专利名称：声学设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及声学设备，特别涉及弯曲波(bending wave)声学设备，例如扬声器。
背景技术：
弯曲波面板扬声器，特别是分布模式面板扬声器具有通过复杂的弯曲波作用而产生的扩散声音辐射(发出)的特性，其有益地提供在所有平面或方向上的宽广方向性，其中分布模式面板扬声器例如在授予本发明人的WO97/09842和其它中所教导的那样，被另称为首字母缩略词(achronym)“DML”。然而，在一些应用中，特别是在相对于其它轴或平面的一些轴或平面中，较窄的方向性可能是重要的。
为了播音(public address)的目的，例如，对于机场中央大厅，扬声器的输出旨在被定向到受众。最大可懂声音功率理想地被定向在指定的高度范围和宽广的水平区域上。如果垂直平面中的声音辐射的这一较窄方向性要求不被令人满意地提供，则在驱动由中央大厅提供的总音量中浪费了声音功率，并且该浪费的声音还通过在空间中回声或回响而降低性能，从而降低信噪比，并且降低可懂度。
传统的活塞/圆锥型线源扬声器在一定的程度上可以实现这一点，但是在较高频率处、在活塞单元阵列之间具有严重的干扰，这在声学空间中是不利的。
如果因而将活塞单元变小以便解决该问题，则它们具有较差的低频输出和功率处理。如果它们太大，则干扰效应变得占优势，从而破坏了方向性性能。因此，当使用传统的活塞驱动器时，危害是不可避免的。
授予给本申请人的WO00/78090描述了一种分布模式弯曲波面板扬声器，其中通过布置面板来控制一个平面中的方向性，以便具有模态轴(modalaxis)和与模态轴正交的非模态轴。该面板可以沿着模态轴在预定频率范围内支持多个共振弯曲波模式。沿着非模态轴的共振弯曲波模式的基本频率是沿着模态轴的共振弯曲波模式的基本频率的至少五倍。这样，从该面板发射的声音在沿着模态轴而不是非模态轴的共振弯曲波模式被激励的频率处是各向异性的。
该面板可以较窄，并且具有高纵横比，并且被设计成以在长轴的方向上占优势的期望弯曲波模式工作。在短轴上可以存在一定跨度(a span of)的振动激励器，以进一步促进长轴中的模态优势。这些模式在相对于长轴的大范围角度上辐射，因此，如果该面板被水平安装，则在水平平面上获得较宽的方向性。如果这种扬声器被安装在高于或低于视频屏幕的这一高度中，则这是一个优点，并且由此可以向听众提供良好的区域覆盖。
这种扬声器还旨在具有相对于短轴的较宽方向性。由于本发明的高纵横比分量因此规定了较短的短轴，其在作为模态的频率处以自然地较宽的方向性辐射，因此实现了这一点。
然而，对于具有改善的有向声音辐射的弯曲波扬声器，还存在不同的要求，该弯曲波扬声器在一个轴上具有特别窄的方向性，同时在另一个轴上具有较宽的方向性。一种良好的应用是播音。
发明内容
根据本发明，提供了一种扬声器，其包括弯曲波扬声器，具有工作频率范围和高于该工作频率范围的重合频率，该扬声器包括共振面板，具有两个大体上正交的轴；振动激励装置，耦合到该面板，以激励该面板以使其沿着该面板的一个轴共振；以及抑制或阻止沿着该面板的另一个轴的共振的装置，由此该面板发出沿着一个轴具有较宽方向性而沿着该面板的另一个轴具有较窄方向性的声学输出。
振动激励装置还可以形成抑制或阻止沿着面板的共振的装置。这样，激励装置的长度对于控制沿着面板的方向性可能是关键性的。振动激励装置优选地长于在最低所需频率处声音在空气中的波长。例如，对于播音扬声器，线(并且因此该面板的长度)应当至少40cm长，从而提供不大于850Hz左右的最低额定受控方向性频率。
振动激励装置可以包括沿一条线分布的离散的激励器，其沿着面板而延伸，并且基本上同相工作。该线可以为直线。该线可以基本上从面板的一个短端延伸到另一个短端。
在该线中优选地存在至少四个激励器。三个激励器不太可能足以控制沿着面板的方向性而无过度的偏轴干扰以及由此在对应极响应中的波瓣形成。激励器数目的上限仅仅由面板的尺寸确定。
激励器的线可以位于面板的中间纵轴上，或者中轴的一侧，例如，在第一横向弯曲模式的节点线上。激励器可以等距地沿着该线排列。激励器之间的间隔应当小于在最高工作频率处声音在面板中(而非在空气中)的波长。由于面板材料是最高工作频率的确定因素，因此间隔将取决于所选的面板材料。
面板可以为矩形，其具有主轴或长轴，以及对应的横轴或短轴。面板可以具有至少2∶1的纵横比(即，长与宽之比)。面板长度可以大于激励器装置的长度。然而，由于控制方向性的关键在于激励器装置的长度，因此优选地，激励装置沿着面板的长度方向延伸。
面板宽度的范围可以为8cm-100cm，特别是对于用于播音系统的情况。如果宽度小于8cm，则面板可能没有足够低的频率带宽或者有效的输出电平。如果宽度大于100cm，则面板对于搬运和制造而言有可能是不实用的。
面板的重合频率优选地近似等于或大于最高期望频率。否则，担当抑制装置的振动激励装置在重合频率处可能产生较强的偏轴波瓣形成，这反过来可能破坏声学空间中的回响声场，并且降低可懂度。
与WO00/78090的教导相反，当如对于播音扬声器而言是常见的那样，矩形面板被垂直定向时，鼓励针对短横轴的多个模式，以提供较宽的水平平面弯曲波方向性。这样的定向还最小化了设计师和承包者的安装困难。这样，本发明的扬声器可以被认为是具有WO00/78090的相反声学效果。它在原理和作用上都是相反的。
对于较长的长轴，弯曲波面板为扩展激励源提供了公共表面，其可以与适当的力激励器一起位于连续线上，或者可以通过由适当地电连接的离散激励器的阵列表示的线而产生。就长轴来看，面板振动膜(diaphragm)近似于表示扩展、半相干声学源的能量求和表面，因此与所发出的波长相比，由于源的尺寸而在垂直平面上具有显著窄的方向性的所需特性。
通过确定长轴和短轴的大小，并且如果使用多个激励器，则确定连接到激励器的电气信号的电平、频率和相位响应，可以由设计者调整通过频率的声音辐射的方向性的定形。激励器的控制可以通过传统的模拟或数字装置。其它因素包括相对于面板尺寸和弯曲轴的面板弯曲刚度。
使用电气频率敏感网络、通过频率调整驱动线长度的技术可以用来微调频率范围上的垂直方向性。例如，该线可以明显长于最高期望频率的波长，例如，大于10倍。在这种情况下，沿着面板的方向性将被集中于非常窄的波束，并且空间覆盖将受到限制。因此，期望采用滤波器，以便随着频率的增加而逐渐缩短有效的线长度。
在附图中作为示例概略地示出了本发明，其中图1是根据本发明第一方面的扬声器的平面图；图2是根据本发明第二方面的扬声器的平面图；图3是安装在无限反射板中的图1和图2的扬声器的模拟声学输出(dB)对频率(Hz)的曲线图；以及图4a到4c分别示出了在3kHz、1kHz和250Hz处图2的扬声器的水平和垂直方向性。
具体实施例方式
图1和2示出了包括面板10的扬声器，其中二十四个激励器12的阵列被安装到其上，以驱动面板中的弯曲波振动。该面板较大，其具有120cm×40cm的尺寸，因此具有3∶1的纵横比。每个激励器的直径为25mm，并且激励器的阵列从面板的一个短端延伸到另一个短端。
在图1中，激励器12等距地排列在沿着面板10的长轴的长度方向而连续的线上。在图2中，激励器12等距地排列在沿着面板10的长度方向而连续的偏轴线上。该偏轴线是第一横向弯曲波模式的节点线。
图3分别以实线和虚线示出了图1和2的扬声器的模拟频率响应22、24。图1的扬声器的声学响应在面板的第一共振弯曲波模式处，即在100Hz处具有声压级的显著下降。如在图2的扬声器中那样，通过针对该模式沿着节点线安装激励器，该模式被激励，因此平滑了频率响应。
图4a到4c针对图2的扬声器分别以虚线和实线示出了通过短轴或长轴的平面中的方向性24、26。通过短轴和长轴的平面中的方向性分别是横穿和沿着面板的方向性。如果扬声器被垂直安装，即使其长轴垂直地安装，则仅通过短轴的平面中的方向性可以被认为是水平方向性。类似地，仅通过长轴的平面中的方向性可以被认为是垂直方向性。不考虑面板的平面中的方向性。
水平方向性在3kHz处基本上均匀，并且在1kHz和250Hz处完全均匀。相反，当在短轴上进行测量时，在3kHz和1kHz处，峰值在垂直方向性中具有显著聚束(beaming)。当以偏轴进行测量时，输出快速且显著地下降。该方向性在250Hz处更均匀，其中轴上的峰值更缓和地下降。
这样，图2的扬声器可以用作语音的播音系统，其具有250-3kHz的受控方向性范围。高于3kHz，聚束太强而不能提供良好的覆盖。面板尺寸接近于在大型公共场所中提供良好覆盖而无频率遮蔽的最大尺寸。
应当注意的是，本发明的扬声器仅仅在面板的重合(coincidence)频率之下工作。
当面板中的波速v等于声音在空气中的速度c时，发生重合。(注意，当c的频率恒定时， 并且在20℃为343ms-1)。
根据v=2πfB/μ,]]>ν＝fλ、c＝fλ，其在重合处c＝v具有以下约束fcoincidence=c22π(B/μ),]]>即fcoincidence∝1B/μ]]>这样，为了最大化重合频率，必须最小化 B是面板的弯曲刚度，而μ是面密度-因此，要求软且重的面板。
还要注意的是，激励器间隔必须不大于面板中的波长的一半。
考虑激励器的中心之间的间隔d。
根据v=2πfB/μ,]]>ν＝fλ，其具有λ2=d]]>的约束fexciterspacing=2πB/μ4d2,]]>即fexciterspacing∝B/μ]]>这样，为了最大化激励器间隔频率，必须最大化 B是面板的弯曲刚度，而μ是面密度-因此，要求硬且轻的面板。
可以看出，这两个要求相互冲突。这样，必须在具有高重合频率的足够重/软面板和具有最大化激励器间隔限制频率的硬/轻面板之间进行平衡。期望的是，对于理想材料，这些频率将相等，从而得出fexciterspacing＝fcoincidence，因此2πB/μ4d2=c22πB/μ]]>这可以被简化成
Bμ=(cdπ)2]]>这样，对于给定的激励器间隔d，可以得到在理论上理想的弯曲刚度B和面密度μ的比率。当搜索适当的面板材料时，这是非常有用的计算。可以肯定地认为，使用显现出比激励器间隔限制更低的重合频率的材料是不明智的，因为该面板材料将无必要地限制扬声器的性能，因此，这可以被认为是理想B/μ比率的上限。
实际上，激励器间隔限制并没有表现为如同上面预测的一样低，并且由此，具有比激励器间隔限制频率更高的重合频率的材料表现为工作得较好。对此，只有来自模拟和实验原型的证据，然而，可以认为，由于激励器不是点源，因此激励器的有限尺寸部分地有责任。另外，扬声器可能在重合频率处显现较强的偏轴波瓣(off axis lobes)，并且在频率上将它们移得更高可能是有益的。这样，具有小于上面上限的B/μ比率的材料很有可能是适合的。
关于理想B/μ比率的下限，纯粹基于实际实验的建议是，将B/μ比率下限设成激励器间隔限制频率等于重合频率的一半时的值。
fexciterspacing=fcoincidence2,]]>因此2πB/μ4d2=c22πB/μ×12]]>这可以被简化成Bμ=12(cdπ)2]]>或者换句话说，上面计算的B/μ比率的一半。这样，理想B/μ比率的范围可以被表述为(cdπ)2≥Bμ≥12(cdπ)2]]>然而，注意这并不排除使用该范围之外的面板材料来构建根据本发明的线阵列扬声器，因为存在要考虑的扬声器性能的其它方面。但是，这是建议的理想范围，并且偏离到其外有可能限制最大有向(directional)限制频率。
根据本发明的扬声器将具有高于面板重合频率的输出，但是在此点，很少或者没有其方向性的控制将是有可能的。模拟显示，波瓣形成可能是个问题，并且由此可能有必要将输入频率限制为面板方向性受到较好控制的频率，也就是，滤除最高频率，即高于重合频率和激励器间隔频率限制的频率，从而波瓣形成不成为问题。扬声器的频率上限通常远远高于语音所需的频率，因此顶端滤波只能提高可懂度。
激励器阵列的长度确定低频处的方向性的限制；使用激励器越多，线越长，扬声器将有向的频率越低。将此与紧密排列激励器的要求相结合，并且可以看出，可能需要若干个激励器。然而，这不是对低频性能的唯一限制。如果面板太窄，针对其尺寸由太硬的材料制成、或者安装机构(mountingscheme)太硬，则扬声器可能如同任何其它DML一样显现出异常高的低频截止。
在理论上，对于如何定位激励器，存在相当少的选项，因为垂直间隔才是关键的。存在这样的激励器的组合，其全都在一条线上或者交错排列在一条线的任一侧，以及面板的仅仅一侧或两侧。模拟显示，对于一条线上的激励器，性能较好；对于交错排列的激励器，在垂直方向上可能存在严重的波瓣形成问题，并且水平方向性也可能较差。将激励器放置在面板的两侧的障碍是美观性，并且同样地，它只是在模拟中被尝试。当然，在普通的DML面板中，通常仔细地选择激励器位置，以便确保平滑的频率响应，然而，在本申请中，激励器位置的自由显然是不可能的，并且如模拟所建议的那样，最终的扬声器的电子均衡可能证明是有必要的。
权利要求
1.一种弯曲波扬声器，具有工作频率范围、以及高于该工作频率范围的重合频率，其包括共振面板，具有两个大体上正交的轴；振动激励装置，耦合到该面板，以激励该面板沿着该面板的一个轴共振；以及抑制或阻止沿着该面板的另一个轴的共振的装置，由此该面板发出沿着一个轴具有宽方向性而沿着该面板的另一个轴具有窄方向性的声学输出。
2.根据权利要求1所述的扬声器，其中所述面板为矩形。
3.根据权利要求1或2所述的扬声器，其中振动激励装置形成抑制或阻止沿着另一个轴的共振的装置。
4.根据权利要求3所述的扬声器，其中振动激励装置与面板的耦合长于在最低所需频率处声音在空气中的波长。
5.根据任一前面权利要求所述的扬声器，其中振动激励装置包括一条线上的离散激励器，其沿着另一个轴而延伸，并且基本上同相工作。
6.根据权利要求5所述的扬声器，其中激励器之间的间隔基本上不大于在最高工作频率处面板中的波长的一半。
7.根据权利要求5或6所述的扬声器，其中该线为直线。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的扬声器，其中该线基本上从面板的一端延伸到另一端。
9.根据权利要求5至8中的任一项所述的扬声器，其中在该线中存在至少四个激励器。
10.根据权利要求5至9中的任一项所述的扬声器，其中激励器的线位于面板的中间纵轴的一侧。
11.根据权利要求10所述的扬声器，其中该线位于第一横向弯曲模式的节点线上。
12.根据权利要求5至11中的任一项所述的扬声器，其中激励器等距地沿着该线排列。
13.根据任一前面权利要求所述的扬声器，其中面板为矩形，其具有主轴或长轴，以及对应的横轴或短轴，并且具有至少2∶1的纵横比。
14.根据权利要求5至13中的任一项所述的扬声器，其中该线上的激励器间隔d和面板的弯曲刚度B及其面密度μ基本上遵循下式Bμ=(cdπ)2]]>
全文摘要
一种弯曲波扬声器，具有工作频率范围、以及高于该工作频率范围的重合频率，其包括共振面板，具有两个大体上正交的轴；振动激励装置，耦合到该面板，以沿着该面板的一个轴激励该面板共振；以及抑制或阻止沿着该面板的另一个轴的共振的装置，由此该面板发出沿着一个轴具有较宽方向性而沿着该面板的另一个轴具有较窄方向性的声学输出。
文档编号H04R7/04GK1806468SQ200480016895
公开日2006年7月19日 申请日期2004年7月13日 优先权日2003年7月24日
发明者格雷厄姆·班克, 安德鲁·马钱特, 马丁·科洛姆斯, 保罗·伯顿 申请人:新型转换器有限公司