减小空气扰动的开孔扬声器系统和制造方法

专利名称：减小空气扰动的开孔扬声器系统和制造方法
技术领域：
本发明一般涉及一种扬声器系统，尤其涉及具有独特开孔或者气孔几何形状的改进的扬声器以及对扬声器高效开孔的相应方法。
背景技术：
箱体开孔扬声器系统作为一种从给定的箱体容积获得较佳低频率效果的手段已经至少流行了50年。在20世纪70年代通过Thiele和Samll的工作，在理解和分析开孔扬声器系统方法作了很大的改进。虽然个人计算机的激增提高了优化开孔扬声器系统设计的能力，但实际条件常常阻碍或者阻止了优化扬声器系统设计的实际构成。
有两种基本的常用方法与开孔扬声器系统有关，它们是管道式开孔和无源辐射器。管道式开孔方法的优点包括制作费用低，而且在扬声器箱体助声板上只需要非常小的空间。另外，对空气容量速率上没有机械限制，机械损耗小。最后，在管道式开孔方法中没有运动部件，因此该装置对物理方向不敏感。
然而，这种管道式开孔方法也存在缺点。如果开孔的直径太小，可能产生诸如由于空气扰动引起的粗气噪声(chuffing)或者开孔噪声等非线性现象。与开孔长度成比例的风琴管共振也是一个问题，它可以从扬声器箱体内传输出不想要的中频。另外，实现某些想要的低频调谐所需要的空气声学质量建议使用大直径的管道，为了把开孔噪声和扰动保持在可接受的最小值上，其长度就不切实际。折衷使用较小直径的管道虽然得到较短的长度，但常常产生讨厌的开孔噪声，并且还可能由于扰动造成极低的效率。
对于在开孔扬声器系统内使用无源辐射器的情况，其优点包括容易实现低频调谐，没有风琴管共振问题。而且，基本上消除了从扬声器箱体内来的中频传输，因具有较大的辐射表面而达到较高的效率，并且基本不存在粗气噪声或者开孔噪声。
然而，使用无源辐射器方法也存在缺点，包括实现这种方案需较高的成本，对空气容积速率有固有的机械限制。而且，无源辐射器对物理方向敏感，它在扬声器助声板上比管道式开孔方法需要更大的空间。最后，无源辐射系统包含了比管道式开孔更大的机械损耗，而且，悬置无源辐射器减少了系统的总顺从性，限制了其线性度。
由于开口扬声器内的扰动流动产生的可听噪声是一个共同的问题。这个问题由于低频时高声压级要求的高空气容积速率而更为严重。另外，在某些应用中，诸如在带通低音扬声器中，不存在高频使得扰动感应噪声更加有害。
这里揭示和要求保护的发明克服了许多与标准管道式开孔相关的难点，实现了无源辐射器的许多优点，且没有其缺点。简言之，本发明提供了一种技术，这种技术实现了与端部扩展管道式开孔提供的操作一样的操作，但它具有几个性能优点，且更简单、实现的成本更低。这种技术是通过在扬声器助声板上设置开孔来实现的，利用必要的额外声学质量以达到所希望的调谐频率，调谐频率是由一个或多个预定尺寸的盘或助声板设置的，这些盘或助声板大体上与开孔同心并相邻，但与它间隔一预定的距离。这在两端之一产生一种具有大体上为嗽叭形截面的管道，从箱体内的空气容积到箱体外的空气提供一条非直线的通路。
在已进行的实验中，已经尽力进一步减小了尺寸、提高了基本结构的性能。实验已经显示，诸如上面讨论的简单的几何形状，尤其是具有高容积速率的几何形状在具有优点的同时仍在平板通孔端开口之间的区域内有一些扰动，这种扰动产生了损耗和听得见的噪声。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种改进的应用了开孔扬声器系统的装置和方法，以模仿具有独特几何形状的端部扩展管道式开孔，减少空气扰动。
本发明的另一个目的在于提供一种开孔或者气孔结构，它可以有更大的空气量流过开孔结构而没有扰动，大大减少了噪声。
简言之，根据本发明的一个实施例，在扬声器系统的扬声器助声板上提供一个开孔，用一个或多个尺寸预定的圆盘或者助声板以及大体垂直于并与之相邻的开孔但与其间隔一预定距离的结构提供额外的声学质量，以实现所希望的调谐频率。这在两端之一产生一种大体上为端部扩展截面的管道，从箱体内的空气容积到箱体外的空气提供一条非直线的通路。而且，用一个或多个流动导管来阻挡停滞空气区域，加强通过开孔/圆盘或者助声板结构的层流气流，该流动导管基本上与开孔同心，并与圆盘或者助声板相连，从圆盘或者助声板向后延伸到开孔，并具有凹面或者斜面。
本发明的其它目的和优点将通过下面结构附图的详细描述变得明显。
附图概述

图1是具有开孔和圆盘或者助声板的扬声器箱的部分剖视图。
图2是图1中图示扰动或非层流气流区域的部开孔域的示意性剖面图。
图3是类似于图2的开孔和助声板或者圆盘装置的剖面图，但示出了根据本发明插入的流动导管。
图4是类似于图3的开孔区域的部面图，但示出了根据本发明的一个方面通过开孔开口互连的流动导管。
图5是开孔结构对沿气流通路行进的距离的截面面积曲线图。
图6是根据本发明的一个方面的开孔扬声器箱的部分剖视图，示出了延伸通过开孔或开孔管的流动导管和连接延伸体。
图7是开孔扬声器低音扬声器的一个实施例的剖面图，它具有根据本发明的原理设计的新颖开孔几何形状。
本发明的实施方式图1是引入本发明的扬声器箱的部分剖视图。在图1中，扬声器系统包括箱体11，它具有一个前助声板11a，适当地安装有一个或多个有源驱动器(未图示)。在前助声板上切割出一个孔构成开孔16，开孔16的直径为D1，深度或长度为Z1。在助声板11a的两侧之一提供指定尺寸或者直径为D2的圆盘或者平板17，设置成大体上垂直于开孔16，并离助声板间隔一预定距离Z2，以获得必需的声学质量来实现像一般开孔导管系统一样的调谐频率。各圆盘和助声板之间的距离Z2是这样选择的，使各圆盘17和助声板或者开孔开口16延伸形成的箱体壁之间圆筒形表面的面积接近等于开孔本身的面积。圆盘17的直径可以根据有效的助声板面积稍微任意选择。仅需要助声板和各圆盘17之间空间的外部形成的圆筒形表面的面积远远大于开孔面积即可。提供有短柱18或者类似的安装结构，以适当地安装圆盘或者助声板17。短柱18应当足够小，对气流的影响不大。因而，从开孔开口16的区域到箱体内外圆盘17边缘上的大区域的过渡较平滑。本质上，图1构造得出的结果是管道所限定的空气声学质量，管道的截面根据从箱体内到外的连续(或者分段连续)函数变化，并从沿中间部分的最小值向两端的较大截面呈单调增加。空气的声学质量调谐到单一频率上，并且在辐射声音的过程中基本上作为单一质量运动。图1所示的构造在两端基本上是端部扩展的截面，构成了从箱体内的空气容量到箱体外空气没有直线通路的结构。
然而，结合图1所示的结构已经发现，层流空气的面积在平面圆盘或者助声板17与开孔通孔16的开口上的扬声器助声板11a之间产生空气扰动。已发现这种扰动会引起高容积速率的听得见的噪声，低频时尤其如此。
现在特别参见图2，图2示出了扬声器箱体的开孔和圆盘或者助声板部件的部分剖视图，为清楚起见，省略了安装圆盘或者助声板17所用的短柱18或者其它装置。在助声板11a和圆盘17之间延伸并延伸通过开孔16的箭头线是为了示出在扬声器箱内部与通过开孔16至其空气容积外部之间流动的气流。
如图2所示，把助声板11a的边缘弄圆，这部分在图2中一般用标号11b示出，这种改进增加了通过开孔开口的层流。然而，仍然留有停滞空气或者非层流的穴槽，在图2中一般用标号21来表示。实验已经显示，有了图2所示的结构，虽然气流沿图2的路径是平稳的，但非层流的区域21基本上停滞不动。而且，随着通过开孔结构的空气速率的增加，这些区域越来越多地混入扰动气流，产生听得见的噪声。
现在转向考虑图3，图3示出了类似于图2的开孔和圆盘结构的部分剖视图，但它根据本发明的一个方面引入了流动导管。如图3所示，流动导管22固定到圆盘或者助声板17上，并从圆盘或者助声板17向后延伸到基本上与开孔同心的开孔开口16。如图3所示，流动导管22的形状大体上成倒置的有凹侧面的圆形漏斗，或者侧面也可以呈斜面。流动导管的用途主要是填充或者阻挡非层流21(图2)的部分停滞区域。流动导管侧面的曲率制成与成形排气通孔16的边缘的助声板11a的圆形边缘11b同心。这产生了这样一种开孔结构，其截面区域从中心处的最小值平稳地向两端的较大截面增加，但其流动特性基本保持不变，具有较高的流速。因此，可以大大减小部分停滞空气与主气流混合而产生扰动和噪声的机率。
参见图4，图4示出了类似于图3的开孔和圆盘或者助声板结构的剖视图，但它示出了本发明的另一个方面，即提供了一个流动导管的连接体。如图4所示，流动导管22固定到圆盘或者助声板17上，并延伸入开孔开口16，但在图4的结构中，事实上，有两个流动导管22由连接体部分23连接，以基本上提供通过开孔16的连续流动导管。这种结构基本上产生了一种圆筒形截面，使空气流过开孔，实际上它起到两个有利的作用。首先，已经发现，引导气流流过似环形圆筒形截面，而不是圆形截面，这进一步减小了扰动。第二，已经发现，与诸如图3所示的流动导管装置相比，使用如图4所示的连续流动导管装置的流动特性在更宽的流速范围内相当一致。
根据本发明以及图4所示的一个具体实施例，助声板11a的厚度为1英寸，助声板11a与圆盘17的内边缘之间的距离为1英寸，排气通孔16的直径为3英寸，助声板圆形边缘11b的半径为3/8英寸，圆盘17的直径为10英寸，其结构为圆形，连接体23的直径为1英寸，如上所述，流动导管22与连接体部分23的半径与形成开孔开口的圆形边缘11b的半径同心。根据本发明构成的具有图4所讨论的具体装置的尺寸的开孔结构，其声学质量接近50kg/m-4。
现在参见图5，图5示出了以平方英寸为单位的开孔截面面积Sk同以英寸为单位沿着并通过图4所示装置的开孔开口的通路长度k的关系曲线图。如图5所示，图4的开孔结构相当于长度等于10英寸、在端部其截面超过33平方英寸、在中心处截面小于7平方英寸的等效体。并且，根据本发明原理，这种等效的开孔结构具有比如图5所示的等效长度和面积小得多的物理结构。
根据本发明的一个方面，已经确定，在开孔开口或者开孔管的两端不必设置流动导管或者圆盘或者助声板。具体地说，已经发现，在许多应用中，由于在开孔结构的内端扰动产生的噪声将由开孔结构本身内的箱体有效地容纳，所以只在开孔结构的外端设置圆盘或者助声板和/或流动导管就足够了。作为一种替代方法，已经发现，在其它一些应用中，随着流动导管的延伸，甚至当连接体内端上不包括圆盘或者流动导管时，在开孔或者开孔管的整个长度上把连接体固定到圆盘或者助声板上的流动导管上最好。图6示出了这种结构。
在图6中，箱体25有一扬声器助声板25a，它至少安装有一个驱动器(未图示)。开孔开口一般由标号26表示，它由助声板25a内的孔或者洞形成，并且，如图6所示，它有一个从开孔26向后延伸到箱体25内部的开孔或者开孔管27。根据本发明的原理，圆盘或者助声板28与助声板25a间隔一预定的距离，其直径大于开孔开口26的直径。设置一流动导管29，把它固定到圆盘或者助声板28上，并向后朝箱体内部延伸。在图6所示的结构中，连接体部分31固定到流动导管29上，并通过开孔或者开孔管27的长度向后延伸到箱体25内。
如上所解释的，已经发现，根据本发明的一个方面，把气流引导通过环形圆筒截面而不是圆形截面，进一步减小了扰动，使流动特性在更宽的流速范围内更一致。诸如图6所示的结构获得了这里发现的许多益处，而不会发生在箱体内部另外安装一个圆盘和流动导管所产生的费用。当然，这导致成本下降。在图6中，没有示出用于圆盘28、流动导向器29和连接体31所使用的短柱或者其它安装装置，但它们可以方便地设置。唯一的准则是把这种结构固定到箱体的助声板25a或者其它部分所用的短柱应足够小，以不严重影响气流流过开孔和圆盘或者助声板结构。
现在转向考虑图7，图7示出了本发明应用于完全的带通型低音扬声器系统的较佳实施例。在图7中，箱体33设置有一个隔板34，把箱体内部分成密闭腔36和开孔腔37。如图7所示，两个驱动器38和39安装在隔板34上。开孔开口41设置在具有开孔或者开孔管42的腔37上，开孔或者开孔管42从开口41向后延伸到腔37内部。设置在开孔或者开孔管两端的是圆盘或者助声板43和44，它们具有相关联的流动导向体45和46。连接流动导向体并把它们延伸通过开孔管的是连接体47。为清楚起见，在图7中没有示出安装圆盘和流动导管结构的短柱。
在题为“带通低音扬声器和方法”的共同待批申请中，揭示了一种带通低音扬声器和设计这种扬声器的方法，在这种方法中，确定调谐比Qtc、Qmc和tp，并把它们限制在根据实验确定的值内。根据该共同待批专利申请的教授，获得的带通单开孔低音扬声器的平坦响应、带宽和效率之间具有良好的关系。意外的是，根据该共同待批申请的教授，已经发现，对驱动器使用较高运动质量和B1乘积，可以显著地减小箱体的体积。把该共同待批申请所揭示的内容在此引用为参考，还应当注意，图7涉及一种实际的实施例，它使用了该共同待批专利申请所教授的内容。
图7所示的带通型低音扬声器的实际参数或者变量如下驱动器B1＝14.72weber.m-1Cms＝.00263m.newton-1Sd＝.0648m2Re＝4.04ohmMmd＝.170kgfs＝23.168Hzfc＝53.622Hz开孔 机箱Sp2＝48in2(密闭)V1＝1.2ft3t2＝39.6in (开孔)V2＝1.26ft3fp＝47.964Hz其中变量的定义如下B1＝驱动电动机力因数Cms＝驱动器悬置顺从性Sd＝驱动器圆锥面积Re＝驱动器音圈直流电阻Mmd＝驱动器运动质量，以千克为单位fs＝驱动器的大气共振频率fc＝驱动器在密闭腔内的共振频率Sp2＝开孔的截面积
t2＝开孔的长度fp＝开孔质量对开孔腔的共振频率V1＝密闭腔的容积V2＝开孔腔的容积根据上述的与本申请同日提出的共同待批专利申请教授的内容，与图7所示特定实施例一起使用的三个调谐比如下Qtc＝1.168Qmc＝9.116Qtp＝1.019对于图7所示装置相关的尺寸，箱体13的大小为26英寸乘以20.5英寸。该箱体全部深为12英寸。密闭腔36的宽度为7英寸，开孔和开孔管42的直径为5.688英寸。圆盘或者助声板43和44厚1/2英寸，圆盘43的直径为8.5英寸，圆盘44的直径为11.25英寸。流动导管45和46的深度为2.375英寸，形成半径为2.875英寸的曲面。开孔或开孔管42的长度为13.625英寸。
在图7所示的特定的带通型低音扬声器中，所需要的开孔声学质量稍大，期望的容积速率相当高。系统的计算模型建议开孔的直径需要10英寸，长度需要60英寸。上面给出的开孔规格Sp2和t2可以任意选择，使开孔结构具有相当的声学质量。然而，根据如图7所示的本发明的较佳实施例，发现开孔结构在调谐系统和提供具有非常小扰动所需容量速率方面提供了相当的或者更佳的性能。与相当于60英寸长的、占用4700立方英寸的开孔相比，如图7所示的这种开孔结构的总长度只有19英寸，占用了约750立方英寸。本发明的优点是明显的。
虽然已经结合特定的实施例和其例子讨论了本发明，显然，本发明的原理可以应用于对那些例子和较佳实施例的改变，意在用所附的权利要求书来覆盖完全落入本发明范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种扬声器系统，包含一个容有至少一种不同的空气容量的箱体、至少一个安装到所述箱体上的有源扬声器换能器以及至少一个把所述箱体内的空气容量与箱体外的空气连通以辐射声音的无源辐射单元，其特征在于，所述至少一个无源辐射单元包含一管道，该管道的截面是按照连续的或者分段连续函数变化的，在至少一端从所述管道两端中间的最小值增加到其至少一个所述一端的较大的截面，所述管道的变化截面区域由箱体壁上的开口或者开孔限定，所述至少一个无源辐射单元还包括一面积大于最小值的第一圆盘或者平板以及把所述圆盘或者平板安装到开孔外，并与开孔基本上同心的安装装置，使所述圆盘或者平板与所述开孔的所述一端间隔预定的距离，当开口基本上沿所述圆盘或者平板的周长延伸时，在所述一端上构成所述管道，所述安装装置与所述圆盘或者平板的圆周相比显得相当小，以不足以影响气流流过基本上沿圆盘或者平板周长延伸的开口，因而，所述管道构成调谐到单个频率上的空气声学质量，并在辐射声音的过程中基本上以单个质量运动，从所述箱体内的空气容量到所述箱体外的空气没有直线通路。
2.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，所述管道包括面积大于最小值的第二圆盘或者平板以及把所述第二圆盘或平板安装成基本与开孔同心并且与相对于第一端的所述开孔的第二端间隔预定距离的安装装置。
3.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，所述第一圆盘或者平板与所述开孔之间的预定距离这样选择，使开孔开口周长与预定距离相乘得到的区域尺寸接近等于开孔本身的面积。
4.一种给这类扬声器系统开孔的方法，该扬声器系统包含一个容有至少一种不同的空气容量的箱体、至少一个安装在所述箱体上的有源扬声器换能器以及至少一个把所述箱体内的空气容量与箱体外的空气连通以辐射声音的无源辐射单元，其特征在于，该方法包含下列步骤形成至少一个具有管道的无源辐射元件，该管道具有变化的截面区域，在至少一端按照连续的或者分段连续的函数从所述管道两端中间的最小值增加到其至少一个所述一端的较大的截面，所述管道的变化截面区域由箱体壁上形成的开口或者开孔限定，把面积大于最小值的第一圆盘或者平板与开孔同心地安装到开孔，并与开孔的所述一端间隔预定的距离，以当开口基本上沿所述圆盘或者平板的周长延伸且绕周长的开口基本上不影响气流流过其中时，在所述一端上构成所述导管，所述导管从而构成调谐到单个频率上的空气声学质量，并在辐射声音的过程中基本上以单个质量运动，从所述箱体内的空气容量到所述箱体外的空气没有直线通路。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过把管道构筑成包括面积大于最小值的第二圆盘或者平板从而形成至少一个开孔，以及把所述第二圆盘或平板安装成基本与开孔垂直并且与相对于第一端的所述开孔的第二端间隔预定距离。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一圆盘或者平板与所述开孔之间的预定距离这样选择，使开孔开口周长与预定距离相乘得到的区域尺寸接近等于开孔本身的面积。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二圆盘或者平板与所述开孔之间的预定距离这样选择，使开孔开口周长与预定距离相乘得到的区域尺寸接近等于开孔本身的面积。
8.一种扬声器系统，包含一个容有至少一种不同的空气容量的箱体、至少一个安装到所述箱体上的有源扬声器换能器以及至少一个把所述箱体内的空气容积与箱体外的空气连通以辐射声音的开孔或者气孔，其特征在于，所述开孔或者气孔包含一管道，该管道的截面是按照箱体从内到外连续的或者分段连续函数变化的，在从所述管道两端中间的最小值到其至少一个所述一端的较大的截面呈单调增大，所述管道的变化截面区域由箱体壁上的开口或者开孔限定，所述至少一个开孔或气孔还包括一面积大于最小值的第一圆盘或者助声板以及把所述圆盘或者平板基本上垂直于开孔、与开孔的所述一端间隔预定距离地安装的装置，当开口基本上沿所述圆盘或者助声板的周长延伸时，在所述一端上构成所述管道，还包括一基本上与连接到至少一圆盘或者助声板上的开孔同心的流动导管，并具有从所述圆盘或者助声板向后延伸到所述开孔内的曲面或者斜面，从而阻挡了停滞空气区域，确保层流气流，减少扰动和噪声。
9.如权利要求8所述的扬声器系统，其特征在于，所述开孔包括面积大于最小值的第二圆盘或者助声板以及把所述第二圆盘或平板基本上垂直于开孔，并且所述开孔相对于所述第一端的第二端间隔预定距离地安装的装置，还包括第二流动导管，基本上与连接到所述第二圆盘或者助声板的开孔同心，并向后延伸到开孔区域，所述第二流动导管具有曲面或者斜面，用作阻挡停滞空气的区域，并确保层流气流全部流过开孔，以使空气扰动和噪声最小。
10.如权利要求8所述的扬声器系统，其特征在于，包括连接到所述第一流动导管并在开孔的中央内部延伸通过其的连接体，以运动空气环形容量把空气引导通过开孔。
11.如权利要求9所述的扬声器系统，其特征在于，包括沿开孔的中央部分设置、并把所述第一流动导管连接到所述第二流动导管上的连接体，以确保环形容量的空气通过该开孔。
12.如权利要8所述的扬声器系统，其特征在于，所述第一圆盘或者助声板与所述开孔的所述一端之间的预定距离约等于开孔直径的二分之一。
13.如权利要求9所述扬声器系统，其特征在于，所述第二圆盘或者助声板之间的预定距离约等于开孔直径的二分之一。
14.如权利要求8、10或者12所述的扬声器系统，其特征在于，还包括从开孔向后延伸到箱体内部的管道。
15.如权利要求9、11或者13所述的扬声器系统，其特征在于，还包括从开孔向后延伸到箱体内部的管道，它具有所述第二圆盘或者助声板，适当地紧固到箱体内管道一端。
16.如权利要求10所述的扬声器系统，其特征在于，所述第一圆盘或者助声板与开孔所述一端之间的所述预定距离接近等于从连接体到开孔内的垂直距离。
17.如权利要求11所述的扬声器系统，其特征在于，所述第一圆盘或者助声板与开孔所述第一端之间的所述预定距离以及所述第二圆盘或者助声板与开孔的所述第二端之间的预定距离都接近等于开孔直径的二分之一。
18.一种对这类扬声器系统开孔的方法，该扬声器系统包含一个容有至少一种不同的空气容量的箱体、至少一个安装到所述箱体上的有源扬声器换能器以及至少一个把所述箱体内的空气容量与箱体外的空气连通以辐射声音的无源辐射开孔，其特征在于，所述方法包含下列步骤形成至少一个具有管道的无源辐射开孔，该管道的截面是按照从箱内到箱外连续的或者分段连续函数变化的，从所述管道两端中间的最小值增加到其至少一个所述一端的较大的截面呈单调增大，所述管道的变化截面区域由箱体壁上形成的开口或者开孔限定，把一面积大于最小值的第一圆盘或者助声板基本上垂直地安装到开孔上，并与开孔的所述一端间隔预定距离，当开口基本上沿所述圆盘或者板的周长延伸时，在所述一端上构成所述管道，还提供一基本上与开孔同心的流动导管，它具有从所述第一圆盘或者助声板延伸到管道的曲面或者斜面。
全文摘要
提供一种开孔扬声器系统，该系统具有至少一个有源驱动器(38或39)以及一个在扬声器箱体(33)内的开孔开口(41)。离开开孔开口一预定距离安装一圆盘或者助声板(43和44)，并与之垂直，这样得到的系统达到了与端部扩展导管开孔等效的性能，但还具有几个优点，并且结构更简单。可以与开孔同圆心地设置流动导管(45和46)，并固定到圆盘或者助声板上，并向后延伸到开孔内，阻挡停滞空气区域，加强层流气流。
文档编号H04R1/02GK1158687SQ95195235
公开日1997年9月3日 申请日期1995年8月22日 优先权日1994年8月23日
发明者小马修·S·波尔克, 科林·B·坎贝尔 申请人:不列颠尼亚投资有限公司