专利名称：扬声器组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及指向性扬声器组件。更具体地说，本发明涉及这样一种指向性扬声器组件，其通过把用正极驱动的第一扬声器装到音箱的前面板上和把用负极驱动的第二扬声器装到例如音箱的上面板上并驱动第一和第二扬声器而使第二扬声器的辐射声压低于第一扬声器从而可增大能获得良好立体声收听位置的范围。
以下所述是现有的指向性扬声器。
图13表示柱式指向性扬声器组件20的实例。扬声器组件20具有多个扬声器，即五个在音箱21面板上沿直线排列的扬声器22a-22e。横向布置有多个扬声器的扬声器组件20在水平面内具有呈锐角的指向。
图14表示一个双向扬声器组件30。该扬声器组件30是通过在隔板31的两个彼此相对的前后表面上安装两个扬声器而构成的。两个扬声器32a和32b分别由两个相反的极驱动。
下面将要解释的本发明的扬声器组件与上述已有的指向性扬声器组件具有不同结构和指向。
如图15所示，传统的双声道立体声扬声器组件40包括装在音箱42R前面板上的右扬声器41R，和装在音箱42L前面板上的左扬声器41L。音箱42R和42L的前面板设置在与处于扬声器组件40前面的听者相对的位置上。当收听由扬声器组件40发出的立体声时，能听到良好立体声的合适的收听位置仅限于非常窄的区域，如图15中的阴影区所示，该区域包括等分扬声器41R和41L连线的中心线上的点a。
由于从不在中心线上的收听点b到左右扬声器的距离彼此不同，因此在此该点处听到的由右扬声器41R发出的声音比由左扬声器41L发出的声音大。所以，在收听点b，声音图象的定位偏向右扬声器41R，而且不能由此形成双声道立体声的真实声级。
为了增大能获得良好立体声收听效果的收听位置的范围，传统的双声道立体声再现方法采用了指向性扬声器。
图16中示出的双声道立体声扬声器组件50包括装在封闭式音箱52R和52L上的右扬声器51R和左扬声器51L，两扬声器的基准轴线向内延伸并与用于根据扬声器直径和音箱尺寸及形状进行定向的中心收听位置成45°角。
该扬声器组件可增大收听位置的区域，在所述位置上通过修正扬声器的定向机构来减小R信号声和L信号声各强度之间的差值便可听到令人满意的立体声，所述强度差是因与中心线错位的收听点b到扬声器的距离不同而形成的。
通常，扬声器的指向与扬声器的直径和音箱的形状及尺寸有关，而且较小直径的扬声器对于高频声音来说是定向的，而对中频和低频声音来说是不定向的。不高于1KHz的声频定向性极大地影响了使合适的收听范围变大的效果。在图16中，曲线W1表示中高频声音的方向图，曲线W2表示中低频声音的方向图，a与图15中的a相类似，表示平分左右扬声器连线的中心线上的一个点。
如图17中的曲线W3所示，在扬声器基准轴的角度从0°指向90°的同时，要想增大收听点区域的指向就必须减小声压，而且理想的是使指向90°时的声压比0°时的声压小6dB或更多。
所以本发明的目的是获得这样一种指向性，即，使得不高于例如1KHz声频的声压在90°方向上比在0°方向(轴向)上低6dB或更多，也就是说，要获得能够增大立体声良好收听位置区域的指向。
按照本发明所述扬声器组件的特征在于，在安装时将第一扬声器装在音箱的前面板上，将第二扬声器装在扬声器的上面板、下面板或后面板上，用正极驱动第一扬声器和用负极驱动第二扬声器，而且使第二扬声器的辐射声压低于第一扬声器的辐射声压。
用在90°方向的声接收位置上之第一和第二扬声器的综合声压表示的指向性因数等于每个扬声器的指向性因数D(90°)和(1-α)＜1的乘积。也就是说，在90°方向上，扬声器输出声压的降低与频率无关。输出声压降低率从0°向90°逐渐增加，在90°时达到最大值(1-α)，而从90°到180°逐渐减小。
图1是本发明优选实施例中的扬声器组件的透视图；图2是扬声器组件的示意性剖面图；图3是用于驱动扬声器SP1和SP2的驱动电路的电路图4是用于解释由扬声器SP1和SP2发射的声波综合声压之理论分析的辅助图；图5是表示当只驱动扬声器SP1时，输出声压指向性频率特性的曲线图；图6是表示当只驱动扬声器SP1时，200Hz、500Hz和1KHz的频率方向图的示意图；图7是表示当只驱动扬声器SP1时，2KHz、5KHz和10KHz的频率方向图的示意图；图8是表示当驱动扬声器SP1和SP2时，输出声压指向为α＝0.361时的频率特性的曲线图；图9是表示当驱动扬声器SP1和SP2时，输出声压指向为α＝0.5时的频率特性的曲线图；图10是表示当驱动扬声器SP1和SP2时，输出声压指向为α＝0.708时的频率特性的曲线图；图11是表示当驱动扬声器SP1和SP2时，200Hz、500Hz和1KHz的频率方向图的示意图；图12是表示当驱动扬声器SP1和SP2时，2KHz、5KHz和10KHz的频率方向图的示意图；图13是传统指向性扬声器组件(柱式指向性扬声器组件)的透视图；图14是传统指向性扬声器组件(双向扬声器)的侧视图；图15是双声道立体声扬声器组件的示意图；图16是另一种双声道立体声扬声器组件的示意图；和图17是用于解释在增大满意的立体声收听位置的区域时指向效应的辅助示图。
下在将参照附图解释本发明的优选实施例。图1表示本发明一个实施例中的扬声器组件10。
在安装时，将第一扬声器SP1装到矩形棱柱式音箱11的前面板(前壁)11F上。把与第一扬声器SP1具有相同直径的第二扬声器SP2装到音箱11的上面板11U上。将扬声器SP2设置成使其基准轴L2与扬声器SP1的基准轴L1相交。
扬声器SP1由正极驱动，而扬声器SP2由负极驱动。分别用于驱动扬声器SP1和SP2的驱动电压E1和-E2是可选择的电压，该电压满足E2/E1＜1。由于扬声器SP1和SP2的直径相同，所以扬声器SP2的辐射声压低于扬声器SP1。
图3表示用于驱动扬声器SP1和SP2的驱动电路13。放大器16放大由信号源15提供的输出语音信号，并向扬声器SP1输送放大的语音信号。因此，可通过正极的驱动电压E1驱动扬声器SP1。衰减器17衰减由信号源15提供的输出语音信号，放大器18将衰减器17的输出信号放大和转换后将其输出到扬声器SP2。因此可通过负极的驱动电压-E2(E2＜E1)驱动扬声器S2。
在用比驱动扬声器SP1低的驱动功率驱动扬声器SP2的方法中，所用扬声器SP2的音圈阻抗高于扬声器SP1所用音圈的阻抗。当扬声器SP1和SP2设有这样的音圈时，流过扬声器SP2上的音圈之电流小于流过扬声器SP1的音圈之电流，因此用于驱动扬声器SP2的驱动功率低于驱动扬声器SP1的驱动功率。该方法的优点在于仅使用一个放大器便可并行驱动两个扬声器。
假设图1中所示的驱动电路同时用驱动功率F1和驱动功率-F2分别驱动扬声器SP1和SP2。那么，可将扬声器SP1之振动膜的振动速度V1表示为V1=V0{1+(1+F2F1)s1s0·11+jωω0Q0+(jω)2ω02}---(1)]]>V0用公式(2)表示。在此，s0是振动膜的等效硬度，m0是振动膜的有效质量，r0是包含电磁阻尼的等效机械阻力，s1是音箱中的等效空气密度，ω0是与m0和s0有关的谐振角频率，Q0是振动膜谐振的Q因数。V0=F1s0+2s1(jω)2m0+r0jωm0+1---(2)]]>扬声器SP2之振动膜的振动速度用下式表示V2=-V0{F2F1+(1+F2F1)s1s0·11-(ωω0)2+jωω0Q0}---(3)]]>公式(1)和(3)中括号内的第二项表示两个扬声器共用一个气室时相互影响的效应而且可以对其进行如下处理。括号中的第二项具有二级LPF(低通滤波器)特性，其截止频率f0等于扬声器振动膜的最低谐振频率。通常，可以将截止频率f0设置在不高于200Hz的低频，而且通过适当地确定音箱的音量可以容易地满足条件s1/s0＜＜1。
因此，括号内的第二项与括号内的第一项相比非常小而且如果将扬声器组件设计成使之能处理不低于200Hz的声频则第二项可以忽略不计。
如果将括号内的第二项忽略不计，则可用公式(4)和(5)表示V1和V2。
V1＝V0 …(4)V2＝-V0(F2/F1) …(5)利用图4所示的方案对由扬声器SP1和SP2发射的声波综合声压进行理论检验。在图4中，用d表示包含扬声器SP1前表面的平面和扬声器SP2基准轴之间的距离，在讨论由扬声器SP1和SP2相对于水平面方向发射的声波分量时，将与扬声器SP1的基准轴L1相平行的方向称为0°方向，并沿顺时针方向测量某一方向与基准轴L1之间的角度θ。
参照图4，如果声音接收位置离扬声器的距离为r，则可以认为接收位置处的声波是平面波。由于扬声器的振动膜具有有限区域，所以从振动膜表面发射的声波指向与音箱的尺寸和形状有关，与扬声器直径有关的声波指向范围随声波频率的增加而加大，而且扬声器的直径越大，变成定向声波的声波频率越低。
假设用指向性因数D(θ)表示指向性。那么，由扬声器SP1发射的声波声压P1(θ)可用公式(6)表示，其中S表示有效振动区，ρ是空气密度而c是音速。P1(θ)=jωρSV04πr·D(θ)·e-jωrc---(6)]]>由于扬声器SP2装在音箱11的上面板上，所以当θ＝0°-360°时，由扬声器SP2发射的声波的指向性因数总是为D(90°)。在声接收位置处的声压P2(θ)比声压P1(θ)滞后dcosθ，而且用与扬声器SP1不同的负电压-E2驱动扬声器SP2。因此，用公式(7)表示由扬声器SP2发射的声波声压P2(θ)，其中-V2是振动膜的振动速度。
由于综合声压P(θ)等于P1(θ)+P2(θ)，所以可用公式(8)表示P(θ)。
假设F2/F1＝α＜1。那么通过重新变换公式(8)可得到公式(9)。
用公式(10)表示由扬声器SP1发射到基准轴(θ＝0°)上声接收位置处的声波声压，并用公式(11)表示P(θ)/P0P0=jωSV04πre-jωrc---(10)]]>
公式(11)表示声接收位置处综合声压的指向性因数。通过用k替代ω/c并将三角函数引入公式(11)中可得到公式(12)。
可用由公式(12)得到的公式(13)、(14)和(15)表示与基准轴所成角度分别为θ＝0°、90°和180°三个方向上的指向性因数。
扬声器的指向性与扬声器的直径和音箱的形状及尺寸有关，而且扬声器相对于低频声具有非定向性。因此，对低频声而言，D(0°)≈(90°)＝D(180°)＝1。对于满足kd＜＜1的低频声而言，coskd＝.1，sinkd＝.kd，而且可以忽略kd。所以分别用公式(13)、(14)和(15)表示的P(0°)/P0，P(90°)/P0和P(180°)/P0等于(1-α)；也就是说，对低频声而言，扬声器综合声压的指向性是(1-α)，而扬声器是非指向性的。
相对于高频声来说，与扬声器直径和音箱形状及尺寸有关的扬声器指向性变得较为明显，而且指向性相对于高频声发生急剧变化。图1中所示指向性扬声器组件10的特征在于在不考虑频率的情况下可以在90°方向上减小扬声器的输出声压，这是因为可如公式(14)所示通过将扬声器的指向性因数乘以(1-α)(＜1)可得到相对于90°方向的指向性因数。输出声压的降低并不仅仅发生在90°方向上。当方向角从0°向90°增大时相对于该方向的声压降低率也随之增加，并在90°角时达到(1-α)的最大值，而当角度从90°朝180°增大时，声压降低率随之下降。
下面将根据实验结果更具体地描述输出声压特性和扬声器10的指向性。
装有扬声器SP1的音箱11的前面板是一个11cm×11cm的方形面板，音箱11的长度为16cm，扬声器SP1和SP2是直径为8cm和d＝10cm的动态扬声器。
下面将说明实验结果。
图5是表示当仅驱动扬声器SP1时在消声室内测得的0°方向、90°方向和180°方向输出声压指向性的频率特性曲线。如从图5中所看到的，相对于不高于约300Hz的声频而言，扬声器SP1基本上是非指向性的。相对于声频不低于300Hz的情况，90°方向和180°方向的输出声压特性随频率的增大以平均约为-6db/oct的量级降低，这表明在声频不低于300Hz的情况下，指向性的清晰度随频率的增大而增加。
图6和7表示测得的频率为200Hz、500Hz、1KHz2KHz、5KHz和10KHz时扬声器SP1的方向图。正如从图6和7中所看到的，对于高频来说指向性是鲜明的。扬声器SP1相对于频率低于500Hz的低频声来说基本上是非指向性的，而且声压在90°方向上的下降比在0°方向上的下降要小的多，这对增大能取得良好立体声收听位置区域来说是不希望的指向。
下面将描述根据上述理论同时驱动扬声器SP1和SP2时得到的测量结果。
图8、9和10示出了相对于0°方向、90°方向和180°方向测得的输出声压指向性频率特性，其α值为0.316(-10dB)，0.5(-6dB)和0.708(-3dB)。如在上面的理论讨论中所述，相对于不高于约200Hz的频率来说，扬声器组件基本上是非指向性的。相对于不高于300Hz的频率而言，在90°方向上的声压特性曲线比只驱动扬声器SP1时平均低约-3dB(在α＝0.316时)，约-6dB(α＝0.5时)和约-10dB(α＝0.708时)。
在180°方向上的声压特性曲线具有峰值和谷值，而且其平均值高于只驱动扬声器SP1时的平均值。然而由于在180°方向上传播的声波是向扬声器组件10后面传播的声波，所以其并不对增大良好立体声收听位置的区域产生影响。
与只驱动扬声器SP1时的特性曲线相比，0°方向的声压特性曲线几乎与频率无关而且使再现频带稍稍变窄。
相对于不高于200Hz的频率来说，0°方向的声压稍高于90°方向的声压，而180°方向的声压稍低于90°方向的声压。这种趋势在α的值接近1时变得较明显。这种现象与扬声器和声音接收位置之间的距离有关而且可以根据下面的理由加以解释。
在前面的理论讨论中已经提到，如果包含扬声器SP1前端的面板与扬声器基准轴之间的距离d与扬声器SP1和声音接收位置之间的距离r相比小到可以忽略不计的话，扬声器相对于低频声来说是非指向性的。然而，实际上在距离r为100cm时距离d是10cm。因此，扬声器SP2和声音接收位置之间在0°方向的距离为110cm而在180°方向上为90cm。
因此，扬声器SP1和声音接收位置之间的距离以及扬声器SP2和声音接收位置之间的距离在0°方向上是100cm，而在180°方向上是90cm。因距离上存在10％的差而导致的声压差引起了上述现象。由于在声接收位置上的综合声压并不是由扬声器SP1和SP2发射的声波矢量的总和，而是在矢量之间同样存在差值，所以距离上仅有的10％的差值可以导致出现与双向或单向传声器的特定临近效应完全相同的现象。当声接收位置靠近声源时这种临近效应更加明显。
以上已经描述了在0°方向、90°方向、和180°方向的声压中输出声压的频率特性。下面将描述在几种频率下测得的方向图。
图11和12表示当仅驱动扬声器SP1时与图6和图7所示方向图相应的方向图。在图11和12中，α＝0.5。
如图12所示在90°方向上与不低于2KHz的频率相适应的方向图指向性因数小于图7中所示方向图的指向性因数。然而，图12中示出的和图7中示出的概括性指向图基本相同。
既使是仅驱动扬声器SP1，在频率不低于2KHz时指向性也会出现很大的变化。因此，通过仅驱动扬声器SP1便可达到增大立体声收听位置区域的指向效果。
如图11所示，对于不高于1KHz的频率而言，90°方向上的方向图指向性因数是图6所示方向图指向性因数的一半，因此方向图上有一个缩颈部分。因此，图1中示出的扬声器组件10具有可增大立体声收听位置区域的指向性。
虽然在安装时把上述实施例中扬声器组件10的扬声器SP2装在音箱11的上面板11U上，但是也可以把扬声器SP2装到音箱的下面板或后面板上。虽然在上述实施例中使用的扬声器SP1和SP2具有相同直径，但是也可以在扬声器组件10上分别设置具有不同直径的扬声器。既使是扬声器SP1和SP2分别具有不同的直径，由扬声器SP2发射的声音之声压必须低于由扬声器SP1发射的声音之声压。
在本发明所述的扬声器组件中，把用正极驱动的第一扬声器安装到音箱的前面板上，把用负极驱动的第二扬声器安装到例如音箱的上面板上，由第二扬声器发射的声音之声压低于由第一扬声器发射的声音之声压，第一和第二扬声器在90°方向上的声音接收处的综合声压指向性因数等于扬声器指向性因数与小于1的值之乘积。因此，相对于不高于1KHz的频率而言，该指向性使90°方向上的声压比0°方向(前方)低6dB或6dB以上，因此该指向性适用于增大满意的立体声收听位置的区域。
在不脱离本发明构思或基本特性的情况下还可以用其它特定形式实施本发明。因此可以认为本实施例不论从哪个方面都只是进行描述而不构成限制，本发明的范围是由附属的权利要求而不是由上述说明书限定的，而且其中包含了与权利要求等同意义和范围内的所有变化。
权利要求
1.扬声器组件，其特征在于安装时将第一扬声器安装到音箱的前面板上；且安装时将第二扬声器安装到音箱的上面板、下面板或后面板上；用正极驱动第一扬声器和用负极驱动第二扬声器；由第二扬声器发射的声音的声压低于由第一扬声器发射的声音的声压。
2.根据权利要求1所述的扬声器组件，其中第一和第二扬声器的各直径彼此相等，而且用于驱动第二扬声器的驱动电压低于用于驱动第一扬声器的驱动电压。
全文摘要
本发明在于提供适合增大满意的立体声收听位置区域的指向性。扬声器组件包括音箱,安装在音箱前面板上的第一扬声器,和与第一扬声器具有相同直径并安装在音箱上面板上的第二扬声器。第一扬声器由正极驱动而第二扬声器由负极驱动。用于分别驱动第一和第二扬声器的驱动电压E1和－E2是满足E2/E1< 1的可选择电压。由第二扬声器发射的声音的声压低于由第一扬声器发射的声音的声压。在与90°方向相应的声音接收位置上第一和第二扬声器的综合声压指向性因数等于扬声器的指向性因数D(90
文档编号H04R1/40GK1199317SQ98108058
公开日1998年11月18日 申请日期1998年3月24日 优先权日1997年3月25日
发明者沟口章夫 申请人:爱华株式会社