声学喇叭布置的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种声学喇叭布置，其包括声学喇叭、可操作来驱动所述声学喇叭的第一声音驱动器以及进一步可操作来驱动所述声学喇叭的第二声音驱动器。所述声学喇叭布置还包括接口区域，在所述接口区域处来自所述第二声音驱动器的声音传递到所述声学喇叭中以与来自所述第一声音驱动器的声音组合，其中所述接口区域被适配成减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角量度的变化。
【专利说明】声学喇叭布置
[0001]优先权文件
本申请要求题为“ACOUSTIC HORN ARRANGEMENT”并于2011年6月22日提交的澳大利亚临时专利申请号2011902439的优先权。此申请的全部内容通过引用并入本文中。
[0002]通过引用的并入
在本申请中引用了以下出版物并且其全部内容通过引用并入本文中:
Murphy, D.J.^Morgans, R.的“Modelling Acoustic Horns with FEA”,音频工程协会(AES)第128次会议，英国伦敦，论文号8076，(2010年5月)；以及
1980年5月6日提交的题为“Loudspeaker Horn”的美国专利号4，308，932。
【技术领域】
[0003]本发明涉及用于声音再现的声学喇叭。具体来说，本发明涉及一种具有一个以上声音驱动器输入的声学喇机布置。
[0004]背景
在音频工程中非常困难的是生产在20 Hz至20，000 Hz的全音频频率范围(分别相当于17 m至17 _的波 长)内操作的单一声音驱动器。对于低频率声音来说，所述声音驱动器本身必须是物理上较大的，以生成具有所要求的振幅的低频率声压。随着声音频率增加，由于所述声音驱动器的尺寸变得与所正在生成的声音的辐射波长相当并且比其更大，所述声音驱动器将倾向于表现出愈发不规则的辐射图案。因此，需要较小的声音驱动器来在这些较高音频频率下辐射出较为均匀的声音图案。因而，为了实现全音频带宽上的操作，通常使用多个声音驱动器，其中较大的换能器用于较低频率范围并且逐渐变小的声音驱动器用于高频率范围。
[0005]通常做法是将这些声音驱动器以垂直阵列进行布置，其中较高频率的驱动器位于所述阵列的顶部。然后使用频率相依性电子网络(通常被称为“交叉网络”)将频带引导到用于此特定频带的适当声音驱动器。对于声音驱动器和声音再现系统来说，通常重要的设计目标是在音频频率范围内保持所生成的声场的方向特性。这通常是在与扬声器系统的设计轴相交的垂直平面和水平平面中(即，测量频率响应所在的轴上点处)进行评估。
[0006]声场的方向特性的一个常见量度被称为“波束角”。这个量被定义为在给定频率下比轴上声压水平(SPL)低6 dB的离轴点之间的角度。设计目标则是在声音再现系统的音频频率范围内保持所述波束角大致恒定。因此，波束角相对于频率的曲线图通常被包括作为关于声音再现系统的数据的一部分，作为所述系统的方向特性的指示。
[0007]在多个声音驱动器的情况下，进一步的设计目标是确保声音驱动器的输出之间存在均匀的SPL以在整个频率范围内产生均匀的响应。因此，对于涉及相关交叉频率下的两个声音驱动器的声音再现系统来说，所述两个声音驱动器的输出被调整以相等地进行辐射。现在参照图1，示出有两个相同垂直布置的相等强度的声音驱动器100、110的理想化情况，所述声音驱动器充当对应于这种布置的声音辐射的全向源。虽然由于距声音驱动器IOOUlO的路径长度(例如，120)相等，因此可以将轴上频率响应进行调整来从一个声音驱动器到下一个声音驱动器产生均匀声音输出，但随着离轴路径长度差值变成二分之一波长(例如，130)的倍数而导致出现消除，垂直极性响应受骤降和空值影响。
[0008]在图2A中描绘了这种影响，图2A示出用于图1中所示的布置的极图200和在路径差值是二分之一波长处的离轴角所在的所生成的声场中的空值。所述影响也出现在其中差值将是1.5倍波长、2.5倍波长等的更高频率下。图2B示出在1510 Hz的交叉频率下两个堆叠喇叭的声学测定极图210，其中离轴空值由于所述喇叭的有限大小而模糊，但主中心波瓣的波束角小于此频率下的两个喇叭中的任一个。由于在所述交叉频率下所述喇叭的中心相距两个波长，因此在这个实例中看到另外的离轴空值。方向特性将随波长的函数变化的这种垂直离轴消除有损于实现在声音再现系统的频率范围内均匀的垂直波束角的设计目标。
[0009]现在参照图3A和图3B，示出有如本领域中已知的典型的声学喇叭300的侧图和顶图。声学喇叭300是这样的结构，即其利用连续向外张开的刚性壁330来提供用于源于位于喇叭喉入口 320处的声音驱动器310并朝向喇叭口出口 340辐射的声学能量的扩张通道。声学喇叭300的喇叭喉区段321远离喇叭喉入口 320延伸到横向截面形状通常是矩形的给声区段322中。给声区段322具有扩张的横向区域，所述横向区域由从彼此向外分叉的第一对壁331和大致平行并接合到第一对壁331的第二对壁332形成。因此，声学喇叭300的配置同时限定了所述声学喇叭的如分别在图3A和图3B中所描绘的V箭头和H箭头所示的垂直方向和水平方向。
[0010]喇叭的喇叭口出口 340具有矩形配置并且由具有从所述给声区段的端部向外分叉的壁的钟形区段323形成，所述钟形区段由第一对分叉壁333和第二对分叉壁334组成，第二对分叉壁334沿边缘与钟形区段323的第一对壁333接合以形成整体单元。钟形区段323的壁333、334可以在紧邻所述喇叭口的横向平面处向外张开额外的量以提供对声学能量的辐射的改进的控制。应理解，在一些实施方式中，给声区段322可以相当短并且取决于所述喇叭的所要求的特性，喇叭口出口 340可以成方形。
[0011]钟形区段323的第一对壁331之间和第二对壁334之间的分叉角通常决定了声学能量的扩散角。声学喇叭300的进一步细化被称为恒定方向性(CD)喇叭，其中喇叭几何形状被优化以具有预定覆盖面积，所述预定覆盖面积通常通过水平平面中的覆盖角度乘以垂直平面中的覆盖角度(例如，90°乘以40°或60°乘以40° )进行定义。
[0012]现在参照图4A，示出有在假设声音频率为4000 Hz的情况下由类似于图3A和图3B中所描绘的类型的具有中心线480的恒定方向性声学喇叭400的实例产生的模拟声场450的侧视图的形象化描绘。声学喇叭400包括喇叭喉421和喇叭口 440，在喇叭喉421处定位有所述声音驱动器(未示出)。声学喇叭400的模拟声场450表示喇叭400内的声能的声学相位的图，其中较暗的区域410指示正相位区域并且较亮的区域415表示负相位区域。此描述中采用了声学相位，因为其提供了对传播穿过所述声学喇叭的声音的波阵面更清晰的划界。已插入白线430来指示声场450的球形波阵面。图4B示出在4000 Hz的标称频率下获得的极图，并且图4C示出在500 Hz至8 kHz的主要可听范围内的垂直波束角和水平波束角，从而指示出标准声学喇叭的基线性能。
[0013]试图解决上文所提到的标准声音驱动器阵列的问题的一个尝试是将声音驱动器以同心或共线布置进行布置。问题然后转移到设计用于允许声音从空间中的同一点或从声音辐射的共线的密集间隔的声源进行辐射的方法。已经开发出允许对共线的密集间隔的声源应用不同的时间延迟以使得所生成的声场能够实际上来自同一点的数字信号处理技术。
[0014]一种这样的布置涉及将较小的声学喇叭安装在较大的声学喇叭的喇叭口中并且图3C中示出一种这样的布置。在这种布置中，较小喇叭391阻塞较大喇叭392的喇叭口，并且实际上将较大喇叭392变成了声学能量的环形辐射体。考虑垂直平面中的横截面，较小喇叭391阻碍来自较大喇叭392的中心的声音辐射，从而实际上产生类似于图1中所示的两个源，即上源和下源。这则再次导致离轴角处的路径长度差值并且如图2A中所示，随着离轴路径长度差值变成波长的二分之一的倍数并且出现消除，垂直极性响应再次受到骤降和空值影响。类似的观察适用于在水平平面中所得的截面视图。如图3C中所示，实际上，较小喇叭391 “遮蔽” 了较大喇叭392的喇叭口的中心部分。
[0015]已提出的另一种布置是使用单个源，如由一个以上驱动器驱动的声学喇叭，并且因此已经有过许多尝试来将多个声音驱动器输出组合成图3A和图3B中所描绘的类型的统一的声学喇叭几何形状。一种配置涉及将单独喇叭元件垂直堆叠在声学喇叭的共有侧壁内。然而，这种配置也有再一次实际上产生在空间上垂直的两个声源以及如图2中所描绘的由此产生的极性辐射图的缺点。
[0016]另一种可能的配置是通过孔口将来自多个声音驱动器的声音引入到声学喇叭中，所述孔口充当声音传递或接口区域。在这种布置中，喇叭通常将由生成第一频率范围内的声音的位于声学喇叭的喇叭喉入口的轴线上的第一声音驱动器进行驱动并且然后包括生成其它频率范围内的声音的一个或多个另外的声音驱动器，然后经由位于声学喇机的壁中的一个孔口或一系列孔口将这个声音引入到喇叭中。
[0017]将声音经由接口区域从一个或多个另外的声音驱动器引入到声学喇叭中导致由驱动声学喇叭的中心声音驱动器生成的声场变形，这不利地影响所得到的由声学喇叭辐射的组合声场的方向特性。这种影响主要起因于第一中心声音驱动器的声场与接口区域的相互作用，所述接口区域对于将来自第二声音驱动器的声音引入到声学喇叭中是必要的。
[0018]图5A至图中描绘了这种影响，其中本 申请人:已针对位于声学喇叭的壁中的各种不同的孔口或接口区域布置520进行了多次模拟和测量。在A至D的每一种情况下都发现，存在波束角相对于频率的显著变化。推测来自位于所述喇叭的喇叭喉的所述第一声音驱动器的声场的波阵面是由于负责从第二驱动器引入声音的所述一个或多个孔口而被扭曲。可以看出，虽然初始波阵面500是球形的，但然后所述波阵面由于所述接口区域而变形并且当其朝向所述喇叭口传播时仍保持变形，从而导致扭曲且次优的波阵面510。
[0019]如本领域的技术人员将理解的，球形波阵面是单极性响应的必要但不充分条件，SP，最大SPL出现在轴上并且随着观察点离轴移动得越来越远而逐渐减小。所述极性响应和因此-6dB点之间的波束角的形状是由SPL从轴上最大到与所述喇叭的轴线成直角的较低水平的平滑度或变化决定。
[0020]因此，存在对于这样一种声学喇叭布置的需要，即所述声学喇叭布置能够被多个声音驱动器驱动以增加所述声学喇叭的频率范围，同时仍大致保持所述喇叭的方向特性。
[0021]概述
在第一方面中，本发明相应地提供一种声学喇机布置，其包括:
声学喇叭； 第一声音驱动器，其可操作来驱动所述声学喇叭；
第二声音驱动器，其进一步可操作来驱动所述声学喇叭；以及接口区域，在所述接口区域处来自所述第二声音驱动器的声音传递到所述声学喇叭中以与来自所述第一声音驱动器的声音组合，其中所述接口区域被适配成减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角量度的变化。
[0022]在另一种形式中，来自所述第一声音驱动器的声音是在第一频率范围内生成,并且来自所述第二声音驱动器的声音是在第二频率范围内生成。
[0023]在另一种形式中，所述第一声音驱动器位于所述声学喇叭的喇叭喉处。
[0024]在另一种形式中，所述声学喇叭布置具有恒定方向性特性。
[0025]在另一种形式中，所述声学喇叭布置的配置限定了所述声学喇叭的垂直方向和水平方向，并且其中所述接口区域被适配成减小所述声学喇叭的作为频率的函数的垂直波束角的变化。
[0026]在另一种形式中，所述接口区域包括至少一个孔口，并且其中所述至少一个孔口被定位以大致最小化所述至少一个孔口的位于所述声学喇叭的中心线上的面积的比例。
[0027]在另一种形式中,所述至少一个孔口大体上在从所述声学喇机传播声音的方向上为延长的。
[0028]在另一种形式中，所述至少一个孔口被定向成沿着来自所述第一声音驱动器的所述声音的流线。
[0029]在另一种形式中，所述至少一个孔口具有矩形狭缝配置。
[0030]在另一种形式中，所述至少一个孔口具有锥形或楔形狭缝配置。.在另一种形式中，所述锥形或楔形狭缝配置的宽度被保持为所述声学喇叭的尺寸特性的大致恒定比值。
[0031]在另一种形式中，所述尺寸特性是所述声学喇叭的周长。
[0032]在另一种形式中，所述尺寸特性是所述声学喇叭的横截面积。
[0033]在另一种形式中，所述至少一个孔口具有风筝形配置。
[0034]在另一种形式中，所述至少一个孔口具有截顶风筝形配置。
[0035]在另一种形式中，所述声学喇叭具有矩形横截面。
[0036]在另一种形式中，所述声学喇叭具有椭圆形横截面。
[0037]在另一种形式中，所述接口区域被进一步适配成修正由在所述接口区域与所述第二声音驱动器之间形成的空腔引起的空腔共振频率，以便大致最小化所述空腔共振频率对所述第一声音驱动器的轴上频率响应的影响。
[0038]在另一种形式中，所述接口区域被适配成通过相位塞部件来修正所述空腔共振频率，所述相位塞部件并入有将所述第二声音驱动器的空气空间连接到所述声学喇叭中的空气的孔口。
[0039]在第二方面中，本发明相应地提供一种声学喇叭布置，其包括可操作来由第一声音驱动器驱动的声学喇叭，所述声学喇叭布置进一步包括两个或更多个额外声音驱动器，每个所述额外声音驱动器通过相应的接口区域将声音引入到所述声学喇叭中，其中用于所述两个或更多个额外声音驱动器中的每一个的相应接口区域被适配成减小根据本发明的所述第一方面的声学喇叭的作为频率的函数的波束角的变化。[0040]在第四方面中，本发明相应地提供一种声音再现系统，所述声音再现系统包括根据本发明的所述第一方面或所述第二方面的所述声学喇叭布置。
[0041]在第五方面中，本发明相应地提供一种接口布置，所述接口布置用于将来自次级声音驱动器的声音传递到由第一声音驱动器驱动的声学喇叭中，所述接口布置包括相位塞部件以限定由所述次级声音驱动器和所述接口区域限定的空腔的路径长度和空气体积，其中所述相位塞部件被适配成修正空腔共振频率以大致最小化所述空腔对所述第一声音驱动器的轴上频率响应的影响。
[0042]在另一种形式中，所述相位塞部件并入有将所述第二声音驱动器的空气空间连接到所述声学喇叭中的空气的孔口。
[0043]附图简述
将参照附图来讨论本发明的说明性实施方案，在附图中:
图1是两个相同的全方向声音辐射源的形象化图解，其描绘了引起离轴声波消除的路径长度差值；
图2A是图1中所示的布置的辐射声场的理想化极图；
图2B是与图1中所示的系统类似的系统在其交叉频率下的实际测定极图，其展示了设计轴线上方的两个离轴空值和设计轴线下方的模糊离轴空值；
图3A和图3B是代表性的恒定方向性(CD)声学喇叭的侧图和顶图；
图3C是喇叭布置内的代表性喇叭的侧视图；
图4A是示出传播穿过图3A和图3B中所示类型的声学喇叭的具有最佳球形波阵面的模拟声场的形象化截面视图；
图4B示出图4A中所示的声学喇叭的模拟极图，展示了 -6 dB点和在这些点之间计算出的波束角；
图4C是图4A中所示的声学喇叭的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图5A至图是示出由用于所述第二声音驱动器的所述接口区域对传播穿过所述声学喇叭的声场所造成的影响的一系列截面视图。
[0044]图6A是示出由根据图5A的用于第二声音驱动器的接口区域配置引起的传播穿过所述声学喇叭的模拟声场的变化的形象化截面视图；
图6B示出图6A中所示的声学喇叭布置的声学模拟在4000 Hz下的模拟极图；
图6C和图6D示出图6A中所示的声学喇叭布置在选定频率下的模拟波阵面干扰和极
图；
图6E是图6A中所示的声学喇叭布置的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图7A是示出由根据图的用于第二声音驱动器的接口区域配置引起的传播穿过所述声学喇叭的模拟声场的变化的形象化截面视图；
图7B示出图7A中所示的声学喇叭布置的声学模拟在4000 Hz下的模拟极图；
图7C和图7D示出图7A中所示的声学喇叭布置在选定频率下的模拟波阵面干扰和极
图；
图7E是图7A中所示的声学喇叭布置的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图8A是根据本发明的第一说明性实施方案的示出声学喇叭布置和相关的模拟声场的形象化截面视图，所述声学喇叭布置包括适配的接口区域以减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角的变化；
图8B示出图8A中所示的声学喇叭布置在4000 Hz下的模拟极图；
图SC是图8A中所示的声学喇叭布置的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图9A是根据本发明的第二说明性实施方案的示出声学喇叭布置和相关的模拟声场的形象化截面视图，所述声学喇叭布置包括适配的接口区域以减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角的变化；
图9B示出图9A中所示的声学喇叭布置在4000 Hz下的模拟极图；
图9C是图9A中所示的声学喇叭布置的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图1OA是根据本发明的第三说明性实施方案的示出声学喇叭布置和相关的模拟声场的形象化截面视图，所述声学喇叭布置包括适配的接口区域以减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角的变化；
图1OB示出图1OA中所示的声学喇叭布置在4000 Hz下的模拟极图；
图1OC是图1OA中所示的声学喇叭布置的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图1lA是根据本发明的第四说明性实施方案的示出声学喇叭布置和相关的模拟声场的形象化截面视图，所述声学喇叭布置包括适配的接口区域以减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角的变化；
图1lB示出图1lA中所示的声学喇叭布置在4000 Hz下的模拟极图；
图1lC是图1lA中所示的声学喇叭布置的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图12A是根据本发明的第五说明性实施方案的示出声学喇叭布置和相关的模拟声场的形象化截面视图，所述声学喇叭布置包括适配的接口区域以减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角的变化；
图12B示出图12A中所示的声学喇叭布置在4000 Hz下的模拟极图；
图12C是图12A中所示的声学喇叭布置的所计算出的作为频率的函数的垂直波束角和水平波束角的曲线图；
图13A是作为频率的函数的垂直波束角的曲线图，其示出当使用矩形狭缝孔口并改变所述孔口与所述声学喇叭布置的中心线的取向角时垂直波束角的变化；
图13B是对应于图13A中所示的布置的作为频率的函数的水平波束角的曲线图；
图14A是作为频率的函数的垂直波束角的曲线图，其示出当使用截顶风筝形孔口并改变所述孔口与所述声学喇叭布置的中心线的取向角时垂直波束角的变化；
图14B是对应于图14A中所示的布置的作为频率的函数的水平波束角的曲线图；
图15A和图15B是根据本发明的一个说明性实施方案的涉及从两个额外声音驱动器引入声音的声学喇机布置的侧图和顶图；图16A和图16B是根据本发明的另一个说明性实施方案的涉及从两个额外声音驱动器引入声音的声学喇叭布置的侧图和顶图；
图17A和图17B是根据本发明的又一个说明性实施方案的涉及从四个额外声音驱动器引入声音的声学喇叭布置的侧图和顶图；并且
图18是根据本发明的说明性实施方案的描绘出用于修正声学喇叭的频率响应的适配的接口区域的侧截面图。
[0045]在下面的描述中，在所有附图的若干视图中相似的参考字符表示相似的或对应的部分。
[0046]实施方案的说明
在整个说明书中所提到的模拟声场结果是由采用C1O^ISOLtm建模软件的有限元分析
(FEA)得出的。FEA方法在数值上解决了在假定给定喇叭几何形状的情况下支配声音传播的理想线性波动方程，但不包括任何将存在于真实系统中的衰减。通常情况下，所述声学喇叭的内部形状的CAD (计算机)模型是在三个维度上创建并导入到FEA软件中。在所述喇叭的前部中创建了用于空气的合适形状，这样使得将逼真的声学负载呈现给所述喇叭的喇叭口。经常可以使用四分之一模型，从而利用所述声学喇叭布置的对称性并且减小问题的计算规模。
[0047]一旦所述声学喇叭的CAD模型导入成功，就可以施加适当的声学边界条件，如到膜片表面的加速度、到喇叭口的前部中的空气表面的吸收、选定内部表面的吸收(衰减)等。需要对原始声压结果进行后处理以计算3米处的以分贝(dB)为单位的远场SPL，并且然后进一步处理离轴SPL结果以得出如在整个说明书中提到的极图和波束角数值。在本说明书中提到的模拟是在最小的衰减量的情况下进行，以便更好地展示波束角的变化。
[0048]关于在整个说明书中所采用的建模方法的进一步细节可以参看Murphy, D.J.、Morgans, R.的“Modelling Acoustic Horns with FEA”，音频工程协会(AES)第 128 次会议，英国伦敦，论文号8076 (2010年5月)，其全部内容通过引用明确地并入本文中。此论文还展示了模拟轴上SPL与测定轴上SPL的比较曲线图和模拟波束角与测定波束角相对于频率的比较曲线图。
[0049]在整个说明书中，术语“声音驱动器”是指借助于振动膜片将电能转换成声能的电声换能器。所述膜片的振动是通过浸入在强磁场中的附接电导体(通常是线圈)来实现的。实例包括但不限于锥形扬声器、圆顶形高音扬声器、压缩驱动器以及带状扬声器。其它电声转换原理也是可能的，例如压电或静电。
[0050]现在参照图6A至图6E并通过举例的方式，示出对首先示出于图5A中的喇叭配置的详细分析，所述喇叭配置旨在提供一种具有宽频率范围和良好离轴特性的声音再现装置，其中将第二频率范围内的声音从第二声音驱动器670引入到声学喇叭600中是经由声学喇叭600的侧壁中的具有方形孔口 695的接口区域690进行，并且所述第二频率范围内的声音与来自位于声学喇叭600的喇叭喉621处的第一声音驱动器(未示出)的声音组合。
[0051]如已通过模拟来确定的，形成的声场650由于这个孔口 695的存在而受到不利影响，这引起波阵面630的局部阻滞或变形660，从而在这种情况下随着所述波阵面朝向喇叭口 640行进而引起所需的球形波阵面的部分反转(如图6A中所示)。这种影响是频率相依的并且显现为此频率下的修正极性图案，从而导致与其它频率下的波束角相比以及与如图4A至图4C中所描绘的没有任何接口区域的相同喇叭相比，辐射声音的波束角发生变化。
[0052]图6B示出在4000 Hz的标称频率下的极图，其中波束角比图4B中所示的等效简易声学喇叭更窄。图6C和图6D示出在2670 Hz的选定频率下的波阵面和极图，其中波束角存在相当大的改变。图6E示出垂直波束角和水平波束角在500 Hz至8 kHz的频率范围内的变化。注意到，与从如图4C中所描绘的具有干净侧面的简易声学喇叭获得的水平波束角相比，所述水平波束角显示出较小变化。如本领域的技术人员将理解的，如图6A和图6C中所描绘的从球形波阵面的偏离改变了在此频率和其它相关频率下的极性性能并且因此改变了波束角。
[0053]现在参照图7A至图7E，示出对首先示出于图中的喇叭配置的详细分析，所述喇叭配置旨在提供一种具有宽频率范围和良好离轴特性的声音再现装置，其中将第二频率范围内的声音从第二声音驱动器770引入到声学喇叭700中是经由声学喇叭700的侧壁中的具有方形孔洞阵列795的接口区域790进行，并且所述第二频率范围内的声音与来自位于声学喇叭700的喇叭喉721处的第一声音驱动器(未示出)的声音组合。
[0054]类似于图6A至图6E中所示的喇叭配置，形成的声场750由于这些孔口 795的存在而受到不利影响，这再次引起波阵面730的局部阻滞或变形760，从而在这种情况下随着所述波阵面朝向喇叭口 740行进而引起所需的球形波阵面的部分反转(如图7A中所示)。这种影响是频率相依的并且显现为此频率下的修正极性图案，从而导致与其它频率下的波束角相比以及与如图4A至图4C中所描绘的没有任何接口区域的相同喇叭相比，辐射声音的波束角发生变化。
[0055]图7B示出在4000 Hz的标称频率下的极图，其中波束角比图4B中所示的等效简易声学喇叭更窄，并且如通过比较图7B和图6B可以看出，其再次进一步比图6A至图6E中所示的喇叭配置的波束角更窄。图7C和图7D示出在2828 Hz的选定频率下的波阵面和极图，其中波束角存在相当大的改变。与图6E—样，图7E是示出垂直波束角和水平波束角在500 Hz至8 kHz的频率范围内的变化的曲线图。再次注意到，与从如图4C中所描绘的具有干净侧面的简易声学喇叭获得的水平波束角相比，所述水平波束角显示出较小变化。如本领域的技术人员将理解的，如图7A和图7C中所描绘的从球形波阵面的偏离改变了在此频率和其它相关频率下的极性性能并且因此改变了波束角。
[0056]如从关于图6A和图7A中所描绘的喇叭配置进行的详细模拟可以看出并且如前面所讨论的，增添孔口以从第二驱动器引入声音引起所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角的显著改变。
[0057]现在参照图8A，示出有包括声学喇叭800的声学喇叭布置，所述声学喇叭800由位于其喇叭喉821处的第一声音驱动器(未示出)进行驱动。声学喇叭800进一步包括根据本发明的第一说明性实施方案进行适配的位于声学喇叭800的壁区域中的接口区域890，以用于从第二声音驱动器870引入声音。在这个说明性实施方案中，所述声学喇叭的所述接口区域是通过定位孔口(或多个孔口)895进行适配以大致最小化所述孔口的位于声学喇叭800的中心线880上的面积比例。在这个说明性实施方案中，所述孔口还大体上在声音从声学喇叭800朝向喇叭口 840传播的方向上为延长的，并且具有矩形狭缝配置。
[0058]通过不使一个或多个孔口 895的任何部分沿着声学喇叭800的中心线880或使其大致最小化，减少了变形对来自位于声学喇叭800的喇叭喉820处的所述第一声音驱动器(未示出)的声场的波阵面830的中心区域的影响。
[0059]将如图SC中所描绘的这个第一说明性实施方案的作为频率的函数的垂直波束角的变化与图6E或图7E中所示的垂直波束角的变化进行比较，可以看出，垂直波束角的变化显著减小，其中变化的程度更接近于针对如图4C中所描绘的不涉及从第二声音驱动器引入声音的具有干净侧面的简易声学喇叭所预期的变化。
[0060]展示了在4000 Hz的标称频率下的极图的图8B示出波束角与图6B和图7B中所示的极性响应相比加宽，从而接近图4B中所示的等效简易声学喇叭的极性响应。垂直波束角的性能的这种改善也可以在表I中看出，其中与关于图6和图7所描绘的布置相比，标准偏差(即，垂直波束角相对于平均垂直波束角的变化)得到显著改善。
[0061]如预期的那样，虽然与图4C中所描绘的简易声学喇叭相比，方形孔口或方形阵列接口区域的水平波束角的变化(如图6E和图7E中所示)和此方面的性能的改善(如图8C中所示)存在一些退化，但波束角性能的主要改善是相对于垂直维度。然而，水平波束角性能仍然存在一定改善。
[0062]现在参照图9A，示出有根据本发明的第二说明性实施方案进行适配的包括声学喇叭900的声学喇叭布置，所述声学喇叭900具有位于壁区域中的接口区域990，以用于从第二声音驱动器970引入声音。在这个说明性实施方案中，接口区域990已被适配成首先通过将孔口 995定位成离开声学喇叭900的中心线980并进一步通过将孔口 995大致与从位于声学喇叭900的喇叭喉921处的所述第一声音驱动器(未示出)生成的声音随着其朝向喇叭口 940行进的流线成直角或沿着其进行定向来减小作为频率的函数的波束角的变化。与第一实施方案一样，所述孔口也大体上在声音从声学喇叭900朝向喇叭口 940传播的方向上为延长的，并且具有矩形狭缝配置。在这种情况下，对于这种喇叭几何形状来说，适当的定向角度为8.5°。
[0063]如图9A和图9B中所示，通过采用这种配置的孔口 995 (即，定位成离开声学喇叭800的中心线980并进一步沿流线来定向所述孔口)，显而易见的是减少了变形对来自位于声学喇叭900的喇叭喉921处的所述第一声音驱动器(未示出)的声场的波阵面930的中心区域的影响。再次参照表I并且还参照图9C，显而易见的是这种布置通过(如所注意到的)降低标准偏差来进一步改善垂直波束角性能。再次注意到，与从如图4C中所示的具有干净侧面的声学喇叭获得的水平波束角相比，所述水平波束角显示出最小的变化。
[0064]推测将所述孔口离开垂直(或水平)中心线轮廓进行定向使得由于从所述第二声音驱动器所引入的声音引起的对声音沿着所述中心线轮廓的传播的影响较小，并且因此对垂直(或水平)波束角的影响较小。
[0065]如本领域的技术人员将理解，所述流线的角度和因此所述孔口的定向角度将根据所述喇叭的几何形状和配置而变化。一种用来确定用于定向所述孔口的适当的角度范围的近似方法是计算所述声学喇叭上的中心线与从喇叭喉向后投影并且正切于所述声学喇叭的喇叭喉的垂直轮廓的初始开始曲线的线的交点(即，对应于所述声学喇叭的初始开始角的一半)。实际上，这一点是所述声学喇叭的表观顶点并且可以被认为是从所述声学喇叭传播的波阵面的表观中心。然后，从这个点向前划到喇叭喉给声区段中、与所述孔口的建议位置相交并且从所述中心线偏移的线可以用来限定用于所述孔口的定向角度，因为这条线将大体上与源于所述喇叭喉的波阵面成直角，由此有效地限定在此位置处的流线的定向。[0066]在一个说明性实施方案中，对于在题为“Loudspeaker Horn” (于1980年5月6日提交并且其全部内容通过引用明确地并入本文中)并且对于本文所述类型的喇叭具有普遍适用性的美国专利4，308，932中所描述的类型的声学喇叭来说，根据经验发现，所述喇叭喉的开始的初始角度在所需的覆盖角度的60%与90%之间变化。对于位于由所述中心线限定的位置与由所述喇叭的开始角度限定的位置之间近似一半处的孔口来说，发现所述孔口的最佳定向处于所述喇叭喉的初始开始角度的一半的40 %至60 %的范围内。
[0067]在这个说明性实施方案中，34°的初始开始角度是所需的覆盖角度(标称90° X50° (HXV))的近似70%。因此，在这个说明性实施方案中，对于对应于17°的半开始角度来说，已发现8.5°的孔口定向角度是优选的。
[0068]现在参照图10A，示出有根据本发明的第三说明性实施方案的包括声学喇叭1000的声学喇叭布置，所述声学喇叭1000具有位于声学喇叭1000的壁区域中的接口区域1090，以用于从第二声音驱动器1070引入声音。在这个说明性实施方案中，接口区域1090包括两个适当成角度的锥形或楔形狭缝孔口 1095，其中锥点位于声学喇叭1000的喇叭喉入口1021端处并从中心线1080向外朝向所述声学喇叭的喇叭口端1040张开。再次，减少了变形1060对来自位于声学喇叭1000的喇叭喉1021处的所述第一声音驱动器的声场的波阵面1030的中心区域的影响。
[0069]如通过比较图1OC与图8C的垂直波束角的变化并比较表I中的相对标准偏差可以看出，与第一说明性实施方案的矩形狭缝孔口相比，在这个说明性实施方案中，垂直波束角的作为频率的函数的平滑度得到显著改善。再次注意到，与从如图4C中所示的具有干净侧面的声学喇叭获得的水平波束角相比，所述水平波束角显示出最小的变化。类似地，图1OB示出在4000 Hz的标称频率下极性响应的显著改善,从而接近图4B中所示的等效简易声学喇叭的极图。
[0070]现在参照图11A，示出有根据本发明的第四说明性实施方案的包括声学喇叭1100的声学喇叭布置，所述声学喇叭1100具有位于声学喇叭1100的壁区域中的接口区域1190，以用于从第二驱动器1170引入声音，所述第四说明性实施方案表示所述第三说明性实施方案的所述锥形布置的进一步细化。在这个说明性实施方案中，接口区域1190同样包括两个成角度的锥形或楔形狭缝孔口 1195，但在这个实施方案中，锥形或楔形狭缝孔口 1195的宽度被保持为所述声学喇叭的尺寸特性的大致恒定比值。
[0071]在这种情况下，所述尺寸特性是所述声学喇叭的周长，因为其随着孔口 1195的长度的增大而增大，并且所述恒定比值是0.165。在这个实施方案中，随着其朝向喇叭口 1140行进，来自位于声学喇叭1100的喇叭喉1121处的所述第一声音驱动器的声场的波阵面1130的中心区域几乎没有改变，并且图1lB示出与图4B中所描绘的极图几乎等效的在4000Hz下的极图。
[0072]在另一个说明性实施方案中，所述尺寸特性是所述声学喇叭的渐增的横截面积。这可以在平面的基础上或在球形波阵面的基础上进行计算。通常在从喇叭喉向喇叭口移动时，声学喇叭的周长将遵循准指数规律，从而意味着孔口 1195的宽度将通过等效函数进行描述。在另一个示例性实施方案中，宽度的准指数变化可以通过宽度的线性增大来近似。
[0073]对于在整个说明中所考虑的特定声学喇叭来说，发现将所述孔口的宽度保持为所述喇叭的尺寸特性的恒定比值的布置提供了最有效的计算方法。如通过比较图1lC与图SC并比较表1中的相对标准偏差可以看出，它在减少垂直波束角的变化方面提供最佳性能。预期这是由于如图1OA中并且更优选地图1lA中所描绘的所述孔口的锥化，其提供对所述声学喇叭的特性的比由图5A至图并且特别是图6A至图6E和图7A至图7E中所描绘的孔口布置所引起的干扰更均匀的干扰。
[0074]现在参照图12A，示出有根据本发明的第五说明性实施方案的包括声学喇叭1200的声学喇叭布置，所述声学喇叭1200具有位于声学喇叭1200的壁区域中的接口区域1290，以用于从第二驱动器1270引入声音。在这个说明性实施方案中，接口区域1290包括两个适当地成角度的风筝形或钻石形狭缝孔口 1295。虽然具有比前面所述的第一实施方案和第二实施方案的狭缝形孔口更好的性能，但如图12C中所示并且如在表1中可以看到，垂直波束角曲线的平滑性没有与用锥形或楔形狭缝孔口所达到那样最佳。本 申请人:推测，随着超过所述风筝形状的最宽部分的长度增加，面积增加速度的逐渐降低可能引入对这种配置的声学喇叭的特性的非均匀干扰。
[0075]表1中示出到目前为止所描述的声学喇叭布置的垂直波束角性能的表格式总结。它是以1/12倍频程间隔在I kHz到8 kHz的频率范围内进行计算的。波束角的数值是在3米距离处从所计算出的极性响应获得的。如前面已讨论的，可以看出，现有技术的孔口配置产生了垂直波束角相对于频率的相当大的变化，如标准偏差(Std Dev)的较大数值所证明的，而根据本发明的孔口配置则显示出波束角并且特别是垂直波束角的平滑度的相当大的改善，这种改善达到了标准偏差可与具有干净侧面的基线声学喇叭可能实现的标准偏差相比的程度。
【权利要求】
1.一种声学喇πΛ布置，其包括: 声学喇叭； 第一声音驱动器，其可操作来驱动所述声学喇叭； 第二声音驱动器，其进一步可操作来驱动所述声学喇叭；以及接口区域，在所述接口区域处来自所述第二声音驱动器的声音传递到所述声学喇叭中以与来自所述第一声音驱动器的声音组合，其中所述接口区域被适配成减小所述声学喇叭的作为频率的函数的波束角量度的变化。
2.如权利要求1所述的声学喇ΠΛ布置，其中来自所述第一声音驱动器的所述声音是在第一频率范围内生成，并且来自所述第二声音驱动器的所述声音是在第二频率范围内生成。
3.如权利要求1或2所述的声学喇口八布置,其中所述第一声音驱动器位于所述声学喇叭的喇叭喉处。
4.如前述权利要求中任一项所述的声学喇叭布置， 其中所述声学喇叭布置具有恒定方向性特性。
5.如前述权利要求中任一项所述的声学喇叭布置，其中所述声学喇叭布置的配置限定了所述声学喇叭的垂直方向和水平方向，并且其中所述接口区域被适配成减小所述声学喇叭的作为频率的函数的垂直波束角的变化。
6.如前述权利要求中任一项所述的声学喇叭布置，其中所述接口区域包括至少一个孔口，并且其中所述至少一个孔口被定位成大致最小化所述至少一个孔口的位于所述声学喇叭的中心线上的面积比例。
7.如权利要求6所述的声学喇叭布置，其中所述至少一个孔口大体上在从所述声学喇叭传播声音的方向上为延长的。
8.如权利要求7所述的声学喇叭布置，其中所述至少一个孔口被定向成沿着来自所述第一声音驱动器的所述声音的流线。
9.如权利要求7或8所述的声学喇叭布置，其中所述至少一个孔口具有矩形狭缝配置。
10.如权利要求7或8所述的声学喇叭布置，其中所述至少一个孔口具有锥形或楔形狭缝配置。
11.如权利要求10所述的声学喇叭布置，其中所述锥形或楔形狭缝配置的宽度被保持为所述声学喇叭的尺寸特性的大致恒定比值。
12.如权利要求11所述的声学喇叭布置，其中所述尺寸特性是所述声学喇叭的周长。
13.如权利要求11所述的声学喇叭布置，其中所述尺寸特性是所述声学喇叭的横截面积。
14.如权利要求7或8所述的声学喇叭布置，其中所述至少一个孔口具有风筝形配置。
15.如权利要求7或8所述的声学喇叭布置，其中所述至少一个孔口具有截顶风筝形配置。
16.如权利要求1至15中任一项所述的声学喇叭布置，其中所述声学喇叭具有矩形横截面。
17.如权利要求1至15中任一项所述的声学喇叭布置，其中所述声学喇叭具有椭圆形横截面。
18.如前述权利要求中任一项所述的声学喇叭布置，其中所述接口区域进一步被适配成修正由在所述接口区域与所述第二声音驱动器之间形成的空腔引起的空腔共振频率，以便大致最小化所述空腔共振频率对所述第一声音驱动器的轴上频率响应的影响。
19.如权利要求18所述的声学喇叭布置，其中所述接口区域被适配成通过相位塞部件来修正所述空腔共振频率，所述相位塞部件并入有将所述第二声音驱动器的空气空间连接到所述声学喇叭中的空气的孔口。
20.一种声学喇叭布置，其包括可操作来由第一声音驱动器驱动的声学喇叭，所述声学喇叭布置进一步包括两个或更多个额外声音驱动器，每个所述额外声音驱动器通过相应的接口区域将声音引入到所述声学喇叭中，其中用于所述两个或更多个额外声音驱动器中的每一个的所述相应接口区域被适配成减小根据权利要求1至19中任一项所述的声学喇叭的作为频率的函数的波束角的变化。
21.—种声音再现系统,其包括如权利要求1至20中任一项所述的声学喇口入布置。
22.—种接口布置，其用于将来自次级声音驱动器的声音传递到由第一声音驱动器驱动的声学喇叭中，所述接口布置包括相位塞部件以限定由所述次级声音驱动器和接口区域限定的空腔的路径长度和空气体积，其中所述相位塞部件被适配成修正空腔共振频率以大致最小化所述空腔对所述第一声音驱动器的轴上频率响应的影响。
23.如权利要求22所述的接口布置，其中所述相位塞部件并入有将所述第二声音驱动器的空气空间连接到所述`声学喇叭中的空气的孔口。
【文档编号】H04R1/20GK103782610SQ201280030518
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月22日
【发明者】大卫·约翰·墨菲 申请人:克里克斯扬声器私人有限公司