相统一扬声器:并联分频器的制造方法
【专利说明】相统一扬声器:并联分频器
[0001 ] 说明性现有技术分频器设计在美国专利第3457370号(Boner)、美国专利第4031321 号(Bakgaard)、美国专利第 4198540 号(Cizek)、美国专利第 4897879 号(Geluk)、美国专利第5937072号(Combest)和美国专利第6381334号(Alexander)中公开。附加背景信息可在 High Performance Loudspeakers，第六版，Martin Colloms，Wiley 出版社，2005 年；和 Loudspeaker Design Handbook 第七版，Vance Dickason，Amateur Aud1 出版社，2006年中找到。
[0002]发明背景
[0003]针对扬声器设计的先前方法没有考虑到两个扬声器(一个在左边，一个在右边)之间的潜在干扰效应，包括立体声再现。这两个扬声器组合形成“扬声器系统”，该扬声器系统还包括但不限于四声道或立体声系统。由于这两个扬声器的输出组合产生立体声图像，因此可能出现干扰；这两个扬声器并联操作。为了简单地演示这个概念，将在立体声扬声器系统中使用双声道扬声器。除了用于左声道或右声道的任一扬声器中的低音喇叭与高音喇叭之间的干扰效应和相位效应外，在右高音喇叭与左低音喇叭之间以及在左高音喇叭与右低音喇叭之间也可能存在干扰效应和相位效应。这些概念可以扩展到在超过两个声道中的声音再现，如同四声道再现或家庭影院一样。虽然对扬声器设计中的相位和干扰的讨论看上去是深奥难懂的，但这些效应是完全可听见的。
[0004]已使用各种分频器电路和配置开发出能够再现接近整个音频带的扬声器。为了扩展扬声器的频率响应和功率处理能力，采用多个驱动器，其中每个驱动器均在频谱的的特定部分中占据主导地位。因此，扬声器可具有低音喇叭、高音喇叭和中音喇叭，其中高音喇叭再现较高的频率，低音喇叭再现较低的频率并且中音喇叭再现它们之间的频率。低音喇口八、中低音喇叭、中音喇叭、中高音喇叭或高音喇叭被称为“驱动器”。典型的双声道扬声器具有用于驱动器的低音喇叭或高音喇叭。因此，2.5声道扬声器是具有低音喇叭、中低音喇叭和高音喇叭的现代化设计。现代化设计可以使用中低音喇叭和高音喇叭，但为简单起见，这在以下也被称为低音喇叭和高音喇叭，除非另有说明。三声道扬声器具有低音喇叭、中音喇叭和高音喇叭。选择这些驱动器中的每一个以便在频谱的特定部分具有最好的表现，并且应用分频器电路来调整该部分中的驱动器响应。分频器网络典型地通过使驱动器响应在不期望的情况下衰减来实现这一效果。绝大多数的分频器网络使这些驱动器并联连接，并且随后对分频器网络的引用是指并联电路，除非另有说明。申请人将名词“分频器网络”、“分频器电路”或“分频器”定义为是指将输入信号的不同频带分配到整个扬声器的不同驱动器的网络。名词“滤波器”是指将输入信号的给定频带分配到整个扬声器中的单一驱动器的较小网络。
[0005]将信号输送至在相邻频率范围内操作的两个驱动器的频率被称为分频器频率。分频器使得驱动器的响应在分频器频率下，以称为分频器衰减度的速率衰减。分频器衰减度以每倍频程的衰减(dB)进行计算，其中衰减度越陡，所显示的衰减越多。分频器衰减度的陡度主要是由所使用的电容器和电感器的数量来确定。例如，对于分频器中的每个滤波器来说，双声道扬声器中具有6dB/倍频程的分频器衰减度的无源分频器一般具有一个电感器L或电容器C。这些滤波器共同形成I阶电子分频器。对于分频器中的每个滤波器来说，双声道扬声器中具有12dB/倍频程的分频器衰减度的无源分频器一般具有一个L和一个C，在分频器中总共两个电感器和两个电容器。这两个滤波器共同形成2阶电子或半节分频器网络。类似地，4阶电子分频器电路被称为整节分频器。这些分频器具有24dB/倍频程的分频器衰减度并且在双声道扬声器中，对于分频器中的每个滤波器来说，一般具有两个电感器和两个电容器，总共四个电感器和四个电容器。
[0006]尽管如此，扬声器驱动器仍然使得波再现并且来自超过一个驱动器的、在给定频率下的同时再现会产生干扰效应。当不同大小和形状的两个驱动器被安装在常规平面挡板上时，这些驱动器的深度不同，以使得这些驱动器的音圈的正面位于不同的平面上。例如，高音喇叭典型地比低音喇叭更小并且高音喇叭锥体典型地比低音喇叭锥体显著更浅。因此，当高音喇叭和低音喇叭再现同一频率时，相应声波离听众耳朵的距离不同，从而引起干扰。分频器使得这些干扰效应减少，但引入了其自身的干扰效应。低音喇叭与高音喇叭之间的分频器电路使得低音喇叭响应以分频器频率滚降，但当接近分频器频率时，使得高音喇叭响应逐渐增加。因此，分频器频率下的低音喇叭响应和高音喇叭响应在一定程度上是异相的。这些分频的低音喇叭响应和高音喇叭响应以某些频率基本重叠，其中这些响应在一定程度上也是异相的。
[0007]干扰效应听起来令人不快。美国专利N0.3457370 (Boner)中所描述的原始分频器是2阶电子的并且因此不管驱动器是同相连接还是异相连接都引起频率响应出现异常现象，这是偶数阶电子分频器的缺陷特征。许多听众感觉异相2阶电子分频器使具有鼻音的人声再现。因此，他将阻抗校正网络引入了这些分频器中。
[0008]已经提出了许多其他技术来改进扬声器的频率响应和相行为。可以将多个驱动器之间的干扰效应作为同相或异相操作的传送。给定扬声器中存在的驱动器越多，存在的可能的驱动器对就越多，并且因此更多的异相响应是可能的。使不希望的相位效应减少的扬声器配置的示例是d’ Appolito配置，其中应用了在安装挡板上与特定分频器类型组合在一起的特定驱动器配置。极坐标响应图揭示了受欢迎的d’App0Iit0配置的益处。尽管如此在驱动器和分频器配置之中仍然存在某些变化，从而产生特有的d’Appolito相行为。或者，扬声器可以配置有阶梯式挡板，以使得这些驱动器是时间对准的。与常规配置相比，这种配置通常使更多的三维立体声图像再现。
[0009]理论上，减少扬声器干扰效应的另一种方法是利用至少一个辅助驱动器扩增扬声器以改进扬声器的传递功能。针对给定分频器阶数的低音喇叭和高音喇叭的传递功能不同，以使得扬声器传递功能相对于除1阶电子分频器之外的所有电子分频器的输入缺乏保真度。当辅助驱动器加入有适当的分频器衰减度时，扬声器传递功能的保真度恢复。分频器阶数越高，辅助驱动器越多并且分频器衰减度的选择更加复杂。每个分频器频率都需要至少一个辅助驱动器，这暴露了这种方法所产生的问题。首先，辅助驱动器会干扰双声道扬声器中的低音喇叭与高音喇叭，低音喇叭和高音喇叭在未扩增的双声道扬声器中已经相互干扰了。分频器网络会调节这种干扰，但不会完全消除干扰。未扩增扬声器中的更多的驱动器只会产生更多可能的干扰效应。在建议方法中利用辅助驱动器扩增这些扬声器只会使得可能的干扰效应混合。此外，这种方法还会校正分频器网络的传递功能而不是该网络以及这些驱动器的传递功能。尽管如此，没有应用滤波器的驱动器仍会使频率以特有的衰减度滚降。典型的低音喇叭使得高的频率以大约12dB/倍频程滚降，并且典型的高音喇叭从共振开始以大约6dB/倍频程达到全输出。这些特征用于确定“有效的”分频器阶数，分频器阶数是指由分频器进行滤波的驱动器所实际显示的频率响应中的滚降衰减度。这与分频器中电子滤波器的衰减度区别开来。有效的分频器阶数使得针对扬声器设计的建议方法复杂化并且提供与双声道系统中的存在更多不同的低音喇叭和高音喇叭相对应的传递功能。因此，辅助驱动器的适当滤波器的设计变得更加困难，通常要求使用有源分频器网络。有源分频器可用于使传递功能最优化，但与使用了辅助驱动器的方法一样，是在不存在驱动器及其阻抗的情况下开发出来的，这取决于频率。
[0010]近似无限的分频器衰减度也导致辅助方法更加困难。这些分频器典型地将许多连续的分频段应用到扬声器中的每个驱动器。因此，每对具有连续频率的驱动器将需要很多辅助驱动器。然而，可以将设计具有近似无限的分频器衰减度的扬声器视为充分的改进。一对具有连续频率的驱动器之间的干扰会减少，因为它们的频率响应几乎不存在重叠。虽然这些系统中的绝对数量的分频器元件可能被认为是昂贵的，但这些扬声器可以通过使相邻电感器耦合以便在成本减小的情况下增大衰减度而得到增强。此外，还可以使用有源分频器，但花费甚至更大。
[0011 ] 上述扬声器设计使得这些驱动器并联连接。扬声器中的驱动器可以串联连接以使某些干扰效应和相位效应最小化。具有串联分频器的扬声器的可能缺陷是分频器衰减度选择有限、效率降低以及可能的设计减少。具有串联分频器的扬声器通常需要具有类似阻抗的驱动器。可以将变压器结合到串联分频器网络中以使衰减度增大到至少2阶。最近，已使用传统的分频器元件开发出2阶、3阶和4阶串联拓扑结构。
[0012]大多数情况下，即便不是全部，上述分频器电路和方法也可包括阻抗补偿网络以使阻抗平滑并且改进相行为。可在单独驱动器上视情况而定或在整个扬声器上应用这些网络。
[0013]本发明的技术减少了声音再现中的相位效应和干扰效应并且减轻了扬声器之间的包括扬声器系统的成瓣控制误差。扬声器的垂直极坐标响应揭示了波瓣结构。扬声器使得频谱再现并且波瓣结构很大程度上取决于频率。分频器阶数的增加使得驱动器重叠以及因此成瓣误差(以下缩写为“成瓣”)减少。尽管如此，成瓣仍保持为高的分频器阶数。此夕卜，扬声器的包括扬声器系统的波辧结构相互影响。
[0014]本发明的技术适用于成对扬声器的使用了分频器电路的现有技术。本发明的目的是与现有技术的分频器，包括受欢迎的1阶电子分频器相比，减少相位失真并且减少干扰效应。
[0015]本发明的另一个目的是结合有对称性概念，所述对称性通过一对立体声扬声器中的有效分频器阶数的非对称性进行补充以减少相位失真，而不会显著增加成本。
[0016]本发明的又一个目的是结合有手偏性概念以使有效的奇数分频器阶数和有效的偶数分频器阶数与现有技术区分开来。这个概念还与指定极性结合使用。
[0017]发明概述
[0018]本发明的实施方案的垂直极坐标响应(VPR)揭示了与现有技术中的一对扬声器相比，扬声器系统中的两个扬声器之间的耦合。如果用于右声道和左声道的对应扬声器具有同一种波瓣结构，那么在这些声道之间存在成瓣效应和可能的效应。如果用于右声道和左声道的对应扬声器具有互补波瓣结构，那么这些声道之间的成瓣效应和可能的效应减少并且可能被消除。虽然成瓣取决于分频器阶数，但不管分频器阶数如何都会出现这种减少。例如，当分频器阶数增加时，驱动器重叠以及因此成瓣减少。然而，在分频的两个驱动器之间保持有相角，因为在分频器频率和相邻频率下，一个驱动器的响应上升而另一个驱动器的响应下降。
[0019]在低于挡板步频率Vb的频率下，再现变成全方向的并且成瓣减少以使得垂直极坐标响应接近理想球形。高音喇叭在上两个倍频程的再现中占据主导地位，以使得VPR接近理想半球形。然而，接近Vb的再现基本上成瓣。因此，选择接近V b的分频器频率使得相统一最优化，如以下所讨论。
[0020]如所描述，在本技术的示例中，右侧扬声器上的有效的三阶分频器保持为对称的，而左侧扬声器上的有效的三阶分频器呈现非对称性。然而，扬声器系统仅仅是立体声系统的使声音再现或产生声音的一部分。组合来像这样起作用的接收器、集成放大器或单独的组件在扬声器的输入上施加音频信号的整个频谱。电源诸如集成放大器等将来自音频信号源诸如光盘播放机、其他数字源、麦克风或磁带播放机的音频信号放大。优选音频分频器电路将来自音频信号源的音频信号传递到扬声器系统中的每个扬声器(典型地，一对扬声器)，以减少相位失真。这种分频器电路包括超过一个滤波器并且本领域技术人员将了解，可将多个滤波器提供用于多个驱动器。可以将电阻器R适当地应用于每个驱动器，以使得每个扬声器的频率响应近似平坦。在该示例中，每个扬声器都是双声道的，具有两个驱动器，即低音喇叭和高音喇叭。这两个驱动器同相地连接并且高音喇叭的负端子连接至用于每个声道的电源的负端子。如前所述，典型的低音喇叭使得高的频率以大约12dB/倍频程滚降，并且典型的高音喇叭使低的频率从共振开始以大约6dB/倍频程滚降。因此，如果I阶电子滤波器被应用于右侧低音喇叭，那么总衰减为
[0021]-6dB-12dB
[0022]并且该低音喇叭使得有效三阶滤波器以ISdB/倍频程有效地滚降。此外，如果2阶滤波器被应用于右侧扬声器中的高音喇叭，那么右侧高音喇叭上的总衰减为
[0023]-12dB-6dB
[0024]并且该高音喇叭也以18dB/倍频程有效地滚降。这样一种低音喇叭和高音喇叭利用对称有效三阶分频器进行滤波，因为这两种驱动器的有效分频器衰减度相同。对称有效三阶分频器也可被称为三阶声学分频器，但本申请中并不使用后一种表示法。在双声道扬声器中，对称“有效η阶”分频器具有应用于高音喇叭的较高阶数的电子滤波器。
[0025]然而，左侧扬声器上的有效三阶分频器呈现非对称性。如果2阶滤波器被应用于左侧(LHS)低音喇叭，那么总衰减为
[0026]-12dB-12dB
[0027]并且该低音喇叭以24dB/倍频程有效地滚降。然而，如果I阶电子滤波器被应用于LHS高音喇叭，那么总衰减为
[0028]-6dB-6dB
[0029]并且该高音喇叭以12dB/倍频程有效地滚降。因此，这是非对称有效三阶分频器，因为这两个驱动器的有效分频器衰减度不同。然而，左侧扬声器中的这两个驱动器的平均衰减为
[0030](12+24) dB/2
[0031]或18db/倍频程，与左侧扬声器相同，并且也是有效三阶的。在双声道扬声器中，非对称有效η阶分频器具有应用于低音扬声器的较高阶数的电子滤波器。
[0032]其他实施方案将这一原理应用于更高分频器阶数和更多数量的驱动器。例如，在由扬声器组成的具有三个驱动器即低音喇叭、中音喇叭和高音喇叭的扬声器系统中，右侧扬声器上的有效三阶分频器保持为对称的，并且左侧扬声器上的有效三阶分频器保持为非对称的，如前所述。因此，建立了将有效分频器阶数和手偏性结合起来的规则。奇数有效分频器阶数在针对上述极性的右侧扬声器中具有对称性。
[0033]然而，偶数有效分频器阶数在针对上述极性的左侧扬声器中具有对称性。例如，在由扬声器组成的具有两个驱动器即低音喇叭和高音喇叭的扬声器系统中，右侧扬声器上的有效的四阶分频器呈现非对称性，如所述，而左侧扬声器上的有效的四阶分频器是对称的。在该示例中，与前述示例相同，这两个驱动器同相地连接并且高音喇叭的负端子连接至用于每个声道的电源的负端子。因此，如果2阶电子滤波器被应用于左侧低音喇叭，那么总衰减为
[0034]-12dB-12dB
[0035]并且该低音喇叭使得有效四阶滤波器以24dB/倍频程有效地滚降。然而，如果3阶电子滤波器被应用于LHS高音喇叭，那么总衰减为
[0036]-6dB-18dB
[0037]并且该高音喇叭也以24dB/倍频程有效地滚降。这样一种低音喇叭和高音喇叭利用对称有效四阶分频器进行滤波并且以同一个有效衰减度滚降。另外，在双声道扬声器中，对称有效η阶分频器具有应用于高音喇叭的较高阶数的电子滤波器。此外，如果3阶电子滤波器被应用于右侧(RHS)低音喇叭，那么总衰减为
[0038]-18dB-12dB
[0039]并且该低音喇叭以30dB/倍频程有效地滚降。此外，如果2阶滤波器被应用于RHS扬声器中的高音喇机，那么总衰减为
[0040]-12dB-6dB
[0041]并且该高音喇叭以ISdB/倍频程有效地滚降。右侧扬声器上的有效四阶分频器呈现非对称性，如前所述，其中RHS扬声器中的两个驱动器的平均衰减为
[0042](30+18)dB/2
[0043]或24db/倍频程，与左侧扬声器相同并且也是有效四阶的。可对是否存在以下情况即未滤波的低音喇叭典型地使高的频率以12dB/倍频程滚降以及未滤波的高音喇叭典型地使低的频率以6dB/倍频程滚降进行某种程度的讨论。例如，未滤波的低音喇叭可能典型地使高的频率以18dB/倍频程滚降并且未滤波的高音喇叭典型地使低的频率以12dB/倍频程滚降。该讨论并没有进一步深入下去，因为用于使扬声器相统一的突出特征是，未滤波的低音喇叭典型地使高的频率以比未滤波的高音喇叭典型地使低的频率滚降的衰减度陡6dB/倍频程的衰减度滚降。
[0044]这种技术可以与其他电路相结合。例如，可以将RL电路串联地应用于典型地正好位于滤波器前面的低音喇叭，以使挡板步衰减，该挡板步使得在再现的波长接近扬声器挡板的宽度时，低音喇叭响应增加。此类具有较高阶数分频器的电路是受欢迎的。
[0045]这种技术也可与其他辅助电路相结合。例如，Zobel是典型地用于在低音喇叭或中音喇叭上进行阻抗校正的电路。当频率增加时，低音喇叭、中低音喇叭、中音喇叭和中高音喇叭表现出阻抗的上升和输出的减少。这些驱动器的音圈通常是足够大的以展示出相当大的电感。此外，这些驱动器比高音喇叭更重且更慢并且当频率增加时，经受锥体破裂模式。当频率增加时，Zobel使得阻抗变平并且使得这些驱动器的滚降平滑。因此，Zobel电路妨碍了在降低的低音喇叭响应中，锥体破裂模式引起成峰度。Zobel也可被称为相位校正电路并且由电阻器R与电容器C串联组成，其中Zobel与所感兴趣的驱动器并联应用。Zobel电阻器和电容器(以下分别表示为RJPCz)的值通过以下等式给出:
[0046]Rz= 1.25Re (I)
[0047]Cz= Le/Rz2 (2)
[0048]其中Re是驱动器的DC电阻并且L 6是驱动器音圈的电感。针对R 2和C 2所选择的值应当分别等于或超过根据等式(I)和(2)计算出的值。
[0049]相统一扬声器的很多配置要求将Zobel应用于除高音喇叭之外的所有驱动器。然而，当分频器频率降低到接近Zobel被调整的频率时，有时可以省略Zobel。另外，还可以将Zobel视为I阶低通滤波器并且本发明偶尔可以通过消除与驱动器串联连接的电感器来利用该Zobel。虽然假设LCR电路(典型地应用于高音喇叭)也将工作，但下面的附图使用RCZobel电路。可以将经过恰当调整的LCR电路利用使阻抗中的输出峰或共振峰变平的开凹口动作并联连接到驱动器以形成电路凹口滤波器”，如同其通常被称为的那样。
[0050]有源分频器网络和应用了数字信号处理的电路以及它们的组合也可以实现本发明。以下展示了如何使用有源分频器以及其中的电容器、电阻器、运算放大器和功率放大器来使扬声器相统一。有源分频器对于扬声器设计来说可能更加笨拙，因为它们典型地比等效无源分频器使用更多的元件。然而，与并联分频器在某种程度上相似，可以加入连续的段以增加有源分频器的阶数。可以根据本技术使用这一原理来在有源分频器中开发更高的有效阶数。
[0051]有时，当仅应用于具有超过两个驱动器的扬声器系统中的一个分频器点时，本发明大大改进了再现。当本发明被应用于在约500Hz至2000Hz范围(与挡板步的典型