专利名称：小型全频程扬声器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扬声器系统，尤其涉及一种用于全频程立体声扬声器的综合单箱体系统。
背景技术：
过去，已在小型便携式音箱内实现了全频程立体声。在家庭、汽车和商业应用等多种场合都要求小型化。然而，在这种环境下产生立体声的发展倾向是集中在小字上，而不是利用分离的扬声器箱提供分离的立体声道。此外，全频程的小型箱体在低音频区内的性能相对受到限制。因此，一般把低音范围的信号分开，直接送到第三个箱体中，该箱体专用于并设计成提高低音性能。这些箱体有时称为亚低音辅助扬声器。因为人不易觉察到低于500Hz的声音的方向，所以一般都使用单声道结构的单个亚低音辅助扬声器。
一种已知的在大系统中改善低音响应的技术，诸如亚低音辅助扬声器，是在中空的圆筒型箱体的相对端设置对接的扬声器，以封闭扬声器，并使之与一定容积的空气机械耦合。随着下面更进一步的发展，这些扬声器可以由同相电信号驱动，以产生机械的与相位无关的响应。在低音频区内实现推挽效应，从而使扬声器的声音同相，产生的声波在低音频区内彼此增强，以提高声强。
因为提高了低音性能，所以对接扬声器结构产生了较大的扬声器，其直径大于6英寸。另外，还通过加强箱体来改善这些结构的低音区的性能，导致箱体的响应具有高于扬声器有效低音频范围的谐振频率。因此，通过限制扬声器的范围，可以避免箱体在其谐振频率上振动的影响。
希望以能实现立体声全带宽音频的小型体积获得对接扬声器箱体的有益的低音区性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型全频程扬声器系统，它运用了对接扬声器箱体有益的响应和尺寸。
本发明的另一个目的在于提供一种全频程扬声器系统，它能以小型箱体产生出众的全频程带宽音频。
本发明的再一个目的在于提供一种全频程扬声器系统，它使用泛音小或者没有泛音的对接扬声器结构。
本发明的又一个目的在于提供一种全频程扬声器系统，它可以用作大型系统的一个部件，利用空间和瞬时处理来使听者的心理声音体验最佳。
本发明的这些和其它一些目的由具有延长箱体的小型全频程扬声器系统来实现，该箱体具有相对的开口，由内部中空的延长管连接。在每个开口上安装一个全音频带宽响应范围的音频扬声器，两个音频扬声器轴向对准，并从箱体面向外。
重要的是，该扬声器系统以单个小型箱体提供了全频程立体声输出。根据本发明，扬声器的直径是4.25英寸或更小，箱体长度较好为0.2米或更短，在任何情况下，都小于0.5米，但它大于或等于每个扬声器的半径的两倍。在该范围内，模态密度和相关的驻波最佳，以提高低频范围的低音性能，并具有全频程的特性。
为了实现这种全频程音响而没有箱体振动干扰的构造，本发明提供一种控制箱体结构声学响应的装置，来对抗扬声器和长度几何形状产生的声场。阻尼材料使箱体内的响应振动最小或者基本上被消除，尤其是箱体的谐振频率，否则振动将大到足以影响系统的声场。
至少在部分箱体上设置阻尼材料，较好地是粘弹性材料。较佳地，把诸如丁酸酯565等的丁酸酯用作为箱体的一层。
这种材料结构与箱体的长度一起提高系统的性能。通常长度应当至少是所用驱动器的半径的两倍。虽然长度增加导致箱体内产生较高的模态密度(即固定频带宽度上的驻波数)，但是与两驱动器之间的气垫有关的视在刚性减小了，从而提高了系统的低频性能。
声驻波数增多不会使扬声器系统的声学响应恶化，这是由于用丁酸酯565材料作为阻尼装置而使圆筒的结构声学响应最小。
系统输出的方向性由偏转体表面控制，例如，安装在支撑基座上的垂直板，它们与在对接音频扬声器的中心之间延伸的箱体轴对准。使板成一定角度，从侧面射出声音，通常垂直于箱体轴。
这种方向控制对于把扬声器系统用作大型空间和瞬时信号处理系统的一个部件的较佳的应用特别有利。可以把扬声器系统的高度方向性全频程输出与较大低音箱体的低频无方向性的输出和另一箱体的中频输出混合，对使用全频程声音输出的小型结构的听者产生逼真的心理声学体验。
对于可变的实施例，该装置能以伸缩结构构成，使用户可以在放置该装置的声学环境内选择调谐该装置。另一个实施例可以引入灵活的折叠、伸长或缩短组件，例如波纹管，以改进与箱体有关的动态特性。由于室内的声学特性变化很大，这种在设计上的灵活性给用户提供了传统系统所没有的自由度。
附图概述
图1示出了根据本发明的音响系统的透视图。
图2示出了图1音响系统圆筒型箱体的剖面图，它与立体声放大器互连。
图3示出了用于产生图4所示频率响应的动力机械系统的简单示意图。
图4示出了双驱动系统的一般机械频率响应，它与诸如图1表示的封闭容积相耦合。
图5示出了如图1实施例所示的，在一端由扬声器驱动时圆筒型箱体一般的内部声频响应。
图6示出了根据图1和图2在其内形成有调谐孔的音响系统的另一个实施例。
图7示出了扬声器系统的另一个实施例，它在全封闭位置上具有一对伸缩圆筒型箱体。
图8示出了图4实施例的剖面图，它在完全敞开的位置上装有圆筒型箱体。
图9示出了由“折叠”箱体构成的实施例的剖面图，可以调节长度。
本发明的实施方式本发明的扬声器系统在单个小型箱体内提供全音频带宽立体声。在使用中，全范围或全带宽通常指从20Hz至20kHz的范围，但在任何情况下，要低于500Hz，高于12kHz。
本系统通过偏转器表面还可以控制方向性。本系统有多种应用，包括收看电视和多媒体计算机游戏的音频增强等。然而，本系统较佳地是用作大型空间和瞬时信号处理系统的一个部件，以提高听者的心理声音体验。如这里和下面所用的，听者的体验不仅是聆听，还可以包括其它感觉现象，例如感觉振动和感觉身体所在位置，或没有听觉体验。
通常，本发明提供一种延长的箱体，其中空内部连接两相对开口。在每个开口端安装一个全频程扬声器，由音频放大器或者类似装置提供驱动信号。根据本发明，把箱体的长度和用于构成箱体的材料进行组合，用以前只为大型低音频系统保留的箱体设计提供全频程响应。把长度设置在从扬声器半径的两倍到小于0.5米的范围内，箱体至少部分用阻尼材料制成，以限制箱体谐振频率附近的结构声学响应。
参见附图，尤其是图1和图2，图示的小型全频程立体声系统10具有一个延长的箱体11。如图所示，较佳的结构是具有圆形截面的圆筒形。也可以用另一种多边形截面结构，只要箱体中空内部连接两相对的开口端就行。
在较佳实施例中，圆筒型箱体11具有一全频程扬声器13和全频程扬声器15，扬声器13安装在圆筒型箱体11的一端14，扬声器15安装在圆筒型箱体11的第二端16。每个扬声器13、15可以有一个扬声器格栅17，盖在扬声器13、15的前面。扬声器13、15彼此以180度，从管子11外侧直接发散。
每个驱动器13、15的机电结构声学响应选择得使它们适当地匹配，在再现声场所要求的可应用的全频带宽上提供一致的灵敏度。较佳地装备全频程扬声器13、15，响应于范围从20Hz至20kHz的信号提供全音频带宽输出。另一方面，可以使用范围更有限的扬声器，但在任何情况下，其范围应当延伸到高于500Hzr低音范围之上，因为只在低音区内不能充分体现本发明箱体结构的优点。因此，本发明系统内所用的有限的频率范围应当延伸到150Hz之上，至少到10kHz。本系统还可以利用同轴和三轴驱动单元。
由于阻尼装置吸收能量，所以扬声器相对于它们的尺寸应当是强有力的。根据本发明，小尺寸的部分原因是扬声器的直径不大于4.25英寸。较佳的全频程扬声器是2.5英寸的Sanyo型号为No.s065G49B的扬声器(由Sanyo电气有限公司制造)，其RMS为15瓦，峰值功率为20-25瓦，而最小额定功率可以是8瓦RMS，15瓦峰值功率。
圆筒型箱体11的大小定为把两驱动器13和15设置成在低频上彼此机械不同相，以产生推挽效果，提高扬声器系统的低音性能，而在中频和高频范围内不牺牲立体声效果。
箱体11可以制成预定的长度，并安装在平的基座12上，以防止箱体滚动，但可以把圆筒型箱体固定到墙壁等上。
参见图2，在本实施例中，所用的声学扬声器的效率相当低；然而，扬声器系统提供了足够的功率来克服任何一种不足，尤其是声功率源18所使用的换能器，声功率源18可以包括立体声放大接收器，它可以从CD播放机或者类似装置接收声音输入，通过电缆20连接到立体声扬声器驱动器15，通过电缆21连接到驱动器13。把驱动器13和15仔细地放置在离其每个端14和16最远点上，背对背放置，并对准圆筒型箱体11的中心轴，使声能从每个驱动器13和15以及圆筒型箱体的每个端口发出。
由一对超小型声板22控制声音输出的方向，每块声板有一偏转声波的板23，在图中图示成平板，但如果有要求的话，也可以是弓形板。每个偏转器表面23安装到基座24上，基座24可以使它在表面上站直，并根据放置在其基座12上的圆筒型箱体11的位置，以任何要求的角度对准。例如，图1和图2示出了不同的角度，后一种角度把声波以彼此相对的角度反射。应当理解，这些超小型声板对低频声波是没有作用的，这是因为这些声波的波长远大于声板的尺寸。然而，在人耳有较大灵敏度的频率范围内，这些超小型声板用来建立声级和声场的感知方向。因此，扬声器的心理声学效果是感知声场的合适方向。应当清楚，超小型声板可以360度转动，因此，其角度变化在180度以上。
还应认识到，在音响系统设计中可以利用两个单声道源输入。因此，根据音响系统所选择的应用对单声道音频选择换能器和立体声。在立体声结构中，本发明详述了一种配到单个箱体内的非常小型的音响系统，它可以产生全频程音频输出，可以改变立体声系统的声级，以满足听者的喜好。
能以各种方式来限制箱体谐振频率附近的结构声学响应。第一种也是较佳的一种方式是，箱体11可以至少部分用阻尼材料制成。可以在形成延长箱体的基板内表面或外表面上设置一层或多层阻尼材料。这些层可以由聚酯、乙烯或者聚酯薄膜等组成，但Eastman化学品公司制造的丁酸酯565的粘弹性材料是扬声器系统较佳的一种材料。薄的ABS塑料也可以使用，尤其是如果用粘弹性材料涂覆的话。
在较佳实施例中，箱体11由结构基板制成，诸如纸板，并用诸如本酸酯565等粘弹性材料涂覆。粘弹性涂覆层可以是0.06英寸厚。该粘弹性材料用来阻尼圆筒型结构声学响应，因此可以使从箱体表面发出的声辐射最小。增强的结构阻尼用来抑制圆筒模式的混响响应，由于箱体的运动一般与扬声器的运动不同相，因此混响响应可能导致声效率低下。
如在本申请中所用的一样，粘弹性材料是一种显示出流体类(粘性)和固体类(弹性)两种特性的材料。在室温下，该材料显示出出的特性，可被定性描述成介于“皮革”和“橡胶”之间。在皮革区域，聚合体可以变形，并缓慢回复到原状。在橡胶形式中，在对材料变形时，它快速回复成原状。在接近材料的熔化温度时，它接近粘性(流体类)状态。
粘弹性材料一般根据聚合体之间的交联程度来分类。交联定义成通过化学粘合(诸如流化橡胶)对相邻线性聚合分子进行结合。可以交联任何一种弹性体，例如天然或合成橡胶，产生不同程度的刚性，同时提供滞后阻尼机理。
通常，当把它用作本发明的扬声器箱体时，交联程度必须足以维持箱体形式，但不能太高而阻止声学感应机械能的耗散。在循环加载下，粘弹性材料表现出滞后性，滞后曲线包围的区域表示可以从系统耗散的能量级。虽然本发明由丁酸酯构成，但范围从小至10％交联到多至90％交联的任何粘弹性材料都可以用来构成箱体。另外，可以用诸如增塑剂等添加剂来加强这种结构。
通常，箱体要求的刚度与驱动器和动圈系统的相对质量有关。然而，实现方式并不限于丁酸酯，或者箱体仅由粘弹性材料构成。通常，可以用合成工业中普通的夹心型结构构成箱体，把粘弹性层夹在诸如金属或塑料的约束表面之间。虽然这种结构更复杂，但它可以用来达到相同的效果被动耗散机械能。
可以有效地交联所有弹性材料(即任何一种橡胶，合成的或天然的)来制造耗散声音激励产生的箱体动能所必需的硬度合适的粘弹性箱体。
根据本发明组合长度范围和阻尼材料能以前述仅能用于低音频系统的小型对接扬声器结构来产生全频程声音。以这些组合参数来看，下面的研制支持了全频程系统增强的性能。
首先，为了强调推挽效果的重要性，考虑图1所示安装在圆筒型箱体11内的换能器13和15的一般机械频率响应。图8示出了机械系统的示意图。如图所示，当箱体接近集总元件(即亥姆霍兹共振器)时，动圈和与每个换能器有关的空气负载的质量由箱体内的声压提供的有效空气弹性来连接。基于该模式，如图4所示，有两个机械自由度，产生具有两个谐振频率和两个振动模式的第四阶系统。为换能器选择一般的泰勒-斯麦尔参数，把圆筒型箱体的长度选择成0.2米。计算得到的与密封的空气量有关的刚度如下K=P0c2πr2L------(1)]]>其中ρ是空气密度，K是“气垫”的刚度，c是声音在空气中的速度，r是箱体的半径，L是箱体的长度。上述公式仅适用于圆筒型箱体。对于与扬声器系统有关的一般尺寸，K＝2607N/m。利用一般换能器的泰勒-斯麦尔参数和计算得到的密封容量的刚度，可以把系统的振动响应作为所加力的函数而计算出来，力可以通过机电转换产生。把每个驱动器的移动响应作为加到驱动器13上的力的函数而计算出来。如图3所示，可以把音响系统模拟成动态机械系统，得出图4表示的频率响应。驱动器13可以模拟成一个质量52、弹簧50和阻尼器54的组合，通过箱体11(图1)声耦合到第二驱动器15(图2)上，而驱动器15可以模拟成一个质量60、弹簧58和阻尼器62的组合。把驱动器通过箱体11的耦合作用模拟成声弹簧56。
图4中的实线表示驱动器13的机械响应，虚线表示驱动器15的机械响应。如图所示，刚体模式控制着低于约68Hz的机械响应，这表示加到一个驱动元件上的力，得到的每个元件的机械响应同相，因此，声学响应不同相。然而请注意，在68Hz(零的位置)以上每个元件的机械响应的相位相差180度，因此可以达到推挽效果，从而使每个驱动器的声学响应同相。这种操作模式更有效地提高了系统的低频响应。事实上，如果在人耳不能分辨出方向性的低频范围(大致讲低于500Hz)上，把单声道信号加到驱动器上，则两个单元将被强制响应于推挽作用以提高系统的低频低音响应。如公式(1)所示，增加箱体的长度将减小与封闭容积有关的刚度，从而提高系统的低音响应。合适的低频性能要求的最小长度为驱动器半径的两倍。然而，如前面概述中所述的一样，过量地提高长度将增加箱体内声音模式的模态密度，因此，增加了由其产生的驻波的数量。
封闭空气容积的齐次波方程可以柱面状坐标表示如下(∂2∂r2+1r∂∂r+1r2∂2∂θ2+∂2∂z2)Ψn+Kn2Ψn=0-----(2)]]>其中r是半径，θ是角坐标，z是轴向位置，Kn是波数，ψ(r，θ，z)是声模式。假设其解在空间上是可分的，并加上刚性壁边界条件，则可得出声模式形状的如下公式Ψn(r,θ,z)=CampJn(ηpmIa)cos(mθ)sin(mθ)cos(qπzL)----(3)]]>它产生简并模，除了m＝0外。请注意，C是模态幅度，Jm是具有对应根ηpm的第m阶贝塞尔函数，a是箱体的半径。由于在每端一致地驱动箱体，所以，唯一的有关模式是轴向模式，其中m＝0，p＝1。
这些模式相应的固有频率可以计算如下(1)n=C(qπL)2+(ηpma)2---------(4)]]>换能器激励的声音模式产生ηpm＝0，因此固有频率反比于长度。图5示出了声频响应函数的一般曲线。如图所示，圆筒型箱体内的驻波在频率上是等间隔的，是模态指数q的函数。因此，增加箱体的长度将提高声模式的模态密度。图5示出了两个圆筒型箱体的声频响应，其中一个长度是另一个的两倍。显然，将长度加倍也将使箱体内的驻波数量加倍。
这种模态密度和相应的驻波的增加与圆筒型结构本身是否稍被阻尼有关。然而，通过使阻尼剂的阻尼比大于0.5，例如类似丁酸酯的粘弹性材料，则与每个扬声器相比，系统的结构声响应较小。因此，内部声模式引起的圆筒振动对声场的影响非常小。根据箝位边界条件配制的圆筒的结构模态，根据箱体的一般尺寸，圆筒结构的基本谐振频率约为570Hz，在可听低频范围之上。由于材料的固有阻尼，这些结构模式在扬声器系统的声响应中影响很小。
转到图6，示出了音响系统25的第二个实施例，其圆筒箱体26具有音频驱动器27、28，安装在每一端，根据图1和图2的实施例，这两个驱动器都是全频程驱动器。在该第二实施例中，圆筒型箱体26的开口30用于产生中间声场像，该开口的尺寸至少是驱动器27或28之一的半径的一半，该开口包括一个通道或者一段管子31，它做成弓形以适合圆筒型箱体26的壁轮廓。管子31的长度与孔30的直径相等，把它设置成调谐的霍姆尔兹端口，以产生系统25的中心声场。把管子31内的空气量的谐振频率调谐到足够低的频率，以使端口的声响应与安装在箱体每一端的换能器27和28的声响应同相。管子的刚度能有效地滤去较高频率，因此霍姆尔兹端口主要用来增强系统的低频响应。
在另一种结构中，当听者通常位于近场时，可以调节声端口来增加强应用于电视游戏的声近场内的扬声器系统的中频响应。在这两种情况之一中，可用可变孔径构成端口，使它可以打开或者全部关闭，以满足特定听者的需要。
图7和图8示出了扬声器系统的另一个实施例，在该实施例中，把两个同心圆筒型箱体配对联接，使外箱体33能相对于内箱体34作伸缩运动。通过压配合来调整滑动，但圆筒型箱体中的一个箱体上可以突起一个薄的脊35，使箱体33与箱体34稍有间隔，以使两圆筒型箱体之间的空气压力可以逸出。圆筒型箱体33在其一端装有声驱动器36，而箱体34在其一端也装有一个声驱动器37，所以圆筒型箱体33与34作为一个可以调节空气量的单个合成箱体，通过有效地调节与伸缩圆筒型箱体封闭的声学容积有关的刚度，提供了调谐音响系统的低频响应的手段。另外，圆筒型箱体可以具有或者可以不具有脊35，这种脊稍使箱体之间有间隔，同时又保持了箱体彼此之间紧密的配合，因而，可以使驱动器36和37回波的空气压力通过脊形成的弓形间隔逸出。当然，应当清楚的是，用小螺丝等也可以把圆筒型箱体以预定长度锁在一起，这也不脱离本发明的精神和范围。
图9示出了另一个可变容积的箱体。在图9(a)-9(c)中示出了能延伸和缩短成各种长度的折叠式箱体38，它由两个换能器39和40构成，每一个安装在箱体的每一端。这种实施例用于实现与图7和图8示出的伸缩式箱体相同的目的。
因此，本发明提供了一种小型扬声器系统，它具有增强低音性能和有效的方向性的宽带性能。通过选择构成材料和设计结构可以得到独特的小型扬声器系统，它与以前实现的系统不同，能在以前限于低音频范围的环境下提高全频程声场。
该系统具有各种重要的应用。这种小型宽带扬声器系统可以放置在电视机前，甚至安装在电视机机壳内，从其在一侧稍延伸，它可以与计算机监视器结合使用，用非常小的放大信号与通常与CD-ROM驱动器有关的多媒体系统一起产生声音。
上面通过大量的特别示出的较佳的和另一些结构描述了本发明的小型全频程扬声器系统，然而，本发明并不受此限制。因此，本发明及其范围应当由所附的权利要求来确定而不是这里所揭示的内容。
权利要求
1.一种小型全频程扬声器系统，包含小型延长的箱体，其中空内部连接两相对开口；两音频扬声器，每个扬声器的音频响应带宽从低于500Hz延伸到至少10kHz，其直径小于4.25英寸，额定功率至少为8瓦RMS，所述两个音频扬声器的每一个安装在每个所述开口上，轴向对准，面朝外，所述延长箱体的长度大于或等于所述两音频扬声器中每个扬声器的半径的两倍；连接到所述两音频扬声器的信号电缆，以把驱动信号传送到所述两音频扬声器中的每一个；以及阻尼装置，至少形成为延长箱体的一部分，其中，所述阻尼装置限制在箱体的谐振频率附近的结构声音响应。
2.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，所述延长箱体基本上由阻尼材料构成，从而提供所述阻尼装置。
3.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，把阻尼材料涂覆在所述延长箱体内部来提供所述阻尼装置。
4.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，把阻尼材料涂覆在所述延长箱体外表面来提供所述阻尼装置。
5.如权利要求3所述的扬声器系统，其特征在于，阻尼装置是粘弹性材料。
6.如权利要求5所述的扬声器系统，其特征在于，粘弹性阻尼装置是丁酸酯565。
7.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，箱体的截面为圆形。
8.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，包含一对声板，每块声板的反射表面与所述圆筒型箱体的轴位于同一线上，每块板位于箱体每个端口的每个音频扬声器前面。
9.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，所述延长箱体有一平表面连接到其上，以在预定位置支撑所述箱体。
10.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，所述延长箱体由一对伸缩圆筒型箱体形成，以调节所述圆筒型箱体内的容积。
11.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，所述圆筒型箱体是单个箱体，在其两端之间的所述管子的一侧上开口形成调谐孔，在开口上构置成可变孔径，以关闭开口。
12.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，延长箱体的长度小于0.5米。
13.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，延长箱体的长度小于0.25米。
14.如权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于，响应曲线的带宽基本上从低于100Hz延伸到至少15kHz。
15.一种小型全频程扬声器系统，包含声音源，包括至少传送两通道立体声信号的音频放大器，来驱动至少两个音频扬声器；小型延长箱体，其中空内部连接两相对开口；两具有全频程音频带宽响应的音频扬声器，其直径小于4.25英寸，额定功率至少为8瓦RMS，所述两个音频扬声器中每一个安装在每个所述开口上，轴向对准，面朝外，所述延长箱体的长度大于或等于所述两音频扬声器中每个扬声器的半径的两倍；连接到所述两音频扬声器上的信号电缆，以把驱动信号从所述声音源传送到所述两音频扬声器的每一个；以及阻尼装置，至少形成延长箱体的一部分，其中，所述阻尼装置限制在箱体的谐振频率附近的结构声音响应。
全文摘要
一种小型全频程扬声器系统,包括内部中空的两端有开口(14,16)的延长箱体(11),该箱体(11)可以是固定尺寸的,也可以是伸缩的,它具有两个全频程扬声器(13,15),安装在圆筒形箱体(11)的每一端。把箱体长度设置在由小型扬声器的尺寸决定的范围内,使系统响应最大,尤其是在低频范围内,用阻尼材料构成箱体,以在驱动时使箱体的结构声响应最小。一对超小型声板(22)可以是平的聚合体表面,安装在基座(24)上,位于圆筒型箱体(11)的每一端,以某一角度面向每个扬声器(13,15),根据圆筒形箱体(11)的位置,反射扬声器(13,15)发出的声波,建立有效的声级,并控制方向性。
文档编号H04R5/02GK1183882SQ96193038
公开日1998年6月3日 申请日期1996年3月29日 优先权日1995年3月31日
发明者巴里·S·戈德法布 申请人:Bsg实验室股份有限公司