專利名稱：電聲轉(zhuǎn)換多路激勵器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電聲轉(zhuǎn)換，尤其涉及一種新型的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，它可以大體上在整個音頻范圍內(nèi)使聲音在以揚(yáng)聲器系統(tǒng)為中心的預(yù)先限定的立體角內(nèi)輻射。
根據(jù)本發(fā)明，一種揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括至少三個揚(yáng)聲器激勵器組件，每一組件帶有一個或數(shù)個激勵器且在音頻范圍內(nèi)的幾個倍頻程上工作。支撐結(jié)構(gòu)將這些揚(yáng)聲器激勵器組件以固定的大體上相鄰的關(guān)系支撐在一個長度為1寬度預(yù)先給定的拱形表面上。每一激勵器組件的軸線都有一與拱形表面相垂直的分量和一與所述表面相平行的分量，每一個激勵器組件指向一預(yù)先規(guī)定的方向且共同工作從而在幾個倍頻程上使聲音在以揚(yáng)聲器系統(tǒng)為中心的預(yù)先限定的立體角內(nèi)大體上均勻地輻射。
典型地，所述揚(yáng)聲器激勵器組件包括第一和第二端部激勵器組件，一個中央激勵器組件以及分別位于第一和第二端部激勵器組件與中部激勵器組件之間的至少第一和第二中間激勵器組件，激勵器組件之間相對位置在波長入約21和約1之間的頻率范圍確立預(yù)先限定的立體角，拱形表面的曲率在入約為1和1/2之間的頻率范圍內(nèi)建立了立體角，而中間激勵器組件的位置確立了入在約1/2和相鄰激勵器組件平均間距d的兩倍之間的頻率范圍內(nèi)確立了立體角。可用電子線路作為細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)連接到一些揚(yáng)聲器的激勵器組件上從而在λ約為2d和d之間的頻率范圍內(nèi)建立一立體角。所述細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)在典型情況下只對后一頻率范圍才實(shí)質(zhì)上有效，一般情況下，細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)主要影響端部激勵器組件的輻射。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，除了在至少兩個激勵器組件之間有一個不同間距之外，相鄰激勵器組件之間的間距是相同的，取不同的間距為的是透過空間周期很短的波動對λ在約d和d/2之間的頻率范圍內(nèi)建立一立體角。空間波動偏離了相鄰激勵器組件間的正常間距。每個激勵器組件的取向建立了λ比每一激勵器組件之跨距S小得多的頻率范圍內(nèi)的立體角，通常所述跨距是單個激勵器組件的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，支撐結(jié)構(gòu)包括一帶有一開口的殼體，所述開口的殼體常為拱形的，并具有通常面向房間的一個界限面的凹形背面，它帶有至少一個開口，從而當(dāng)殼體接觸一房間界限面時，每個開口均保持不被遮蓋。
當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，將能看清楚本發(fā)明的其它特征及優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的一種典型實(shí)施例的等角視圖。
圖2、3、4和5分別是所述典型實(shí)施例的前視圖、側(cè)視圖、頂視圖及后視圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個系統(tǒng)的邏輯構(gòu)思的一種框圖。
圖7是本發(fā)明一種典型實(shí)施例中控制器的示出特定參數(shù)值的電路圖。
現(xiàn)參見附圖，特別參見其中的圖1，它示出了本發(fā)明的一種典型實(shí)施例的等角視圖。其中，每一個揚(yáng)聲器激勵器組件只包含一個激勵器。一個通常由模制塑料例如高密度聚苯乙烯制成的支持結(jié)構(gòu)11將端部揚(yáng)聲器的激勵器12和13、中間揚(yáng)聲器的激勵器14和15以及中央揚(yáng)聲器的激勵器16牢固地支撐在一個長為1寬W大體上相應(yīng)于每激勵器之直徑的拱形表面上，每一激勵器指向一不同的方向。相鄰激勵器的中心平均間距為d。
所有附圖中同樣的參考標(biāo)號表示同一相應(yīng)元件。參見圖2、3、4和5，其中示出了所述典型實(shí)施例的前視圖、側(cè)視圖、頂視圖和后視圖。
參見圖6，它示出了采用有源均衡和細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的邏輯構(gòu)思的典型實(shí)施例的框圖。有源均衡器21在輸入端22上接收將被重放的輸入聲音信號并激勵功率放大器23。功率放大器23同相激勵激勵器12-16且與并聯(lián)有細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)17的端部激勵器12和13相串聯(lián)。它可用于僅在下述預(yù)定的頻率范圍內(nèi)提供相移或幅度衰減。
在描述了本發(fā)明的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安排之后，將再面對其工作方式進(jìn)行論述。本發(fā)明采用了多種設(shè)計技術(shù)，為波長λ從約為整個陣列長度之兩倍的低頻率直到濾長比每一激勵器之跨距小得多的高頻提供了對方向特性的控制。結(jié)合本發(fā)明的不同技術(shù)可從低頻至高頻間建立起一座橋梁來控制方向特性，使之在整個頻率范圍內(nèi)大體相同。每一技術(shù)可用于控制大體上僅在一個頻率范圍內(nèi)的方向性且當(dāng)其用于所述頻率范圍時幾乎不影響其它的頻率范圍。
與波長λ對應(yīng)的頻率范圍被指定為與整個陣列尺寸l(一般它是陣列的長度)以及相鄰激勵器之間的平均間距d。按頻率的遞增的次序來列出所控制頻率范圍。
所控制的最低頻率范圍是入約為2l與l之間的區(qū)域。在典型實(shí)施例中，l是寬度W大體上等于每個激勵器之直徑的陣列的長度，然而，通過沿長度方向和寬度方向兩者之一或同時沿這兩個方向增加激勵器的數(shù)目來增加寬度尺寸和/或長度尺寸也是符合本發(fā)明之原理的。根據(jù)本發(fā)明，激勵器位置的初始設(shè)置需根據(jù)這樣一規(guī)則，即透過陣列在所選平面內(nèi)的定向性越高，則陣列中有更多單元要向所述平面內(nèi)輻射。例如，圖中所示的陣列在垂直平面內(nèi)要比在水平平面內(nèi)的定向性高，而且，將激勵器盡可能緊湊地安裝在一起是一種較為可取的方法。減小激勵器的間距將使因激勵器相互干擾的影響成為問題的頻率升高。
下一個控制的頻率范圍是λ約大于1/2且小于1之間的區(qū)域。在這一頻率范圍用弧形來控制方向特性。弧形可通過向后彎曲外側(cè)的和中間的激勵器來完成，使之在一個大體呈拱形的表面上系統(tǒng)地布置，所述拱形表面一般是一個球面或橢圓面的一部分。在此頻率范圍內(nèi)，外側(cè)及中央驅(qū)動器12、13和16對建立方向特性起著最重要的作用，這是因?yàn)樗鼈儗?shí)質(zhì)上決定了陣列之總體的形狀。曲率半徑小的拱形表面產(chǎn)生寬的輻射圖案。
下一個控制的頻率范圍是λ約為1/2和2d之間的區(qū)域。在這一區(qū)域內(nèi)對于中間激勵器例如14和15的粗略放置控制了方向特性。完成所述粗略放置但陣列的整體形狀仍保護(hù)在與確定弧形的頻率范圍時所取形狀相同。
再提高頻率，下一個控制的頻率范圍λ約為2d和d之間的區(qū)域。在這一區(qū)域內(nèi)，由一個或幾個電子細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)連接至一些激勵器的網(wǎng)絡(luò)來有效地控制方向特性，甚至激勵器間存在強(qiáng)互相干擾時亦有效。一般地，細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)如17可提供相位和/或幅度的細(xì)調(diào)以改變能量的相位和/或幅值，所述能量只在這個頻率范圍內(nèi)有頻譜分量用來激勵外側(cè)的激勵器12和13。本發(fā)明的一個特征是細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上僅在這一頻率范圍內(nèi)起作用，因而所有激勵器實(shí)質(zhì)上均在這一頻帶外充分運(yùn)行如同所述細(xì)調(diào)網(wǎng)絡(luò)并不存在。所引入的衰減值也較小，一般約為3dB。通過對外側(cè)激勵器進(jìn)行衰減，僅此頻率范圍在預(yù)定立體角內(nèi)降低了激勵器間的干擾。
在下一個控制頻率范圍中λ處于約d和d/2之間。在這一區(qū)域內(nèi)，空間的短周期波動控制了方向特性。使激勵器有系統(tǒng)地稍微向前、向后或向邊側(cè)放置以破壞陣列的正常的間隔從而實(shí)現(xiàn)空間波動。偏離正常的距離很少，這是因?yàn)樵谶@些頻率下的波長是與激勵器的尺寸可比擬的。可以發(fā)現(xiàn)任何一個激勵器均可用來提供空間波動，空間波動的結(jié)果是減弱了主旁瓣，這些不需要的波瓣在激勵器間距相同的情況下最強(qiáng)。
控制的最高頻率范圍是λ大大小于激勵器直徑的區(qū)域。在這些頻率下每個激勵器都更具有方向性，通過使每個激勵器分別指向不同方向可用它們來提供在這頻率范圍內(nèi)所需的幅射圖案。其基本規(guī)則是，如果要求在一給定的方向有能量，則在這一頻率范圍內(nèi)一些激勵器就必須指向這一方向。
本發(fā)明的另一特征在于開口結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)可避免由各個激勵器看得的共振殼體具有不同的聲音阻抗，而確保開口的孔，例如18和18′(圖5)在組件正常地靠墻而放時保持不被遮蓋。
一個帶有單個空腔與多個激勵器開口的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的一般特征是存在一問題，即由不同激勵器看得的共振外殼具有不同的聲音阻抗。通常這是由于激勵器不均勻加載所致。激勵器不均勻加載意味著至少一個激勵器在其紙盆上受到一個在一些特殊頻率下與其它激勵器大為不同的空氣壓力。不均勻加載也意味著一個或多個激勵器在其輻射表面的后部受到的空氣壓力大體上是不一致的，從而造成例如紙盆之一部分上受到的壓力與其它部分的大為不同。
激勵器的不均勻加載帶來不少后果。由于每一激勵器在其紙盆上經(jīng)受的聲壓并不相同，激勵器并不同相地及以相近的幅度工作，這將使整體的方向特性或整體的頻率響應(yīng)產(chǎn)生變化。更重要的是，不均勻加載一般會導(dǎo)致在高聲壓電平下的不穩(wěn)定運(yùn)動從而造成激勵器的柔軟部件例如紙盆、圍繞部件和中心盤的過早損壞。過早地?fù)p壞部件可由于造成激勵器中不對稱的紙盆運(yùn)動的作用在激勵器上的不對稱的空氣壓力所導(dǎo)致產(chǎn)生，或是由其它激勵器不穩(wěn)定地激勵的一個或多個激勵器而導(dǎo)致產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可對開口的數(shù)目及內(nèi)部開口端的位置進(jìn)行選擇以使作用于不同激勵器上的共振殼體的聲音阻抗大體相同。使用這一技術(shù)可克服上述缺點(diǎn)。實(shí)質(zhì)上通過平衡由不同激勵器到不同內(nèi)部開口端的距離可實(shí)現(xiàn)激勵器大體上均勻加載。如果名義上相同的一些激勵器共用帶有一個開口的同一殼體且如果激勵器被放置在與內(nèi)部開口端等距離的地方，那么由不同激勵器看得的聲音阻抗將大致相同。如果激勵器共用具有多于一個開口的同一殼體，則內(nèi)部開口端的位置被安置為使得由每一激勵器看到大體上相同的開口體積及殼體依從性。
在典型的應(yīng)用中，僅需要最小數(shù)量的開口。因而，在開始時這樣來設(shè)置一個開口，使由內(nèi)部開口端至激勵器的距離大致相等。如果這樣做造成了激勵器的不均勻加載，則再增加另一個開口并再次平衡開口-激勵器距離。重復(fù)這一過程直至開口數(shù)目與內(nèi)部開口端的位置達(dá)到一種使激勵器大體上均勻加載的組合時為止。
開口的調(diào)諧頻率取決于殼體的依從性和開口體積。也就是說可選擇殼體的容積、總的開口橫截面積和開口長度以使開口的調(diào)諧頻率建立在一個預(yù)定的頻率值，在此頻率下激勵器的偏移最少。較為可取的是使每一開口的容積盡可能地小，輸入端和輸出端均呈喇叭形且令橫截面足夠大從而使開口噪聲基本上聽不見。將外部開口設(shè)置在拱形表面上是較為可取的，由此可確保當(dāng)組件在一般情況下靠墻安裝時，開口可保持不被遮蓋。
在典型實(shí)施例中，兩個開口已足夠獲得由不同激勵器看到共振殼體大體相等的聲音阻抗。兩個開口管18和18′設(shè)置在背面大體上為拱形的表面上以確保當(dāng)揚(yáng)聲器系統(tǒng)在通常情況下靠墻安裝時，所述開口不被遮蓋。
圖5示出了內(nèi)部和外部開口端的位置。在背視圖中從揚(yáng)聲器組件的中心位置看去，內(nèi)部開口端18A和18A′在垂直方向分別偏離約+5.1英寸和約-5.1英寸，在水平方向分別偏離約-1.0英寸和約+1.0英寸。在背視圖中從揚(yáng)聲器組件的中心位置看去，外部開口端的位置在垂直方向分別偏離約+3.0英寸和-3.0英寸，在水平方向分別偏離-1.0英寸和+1.0英寸。每一開口具有長為5.1英寸的漸變的矩形橫截面，在其每一端的橫截面積為約8.5平方英寸，而在中間的橫截面積為約7.3平方英寸。典型實(shí)施例開口的調(diào)諧頻率約為140Hz。
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，激勵器用直徑4.5英寸的BoseHVC(螺旋音圈)激勵器，它的取向如圖中所示，其長度尺寸為24英寸，寬度尺寸為6.5英寸，深度尺寸為8英寸。
參見圖7，圖中示出了本發(fā)明的特殊實(shí)施例中控制器的電路圖，包括了細(xì)調(diào)電路且規(guī)定了特定的參數(shù)值。由于通過建立圖7中所示的特殊電路，本領(lǐng)域之技術(shù)人員使可實(shí)施本發(fā)明，故而將僅對此電路圖作簡要討論以避免混淆了本發(fā)明的原理。聲道1和2是相同的電路，它們可以例如在一立體聲系統(tǒng)中分別接收左側(cè)和右側(cè)的立體聲輸入信號。對于單聲道而言，僅需1個聲道來激勵一個與之關(guān)聯(lián)的功率放大器，其方式選擇開關(guān)S1的臂連接于位置2一端。對于只重放聲音而言，將方式選擇開關(guān)S1的臂連接于位置1一端，僅用高頻輸出信號來激勵揚(yáng)聲器組件已令人滿意并足夠了。對于音樂而言，較好的方法是對激勵一個分離的低音揚(yáng)聲器例如一個BOSE502B揚(yáng)聲器的分離的低音放大器進(jìn)行激勵?；蛘?，一個可選擇低音的位置的設(shè)置可通過將方式選擇開關(guān)S1的臂選擇在位置4一端以激勵連接到另一低音揚(yáng)聲器例如一個BOSEACOUSTICWAVECANNON揚(yáng)聲器上的另一放大器。
雖然對于在圖中所示的實(shí)施例未作特別的描述，若結(jié)合了上述技術(shù)之部分或全部使用其它的技術(shù)(例如致偏器和反射器)均落入本發(fā)明的原理的范圍之內(nèi)?？墒褂贸叽绱笥谝粋€波長的物體來從一個或多個激勵器上使聲音改變方向?？烧{(diào)節(jié)的致偏器或反射器允許使用者改變方向性。
結(jié)合上述技術(shù)之部分或全部并使用衍射器同樣包括在本發(fā)明范圍之中。在激勵器大于一個波長的限定的頻率范圍上，直接在激勵器的前面放置一個具有某種預(yù)定形狀的物體可干擾所述激勵器的方向性。這一方法可用于獲取在某些頻率下的一種更寬的幅射圖案。所述物體的形狀可通過實(shí)驗(yàn)來決定。
使用有源電子均衡器提供所需的頻率響應(yīng)亦包括在本發(fā)明的原理的范圍內(nèi)。
其它的實(shí)施例均包括在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，包括多個(至少三個)揚(yáng)聲器激勵器組件，其中每一揚(yáng)聲器激勵器組件在一音頻范圍內(nèi)的多個倍頻程上工作，并以一軸和一跨距S為特征，支撐結(jié)構(gòu)將所述揚(yáng)聲器激勵器組件以大體上相鄰的關(guān)系支持在一具有預(yù)定寬度的拱形表面上，每個所述驅(qū)動器組件的軸線具有一個與所述拱形表面相垂直的分量和一個與所述表面相平行的分量，每一所述的激勵器組件均指向一預(yù)先規(guī)定的方向，且共同作用從而在所述的多個倍頻程上使聲音在以揚(yáng)聲器系統(tǒng)為中心的預(yù)先限定的立體角內(nèi)大體上均勻地輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述激勵器組件的相應(yīng)位置建立了在λ為約大于1而小于21之頻率范圍內(nèi)的所述的預(yù)先限定立體角，所述拱形表面的曲率建立了在λ為約大于1/2而小于1的頻率范圍內(nèi)的立體角，且所述每個激勵器組件所指的方向建立了在λ遠(yuǎn)小于S的頻率范圍內(nèi)的立體角，這里λ為頻譜分量之波長，1是陣列的長度，S是一個揚(yáng)聲器激勵器組件的跨距。
3.如權(quán)利要求2所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述激勵器組件包括第一和第二端部激勵器組件，一個中央激勵器組件和至少一個第一和第二中間激勵器組件，它們分別位于所述第一和第二端部激勵器組件和所述中央激勵器組件之間，且中間激勵器組件的位置建立了在λ為約大于2d而少于1/2的頻率范圍內(nèi)的立體角，這里d是相鄰激勵器組件之間的平均間距。
4.如權(quán)利要求2所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，至少有一個細(xì)調(diào)絡(luò)被連接到所述某幾個揚(yáng)聲器的激勵器組件上以在λ為約大于d而小于2d的頻率范圍內(nèi)建立所述立體角。這里d是相鄰激勵器組件的平均間距。
5.如權(quán)利要求4所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述的某幾個激勵器組件由所述端部激勵器組件組成。
6.如權(quán)利要求2所述折揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，相鄰激勵器組件的間距是相同的，除了在至少兩個所述激勵器組件間有一個不同間距，它可用于通過破壞間距的恒常性而在λ約為大于d/2而約小于d的頻率范圍內(nèi)建立所述立體角。這里d是相鄰激勵器組件的平均間距。
7.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括一個帶開口的殼體。
8.如權(quán)利要求2所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括一個帶開口的殼體。
9.如權(quán)利要求7所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述帶開口的殼體是一共振殼體，且其帶有內(nèi)部端的開口應(yīng)這樣放置，使得由各個激勵器看得的所述共振殼體的聲音阻抗大體上相等于由每一個其它激勵器看得的聲音阻抗。
10.如權(quán)利要求8所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，其中所述帶開口的殼體是一共振殼體且具有帶內(nèi)部端的開口，所述開口端應(yīng)這樣放置，使得由各個激勵器看得的所述共振殼體的聲音阻抗大體上相等于由每一個其它激勵器看得的聲音阻抗。
11.如權(quán)利要求7所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)帶有一凹形的后表面，一般情況下它面對房間的一界限面，并帶有至少一個開口從而當(dāng)所述殼體接觸房間的一個界限面時，每一開口均保持不被遮蓋。
12.如權(quán)利要求8所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述支持部件具有一個通常面向房間的一個界限面的凹形后表面，且?guī)в兄辽僖粋€開口從而當(dāng)所述殼體接觸房間的一個界限面時，每一開口均保持不被遮蓋。
13.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述揚(yáng)聲器系統(tǒng)相耦合并共同作用的有源電子均衡電路，它可用來在所述多個倍頻程上建立一預(yù)定的大體上均勻的頻率響應(yīng)。
14.如權(quán)利要求2所述的激勵器系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述揚(yáng)聲器系統(tǒng)相耦合并共同作用的有源電子均衡電路，它可用來在所述多個倍頻程上，建立一個預(yù)定的大體上均勻的頻率響應(yīng)。
全文摘要
一種在音頻范圍內(nèi)工作于多個倍頻程上的帶有多個揚(yáng)聲器的激勵器組件的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，支撐部件將揚(yáng)聲器的激勵器組件以大體上相鄰的關(guān)系固定支撐在一個拱形表面上，每一個激勵器組件均被指向一預(yù)先規(guī)定的方向，并由它們的共同作用在所述多個倍頻程上使聲音在以揚(yáng)聲器系統(tǒng)為中心的一預(yù)定的立體角度內(nèi)大體上均勻地輻射。
文檔編號H04R3/12GK1087769SQ9311929
公開日1994年6月8日 申請日期1993年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月15日
發(fā)明者克里斯托弗B·伊克勤, 莫滕·喬根森, 肯尼思D·雅各布, 川上誠次 申請人:波斯有限公司