弹簧的强度就比封闭气体的强度大得多。转换器元件外壳的容积可以缩小到最低限度，以至可视为只是活塞的位移。隔板可以十分坚硬，可以用金属板材等硬质材料制作。为了调节波导的波速和波导的局部阻抗，可以变化隔板或活塞的重量、各分段导线的重量、各分段的长度、导线的横截面积、导线的密度和弹性系数。

(d)均匀式波导和转换器元件(23d，24d)包括有一块宽度为B的软箔片，横向波沿此软箔片运动，均匀式波导和转换器元件(23d，24d)的位移导致容积的位移。

(e)分段式波导和转换器元件(23d，24d)包括有局部面积为Λ的若干隔板或活塞，它们通过右侧的一条固定杆与转换器元件外壳相连，活塞还通过左侧的弹簧与下一个转换器元件外壳相连，容积的位移与两个相邻部件的位移成正比。此外，可以仅仅使用气体的压力强度而无需附加弹簧，因此，气体的封闭容积可以大大缩小。从容积加速度公式可以看出，本实施例尤其适用于超声波能量。

(f)图中显示了准纵向波沿均匀式波导和转换器元件(23f，24f)运动的情况。由于是相邻两部分的垂直位移，导致了相应于泊松比的横向收敛和扩张，而某一部分的横向位移dx与波导(A)截面和泊松比相乘，便可得出容积的位移。这种波导不需要声波辐射外壳。

(g)这一小节给出了适用于以上举例((a)-(f))的一般公式，这些公式可用来计算均匀式或准均匀式、分段式或准分段式波导容积加速度的局部变化。

图3所示表格显示在波导有效辐射长度L＝0.3λ和速度C_W＝C_O条件下长杆式辐射器(x0)的指向特性，其中的主动式阻抗终端(x5)又作为第二激励器。既显示了前行波(Γ_forward(θ))和后行波(Γ_back(θ))的指向特性，又显示了前后辐射波叠加部分(Γ_res(θ))的指向特性。根据定向性系数R，便可以得到单极子或偶极子或心形辐射。

图4所示为一个使用电动激励器(41)的长杆式辐射器，该激励器通过一个喇叭匹配器(42)连接到分段式纵向波导(43)上。此波导由一条长杆或导线组成，长杆和导线上配有活塞、隔板或薄膜(以下统称“活塞”)用以固定转换器元件(44)。波导的位移将导致活塞的位移从而出现容积的位移。为避免活塞前、后面之间出现声学短路，各活塞采用柔性固定并紧紧抵在导管壁(46a)上，后端由坚固的固定板(46b)封闭，固定板上有开口用以通过波导，此开口是密封的，又作为压力补偿开口。如果气体的强度比波导的强度小，则固定板和活塞之间的密封容积可以很小，如果活塞后面的封闭容积非常小，即可以使用气体的强度。封闭的容积内可充填胶皮或类似的材料制品。在本实施例中，活塞又是波导(43)的一部分，因为它的质量、强度和阻尼功能会影响波速。声音通过活塞前面的开口(46c)而离开导管(46a)，活塞、固定板和开口可以作成声学网络或一体式声学网络以增大声波辐射，活塞或固定板或导管内的补偿开口也可用作声学网络。

因辐射阻尼和消耗而导致的运动机械波位移量下降，可用波导的特性来补偿，而波导的特性则视距离x和随距离x而变化的转换器元件函数有所不同，例如，随波导呈指数或线性下降的阻抗和辐射面积的增大而有所不同。波导的阻抗终端是一个方形缓冲器(45)，它由几层不同强度、阻尼性能和惯性的材料组成。为实现与频率无关的指向特性，可以使用上述方法，为此，还可以对活塞前面的封闭容积和开口进行一番设计，例如，开口的大小不同，开口上的薄膜多少不同，开口或其他声学网络前的导管长度不同等。

开口必须尽量小一些，并部分或全部地用箔片或格网罩住，并避开灰尘、水，防止受损或遭到机械、环境、化学作用的影响或用于其他目的。整个长杆式辐射器或它的每个组成部件可通过气流或水流冲洗并与热源保持一定距离。为便于导管内的直接辐射，可将长杆式辐射器置入导管或部分导管中或固定在导管附近，以使声音通过开口或附加的连接管直接辐射出去。

图5所示的分段式波导和转换器元件(53)由弹性护帽或护板(53a)、中间固定环(53b)、中间固定杆(53c)组成，由于单块板一侧的中间固定杆的压力和另一侧中间固定环的反作用压力的作用，该板发生弯曲。由于杠杆原理，该板外缘的位移大于该板中段的位移。每两块相邻板中间用环定环分隔，但由一个作为转换器元件(54)的底端橡胶制品相连接。因相邻两板位移的不同而造成的弯曲位移，改变了两板封闭的中间容积的大小。这种波导的末端用一个粘滞阻尼器作为阻抗终端。因为这种波导使用的是弯曲弹簧，其一端有可能形成较大位移，而由于弯曲弹簧的位移较小，因而这些弹簧的作用成线性。

图6所示为作为机械振动激励器的激励器(61)，由一个本体和一个弹簧组成，而准分段式波导(63)由一个切口弹簧组成。由于切口的存在，波速有所下降。如转换器元件(64)一样，这些切口也可以用箔片覆盖或者填入软泡沫橡胶。由于相邻切口的位移不同，被封闭的容积大小发生变化从而形成声辐射。阻抗终端(65)是一个消耗因数较大的喇叭。由于结构简单(只有一个部件)，所以这种切口弹簧异常坚固，容易加工成理想尺寸并易于反复环绕。

图7所示为用作振动源的激励器(71)，如振动壁或振动面。匹配器(72)包括机械弹簧组、本体和阻尼器，用来扩大振动源和长杆式辐射器所辐射的声信号之间的相对相位。匹配器可以改变激励方式(从纵向运动变为横向运动)。用这种匹配器可以激励两个带有隔板或箔片的均匀式波导与转换器元件(73)。根据波导和转换器元件的抗弯强度，横向波或弯曲波将沿波导运动。由于阻抗终端(76)使用了横向配置的方形缓冲器，所以两个波导相互阻尼。两个波导之间封闭的容积充满了吸能材料或高声速气体(如氦气)，所以可以避免因内部辐射、驻波或波导的相互激励而产生的声学反应。

图8所示是含有一个活塞的匹配器(82)。这种均匀式准纵向波导和转换器元件分别是一个管子或一个软导管，内中充满液体。当受到活塞的激励时，准纵向波波导和转换器元件运动，同时，因液体体积保持恒定不变，所以管子表面膨胀，引发容积位移进而形成声波辐射信号。波速可通过管子的厚度、内横截面面积、制作材料、内部压力、液体中的气体含量及液体密度的变化来调节。阻抗终端(85)是一个□/4的缓冲楔，装在波导的尾端并对准激励器(819)。在类似的阻抗终端里，波导也可以使机械波运动的方向拐弯。

图9所示为配用非均衡式激励器(91)的长杆式辐射器，它需要以气压动力提供压缩气体，匹配器(92)通过长缺口(93)激励准均匀式波导，并向转换器元件供应压缩气体(94)。基于长缺口的相对位移，空气将穿过转换器元件和波导的开口向外运动，空气的出口速度将取决于位移的大小、时间的长短和内压的大小。阻抗终端(95)包括一个摩擦阻尼器。压缩气体的泄出与第二级能量的释放相一致，还可以释放机械、液压、热能或其他能量。对大功率声波辐射来说，还可以使用膨胀的可燃气流或水流。

图10所示是一个扭力激励器(101)，用于激励作为准均匀式波导(103)的均匀式螺旋长切口转子。由于转子的旋转，螺旋长切口作为机械波以波速C_W沿波导轴线运动。位于转子之下的带有外壳(104)的转换器元件有一个长开口，转子的旋转导致位移并调节波导和转换器元件的通用开口。此波导有一个由轴承固定的阻抗终端。除转子以外，还可以使用诸如活塞驱动、凸轮驱动、链条驱动、齿轮驱动、旋转驱动等装置。

图11所示为由弯曲部件组成的分段式波导(113)，其中，压电启动器(111)作为固定于各分段之内或附近的激励器。波导可由单个或多个启动器激励，启动器可以在一个或多个局部中同时或滞后工作。由于由多个启动器激励，只需使用低功率便可驱动波导。

激励器还可用于其他目的，如在波导尾端阻尼机械波，调节波速(在高电压情况下波导变得更坚硬时)。激励器可以在波导的两端或中部位置激励波导，可使用位移的反馈或前馈电路或波速或加速度来调节单一分段的阻抗，使用框架和松紧装置(116)来调节波速或波导的长度。如果机械波到达波导的尾端，则机械波将沿作为另一个波导和转换器元件的框架装置返回到主波导的起点，被激励器吸收或消除。作为定向传声器的压电启动器可以同时记录第二级声压，因而可以不使用附加的传声器进行消声。

图12所示为通过喇叭匹配器(122)激励均匀式扭力波导(123)的扭力激励器(121)，利用机械网络(如杠杆)时还可以使用纵向激励器。作为转换器元件使用的扭力波导安装有翼(124a)，该翼的一侧附有泡沫橡胶(124b)和薄板(124c)，为的是避免流体短路。为了同样目的，扭力波导也可以罩以外壳。这种波导上设有由喇叭匹配器(125a)和激励器(125b)组成的主动式阻抗终端。第二个激励器也能激励波导，两个激励器可以同时激励并构成任何理想的阻抗终端。通过这种方式便可取得图3所示的指向特性。

图13所示的两个激励器(131，131a)，通过各自的匹配器(132，132a)与波导和转换器元件(133，134)相连接，但相互独立并在不同的位置上。使用这两种不同的机械波，纵、横向波或极化波沿波导轴线运动。这种激励装置也可以用作阻抗终端(135，135a)。

图14所示为一种具有长度补偿、移相和变频能力的匹配器(142)，它可以同时激励4个波导(144)。4个波导以这样方式排列定位：各波导的中心(L/2)均在所标记的垂直线的中心，再调节长度的差异和匹配器的附加移相，使所有波导可以同相地在垂直线处作用，因而所有波导可以同相地在远场辐射。如果所有波导以相同频率驱动，通过赋予切比雪夫加权或其他已知的声压、振幅或相位或各波导之间的距离的加权，或通过波导在空间的定位与定向，则根据“屏蔽转换器元件阵列理论bzw波束的形成”，在主、副瓣声压比例较高时即可以得到更好的指向特性。

图15所示为带有波导和转换器元件(153，154)的圆形长杆式辐射器(150)，其指向特性取决于圆形角(α)。波速较高时，波导像双活塞那样辐射。如果圆形的横截面直径小于波长，则出现近似单极子辐射。波导/转换器元件还可以制成平面形状或特殊的螺旋形状(轴线与纸面垂直)，螺旋形状能传导相应于直径的波速和螺旋的坡度。这种长杆式辐射器还具备简单的波形。圆形或螺旋形或其他形状的长杆式辐射器还可以装配到旋转部件(如车轮、发动机)上或用作房顶扬扬声器。

图61所示的波导和转换器元件(163，164)分开成两个波导和转换器元件。如果将大量波导和辐射器配置成辐射状，即可得到理想的单极子辐射。从理论上说，波导与转换器元件的每一点都可作为附加波导的起点。

图17所示为置入导管或其他外壳内的长杆式辐射器(170)，其中，外壳对指向特性具有很大作用。如果长杆式辐射器整体及其阻抗终端都在导管之内，即可以得到理想的单极子辐射。导管也可以较短或有两个开口或只能保护波导的一部分。为了将长杆式辐射器装入一个外壳，也可将此辐射器以任意角度折叠或弯曲(例如，若波导的两端被固定在一块平板的同一侧，可取180°的折角)。所有已知的具有抗力性或反应性的部件，如亥姆霍兹谐振器、λ/4谐振器、声学透镜、抛物面反射镜、声学环、声学板或空心锥体或导叶，都可以配置在波导和转换器元件上。图中所示的外壳中的波导是折叠式的，为使声音离开外壳，导管的截面大于波导和转换器元件的截面。为使导管的阻抗与外界空气相适应，使用了一个声学喇叭(176b)，此喇叭越靠近外界空气的部位上有数量趋于增多的小孔(只从切面上可以看到)，用于防止反射。为防止产生驻波，导管或外壳用一个楔形缓冲器作为终端。为取得更好的指向特性，波导和转换器元件的一部分伸出外壳的开口。外壳还可具备其他用途，如用作房间装饰品，这时，其结构外形犹如家具、灯饰和壁挂品。波导和转换器元件还可以置入其他物体中或采取柔性结构(如软管)。

图18所示为安装在房顶或长杆上的、与房间的垂直线成一定角度(a)的活动型长杆式辐射器(180)，这种结构的最大优点是可以对传播的声音进行方向控制，由于它的指向特性和可调整的角度(a)，可以实现大范围内理想的(如相同的)声压等级(例如火车站站台、露天运动场、音乐会会场和群众集会场)。如果将这种长杆式辐射器悬挂在墙上或墙角(如图所示)，可合理利用指向特性或避免声反射，也可用已知的声学方法避免声反射。

图19所示的长杆式辐射器(190)使用薄膜作为转换器元件(191)，此转换器元件位于波导的起端，具***置为x＝0。薄膜的位移即相当于波导的位移。***的输入阻抗是恒定不变的，不存在截止频率，而且可以全频率进行同相位辐射。此外，此薄膜可用一外壳(196)封闭，以避免流体短路。由于波导没有下限截止频率，所以封闭的容积可以小一些。利用一种非线性频率特性将波导与以往使用的振荡发声器相连接(如电动扬声器)，也可以形成图19所述的响应效果。如果使用的是准分段式或分段式波导，就可通过截止频率或机械网络在带有近似线性相位响应(低通)的高频范围中切断频率响应。通过使用一个带匹配器的机械网络(如一个本体)，也可以得到一个下限截止频率(高通)，并会影响波幅响应的梯度。以上措施已取代了已知的变相电动和电子装置。

图20显示的是长杆式辐射器(200a、b、c、d)的阵列排列。采用十字形交叉的长杆式辐射器(200a，200b)，可以得到四向性或非常好的指向性。采用平行排列或将各辐射器相互成角度a排列(200c，200d)，可以得到类似同相线列那样好的指向特性(主瓣很窄)。如果采取一接一的排列方式(200a，200c)，并在相应于大气中声速的一个延迟时间后启动，将增大波导的有效辐射长度，并可实现低频定向辐射。采取在指定角度范围内三个辐射器相互垂直的排列方法，便可得到任何需要的指向特性和等相线平面。对立体声音响设备来说，最少要有两个向不同方向辐射的相互独立的波导，其中，从四壁反射的回声到达听众的双耳从而形成立体声效果。

图21所示为定向对话中使用的长杆式辐射器(210)，激励器(211)就是人的口腔，送话口即作为匹配器(212)。或者，也可以使用一个激励器，以电动方式增强话音信号。波导(213)包含有用外壳(216)封闭的空气。声波沿波导运动，激励置入外壳的并作为转换器元件(214)的薄膜。波导的截面逐渐减小，因此，尽管存在辐射的损耗，但波导各截面的密度却是相同的。在外壳的末端有一个楔形缓冲器，它以非反射的方式封闭充气的波导。

图22所示为产生高声功率级时使用的长杆式辐射器(220)。激励器(221a，221b，221c)采用了Hubmagnet结构或类似的结构，包括一条长铁棒(221b)的柱形线圈(221a)，铁棒上套有一个铁环(221c)，与柱形线圈上有电流通过时，铁环即以通常的方式加速运动并撞击喇叭形匹配器(222)，后者将脉冲转换成相应于匹配器材料弹性的不同频率范围。均匀式波导和转换器元件(223，224)采用的是均匀式长杆(如橡胶杆)。阻抗终端包括一个细长形的、紧定的螺旋喇叭。

Claims (61)

1.一种可以同相和定向地辐射声能量的长形发声器，它包括：

具有机械波传播源的激励器部件；

用成形材料制作的细长形波导，传导，为来自激励器的机械波提供传输媒体，此波导与激励器相连接；

沿波导周边配置的多个转换器元件元件，各转换器元件元件与波导机械连接，并且各转换器元件元件的结构视下述方面的不同而与波导结构有别：(i)声学形状；(ii)材料构成；(iii)结构取向；(iv)三维复阻抗或(iv)上述声学形状、材料构成、结构取向、三维复阻抗的任何组合，各转换器元件的声学形状有利于将来自波导的机械能量转换成对向环境媒体的声波输出，至少有一个转换器元件要与波导相结合以发出单极子声波辐射。

与波导声学连接的阻抗终端装置，用于尽量降低沿波导传播的前行波的反射。

2.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件中至少包括一个复式功能的频谱转换器元件，该转换器元件包括一个可以复式方式针对来自连接的波导运动的传送运动而运动的结构。

3.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件至少包括一个频谱转换器元件，其结构能在波导和转换器元件的组合中形成对机械能量的阻尼。

4.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件至少包括一个频谱转换器元件，其结构能在波导和转换器元件的组合中形成对机械能量的存贮。

5.权利要求1所述的发声器，其中，波导和转换器元件中的机械能量包含着与复合频率相关的频谱波速。

6.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件连续排列在波导的至少一段上。

7.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件连续排列在整个波导上。

8.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件断续排列在波导的各分散点上。

9.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件与波导的结构是以单极子输出为主声波辐射的结构。

10.权利要求1所述的发声器，其中，至少有一个转换器元件结构是可以相对波导作物理运动的。

11.权利要求1所述的发声器，其中，至少有一个转换器元件被固定在相对于波导的适当位置上。

12.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件部分地依靠为波导和转换器元件提供相关运动的结构将机械能量转换成声波输出。

13.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件包括杠杆装置，该装置可以变向和转化相连波导位移的幅度与相位。

14.权利要求12所述的发声器，其中，波导和转换器元件的相关运动，是通过能使至少一个转换器元件产生物理运动的结构而实现的。

15.权利要求1所述的发声器，其中，波导和转换器元件元件包括一系列用弹簧装置分离的组块。

16.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件的声波输出包括有第二级能量，第二级能量相对激励器直接产生的机械能量有一定滞后时间。

17.权利要求16所述发声器，其中，波导包含有用来控制由转换器元件传导的第二级能量的产生速度的结果。

18.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件的声波输出中包括有第三级能量，第三级能量是独立于波导中产生的机械能量的派生能量。

19.权利要求1所述的发声器，其中，波导和转换器元件是以固定关系连接的。

20.权利要求1所述的发声器，其中，波导具有由周围环境条件控制的局部阻抗的结构。

21.权利要求1所述的发声器，其中，波导和转换器元件包括机械装置，该机械装置可以下述关系式将波导的局部位移转换成转换器元件的局部容积加速度：

对均匀式或准均匀式波导结构而言： $d\stackrel{\·\·}{V}(x,t)=W(x,\mathrm{\ω},t,\mathrm{\ξ}\left(x\right)){\mathrm{\ξ}}^{(n\•)\left(m^{\′}\right)}(x,t)\mathrm{dx}$

22.权利要求1所述的发声器，其中，上述机械装置是从由机械表面、机械网络、气动致动器、液压致动器、机械容积和封闭容积构成的一组物体中选定的。

23.权利要求1所述的发声器，其中还包括包围着转换器元件的物理外壳，以防止声波输出的流体短路并为转换器元件提供结构性保护。

24.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件是从由气压弹簧、可压缩的聚合物材料、柔性隔板、导管、机械弹簧、可压缩的隔板阵列。扭杆、带槽阵列、液体容积、线性排列的空腔构成的一组中选定的。

25.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件的结构适于形成单极子和偶极子声波辐射输出的组合。

26.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件的结构适于形成心形声波辐射输出。

27.权利要求1所述的发声器，其中，激励器是从由电动致动器、电转换器元件、机械发射器、气动发射器、热发射器和液压发射器构成的一组中选定的。

28.权利要求1所述的发声器，还包括沿波导配置的多个激励器。

29.权利要求1所述的发声器，还包括位于波导相对两端的至少两个激励器。

30.权利要求1所述的发声器，还包括位于被导管中部的附加激励器，用来在波导内形成极化振动的传播。

31.权利要求1所述的发声器，其中，激励器还包括调节波导内局部阻抗的装置。

32.权利要求1所述的发声器，其中，激励器还包括调节波导内局部波速的装置。

33.权利要求1所述的发声器，其中，调节波导内局部阻抗的装置包括局部位移的前向环路或后向环路。

34.权利要求1所述的发声器，其中，激励器包括预矫输入信号的装置，以补偿波导或转换器元件频率响应的变化值。

35.权利要求1所述的发声器，还包括其第一端与激励器相连接另一端与波导相连接的适配器，该适配器的制作材料与形状能有效地将来自激励器的机械波传导至波导。

36.权利要求35所述的发声器，其中，匹配器包括至少一个阻抗转换装置，该装置是从喇叭、气动装置、液压装置、阻尼装置和机械装置构成的组中选定的。

37.权利要求35所述的发声器，其中，匹配器包括波导的至少一部分。

38.权利要求35所述的发声器，其中，匹配器具有能至少向两个不同方向分配机械能量的装置。

39.权利要求35所述的发声器，其中，匹配器上设有支撑结构，该结构与支撑装置相接以将发生器稳定在理想的位置。

40.权利要求35所述的发声器，其中，匹配器包括可将流体至少引入波导或转换器元件之一的装置。

41.权利要求1所述的发声器，其中，波导包括频谱结构，以从通过带有阻尼特性的低通、高通、带通和全通滤波器中选择一种滤波器来控制局部的频谱波。

42.权利要求1所述的发声器，其中，所述波导与多个波导相连接。

43.权利要求1所述的发声器，其中，波导形成有曲度的形状，因此波导的实际长度超过波导两端之间的距离。

44.权利要求1所述的发声器，其中，波导是用具有复合弹性系数的柔性材料制作的。

45.权利要求1所述的发声器，其中，波导包括一种结构，是从以下一组装置中选定的：活动隔板、凸轮轴、齿轮驱动装置、链条驱动装置、旋转驱动机构、转子-定子装置、导线、导带、导管、长杆、切口弹簧和膨胀箱。

46.权利要求1所述的发声器，其中，波导包括一种结构，这种结构是从以下一组结构中选定的：均匀结构式和准均匀结构，分段结构和准分段结构。

47.权利要求1所述的发声器，其中，转换器元件包括一种结构，这种结构是从以下一组结构中选定的：均匀结构和准均匀结构，分段式和准分段式。

48.权利要求1所述的发声器，其中，波导和与波导组合的转换器形成一种结构，这种结构是从以下一组结构中选定的：均匀结构式和准均匀结构，分段结构和准分段结构。

49.权利要求1所述的发声器，其中，阻抗终端装置包括一种结构，是从以下一组装置中选定的：块状吸收器、喇叭、摩擦阻尼器、粘性摩擦阻尼器、振动缓冲器和可与任何理想阻抗相匹配的激励器。

50.权利要求1所述的发声器，其中，阻抗终端装置与一个匹配器相连接，而匹配器则连接在阻抗终端和波导之间。

51.权利要求35所述的发声器，其中，阻抗终端装置与第二匹配器相连接，而第二匹配器则连接在阻抗终端和波导之间。

52.权利要求1所述的发声器，其中还包括可调节该发声器频谱指向性的装置。

53.权利要求1所述的发声器，其中，发声器至少部分地位于导管内并且由导管封闭一端。

54.权利要求53所述的发声器，还包括一种结构装置，该装置可以相对导管来移动发声器以调节发声器的声学特性。

55.权利要求1所述的发声器，还包括至少一个亥姆霍兹共振器，该共振器位于发声器附近，用以增强声波输出。

56.权利要求1所述的发声器，还包括至少一个同权利要求1所述相同的附加发声器，两个发声器相互靠近配置，以协同增强声波输出信号。

57.权利要求54所述的发声器，其中，多个发声器构成了三维阵列。

58.权利要求54所述的发声器，还包括与各发声器的激励器相连接的声源，用来形成部分声波输出的立体声输出。

59.权利要求1所述的发声器，还包括一个作为詹纳斯结构的一部分而配置的第二激励器，以使机械能量能双向传播。

60.产生同相和有向的声学能量的方法包括以下步骤：

选择一定材料制作的细长形的波导，使其外形构成一个传输媒体，用于传输来自激励器部件的机械波，

将机械波导入波导，

通过沿波导周边配置的多个转换器元件处理机械波，每个转换器元件元件与波导机械连接，并且各转换器元件的结构视下述方面的不同而与波导的结构有别：(i)声学形状；(ii)材料的构成；(iii)声学形状和材料构成的组合，各转换器元件的声学形状有利于将来自波导的机械能量转换成对向环境媒体的声波输出，至少有一个转换器元件元件与波导相结合以发出单极子声波辐射，

将沿波导传播的前行波的反射降至最低，以避免沿被导管传播的机械能量的损耗，

从波导发出基于转换器元件转换的机械能量而形成的声学能量。

61.一种细长形的声学探测器，用以探测到四周各个方向的声学能量，这种探测器包括：

可将传播的机械波转换成电压的探测器部件，

用一定材料制作的细长形波导，其形状构成适于传导波导接受的声学能量的传导媒体，

一端与探测器部件相连另一端与波导相连的匹配器，此匹配器用材料制作，其外形适于将来自波导的机械波有效传导至探测器部件，

沿波导配置的多个转换器元件元件，每个转换器元件与波导机械连接，其结构视下述方面的不同而与波导的结构有别：(i)声学形状；(ii)材料构成；(iii)声学形状和材料构成的组合，各转换器元件的声学形状有利于将来自四周环境的声学能量转换成能沿波导内腔传播的机械能量，

与波导相连接的阻抗终端用以尽量降低波导内传播能量的反射。

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