一种全息立体静电扬声器的制作方法

本发明涉及音响技术领域，尤其涉及一种全息立体静电扬声器。

背景技术：

音响在实现声音的立体成像时，有模拟生物感觉成像和物理波场再现两种思路。

生物感觉成像方法是在人体两耳位置模拟波场的差异，使大脑得出音源位置的感觉。目前技术主要通过左右音量差异来实现，实际上并未真正实现波场的再现。目前有一种头戴式全息音响技术，以模拟人头周围音场的方式，实现前后左右拾音和放音，但听音者必须头戴该耳机才有全息音响(全围绕音响技术)效果，容易影响听音者的现场感和舒适感。

物理波场再现方法是在较大范围的四维空间中再现声波波场，听音者处于该四维空间中，不需要佩戴任何设备，无论姿态如何，自然就有了立体的听音感觉。

上述两种方法的明显差异主要有以下三点：

1、物理波场再现方法的实施难度较大，关键在于能否保持波场方向性；

2、听音者的位置和姿态的局限，即音像是否随着听音者的走动而飘浮不定；

3、深度和广度的局限，即音像是否只能出现在一个薄片状区域内。

现有音响只具备对声音振动的频率、振幅、相位等信息的捡拾和回放功能，不具备对振动方向及波场形态的检拾和回放功能。简而言之，就是丢失了波动的方向性特征。丢失方向性特征的原因，就在于以振膜直接检测和驱动空气介质的工作方式。这种工作方式不仅丢失方向性，还存在以下缺陷：

1)声电、电声转换效率低

目前的扬声器一般是单振膜结构，振膜直接驱动空气介质，相当于挥拳击打空气却使不上劲，效率当然就低。技术上称其为声阻抗不匹配。目前多以增加机械阻尼的方法来解决这个问题，例如弹波和振膜边设置较强的阻尼等。然而机械阻尼会耗费能量，损失了能量效率就会变低。

2)效率与保真度的矛盾比较严重

图1是根据相关技术的扬声器声音短路与方向性特征示意图，如图1所示，单振膜的正前方波前面为局部球面，球面圆心在振膜稍后位置处，扬声器的振膜直接驱动空气介质振动，振膜前后的声压是完全相反的，这导致空气在振膜周围流动而不振动，稍微远一些，声压就急剧下降，效率很低，技术上称其为“声音短路”。

单振膜电声转换过程中容易出现效率低下和方向性丢失的问题。现有技术是以封闭箱或倒向孔的方法来解决声音短路的问题。图2是根据相关技术的封闭箱技术示意图，如图2所示，以封闭箱填吸音材料的方法可以解决声音短路问题，其频率响应与音箱容积有关，具有非均衡性。同时，振膜背面的能量被完全吸收损失，导致效率较低。图3是根据相关技术的倒相孔技术示意图，如图3所示，以音箱安装倒相孔的方法，可以进一步提高波长为λ的声波的发声效率，该频率就是峰值频率。随着频率的变化，相消相加还会交替出现，导致频响曲线跳跃不平坦，需要利用各种因素配合做平，具有相当大的技术难度。由此可知，封闭箱损失了振膜后的能量，效率较低；倒向箱效率高，但倒向路径的长短具有较强的选频特性，且在频带上重复跳跃，导致频响变差，这就产生了效率与保真度的矛盾。

3)丢失空间方向性，立体定位浅薄漂浮，不准确不真实。

振膜直接驱动或检测空气介质的振动，还存在一个缺陷，就是转换过程丢失了振动的方向性。传统技术中所说的方向性是指向性，一般指的是灵敏度与声波传播方向之间的关系，振动的方向蕴含在振幅里。现有技术中，任何方向形状的来波，回放时都是振膜面垂直振动驱动，如图4所示的现有立体放音技术示意图，图4中包括左放音系统和右放音系统，声波波场中的波传播一段距离，会以振膜中点为圆心散开(如图4中圆弧所示)，无法准确模拟现场声波波场的空间分布形态，理想的放音方向和听音者感觉到的方向出现偏差，这对实现立体声场的回放是非常不利的，会有定位不准确，远近无层次，声像随听音位置和姿态漂浮的缺陷。

现有的静电扬声器作为一种扬声器的一种，是以两层通透金属网夹一张绷紧的中高电阻导电薄膜的三文治结构。导电膜接高压静电，两层金属网施加高阻抗正负高压声功率，以变化的电场力推挽式驱动单振膜形成声波的技术，也无法实现全息立体声场的回放。

针对现有技术中扬声器无法实现全息立体声场回放的问题，目前尚未提出比较有效的解决方案。现有的全息耳机式和影院环绕音棚方法，主要也还是以生物听觉重构为主导思路，不是物理声场的重构。

技术实现要素：

本发明提供了一种全息立体静电扬声器，以至少解决全息立体声场回放的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种全息立体静电扬声器，包括：内层正多面体结构，中间正多面体结构及外层正多面体结构；

所述内层正多面体结构与外层正多面体结构的每条棱均为绝缘材料，每个面均为金属网；所述中间正多面体结构的棱为金属材料，每个面为中高阻导电薄振膜；

所述中间正多面体结构的至少部分棱分别与所述内层正多面体结构的至少部分棱及外层正多面体结构的至少部分棱固定连接，使得中间正多面体结构的面与所述内层正多面体结构的对应面及外层正多面体结构的对应面相互平行。

一实施例中，所述中间正多面体结构与所述内层正多面体结构及外层正多面体结构之间通过多条连接棱固定连接。

一实施例中，所述中间正多面体结构与所述内层正多面体结构及外层正多面体结构之间通过多条连接片固定连接。

一实施例中，所述振膜被设计为与内层正多面体结构及外层正多面体结构形成的内外空间的气态介质尽可能保持一致的动力学特性。

一实施例中，所述内层正多面体结构每个面上的金属网之间相互绝缘。

一实施例中，所述外层正多面体结构每个面上的金属网之间相互绝缘。

一实施例中，所述内层正多面体结构及外层正多面体结构的金属网上预置接线焊接点，形成相应的多个金属网电极，作为多相全息音频功率信号的正负极输入；所述中间正多面体结构的棱上预置一接线焊接点，接静电高压，并通过静电高压与输出变压器中点连接。

一实施例中，以所述外层正多面体结构的其中一个面为水平面，该水平面的几何中心与该面所在的正多边形的一个角的连线作为方向指标。

一实施例中，还包括：金属网保护外壳，设置在所述外层正多面体结构外，所述金属网保护外壳预留接线出孔。

通过本发明的全息立体静电扬声器，具有对上下左右前后不同方向的声源的响应，在每个方向上的强度和相位都不同，回放可延续记录现场的真实波场方向，全息立体静电扬声器可以物理波场局部再现的方式，实现全息立体的音响效果，是全息立体音响技术的最后环节。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是根据相关技术的扬声器声音短路与方向性特征示意图；

图2是根据相关现有技术的封闭箱技术示意图；

图3是根据相关技术的倒相孔技术示意图；

图4是根据相关技术的现有立体放音技术示意图；

图5是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器的结构分解示意图；

图7A为正四面体的一个面与音响功放接线示意图；

图7B为正四面体的四面与四路音响功放接线示意图；

图8是根据相关技术的单通道系统实测输出示意图；

图9是根据本发明实施例的单路全息立体音响系统实测输出示意图；

图10是根据本发明实施例的全向均衡振动放音结构示意图；

图11是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器在各向相位振幅相等时的球面波场示意图；

图12是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器在各向相位振幅差时椭圆球面波第一示意图；

图13是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器在各向相位振幅差时椭圆球面波第二示意图；

图14是根据本发明实施例的双路全息立体静电扬声器的工作原理示意图；

图15是根据本发明实施例的双路全息立体静电扬声器的剧场效果示意图；

图16是根据本发明实施例的双路全息立体静电扬声器的后环绕影院效果示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了实现扬声器的全息立体放音效果，本发明提供了一种全息立体静电扬声器，其在空间结构上是各向均等平衡的，这是现有技术中扬声器都不具备的结构优势，利用这个结构优势可实现全息立体放音。下面对全息立体静电扬声器的具体结构进行介绍。

本发明实施例的全息立体静电扬声器包括：内层正多面体结构，中间正多面体结构及外层正多面体结构。

内层正多面体结构的每条棱均为绝缘材料，每个面均为金属网；外层正多面体结构的每条棱均为绝缘材料，每个面均为金属网；中间正多面体结构的棱为金属材料，每个面为振膜。

中间正多面体结构的至少部分棱分别与内层正多面体结构的至少部分棱及外层正多面体结构的至少部分棱固定连接，使得中间正多面体结构的面与内层正多面体结构的对应面及外层正多面体结构的对应面相互平行。

本发明实施例的全息立体静电扬声器的内层正多面体结构、中间正多面体结构及外层正多面体结构，可以为正四面体、正六面体、正八面体等多种结构，本发明仅以正四面体为例进行说明，并非用于限定。

图5是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器的结构示意图，如图5所示，该全息立体静电扬声器包括：内层正四面体结构，中间正四面体结构及以外层正四面体结构。

外层正四面体结构的每条棱501均为绝缘材料，每个面均为金属网502；内层正四面体结构每条棱均为绝缘材料，每个面均为金属网；中间正四面体结构的棱为金属材料，每个面为振膜；内层正四面体结构及中间正四面体结构设置在外层正四面体结构内部。

振膜与固定其的金属框架(棱)需要保持良好的电连通，使正多面体各振膜面与金属框架形成一个电连通的中高阻导体。

具体实施例，振膜被设计为与内层正多面体结构及外层正多面体结构形成的内外空间的气态介质保持一致的动力学特性。

中间正四面体结构的至少部分棱分别与内层正四面体结构的至少部分棱及外层正四面体结构的至少部分棱固定连接，使得中间正四面体结构的面与内层正四面体结构的对应面及外层正四面体结构的对应面相互平行。

本发明根据声波以空气介质的弹性胀缩传播的特点，以高斯散度公式为依据，设计了一种以空间全向分方向驱动流体介质振动的结构，该结构是各向均等平衡空间结构，对波动的力传递和方向性两个方面进行了改进，以达到声波波场的全息再现的目的。

为了保证全息立体静电扬声器的结构较为牢固，一实施例中，中间正多面体结构与内层正多面体结构及外层正多面体结构之间可以通过多条连接棱固定连接。另一实施例中，中间正多面体结构与内层正多面体结构及外层正多面体结构可以之间通过多条连接片固定连接。

为了清楚的对图5的全息立体静电扬声器进行说明，下面结合图6的分解图进行说明。图6中，101为内层正四面体结构的内层金属网，102为内层正四面体结构的绝缘框架，由6条棱组成，103为内层正四面体结构的整体架构。201为中间正四面体结构的四个面的振膜，该振膜可以为中高电阻高强超薄振膜，202为金属框架，由六条金属棱组成，203为中间正四面体结构的整体架构。301为外层正四面体结构的内层金属网，302为外层正四面体结构的绝缘框架，由6条棱组成，303为外层正四面体结构的整体架构。600为全息立体静电扬声器的整体架构示意图。

具体实施时，内层正多面体结构每个面上的金属网之间相互绝缘，外层正多面体结构每个面上的金属网之间也相互绝缘。

全息立体静电扬声器的内层正多面体结构每个金属网上及外层正多面体结构的每个金属网上都预置接线焊接点，形成相应的多个金属网电极，作为多相全息音频功率信号的正负极输入。举一例，全息立体静电扬声器的内层正四面体结构每个金属网上及外层正四面体结构的每个金属网上都预置接线焊接点，形成8个金属网电极，作为4相全息音频功率信号的正负极输入。

另外，中间正多面体结构的其中一条棱上预置一个接线焊接点，接静电高压，并通过静电高压与输出变压器中点连接。图7A为正四面体的一个面与音响功放接线示意图，如图7A所示，701为内层正四面体结构的金属网，702为振膜，连接静电高压，703为外层正四面体结构的金属网。图7B示出了正四面体的四面与四路音响功放的接线，具体部件与图7A相同，不再赘述。由图7B可知，全息立体静电扬声器构成了内振膜封闭、外层金属网通透的四个具有方向性的驱动空气压强型静电扬声器结构。

一实施例中，全息立体静电扬声器还包括：金属网保护外壳，设置在所述外层正多面体结构外，所述金属网保护外壳预留接线出孔。

需要说明的是，本发明提供的全息立体静电扬声器是基于正多面体的多根轴(即正多面体的体中心与每个面的中心连线构成的立体星型轴)形成的均分立体空间平衡结构。正多面体的体中心与每个面的中心分别连接，形成每个面上的轴，在每个轴的同轴处安装一个扬声器，只要是具备与输入功率电信号呈近似正比关系的扬声器，都能组合制作成具有本发明方向特性的全息立体扬声器，本发明在此不做一一详述。

全息立体静电扬声器等间距平行的每三个面相当于一个扬声器，每个扬声器均设置有电极(内外金属网上设有电极)，每个扬声器上的电极作为信号输入端口。金属网及振膜上设置有信号线孔，电极的信号输入线穿过该信号线孔，从而便于有效传输信号。图8是根据相关现有技术的单通道系统实测输出示意图，如图8所示，单声道系统只有一路单道功率信号输出。图9是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器所需的音频功率示意图，如图9所示，全息立体静电扬声器共有四道全息立体功率信号输入。这四道全息立体功率信号，是由本发明的全息立体拾音、记录、传输等其他部分提供的。四道全息立体功率信号的全积分就是对声波波场的响应，从而实现单路单点全息立体放音效果，双路双点就可构成三维空间物理波场回放效果，前后四路就可实现环绕物理声波波场回放。

在实际操作过程中，由于全息立体静电扬声器需要配合全息立体拾音器一起使用，为了保证二者相配合达到最佳立体音响效果，可在正四面体的其中一个面上设置方向指标，用于指示全息立体静电扬声器的摆放位置。方向指标的设置方式如下：以外层正多面体结构的其中一个面为水平面(水平放置即可)，该水平面的几何中心与该面所在的正多边形的一个角的连线作为方向指标。

一般地，全息立体静电扬声器会将正四面体结构的一个顶角竖直朝下，以保证四个扬声器中其中一个扬声器水平放置，该扬声器所对应的正四面体结构的正三角形面上一个角的角平分线的反方向，即可设置为上述方向指标的方向。当然，也可以设置其他的方向，本发明对此不作限制，只要全息立体静电扬声器与全息立体放音器的方向指标的设置规则相同即可。图10是根据本发明实施例的全向均衡振动回放结构示意图，如图10所示，水平放置平面设置了一个方向指标，使得全息立体静电扬声器与全息立体拾音器采集时的方向为同一个方位摆放，实现最佳立体音响效果。

从以上的描述中可知，本发明构建了一个三维空间多面全向均衡振动放音结构，实现声波全信息回放技术。本发明的全息立体静电扬声器是一个根据高斯散度定理设计的立体空间封闭多面结构。由于最简单均衡的空间立体结构是正四面体，一般以其为优选空间框架，物理实现最为容易。以正四面体的四个面为参考的位置，分别安置电声转换器件(即扬声器)。

再如图10所示，将正四面体其中一面水平朝上为第一面1，其余几个正三角形面分别设置为第二面2、第三面3和第四面4。这四个面的法线，就构成了三维空间均分的矢量及矢量方向。全向均衡振动捡拾结构捡拾到三个矢量，可以确定唯一的矢量，只要各分量等比回放，振动矢量自然合成，这就实现了方向性。加上另外一个矢量，不仅加强了方向性，还能体现声波的胀缩标量，得到更完全的波场信息。各矢量的全积分，是个标量，相当于直接利用空气的胀缩弹性做负载，可提高效率与保真度；各向矢量的和矢量，具有波场方向特性，具有波场物理成像功能。较之传统技术，本发明具有更完全更丰富的声波信息，是一种由三维点思维发展为三维体思维的音响技术。

图11是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器在各向振幅相位相等时形成球面波的示意图，图12是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器在各向振幅相位不同时形成椭圆球面波的示意图，图13是根据本发明实施例的全息立体静电扬声器在另一组不同振幅相位输入时形成不同形态椭圆球面波的示意图，如图11所示，如果全息立体静电扬声器的各矢量振幅相同，则球面波为正圆形球面波；如图12所示，如果全息立体静电扬声器的各矢量振幅不同，会有波前面的形态变化，也即具备了三维空间方向性，则波前面为长短轴和双心位置都不同的类似椭圆形球面波；如图13所示，是现场采集的波场产生的球面波，遵循介质内力的平衡关系，近似于将球面扩大并将球心向任意波动传来的方向推移，从而具备了波场的深度、广度、高度的三维回放功能。

图14是根据本发明实施例的双路全息立体静电扬声器的工作原理示意图，如图14所示，左全息立体静电扬声器和右全息立体静电扬声器均可实现小区域内真正的立体放音。本发明实现了包括波振动方向在内的声音波场的全息检测，为全息立体音响技术奠定了基础。全息立体音响技术的单路结构就具有对上下左右前后不同方向的声源的响应，在每个面上的强度和相位都不同，回放就可延续记录现场的真实波场方向，与现有技术中在人脑内才能形成声像的立体声系统在原理上是完全不同的。是现场声场的局部再现。如果全息立体音响技术使用双路以上系统，就可进一步实现音像的横向展宽和纵深的定位，比起传统的平面内左右立体声系统，具有更真实的三维立体音响效果。

本发明根据弹性波动理论和场论的散度公式，设计特定的空间多面全向振动结构的扬声器，以实现对声波波场的频率、振幅、相位、尤其是波动力场的振动方向，以及波场空间分布特征的回放。不仅增加了声波的方向信息，还会得到一定的效率和保真度的收益。

本发明将包括振动方向属性的空气介质声场信息转变为全息电信号，又把放大的全息电信号，以胀缩的方式驱动空气介质，就不存在声音短路问题，减少了影响因素，音质与效率的矛盾就会有相应的缓解；以模拟现场波振动方向的放音系统，再现物理波场的方式实现立体声场的营造。因此，全息立体静电扬声器的效率、频响特性、波场再现的各种属性，都将会有相应程度的提高或扩展。

本发明的全息立体静电扬声器，能够根据不同的听音需求，将多组全息立体静电扬声器按声传播规律在空间摆放，可以得到比传统技术更真实、稳定、深邃的声场回放效果，称为全息立体放音技术，例如可以实现类似传统立体声的双路剧场基本型、前多路音乐厅型、前多后多的影院环绕型等多种形式的立体放音效果。

图15是根据本发明实施例的双路全息立体静电扬声器的剧场效果示意图，如图15所示，图中小鸟形状的图形表示剧场观众，左全息立体静电扬声器和右全息立体静电扬声器配合构成剧场立体效果。

图16是根据本发明实施例的多路全息立体静电扬声器的后环绕影院效果示意图，如图16所示，图中小鸟形状的图形表示影院观众，左前后全息立体静电扬声器和右前后全息立体静电扬声器配合构成影院立体环绕效果。

全息立体放音技术是一种以三维空间多面全向振动结构，模仿空气振动的力学模式，实现以空气弹性介质体胀缩方式进行声波全信息回放的技术。声波的全信息，或称声波全息立体信号，包括：振幅、频率、相位、散度、波振动方向。其中的散度，也就是空气的胀缩。数学中称胀缩为散度，也即是纵波的驱动机理，可以由散度高斯定理给出。胀缩是空间各方向运动的封闭积分效应。以封闭空间全向驱动或是检测，就可以实现散度操作。这就是全息立体音响技术发明的理论依据。

本发明在结构上具有如下两大特点：1、空间封闭驱动；2、空间全向驱动。因此，效果上就具有以下两大特点：1、可提高能量转换和传递的效率；2、可回放波场的方向性信息。

综上，本发明实现以下技术效果：

1)全向的气动接触，可减小阻尼损耗，声音的回放效率有所提高；

2)不需要封闭或半封闭空间倒相音箱技术来提高效率，影响因素变少，频响特性就容易做得比较平坦；

3)设计结构兼顾了波场在上下左右前后三维立体空间的方向性,可营造更为宽广深邃的立体声场；

4)物理声场立体成像，与听音者的位置和姿态基本无关，不受听音者的位置和姿态所影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。