专利名称：形成水平和垂直方向性可调的垂直线阵列的扬声器箱单元的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及宽频带、大功率扩声领域，具体提出了一种改进型组合式扬声器箱，在通常情况下可用作水平和垂直方向性可调的单个单元，可以将所述扬声器箱层叠地垂直安装组成水平和垂直方向均可调节的所谓线阵列，或者还可以进一步连接以组成所谓的点源阵列，这两种情况下，都是以单个扬声器箱或先前以多个组装的扬声器箱为基础开始形成的。
背景技术：
在Heil之后，在宽频带、大功率扩声领域，组成垂直线阵列的扬声器箱系统最主要的高频操作方法变得更出名。采用这些原理，为了将大功率级的声音发射到相对遥远的区域，根据听众的分布位置，使用一定数量的扬声器箱单元，以恰当的机械系统将其层叠并互相倾斜放置，并进行电气连接和调整，就可以在很宽的频率范围内在垂直面上实现专业扩声工作所期望和需要的显著的方向性，频率范围取决于单个单元的大小以及所有单元的组合。
附图中的图1A、B和C示出是当前的典型垂直线阵列(20)的不同视图。这是通过铰链连接的成套的扬声器箱(21)，用于调整垂直倾斜度，其具有在水平面的固定散射，以及来源于单元之间的孔径(张开)角之和的垂直面上的散射。每个独立单元的这样的散射与尺寸，可以产生直到中频的声耦合。对于更高的频率，会存在发射重叠，在直线阵列的情况下具有更多的干扰，如图1A所示(而且几乎没有或根本没有实际应用价值)。如图1B所示，由于中高频波导与设计用于耦合在点源阵列簇中的传统扬声器相比更具方向性，对于单元间的小孔径，可以通过这一方法逐渐增加以获得所需的整体垂直覆盖角度，事实上不会存在由于发射重叠产生的干扰。整个系统的水平散射是固定的，如图1C所示。
目前，在垂直线阵列中放置扬声器箱带来的增长优势就发射轴声级而言以及就垂直面上方向性的完全或几乎完全控制而言，同样都是公知的。另外一个原因在于，通过使用DSP(数据信号处理)，对关于时间和频率管理等声音程序进行预处理最近已经成为可能。
采用垂直线阵列对垂直方向性的设置使得实现清晰的声音覆盖成为可能，这主要归因于与其它同样单元以多个连接而成的独立单元的尺寸。但是，一般而言，这并不能预见可以从用这种方式组成的系统获取水平面上精确的方向性，除了独立的扬声器单元之外(图1C)。
换句话说，垂直线阵列的水平方向性与单个单元的相同。目前，当在所谓的点源阵列系统中用相同的单元并排水平放置若干扬声器时，如果没有更严重的发射重叠问题，扬声器箱间的梳状滤波或多或少很明显，可以根据所选择的张开角度，对水平方向性进行校准或“调节”，以达到对听众的最佳声音覆盖。
附图中的图2A、B和C显示了具有相同附图标记的点源阵列(22)的例子，清楚地说明了由于发射重叠直接在水平和垂直面上发射产生的干扰，这些重叠与每个扬声器箱间的倾斜度(23)并不一致，除非这些角度与扬声器箱的散射角度一致。对于一体化的扬声器箱来说，这种情况几乎不会出现，因为耦合这些扬声器箱所要求的倾斜度会具有很宽的散射(对于理论上的“点源”散射，扬声器箱越小，散射越近)，准确地说，所述倾斜度归因于扬声器箱大小。散射会在很大程度上减少扬声器箱后部的厚度，以至达不到扬声器箱的声负载所要求的音量，甚至在很小的音量中根本不包含声负载。
这些大量的干扰，典型的是点源阵列中的干扰，本质上归因于每个单一扬声器箱单元的这种放置及其物理和几何结构，根本没有考虑到与波长接近或大于单个单元的水平尺寸的频率有联系的衍射现象所引起的破坏性的声音干扰，当把将两个或更多的单个单元并排放置以增加水平散射时都会产生这种干扰，在垂直线阵列中，设计所述单个单元以达到最佳的垂直耦合，尽可能地避免阵列中包含的各个扬声器箱间的相互干扰。
也就是说，由于水平尺寸一般情况下都不小于两倍的垂直尺寸，将多个垂直线阵列在水平面上并排放置会产生比在点源阵列中所产生的相比还多的负(甚至很坏的)效应。
由机械特征或几何特性引起的较差音质，而且程度不轻，因为其影响了两个垂直线阵列的合适的靠近放置和吊装或堆叠，以上两个垂直线阵列先前向下弯曲以对于直接位于所述线阵列下的近场以及远程获得最佳声音覆盖，其中，系统必须发射高品质的声音。
图3A和B示出根据现行的用法，彼此并排放置垂直线阵列(20)的示意图。不过，为了获得最佳的声耦合并减少由于“J”形弯曲而产生的水平干扰，两个线阵列是不会以这种方式进行放置的。事实上，在阵列的底部它们看起来会是靠近的，而在阵列上部是远离的。这样一来，一方面就会产生与点源阵列中类型相同的声耦合，具有在水平面上因声发射重叠和随之发生的梳状滤波而产生的有害干扰；另一方面，因根据必需的垂直覆盖角度每次都会变化的阵列形状，造成单元之间的距离产生差别，因此除了这一恶化的情况之外，原本很差的耦合就频率而言还是易变的；不要忘记，两个或更多系统并排吊装时会出现更多的几何/机械方面的难题。
发明内容
本发明的目的主要在于提供水平与垂直方向性均可调整的组合式扬声器，在通常情况下单独使用，并能克服上文中提到的限制，在“远程”专业扩声系统中，在听众呈纵向分布的情况下，支持垂直线阵列配置的使用，而另一方面，当需要覆盖在宽广方向及程度有限的纵向分布的听众时，会让使用变得更复杂且费用更高。
为满足最后这一需求，一般情况下都需要采用吊装或层叠在主系统旁的附加垂直线阵列系统，放置在舞台前沿的旁边，成倍或是相当地增加扬声器箱的数量，而且因此增加了总成本，目的在于实现足够的听众覆盖，首先是中、短距离的听众覆盖，其中，只有前排系统的水平散射并不足以覆盖听众，同时还要遭受上述音质缺陷。
事实上，市场上大多数这种模式的产品具有在水平面上中频范围内-6dB上不超过90°的散射，而在较高范围内更小。因此，如果某种模式具有较宽的，例如120°散射，则这种扬声器箱就不是用作主垂直线阵列的，所述主垂直线阵列的任务是将声音发射很远的距离，而是用作增强舞台附近的声音或至少用来组成仅适于近距离发射声音的垂直线阵列的辅助单元。
然而，这是矛盾的，因为如果目的只是将声音通过大的散射角度发射到近距离处，那么使用传统的点源阵列系统就会更有利并且成本更低(图2)。
另一方面，本发明的一个目的是提出并实现一种结合两种配置，即垂直线阵列和点源阵列的声学优势的扩声系统，而不保留每个系统的缺陷，并且从灵活适用各种类型的扩声场合的角度出发，添加了新的且更有效的功能。
本发明的另一个目的是在垂直线阵列配置中提供由先前以多个组装好的一个或多个单个扬声器箱构成的扩声系统，可以将其相互之间有角度地放置，以调整垂直和水平面上声音发射的方向性。
可以用若干扬声器箱单元组成的扩声系统实现上述目的，每个扬声器箱都包含具有发射孔或管(emission hole or throat)的至少一个驱动器或扬声器、具有位于发射管与衍射槽(diffraction slot)之间的平行或倾斜壁的输送管(duct)、从衍射管(diffraction throat)向上延伸的波导，还包含若干扩散壁(divergent wall)，其中至少一个壁的角度是可以调节的，所述扬声器箱单元的特征在于，每个扬声器箱单元均带有机械装置，可以与同样的扬声器箱进行垂直层叠或水平并排放置，每个扬声器箱都可以在垂直方向上改变倾斜度，并在水平面上调节波导孔径。
根据后面的描述和附图，本发明的主要细节会变得更清楚，这里的描述和附图是说明性而不是限制性的，其中图1、2和3显示的是上述关于垂直线阵列和点源阵列的现有技术；图4A至F显示的是根据本发明，定位和调整声音发射方向性一些例子的俯视原理图；图5A至E显示关于图4中一些例图的垂直面散射调整举例；图6A至D以及A’至D’是垂直线阵列的一些示意性的例子，所述垂直线阵列包含互相分隔的单元，这些单元安装在各自盒子里，或统一装到一个盒子里并单独或共同与波导壁装配在一起；图7A至D是将若干单个单元装入一个盒子中的例子；图8A、B是单个单元水平耦合的两个例子，分别具有和不具有盒子；图9A至G是在不同的耦合装置中相同数量的元件布局实例及对方向性的可能调整；图10A-A’和B-B’是一些多个单元层叠和并排放置作为垂直线阵列的例子，分别具有和不具有盒子；图11是对准在垂直线阵列中若干扬声器轴上的观众的示图；图12显示了根据图11的垂直线阵列声压的分布；以及图13显示的是加强每个扬声器箱单元的方向性的激光瞄准系统。
具体实施例方式
由于结合在每一个单元中的垂直和水平散射均可调整的的创新特质，本发明的特点主要在于扬声器箱单元(31)的水平和垂直耦合，所述单元的几何和尺寸特征不但适于理想的垂直线阵列布局，而且适于若干垂直线阵列的水平耦合，其中，每一个单元都可以独立使用。
如图4所示，基本配置中的每个扬声器箱单元(31)都包括至少一个诸如压缩驱动器(32)或扬声器的有源部件，具有跟随输送管(34)的声音发射管(33)，输送管的边可以是平行的也可以是倾斜的，并且终止于衍射槽(35)。
从衍射槽的边向上，有两个垂直壁(36)构成所谓的波导，控制着声音的发射。至少一个壁，更好的两个壁(36)是铰链连接(37)的，以便能够按需对其倾斜度进行对称或非对称调节，从而修改波导的孔隙和方向，并因此调整水平面上声音发射的方向性。
此外，着眼于改变声音发射方向性，还可以提供其它附加壁部分(38)来延续波导壁(36)，所述附加壁部分也是以铰链连接(37)的，以便按需调节其倾斜度。
在波导壁(36)和/或附加壁部分(38)上可以面向波导放置诸如扬声器(39)的其它有源部件，并可以与波导壁本身一起安装，目的在于提高所发射声音的功率，由于安装在上述相邻壁的扬声器之间产生的干扰，同样控制最低频率的水平方向性以免由压缩驱动器再生。
如图5和6所示，这样配置的每个扬声器箱单元(31)均可与其它同样单元进行垂直组合，通过水平铰链(40)将其耦合以便调节其角度，从而在调节水平面方向性之外调节声音在垂直面的散射，所述水平面上的调节是由于波导孔径及方向的可变性实现的。
将扬声器互相层叠连接的铰链(40)优选地位于衍射管(35)的发射平面上以在扬声器箱单元的任何倾斜状况下保持衍射槽的连续性。
如图8B所示，每个扬声器箱单元(31)还可以安装到垂直轴连接装置(41)与其它扬声器箱单元横靠在一起，从而产生垂直和水平散射均可调节的多扬声器箱系统。
每一个扬声器箱单元(31)还可以装入其自己的盒子(42)中，通过以铰链连接各单元的盒子与其它同样单元垂直连接，如图6A’所示。或者可以将若干扬声器箱单元(31)层叠放置并装入单个盒子(43)中，所述单个盒子(43)可以层叠和并排连接到其它盒子，每一个都包括若干扬声器箱，如图6B’、C’和D’、图7以及图8B所示，还保留了对扬声器箱的单独调整的可能性并着眼于安装较大型垂直线阵列结构进行了简化，如图10所示。
就高度和宽度而言，装有单独扬声器箱的盒子(42)和层叠地装有多个扬声器箱的盒子(43)都向后倾斜，以允许其在与其它扬声器箱的同样盒子耦合时改变角度。
如图6A和B所示，在每种配置形式中，无论有无辅助的有源部件，水平朝向限定波导的壁(36，38)都可以联系并连接到每个单独的扬声器箱。还可以预见波导的可移动壁(36’，38’)与若干层叠的扬声器箱单元一起使用的情况，因此可以具有等于一组层叠的扬声器箱单元高度的扩展，如图5B和D以及图6C、D和C’、D’所示。
因此，本发明不仅克服了单独使用的标准扬声器系统的固有限制，而且克服了现行垂直线阵列系统的固有限制，原因在于，一方面基于这样配置的声学操作考虑所有的几何与物理条件，允许在垂直面上耦合及调整与其它多个单元的角度，另一方面允许同时对每个单独的单元或先前层叠放置并相对可调的若干单元甚至包含在分隔的盒子内的若干单元的水平散射角进行调整，所述若干单元也可按照和单个单元一样的方法进行耦合与调整。
这种主要但并不专用于垂直线阵列的单元的基本特征还允许组成所谓的点源阵列，所述点源阵列依次由若干垂直线阵列形成，而没有严重损害或难以逾越的困难(图10)。
装有单独或两个或更多的多个基本单元的盒子被集成为垂直和水平方向性均可调节的扬声器箱，也可以像单独的传统扬声器箱一样使用，所述传统扬声器箱就底座而言是一体化的，但由于其在较宽的限度内可调整散射以适应听众，因此更加实用。
根据本发明的垂直和水平方向性均可调整的扩声系统是创新性的，通过与某些专利中公开的其它系统相比也能够意识到这一点，其它系统都面临或仅部分地解决了方向性调节问题，在一些情况下，根据所实现的声音效果来看，采取的方式是违背自身利益的。
例如，在美国专利4,165,797中公开了一种调整扬声器箱方向性的方法，这种扬声器箱包括至少四个安装在单独方形板上的扬声器，所述方形板以前端耦合的方式依次安装在单独的盒子中，这样通过同时影响所有四个相邻角的螺杆控制在声音的传播方向上从中间向外移动，其中每个角度对应于每块板子。由于仅涉及高频和甚高频，该系统只允许以对称的方法加宽或缩减前部散射，无法分别对两个(水平和垂直)收听平面进行分别调整。
美国专利4,194,590中公开了一种比上述更具局限性的方法，只能通过沿导管传送的声音通道(大概由压缩驱动器发射)的变化在两个不同的角度(60°和120°)内调节喇叭的水平方向性，所述导管可以用按钮从外部进行旋转，这样适当安装在导管自身的侧孔(side opening)会根据按钮的位置而与喇叭的第一或第二扩展部进行联系。
由内壁限定的第一扩展部在水平面上形成60°的散射角，由外壁限定的第二扩展部形成120°的散射角。
这种设备并不能实现两个平面(垂直和水平)上的方向改变，而且仅在水平方向性上的改变并不是像发明一样，是基于对设置水平散射的喇叭或波导壁孔径的调整，也不可能调整耦合形成垂直线阵列的单个单元之间的张开角度。
另一方面，为了仅在水平面上改变方向性，美国专利5,590,214公开了使得形成喇叭或波导的壁互相倾斜的调节方法。
其中，对设置散射的壁以及对于安装有源器件或扬声器的壁都可以进行孔径角的改变，其中，假设也(或仅)再现高频的所述有源部件或扬声器以不同的类型和数量面对面地安装；这就意味着，对于有源器件前端(驱动器)以及衍射槽后端的喇叭或波导自身，衍射槽或管尺寸的变化会导致声负载的不可预见的改变。
这一方法无法预知对垂直散射和水平散射的任何改变。
而且，其在声学操作方面与本发明有很大不同，原因在于，其意味着在实际波导或喇叭管起点处的衍射槽的孔径的变化。
根据每种场合下由衍射槽设定的水平尺寸不同，这一变化导致频率响应无法控制，会遭受不可忽视的变化。
元件的位置也有差别，上述文件中的元件安装在三角形的空腔中，体积会根据衍射槽孔径的大小而发生改变；上述部件面向外安装，彼此相对，在一些垂直排列的变化中，在固定位置多于一个时，甚至使用不同的类型同时在声音的传播方向上进行纵向耦合。由于从各个声中心通往衍射槽入口的声音通道长度不同，因此这种放置一般都会对衍射槽传出的声音质量产生负面影响。
从声学和机械的角度来看，本发明的系统以完全不同的方式操作。事实上，有源器件，即压缩驱动器(32)、平膜片扬声器(高频波导的情况下是球顶形扬声器)或(不仅限于高频)凹膜片扬声器，都安装在实际波导或喇叭的相反一端，具有两个或更多可以互相独立调节的壁，朝上面对具有固定壁的输送管，所述输送管终止于具有固定尺寸的衍射槽，在波导前端具有可调节的波导壁，正是所述可调节的波导壁设置了水平散射角度，如图9A、D和G所示。
此外，可以在输送管(34)内安装定相器(44)，或者按照使从安装有源器件的发射管(33)与后面的衍射槽(35)发出的两个通道相等的这种方法来构成输送管，目的在于，因声音到达发射管(throat)的时间有所不同，从而达到消除干扰的目的，如图9B、C、E和F所示。
这种设计不会导致来自有源器件和位于波导管或放置在其后的喇叭的声负载的任何变化；由于负载量不变，衍射槽的尺寸也固定不变，因此与频率有关的声音特点不会改变，声音正是从衍射槽发射出然后由可调节壁控制的。
本发明还可以在调节衍射管/槽(35)前部壁的水平孔径角的同时调节出现在扬声器单元间的垂直孔径角，对于每个单独的单元以及对于先前通过连接若干单个单元而形成的每个盒子，所述调节也可以不对称地进行，以获得根据几何角度组合的散射角度，采用所述几何角度，用机械方法并排放置扬声器箱单元才成为可能。
基于使用在水平面上散射也可以变化的垂直线阵列，本发明允许(此前未知)对扩声系统的方向性进行调节。根据要覆盖的听众分布，用户能够随意配置适合于任何不同情况的系统。
使用根据本发明的系统构造对用户提出了这样的问题决定采用多大的垂直和水平孔径角，系统才能以用足够的准确度满足听众声音覆盖需求。
目前，为了解决垂直调整问题，所有垂直线阵列制造商都倾向于为用户提供用于阵列的单个单元的虚拟瞄准软件程序。
这种软件通过图形模拟出层叠放置的单元之间的孔径角，然后用图形显示出每一个单元的发射轴取向，发射轴与各种收听平面相交，后者可以通过软件利用一系列简单线条来设计，从而呈现出这些简单线条界定的区域。
在更为复杂的情况下，这些软件程序的完成不仅使用机械或几何特性函数，还要而且使用声学特性函数，例如，通过使用色度或灰度，绘制出所自高处所见的且由垂直线阵列中每一个单元发射轴截取的收听区域的模拟声压，如图12所示。
尽管非常有用，但是这种方法并不总是能满足那些经常使用这些扩声系统的用户的实际需求，如在巡回演出中的应用情况，日复一日地表演很多节目，演出地各不相同。实际上，在这些情况下，没有足够的时间来使用所描述的有利软件，因为如果以完全详尽的方式来完成这一工作，就必须进行大量的模拟找出对所覆盖区域最适合的扬声器箱配置，而要覆盖的区域对于每次演出都会变化，对所需要的虚拟结果进行检测同样需要大量时间，除非第一个模拟结果就能达到令人满意的程度。
为了解决这一问题，将调整扬声器箱角度孔径的方法与光学系统相结合，以简单有效的方式观察对听众的实时覆盖。
这种方法在每个单独垂直线阵列单元上使用了若干激光发射器从声中心或声音发射轴射出的第一中心激光(45)以及固定在波导或喇叭壁上的另外的激光发射器(46)，所述波导或喇叭壁的孔径或闭合度设置了水平散射，如图13所示。
对与每个单独单元相应的中心激光所发射的光线和其它激光器发射的光束进行同步的可视化，后者最好与从波导或喇叭壁导出的第一激光器所发射的光束采用不同颜色，所述第一激光器限定了水平散射角度，并且能够高精度地辨别出单个单元乃至一组单元的覆盖区，目的在于实时调整相互之间的角度(张开角)，用最小发射重叠及较少有害干扰达到最佳效果。
也就是说，可以手动或利用小电机移动恰当机械部件，来调整对扬声器箱的倾斜度，并且实现了实时的立体(垂直与水平)声音覆盖角度，所述角度是由上述激光同步发射的光束来界定的。
这一方法的极大优势在于相对于要覆盖的区域可以很快对系统进行调整，这一点在演出之前时间有限时同样并且由其能够体现。与美国专利申请2001/0029675中所描述的方法相比，具有很大改进，该文献的方法中仅使用了一个安装在传统扬声器箱的隔音板上的激光发射器，其中的传统扬声器箱没有调节方向性的设备。这束激光产生的水平线在某种程度上(仅在水平面)可以显示出声音的覆盖区域，但是并不能给出垂直声音覆盖的指示，而垂直的声音覆盖正是在现场演出应用中尤为重要和必须的，在舞台以及诸如剧院和礼堂等公共演出场所都需要大型的垂直散射。
权利要求
1.一种用于再现宽频带、高功率声音的扩声系统，其由若干扬声器箱组成，每个都包括至少一个具有发射管的驱动器或扬声器，具有位于所述驱动器或扬声器的所述发射管与衍射槽之间的平行或倾斜壁的输送管，以及从所述衍射槽向上延伸的波导，所述扬声器箱还包括扩散墙，所述扩散墙中至少一个的倾斜度是可调的，该系统特征在于，每个扬声器箱单元的每一面都装有机械部件，用于将其与其它同样单元进行层叠地垂直放置或并排地水平放置，用于在垂直面上改变每个单元的倾斜度及在水平面上调整所述波导孔径。
2.根据权利要求1的系统，其中，所述扬声器箱单元是单个扬声器箱。
3.根据权利要求2的系统，所述单个扬声器箱的每一个都包含在盒子中，并且每个扬声器箱的所述盒子都可以与其它层叠和并排相邻的扬声器箱的所述盒子进行垂直和水平连接。
4.根据权利要求1的系统，其中，所述扬声器箱单元都是以层叠的方式预先以多个组装好的。
5.根据权利要求4的系统，其中，所述以多个组装好的扬声器箱单元都包含在一个单独的盒子中，所述盒子与其它层叠或并排相邻的扬声器箱的所述盒子进行垂直和水平连接。
6.根据权利要求3和5的系统，其中对于每个扬声器箱单元，所述盒子的高度和宽度都是从前向后倾斜的，并且其中垂直面上的每个扬声器箱单元的所述倾斜度及水平面上所述波导的所述孔径变化都可以进行对称或非对称的独立调节。
7.根据上述权利要求的任意一项的系统，其中，在每个扬声器箱单元中，所述波导是由两面第一墙限定的，所述第一墙可以在各自的垂直铰链轴周围对称或非对称地互相独立并成角度地放置。
8.根据上述权利要求中任意一项的系统，其中，每个扬声器箱单元的特征还在于，包括从所述扬声器箱的声中心(或声发射轴)产生光束的第一激光发射器以及应用于所述波导壁的其它激光发射器，用以显示其孔径角并清楚地给出所述扬声器箱的垂直和水平的立体声音覆盖角度的实时指示。
全文摘要
本发明公开了一种用于再现宽频带、大功率声音的扩声系统，其包括若干扬声器箱，每个扬声器箱包含至少一个具有发射管的驱动器或扬声器、具有位于驱动器或扬声器的发射孔与衍射槽之间的平行或倾斜壁的输送管，以及从衍射槽向上延伸的波导，还包括扩散墙，至少一个扩散墙的倾斜度是可以调节的。每个扬声器箱单元的每一面都装有机械部件，用于将其与其它同样单元进行层叠地垂直放置或并排地水平放置，用于在垂直面上改变每个单元的倾斜度及在水平面上调整波导孔径以及调整垂直和水平声音散射。
文档编号H04R27/00GK1812663SQ20061000322
公开日2006年8月2日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年1月28日
发明者G·诺塞利, S·诺塞利, M·诺塞利 申请人:奥特兰诺塞利G.&C.公司