本发明涉及声学技术领域，具体的，本发明涉及一种扬声器。
背景技术：
扬声器是一种常见的声学扩音装置，可有效实现声音的还原和播放，能够满足绝大多数音频应用场景。
但是，在某些特殊的使用场合，如防空警报、防灾宣传等，需要扩音装置有非常好的全向一致性，而现有技术中的扬声器发出的声音具有特定的指向性，极大限制了声音的接收范围，显然不是一种理想的扩音装置。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足之处，本发明实施例的目的是提供一种声学装置，通过将压缩驱动器与环形波导相耦合，能够实现声音在垂直于压缩驱动器驱动方向的平面上沿360°均匀扩散，提高了声学装置的发声范围，实现了全向发声。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明提供了一种声学装置，包括:
第一压缩驱动器，所述第一压缩驱动器包括第一振膜，所述第一振膜振动产生第一声波；
环形波导，所述环形波导与所述第一压缩驱动器相对设置，并与所述第一振膜之间形成第一压缩腔，所述第一压缩腔的宽度接近所述第一振膜振动产生的最高频声波对应波长的四分之一。
优选的，所述第一振膜为圆弧凸面或圆锥凸面。
优选的，所述环形波导中心设有凹面，所述凹面的形状与所述第一振膜相匹配，所述凹面与所述第一振膜之间形成所述第一压缩腔。
优选的，所述第一压缩驱动器为环形，所述环形波导与所述第一压缩驱动器同轴。
优选的，由所述第一振膜振动产生的第一声波沿着所述第一压缩腔传播。
优选的，所述环形波导外沿的横断面轮廓曲线为指数型曲线。
优选的，所述第一压缩驱动器包括高频压缩驱动器、中频压缩驱动器或低频压缩驱动器中的任意一种。
优选的，所述高频压缩驱动器、所述中频压缩驱动器以及所述低频压缩驱动器分别对应不同宽度的所述第一压缩腔。
优选的，所述装置进一步包括第二压缩驱动器，所述第二压缩驱动器包括第二振膜，所述第二振膜振动产生第二声波。
所述第二压缩驱动器、所述第二振膜与所述第一压缩驱动器、所述第一振膜分别设置于所述环形波导两侧，所述第二振膜与所述环形波导之间形成第二压缩腔。
优选的，所述第二压缩腔的宽度接近所述第二振膜振动产生的最高频声波对应波长的四分之一。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为其中一个实施例提供的一种声学装置的剖视图；
图2为其中一个实施例提供的一种声学装置的工作原理示意图；
图3为其中另一个实施例提供的一种声学装置的剖视图；
图4为其中又一个实施例提供的一种声学装置的剖视图；
图5为对其中一个实施例提供的一种声学装置进行有限元模拟分析得到的声音传播示意图；
图6为对其中一个实施例提供的一种声学装置的输出进行测量分析的结果示意图；
图7为其中一个实施例提供的一种声学装置的灵敏度曲线；
图8为其中一个实施例提供的一种声学装置的指向性指数曲线；
图9为其中一个实施例提供的一种声学装置的声学三维输出气球图；
图10为其中一个实施例提供的一种声学装置的频率响应曲线；
图11为其中一个实施例提供的一种声学装置在添加均衡器后的频率响应曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
如图1所示，为其中一个实施例提供的一种声学装置的剖视图。该声学装置包括：第一压缩驱动器106和环形波导。
所述第一压缩驱动器106与所述环形波导同轴设置。所述第一压缩驱动器106可以为电动式、静电式、电磁式、压电式、电离子式或气动式压缩驱动器等。所述第一压缩驱动器106为一种小型振膜扬声器，可以产生声音。所述第一压缩驱动器106包括第一振膜103，所述第一振膜103置于所述第一压缩驱动器106上与所述环形波导相对的一端。所述第一振膜103可以为锥形振膜、浅锅底振膜、半球形振膜等。所述第一振膜103的材质可以为天然纤维(如纸、羊毛、蚕丝)、金属、复合材料(如纤维织物镀金属)、高分子合成纤维(如塑胶)、木纤维或生物等。在所述第一压缩驱动器106的压缩驱动下，所述第一振膜103振动，产生第一声波。所述第一声波可以沿所述第一振膜103振动的方向传播。所述第一声波的频率可以在任意频段，例如，全部可听声波。在一些实施例中，所述第一声波的频率为50hz-18khz。
在一些实施例中，所述环形波导包括第一环形波导101。所述第一环形波导101与所述第一压缩驱动器106相对设置。所述第一环形波导101与所述第一振膜103之间形成第一压缩腔108。所述第一振膜103振动产生的第一声波从第一压缩腔108传出，并经所述第一环形波导101的下端曲面r-1的反射，使得所述第一声波既可以沿着垂直于轴b的平面向360°传播又可以沿着垂直于平面方向传播。
在其他一些实施例中，所述环形波导包括第一环形波导101和第二环形波导105。如图1所示，所述第二环形波导105与所述第一环形波导101相对设置，且所述第二环形波导105和所述第一环形波导101之间设置有多个可以用于支撑所述第一环形波导101的立柱104，使第一环形波导101与第一振膜103间隔特定的距离，例如，所述第二环形波导105的外周均匀分布有6个立柱104，所述6个立柱104支撑所述第一环形波导101，使得所述第一环形波导101和第一振膜103之间间隔4cm。
在一些实施例中，所述第二环形波导105的中心开设有开口107，所述第一振膜103穿过所述开口107与所述第一环形波导101相对。所述第一振膜103可以是任意形状。
在其中的一些实施例中，所述第一振膜103为圆弧凸面。所述第一环形波导101的中心设置有与所述第一振膜103相匹配的凹面102，所述凹面102与所述第一振膜103之间形成第一压缩腔108。所述第一压缩腔108的宽度a可以为特定值。
在一些实施例中，所述宽度a可以为所述第一振膜103振动产生的最高频声波对应波长的二倍、二分之一、八分之一等。所述最高频声波对应波长等于声速(340m/s)与最高频率的比值。例如，所述第一振膜103振动产生的第一声波的最高频率为4250hz，所述宽度a可以为最频率声波对应波长的二分之一，即所述宽度a为0.04m。
在一些实施例中，所述第一压缩腔108的宽度a接近所述第一振膜103振动产生的最高频声波对应波长的四分之一。所述最高频声波对应波长等于声速(340m/s)与最高频率的比值。此处所述的“接近”是指近似或者等于，即所述第一压缩腔108的宽度a与所述最高频声波对应波长的四分之一的差值保持在特定误差范围内。例如，所述第一振膜103振动产生的最高频声波的频率为17000hz，经计算，所述最高频声波对应波长为0.02m，所述波长的四分之一为0.005m(5mm)，所述误差范围为±0.05mm，即所述第一压缩腔108的宽度a在4.95mm～5.05mm之间。
通过第一压缩驱动器106的压缩驱动，由所述第一振膜103振动产生的第一声波可以沿着所述第一压缩腔108传播，并在垂直于所述环形波导轴线b的平面上向360°传播，从而提高了发声范围。所述第一环形波导101和第二环形波导105的外沿的横断面可以为任意形状的曲线。
在一些实施例中，所述第一环形波导101和第二环形波导105的外沿的横断面轮廓可以为具有不同曲率的曲线。例如，所述第一环形波导101外沿的横断面轮廓曲线为指数型曲线，使得声波被第一环形波导101的外端曲面反射后，能在垂直方向上得到扩散的同时保持声波的均匀传播。
如图2所示，为其中一个实施例提供的一种声学装置的工作原理示意图。所述第一振膜103在第一压缩驱动器106的驱动作用下产生振动，并产生第一声波，所述第一振膜103的中心到声音接收点的距离大于所述第一振膜103几何尺寸的2倍，例如，所述第一振膜的几何尺寸为6cm，而人收听到声音的接收点与第一振膜的中心的距离为20cm。而且所述第一振膜103的各部分振动的相位近似相同，例如，第一振膜103上各部分发出的声波的相位差在5°之内。可以将所述声学装置看作点声源，所述第一振膜103产生的第一声波在以第一振膜103的中心为球心的球面上呈均匀分布。
所述第一振膜103在向上振动时压缩所述第一压缩腔108内的空气，第一声波因此形成并被迫从所述第一压缩腔108的开口处排出。所述第一压缩腔108的宽度a接近所述第一振膜103振动产生的最高频声波对应波长的四分之一，使得从第一压缩腔108内传出的声音强度更大。具体地，从第一压缩腔108内传出的声波等于所述第一振膜103振动产生的第一声波和被凹面102反射后形成的反射波的总和，由于声波在反射时有半波损失，而且第一压缩腔108的宽度a接近所述第一振膜103振动产生的最高频声波对应波长的四分之一，则声波自发出到被反射折回的传播距离为半个波长，再加上反射的半波损失，则反射波与第一振膜振动产生的第一声波正好相差一个波长，即所述反射波和所述第一声波的相位相同，从而叠加后形成的声波的声压更大，即从第一压缩腔108内传出的声音强度更大。
图2中带箭头的线用以表示声波的传播路径。由图中可见，第一声波由第一压缩腔108的开口向四周传播进入到间隙200中，从而第一声波可以沿垂直于所述环形波导轴线的水平面向360°传播。并且向上传播的部分第一声波接触到第一环形波导101的下端曲面r-1，被第一环形波导101下端曲面r-1反射，向下传播的部分第一声波接触到所述第二环形波导105的上端曲面r-2，被第二环形波导105的上端曲面r-2反射，由于第一环形波导101外沿的横断面轮廓曲线为指数型曲线，并且第二环形波导105的外沿的横断面轮廓也为曲线，从而第一声波在经反射后在垂直方向上得到一定程度的扩散，可以在垂直于水平面区域均匀传播，传播范围被进一步被扩大。
如图3所示，为其中另一个实施例提供的一种声学装置的剖视图。该声学装置包括：第一压缩驱动器106和环形波导。所述第一压缩驱动器106与所述环形波导同轴设置。所述第一压缩驱动器106可以为电动式、静电式、电磁式、压电式、电离子式或气动式压缩驱动器等。所述第一压缩驱动器106包括第一振膜103，所述第一振膜103可以为锥形振膜、浅锅底振膜、半球形振膜等。所述第一振膜103的材质可以为天然纤维(如纸、羊毛、蚕丝)、金属、复合材料(如纤维织物镀金属)、高分子合成纤维(如塑胶)、木纤维或生物等。所述第一振膜103振动产生第一声波。所述第一声波的频率可以在任意频段，例如，全部可听声波。在一些实施例中，所述第一振膜103振动产生的第一声波的频率为50hz-18khz。
所述环形波导包括了第一环形波导101，所述第一环形波导101与所述第一振膜103之间形成第一压缩腔108，所述第一振膜103振动产生的第一声波由所述第一压缩腔108传出，并经所述第一环形波导101的下端曲面r-1反射，使得所述第一声波可以沿着垂直于平面向360°传播以及垂直于所述平面方向传播。
在一些实施例中，所述环形波导包括第一环形波导101和第二环形波导105，其中，所述第二环形波导105与所述第一环形波导101相对设置，且所述第一环形波导101和所述第二环形波导105之间设置有多个可以用于支撑所述第一环形波导101的立柱104，使第一环形波导101与所述第一振膜103间隔特定的距离。例如，所述第一环形波导101和所述第二环形波导105之间均匀间隔设置有6个立柱104，使得所述第一环形波导101与所述第一振膜103之间间隔2cm。所述第一振膜103可以为任何形状。
在其中一些实施例中，所述第一振膜103为圆锥凸面。所述第一环形波导101的中心设置有与所述第一振膜103相匹配的凹面102，所述凹面102与所述第一振膜103之间形成第一压缩腔108，通过第一压缩驱动器106的压缩驱动，由所述第一振膜103振动产生的第一声波沿着所述第一压缩腔108传播，并在垂直于所述环形波导轴线b的平面向360°扩散，提高了发声范围，且在所述第二环形波导105的上端曲面r-2和第一环形波导101的下端曲面r-1的反射下，所述第一声波可沿着垂直于平面方向均匀扩散。
如图4所示，为其中又一个实施例提供的一种声学装置的剖视图。所述声学装置包括第一压缩驱动器106，第二压缩驱动器110和环形波导109。
所示第一压缩驱动器106包括第一振膜103，所述第二压缩驱动器110包括第二振膜111，其中，所述第一压缩驱动器106、所述第一振膜103与所述第二压缩驱动器110、所述第二振膜111分别设置于所述环形波导109的两侧，所述第一压缩驱动器106和第二压缩驱动器110可以为电动式、静电式、电磁式、压电式、电离子式或气动式压缩驱动器等。所述第一振膜103可以为锥形振膜、浅锅底振膜、半球形振膜等。所述第一振膜103和第二振膜111的材质可以为天然纤维(如纸、羊毛、蚕丝)、金属、复合材料(如纤维织物镀金属)、高分子合成纤维(如塑胶)、木纤维或生物等。所述第一振膜103和第二振膜111可以为任意形状。
在其中的一些实施例中，所述第一振膜103和所述第二振膜111为圆弧凸面。所述环形波导109与所述第一振膜103之间形成第一压缩腔108，所述第一振膜103向上振动时，所述第一振膜103压缩所述第一压缩腔108内的空气，第一声波形成并从所述第一压缩腔108的开口处向外传播，并经所述环形波导109的上端曲面r-3的反射，可以实现声波向平面360°以及垂直于平面方向均匀扩散，且所述环形波导109与所述第二振膜111之间形成第二压缩腔112，所述第二振膜111振动产生第二声波，第二声波的产生和传播原理与第一声波相同。所述第一压缩腔108和第二压缩腔112的宽度可以为特定值。
在一些实施例中，所述第一压缩腔108的宽度和第二压缩腔112的宽度分别等于对应的第一振膜103和第二振膜111振动产生的最高频声波对应波长的二倍、二分之一、八分之一等。所述最高频声波对应波长等于声速(340m/s)与最高频率的比值。例如，所述第一振膜103振动产生的最高频声波的频率为5000hz，所述第一压缩腔108的宽度为最高频声波对应波长的二分之一，即所述第一压缩腔108的宽度为0.034m。又例如，所述第二振膜111振动产生的最高频声波的频率2000hz，所述第二压缩腔112的宽度为最高频声波对应波长的二分之一，即所述第二压缩腔112的宽度为0.085m。
在一些实施例中，所述第一压缩腔108的宽度接近所述第一振膜103振动产生的最高频声波对应波长的四分之一，所述第二压缩腔112的宽度接近所述第二振膜111振动产生的最高频声波对应波长的四分之一。所述最高频声波对应波长等于声速(340m/s)与最高频率的比值。此处所述的“接近”是指近似或者等于，即所述第一压缩腔108的宽度和第二压缩腔112的宽度分别与第一振膜103和第二振膜111振动产生的最高频声波对应波长的四分之一的差值保持在特定误差范围内。例如，所述第一振膜103振动产生的最高频声波的频率为5000hz，所述最高频声波对应波长的四分之一为0.0017m(1.7mm)，所述误差范围为±0.02mm，所述第一压缩腔108的宽度在1.68mm～1.72mm之间。又例如，所述第二振膜111振动产生的最高频声波的频率2000hz，所述最高频声波对应波长的四分之一为0.00425m(4.25mm)，所述误差范围为±0.03mm，所述第二压缩腔112的宽度在4.22mm～4.28mm之间。
所述环形波导109与所述第二压缩驱动器110之间还形成一反射腔113，所述反射腔113置于所述第二压缩腔112的四周。当所述第二振膜111向上振动时，所述第二振膜111压缩所述第二压缩腔112内的空气，第二声波形成并从所述第二压缩腔112的开口处向所述反射腔113传播，所述第二声波到达所述反射腔113内，经过所述第二压缩驱动器110的上表面以及所述环形波导109的下表面的多次反射进入至所述环形波导109与所述第二压缩驱动器110之间形成的间隙400内，再经所述环形波导109的下端曲面r-4进一步的反射扩散，使得第二声波既能在垂直于所述环形波导109轴线的平面上向360°传播又能沿垂直于所述平面方向均匀传播。其中，所述第一压缩驱动器106-3和所述第二压缩驱动器110可以为高频压缩驱动器、中频压缩驱动器或低频压缩驱动器中的任意一种。对应于不同频率的压缩驱动器，所述第一压缩腔108或第二压缩腔112的宽度要发生相应的改变。
通过对声学装置进行有限元模拟分析可以得到该装置的相关声学特性。如图5所示，为对其中一个实施例提供的一种声学装置进行有限元模拟分析得到的声音传播示意图。从图中可以看出，该声学装置的有限元模拟的结果显示了从压缩腔开口处传出的声波为球面波。如图所示，曲线510、520、530和540均表示声波的波阵面，曲线510、520、530和540为弧形且相互平行，表明沿着声波的传播方向，声波的波面都是相互平行的球面波，且声学装置各个方向的声压相同，从而表明该声学装置发出的声音无指向性、无相位差并能实现均匀传播。
如图6所示，为对其中一个实施例提供的一种声学装置的输出进行测量分析的结果示意图。图中曲线610为该声学装置的监听窗(listeningwindow)曲线，所述监听窗(listeningwindow)等于所述声学装置轴向频率响应的均值，在一些实施例中，所述轴向频率响应表示在垂直方向±10°以及水平方向±10°、20°以及30°的频率响应。曲线620为所述声学装置的声功率曲线，所述声功率等于所述声学装置各个方向辐射的声功率之和，由图中可见，曲线610和曲线620趋于重合，由此可得出，所述声学装置的轴向频率响应和各个方向的频率响应接近相同，该声学装置接近于无指向性发声方式。图中曲线630为所述声学装置的指向性指数曲线，所述指向性指数表示轴向频率响应曲线610与声功率曲线620的差异，从图中可看出指向性指数曲线630趋近与一条直线，由此可见，该声学装置实现了近乎平坦的指向性指数，显示出了全方位的声场。
如图7所示，为其中一个实施例提供的一种声学装置的灵敏度曲线。图中的横坐标表示频率，纵坐标表示声压级，所述声学装置的灵敏度相当于在2.83v的输入信号下的平均频率响应。测量所述声学装置的灵敏度是为了得到在标准输入电压下所述声学装置的输出。曲线710是所述声学装置在2.83v输入信号下的轴向频率响应曲线，曲线720为所述声学装置在2.83v输入电压下的离轴频率响应曲线。由图7中可见，在频率低于103hz时，曲线710和曲线720几乎完全重合，在频率大于103hz时，曲线710和曲线720有着轻微的差别，但接近于重合状态，由此可见，在频率低于103hz时，所述声学装置各个方向的输出声压几乎完全相同，在频率大于103hz时，所述声学装置在各个方向上的输出声压有轻微差别，但大致相同。
图8为其中一个实施例提供的一种声学装置的指向性指数曲线，图8中的横坐标表示频率，纵坐标表示指向性指数。所述指向性指数表示所述声学装置的轴向频率响应和离轴频率响应的差异。由图7中的曲线710和曲线720可以获得图8中的指向性指数曲线。由图8可以看出，在频率低于103hz时，该声学装置的指向性指数曲线为一直线，且指向性指数为0，在频率大于103hz时，该声学装置的指向性指数曲线为具有轻微波动的折线，且该折线在指向性指数为0处波动，指向性指数趋于0。由此可见，所述声学装置的轴向频率响应和离轴频率响应几乎完全相同，即该声学装置在各个方向上输出声压几乎完全相同。而指向性指数是说明声学装置指向特性的一个重要参数，它表明一个方向性的声源与一个无方向(全向辐射)声源之间在同样的辐射距离上，方向性声源比无方向性声源增加的声压级大小。该声学装置的指向性指数趋于0，表明该声学装置可以等同为一个无方向性声源，也就是说，该声学装置发出的声音无指向性，可实现全向发声。
图9为其中一个实施例提供的一种声学装置的声学三维输出气球图。图910、图920、图930、图940、图950分别表示声学装置的工作频率为1khz、2khz、4khz、8khz、16khz时，气球半径3m处的声学输出，从图中可以看出，在工作频率为1khz时，该声学装置输出的声音的声压级大约为73db。在工作频率为2khz时，该声学装置输出的声音的声压级大约为70db。在工作频率为4khz时，该声学装置输出的声音的声压级大约为68db。在工作频率为8khz时，该声学装置输出的声音的声压级大约为66db。在工作频率为16khz时，该声学装置输出的声音的声压级大约为64db。由此可见，该声学装置的声压随频率的变化并未发生特别大的变化，该声学装置在不同工作频率下能保持较为稳定的工作状态。
通过将声学装置的辐射声功率作为均衡的目标，可以从所述声学装置的任何方向都获得平坦的频率响应。为了使所述声学装置的高频特性平坦，需在该声学装置的振膜前加均衡器，在一些实施例中，采用递归滤波器(iirfilter)作为均衡器。图10显示了所述声学装置以及均衡器的频率响应曲线。曲线1010为所述声学装置的频响曲线，曲线1020为所述递归滤波器(iirfilter)的频响曲线，由图中可以看出，在无均衡器的情况下，所述声学装置在高频上限频率附近出现一个锐锋d，在稍低频率出现一个谷c，该声学装置的频率响应曲线波动较大，尤其在高频区域波动尤为明显。图11为添加均衡器后的声学装置的频率响应曲线。均衡器可以通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，从图中可以看出，添加递归滤波器(iirfilter)作为均衡器后得到的所述声学装置的频率响应曲线较为平滑，尤其在频率大于103hz时，曲线变化在4db之内，因此该声学装置能够获得更明亮的高音。
通过采用以上的一个或者多个实施例的组合，本发明的实施例至少具备以下的有益效果：本发明提供了一种声学装置，通过将压缩驱动器与环形波导相耦合，可以实现声音在平面向360°方向以及垂直于平面方向全方位均匀扩散，提高了发声范围，发出的声音无指向性且音质好；针对不同频率的压缩驱动器，可以通过调节压缩腔的宽度来适应，使得该声学装置适用范围广；该声学装置为压缩驱动器和环形波导的简单耦合，制作工艺简单，制造成本低廉。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。