扬声器的制作方法

1.本发明涉及扬声器。


背景技术：

2.动圈式扬声器驱动单元的结构和操作是公知的。振膜附接到被称为音圈的线圈，并且音圈被放置在通常由一个或多个永磁体（音圈和磁体一起被称为马达或驱动单元）提供的磁场中。当交流电通过音圈时，在音圈中感应出力，使其往复运动，并且使振膜振动，从而辐射声波。声波从振膜的两侧辐射；从振膜前部辐射的声音指向收听者，而必须仔细处理从振膜的后部辐射的声音，以免其不利地影响用户感知的声音质量。在许多情况下，扬声器设置有外壳，振膜的前部从该外壳突出，使得后部辐射的声音在外壳内被吸收。对于在从大约200hz到20khz的中频和高频音频区域中操作的扬声器驱动器，最佳可能的场景是后部辐射的声音完全不受阻碍地传播到外壳中并且被完全吸收而没有反射。该最佳情况将导致最佳可能的声音质量，其中驱动器自由操作而不受外壳的任何影响。
3.尝试并实现该理想情况的常见方法是直接在振膜后面提供通向马达系统或围绕马达系统的开口管道，以允许后部声音远离扬声器振膜传播（例如，如我们的us5548657中所示）。图1a示出了来自使用这种方法的同轴驱动器的现有技术的高频高音扬声器2a的截面图，在这种情况下，高频高音扬声器2a具有远离振膜10（在这种情况下，具有25.4mm直径）的后部引导穿过马达或驱动单元6a的大通气管或管道4a。管道4a的截面面积应当尽可能大以使后部声音不受阻碍地传播（从振膜10的前部辐射的声音朝向收听者的方向行进，如箭头a所示，其平行于高音扬声器2a、管道4a、驱动单元6a和振膜10的后
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前轴线xx）。为了吸收后部声音并使反射最小化，整个管道4a填充有吸声材料8，诸如填充物或高密度聚氨酯泡沫。这种简单的方法具有允许相对大体积的后外壳的优点，并且这有助于在低频下减小振膜10后面的压力，但是在衰减后反射方面相当差，并且图1a中的示例在2khz下反射大约40%的后部声音。
4.us2293181a描述了一种扬声器，其试图使用填充有轻质多孔填充物材料的指数地渐缩的管道来实现上述理想情况。这种类型的中频和高频扬声器外壳现在广泛用于高质量扬声器。然而，为了在宽带宽上实现低反射，渐缩管道必须是长的。此外，管道中的空气体积小于图1a的较简单布置结构，并且这导致在低频下较高的后部压力，从而阻碍振膜的自由移动。图1b示出了从另一同轴驱动器（具有25.4mm直径的振膜10并且再次具有后
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前轴线xx）穿过这种已知的高频驱动器2b的截面，该同轴驱动器使用120mm长的指数地渐缩的管道4b，该指数地渐缩的管道4b引导穿过驱动单元6b到后外壳。在使用中，该管道4b再次填充有多孔吸收材料8，诸如聚酯纤维。这样的设计反射处于2khz的后辐射声音的大约30%或
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10db，并且因此在声学方面是对图1a中的设计的改进，但是显著大于（特别是在深度上，沿着xx轴线）图1a的设计。
5.一直需要提供这样的扬声器，其吸收而不是反射很大比例的后辐射声音，同时保持小的整体尺寸。


技术实现要素：

6.本发明基于使用声学超材料作为吸收材料，并且基于将这样的材料结合在专门定制以减少在小的整体体积中后辐射声音的反射的设计中。超材料是被设计成具有在天然存在的材料中未发现的性质的材料，在本发明中，声学超材料是与常规阻尼材料相比具有优异的阻尼或振动声学特性的人造材料。这些改进的特性包括在比常规吸收器更大的程度上和/或在更大种类或范围的频率上阻尼或吸收声音或压力；这些改进的性能通常是由于超材料的结构而不是其材料组成。这样的结构超材料由多个元件的组件制成，所述多个元件由诸如金属和塑料的复合材料制成。材料通常以重复图案布置，并且处于小于它们影响的现象的波长的尺度；在本发明中，声波波长跨越通常的可听频率范围，在约20hz和20khz之间。声学超材料的元件的精确形状、几何形状、尺寸、取向和布置结构赋予它们智能特性，能够通过阻挡、吸收、增强或弯曲波来操纵声波。结构声学超材料是已知的，例如从us 2014/0027201和wo 2018/047153中已知。超材料吸收器在与诸如渐缩管的常规吸收器相当的尺寸下提供高得多的吸收。例如，wo 2018/047153中概述的装置具有约11cm的长度，并且（大约）仅反射处于2khz的入射声音的2%。其他非结构超材料包括多个有源和/或机械部件，诸如多个mems（微机电系统）振膜，每个振膜具有调谐的质量、刚度和机械阻力，并且这样的非结构超材料提供比阻抗（specific impedance）的吸声。本发明不限于结构超材料，而是可以使用任何种类的超材料进行。
7.超材料吸收器通常由各种不同长度、形状、取向和/或截面面积的多个窄声学通道构成。超材料吸收表面由形成管道或如我们将在这里所指的通道的紧密间隔的壁形成。这些通道通常足够窄以用于空气的粘性效应以耗散声能。通常（如在wo2018047153a1中），这些通道被折叠以产生紧凑的整体结构。在大多数情况下，大部分声耗散来自这些窄通道中的空气粘度，因此重要的是通道极窄以获得最佳结果。这种布置结构的制造是复杂的。此外，形成穿过超材料的通道的结构壁占据体积，并且在一些布置结构中，这可能降低吸收器的有效性。改进现有设计的直接方法将是通过将超材料直接放置在振膜后面（例如，以便用相同的超材料物理布置结构替换图1a和图1b中所示的材料8）来将超材料结合到扬声器中。该方法的益处在于，外壳的声学行为可以几乎完全由超材料决定。然而，如从图1a和图1b可以理解的，直接在振膜10后面的空间由管道4a、4b的尺寸限制，管道4a、4b的尺寸由驱动单元6a、6b的设计确定。由于对最小超材料壁厚的实际限制，这使得超材料的设计和制造更具挑战性。特别地，由于超材料的结构壁占据体积并且因此占据管道4a、4b的截面面积的一部分，这严重地限制了超材料呈现给后辐射声音的有效开口面积，并且因此后声波的路径被显著地阻碍。如果为了增加粘性损失，使用极窄的超材料通道，则该问题特别严重，因为更多的通道需要更多的壁，这占据向后引导管道的更大比例的截面面积。在上述示例中，假设超材料布置成具有主要平行于开口管道的后前传播轴线布置的窄通道；管道内没有足够的空间使窄通道偏离该轴向方向非常大。
8.因此，本发明提供了一种扬声器，包括：具有前表面和后表面的声学振膜，所述声学振膜在使用中被驱动以便在远离所述扬声器的向前方向上从其前表面振动并辐射声波并且在向后方向上从其后表面振动并辐射声波；驱动单元；以及至少一个开口管道，所述至少一个开口管道在向后方向上远离所述振膜引导穿过所述驱动单元并且在其后端处具有开口，其中所述至少一个开口管道具有在所述向后方向上延伸的截面面积，其中所述截面
面积沿着所述向后方向的至少一部分渐缩或减小，并且其中从所述振膜的后表面辐射的声波在接触声学超材料吸收器的前表面之前穿过基本上所有的所述开口管道，所述声学超材料吸收器通常位于所述管道的外部并且紧邻所述管道的后部，并且紧邻减小的截面面积的后部。
9.在这样的布置结构中，后部声音穿过具有最小限度或没有多孔声学填充物的大面积和低阻抗管道从振膜引导到超材料。这种布置结构在允许大部分后辐射声音传播到超材料吸收器方面是非常有效的，超材料吸收器又可以在空间可用的区域中位于更远离振膜的位置，从而允许在超材料设计和机械结构上有更多的自由度。这种布置结构还有一个微妙之处，其在第一次检查时并不明显。尽管超材料吸收器可以被设计成具有极低的反射，但是这种布置结构使得甚至超材料的小反射的效果更加成问题。来自超材料的任何反射现在将发生在管道和超材料之间的界面处，发生在超材料的前表面处，所述超材料的前表面现在距振膜显著向后的距离。后部声音沿管道向下传播到界面并返回到振膜的传播时间通常是驱动器的较高频率范围的几个周期。由于反射波撞击在振膜上，该效应将不规则性引入到驱动器振膜运动中，并且即使来自超材料的反射是到达超材料的入射声音的小百分比，这些不规则性也可能是严重的。因此，绝对关键的是最小化在管道和超材料吸收器之间的界面处来自超材料的前表面的任何反射。大部分吸收表面由分隔相邻通道的壁形成，但是这些壁减小了通道的“开口区域”，使其小于驱动器管道的“开口区域”，从而导致反射。通过将通道与表面法线对准或与“驱动器管道”孔口成一定角度地对准，可以使通道孔口的总截面面积与管道面积匹配，从而大大减少了由于壁厚引起的反射。(管道“开口区域”是在开口位置处的无限延伸管道内的“长的波长波前区域”）。然而，超材料有效开口区域不总是与管道开口区域匹配的情况。为了获得最佳阻抗匹配，有时在物理区域中具有轻微失配（以补偿不同声学材料或超材料中的粘度）是有帮助的。
10.为了避免声反射，在管道中行进的波的特征阻抗必须与超材料吸收器的声阻抗相匹配。任何全封闭且有限尺寸的吸声器，包括超材料吸收器，在非常低的频率下具有零吸收。由此得出结论，吸收器的声阻抗的实部（real part）在非常低的频率下也将为零。此外，由于封闭体积的声顺应性，任何完全封闭的、有限尺寸的吸声器将具有低频阻抗，该低频阻抗具有负虚部（imaginary part）。如图1a中所示，具有恒定截面的管道传递具有特征阻抗的平面声波，该特征阻抗具有零虚部和恒定实部。因此，恒定截面管道不能使阻抗失配或所反射的声音的幅度最小化。在低频下具有零实部以及负虚部的特征阻抗要求意味着管道必须具有随着波从振膜传播到超材料吸收器而减小的截面面积。
11.因此，声学超材料吸收器的声阻抗可以在从振膜的后表面辐射的声波接触声学超材料吸收器的表面的点处基本上匹配从振膜的后表面辐射的声波的特征声阻抗。
12.声学超材料吸收器的前表面（或虚拟前表面，参见下文）可以位于所述开口管道或每个开口管道的后端处的开口处。优选地，在所述开口管道或每个开口管道的后端处的开口后面的超材料具有垂直于前后方向的尺寸，所述尺寸大于在所述开口管道或每个开口管道的后端处的开口的尺寸。这样的布置结构允许耗散声能的超材料的通道具有径向对准，使得超材料可以从扬声器的中心轴线扩散出来。因此，超材料在前后方向上的长度可以小于其垂直于前后方向的尺寸；这允许超材料呈薄块或片的形式，以便能够使扬声器的轴向长度最小化。所述开口管道或每个开口管道的截面面积可以在向后方向上向其后端处的开
口线性地渐缩或减小；在这种情况下，从管道的后端处的开口向前引导的管道可以是锥形渐缩的（如下所述）。
13.声学超材料可以部分地包含在所述管道或每个管道内，或者所述开口管道或每个开口管道可以在其后端处具有开口，声学超材料吸收器的前表面位于该开口处。这样的布置结构有效地将超材料吸收器移动远离振膜的后部，使得超材料位于驱动单元后面，其中存在更多的空间并且释放紧接在振膜后面的空间以用于其他扬声器元件。
14.驱动单元和至少一个开口管道可以位于振膜的后部，并且至少一个开口管道可以在向后方向上、远离振膜延伸穿过驱动单元，其中声学超材料吸收器的前表面通常位于驱动单元的后部。替代性地，驱动单元可以位于振膜的外侧和/或前方；在这种情况下，开口管道将不穿过驱动单元，但仍将从振膜向后延伸，并且超材料将位于管道的后端处或邻近管道的后端。
15.所述开口管道或每个开口管道优选地朝向声学超材料吸收器的前表面以直锥体或斜锥体锥形地渐缩。另外地或替代性地，所述开口管道或每个开口管道可以具有以朝向声学超材料吸收器的前表面的曲线向内渐缩的壁。该管道或每个管道可以包括壁，所述壁在连续区段中以锥形渐缩，以及以曲线向内渐缩。在壁以曲线向内渐缩的情况下，壁继续限定锥形渐缩部，因为管道的截面面积优选地在超材料吸收器的方向上尺寸线性减小。可以存在多个开口管道，并且每个管道可以通向单独的声学超材料吸收器。多个开口管道可以布置成矩阵或环，和/或在多个开口管道布置成环的情况下，环可以是圆形的。所述开口管道或每个开口管道可以具有恒定的截面形状，其可以是圆形的。优选的是，所述开口管道或每个开口管道不包含吸声材料（尽管在一些应用中，这种材料可能具有益处）。振膜可以是圆顶形或锥形振膜；在后一种情况下，（一个或多个）管道在环形或环状布置结构中优选地位于高音扬声器驱动单元的外部，并且位于振膜的后面。
16.在另一方面中，本发明还提供了一种设计如上所述的扬声器的方法，在所述方法中，调整所述开口管道或每个开口管道的长度、一个或两个端部区域、谐振频率和谐振强度中的一个或多个，以便允许声学超材料吸收器的声阻抗在从振膜的后表面辐射的声波接触声学超材料吸收器的表面的点处基本上匹配从振膜的后表面辐射的声波的特征声阻抗。
附图说明
17.现在将通过示例并参考附图描述本发明，在附图中；图1a和图1b以截面示出了来自同轴驱动器的现有技术高频驱动器；图2示出了根据本发明的扬声器装置的实施例，以及图3示出了根据本发明的另一扬声器装置的截面示意图。
具体实施方式
18.图1a示出了具有25.4mm直径振膜的高频驱动器，其使用填充有致密声学填充物的大的中心通气管/管道。图1b示出了具有25.4mm直径振膜的高频驱动器，该高频驱动器使用120mm长的指数地渐缩的管道，该管道也填充有密集的声学填充物。
19.图2以截面示出了形成具有根据本发明的高效布置结构的同轴驱动器的一部分的高音扬声器20。穿过驱动单元26的将25.4mm直径的振膜10连接到声学超材料28的前表面30
的锥形管道24在超材料28的前表面30处产生半径为146.4mm的球形收缩声波。当使用600hz的设计频率时，该波的特征声阻抗与wo 2018/047153中描述的超材料的阻抗紧密匹配。在这种情况下，阻抗匹配不是完美的，并且仅在有限的带宽上，但是反射问题在它不是高音扬声器性能的限制因素的程度上得到几乎完全解决就足够了。
20.渐缩的管道由于许多原因也是非常实用的：1. 通常在高频单元上使用圆顶形振膜，并且凹侧倾向于辐射后波。当连接到适当的渐缩管道时，这种类型的振膜可以被使得在宽的带宽上产生接近理想的球面波（参见例如us8094854b2)。
21.2. 通过渐缩管道减小了超材料吸收器的所需入口面积，并且这相当大地减小了超材料吸收器的尺寸。
22.3. 渐缩管道比直管道占据更少的空间，并且使得更容易将其容纳在其中其他部件竞争空间的扬声器设计中。
23.锥形管道是一种很好的选择，因为它以单参数方式传递球形声波，并且因此当波在管道中传播时没有衍射和最小限度的反射。可以同样地使用具有弯曲壁的其它渐缩管道，并且只要管道接合超材料的地方处声波的半径是正确的，则可以在很大程度上避免阻抗失配；这可以通过确保管道的截面面积在超材料的方向上线性减小来实现，特别是当管道接近超材料的前表面时。在一些情况下，这样的布置结构可以给出优选的结果或更实际的几何形状；例如，管道的紧接在振膜后面的部分可以被扩大，以便在管道开始渐缩之前提供声学体积。
24.图2示出了超材料28不仅在管道24后面沿向后方向（如图所示向左）轴向延伸，而且还示出了其从xx轴线径向延伸到比锥形管道24的半径大得多的程度。对于示出为最有效的超材料28，形成超材料的窄声学通道（未示出）的长度的至少一部分径向取向（或具有基本上径向的分量）；这允许扬声器的轴向尺寸保持较小。如wo 2018/047153中所述，通道的径向部分可以折叠，以便在短轴向距离内结合更大总长度的通道。
25.超材料28被示出为具有延伸跨过管道24的开口后端的前表面30；该前表面可以由形成窄通道的结构壁的端部形成，使得存在横跨管道24的开口端延伸的物理的、尽管是不连续的表面。替代性地，并且为了促进声波沿着径向引导的通道的引导，可以在超材料的前部处存在凹部或“界面体积”（即，空体积
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未示出，但是在图中延伸到右侧虚线竖直线的左侧），在该前部处，凹部或“界面体积”与开口管道24的后端相交；该界面体积的内表面被成形为具有径向或基本上径向面向外的至少一部分，以便在径向方向上或接近径向方向引导声波。界面体积可以例如是部分球形的、圆顶形的或甚至圆柱形的（假设总是存在至超材料28的至少实心后边界31（在图中的左侧虚线竖直线处）；该界面体积的重要设计要素是其阻抗与锥形管道的端部匹配。因此，应当理解的是，本文中对超材料的“前表面”的引用不仅涵盖其中存在径向地延伸跨过管道24的开口后端的超材料结构的物理的尽管不连续的表面的情况，而且还涵盖其中仅存在径向地延伸跨过管道24的开口后端的虚拟表面（即在超材料的紧邻管道24的开口后端的部分内存在界面体积）的情况。在存在这样的界面体积以及与管道相邻的超材料的仅虚拟前表面的情况下，界面体积/管道的开口后端外部的超材料的前表面密封高音扬声器20的后部结构，如图所示，以防止声能除穿过窄通道之外还行进
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以在窄通道中耗散。
26.在图3中，示出了根据本发明的替代性扬声器装置320，其中驱动单元326位于振膜310的前方和径向外侧。振膜310在与图2中所示的方向相反的方向上弯曲，使得其凹面在箭头a的方向上朝向收听者辐射声音，该声音穿过相位塞（phase plug）336中的通路，离开驱动器开口334并穿过声喇叭332。在这种装置中，从振膜310向后延伸的管道324在向内弯曲并且朝向超材料328渐缩之前在轮廓上初始弯曲，并且初始地其在截面面积上扩大，超材料328的前表面330位于管道324的端部处。存在塞子340，其位于管道324内并具有弯曲的外部轮廓，以便与管道324的弯曲壁342相互作用，使得管道的开口部分的截面面积（即壁342和塞子340之间的面积）沿着xx轴线线性地减小（并且在塞子340与超材料328的前表面330之间的轴向距离中的管道是锥形的）；这种布置结构意味着图3中所示的开口管道324沿着其大部分轴向长度实际上是“锥形”的。
27.与在图2的布置结构中一样，在图3中，超材料328具有形成超材料的窄声学通道（未示出），所述窄声学通道的长度的至少一部分径向取向（或具有基本上径向的分量），和/或它们可以包括如上所述的界面体积。
28.当然，应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行许多变型。例如，上述实施例被描述为具有一个或多个圆形、锥形管道；然而，本发明同样适用于非圆形布置结构，诸如卵形、椭圆形或跑道形（8字形，或具有圆角的三角形/正方形/多边形），或在位于垂直于前后轴线a的总体平面中的一个或两个正交方向上对称的任何形状，以及这样的布置结构和/或形状的组合。（一个或多个）管道可以是锥形的，具有直壁，或者壁可以是弯曲的（例如，指数地，椭圆的，双曲线的或抛物线的）。锥形管道可以是直锥体或斜锥体。可以存在多个管道的环形布置结构，其可以是平行的，或者布置为锥状或扩大的直锥体或斜锥体。在提供若干管道的情况下，可以在每个不同管道的后端处提供单独的和/或不同的声学超材料。超材料可以侵入管道中，使得超材料的前表面在管道内向前延伸、在其后端前方一小段距离；这可能是出于声学原因，或者为了帮助相对于管道准确地定位超材料（诸如在存在多个管道的情况下，超材料可以成形为具有突起以与一些或全部管道的后端接合。在实施例中，可以组合不同类型的超材料，并且形成超材料的多个元件可以重复，或者它们可以在形状、尺寸或结构上不同。在图2中所示的实施例中，在振膜10的后部与超材料的前表面之间存在空体积；该体积由通过驱动单元26的锥形管道24的体积和由振膜10后面的声学体积形成。在一些实施例中，扩大空体积的尺寸可能是有益的，诸如通过增加振膜后面的体积的尺寸，和/或通过扩大渐缩管道的初始部分，如图3中所示。可能的是，紧接在振膜后面的管道的初始部分在短的向后方向上在截面面积上增加，之后管道在朝向超材料的向后方向的其余部分上在截面面积上减小。该渐缩管道或每个渐缩管道可以包括与以弯曲轮廓渐缩的部分组合的锥形渐缩的部分，条件是管道在超材料的前表面附近的渐缩是如上所述的锥形的。
29.在上文描述了不同的变型或替代性布置结构的情况下，应当理解的是，本发明的实施例可以以任何合适的组合结合这样的变型和/或替代方案。