一種偶極輻射式揚(yáng)聲器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種揚(yáng)聲器系統(tǒng)一一具體說是一種揚(yáng)聲器雙向偶極輻射的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]揚(yáng)聲器的電聲轉(zhuǎn)換效率極低，電動式揚(yáng)聲器一般只有I %左右，大部分都變?yōu)闊崮馨装桌速M(fèi)掉了一一在能源日益緊缺的當(dāng)代社會，這不符合“低碳節(jié)能”的綠色消費(fèi)理念。
[0003]“聲短路”(Acoustic Short Circuit)--振動方向相反的兩列聲波在空間相遇后相互抵消的現(xiàn)象，聲壓級SPL為零。由兩個相距很近，以相同振幅/相反相位(相差180° )的小球源組成的“聲偶極子”可以產(chǎn)生“聲短路”(尤其是低頻)一一如電動式揚(yáng)聲器正面與背面聲輻射，“聲短路”會導(dǎo)致電聲轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步下降。由于“聲短路”問題，一般揚(yáng)聲器系統(tǒng)都采用封閉式音箱結(jié)構(gòu)(相當(dāng)于無限大障板)一一雖然避免了 “聲短路”，但卻無法利用揚(yáng)聲器背面的輻射聲能，效率低。音箱內(nèi)部的聲波還會對揚(yáng)聲器振動產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致失真。
[0004]“偶極型”揚(yáng)聲器系統(tǒng)(敞開式音箱/開口箱)一一音箱前/后方向輻射的聲波相位相反，相當(dāng)于“聲偶極子”，雖然效率低(聲短路)，但可以避免封閉式音箱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的失真，如獨(dú)樹一巾只的Linkwitz Dipole Loudspeaker系列。中國專利CN102413399A “無箱體音箱”/CN202634689U “一種敞開式揚(yáng)聲器裝置”等在這方面也作了積極有益的探索。
[0005]不同頻率聲波的指向特性不同，低頻聲波的有效輻射角度大，比中高頻聲波更容易發(fā)生“聲短路” 一一 “偶極型”揚(yáng)聲器系統(tǒng)一般只用于中高頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)，而不用于低頻與全頻帶揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
[0006]“聲短路”會導(dǎo)致輻射效率下降/低頻響應(yīng)變差一一實(shí)際上，“聲短路”還會影響到音質(zhì)與音色(如結(jié)像力/解析度/聲音質(zhì)感/層次感/動態(tài)范圍等方面)。
[0007]低頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)大多采用“亥姆霍茲共鳴器”(如倒相管/無源輻射器設(shè)計(jì))或“波導(dǎo)駐波共鳴器”(如傳輸線型音箱)改善低頻響應(yīng)，同時利用揚(yáng)聲器背面的輻射聲能一一但聲輻射效率提升的帶寬很窄，僅限于共鳴頻率fop附近。實(shí)際上，倒相箱/傳輸線型音箱共鳴頻率fop之外一一揚(yáng)聲器振膜正面與背面聲輻射其它頻率的聲波，都可能會通過倒相管/聲波導(dǎo)管發(fā)生“聲短路”。
[0008]“消聲器”是一種允許氣流通過而衰減噪聲的裝置?！翱剐韵暺鳌?一一通過管道截面的突變或旁接共振腔等，引起聲阻抗的改變，使聲波反射/干涉，而衰減向外輻射的聲能?！翱剐韵暺鳌逼鹪从诼暈V波器的研宄一一早期用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，后在內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)與通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用?！皵U(kuò)張式消聲器”(膨脹式消聲器)一一利用管道截面突變導(dǎo)致聲阻抗突變，引起聲波的反射與干涉進(jìn)行消聲。聲波從截面積為管中傳入截面積為S2的管中，S2管對S 1管相當(dāng)一個“聲負(fù)載” 一一可以引起聲波的反射/透射。面積比S21= S2ZiS1也稱為“擴(kuò)張比”一一當(dāng)S21< I即S I時，相當(dāng)于聲波遇到“硬”邊界，發(fā)生反射(聲阻抗增加)；當(dāng)s21<< I即S 2遠(yuǎn)小于S ^寸，相當(dāng)于聲波遇到剛性壁，發(fā)生“全反射”；當(dāng)S21>1即S t時，相當(dāng)于聲波遇到“軟”邊界，發(fā)生透射(聲阻抗減小)；當(dāng)521>>1即S2遠(yuǎn)大于，如同聲波遇到“真空”邊界。
[0009]一般理論認(rèn)為一一截面突變的變徑管消聲效果明顯；而截面漸變的管道，聲能大部分可以透過，反射很少。在管內(nèi)傳播的聲波當(dāng)其波長遠(yuǎn)大于管徑時，如果管端出口縮小或有障礙物，聲波在出口處的反射量將增大。當(dāng)聲阻抗達(dá)到某一臨界值時，反射將發(fā)生突變，產(chǎn)生類似一端封閉的“閉管”(Stoped pipe)效果，聲波只能在管內(nèi)反射，而不會傳出管端(全反射)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本實(shí)用新型目的在于提供一種偶極輻射式揚(yáng)聲器系統(tǒng)一一減小“聲短路”的模態(tài)密度，充分利用揚(yáng)聲器背面的輻射聲能，提高電聲轉(zhuǎn)換效率，改善低頻響應(yīng)一一解決偶極輻射型揚(yáng)聲器系統(tǒng)無法用于低頻與全頻帶揚(yáng)聲器系統(tǒng)的問題。
[0011]本實(shí)用新型的技術(shù)方案一一揚(yáng)聲器背面與一剛性壁聲腔耦合，聲腔剛性壁具有導(dǎo)聲孔，導(dǎo)聲孔為通孔，相鄰導(dǎo)聲孔間距d彡9mm ;當(dāng)頻響范圍f < 100Hz時，100 μ m <孔徑Φ ( 300 μ m，孔隙率P彡0.1%。;當(dāng)頻響范圍f彡100Hz時，300 μ m<孔徑Φ < 1000 μ m，孔隙率P ( 3%一一孔隙率P按導(dǎo)聲孔總面積與揚(yáng)聲器投影面積之比計(jì)算。
[0012]“偶極福射式揚(yáng)聲器系統(tǒng)”(Dipolar Radiat1n mode Loudspeaker System)--
以下簡稱為DRLS，可以減小“聲短路”的模態(tài)密度，提高電聲轉(zhuǎn)換效率。
[0013]DRLS電-力-聲類比圖——揚(yáng)聲器的振動系統(tǒng)質(zhì)量Mm/支撐系統(tǒng)Cm與后腔聲順Ca/聲阻Ra(Rm/Rr)構(gòu)成“串聯(lián)諧振”；導(dǎo)聲孔的質(zhì)量抗Xm(空氣柱質(zhì)量Mm’)/彈性抗Xe/聲阻尼Da(Rm’)與后腔聲順Ca可構(gòu)成“串聯(lián)共鳴”(亥姆霍茲共鳴器)，多個(k = 1，2，3，……，n)導(dǎo)聲孔并聯(lián)。參照圖1。
[0014]木質(zhì)音箱殼壁厚度t 一般為9-18mm(MDF板規(guī)格)，塑料音箱(如ABS) —般t ( 5mm——故導(dǎo)聲孔的長度L按照L ( 18mm計(jì)。音箱殼壁厚度t丨一導(dǎo)聲孔長度L ? /孔徑Φ丨；t丨一導(dǎo)聲孔長度L丨/孔徑Φ丨?？梢愿鶕?jù)具體情況一一設(shè)置導(dǎo)聲孔的孔徑與數(shù)量，調(diào)節(jié)聲阻抗Za/聲阻尼Da，獲得不同的延時效果。
[0015]實(shí)際上一一 “閉管”(Stoped pipe)理論及其應(yīng)用是基于氣體絕熱過程的“物態(tài)方程”(靜態(tài))，體積小則壓強(qiáng)大，V丨(S丨)/P丨一聲阻抗Za丨。而抗性消聲器聲波在波導(dǎo)管中傳播，與氣流相關(guān)(氣流速度V ^ 0) 一一因此應(yīng)該考慮氣流對于聲波的影響，采用“流體力學(xué)”可以動態(tài)/準(zhǔn)確地詮釋之。對于飛機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，氣流速度一般大于聲速(Ma > I)，根據(jù)“伯努利方程”一一管道截面積S ? (管徑d t )，Ρ I /V t，聲阻抗Za I ;SI (d丨)，P丨/V丨，Za丨一一而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等抗性消聲器管道中氣流速度一般小于聲速，屬于“不可壓縮流體”(Ma <0.3)—一則S丨(d丨)，P丨/V丨，Za丨；S丨(d| )，P I /ν ? , Za I ο
[0016]管道截面積S減小，則聲阻抗Za減小一一無論截面突變還是截面漸變，聲波反射的模態(tài)密度都會減小，故向外輻射的聲能并不會衰減。氣流速度增加(P丨/V丨)一一則更有利于聲輻射，突破“瓶頸”。并且使聲波(低頻)更容易通過孔，而發(fā)生衍射?！皵U(kuò)張式消聲器”一般采用中間插管設(shè)計(jì)一一插管的長度等于聲波波長λ/4的奇數(shù)倍時，反射最強(qiáng)；而長度等于波長λ/2的整數(shù)倍時，聲波可以全部透過一一因此“消聲”具有頻率選擇性，實(shí)際上是利用駐波原理一一前者入口端為波腹，出口端為波節(jié)(Za最大)；后者入口端/出口端都為波腹(Za最小)，中間為波節(jié)。對于頻率低于抗性消聲器“低頻截止頻率”(fl =0.4c/ V S2)的聲波，并無消聲效果。
[0017]“波動”與“流動”是兩回事一一空氣粒子在原地振動，并不隨聲波前進(jìn)。聲波輻射不一定產(chǎn)生氣流，揚(yáng)聲器振動/輻射聲波宏觀上是“靜態(tài)”的一一適用氣體絕熱過程的“物態(tài)方程”(v丨/P丨)；揚(yáng)聲器系統(tǒng)形成“亥姆霍茲共鳴器”或“駐波共振”時產(chǎn)生氣流(同消聲器)一一則適用“流體力學(xué)”(動態(tài))。
[0018]相位主要與時間相關(guān)，一般認(rèn)為相位與空間無關(guān)一一但聲輻射的指向特性可以影響“聲短路”的模態(tài)一一通過調(diào)整輻射方向，避免軸向聲波發(fā)生“聲短路”，從而減小其模態(tài)密度(尤其是中高頻)。反射(f丨/ λ丨)可以改變相位，降低“聲短路”；衍射(f I /λ丨)會產(chǎn)生延時而改變相位，即使不能改變相位一一也可以改變聲輻射方向，改變聲波的指向特性，減小“聲短路”的模態(tài)密度。
[0019]導(dǎo)聲孔衍射會將原來的平面波變?yōu)榍蛎娌ㄒ灰桓淖兟曒椛浞较?指向特性)。音箱“半封閉”結(jié)構(gòu)具有障板/波導(dǎo)作用一一通過反射/衍射改變聲波傳播途徑，從而改變揚(yáng)聲器背面聲波的指向特性，也有利于降低“聲短路”。
[0020]DRLS采用獨(dú)特的導(dǎo)聲孔(Acoustic Transmissible Vent)設(shè)計(jì)--降低“聲短路”
的模態(tài)密度，實(shí)現(xiàn)偶極雙向輻射。參照圖2/圖3。
[0021]導(dǎo)聲孔的聲阻抗Za包括質(zhì)量抗Xm與彈性抗Xe——以彈性抗Xe為主，Xe具有電容性質(zhì)(容抗X。)，相當(dāng)于“高通濾波器”(高通/低阻)；聲阻尼Da主要為摩擦力阻Rm。對于低頻，導(dǎo)聲孔的作用主要表現(xiàn)為聲阻抗Za ;對于高頻，導(dǎo)聲孔的作用主要表現(xiàn)為聲阻尼Da——f I，Da丨/Za丨；f t，Za丨/Da丨。f I，Xe丨；f丨一Rm丨一Da丨，吸聲系數(shù)增加。
[0022]聲阻尼Da/聲阻抗Za都可以使聲傳播延時(At)，改變相位(Δ P)——降低“聲短路”模態(tài)密