均衡动量惯性导管的制造方法与工艺

均衡动量惯性导管本申请要求在2011年7月12日申请的申请号为61/506992分案申请的优先权，并将该申请作为参考引入本文。技术领域本发明涉及音响系统，特别是指音频转换器外壳的导管。

背景技术：
在本部分中，包含有助于理解本发明主题的信息。这并不意味着本文中提供的任意信息均为现有技术或均与本发明主题相关，或者说，这并不意味着具体或隐含引用的任意公开内容均为现有技术。转换器（即扬声器）是一种公知的装置，通常包括由音圈驱动的辐射面（例如圆顶面、隔膜、薄膜、锥体面等）。电流通过放大器施加至音圈，由此在音圈周围产生了电磁场。电磁场与静态磁场相互作用，引起音圈和辐射面的振动，由此产生了声波。为了改善转换器的声波频率范围，可将转换器置于一具有导管（还可被称为“管口”（port））的外壳内侧，或将转换器连接于该外壳。凭借转换器辐射面的振动，外壳内侧的空气被强制排出导管。由此产生的声波，其频率低于直接由转换器辐射面产生的声波。专利号为1,869,178的美国专利公开了带有导管的转换器外壳实例。本文引用了作为音响系统的转换器、外壳与导管的组合。同单独转换器的相比，音响系统一般可以提供更大的频率范围，并可提高听者的体验。通过引用，将专利号为1,869,178的美国专利以及本文中讨论的所有其他外部材料结合进本文。其中，某类术语在结合的参考文献中的定义或使用与在本文中是不一样或相反的。此处，适用该类术语在本文中的定义，而非参考文献中的定义。在音响系统中，导管的常见问题是高声压级（SPL）上的过度噪音。由于声压级与音量（例如，响度）直接相关，较差的导管设计会严重限制音响系统的声学性能。本文中使用的“声学性能”一词指的是音响系统产生带有期望属性的声波的能力。期望的声学属性随应用的变化而不同。举例而言，期望的声学属性可包括：在高音量情况下输出大音频范围而同时产生很少噪音或不产生噪音的能力。本文中使用的“噪音”一词通常是指输入信号之外的声波。音响系统导管中噪音的主要来源是沿导管内部长度方向产生的以及在出口处产生的边界层分离（即流动分离）和涡流。为了避免产生边界层分离和涡流，音响系统的设计者们一直遵循着这样一种设计规则，即保持导管空气输出速度低至音速的5%（大约17m/s），具体可参考作者为RichardSmall的“反射箱式扬声器系统-第二章：大信号分析”（Vented-BoxLoudspeakerSystemsPartII:Large-SignalAnalysis）（JAES（音响工程协会期刊），1973年七月/八月，第六期第21卷）。遗憾的是，这种设计规则使导管具有能够产生设计共振的较大横截面积和长度。对于微型音响系统（例如智能电话、平板电脑、平板显示器等）而言，这种设计规则会设计出无法令人满意的声学性能。作为另外一种方法，一些设计者将导管设计为呈喇叭形展开的形状（即：横截面呈由大到小变化后又变大的导管）。具体可参考专利号分别为5714721、5892183、7711134的美国专利文献以及公开号为WO90/11668的国际专利申请。这种呈喇叭形展开的形状有助于减少导管出口处的涡流，对于设计共振而言，可获得较上述“5%规则”设计的导管要小的导管。专利号为5,714,721的美国专利介绍了另一种方法，其中，导管具有在“大-小-大”之间平顺变化的横截面形状。这种导管的横截面形状可以使导管中的气流膨胀和压缩，由此可使气流流出速度低于建议的5%音速。专利号为5,892,183的美国专利还披露了一种导管。该导管具有大约扩张7°的横截面以及抛物线轮廓，能够避免边界层分离。遗憾的是，这些设计无法完全优化任意给定空间限制的声学性能。专利号为7,711,134的美国专利还介绍了另一种方法，其中，导管横截面被设计为压力梯度函数。具体而言，将导管设计为能够获得恒定的压力梯度。在公开号为WO90/11668的国际专利申请中披露了类似的方法，该专利申请公开了一种具有椭圆形/双曲线轮廓的导管。虽然这种方法在某些方法具有一些优点，但该方法将导管设计过度地限制在了那些仅能够产生恒定压力梯度的形状和结构上。更为要紧的是，该方法没有考虑那些影响边界层分离的真正潜在因素，无法完全优化任意给定空间限制的声学性能。虽然这些方法能够对先前的音响系统作出一些改进，但它们没有考虑那些影响音响系统性能的真正潜在因素。而比较有益的是：能够提供一通过考虑了影响声学性能的潜在因素而较好地优化一定限制空间内的声学性能。因此，仍然有必要改进导管设计和导管设计规则。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种装置、系统及方法，其中音频转换器外壳的导管具有由如下方程式描述的轮廓：其中，1.0≤a≤1.5且0.5<c≤1.5。本发明还提供了一种装置、系统及方法，其中音频转换器外壳的导管具有一种导管轮廓，该导管轮廓具有如下特征：（i）保持流经所述导管的流体的动量大于所述导管内任意位置上的逆压梯度，从而避免发生边界层分离；以及（ii）使出口端的流体的动量约等于零。一方面，本发明提供了一种能够优化可用空间的导管，以提供最佳的声音质量和声学性能。通过结合了附图的如下具体实施例，详细介绍本发明的各个目标、特征、方面和有益效果。在这些附图中，相似的部件由相似编号进行标记。附图说明图1为音响系统示意图；图2为导管轮廓示意图；图3为其他导管轮廓示意图及侧视图；图4为解释边界分离的曲线图；图5为导管轮廓设计方法的原理图；图6为另一导管轮廓设计方法的原理图。具体实施方式下述内容提供了一些本发明主题的具体实施例。尽管各实施例仅代表本发明要素的单一组合，但本发明主题包括了公开要素的所有可能组合。因此，如果某一实施例包括要素A、B和C，而另一实施例包括要素B和D，则即便为明确公开，本发明主题也可包括要素A、B、C或D的其他剩余组合。不难理解，公开的装置和技术，包括音响系统的改进导管设计可以实现一些有益的技术效果。图1示出了音响系统100。该音响系统100包括外壳105、与外壳105连接的音频转换器110以及导管120。当一信号被施加至转换器110时，音响系统100在转换器110和导管120上产生声波。具体而言，音频转换器110具有一辐射面（例如穹顶膜、隔膜、薄膜、锥形膜等）。当一信号被施加至转换器110时，该辐射面产生振动。由于辐射面产生振动，从而排放空气产生声波。转换器110可以是适于通过空气位移产生声波的任意转换器。音频转换器是公知技术，且该技术正不断发展。本发明并不受限于任何特定的转换器结构。外壳105可由任意材料制成，并具有适于满足用户规范需要的任意形状。音响系统的外壳也是公知技术，而且本发明并不限于任何特定的外壳结构。在一些实施例中，外壳105可包括木质箱体。在其他实施例中，外壳105可以是诸如智能电话、笔记本电脑、平板显示器或电视等其他装置的外壳，并且甚至可以包括除上述装置外的装置的外壳。在更多的其他实施例中，外壳105可以包括其他装置外壳内的隔间。图2示出了导管120的轮廓。导管120包括第一端130、第二端140和长度150。轴线x、y的使用出于表述目的。导管120的长度150平行于x轴线延伸。沿x轴线的各点上，导管120的横截面积表示为A(x)。第一端130和第二端140的横截面积均为A2。从概念上讲，通过围绕x轴线以一定半径旋转生成轴对称几何图形，可以形成导管120。但是，这些本领域普通技术可用来解释本发明能够应用于诸如具有非直线长度（例如，曲线长度）且具有不规则横截面的导管等非对称几何形状。仅出于使本发明介绍简而易懂的目的，使导管120具有轴对称形状。导管120的第一端130位于外壳105的外表面，且具有一出口（或出气口）。第二端140位于外壳105的内表面，且具有一进气口。当转换器110工作时（即转换器110的辐射面振动时），通过第二端140将空气引入导管120，并通过第一端130将空气排出外壳105。流出第一端130的空气的惯性质量与外壳105发生共振，由此产生频率低于由转换器110辐射面单独产生（即：与外壳105或导管120无关）的声波频率的声波。流过导管120的空气具有多种对于声学性能和声音质量而言是比较重要的属性。其中的一些属性包括速度、动量、压力、压力梯度以及流动型（例如，层流、湍流）。举例来说，同较低的空气流速相比，较高的空气流速能够在任意给定频率上产生较高的声压级。但较高的空气流速还在导管出口产生湍流，从而产生噪音。气流的属性与导管120的几何属性直接相关。照此，导管的长度、横截面形状、展开角度及其它属性是决定学性能的重要因素。举例来说，位于导管120端部的喇叭口能够通过在分离开始之前降低空气流速来减少湍流的出现。本文中涉及的本发明导管及导管的设计规则提供了一种较为灵活的设计方法。该方法能够在给定的空间限制中获得较好的声学性能，或能够获得满足给定声学性能要求的较小的导管封装。除了降低空气流速会维持恒定的压力梯度之外，本发明涉及的方法主要包括：（i）维持通过导管的气流的动量大于导管中任意位置上的逆压梯度，从而避免发生边界层分离的发生；以及（ii）使气流流出动量近乎于零。根据流体动力分析，可充分了解该设计方法的有益效果。流体动力基本原理最基本的流体动力分析包括两个控制方程。第一个是连续方程，其描述了质量守恒定律如下：下图解释了质量守恒定律，其中V为速度，A为面积，ρ为密度:第二个是伯努利方程，其描述了能量守恒（注意：已忽略势能-该分析假设导管或为水平或长度足够短，以使任意势能由于提升而非常微小）：为使上述方程式有效，需满足下列假设：1.导管进气口和出气口具有相同的流速。导管的控制容积具有恒重。2.流体不可压缩：a.为了绝热操作（有效于线性声学），最大速度小于音速的30%（V<100m/s）。3.流体无粘性（无粘度）a.无边界层分离，空气沿着带有匀速轮廓法线的轮廓和谐地移向横截面。第一、第二假设对于本文涉及的音响系统而言相对准确。换句话说，由于导管流中出现了边界层，使得第三假设显得极其不准确。这些分析的结果仍然给出了颇有见解的结论，但并不是有说服力的。推导根据质量守恒定律和流速，求出速度与导管横截面积之间的关系如下：其中，导管内位置x上的速度是输入速度、输入面积与位置x上的导管横截面积之比。伯努利方程求出导管中任意位置x上的流体压力如下：其中，p1,V1,A1分别为输入的压力、速度和面积。方程式（4）的微分求出压力梯度：将方程式（3）带入方程式（5），求出压力梯度与流速之间的关系如下：该压力梯度还被认为是逆压梯度，即在导管中使流体减速的压力（即单位面积压力）。为了减少声导管的音响缺陷，使压力梯度与降低流速的流体动量相逆。为了使流体保持与导管壁之间的接触并避免边界层分离，需要平衡这些对抗力。边界层分离是非粘性方程式无法描述的非常严重的不良效应—这些方案在此给出了引人关注的见解。求压力梯度方程式（5）的积分，从而得到任意点x上的面积与在该点上的压力梯度之间的关系如下：当x=0时，可通过设置边界条件，定义积分衡量如下：因此，对于任意非粘性不可压缩流体而言，总是存在如下关系：气流在被控量中具有受质量守恒支配的速度变化。该速度变化会产生受伯努利方程支配的压力。微分这一压力可获得导管气流的逆压梯度。各导管（半径/面积）轮廓具有唯一的速度变化特征、压力变化特征以及压力梯度变化特征（分别表示为方程式（3）、（4）和（5））。实例1-椭圆形导管举例而言，如下导管轮廓为采用椭圆形半径的轮廓。其中，c为恒量（0<c≤1）。当c等于0时，导管使用围绕x=0的椭圆曲线。当c=1时，导管使用沿着主轴的完全椭圆的形状。需注意的是：A(x)=π·r(x)2。当c=1时示出的导管的剖面图如下：当c=1时示出的速度变化图如下：当c=1时示出的压力变化（与周围环境压力有关）图如下：当c=1时示出的压力梯度变化（）图如下：实例2-恒定的压力梯度另举一例，其中逆压梯度保持恒定在这种情况下，当0<x<L，且L表示导管长度（即，在方程式（9）中带入x=L）时，下列方程式结果：则作为导管位置函数的导管面积为：或者，如果面积被表达为圆截面，则半径为：能够实现恒定压力梯度（围绕y=0轴对称）的导管的剖面图实例如下：恒定压力梯度导管的速度变化图如下：恒定压力梯度导管的压力变化图如下：恒定压力梯度导管的压力梯度变化图如下：请注意压力梯度是如何“大致”保持恒定的。方程式（12）的一般解决方案在方程式的推导中，如果压力梯度未保持恒定，则可推导出更加泛化的方程式。设定其中f(x)是可积分的，从而使∫f(x)dx=g(x)+c。这样，方程式（12）和（13）为：方程式（14）的较为泛化的形式可书写如下：如果b·c=1，则管口校正有效，A(x=L)=A2，而方程式（16）可被简化如下：当时，使用伯努利方程从导管的逆压梯度变化中推导出上述方程式。这是恒定压力梯度实例的必要条件。如果g(x)=x,a=1,而则该方程式正是专利号为7711134的美国专利文献所公开的方程式。然而，当g(x)≠x,a≠1,或则该形状并未被专利号为7711134的美国专利文献公开。抛物线速度变化存在多种满足方程式（17）的导管形状。例如，如果将方程式（3）中的速度变化设计为抛物线，则面积方程式则如下：其中，当g(x)=x,a=2,而c=1时，上述方程式为泛化形式。速度变化呈抛物线形的导管的剖面图如下：速度变化呈抛物线形的导管的速度变化图如下：速度变化呈抛物线形的导管的压力变化图如下：速度变化呈抛物线形的导管的压力梯度变化图如下：坡度恒定的速度变化满足方程式（17）的导管轮廓的另一实例在于：导管轮廓是由从方程式（3）中推导出的坡度恒定（即，线速度）的速度变化产生的。其中，当g(L)=L,g(x)=x,a=1,而c=1时，上述方程式为泛化形式。速度变化坡度恒定的导管的剖面图如下：速度变化坡度恒定的导管的速度变化图如下：速度变化坡度恒定的导管的压力变化图如下：具有坡度恒定速度变化的导管的压力梯度变化图如下：现有设计方法中反复出现的缺陷在于缺少对声学性能粘滞效应的认识。边界层分离（能够产生涡流和有害噪声）一定具有边界层。众所周知，边界层分离时，必定存在逆压梯度（例如，带有展开的横截区域的导管轮廓）。逆压梯度的存在并不是边界层分离的充分必要条件。但是，当流体的动量小于压力梯度时，边界层分离的几率会比较高。边界层动量方程式（表示为边界壁上的剪切力）如下：其中：●τw为边界壁上的剪切力●V为任意位置x上的流量剖面的最大速度●δ*为有效的边界层厚度，其定义如下：●θ为有效的动量厚度，其定义如下：●u为任意位置x上的速度变化，该速度变化为关于y（或者在轴对称情况下关于r）的函数。图4示出了对边界层分离的说明。使用微分链式法则展开动量方程：回顾方程式（6），可将压力梯度带入动量方程。当动量方程等于0时，将开始边界层分离，这样：其中，β项为任意位置x上的流量边界层属性。所有其他项：V、同样是关于位置x的函数。β本身相当复杂，而目前针对上述导管轮廓，可按数值求解。一种简化方式（尽管不精确）将β作为恒量进行处理，并仅在导管出口对其进行逼近（approximate）处理。本文中记载的本发明导管设计方法的一个方面在于：以预先求出的β平衡化动量方程，从而使速度以及压力梯度保持平衡（例如，归零）。这意味着导管流的速度在导管出口处已降至最低的可能速度，而在导管流中不存在边界层分离。在现有的导管设计方法中并未披露当流速在扩张导管轮廓过程中降低时通过减少逆压梯度影响的方式平衡化动量方程。换句话说，当导管流速度达到最快时，压力梯度应该较大，而当导管流速度较小时，逆压力梯度应该较小。具有这种一般特性的几何轮廓实例为能够实现重复线速度变化的几何轮廓：根据轴对称半径表示这一轮廓，则导管轮廓为：如下图示出了获得平衡化动量方程从而使出口流速为0的导管剖面实例。下图由动量峰值归一化，从而使动量方程范围最大值为1。曲线图中的x轴为x与导管剖面长度之比（x/L）。该比值始终在0与1之间的范围内。需注意的是，这一表达式仅用于整条导管的半部分。本发明所要实现的目的在于设计一种能够使导管中空气流减速的导管。平衡化动量方程、消除边界层分离的可能性以及优化动量方程，从而使出口处的动量为零。本发明可使流速在任意边界层分离之前达到最小值，从而降低了在导管内部形成涡流的可能性。综上所述，本发明涉及如下内容：1）由表示在方程式（19）和（26）中的大致为线性的速度推导出的导管剖面。2）保持数值有利（≥0）从而可在导管中避免产生边界层分离的动量方程式（20）的平衡。3）优化动量方程式（20），从而在导管出口平衡化动量方程式，设置数值等于零或约等于零（=0或0），保证将导管内的平均流速在不发生任何边界层分离的情况下尽可能地降至最低。需注意的是：第（2）和第（3）项并不受限于第（1）项中所述的导管剖面。本方法适用于可视化所有动量方程式被平衡化的导管剖面。可以确定的是第（1）项中所述的导管剖面是符合要求且具有上述有益效果。图3示出了导管300的剖面。导管300通常包括一具有进气端310、出气端320和长度330的中空的细长部件。导管300是根据上述本发明原理设计出的。这样，导管300具有能够保持其内气流体的动量大于遍布整条导管300的逆压梯度的几何形状。这样，在导管300内不会产生边界层分离。此外，导管300还具有能够将其出气端310处的气流体动量降至约等于零的几何形状。图5示出了音响系统导管设计方法500的原理。该方法500首先设置了导管第一端的第一面积A1，导管第二端的第二面积A2，以及导管长度L。之后，计算导管（即管口）与箱体之间的共振。如果共振恰当，则进行动量平衡化处理。如果共振不恰当，则修改A1、A2和L，并重复执行计算导管共振的步骤。类似地，如果动量方程式不平衡，则调整A1、A2和/或L，并重复执行前述步骤，直至全部满足上述条件（共振恰当和动量方程式平衡）。图6示出了方法600的原理。步骤610包括：计算关于位置和导管几何形状的流过导管的流体动量函数。步骤620包括：计算关于位置和导管几何形状的流体压力梯度函数。步骤630包括：推导出导管轮廓，使其具有如下特征：（i）保持流经导管的流体动量大于导管内任意位置上的逆压梯度，从而避免发生边界层分离；以及（ii）使出口端流体动量约等于零。除非在上下文中有明确相反的说明，否则本文中阐明的所有范围均应被解释为包括其端点的范围，而开放式范围应被解释为仅包括在商业上具有实际价值的范围。类似地，所有数值清单应均应被认为已包含了中间值，除非上下文中由明确相反的说明。除上下文另有指出之外，在本文中使用的术语“连接到”（coupledto）既有直接连接（两个部件彼此连接，彼此接触）之义，又有间接连接（至少一个其他部件介于这两个部件之间）之义。因此，可将术语“连接到”和“与……连接”（coupledwith）作为同义词使用。本文中公开的本发明主题的可选要素或实施例的分组并不用以限制本发明主题。可单独参考并保护各分组要素，或以分组要素间或分组要素与本文中可找到的其他要素间的任意组合的形式参考并保护分组要素。可出于方便和/或专利性的考虑，对分组中的一项或多项要素进行整合或删除。在进行任意整合或删除时，本说明书可被视为包含了修改后的分组，由此完成了在随附权利要求书中使用的所有马库什分组（Markushgroup）的书面描述。显而易见地，对于本领域一般技术人员而言，是可以在不脱离本发明构思的前提下做出除上述内容中描述内容之外的改进。因此，除非是在随附的权利要求书中，否则本发明主题不受限制。此外，在解释说明书及权利要求书时，应以符合上下文的最宽泛的方式解释所有术语。特别地，应以非排他的方式将术语“包括”应解释为涉及要素、构成部分或步骤，表明可包含或利用涉及的要素、构成部分或步骤，或表明涉及的要素、构成部分或步骤可与未明确涉及的其他要素、构成部分或步骤结合。当说明书和权利要求书涉及到“从包含A，B，C和N的分组中选出的至少一项”时，此时该内容应该解释为仅需要该分组中的一个要素，而不是需要该分组中的A以及N，或该分组中的B以及N等。