专利名称：锥式反射器/耦合器扬声器系统和方法
技术领域：
本发明涉及传输声音的设备，具体地说涉及利用锥式反射器按照该锥式反射器形状所决定的图案反射声波的扬声器系统。
所有的扬声器在其扬声器箱体工作面与被产生声音的波长相比较小时在其频响上均会出现衰减。这种辐射效率的衰减被称为衍射损耗。衍射损耗对扬声器的低端频响有负面影响，使扬声器发声听起来很细小。高频声音由于有着较短的波长，比低频声音响亮。
衍射损耗的过渡频率出现在其半波长与箱体面的最短宽度相当的频率点处。在该过渡频率以上，扬声器以半球面或2π弧度的形式辐射声波。在该过渡频率以下，扬声器以整个球面或4π弧度的形式辐射声波。这两个不同的辐射图案之间的差别是对于过渡频率以上的半球辐射而言存在6dB的前向波瓣定向增益。箱体工作面可以被当作为180度的号筒，其截止频率与箱体工作面的宽度相当。进入室内的总声能量在过渡频率以上和以下都是相同的。因此，问题在于轴向频响与离轴频响差异非常大。即使扬声器驱动器非常完美，也会出现这种情况。真实的语音、乐器和传声器并不存在这样的问题，原因是从声学的角度来看它们与其所产生或测量的频率比较而言是小的。
常规的微型扬声器的箱体工作面尺寸可以为4英寸×8英寸。这些尺寸对应于1695Hz和847Hz频率的半波长。这导致在语音和大多数乐器频谱的中间恰好出现6dB的频率台阶。
在常规扬声器中，衍射损耗效应可以通过引入6分贝的电子均衡进行校正。但是，6分贝的提升要求放大器功率放大4倍。另外，6分贝的提升要求扬声器振膜(纸盆)位移加倍，而这将使频率调制失真提高6分贝。还会产生和非线性的BL乘积-音圈位置关系有关的其它二次和三次谐波失真。还会出现一定的功率压缩(compression)，导致扬声器参数和频响发生变化。可以将锥体面积加倍使纸盆位移仍旧为一，但是这一额外的质量将会降低高频延伸，较大的纸盆直径使得高频的方向性更强。
常规扬声器的另一问题是近声场反射。近声场反射由于在反射声音中存在着少量的延迟时间而引入了失真。Don Davis的研究建议，为了避免声成象问题，应当使最小反射时间延迟为10毫秒(或大约8.85英尺的路径长度)。在常规的扬声器系统中，高音扬声器或者高频辐射器将安装在扬声器系统设置位置表面上方一定距离处。当听扬声器放音的时候，对于来自高音扬声器的声音而言存在两个到达时间。第一次到达时间与自高音扬声器向人耳的直接辐射有关，而第二次到达时间与扬声器系统所在位置的表面对高音扬声器声音的反射有关。反射声的短的延迟时间使高频出现“时间模糊”，这明显降低了声音的清晰度和声成象。另外，由于反射声波与直达声波之间相位不同致使频响中出现一个谷。如果高音扬声器在台面上方6英寸，听者耳朵在该台面上方15英寸处，而该人耳距扬声器24英寸远，那么在扬声器频响大约以1970Hz为中心出现可以听得到的下降。这对应于路径长度为6.9894英寸从而导致515微秒的时间延迟的差异。
失真的另一个来源发生在对于安装在天花板的扬声器(吸顶扬声器)而言声波的反射声以单个信号的形式到达人耳的时候。吸顶(ceilingmounted)扬声器在自该顶部发出的直达声和台面的反射声之间存在着较短的时间延迟。30英寸的路径长度差会导致2190微秒的延迟，这会产生大约452Hz左右的频率下降。这会模糊语音的一致性，进而降低清晰度。
关于如何控制反射声的可听度有两类方法。第一类同时也是录音棚最为广泛运用的是LEDE或Live End Dead End。该方法利用了经过扩展空间声学处理的指向性号筒式扬声器。第二种方法已经被运用于家庭音响系统还音，它利用多重漫反射的原理，屏蔽并避免任何单个或基于扬声器的声音反射，从而变得清晰可听。
基本上市场上存在六种取得多重漫反射的方法。这些技术中最为熟知的是BOSE方案。在BOSE系统中分立的驱动器指向不同的方向。尽管所得结果接近于均匀的散射，由于其本质上是分立的，这些扬声器的辐射图案在360度上是不连续的。因此，在水平平面上由于各驱动器相互作用而出现严重的梳状滤波效应。进而，所用的多个驱动器并未在频段上保持时间对准。这也破坏了频率平衡和经过交叉频率区的成象。因此反射后的频率平衡出现失真，使得常规的扬声器音质也会比这些设计品的强。
第二种广为熟知的技术是在如Magnaplanar之类的静电式、带状扬声器中采用的Di-Polar方案。这一设计利用了没有后腔或“向后开口”的扬声器。该设计消除了向侧边的所有声辐射，并且后侧声音和前向声音是不同相的。在低频，这一消除方案使低音音量降低到不可感知的程度。通常使用较宽的振膜。这些类型的振膜具有较高的指向性对频率的变化关系。故此，这种辐射图案不能产生具有均匀频率平衡的室内漫反射。只有一次从后面墙壁的反射，因而它不能屏蔽房间回声。由于前/后消声的缘故，Di-Polar扬声器也要求在给定响度的条件下其空气体积位移量是箱式扬声器的10倍。因此它们必须非常大，以得到明显的音量输出。
第三种广为熟知的技术是Bi-Polar辐射。这一方案基本上是两个常规扬声器背对背放置，采用特定的交叉频率变化。这一设计方案是由Mirage在加拿大国家研究委员会的研究的基础上推广的。多个驱动器被置于箱体的前面板和后面板上，并且按同相工作。多个振膜和箱体的形状使得在扬声器各侧边上频率平衡严重非线性化。后侧扬声器的直达声绕过箱体，和前侧声音组合在一起。结果是在频率平衡上出现一个大拐点。驱动器在垂直方向上的偏差也引发垂直的射束控制误差问题。
第四种广为熟知的技术采用了具有一定几何结构的反射器锥体。现在的反射器锥体在设计时采用了弯曲的侧边，便利于层状空气流动，使声音在垂直平面上散布。对于通常类型的锥体结构，大约有25％的声音被反射回扬声器中。另外，由于在多数设计中上方弯曲的锥体结构包含了小于90度的夹角，高频能量被指向扬声器水平面的下方。这导致二次近场反射。如果上方弯曲的锥体结构包含了直径过小、夹角大于90度的曲面，那么声音将被引回扬声器，产生具有严重频率调制失真和梳状滤波的二次反射。
另外，弯曲的反射器锥体趋于向天花板反射过多的能量。例如，如果弯曲的反射器锥体包含角度大于135度的夹角，那么能量将被指向水平面上方大于45度的角度。在这一角度的能量在被听者听到之前趋于被天花板反射，产生反射问题。另外，弯曲表面在高频段引起多次相位延迟，它模糊了瞬态响应，从而降低了高频输出并降低了声象效果。
第五种360度辐射扬声器利用了非常特殊的全程扬声器驱动器的后向辐射，其反射器锥体具有非常窄、仅45度的夹角。这是OHM声响公司制造的著名的Lincoln Walsh款扬声器。这一立式系统将驱动器安装在箱子顶面板上齐耳处，驱动器的前部向下朝向箱子内。听者倾听的是工作的扬声器锥体的背面，它在水平面以360度方位发送声音，但高频除外，高频在背部180度范围经声学处理予以吸收。这种设计存在一定的衍射损耗，但它的衍射损耗部分程度上由全程驱动器的高频效率降低来补偿。OHM的不太昂贵的扬声器款式采用了面向前方的一个单独的常规球顶高音扬声器，并结合以被置于Walsh架构的常规低音/中频段驱动器。在这种两个驱动器的结构中，交叉频率点上方和下方的指向性有着很大的不同。
第六种360度辐射扬声器由如同德国MBL扬声器那样彼此互相堆叠的脉动柱式扬声器组成。它们具有频率和音量相同的360度辐射。但是，高音、中频和低音驱动器在垂直方向上的偏差导致在频率响应上出现明显的水平波束控制误差。在该设计中还存在衍射损耗。
很显然，现在所使用的扬声器设计未能解决上述问题，即在水平面的所有方向上提供同样的频率平衡和音量。所需要的是这样一种系统和方法，它在水平面的所有方向上以同样的频率平衡均匀地辐射声音能量。
在本发明的一方面，扬声器系统包括与扬声器驱动器相连的锥式反射器。锥式反射器有至少一个夹角，用于按期望图案在水平和垂直平面内反射声音。声音在垂直平面内散布的位置是夹角的函数。这些夹角的角度可以是变化的，或者可以增加更多的夹角，以达到一定的声能量分布。扬声器驱动器位于锥式反射器上方，使该锥体的窄端面向扬声器驱动器的输出端。扬声器驱动器所产生的声音被锥式反射器反射，并且以所述锥式反射器夹角的函数的形式散布。
根据本发明的另一方面，锥式反射器可以被放置在工作台上或与另一平面(比如墙壁)相邻，以便减少衍射损耗并因而增加(deep)扬声器的声音传播远度。
根据本发明的又一个方面，锥式反射器可以设计为以最优方式使声音分布到预定听音高度。在一个如此的方案中，锥式反射器包括带有至少一个夹角的锥体的一部分。扬声器驱动器如此放置，使得它可以将能量定向到该锥体上，锥体的较窄端靠扬声器驱动器最近。该装置可以被放置在一平面上，比如墙壁或工作台面，使系统耦合在一起并且减少衍射损耗，从而使扬声器声音传播得更远。可以增加一个低音扬声器，增大极低频声音。
根据本发明的又一方面，设计锥式扬声器，使之以某些预定方向反射声音。
在附图中，示意了本发明的一些优选实施例
图1是锥式反射器/耦合器工作台面扬声器系统一个实施例的侧视图；图2是锥式反射器/耦合器工作台面扬声器系统的顶视图，它表示了360度辐射图案；图3是自由立式锥式反射器/耦合器扬声器系统的侧视图；图4a-d是可以与图1和3扬声器系统结合使用的锥式反射器/耦合器的其它实施例的侧视图；图5a和5b分别是可以和图1和3扬声器系统结合使用的锥式反射器的实施例的顶视图和侧视图，其中锥式反射器的夹角依声音在水平面内辐射的方向而变化；图6a和6b分别是可以和图1和3扬声器系统结合使用的锥式反射器的另一实施例的顶视图和侧视图；图7a和7b分别是可以和图1和3扬声器系统结合使用的锥式反射器的实施例的顶视图和侧视图，其中锥式反射器具有多个用于使声音以距水平面呈特定图案散布声音的夹角；图8是安装在墙壁上的锥式反射器/耦合器扬声器系统的实施例的侧视图；图9是安装在墙壁上的锥式反射器/耦合器扬声器系统的实施例的正视图；图10a和10b分别是可以和图8和9扬声器系统结合使用的锥式反射器的实施例的顶视图和侧视图，其中锥式反射器的夹角依声音在水平面内辐射的方向而变化；图11a和11b分别是可以和图8和9扬声器系统结合使用的锥式反射器的另一实施例的顶视图和侧视图；图12a和12b分别是可以和图8和9扬声器系统结合使用的锥式反射器的实施例的顶视图和侧视图，其中锥式反射器具有多个夹角，用于使声音以距水平面呈特定图案散布声音；
图13是自由立式锥式反射器/耦合器扬声器系统的第二实施例的侧视图；图14是自由立式锥式反射器/耦合器扬声器系统的又另一个实施例的侧视图；图15a和15b分别是基于号筒的反射器/耦合器扬声器系统的实施例的顶视图和侧视图；图16a和16b分别是安装在电视机箱体上的反射器/耦合器扬声器系统的实施例的顶视图和侧视图；图17-22是锥式反射器扬声器系统各方面在音频频段上的频响曲线。
在下面对优选实施例的详细描述中，参考了构成为该详细描述一部分的附图，在附图中示意表示了一些可以实施本发明的说明性具体实施例。应当理解，可以利用其它的实施例，以及对其结构作出一些改变，而不会偏离本发明的范畴。
如前所述，在常规扬声器中存在着许多不足之处，可以对这些不足之处进行改进，从而提高声音质量。这可以通过减少近场反射和衍射损耗，或者通过设计扬声器使其水平声分布最佳化并且控制垂直声分布来完成。真实的声音和乐器具有360度的辐射图案，并且对于声音直达听者和被房间墙壁反射来说均给出同样的频率平衡和音量。在过去的15年里，有一些针对扬声器的频率-指向性如何影响所感知的声音质量和语音清晰度的心理声学报告。这一点是很重要的，因为人的大脑将从各个方向接收的声音，直达声加上所有的墙壁反射声，综合起来，来确定它所听到的是什么以及声源在何处。人脑学习了真实自然的声音，然后试图使扬声器的声响拟合到该认知模型中去。扬声器只有以与原始声源同样的方式在房间内发声才能使声音富有真实感。这么一个极限的扬声器应在所有方向上有相同的频率平衡。但是，指向性，以同轴响应对离轴响应的音量之比测得，仍然处于激烈的讨论之中。根据普遍的意见，房间越大，扬声器的指向性应当越强，以控制混响能量和回声，即在音乐厅堂使用窄的号筒。加拿大国家研究委员会的Floyd E.Toole所作的研究指示，在小的居室空间内，对于大多数自然声来说指向性应当是尽可能地宽。小的房间没有混响，回声可以用宽阔的均匀声散布来淹没。
图1表示了一种展现这种宽广均匀声散布(disperse)特征的扬声器系统。在图1中，扬声器10包括扬声器驱动器12，锥式反射器/耦合器14和箱体16。扬声器驱动器12被安装在箱体16内；然后箱体16以机械方式连接到锥式反射器/耦合器14，使得扬声器驱动器12所产生的声波被锥式反射器/耦合器14反射。在一个实施例中锥式反射器/耦合器14被设置使之近似垂直于扬声器驱动器12的工作面，从而使声波在水平平面的360度上均匀辐射。在另一个实施例中，锥式反射器/耦合器14从垂直方向倾斜，以便使声音按所希望的图案传播。
在图1所示的实施例中，扬声器10利用平坦的表面18，比如工作台或桌子顶部作为视在箱体工作面。工作台的平均尺寸为32英寸×72英寸。这些尺寸对应于212Hz和94Hz频率的二分之一波长。这接近于话音和大多数乐器的频谱的下端，从而在整个话音频段上声学频率响应是平坦的。-6dB频率出现在106Hz处。该频率低于从微小的桌上型扬声器到亚低音(subwoofer)扬声器的交叉过渡频率。在好的分频网络中，设计者将会把这个频率过渡结合到设计中去，使之成为无缝设计。这样，即使是本发明的小扬声器也可以听到充足的低端声音。到工作台的耦合效率可以通过将扬声器10从桌子或工作台上提离加以展示。当该系统从桌子表面提离时将听到在较低频段有明显的下降。在上述发明背景部分讨论的锥体设计中没有一种是将较低频耦合到某一表平面以降低衍射损耗频率的。
将台面用作为视在扬声器箱体的特点是利用相同的放大器功率而实现了更为全面的声音。导致这一结果的原因是台面增强了低端频率，延伸了扬声器频率响应的低端，并且减少了必须由低音扬声器加强的频段。工作中，2π弧度图案一直维持到台面的最短尺度，这样使衍射损耗台阶移至处于有声频段之下并低于至单独亚低音扬声器的交叉频率的较低频处。
如上所示，对于常规的扬声器为了获得同样的结果功率放大器的功率必须增加四倍。经过与台面相耦合，扬声器10以10瓦的功率取得了以40瓦功率驱动常规扬声器才能取得的类似效果。
在一实施例中，比如图1所示，扬声器10提供360度的声波辐射，在水平平面的所有方向提供几乎相同的频率平衡和音量。为锥式反射器/耦合器14所选择的具体几何形状以及将锥式反射器/耦合器14与全频段或一致的扬声器驱动器12结合使用使之成为可能。在如图1所示的实施例中，锥式反射器/耦合器14是一个夹角为90度的锥体。这样的一种锥体结构易于沿桌子或工作台的顶部反射声音。图1中扬声器10的声散布的极坐标图形示于图2中。
与图2所示的图形相反，常规扬声器的频率响应-方向的曲线由于为还原不同频段使用了单独的多种尺寸的驱动器，而非常不规则。离轴频响还由于这些驱动器的垂直方向上的偏离和因此而产生在它们之间的交叉频率区的干涉图案或波束控制误差，使性能受到了损害。波长之于振膜大小的关系对于每个频率来说都是不同的，致使在每个频率指向性都是不同的。这在交叉频率处尤其成为问题，低于该交叉频率处采用的是声学上非常大的振膜，高于交叉频率点则采用非常小的振膜。
在图1所示的锥式反射器/耦合器扬声器中，所有这些误差都被隔离在垂直平面，在这个平面中人耳很不敏感，并且房间对反射能量的返还也较少。利用全频段或一致(coincident)的扬声器驱动器之后，在交叉频率附近没有垂直波束控制误差。垂直频率误差只包含随着听者从水平面向上或下移动90度高频响应的平滑衰减。锥体外形和箱体(enclosure)直径确定高频垂直散布。可以调节它们的尺寸和几何形状，以便对于具体应用根据需要对高频聚焦。
另外，与扬声器(比如图1的扬声器10)中的常规扬声器驱动器相反的是，台面的使用对扬声器10有利。在常规扬声器系统中高音扬声器或高频辐射器被安装在扬声器系统放置表面上方的一定距离处。在听扬声器放音时，从高音扬声器出来的声音有两个到达时间。第一个到达时间是高音扬声器到耳的直达声所花时间，第二个到达时间是高音扬声器声音被扬声器系统所在表面反射的反射声所花时间。反射声的短时间延迟致使高频出现“时间模糊”，这明显降低了声音的清晰度和声“象”效果。另外，由于反射声与直达声不同相，在频响上出现一谷。如果高音扬声器高于台面6英寸，听者耳朵高于台面15英寸，而耳距扬声器24英寸，那么在扬声器的频响中出现一个以1970Hz为中心的可听到的下降。这对应于6.9894英寸的路径长度差，导致515微秒的时间延迟。
对于图1所示的反射器锥体型式的扬声器，所有的声音是首先由处于台面上的锥式反射器/耦合器14反射的。声音到达人耳只有一种可能的路径。
最后，对于图1的扬声器10，由房间墙壁的反射具有较长的时间延迟，并且由于路径长度的幅度和方向不同而非常散漫。这一组合产生非常大的声舞台，它听起来不会有常规扬声器那样的边界。非常散漫的有时间延迟的声音使音乐演奏者似乎“在房间内与听者一起”，而不是象常规扬声器那样“挂在墙壁上”。当原始录音的场景经听音房间的声学环境清晰地飘了出来的时候，有一种很好的“身临其境”的感觉。
扬声器10的360度散布可以特用于某些场合。例如，当常规扬声器使用在会议房间内时，它们通常必须被放置在房间的一端，以便利用扬声器的指向性。相反，由于扬声器10在水平平面的所有方向呈现近乎一致的频率平衡和音量，扬声器10可以被放置在桌子的中间而不是一端，坐于桌子周围的所有人员将听到相同的响度和频率平衡。进而，由于如此放置的扬声器10平均而言离听者较近，它们的音量可以小3dB(对于听者耳处给定音量来说这相当于使放大器功率降低一半)。这促使所表现声音的清晰度明显增加。常规扬声器在这种应用中将有12dB的频率和音量误差。
锥式反射器/耦合器扬声器(比如扬声器10)也可以用于替换吸顶扬声器，吸顶扬声器的反射声以单个信号的形式到达人耳。这使扬声器10非常优于吸顶扬声器。吸顶扬声器在来自天花板的直达声和工作台面的反射声之间有相对短的时间延迟。30英寸的路程长度差导致2190微秒的延迟，这产生在452Hz左右的频率凹陷。这易于模糊语音的一致性，导致清晰度降低。
锥式反射器/耦合器扬声器10与吸顶扬声器相比，其反射声极大地延迟和衰减。到天花板然后至耳的路径长度大约为132英寸。这产生9636微秒的时间延迟，导致出现以102Hz为中心的声凹陷。这恰好低于从小型工作台扬声器发出的声音(它无论如何应当在100-150Hz过渡到安装在地板上的亚低音扬声器)。
另外，通过经锥式反射器/耦合器外形控制反射器的垂直指向性，听者可以确信向天花板辐射的声音相对于在锥体的几何形状所限定的轴上“悦耳部位”的声音要衰减几个dB。最后，在多数情况下经在标准天花板上施加声衰减处理而对台面比如工作台18没有进行这类声学衰减处理，天花板反射的任何声音比直达辐射要进一步衰减。
锥式反射器/耦合器14也可以用于自由立式扬声器系统。图3中表示了一种这样的自由立式扬声器系统20。在图3的扬声器系统20中，锥式反射器/耦合器14倒挂在安装于箱体24内的扬声器驱动器22上方。箱体24还容纳有低音扬声器26。
对于立在地板上的大型扬声器系统比如通常用于立体声或家庭影院系统的前方主声道的系统，锥式反射器/耦合器14可以置于大约地板上方40-80英寸高度处(大约齐耳高度)。在一实施例中，锥式反射器/耦合器14具有单个夹角为90度的外形。这样的外形用于控制地板和天花板反射。在这种情况下，锥式反射器扬声器将不直接耦合至某一表面平面，并且会有衍射损失但仍将保持360度辐射的重要特征，产生大的稳定声象和平坦的房间频率响应。
台面/自由立式锥式反射器/耦合器的几何外形锥式反射器/耦合器14具有非常特定的几何外形，用于控制高频声音的指向性和相干性，这直接影响对声像的感知。图4-7表示了对台面和自由立式扬声器系统有利的一些几何外形。
在一实施例中，比如图4a所示，锥式反射器/耦合器14有两个角度跃变。锥体的顶部有一个90度的夹角，它的设计目的是沿平行于台面并且向外趋向房间墙壁的方向反射从扬声器发出的声音，由此使之传向有一定距离的听者，产生对称的房间混响。锥体的下部具有夹角135度，其设计目的是使扬声器发出的声音从台面以距水平平面45度角左右为中心的角度向上反射，从而到达处于扬声器高度以上的近场听众的耳朵。选择锥体14在90和135度夹角之间的转变点，使得声音不会反射回扬声器或箱体底部上的障板。即，与锥体14的工作面垂直的引线不会与箱体16和扬声器驱动器12相交。
锥式反射器/耦合器14的表面形状必须调整，以防止反射声返回扬声器驱动器12或箱体16。正常的听音轴线(即到听者耳部的直达路径)位于与台面18平行和在台面18上方成约45度角之间。锥式反射器/耦合器14的设计目标应当是使能量集中在这些角度之间，以便使音量最大并且使二次反射最小。
图4b-4d显示了其它三种锥式反射器/耦合器设计。在图4b的锥式反射器/耦合器中，实际夹角从90到135度沿连续曲线变化。在一个此类的实施例中，锥式反射器/耦合器14的曲线是具有半径R的圆的一段圆弧，其中R=1.5*D,D是箱体16的宽度。这样的设计方案提供了在0到向上与台面18夹角45度之间范围的可接受指向性控制。
相反，在图4c的扬声器10中，半径为R的曲线(其中R=D/2)将产生具有最小指向性控制的扬声器。
最后，如图4d的扬声器10所示，图4a所示的135度夹角可以用夹角覆盖了135至180度范围的弯曲线段替代。这样一种锥体/曲线混合设计具有负的轴线指向性控制。
在一些场合下，并不希望在所有方向上均有相同的平衡。例如，可能需要一定量的指向性，以补偿房间的声学特性或解决特定的应用问题。
图5a、5b、6a、6b、7a和7b表示了一组没有试图在所有方向上保持同样的平衡的锥式反射器/耦合器14。图5a和5b是用于按并不均匀的图案导向声能量的锥式反射器/耦合器14的顶视图和侧视图。如图5a和5b所示，锥式反射器/耦合器14可以有一个偏心点，大约90度的夹角30和大约135度的夹角32。所示的锥式反射器/耦合器具有范围在0到45度的垂直散布(dispersion)，和趋于将大多数能量集中在270度圆弧内的水平散布。这样的锥式反射器/耦合器可以用于图1和2的工作台式扬声器或图3所示的地板扬声器中(如果上下倒置的话)。
另一方面，如图6a和6b所示，锥式反射器/耦合器14可以有一个偏心点和两个夹角30和32。与图5a和5b所示的锥式反射器/耦合器不同的是，所示的锥式反射器/耦合器14具有范围在0到45度的垂直散布，和趋于将大多数能量集中在120度圆弧内的水平散布。这样的锥式反射器/耦合器也可以用于图1和2的工作台扬声器或图3所示的地板扬声器中(如果上下倒置的话)。
最后，对于诸如图3所示之类的大型地板扬声器，可以设计具有三个分别为45、90和135度的夹角40、42和44，如图7a和7b所示。这样的设计将使声能量分布在±45度的垂直范围和120度水平方向内。
利用不对称锥体的应用范例与录音棚内控制台顶部上的近场监听扬声器或居室内近场监听扬声器有关。这些扬声器通常在人耳的3英尺范围内，距最近的墙壁6英尺以外。由于从墙壁返回的扩散声场在声级上低于轴上直达声，对轴上直达声和送往房间其余部分的漫射声应适用不同的频响曲线。不对称的锥体将向轴上近场听众传递平坦的±1dB的20Hz-20kHz频响，而向房间的其余部分传递高频经过衰减的与房间有关的频响。与采用多个扬声器指向不同方向的传统设计不同的是，不对称锥体可以在两种频响之间以关于方向非常缓慢的方式过渡，就象自然声源那样。至于单个点声源扬声器驱动器所发出的所有声音，在频响对方向的关系上并没有象在常规多驱动器解决方案所存在的波束控制误差。
很显然可以采用各种锥式反射器/耦合器形状解决特定的声学问题。采用诸如图1-7所示的锥式反射器/耦合器的好处是，通过首先确定期望的声学散布然后将该期望的散布变换为锥式反射器/耦合器所采用的外形上，可以解决许多问题。这是一个可调整度很大的扬声器系统。
墙壁安装式扬声器锥式反射器/耦合器可以有利地用于墙壁安装式扬声器。图8和9分别表示了一个具有代表性的墙壁安装式扬声器50的侧视图和正视图。扬声器50包括扬声器驱动器52，锥式反射器/耦合器54和箱体56。扬声器驱动器52安装在箱体56内，箱体56以机械方式连接至锥式反射器/耦合器54，使得扬声器驱动器52所产生的声波被锥式反射器/耦合器54反射掉。
墙壁安装式锥式反射器/耦合器的几何外形为了耦合至垂直的表面平面比如墙壁，锥式反射器/耦合器54将向该表面旋转90度(仍然垂直于扬声器驱动器的工作面)，与地板平行，它是一个改进的半锥体。这样的一种半锥体设计示意于图10A和10B，在被放置在地板上方40-48英寸的最佳高度(使扬声器与耳齐平)时，在这样的实施例中的锥体外形将具有90度的单个夹角。这样的锥体外形具有与半锥体64相连的90度侧边60和62。半锥体64也有90度的夹角。图10a和10b中所示的锥体外形的独特之处在于，它被设计成在墙面的180度半球上具有相同的频率平衡和音量，消除了近场反射。这种辐射图案比指向性随频率变化的常规墙壁扬声器有明显改进。另外，图10a和10b的锥式反射器/耦合器54提供了±20度的垂直散布。
可以用在扬声器50中的锥式反射器/耦合器54的替代实施例表示于图11a和11b。在图11a，图10a的90度侧边被截短的90度夹角锥体66替代。该锥体在锥体54的反射绕过箱体56处让位于135度夹角锥体68。图11a和11b的锥式反射器/耦合器提供120度的水平散布和在-20和+45度之间的垂直散布。
可以用在扬声器50中的锥式反射器/耦合器54的替代实施例表示于图12a和12b。在图12a，图11a和11b的90度夹角锥体66被与截短的90度夹角锥体72相连的45度夹角锥体70替代。锥体72在锥体54的反射绕过箱体56处让位于135度夹角锥体74。图12a和12b的锥式反射器/耦合器提供120度的水平散布和在-45和+45度之间的垂直散布。
由图10a和10b的锥式反射器/耦合器54产生的180度辐射图案的理想应用是作为专业影院或家庭影院的Dolby或THX影院系统的后方扬声器。THX家庭影院标准指定Bi-Polar扬声器作为后部环绕声道，“使声散布和远处的二次反射最大，从而隐蔽扬声器所在位置。”墙壁安装式锥式反射器/耦合器的180度辐射图案具有优于Bi-Polar扬声器的指向性能，能够充分实现THX设计目标。
其它实施例图13和14可以看到图3所示自由立式扬声器系统的两个附加实施例。但是与用作图3驱动器22的中频/高频扬声器驱动器相反，图13和14中示意的扬声器系统具有与独立锥式反射器声学相连的单独中频和高频扬声器驱动器。比如，在图13的扬声器系统80中，锥式反射器/耦合器84上下倒置地悬挂于安装在箱体86内的中频扬声器驱动器83上方。另外，另一个锥式反射器/耦合器88上下倒置地悬挂于安装在锥式反射器/耦合器84底部上的高频扬声器驱动器82上方。箱体86还容纳有一个指向地板的低音扬声器90。在一个实施例中，锥式反射器/耦合器84和88沿公共轴对准。
在图14的扬声器系统100中，高频扬声器驱动器83安装在盒104内，然后该盒上下倒置地悬挂于锥式反射器/耦合器106上方。然后锥式反射器/耦合器106安装在锥式反射器/耦合器84的底部上。在一实施例中，锥式反射器/耦合器84和106沿公共轴对准。
尽管如图13和14所示诸如系统80和100之类的扬声器系统可以利用多个独立的驱动器82和83加以构造，但是设计者必须非常注意在交叉频点处存在的垂直波束控制误差问题。
为了利用高效压缩驱动器，反射器锥体和盒的底部可以按适当的号筒扩展率比如锥形或恒指向性加以勾画轮廓。图15a和15b就是这样一种锥式反射器/耦合器扬声器系统的实施例。在图15a和15b的扬声器120中，压缩驱动器122将声音指向安装在号筒126内的锥式反射器/耦合器124。在一个实施例中，锥式反射器124有一个用于使压缩驱动器122的输出旋转90度的90度夹角，以便使声音耦合到号筒。如果声音不是按径向平面定向，比如在系统高高地安装于一柱子上时定向到地面的话，可以使用其它反射器夹角。图15a和15b给出的一个实例是用于具有360度辐射图案的大型扩音号筒。其它的图案可以根据期望的散布图案加以采用。另外，号筒126所采用的号筒外形可以是指数、锥形或恒指向性。压缩驱动器122和号筒126的尺寸根据需要的音量大小和频率覆盖面确定。例如，扩音用的300Hz号筒的直径大约九英尺。
图16a和16b是锥式反射器/耦合器扬声器系统的又一个实施例，它们分别表示了安装在电视机箱体上的锥式反射器/耦合器扬声器系统的一个实施例的正视图和顶视图。在图16a和16b的扬声器140中扬声器驱动器142和144分别将声音指向锥式反射器/耦合器146和148。扬声器驱动器142和144被固定于电视机箱体150的角落，如图16b的顶视图中所示。在一个实施例中，电视机箱体150被置于桌子上，锥式反射器/耦合器146和148用于使来自驱动器142和144的声音耦合到桌子上。正如前面讨论的台面扬声器系统中，可以采用种类繁多的锥体外形以达到期望的散布。在一实施例中锥式反射器/耦合器146和148是270度外形反射器，类似于图7a和7b所示的那些外形。这样的一个实施例的声场类似于环绕声场，但未采用产生环绕声音所需的额外扬声器。但是，声音质量可以借助于额外的扬声器进一步加以改进。
锥式反射器/耦合器扬声器设计的频响锥式反射器扬声器的360度辐射图案需要不同于常规扬声器所用的频响平衡。除了直达声外，该360度辐射图案以来自所有方向的漫射声充满房间。耳朵接收的声能量类似于在大型礼堂一类的音乐厅的体验。为了达到“感知的”平坦频响，即使在小房间内对于360度辐射扬声器也需要类似于在大型厅堂中常规扬声器所采用的均衡曲线。大多数扬声器所辐射能量的大部分集中在其前向轴线上，极少的辐射能量分布于侧面和后部。对于常规类型的扬声器近场(该处直达声优于混响声)中的最佳声音通常被认为是频响从20Hz至20kHz的平坦度为±1dB的时候。但是，在声音主要是混响声的远场需要一种不同的频响均衡曲线。心理声学确认“房屋(house)曲线”自本世纪30年代已用于大型厅堂类影院和音乐厅。“房屋曲线”自7000Hz附近开始在高频以每倍频程4dB-6dB衰减。由于相同的原因Dolby还在家庭影院系统的后侧声道规定了该高频衰减曲线。对于耳朵而言在远场或混响声场这种衰减响应听起来“较平坦”。其原因是直至靠近扬声器的地方大多数的声音是从耳朵的前部接收，而在远场声音是由耳朵从各方向综合而成，耳廓或外耳将原先的平坦频率曲线修改为现在听起来似乎有过多的高频。这是耳廓对频率-方向的关系进行修改以帮助确定声源位置的自然功能的副效应。
由于上述原因，在一实施例中，为了提供经耳朵“感知的”平坦响应，锥式反射器扬声器具有高频衰减的实测响应。每个锥体轮廓需要不同的高频响应曲线，视它所覆盖的辐射角度而定。高频均衡可以用于扬声器驱动器或声学滤波器、无源滤波器或电子有源滤波器的设计中。在一个实施例中，提供其曲线类似于“房屋曲线”的高频“音调控制”，使得可以对室内频率平衡略作调节，以适应不同的房间声学环境。
设计范例接下来描述在设计自由立式扬声器系统209(比如图3所示)时所采取的各步骤实例。对于直径13英寸的柱式扬声器，衍射损耗自521Hz开始，在260Hz达到-6dB。图17是表明衍射损耗影响的频响曲线图。通过在交叉频率处均衡或在电子交叉频率处提升，可以对衍射损耗加以补偿。
在图3的扬声器系统20中，具有大约90度的单个夹角的锥式反射器是足以在水平平面获得均匀散布的。反射器锥体应由非共振、平滑硬质和刚性材料制成。理想的选择是由石料或钢铁构成的固体制造，另外再作阻尼处理。实践中，需要远小得多的强度。在估测了所覆盖的频段之后，可以确定锥体的大小和需要的音量级，最小的质量和刚度。举例而言，对于拟用于100Hz和20kHz频段上平均声压级为110dB的具有如图4所示外形的3英寸锥体，由壁厚0.125英寸的高冲击强度聚苯乙烯(HIPS)的锥体即可以提供可接受的性能。反射器锥体的最小尺寸不应小于包围扬声器驱动器12的箱体的宽度，以免发生内反射。但是，锥体可以比箱体大得多，使图案控制延及较低频。
如上述各图所示类型的反射器锥体可以与任意类型的扬声器驱动器结合使用。除了常规动圈锥体外，还可以采用压电、静电、平面磁、带、感性耦合和磁致伸缩扬声器驱动器。扬声器在最佳情况下应按点声源辐射声波。如果采用多个驱动器的解决方案，由一致的设计可以获得最佳结果。如果采用同轴的驱动器，应当添加电延迟，修正驱动器的偏差。
一旦锥式反射器外形设计设定，必须分析其它的房间模式，将之加入到最终的均衡曲线中。例如，地板和天花板的反射部分地补偿了衍射损耗。在图14所示的例子中，系统20的锥体高度48英寸，天花板高度96英寸，听音高度48英寸，听音距离96英寸。路径长度差为39.76英寸或2902微秒。这对应于341Hz的一个波长时间延迟，在该频率处可以作6dB的房间声学提升，以补偿6dB的衍射损耗。如图18所示，在一半频率170Hz处还有一个6dB的谷，结果在该频率附近产生达12dB的总损耗。为了避免该频率凹陷，锥式反射器扬声器应当在约250-300Hz转换到面对地板安装的低音扬声器。图19是衍射损耗和反射组合在一起的房间响应。
不同于扬声器驱动器22的是，低音扬声器26保持360度辐射图案，并与地板平面耦合。这样在该交叉频率附近不再有频率凹陷的问题。事实上恰当设计的低音扬声器26可以利用房间的每倍频程12dB的上升响应(其对于一般的居室约从30Hz开始)。如图20所示，房间声学增益在10Hz处达到最大值15dB。如果低音扬声器被设计为二阶闭合箱(每倍频程12dB衰减)，其系统Q为0.707，频率30Hz处-3dB，如图21所示，那么房间的上升效应将补偿其响应，使平坦度延伸到10Hz，有一些音乐录音已达到这样纸的程度。这样的频响表示于图22，它是图17、18、20和21所示曲线相加后的响应。该系统设计在水平平面的所有方向内提供相同的频率平衡和音量，使它成为能够给你真实感受“你就在那里”的经历的极限扬声器。
尽管本发明是结合优选实施例加以了描述，但是本领域的技术人员将意识到可以在形式和细节上作出改变，而不会偏离本发明的精神和范畴。
权利要求
1．从具有含至少一个输出表面的扬声器驱动器的扬声器传输声音的方法，该方法包括下列步骤确定取得期望声能量散布所需要的锥式反射器外形，其中所述确定步骤包括计算将声音直接反射至听者耳朵所需要的一或多个夹角以及调节锥式反射器外形以包含所计算的夹角的步骤；形成具有所述锥式反射器外形的锥式反射器；将来自所述扬声器驱动器的声波指向所述锥式反射器；以及按所述锥式反射器外形所指示的图案反射来自所述锥式反射器的一或多个表面的声波。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述确定锥式反射器外形的步骤还包括设计所述外形，使声波以一平面内所有方向频率平衡和音量大致相同的方式散布。
3．从具有含至少一个输出表面的扬声器驱动器的扬声器传输声音的方法，该方法包括下列步骤确定取得期望声能量散布所需要的锥式反射器外形；形成具有所述锥式反射器外形的锥式反射器；将来自所述扬声器驱动器的声波指向所述锥式反射器；以及按大致平行于一水平平面的第一角度反射来自所述锥式反射器的声波；为使听音效果最佳而选择的第二角度反射来自所述锥式反射器的声波。
4．根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述以第一角度反射的步骤包括使声波的显著部分以所述水平平面内所有方向频率平衡和音量大致相同的方式反射的步骤。
5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述以第二角度反射的步骤包括使声波的显著部分以与所述水平平面相交的一锥体内所有方向频率平衡和音量大致相同的方式反射的步骤。
6．根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述以第一角度反射的步骤包括使声波的显著部分以在水平平面里大约180度圆弧内频率平衡和音量大致相同的方式反射的步骤。
7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述以第二角度反射的步骤包括使声波的显著部分以在水平平面上方约成45度角的方向反射的步骤。
8．锥式反射器/耦合器扬声器系统，包括具有一输出表面的扬声器驱动器；和锥式反射器，所述锥式反射器具有一顶部、一底部和一夹角，其中所述顶部被置于所述扬声器驱动器的所述输出表面相邻处，并且其中所述夹角经选择将所述扬声器驱动器产生的声音在与所述输出表面大致平行的平面内反射。
9．锥式反射器/耦合器扬声器系统，包括具有至少一输出表面的扬声器驱动器；和锥式反射器，所述锥式反射器具有一顶部、一底部和第一夹角，其中所述顶部被置于所述扬声器驱动器的所述输出表面相邻处；并且其中由所述扬声器驱动器产生的声波按预定义方向被所述第一夹角反射。
10．根据权利要求9所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述夹角是90度。
11．根据权利要求9所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述锥式反射器还包括第二夹角，其中第一夹角从锥式反射器的顶部延伸至一过渡点；以及其中第二夹角从所述过渡点向下延伸。
12．根据权利要求11所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述第一夹角大约90度，第二夹角大约是135度。
13．根据权利要求11所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述过渡点经选择使声波返回到所述扬声器驱动器的反射最小。
14．根据权利要求9所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述锥式反射器还包括在所述第一夹角下延伸的曲面。
15．根据权利要求9所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述锥式反射器/耦合器扬声器系统还包括用于在某些频率提供提升的电子分频网络。
16．根据权利要求15所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述锥式反射器/耦合器扬声器系统还包括一个面向一水平平面安装的低音扬声器。
17．根据权利要求16所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述低音扬声器保持了声波的360辐射图案。
18．锥式反射器/耦合器扬声器系统，包括具有至少一输出表面的扬声器驱动器；和半锥式反射器，所述半锥式反射器具有第一表面和第二表面，其中第一表面大致是锥形形状，其锥顶位于所述扬声器驱动器的所述输出表面相邻处；并且其中所述锥形形状包括用于沿期望方向导引声波的第一夹角。
19．根据权利要求18所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于所述第一夹角大约90度。
20．根据权利要求19所述的锥式反射器/耦合器扬声器系统，其特征在于第二表面被设计成放置在一平坦表面上，使得来自扬声器驱动器的声音可以耦合至所述平坦表面。
21．用于反射由扬声器驱动器所产生的声波的锥式反射器，包括一锥形形状，其具有一顶点、一底部、第一夹角和第二夹角；其中所述第一夹角将入射在所述锥式反射器上的声波的显著部分在与所述锥形形状的底部平行的平面反射；以及所述第二夹角将入射在所述锥式反射器上的声波的显著部分直接反射到听者耳朵。
22．根据权利要求21所述的锥式反射器，其特征在于所述第一夹角大约90度，第二夹角大约是135度。
23．根据权利要求21所述的锥式反射器，其特征在于所述第一和第二夹角在一过渡点处相接，其中所述过渡点经选择使得最少量的声能量被从这些夹角反射回扬声器驱动器。
全文摘要
扬声器系统(10)包括与扬声器驱动器(12)相连的锥式反射器。锥式反射器(14)具有按期望图案在水平和垂直平面内反射声波的至少一个夹角。声波在垂直平面内按所述夹角的函数散布。这些角度可以是变化的,或者可以增加更多的夹角,以取得一定的声能量分布。扬声器驱动器(12)位于锥式反射器(14)上方,锥体(14)的窄端朝向扬声器驱动器(12)的输出端。扬声器驱动器(12)产生的声音被锥式反射器(14)反射,按锥式反射器的夹角的函数散播。
文档编号H04R1/22GK1235688SQ97199236
公开日1999年11月17日 申请日期1997年1月28日 优先权日1996年8月30日
发明者A·D·胡尔瑟布斯二世 申请人:梅迪亚菲利影音技术公司