專(zhuān)利名稱(chēng)：聲學(xué)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)設(shè)備，特別涉及彎曲波(bending wave)聲學(xué)設(shè)備，例如揚(yáng)聲器。
背景技術(shù)：
彎曲波面板揚(yáng)聲器，特別是分布模式面板揚(yáng)聲器具有通過(guò)復(fù)雜的彎曲波作用而產(chǎn)生的擴(kuò)散聲音輻射(發(fā)出)的特性，其有益地提供在所有平面或方向上的寬廣方向性，其中分布模式面板揚(yáng)聲器例如在授予本發(fā)明人的WO97/09842和其它中所教導(dǎo)的那樣，被另稱(chēng)為首字母縮略詞(achronym)“DML”。然而，在一些應(yīng)用中，特別是在相對(duì)于其它軸或平面的一些軸或平面中，較窄的方向性可能是重要的。
為了播音(public address)的目的，例如，對(duì)于機(jī)場(chǎng)中央大廳，揚(yáng)聲器的輸出旨在被定向到受眾。最大可懂聲音功率理想地被定向在指定的高度范圍和寬廣的水平區(qū)域上。如果垂直平面中的聲音輻射的這一較窄方向性要求不被令人滿意地提供，則在驅(qū)動(dòng)由中央大廳提供的總音量中浪費(fèi)了聲音功率，并且該浪費(fèi)的聲音還通過(guò)在空間中回聲或回響而降低性能，從而降低信噪比，并且降低可懂度。
傳統(tǒng)的活塞/圓錐型線源揚(yáng)聲器在一定的程度上可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但是在較高頻率處、在活塞單元陣列之間具有嚴(yán)重的干擾，這在聲學(xué)空間中是不利的。
如果因而將活塞單元變小以便解決該問(wèn)題，則它們具有較差的低頻輸出和功率處理。如果它們太大，則干擾效應(yīng)變得占優(yōu)勢(shì)，從而破壞了方向性性能。因此，當(dāng)使用傳統(tǒng)的活塞驅(qū)動(dòng)器時(shí)，危害是不可避免的。
授予給本申請(qǐng)人的WO00/78090描述了一種分布模式彎曲波面板揚(yáng)聲器，其中通過(guò)布置面板來(lái)控制一個(gè)平面中的方向性，以便具有模態(tài)軸(modalaxis)和與模態(tài)軸正交的非模態(tài)軸。該面板可以沿著模態(tài)軸在預(yù)定頻率范圍內(nèi)支持多個(gè)共振彎曲波模式。沿著非模態(tài)軸的共振彎曲波模式的基本頻率是沿著模態(tài)軸的共振彎曲波模式的基本頻率的至少五倍。這樣，從該面板發(fā)射的聲音在沿著模態(tài)軸而不是非模態(tài)軸的共振彎曲波模式被激勵(lì)的頻率處是各向異性的。
該面板可以較窄，并且具有高縱橫比，并且被設(shè)計(jì)成以在長(zhǎng)軸的方向上占優(yōu)勢(shì)的期望彎曲波模式工作。在短軸上可以存在一定跨度(a span of)的振動(dòng)激勵(lì)器，以進(jìn)一步促進(jìn)長(zhǎng)軸中的模態(tài)優(yōu)勢(shì)。這些模式在相對(duì)于長(zhǎng)軸的大范圍角度上輻射，因此，如果該面板被水平安裝，則在水平平面上獲得較寬的方向性。如果這種揚(yáng)聲器被安裝在高于或低于視頻屏幕的這一高度中，則這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，并且由此可以向聽(tīng)眾提供良好的區(qū)域覆蓋。
這種揚(yáng)聲器還旨在具有相對(duì)于短軸的較寬方向性。由于本發(fā)明的高縱橫比分量因此規(guī)定了較短的短軸，其在作為模態(tài)的頻率處以自然地較寬的方向性輻射，因此實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。
然而，對(duì)于具有改善的有向聲音輻射的彎曲波揚(yáng)聲器，還存在不同的要求，該彎曲波揚(yáng)聲器在一個(gè)軸上具有特別窄的方向性，同時(shí)在另一個(gè)軸上具有較寬的方向性。一種良好的應(yīng)用是播音。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種揚(yáng)聲器，其包括彎曲波揚(yáng)聲器，具有工作頻率范圍和高于該工作頻率范圍的重合頻率，該揚(yáng)聲器包括共振面板，具有兩個(gè)大體上正交的軸；振動(dòng)激勵(lì)裝置，耦合到該面板，以激勵(lì)該面板以使其沿著該面板的一個(gè)軸共振；以及抑制或阻止沿著該面板的另一個(gè)軸的共振的裝置，由此該面板發(fā)出沿著一個(gè)軸具有較寬方向性而沿著該面板的另一個(gè)軸具有較窄方向性的聲學(xué)輸出。
振動(dòng)激勵(lì)裝置還可以形成抑制或阻止沿著面板的共振的裝置。這樣，激勵(lì)裝置的長(zhǎng)度對(duì)于控制沿著面板的方向性可能是關(guān)鍵性的。振動(dòng)激勵(lì)裝置優(yōu)選地長(zhǎng)于在最低所需頻率處聲音在空氣中的波長(zhǎng)。例如，對(duì)于播音揚(yáng)聲器，線(并且因此該面板的長(zhǎng)度)應(yīng)當(dāng)至少40cm長(zhǎng)，從而提供不大于850Hz左右的最低額定受控方向性頻率。
振動(dòng)激勵(lì)裝置可以包括沿一條線分布的離散的激勵(lì)器，其沿著面板而延伸，并且基本上同相工作。該線可以為直線。該線可以基本上從面板的一個(gè)短端延伸到另一個(gè)短端。
在該線中優(yōu)選地存在至少四個(gè)激勵(lì)器。三個(gè)激勵(lì)器不太可能足以控制沿著面板的方向性而無(wú)過(guò)度的偏軸干擾以及由此在對(duì)應(yīng)極響應(yīng)中的波瓣形成。激勵(lì)器數(shù)目的上限僅僅由面板的尺寸確定。
激勵(lì)器的線可以位于面板的中間縱軸上，或者中軸的一側(cè)，例如，在第一橫向彎曲模式的節(jié)點(diǎn)線上。激勵(lì)器可以等距地沿著該線排列。激勵(lì)器之間的間隔應(yīng)當(dāng)小于在最高工作頻率處聲音在面板中(而非在空氣中)的波長(zhǎng)。由于面板材料是最高工作頻率的確定因素，因此間隔將取決于所選的面板材料。
面板可以為矩形，其具有主軸或長(zhǎng)軸，以及對(duì)應(yīng)的橫軸或短軸。面板可以具有至少2∶1的縱橫比(即，長(zhǎng)與寬之比)。面板長(zhǎng)度可以大于激勵(lì)器裝置的長(zhǎng)度。然而，由于控制方向性的關(guān)鍵在于激勵(lì)器裝置的長(zhǎng)度，因此優(yōu)選地，激勵(lì)裝置沿著面板的長(zhǎng)度方向延伸。
面板寬度的范圍可以為8cm-100cm，特別是對(duì)于用于播音系統(tǒng)的情況。如果寬度小于8cm，則面板可能沒(méi)有足夠低的頻率帶寬或者有效的輸出電平。如果寬度大于100cm，則面板對(duì)于搬運(yùn)和制造而言有可能是不實(shí)用的。
面板的重合頻率優(yōu)選地近似等于或大于最高期望頻率。否則，擔(dān)當(dāng)抑制裝置的振動(dòng)激勵(lì)裝置在重合頻率處可能產(chǎn)生較強(qiáng)的偏軸波瓣形成，這反過(guò)來(lái)可能破壞聲學(xué)空間中的回響聲場(chǎng)，并且降低可懂度。
與WO00/78090的教導(dǎo)相反，當(dāng)如對(duì)于播音揚(yáng)聲器而言是常見(jiàn)的那樣，矩形面板被垂直定向時(shí)，鼓勵(lì)針對(duì)短橫軸的多個(gè)模式，以提供較寬的水平平面彎曲波方向性。這樣的定向還最小化了設(shè)計(jì)師和承包者的安裝困難。這樣，本發(fā)明的揚(yáng)聲器可以被認(rèn)為是具有WO00/78090的相反聲學(xué)效果。它在原理和作用上都是相反的。
對(duì)于較長(zhǎng)的長(zhǎng)軸，彎曲波面板為擴(kuò)展激勵(lì)源提供了公共表面，其可以與適當(dāng)?shù)牧?lì)器一起位于連續(xù)線上，或者可以通過(guò)由適當(dāng)?shù)仉娺B接的離散激勵(lì)器的陣列表示的線而產(chǎn)生。就長(zhǎng)軸來(lái)看，面板振動(dòng)膜(diaphragm)近似于表示擴(kuò)展、半相干聲學(xué)源的能量求和表面，因此與所發(fā)出的波長(zhǎng)相比，由于源的尺寸而在垂直平面上具有顯著窄的方向性的所需特性。
通過(guò)確定長(zhǎng)軸和短軸的大小，并且如果使用多個(gè)激勵(lì)器，則確定連接到激勵(lì)器的電氣信號(hào)的電平、頻率和相位響應(yīng)，可以由設(shè)計(jì)者調(diào)整通過(guò)頻率的聲音輻射的方向性的定形。激勵(lì)器的控制可以通過(guò)傳統(tǒng)的模擬或數(shù)字裝置。其它因素包括相對(duì)于面板尺寸和彎曲軸的面板彎曲剛度。
使用電氣頻率敏感網(wǎng)絡(luò)、通過(guò)頻率調(diào)整驅(qū)動(dòng)線長(zhǎng)度的技術(shù)可以用來(lái)微調(diào)頻率范圍上的垂直方向性。例如，該線可以明顯長(zhǎng)于最高期望頻率的波長(zhǎng)，例如，大于10倍。在這種情況下，沿著面板的方向性將被集中于非常窄的波束，并且空間覆蓋將受到限制。因此，期望采用濾波器，以便隨著頻率的增加而逐漸縮短有效的線長(zhǎng)度。


在附圖中作為示例概略地示出了本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一方面的揚(yáng)聲器的平面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二方面的揚(yáng)聲器的平面圖；圖3是安裝在無(wú)限反射板中的圖1和圖2的揚(yáng)聲器的模擬聲學(xué)輸出(dB)對(duì)頻率(Hz)的曲線圖；以及圖4a到4c分別示出了在3kHz、1kHz和250Hz處圖2的揚(yáng)聲器的水平和垂直方向性。
具體實(shí)施例方式
圖1和2示出了包括面板10的揚(yáng)聲器，其中二十四個(gè)激勵(lì)器12的陣列被安裝到其上，以驅(qū)動(dòng)面板中的彎曲波振動(dòng)。該面板較大，其具有120cm×40cm的尺寸，因此具有3∶1的縱橫比。每個(gè)激勵(lì)器的直徑為25mm，并且激勵(lì)器的陣列從面板的一個(gè)短端延伸到另一個(gè)短端。
在圖1中，激勵(lì)器12等距地排列在沿著面板10的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度方向而連續(xù)的線上。在圖2中，激勵(lì)器12等距地排列在沿著面板10的長(zhǎng)度方向而連續(xù)的偏軸線上。該偏軸線是第一橫向彎曲波模式的節(jié)點(diǎn)線。
圖3分別以實(shí)線和虛線示出了圖1和2的揚(yáng)聲器的模擬頻率響應(yīng)22、24。圖1的揚(yáng)聲器的聲學(xué)響應(yīng)在面板的第一共振彎曲波模式處，即在100Hz處具有聲壓級(jí)的顯著下降。如在圖2的揚(yáng)聲器中那樣，通過(guò)針對(duì)該模式沿著節(jié)點(diǎn)線安裝激勵(lì)器，該模式被激勵(lì)，因此平滑了頻率響應(yīng)。
圖4a到4c針對(duì)圖2的揚(yáng)聲器分別以虛線和實(shí)線示出了通過(guò)短軸或長(zhǎng)軸的平面中的方向性24、26。通過(guò)短軸和長(zhǎng)軸的平面中的方向性分別是橫穿和沿著面板的方向性。如果揚(yáng)聲器被垂直安裝，即使其長(zhǎng)軸垂直地安裝，則僅通過(guò)短軸的平面中的方向性可以被認(rèn)為是水平方向性。類(lèi)似地，僅通過(guò)長(zhǎng)軸的平面中的方向性可以被認(rèn)為是垂直方向性。不考慮面板的平面中的方向性。
水平方向性在3kHz處基本上均勻，并且在1kHz和250Hz處完全均勻。相反，當(dāng)在短軸上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在3kHz和1kHz處，峰值在垂直方向性中具有顯著聚束(beaming)。當(dāng)以偏軸進(jìn)行測(cè)量時(shí)，輸出快速且顯著地下降。該方向性在250Hz處更均勻，其中軸上的峰值更緩和地下降。
這樣，圖2的揚(yáng)聲器可以用作語(yǔ)音的播音系統(tǒng)，其具有250-3kHz的受控方向性范圍。高于3kHz，聚束太強(qiáng)而不能提供良好的覆蓋。面板尺寸接近于在大型公共場(chǎng)所中提供良好覆蓋而無(wú)頻率遮蔽的最大尺寸。
應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明的揚(yáng)聲器僅僅在面板的重合(coincidence)頻率之下工作。
當(dāng)面板中的波速v等于聲音在空氣中的速度c時(shí)，發(fā)生重合。(注意，當(dāng)c的頻率恒定時(shí)， 并且在20℃為343ms-1)。
根據(jù)v=2πfB/μ,]]>ν＝fλ、c＝fλ，其在重合處c＝v具有以下約束fcoincidence=c22π(B/μ),]]>即fcoincidence∝1B/μ]]>這樣，為了最大化重合頻率，必須最小化 B是面板的彎曲剛度，而μ是面密度-因此，要求軟且重的面板。
還要注意的是，激勵(lì)器間隔必須不大于面板中的波長(zhǎng)的一半。
考慮激勵(lì)器的中心之間的間隔d。
根據(jù)v=2πfB/μ,]]>ν＝fλ，其具有λ2=d]]>的約束fexciterspacing=2πB/μ4d2,]]>即fexciterspacing∝B/μ]]>這樣，為了最大化激勵(lì)器間隔頻率，必須最大化 B是面板的彎曲剛度，而μ是面密度-因此，要求硬且輕的面板。
可以看出，這兩個(gè)要求相互沖突。這樣，必須在具有高重合頻率的足夠重/軟面板和具有最大化激勵(lì)器間隔限制頻率的硬/輕面板之間進(jìn)行平衡。期望的是，對(duì)于理想材料，這些頻率將相等，從而得出fexciterspacing＝fcoincidence，因此2πB/μ4d2=c22πB/μ]]>這可以被簡(jiǎn)化成
Bμ=(cdπ)2]]>這樣，對(duì)于給定的激勵(lì)器間隔d，可以得到在理論上理想的彎曲剛度B和面密度μ的比率。當(dāng)搜索適當(dāng)?shù)拿姘宀牧蠒r(shí)，這是非常有用的計(jì)算。可以肯定地認(rèn)為，使用顯現(xiàn)出比激勵(lì)器間隔限制更低的重合頻率的材料是不明智的，因?yàn)樵撁姘宀牧蠈o(wú)必要地限制揚(yáng)聲器的性能，因此，這可以被認(rèn)為是理想B/μ比率的上限。
實(shí)際上，激勵(lì)器間隔限制并沒(méi)有表現(xiàn)為如同上面預(yù)測(cè)的一樣低，并且由此，具有比激勵(lì)器間隔限制頻率更高的重合頻率的材料表現(xiàn)為工作得較好。對(duì)此，只有來(lái)自模擬和實(shí)驗(yàn)原型的證據(jù)，然而，可以認(rèn)為，由于激勵(lì)器不是點(diǎn)源，因此激勵(lì)器的有限尺寸部分地有責(zé)任。另外，揚(yáng)聲器可能在重合頻率處顯現(xiàn)較強(qiáng)的偏軸波瓣(off axis lobes)，并且在頻率上將它們移得更高可能是有益的。這樣，具有小于上面上限的B/μ比率的材料很有可能是適合的。
關(guān)于理想B/μ比率的下限，純粹基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的建議是，將B/μ比率下限設(shè)成激勵(lì)器間隔限制頻率等于重合頻率的一半時(shí)的值。
fexciterspacing=fcoincidence2,]]>因此2πB/μ4d2=c22πB/μ×12]]>這可以被簡(jiǎn)化成Bμ=12(cdπ)2]]>或者換句話說(shuō)，上面計(jì)算的B/μ比率的一半。這樣，理想B/μ比率的范圍可以被表述為(cdπ)2≥Bμ≥12(cdπ)2]]>然而，注意這并不排除使用該范圍之外的面板材料來(lái)構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的線陣列揚(yáng)聲器，因?yàn)榇嬖谝紤]的揚(yáng)聲器性能的其它方面。但是，這是建議的理想范圍，并且偏離到其外有可能限制最大有向(directional)限制頻率。
根據(jù)本發(fā)明的揚(yáng)聲器將具有高于面板重合頻率的輸出，但是在此點(diǎn)，很少或者沒(méi)有其方向性的控制將是有可能的。模擬顯示，波瓣形成可能是個(gè)問(wèn)題，并且由此可能有必要將輸入頻率限制為面板方向性受到較好控制的頻率，也就是，濾除最高頻率，即高于重合頻率和激勵(lì)器間隔頻率限制的頻率，從而波瓣形成不成為問(wèn)題。揚(yáng)聲器的頻率上限通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于語(yǔ)音所需的頻率，因此頂端濾波只能提高可懂度。
激勵(lì)器陣列的長(zhǎng)度確定低頻處的方向性的限制；使用激勵(lì)器越多，線越長(zhǎng)，揚(yáng)聲器將有向的頻率越低。將此與緊密排列激勵(lì)器的要求相結(jié)合，并且可以看出，可能需要若干個(gè)激勵(lì)器。然而，這不是對(duì)低頻性能的唯一限制。如果面板太窄，針對(duì)其尺寸由太硬的材料制成、或者安裝機(jī)構(gòu)(mountingscheme)太硬，則揚(yáng)聲器可能如同任何其它DML一樣顯現(xiàn)出異常高的低頻截止。
在理論上，對(duì)于如何定位激勵(lì)器，存在相當(dāng)少的選項(xiàng)，因?yàn)榇怪遍g隔才是關(guān)鍵的。存在這樣的激勵(lì)器的組合，其全都在一條線上或者交錯(cuò)排列在一條線的任一側(cè)，以及面板的僅僅一側(cè)或兩側(cè)。模擬顯示，對(duì)于一條線上的激勵(lì)器，性能較好；對(duì)于交錯(cuò)排列的激勵(lì)器，在垂直方向上可能存在嚴(yán)重的波瓣形成問(wèn)題，并且水平方向性也可能較差。將激勵(lì)器放置在面板的兩側(cè)的障礙是美觀性，并且同樣地，它只是在模擬中被嘗試。當(dāng)然，在普通的DML面板中，通常仔細(xì)地選擇激勵(lì)器位置，以便確保平滑的頻率響應(yīng)，然而，在本申請(qǐng)中，激勵(lì)器位置的自由顯然是不可能的，并且如模擬所建議的那樣，最終的揚(yáng)聲器的電子均衡可能證明是有必要的。
權(quán)利要求
1.一種彎曲波揚(yáng)聲器，具有工作頻率范圍、以及高于該工作頻率范圍的重合頻率，其包括共振面板，具有兩個(gè)大體上正交的軸；振動(dòng)激勵(lì)裝置，耦合到該面板，以激勵(lì)該面板沿著該面板的一個(gè)軸共振；以及抑制或阻止沿著該面板的另一個(gè)軸的共振的裝置，由此該面板發(fā)出沿著一個(gè)軸具有寬方向性而沿著該面板的另一個(gè)軸具有窄方向性的聲學(xué)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器，其中所述面板為矩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的揚(yáng)聲器，其中振動(dòng)激勵(lì)裝置形成抑制或阻止沿著另一個(gè)軸的共振的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的揚(yáng)聲器，其中振動(dòng)激勵(lì)裝置與面板的耦合長(zhǎng)于在最低所需頻率處聲音在空氣中的波長(zhǎng)。
5.根據(jù)任一前面權(quán)利要求所述的揚(yáng)聲器，其中振動(dòng)激勵(lì)裝置包括一條線上的離散激勵(lì)器，其沿著另一個(gè)軸而延伸，并且基本上同相工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的揚(yáng)聲器，其中激勵(lì)器之間的間隔基本上不大于在最高工作頻率處面板中的波長(zhǎng)的一半。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的揚(yáng)聲器，其中該線為直線。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中的任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其中該線基本上從面板的一端延伸到另一端。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中的任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其中在該線中存在至少四個(gè)激勵(lì)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中的任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其中激勵(lì)器的線位于面板的中間縱軸的一側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的揚(yáng)聲器，其中該線位于第一橫向彎曲模式的節(jié)點(diǎn)線上。
12.根據(jù)權(quán)利要求5至11中的任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其中激勵(lì)器等距地沿著該線排列。
13.根據(jù)任一前面權(quán)利要求所述的揚(yáng)聲器，其中面板為矩形，其具有主軸或長(zhǎng)軸，以及對(duì)應(yīng)的橫軸或短軸，并且具有至少2∶1的縱橫比。
14.根據(jù)權(quán)利要求5至13中的任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其中該線上的激勵(lì)器間隔d和面板的彎曲剛度B及其面密度μ基本上遵循下式Bμ=(cdπ)2]]>
全文摘要
一種彎曲波揚(yáng)聲器，具有工作頻率范圍、以及高于該工作頻率范圍的重合頻率，其包括共振面板，具有兩個(gè)大體上正交的軸；振動(dòng)激勵(lì)裝置，耦合到該面板，以沿著該面板的一個(gè)軸激勵(lì)該面板共振；以及抑制或阻止沿著該面板的另一個(gè)軸的共振的裝置，由此該面板發(fā)出沿著一個(gè)軸具有較寬方向性而沿著該面板的另一個(gè)軸具有較窄方向性的聲學(xué)輸出。
文檔編號(hào)H04R7/04GK1806468SQ200480016895
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者格雷厄姆·班克, 安德魯·馬錢(qián)特, 馬丁·科洛姆斯, 保羅·伯頓 申請(qǐng)人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司