专利名称：反射式抛物面声导向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电声技术领域，特别涉及
声压级的强指向性反射式抛物面声导向装置。
种能提高号筒式扬声器声(0° )方向辐射
背景技术：
目前，在国内外生产和销售的号筒式扬声器中，或在国内外一些高等学校的教材 或所能看到的科技刊物中，专业人员给不同用途的号筒扬声器设计了各种不同形状的号 筒，其号筒的长短也各不相同。但这些不同形状的号筒，有一个共同点都是号筒的喉口小， 开口大。都是按照从喉口的截面积开始计算，随着离开喉口距离的增加，号筒的横截面积不 断增大，直至计算到号筒口时，横截面积最大。这些号筒的形状之所以不同，都是因为各种 号筒在离开喉口的距离不断增大时，号筒的横截面积增加的速率不同而已。
按照号筒的曲线不同分类锥形、指数线形、双曲线形和抛物线形号筒；
按照号筒的长短不同分类，还可分成折叠式和直射式。 在剧场或厅堂里，有时为了扩宽扬声器的指向性，还做成多格式号筒或在号筒口 内安装一些栅栏，可以使指向性能变宽。做这些工作的目的都是为了扩宽扬声器的指向性。 使在剧场或厅堂中，坐在边缘的听众，也能够和坐在中间的听众一样，听到频率失真较小的 声音节目，改善听音效果。 而研究把声音的能量聚集在一个小的范围内，传播到很远处的强指向性扬声器的 研究和实验工作，还开展的较少。尽管当前有不少科研单位和大专院校都在为远距离大功 率广播进行研究，但大都在增加音头的输入电功率和改进直射式号筒形状上下功夫。
目前所有的号筒式扬声器都是号筒口的面积大于喉口的面积，不然的话声音就不 能从号筒内传播出来。号筒延展指数的大小和号筒口面积的大小，决定了号筒传输声音的 下限频率(即号筒的截止频率)和频率响应。声音从号筒中传播出来，因其号筒的横截面积 在逐渐扩大，声波就按照号筒形状的扩散角度向号筒口传播。声波在号筒内部就不是一个 平面波，传到号筒外部时，就几乎变成一个球面波了。所以，不论怎样设计号筒式扬声器的 号筒形状，它辐射出去的声波的指向特性都不会有多大改善。要使扬声器具有尖锐指向性， 必须使扬声器辐射的声波尽可能成为平面波。至少在"号筒"口以内部分传播的声波是平 面波。而这正是现有技术所欠缺的，因此，声辐射轴方向的指向特性具有很大的改进空间。
发明内容
本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对声导向装置的声辐射轴方向的指 向特性的难题，提供一种能使号筒式扬声器的指向特性变尖锐和提高号筒式扬声器声辐射 方向上(0° )声压级的声导向装置。 本发明是通过这样的技术方案实现的反射式抛物面声导向装置，包括内管、反射 管(芯管)和抛物面声导向管，其特征在于，抛物面声导向管管壁的形成方法是将抛物线对 称的两部分从原点分别外移，再以外移前的抛物线原点为轴心旋转抛物线形成的抛物面，抛物面声导向管顶端为圆形平面、管壁为抛物面形状，整体呈盆形结构； 内管和反射管按折叠式号筒结构相互连接成号筒组件，内管细端向下管口处与扬声器音头连接；所述抛物面声导向管顶端的圆形平面中心开有一孔；将内管和反射管构成的号筒组件固定安装于抛物面声导向管顶端的圆形平面中心开孔处，和内管相连接的扬声器音头安装于抛物面声导向管顶端中心开孔的外面，扬声器音头的轴线与抛物面的中心轴线重合；所述抛物面声导向管管壁抛物面形成的方法包括如下步骤 步骤1 :在直角坐标系中，设y2 = 2px是一条关于x轴对称、经过坐标原点的抛物线； 步骤2 :在垂直于x轴且通过坐标原点的平面内，以坐标原点为中心，以某一数值r为半径作一个圆，把关于x轴对称的抛物线的两部分从顶点分离，分别向外平行移动距离r，平移后的抛物线分成关于x轴对称的两部分，平移后的两段抛物线的顶点均位于以坐标原点为圆心，以r为半径的圆周上；把平移后的抛物线围绕x轴旋转360度，形成一个顶端有圆形平底、周围有抛物面的盆形结构；平移后的抛物线方程为y = (2px)1/2+r ;
r=(反射管开口处的半径+与反射管开口相同水平面的内管径向截面半径)+2
抛物面声导向管开口可制为正方形结构，方法是把一个横截面边长为2R的正方形的空腔方柱体(虚拟)的中心轴与本发明抛物面声导向管的中心轴相重合，空腔方柱体下端口正方形平面与位于x二H的平面(此平面与x轴垂直)即抛物面声导向管开口平面重合，空腔方柱体沿x轴垂直向下移动适当距离； 正方形平面四边线与抛物面声导向管相切部位的抛物面声导向管管壁形状为局部平面，形成抛物面声导向管侧切面； 正方形平面四边线与抛物面声导向管未相切部位相对应的抛物面声导向管管壁形状仍为抛物面；抛物面声导向管从管口未被切割部位向外延伸至正方形平面四个顶角，形成管口角边；抛物面声导向管半径小于R的截面的圆未被切掉，圆的这部分是完整的；抛物面声导向管半径大于R的截面的圆弧部分被切掉；抛物面与位于x = H的平面的交点是处于四个角的对称的四条弧线上。 切割后抛物面声导向管开口翻边外延制为正方形，即为正方形出一个正方形开口结构反射式抛物面声导向装置。 抛物面声导向管管口为四条直线与四段弧形间隔连接形状；抛物面声导向管的管壁局部形状为侧切面；抛物面声导向管管口的四个弧形段部分沿径向水平向外延伸，形成四个管口角边。 正方形结构反射式抛物面声导向装置可组成扬声器矩阵(组合扬声器)，可以随意组合成各种形式的扬声器阵；可以构成"线声源"或"面声源"；因而可以具有更强的指向性，更高的声压级，把声音传播的更远。
本发明的优点是 1.本发明装置的指向性强(极坐标图0。方向尖锐)在使用同一个音头的条件下，使用本发明的装置放声，能比使用一般号筒式扬声器的号筒放声，在O。方向上的总声压级高3dB以上。也就是说，在使用同一个音头的条件下，用本发明的装置放声，在远距离试听时，能达到两个一般号筒式扬声器同时放声时的响度效果。本发明的装置，特别适用于远距离、强指向特性的广播。相当于在0。方向上把音头的电声转换效率提高一倍。
2.本发明装置的体积小、重量轻。本发明装置与同口径的折叠式号筒扬声器比较， 具有"号筒"长度短，重量轻的优点。与直射式号筒扬声器比较，本发明的声导向装置的长 度，仅相当于直射式号筒扬声器长度的l/3以下。优势更加明显。因此，本发明装置的产品 体积小、重量轻，便于携带、运输和安装。 3.如果把本发明的装置外形设计成正方形，更适合于做成组合式扬声器。如将4 只、6只、9只或16只正方形的本发明装置产品，安装在同一个平面内，就可以组成大小不等 的各种形式的"线声源"或"面声源"。扬声器组合成的"线声源"或"面声源"，可以使其指 向特性变得更加尖锐，输出的声功率更大，广播传输的距离更远。
图1、反射式抛物面声导向装置构成原理图，并作为摘要附图； 图2、正方形结构反射式抛物面声导向装置主视图； 图3、正方形结构反射式抛物面声导向装置A-A向视图； 图4、反射式抛物面声导向装置分解图A ; 图5、反射式抛物面声导向装置分解图B ; 图6、反射式抛物面声导向装置构成的组合式扬声器具体实施例方式
下面结合附图详细描述本发明 如图1至图6所示，反射式抛物面声导向装置是利用了抛物面焦点的聚焦特性，把
号筒式扬声器的号筒口置于抛物面的焦点上，声音经抛物面反射后，变成一簇平行于抛物
面中心轴的声音向抛物面外辐射。在抛物面辐射出口处可近似形成平面声波。声波辐射出
去后，能在声音辐射方向上起到聚集声音能量的作用，使该装置的指向特性变尖锐。 如图1所示为反射式抛物面声导向装置构成原理，方程式Y2 = 2px是一条经过直
角坐标系坐标原点的抛物线。这条抛物线是关于x轴为对称的一条曲线。如果把此抛物线
以x轴为旋转轴，旋转一周，就能得出一个抛物面。抛物面的顶点就是坐标原点。抛物线的
焦点也是抛物面的焦点，焦点在x轴上，焦点和坐标原点的距离是p/2。 抛物面有这样一个性质从抛物面的焦点上发出的光或电磁波，向各个方向辐射，
辐射到抛物面经反射后的光和电磁波，会全部沿着与x轴平行的方向前进，形成一簇平行
的光或电磁波。反之， 一簇平行的光或电磁波，沿着x轴入射到抛物面上，经反射后，会全部
聚焦于抛物面的焦点上。 实验证明，反射式抛物面声导向装置与相同口径、相同长度的折叠式号筒扬声器 比较，使用同一个音头作为驱动单元，在x轴方向上，在相同测试距离的情况下，前者的声 压级比后者至少高3dB以上。这相当于两只号筒式扬声器(后者)同时发声所获得的声压 级，才能顶的上一只"反射式抛物面声导向装置"发出的声音的声压级。也就是说，在x轴 的方向上，使用同一个音头，只是号筒不同，前者比后者的声转换效率提高一倍。
实现本发明需进行如下设计过程 1、设计并制作一个适用的抛物面在直角坐标系中，y2 = 2px是一条关于X轴为 对称，经过坐标原点的抛物线，抛物线的焦点坐标是(p/2，0)。以x轴为旋转轴，将此抛物线围绕x轴旋转一周，就得到一个抛物面。这个抛物面的中心轴(旋转轴)就是x轴。抛物面的焦点在x轴上，与抛物面顶点(坐标原点)的距离也是p/2。 在本发明的装置中，音头是装配到抛物面的顶部的，其号筒的内管3和反射管2的轴线正好通过抛物面的焦点，与x轴重合，影响了抛物面对声音的聚焦。为了解决聚焦问题，需把抛物面向外移动，其抛物面的焦点也相应的向外移动。 在垂直于x轴且通过坐标原点的平面内，以坐标原点为中心，以某一数值r为半径，作一个圆。把关于x轴对称的抛物线的两部分从顶点分离，分别向外平行移动距离r，平移后的两段抛物线的顶点分别落在以坐标原点为圆心，以r为半径的圆周上。把平移后的抛物线围绕x轴旋转，成为一个底部有"圆平底"、周围有抛物面的盆形结构，这就是我们所需要的。 设计时，使半径r的长度正好等于本发明装置中反射管2开口处的半径与内管3在同 一水平位置截面的半径之和的二分之一 。 {r=(反射管开口处的半径+与反射管开口相同水平面的内管径向截面半径)+2} 2、设计并制作一个号筒式扬声器的号筒组件系统号筒组件，包括一个能和扬声器音头相连接的一个反射管2和内管3 ;并按照一定的方式和间距把内管3和反射管2相互固定和安装起来。 3、把上述制作好的号筒式扬声器的号筒系统安装于抛物面中，即为本发明所述的"反射式抛物面声导向装置"。 4、测试用同一个音头，先后将其安装于本发明的装置中和安装于口径相同、长度相似的一般号筒式扬声器中。在相同的测试条件下，分别进行测量。测量项目包括声压频响曲线、声辐射轴线(X轴)上规定距离处的总声压级，并测量两者的指向特性，然后对比测试数据。
下面结合实施例进一步阐述本发明过程制作抛物面声导向管1抛物面。制作一只口径为小410mm，长度(厚度)为180mm的反射式抛物面声导向装置。
首先建立抛物线的方程y2 = 2px，设p = 90，则抛物线方程为y2 = 180x，抛物线焦点为(45，0)。 在垂直于x轴并通过坐标原点的平面内，以坐标原点为圆心，以r = 40mm为半径，作一个圆。这个圆就是盆形结构的抛物面声导向管1的"盆底"，即抛物面声导向管顶端的圆形平面(11)，盆形结构的"盆壁"，即抛物面声导向管1的管壁就是以x轴为旋转轴，以外移后的、其方程为(2px)1/2+40 = (180x)1/2+40的抛物线为半径旋转出来的一个抛物面；
式中x的取值范围是0-180mm。 抛物面声导向管1开口可制为正方形结构，方法是把一个横截面边长为2R的正方
形的空腔方柱体的中心轴与本发明抛物面装置的中心轴相重合，空腔方柱体下端口正方形
平面与位于x = H的平面(此平面与x轴垂直)即抛物面声导向管开口重合，空腔方柱体
沿x轴垂直向下移动适当距离，切割掉部分园弧，切割出的反射式抛物面声导向装置，抛物
面声导向管1半径为R的截面的圆弧部分正好和正方形平面的边相切。 设空腔方柱体下端口正方形的边长为410mm，抛物面整圆部分(没被切割部分)最
大直径也是410mm，最大半径是205mm。
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正方形平面对角线长的一半为290mm。抛物面与垂直于x轴并通过x = 180mm点的正方形平面在抛物面声导向管1的四个角部位各相交出一个弧。四个弧与x轴的垂直距离都等于 (180*180) 1/2+40 = 180+40 = 220mm ; 四个弧到正方形平面四个顶角的距离均为290-220 = 70mm。 正方形平面向下移动切割后，正方形平面四边线与抛物面声导向管1相切部位的抛物面声导向管1的管壁局部形状呈平面，形成抛物面声导向管侧切面12 ;
正方形平面四边线与抛物面声导向管1未相切部位相对应的抛物面声导向管1管壁部分的形状仍为抛物面； 抛物面声导向管1从管口未被切割到的部位(四个弧)沿径向水平向外延伸，延伸至与正方形平面四个顶角重合位置，形成四个管口角边13 ; 要使内管3和反射管2装配起来的总长度不能高于抛物面内部的总深度180mm，又得注意到反射管2的开口处高度位置必须和抛物面的焦点高度位置相一致。经计算确定内管3的长度为132. 5mm，反射管2的长度为95mm。 反射式抛物面声导向装置的内管3和反射管2的横截面积按指数线号筒计算经计算确定，内管3和反射管2的延展指数均为m = 0. 1508 (单位cm)是合适的。
制作防驻波的锥形反射圆台4。为了防止反射管2发出的声波与抛物面底面(抛物面声导向管顶端的圆形平面)之间产生驻波，特在内管3的根部的底部平面上加装了一个与底部平面成45。角的锥形反射斜台4。 测试本发明用同一个音头，先后安装在口径为小410mm的反射式抛物面声导向装置上和口径为小400mm的一般号筒式扬声器的号筒上，使用丹麦B&K公司的Polse测试系统仪器，在消声室中分别进行测试，将其声压频率响应、中心轴方向上(0° )的总声压级和指向性测试结果进行比较。 馈给音头10瓦功率，测试距离为IO米，测试信号为粉红噪声的中心轴线方向的频响曲线。其A计权总声压级测试结果两者比较表明，应用本发明声导向装置的总声压级比应用一般号筒式扬声器号筒的总声压级高3. 79dB。其Lin档的总声压级，前者比后者也高出3. 35dB。 而在远距离试听时，A计权的测试结果更接近于人耳的感觉。分析粉红噪声的频响曲线可以看出，在315Hz以上的中高频段，本发明声导向装置的声压级都较高，而这一较宽的频段正是人耳对声音最敏感的频段，所以远距离试听时，用同一个音头，使用本发明声导向装置时，人会感觉到广播节目更清楚更响亮。 反射式抛物面声导向装置，能有效地把扬声器辐射的声能聚集在扬声器的轴线(0° )方向上，使扬声器的指向特性变得尖锐。从而使号筒式扬声器轴线方向上的声压级得到有效的提高，一般能提高3dB以上。可以把声音传播的更远。 可以在不增加扬声器(输入电功率)的情况下，在测试(或试听)点上能得到相当于双倍扬声器放声时的声压级(传输效果)。 设计成正方形的声导向装置，更便于组合成"点声源"或"面声源"。这样，既可以提高输出声功率，又可以进一步使其指向特性变得更加尖锐，在中心轴线方向上更有效地聚集声音的能量。所以，反射式抛物面声导向装置的组合，更适合远距离、大功率广播。
把扬声器的音头安装于抛物面顶端中心的外面。音头的轴线与抛物面的中心轴线重合。 号筒的轴线与抛物面中心轴线重合。反射管细端开口对着抛物面顶端的中心。
为了能组成扬声器阵(即组合扬声器)，需把圆形的声导向装置做成正方形的结构。这样，可以随意组合成各种形式的扬声器阵。可以是"线声源"或"面声源"。可以具有更强的指向性，更高的声压级，把声音传播的更远。 方形结构的创意，包括对抛物面的切割方式、组合安装的方法、均满足了组合安装的条件，组合扬声器形成线声源或面声源，具有更强的指向性。大功率远距离广播更需要组合扬声器。本发明便于组合安装，更好地利用了组合安装时每个扬声器单元之间的空隙，扩大抛物面的反射面积，提高声聚能效果。 根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
权利要求
反射式抛物面声导向装置，包括内管(3)、反射管(2)和抛物面声导向管(1)，其特征在于，抛物面声导向管(1)管壁的形成方法是将抛物线对称的两部分从原点分别外移，再以外移前的抛物线原点为轴心旋转抛物线形成的抛物面，抛物面声导向管(1)顶端为圆形平面(11)、管壁为抛物面形状，整体呈盆形结构；内管(3)和反射管(2)按折叠式号筒结构相互连接成号筒组件，内管(3)细端向下管口处与扬声器音头连接；所述抛物面声导向管(1)顶端的圆形平面(11)中心开有一孔；将内管(3)和反射管(2)构成的号筒组件固定安装于抛物面声导向管(1)顶端的圆形平面(11)中心开孔处，和内管(3)相连接的扬声器音头安装于抛物面声导向管(1)顶端中心开孔的外面，扬声器音头的轴线与抛物面的中心轴线重合；所述抛物面声导向管(1)管壁抛物面形成的方法包括如下步骤步骤1在直角坐标系中，设y2＝2px是一条关于x轴对称、经过坐标原点的抛物线；步骤2在垂直于x轴且通过坐标原点的平面内，以坐标原点为中心，以某一数值r为半径作一个圆，把关于x轴对称的抛物线的两部分从顶点分离，分别向外平行移动距离r，平移后的抛物线分成关于x轴对称的两部分，平移后的两段抛物线的顶点均位于以坐标原点为圆心，以r为半径的圆周上；把平移后的抛物线围绕x轴旋转360度，形成一个顶端有圆形平底、周围有抛物面的盆形结构；平移后的抛物线方程为y＝(2px)1/2+r；r＝(反射管开口处的半径+与反射管开口相同水平面的内管径向截面半径)÷2。
2. 如权利要求l所述反射式抛物面声导向装置，其特征在于，抛物面声导向管(1)开口为正方形结构，抛物面声导向管(1)管口为四条直线与四段弧形间隔连接形状；抛物面声导向管(1)的管壁局部形状为侧切面(12)。
3. 如权利要求1、2所述反射式抛物面声导向装置，其特征在于，抛物面声导向管(1)管口的四个弧形段部分沿径向水平向外延伸，形成四个管口角边(13)。
全文摘要
本发明涉及一种反射式抛物面声导向装置，其特征在于抛物面声导向管管壁的形成方法是将抛物线对称的两部分从原点分别外移，再以外移前的抛物线原点为轴心旋转抛物线形成的抛物面，抛物面声导向管顶端为圆形平面、管壁为抛物面形状，整体呈盆形结构；在使用同一个音头的条件下，使用本发明的装置放声，在0°方向上的总声压级高出普通高号筒式扬声器3dB以上，特别适用于远距离、强指向特性的广播，本装置体积小、重量轻、便于携带、运输和安装，如果把本装置外形设计成正方形，可以组成大小不等的各种形式的“线声源”或“面声源”。扬声器组合成的“线声源”或“面声源”，可以使其指向特性变得更加尖锐，输出的声功率更大，广播传输的距离更远。
文档编号H04R29/00GK101784000SQ20091022815
公开日2010年7月21日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者代云飞, 张吉宏, 张积元, 王一平, 王诗强, 龙江霞 申请人:天津中环真美声学技术有限公司