应用单一相加强孔径扬声器的声音再现的制作方法

文档序号:7855095阅读:216来源:国知局
专利名称:应用单一相加强孔径扬声器的声音再现的制作方法
相关申请的交叉参照本发明是1999年4月28日提交的前一申请号09/301,668的连续部分,所述申请通过引用包括在这里。
背景技术
1.发明领域本发明涉及声音再现,尤其涉及提供一种更强大、带宽更宽的扬声器喇叭筒的系统方法。
2.相关技术说明在为了增大音乐或话音要求大的声功率时,通常使用大型扬声器阵列,但发现这类系统存在某些产生可听干扰的自毁性关系,而更强大的单一声源(立体声为两个)更适合听众。不幸的是,实际上单源扬声器存在音频输出限制。所有音响系统的骨架都是喇叭形扬声器,一般应付低音或中音以上的所有频率。现有技术的喇叭筒有若干问题,在高保真领域基本上不予考虑。
在专业音响系统中,发现也存在所涉及的物理学和能把扬声器驱动器构成强力单一喇叭的材料造成的极限。另外,喇叭驱动器特有的音频失真与声音再现的响度和带宽有关,该问题称为“喉部失真”。大体上是声音的强度与声音在喇叭内运行距离的乘积。
经典的喇叭理论认为,喇叭是一阻抗变换器,一端有驱动器,另一端为声负载,其优点是在驱动器上能独自显著地增大效率与声功率。还发现喇叭的低频截止由喇叭扩张速率限定,例如经典的指数曲线形喇叭可增大其一倍面积,比如30HZ扩张24英寸,300HZ扩张214英寸,等等。音频输出越响而且响应特性越宽(因允许低频操作而喇叭更长),则失真越严重。在普通扬声器驱动膜开始,喇叭喉部的声压最高,而随着喇叭扩张面积增大,声压跌落大体上与面积增大成反比。此时发现,较高低频截止(更快扩张)的喇叭对同等强度很少失真。这一喉部失真问题不依赖于构成驱动器的材料。可能是响度/带宽的主要限制因素。
因此,希望提供一种应用单源扬声器的声音再现系统,它能利用扬声器喇叭自身的频响特性,同时避免信号失真,以便呈现具有声音再现系统的工作频率范围之和的统一的音频信号。

发明内容
本发明至少提供一种具有多个驱动器的单一喇叭而不用若干嵌套的喇叭,驱动器排列成利用喇叭对期望的频率特性而定位的截面。在该方法中,只有一个喇叭,所有驱动器都与它耦合。在一描述的实施例中,壁角度在每种情况下都一样。沿喇叭设置若干扬声器源,驱动器离开音频路径定位。
虽然可以设置一般的喇叭,每个音频范围设一只,低音扬声器纸盆位于最后扩张的表面作为合适的部位而不成为障碍,这类系统实际上不是装载一系列组成三路喇叭的驱动器的喇叭。本文提供的一种多路扬声器系统包括中音范围的三路系统、高音扬声器和作全量程变换的低音扬声器,所有驱动器相互高度声学耦合。因此,该喇叭被设计成完成不止一件工作。可通过单一扬声器系统分隔锥体扩张而提供完整的频率范围。
简单的说,本发明涉及应用单一相加孔径扬声器喇叭的声音再现系统与方法,可利用喇叭扩张特性的频响特性沿扬声器喇叭外壁定位音频驱动器。扬声器喇叭可实施为各种锥形,使驱动器截面定位与喇叭的频响特性相关。驱动器源沿喇叭侧面定位而不成为音频场的障碍,有利于至少两者操作模式,包括声阻抗匹配的变换操作和引导再现音频信号的波导操作。单喇叭多驱动器法提供高度耦合的音频驱动器,利用单一相加孔径扬声器产生声音再现。
所附的权利要求详细提出了本发明各个特征。通过以下结合附图的详述,能更好地理解本发明内容及其各种优点。


图1示出典型的直边扩张,在若干位置示出了有效扩张速率;图2A与2C是单一相加孔径扬声器的截面图,图2B示出本发明的分解透视图;图3示出作为四面锥体双通道系统的实施例;图4示出三通道扬声器系统;且图5示出对实施为图4中三通道系统的该装置提出的等效电路。
较佳实施例的详细描述现在详细参照本发明各个较佳实施例,附图示出了各实施例。如图1所示,尤其是图2A与2B,用单一相加孔径扬声器实现声音再现系统的扬声器外壳10,被图示成具有单一结构,有利于沿锥形扬声器喇叭的侧面安装。如图所示,根据对产生的音频信号的音频特性与响应特性,可以沿喇叭外壁把扬声器喇叭分成若干区域,扬声器驱动器源源沿扬声器喇叭10定位有利于音频信号相加,如下所述。
虽有多种扩张速率如双曲等切面曲线、指数与抛物线,但在一实施例中只有一种通用型扩张速率起作用,即锥形或方形扩张,一般配备有多个有点直壁的喇叭。这种扩张有时用来制作对受控定向方式牺牲低频负载的喇叭或“波导”,而有些成为“恒向性”的喇叭也应用直壁喇叭。
可以提供执行两者通用型或区域操作的喇叭。第一种在喉部开始,压力很高。喇叭像变换器那样工作。当喇叭(图形)直径在周边接近一个波长时,就达到其最终负载阻抗,在该点与作“功”的喉部之间,超出此范围的声学变换为最小。朝喇叭口继续下去,到达壁角度约束辐射音响的某一点,直到音响辐射的壁角度大致相等。虽然这一关系在起作用,但是音响的辐射角随频率基本上恒定,因而定名为“恒向性”。为了区分这两种声功能,从驱动器到λ周边点的操作称为“变换”操作(声阻抗匹配)。而把从该点向前的操作称为“波导操作”。使用正规“曲面壁”喇叭时,随着频率增高,扩散角变窄。
当将锥形/方形扩张与指数或其它常用型扩张作比较时,发现锥形喇叭(驱动器在顶点的空心锥形)的扩张速率起初板块(因低频负载差)。运用这种喇叭,实际上把喉部移向喇叭口,扩张速率逐渐慢下来,即变得适合于较低频率。图1示出扬声器喇叭10典型的直面扩张。在若干位置示出了有效扩张速率、以普通方式驱动该喇叭时,可以看到,在装驱动器的尖端12,扩张速率是高频喇叭的扩张速率,当移离驱动器时,扩张速率就慢下来。变成低频喇叭的扩张速率。区域12、14、16和18指示的喇叭10的扩张延伸率,可对驱动器定位被分成各种频响范围。通常,驱动器接喇叭高频部分12,而来自低频部分14、16、18的负载不传递通过高频部12。其作用像有若干“高通”滤波器(每一段),随着尺寸增大,截止频率逐渐变低。遗憾的是,这是耦合尖端处驱动器的最小最高频部分。这种排列低劣的低频负载就是这种扩张一般只用于关注其定向性的高频的原因。如截面所示。图示的喇叭10扩张20“×20”喇叭口延伸20英寸。1英寸喉部(区域12)以小于1英寸使喉部面积增大一倍,而区域14对低频范围取2.5英寸增大一倍。对于中频与低频响应特性,区域16取4英寸增大其一倍面积,区域18取7英寸增大一倍。
提到的该装置用喇叭10对以宽频率范围提供声负载。虽然其它一些设计方案成功地将若干驱动器的输出组合入一只原来用作波导的喇叭(如在“正常”喇叭负载中提供定向性而不是明显的声增益),却并未满足把所有驱动器的输出全部均匀地加入对整个频率范围不作转换而工作的一只公共喇叭所需的要求。对于“多驱动器单喇叭扬声器”而言,最为相近的是若干利用电子延迟法补偿非理想驱动器位置的“嵌套式”喇叭,如授与Heinz的美国专利5,526,456所描述的那样。不过,Heinz仍然只提供了若干不同的喇叭独立的声学操作。在本发明描述的实施例中,高音域源被设置成大得足以独自加载驱动器。因而不被装在里面提供锥形扩张的喇叭遮盖,根据加载位置,锥形扩张实际上具有不同的扩张速率。每次用许多英寸使面积加倍,对应于适合产生频率的扩张速率,而不是试图相互嵌套若干喇叭。
所述实施例把喇叭分成若干对应于现有驱动器的操作范围。图2A示出的系统20,应用三个独立的喇叭系统22、24、26,各自针对一特定范围设计。讨论时,按图1的频响特性取扬声器喇叭的截面图。在扬声器喇叭各截面引入扬声器驱动器,有利于声音再现的单一相加孔径,以便提供优化耦合的音频信号而在各频段音频信号之间不发生干扰。
图2A与2C是单一相加孔径扬声器的截面图。图2B示出所述喇叭10锥形实施例的分解透视图。图2C示出以较佳实施例的截面,通过扬声器沿喇叭10的锥形侧面定位,有利于单一相加,而且远离喇叭内部,便于像多扬声器那样利用喇叭10。如图2B所示,高频驱动器44位于喉部12上面,其它扬声器按类似方式收容在喉部或喇叭10旁边的开口。为此,用中音驱动器46、48、和68在喇叭10里面产生中音频率,如下所述。低频驱动器50、52、70和驱动器源70相对驱动器产生按箭头72所指方向发出的低频信号,与沿喇叭0表面定位的其它驱动器产生的音频信号相加。
图2C的截面图示出信号扩散受控的宽带宽大功率喇叭驱动器。设计该喇叭与驱动器系统40时,带宽·恒定扩散角与低失真各个要求的相互关系有点矛盾。为利于图2A所示各个源的等效性,所述实施例按扬声器设计规程设计,但图2C提供的各个源相互不干扰。这里图2C所示的三通道系统,按照同等的扩张速率应用于锥形喇叭的基本设计段。截面所示的驱动器44、46、48、50、52针对各种频率选择并与喇叭10耦合,使喇叭10各截面的声阻抗与各个驱动器相互匹配。
在点源或线源应用中,可用锥形如直边扩张喇叭10满足恒向性要求。虽然锥形喇叭提供低频负载略减小带宽,但从图1示出的扩张速率与低频拐角的关系可知,可按下述方法加以补偿。所述锥形系统40从极快的扩张速率开始,而且因喇叭10实际上是一高通滤波器。故有一高频拐角频率。也可应用带取面壁例如指数扩张的喇叭,提供较佳的低频负载,但当产生的频率增高时,覆盖角会减小。而且,扬声器喇叭会产生喉部失真,原因在于空气在高声压下的非线性度,如在驱动器喉部出现的高压,即使在带宽与定向性之间可实现合合理的折衷,但最大电平仍受制于在宽带宽与大功率信号下加重的失真,如上所述。
因此,本文描述的实施例40利用了锥形喇叭特性,其扩张速率的有效变化取决于在喇叭10的喉部与开口之间引入驱动器信号的位置。据观察,只要合适的驱动器耦合在扩张速率适合所需低频响应的一点,就能以比一般频率更低的频率满意地驱动给出的锥形喇叭10。换言之,可将这里讨论的喇叭10的扩张分为例如三部分或更多部分在扩张速率最快的顶部12;在扩张速率中等的中间部14;和在最接近喇叭口的端部,即图1中扩张速率对低频操作较慢的截面16与18。因此,准备合适的驱动器,可以接受各种频率下的喇叭负载。故在实施时,通过把驱动器移出和移离声学通路,可把喇叭10的各截面级联成一个大型喇叭,各个驱动器仍按其各自合适的阻抗耦合。
本文描述的系统40的喇叭10设计成对最低有关频率具有足够大的开口面积,同时规定了合适的覆盖角,因而在图2B所示连接所需频率的各个合适驱动器的各点处,按各自的扩张速率把喇叭10切割成若干等效或假想的截面。这样,各个扬声器驱动器通过孔或通道与喇叭联系,加起来等于喇叭面积,因而在引入点匹配了喇叭的阻抗。驱动器装在声学通路外面而不封闭或反射来自装有高频驱动器44的顶部12的高频辐射,对最容易在喇叭10内部反射的最高频率留下无阻挡的声通路72。
该实施例还补充了一般交叠滤波器造成的相移与时延。通过安排各个交叠频率,使较高与较低驱动器之间的声学相移和交叠的电气相移近似等于空气通路中的相移(延迟),来自较高与较低驱动器的输出就同相组合。使用的交叠滤波器一般为无源或有源型,在交叠频率下,在高低频输出之间产生90度相移,因而操作序列在各倍频程内提供同等能量的宽带信号。对该交叠网络施加该信号时,设置的第一部分是高频部,沿喇叭10传播。然后,中频部与高频部同时产生,而交叠网络适时地对各驱动器同样提供低频部。该方法可扩展到超过三通道操作的多个截面,由此得出的喇叭10,能以单一喇叭提供带宽极宽、定向性受控而且极高的声功率,这是单一常规驱动器无法实现的。由于中低频由驱动器产生,而且设置了更大的信号引入面积,因此较低的喉部压力导致比上述空气非线性效应造成的低得多的失真。
对每一范围设计成选用合适的驱动器是一个重要的过程,它决定了正确的声阻抗,因而也决定了与喉部面积相关的驱动器与喇叭耦合的尺度。因此进入喇叭的面积小于使驱动器阻抗与喇叭阻抗相匹配的实际锥体。
这里不同于通常那样用三只独立的喇叭,而是通过级联三个截面(具有同一壁角度)来实现。可能的话,各个驱动器和任何其它障碍物都被移出新的声通路,但仍对每一操作范围连接正确的声阻抗。鉴于驱动器新的位置,通常使用多个更小的驱动器,但整个驱动器参数仍一样或相似,如图3所示(示为四面锥形32上的双通道系统30)。
当组合若干源的音响时,结果取决于信号的幅值与相位二者。只有在各个驱动器“同相”时才出现正确的相加,因而不仅要考虑驱动器系统的声学幅值和相移,还要考虑到交叠网络。
运用图3的系统,所有的驱动器34、36、38同时产生音频信号,音响以若干大体上对应于它们离开的距离的“块”到达。可以使用另一种用电子延迟与补偿考虑这些时差的技术,但本例并不要求使用。通过研究每组驱动器的物理位置和驱动器与交叠二者的总相移,作出必要的时间/相位校正。鉴于各个喇叭元件的等效电路的复杂性,该过程涉及到近似与测量。
由于涉及到的因素很复杂,必须先对最高的驱动器确定一“开始”的交叠频率,比如说1KHZ。为了补偿上下驱动器之间因交叠产生的90度电气相位差,计算在1000HZ下空气中的1/4波长(λ),然后估算(或测量)辐射器与喇叭内该1/4λ点的距离,测量该点的喇叭面积。利用喇叭/驱动器设计指标,合适的喇叭负载设置一1000HZ或以上的上截止点,并具有等于1/4λ点喇叭面积的必需的喉部面积。驱动器的声输出通过孔或通道从高音驱动器以1/4波长导入喇叭的侧面或壁角。换言之,在交叠右面一半的距离,在其左右通路部分之间有一时延或相位差,即1/4波长的当量,而最后为了补偿,把高频驱动器移回1/4波长,然后当高频驱动器发出的音响到达低频驱动器时,情况就正常了,即时间取向正确。
因通道里的空气具有声抗,故希望通路长度短些,若不是圆形喇叭,要拐角安置通道。由于驱动器的输出在波长很小一部分空间内相组合,故驱动器近乎理想地耦入喇叭(形成一更大的驱动器)。现在因等效电路内有一些“未知”值,可求出实际正确的交叠频率。各个驱动器暂时摆脱相位而布线,并作频率扫描。在约两倍的交叠频率处,将发现一深陷波(因驱动器耦合严密和相位差180度而深)。在该陷波频率下,各个驱动器在声学上相差180度相位,故在该频率的一半,它们将相差90度相位,根据实际的声学特性,即是“正确的”交叠频率。若驱动器具有过大的声抗或在该区域内变化的响应特性,则交叠分量的实际值通常要求有点“扭动”。为得到最佳结果,正在研制更复杂的计算机模型。
在上述系统中,高频(此时在1KHZ以上)进入扩张顶点,在1/4波长(1KHZ)处沿喇叭穿过四个接喇叭的中音驱动器的输出。在此情况下,高频截面的喉部面积为0.78平方英寸,而下部驱动器的喉部面积为10平方英寸并进入喇叭面积为10平方英寸的喇叭。如前所述,喉部失真与带宽和强度有关,声功率与压力和面积的乘积相关。在该设计中可以看出,1KHZ以上的能量进入扩张迅速的喇叭,有利于把失真减至最小。1KHZ以下的能量进入面积为10平方英寸的喇叭。该面积是高频(hf)截面面积的10倍以上。因此对给定的声功率而言,低于1KHZ的喇叭压力比高于1KHZ的喇叭压力小得多。这样,对于规定的失真度,实际上通过使压力随频率下降而逐渐减小,一只喇叭能辐射极大的声功率,并用较大的驱动器维持该声功率。
可以看出,对于1KHZ音调,中音驱动器完全在喇叭的变换(声阻抗匹配)区内,避免了其它设计里的一些做法。假定对驱动器的功率处理能力总有一些限制,则增大系统功率处理能力的一种实用方法是把频谱分成较小带宽指定给多个驱动器。图4示出有若干附加驱动器的前述系统30。图4实施例的系统40对喇叭42设置了高频驱动器44、中频对46、48和低频对50、52。例如,希望系统的低截止点为75HZ,把75~1500HZ的频谱分成两个相等部分,交叠于例如335HZ,并算出1/4λ距离。按照Leach,Jr.,W.M.的论文“Specification of Moving-Coil Drivers for Low-Frequency HornLoudspeakers”(音频工程学会第61属会议,纽约(1978)),可从中频驱动器辐射器朝喇叭口测量1/4λ,并测量该点的喇叭面积。该论文中的驱动器适合75~335HZ的喇叭负载,具有合适的喉部面积。各个驱动器通过交叠连接并作测试。因每个声学系统都是带通滤波器,具有某些未被声负载完全淹没的剩余电抗,故声学幅相测量可“细调”交叠的各个无源元件而作部分补偿。为此,把各频带设计成比要求的宽些(减小段的“额外”电抗),通常可使交叠值更接近于理论值。与依赖于陡的高次交叠斜率和避免干扰的电子时延的现行技术不同,在本例的锥形系统中,所有驱动器相互高度耦合,通常一次或二次交叠给出迄今最佳的结果。为实现正确的交叠,要求研究涉及到的所有元件的幅值、相位与声抗。但直到最近,一般仍没有测量这种信息的设备。
虽然多次提及了锥形,但系统的形状不限于四面“锥形”,多面形便于安装驱动器,且可扩展成适合几乎任意数量的驱动器,但圆形或椭圆形也行,在声学上可能更佳。
像椭圆形或“直线源”等非圆对称形状也是有用的结构。图4作为细长堆迭的驱动器俯视图,可形成“直线源”。除了要考虑到只在一根轴线而不是两根轴线上有扩张外,用所有原来的(和少量附加的)声学关系和参数计算这种系统。
参照图5,图中的等效电路实际上示出三个通过交叠网络平行钩住的喇叭电路。
电气示意表示有利于理解上述各个实施例涉及的相加过程和声音再现。对同等的频响特性示出了操作截面60、62与64。正如讨论的那样,可用任意数量的喇叭形状来利用频响特性对驱动器定位,而且本领域的技术人员都知道,可在各个方面对前述各个实施例进行修正,因而特地在所附权利要求中提出了本发明内容。本领域的技术人员和熟悉音频声音再现的人员将明白,本发明的精神与范围包罗了这类对较佳实施例的修正与更改。
权利要求
1.一种根据多种信号形成单一声源场的声音再现系统,其特征在于包括扬声器外壳,具有按照外壳的频响特性多重分段的部分,包括喉部和从喉部向外延伸的孔径;耦合在扬声器外壳喉部的扬声器驱动器;一对扬声器,工作于来自耦接喇叭孔径的外壳喉部的某一低频信号范围内,用于相加各个扬声器源产生的音频信号;和所述扬声器驱动器定位成把多个频率范围耦入扬声器外壳的单一喇叭。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于包括多个把各个扬声器驱动器收容在扬声器外壳喇叭表面上的喉口。
3.如权利要求2所述的系统,其中所述一对扬声器驱动器利用喉口沿扬声器外壳的外表面与扬声器外壳的喇叭作声学耦合。
4.如权利要求3所述的系统,其特征在于还包括第二对扬声器驱动器,所述第二对扬声器驱动器耦接扬声器外壳的喇叭,并朝外定位离开喇叭喉部,以便引入一低频音频源,所述扬声器驱动器、所述第一对扬声器驱动器和所述第二对扬声器驱动器都与扬声器外壳的单一喇叭声耦合,以在扬声器外壳的孔径提供单一相加的音频声场。
5.如权利要求4所述的系统,其中扬声器外壳的单一喇叭设置成锥体形状。
6.如权利要求5所述的系统,其中所述锥形喇叭经分段而设置若干喉部输入口,以便沿锥形侧面引入多个信号。
7.如权利要求6所述的系统,其中所述锥形有四面。
8.一种根据多个信号提供单一声源场的声音再现方法,其特征在于,包括按照带喉部和从喉部向外延伸的孔径的外壳的频响特性,把扬声器外壳多重分段成喇叭的各个部分;展开扬声器外壳喇叭的扩张,在预定的音频范围内提供声耦合;按照喇叭的频响特性耦合各个扬声器,对扬声器外壳的喇叭提供音频信号;和按照各个频响特性操纵扬声器外壳上声耦合的扬声器,对各个扬声器源产生的音频信号进行相加。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于沿喇叭的侧面定位各个扬声器驱动器而不阻挡其它扬声器驱动器的音频场。
10.如权利要求9所述的方法,其中所述耦合步骤包括实现声阻抗匹配的变换操作和在扬声器外壳孔径处作单一相加时引导再现音频信号的波导操作。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于把扬声器外壳设置为四面锥形,用于沿锥形的相对侧面接纳扬声器驱动器对,以在扬声器外壳的喇叭内各个截面引入声信号。
全文摘要
本发明涉及应用单一相加孔径扬声器喇叭(10)的声音再现系统与方法,利用喇叭扩张特性的频响特性,沿扬声器喇叭外壁定位音频装置(40)。扬声器喇叭可实施成各种锥形形状,使驱动器(44、46、48、50、52)截面定位与喇叭的频响特性相关。
文档编号H04R1/30GK1663321SQ03812451
公开日2005年8月31日 申请日期2003年4月1日 优先权日2002年4月1日
发明者T·L·丹利 申请人:伺服驱动股份有限公司
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