揚聲器裝置、聲源模擬系統及回聲消除系統的制作方法

專利名稱：揚聲器裝置、聲源模擬系統及回聲消除系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括低音反射結構的揚聲器裝置。
背景技術：
一種傳統的增強低音的揚聲器裝置的示例包括設有低音反射端口的倒相型外殼的揚聲器裝置(例如，參見專利文獻I)。 然而，隨著揚聲器裝置的尺寸和低音反射端口的橫截面積的減小，端口內部的空氣的流速相應地增大，因而極易出現氣流導致的噪聲，使得渦環氣流從端口的開口噴出。而且，當端口內部的空氣的流速增大時，端口內部的氣流阻力也增大，從而低音增強效果降低。因此，在小尺寸揚聲器裝置中，很少使用低音反射結構。另一方面，專利文獻2提出了一種揚聲器裝置，其中通過端口形狀的設計來降低端口內部的空氣的流速，從而使得即使在小尺寸揚聲器裝置中也能夠使用低音反射結構。現有技術引證專利文獻專利文獻I JP-A-2008-48176專利文獻2 JP-A-2009-26095
發明內容
本發明要解決的技術問題然而，揚聲器裝置的尺寸越小，低音反射端口的再現頻率越高。而且，揚聲器裝置的尺寸越小，收聽位置和揚聲器裝置的位置之間的距離越小；因此，低音反射端口和揚聲器單元之間的明顯的角度差增大。因此，揚聲器裝置的尺寸越小，低音反射端口的定位性越高，因此揚聲器單元和低音反射端口將被識別為出現在不同位置的聲源。于是，取決于執行再現的聲源的頻帶，聲源位置將在揚聲器單元和低音反射端口之間移動。因此，本發明的一個目的是提供一種揚聲器裝置，其被形成為即使在使用提供低音反射端口定位的小尺寸揚聲器單元時聲源位置也不會改變。解決技術問題的技術手段本發明涉及一種揚聲器裝置，其包括設有揚聲器單元和低音反射端口的倒相型外殼。所述低音反射端口具有管狀體，從管狀體端部開始到管狀體中心，該管狀體的中空截面面積沿著低音反射端口的軸向逐漸減小，并且管狀體被形成為在一個方向上的中空截面的長度沿著軸向不變。在這種低音反射端口中，管狀體的一個開口的截面面積大于端口內部的截面面積，從而降低了吸入管狀體的空氣的流速從而抑制了管狀體開口端的紊流。而且，管狀體具有使得中空截面在一個方向上的長度沿著軸向不變的恒定尺寸；因此，從在一個方向上彼此面對的壁表面向中空區域內部的空氣持續施加壓力，從而要被排出的空氣將在其他方向上擴散。以此方式，在壁表面彼此面對的方向上持續施加壓力，從而空氣在其他方向上擴散；因此，要被排出的空氣的流速將急劇降低。從而，從低音反射端口排出的空氣的流速顯著降低，幾乎沒有氣流產生，并且沒有渦環氣流噴出。而且，在根據本發明的揚聲器裝置中，低音反射端口的一個處于外殼內部位置的開口設置為與揚聲器單元相對，從而低音反射端口夾置于該開口和揚聲器單元之間。以此方式，低音反射端口的內部開口設置為與揚聲器單元相對，而低音反射端口夾置于二者之間，從而允許另一開口(外部開口)靠近揚聲器單元定位。具體地講，當揚聲器單元的位置和低音反射端口的外部開口的位置彼此靠近時，基本上將會定位單個點聲源，從而即使在諸如提供低音反射端口的定位的小尺寸揚聲器中，聲源位置也不會隨頻率發生變化。具體地，低音反射端口具有以下結構。第一反射端口被布置成軸向與揚聲器單兀的聲波發射方向正交，并且低音反射端口的位于外殼外部位置的開口被設置為在與揚聲器單兀的聲波發射方向相同的方向上延伸。換句話說，揚聲器單兀的聲音發射方向和低音反射端口的該開口的聲音發射方向彼此—致。更具體地，揚聲器單元的中心位置和外部開口的中心位置之間的距離等于或小于揚聲器單兀的直徑。由于根據本發明的揚聲器裝置中的低音反射端口具有上述的流速降低效果，因此即使在諸如柵格或穿孔金屬之類的外部結構(例如，開口率為50%或者更小的保護結構)位于外部開口前方并且靠近外部開口，在外部開口中也幾乎不存在任何氣流；因此，排出的渦環氣流將不會與保護結構碰撞而產生噪聲。因此，即使設置了具有低開口率并且通常用于筆記本個人電腦等的揚聲器的保護的穿孔金屬，也能夠使用該低音反射端口。而且，根據本發明的揚聲器裝置適于用于實現虛擬環繞聲等的點聲源模擬系統，該點聲源模擬系統通過使用從虛擬聲源開始到達收聽者的系統的傳遞函數(與頭相關的函數)來再現聲場。使用與頭相關的傳遞函數執行的虛擬聲源模擬是基于點聲源設計的；因 此，當低音反射端口的定位性增大時，不能識別出點聲源，從而不能夠執行準確的聲場再現。然而，采用根據本發明的揚聲器裝置，基本上能夠定位單個點聲源，從而能夠實現準確的聲場再現。而且，根據本發明的揚聲器裝置還適于與回聲消除器結合使用，該回聲消除器用于通過模擬從揚聲器開始到麥克風的反饋聲學系統的傳遞函數并且通過對要提供給揚聲器的聲音信號執行濾波處理來產生偽回聲分量，并且用于從麥克風獲取的聲音信號中去除所產生的偽回聲分量。在這種回聲消除器中，使用了用于模擬反饋聲學系統的傳遞函數的自適應濾波器；然而，當低音反射端口的定位性增大時，聲源將移動或者將出現多個聲源，因此，傳遞函數將頻繁變化。因此，自適應濾波器變得不能準確估計傳遞函數，回聲消除效果降低。采用根據本發明的揚聲器裝置，將基本上定位單個點聲源，從而能夠實現準確的傳遞函數估計。本發明所獲得的技術效果根據本發明，即使使用提供低音反射端口的定位的小尺寸揚聲器單元，聲源位置也不會改變。


圖I是根據第一實施例的揚聲器裝置的外部透視圖。圖2 (A)是根據該實施例的揚聲器裝置的正視圖，圖2 (B)是該揚聲器裝置的側視圖，圖2 (C)是沿圖2 (A)的線A-A’截取的截面圖，圖2 (D)是沿圖2 (A)的線B-B’截取的截面圖，以及圖2 (E)是沿圖2 (A)的線C-C’截取的截圖面。圖3 (A)和圖3 (B)是示出了如何吸入氣流的示意圖。圖4 (A)和圖4 (B)是示出了如何排出氣流的示意圖。圖5 (A)和圖5 (B)是示出了當通過穿孔金屬封閉開口時聲壓如何改變的示圖。圖6 (A)和圖6 (B)是示出了低音反射端口的其他結構示例的示圖。圖7是根據示例I的筆記本個人電腦的外部視圖。
圖8是根據示例2的桌面個人電腦的外部視圖。圖9是根據示例3的電視機的外部視圖。圖10是根據示例4的麥克風揚聲器的外部視圖。圖11 (A)和圖11 (B)是分別顯示根據本發明的應用示例的模擬系統的構造的框圖。
具體實施例方式首先，將參照圖I至圖2 (E)描述根據本發明的第一實施例的揚聲器裝置I。如圖I至圖2 (E)所示，在揚聲器裝置I中，倒相型外殼(箱體)11設有揚聲器單元SP和低音反射端口 10。低音反射端口 10具有外部開口 17和內部開口 18。箱體11具有矩形平行六面體形狀，并且由以下面板形成彼此平行的前面板12和后面板13、彼此平行的頂面板14和底面板15、以及彼此平行的側面板16A和16B。頂面板14和底面板15之間的距離比其它的每對面板之間的距離大。在該實施例中，在頂面板14和底面板15之間延伸的方向將被稱為“長度方向”，在側面板16A和16B之間延伸的方向將被稱為“寬度方向”，而在前面板12和后面板13之間延伸的方向將被稱為“深度方向”。考慮到揚聲器單元SP的電氣特性和機械特性，箱體11的體積被設置為使頻率特性平坦所需要的體積。將基于以下示例描述第一實施例使用全音域揚聲器單元，其直徑為30mm，深度為21. 5mm，有效隔膜半徑為11. 5mm，最小諧振頻率為300Hz，以及額定輸出為2W ；在內部體積是80cc時，能夠獲得基本平坦的頻率特性。通常，低音反射端口的諧振頻率被設置為揚聲器單元的最小諧振頻率的約O. 7倍至約O. 5倍；因此，在第一實施例中，低音反射端口的諧振頻率被設置為150Hz。在150Hz至300Hz的頻帶內，從低音反射端口 10發出的聲音與從揚聲器單元SP發出的聲音之間的比率持續變化。在這種低輸出且小尺寸的揚聲器單元中，收聽者將會在靠近揚聲器裝置的位置(例如，位于距離揚聲器裝置750mm的位置)聽到聲音。箱體11在長度方向上的內部尺寸必須等于或大于在長度方向上按所示順序布置揚聲器單兀SP和低音反射端口 10所需的長度。箱體11在寬度方向上的內部尺寸由揚聲器單元SP的寬度決定。揚聲器單元11在深度方向上的內部尺寸由揚聲器單元SP的深度決定。箱體11優選地被設計為其厚度和尺寸盡可能地小。例如，在第一實施例中，必須在150Hz產生諧振，因此，低音反射端口 10在長度方向上除了外部開口 17之外的尺寸必須約為100mm。因此，箱體11具有長度方向上的161mm的內部尺寸(以及165mm的外部尺寸)；深度方向上的20mm的內部尺寸(以及24. 5mm的外部尺寸);以及寬度方向上的32mm的內部尺寸(以及35mm的外部尺寸)。前面板12布置有揚聲器單元SP并且設有外部開口 17，因此用作隔板。在該實施例中，揚聲器單元SP在前面板12的長度方向上設置在靠近頂面板14的位置，低音反射端口 10的外部開口 17形成為緊鄰揚聲器單元SP，而內部開口 18形成在與揚聲器單元SP相對的位置(或者靠近底面板15的位置)，其中低音反射端口 10夾置于外部開口 17和內部開口 18之間。在該示例中，外部開口 17具有在箱體11的寬度方向上延長的矩形形狀。外部開口 17以此方式形成，從而使得外部開口 17形成為更靠近揚聲器單元SP。在該示例中，揚聲器單元SP的中心位置和外部開口 17的中心位置之間的距離為23. 5mm，該距離等于或小于揚聲器單元SP的直徑。在這種情況下，在位于750mm距離的收聽者位置處，從揚聲器單元SP和低音反射端口 10發出的聲音之間的到達時間差(相當于二者之間的相位差)將約為I. 15微秒。注意,揚聲器單兀SP和外部開口 17在長度方向上相對于箱體11中心位置位于箱體11的一側。
人類聽覺對于150Hz或更小的超低頻率范圍沒有方向感；然而，在第一實施例中，低音反射端口的諧振頻率為150Hz或更小，因此，還需要提供低音反射端口 10的定位。具體地講，通常來說人類在等于或小于1600Hz的頻率下能夠通過相位差獲得定位，并且已經清楚的是，在約150Hz到約1700Hz的頻率范圍內，為了獲得定位，聲音到達兩個耳朵的時間差的閾值約為9微秒。特別地，假設即使在聲音到達時間差約為6微秒時，也能夠獲得諸如連續噪聲之類的聲音的定位(參見 B. C. J. “An Introduction to Psychology of Hearing”)。因此，當揚聲器單元SP的中心位置和外部開口 17的中心位置之間的距離增大并且收聽位置靠近揚聲器裝置時，聲音到達兩個耳朵的時間差增大，因此聲源位置將取決于執行再現的聲源的頻帶而在揚聲器單元和低音反射端口之間移動。例如，假設使用類似于第一實施例中的揚聲器單元和使用傳統的直筒圓柱形低音反射端口，在具有類似于第一實施例中的內部容積的箱體中，形成低音反射揚聲器；在這種情況下，揚聲器單元的中心位置和外部開口的中心位置之間的距離為140_，因此在聽者位置位于750_的距離處時，聲音到達時間差為37. 7微秒，從而從揚聲器單元和低音反射端口發出的聲音被識別為從不同聲源位置發出。于是，收聽者將感覺到諸如男聲的低音來自低音反射端口，而諸如女聲的高音來自揚聲器單元，這在聽覺上是不希望的。而且，人們相信，當相同聲音從揚聲器單元和低音反射端口同時發出時，聲音將以使得這些聲音不能看作是從點聲源發出的程度被傳播出去，從而降低了聲音清晰度并且還使得聲音質量惡化(注意，用于立體聲再現的聲場是以點聲源為前提的)。然而，采用根據本實施例的揚聲器裝置，在收聽者位置位于750mm距離處時，從揚聲器單元SP和低音反射端口 10發出的聲音之間的到達時間差約為I. 15微秒，因此比被視為最小閾值的6微秒小很多。因此，基本上可以視作單個點聲源。接下來，將詳細描述低音反射端口 10的結構和功能。低音反射端口 10具有主管部分100，其形成為在長度方向(軸向)上延長；以及連接至主管部分100的軸端的空氣調節器101和102。外部開口 17設置為鄰近揚聲器單元SP和空氣調節器101，而內部開口 18設置為鄰近空氣調節器102。低音反射端口 10設置為其軸向與揚聲器單元SP的聲波發射方向正交，而外部開口 17設置為沿著與軸向不同的方向(B卩，沿著揚聲器單元SP的聲波發射方向)開放。內部開口 18位于距箱體11的底表面的距離約等于外部開口 17的軸向長度“a”(及其深度長度“a”)的位置處。主管部分100以及空氣調節器101和102具有中空管形狀，并且被形成為它們沿著中空管形狀的長度方向延伸的中心軸彼此一致。主管部分100的垂直于軸向的中空截面形狀被形成為圓形，并且中空截面形狀的面積由沿主管部分100的長度方向上的每個位置處的恒定的中空管區190構成。中空管區190的長度和內徑基于期望被外殼增強的低音的頻率而被設置為多個值。中空管區190的內徑越小，主管部分100的長度可以越短。中空管區190的截面面積優選地被設置為小于揚聲器單元SP的有效面積(例如，主管部分100的中空截面面積優選地被設置為揚聲器單元SP的有效面積的O. 2至I. O倍)。在該實施例中，中空管區190的長度為30mm，內徑為7mm。空氣調節器101連接至主管部分100的一個開口端，面向外部開口 17，并且從空氣調節器101與主管部分100的連接處開始連續形成內徑變化區103和主變化區104.
在內徑變化區103鄰近主管部分100的一端，內徑變化區103的中空形狀具有與中空管區190相同的圓形截面形狀，而在內徑變化區103鄰近主變化區104的一端，內徑變化區103的中空形狀被形成為尺寸等于或稍微大于中空管區190的內徑的正方形截面形狀。對內徑變化區103的壁表面131至134進行模塑，使得內徑變化區103的中空形狀從圓形截面形狀逐漸變化為正方形截面形狀，如上所述。在主變化區104鄰近內徑變化區103的一端，主變化區104的中空形狀具有與內徑變化區103相同的正方形截面形狀，而在主變化區104鄰近外部開口 17的一端，主變化區104的中空形狀被形成為面積大于內徑變化區103的面積的矩形截面形狀。在形成主變化區104的中空形狀的壁表面141至144中，在箱體11的深度方向上彼此面對的壁表面141和142分別連接至在內徑變化區103的深度方向上彼此面對的壁表面131和132。在這種情況下，彼此面對的壁表面141和142的平面被設置為彼此平行。采用這種結構，彼此面對的壁表面141和142的平面之間的距離在任何位置都相同，因此主變化區104的中空形狀在深度方向上不會加寬。在該示例中，在箱體11的寬度方向上彼此面對的壁表面143和144被形成為二者之間的距離從內徑變化區103向外部開口 17按指數函數增大。該結構使得空氣調節器101能夠具有以下形狀其中空截面面積從其與主管部分100的連接處開始朝向外部開口 17逐漸增大，而壁表面之間的距離在箱體11的深度方向上不變。利用夾置在揚聲器單元SP和空氣調節器102之間的主管部分100，空氣調節器102連接至主管部分100上與揚聲器單元SP相對的位置，并且從空氣調節器102與主管部分100連接處開始連續形成內徑變化區105和主變化區106。在內徑變化區105鄰近主管部分100的一端，內徑變化區105的中空形狀具有與中空管區190相同的圓形截面形狀，而在內徑變化區105鄰近主變化區106的一端，內徑變化區105的中空形狀被形成為尺寸等于或稍微大于中空管區190的內徑的正方形截面形狀。對內徑變化區105的壁表面151至154進行模塑成型，使得內徑變化區105的中空形狀如上所述從圓形截面形狀逐漸變化為正方形截面形狀。在主變化區106鄰近內徑變化區105的一端，主變化區106的中空形狀具有與內徑變化區105相同的正方形截面形狀，而在主變化區106鄰近底面板15的一端，主變化區106的中空形狀被形成為其面積大于內徑變化區105的面積的矩形截面形狀。在形成主變化區106的中空形狀的壁表面161至164中，在箱體11的深度方向上彼此面對的壁表面161和162分別連接至在內徑變化區105的深度方向上彼此面對的壁表面151和152。在這種情況下，彼此面對的壁表面161和162的平面被設置為彼此平行。采用這種結構，彼此面對的壁表面161和162的平面之間的距離在任何位置都相同，因此主變化區106的中空形狀在深度方向上不會加寬。在箱體11的寬度方向上彼此面對的壁表面163和164被形成為二者之間的距離從內徑變化區105朝向底面板15按指數函數增大。該結構使得空氣調節器102能夠具有以下形狀其中空截面面積從其與主管部分100的連接處開始向內部開口 18逐漸增大，而壁表面之間的距離在箱體11的深度方向上不變。在具有上述結構的外殼中，揚聲器單元SP振動，從而執行以下操作。
圖3 (A)至圖4 (B)是示出了氣流如何從空氣調節器102 (以及內部開口 18)吸入以及如何從空氣調節器101 (以及外部開17)排出的說明示圖，以用于比較本發明的結構和傳統示例的結構。圖3 (A)示出了當前實施例的結構中執行的空氣吸入操作，圖3 (B)示出了通過使用傳統的簡單圓柱形低音反射端口執行的空氣吸入操作。另一方面，圖4 (A)示出了當前實施例的結構中執行的空氣排出操作，圖4 (B)示出了通過使用外部開口端類似于漏斗在所有方向上都平滑擴展的低音反射端口。注意，在圖3 (A)至圖4 (B)中，具有中空頭的每個箭頭表示氣流，每個箭頭指示的方向表示氣流方向，而每個箭頭的長度表示流速。如圖3 (B)所示，在傳統的簡單的圓柱形低音反射端口中，空氣在空氣吸入時從所有方向流入端口 ；因此，在拐角處出現渦流，而渦流產生噪聲。另一方面，在根據當前實施例的低音反射端口 10中，內部開口 18的中空截面面積顯著大于主管部分100的中空截面面積。因此，在空氣調節器102的內部開口 18處，空氣吸入流速顯著降低，而在開口端處幾乎沒有紊流產生。注意，空氣調節器102的中空截面面積沿著空氣行進方向按照指數函數平滑降低，因此即使在空氣流過空氣調節器102也不會產生紊流。而且，在空氣調節器102和主管部分100之間的連接處，通過內徑變化區105，中空形狀從符合空氣調節器102的主變化區106的正方形截面形狀平滑地變化為符合主管部分100的圓形截面形狀。因此，即使當空氣到達主管部分102并且其流速增大，在從空氣調節器102流入主管部分100時也不會產生紊流。如上所述，空氣調節器102能夠在空氣吸入時顯著地抑制紊流，并且能夠顯著地抑制源于紊流的噪聲的產生。如上所述，主管部分100的恒定的中空截面面積小于揚聲器單元SP的有效面積。通過主管部分100，從空氣調節器102流入的空氣能夠以給定流速流動并且輸出到空氣調節器101。在這種情況下，流經主管部分100的氣流在各個壁之間在所有方向上引起均勻壓力；然而，主管部分100具有恒定的圓形管形狀，因此能夠在期望的頻率產生Helmholtz諧振，而不會在主管部分100內部引起紊流。在傳統的簡單的圓柱形低音反射端口中，當外部開口被諸如柵格或穿孔金屬之類的保護結構覆蓋時，整個端口的空氣阻力增大，從而低音反射效率顯著降低。而且，在傳統的簡單的圓柱形低音反射端口中，大多數氣流在空氣排出時直接流經外部開口端，從而卷入開口端周圍的空氣而形成渦環氣流。一旦形成渦環，渦環就會易于顯著地降低空氣阻力，從而到達遠處。因此，當外部開口的正面設有諸如柵格或穿孔金屬之類的保護結構時，渦環氣流與保護結構碰撞從而產生噪聲。在傳統的低音反射端口中，外部開口端的拐角通常是圓的；然而，采取這些措施的主要目的是防止空氣吸入時在外部開口端的拐角處產生的渦流引起噪聲；因此在空氣排出時，這些措施對流速降低和防止渦環氣流的產生具有很小的效果。例如，在如圖4 (B)所示的外部開口端類似于漏斗在所有方向上平滑擴展的情況下，在中空截面面積的增大很小時，氣流將在整個中空截面上擴散的同時前進，從而流速將降低；然后，當中空截面面積的增大逐漸變得急劇并且氣流和壁之間的壓力變為零時，氣流將直接流過，而不沿壁流動，并且將卷入周圍空氣而形成渦環氣流，該渦環氣流將通過端口的外部開口排出。在這種端口中，為了充分地降低流速而不引起渦環氣流，有必要降低端口 的擴展程度，并且逐漸地增大端口的中空截面面積，使得壁和氣流之間的壓力在氣流流速充分減小之前不會變為零。在這種情況下，端口的縱向長度必然增大，這將需要增大端口的厚度以便保持相同的低音反射諧振頻率，從而導致端口尺寸的增大。因此，人們相信對于外部開口端像漏斗一樣在所有方向上都平滑擴展的低音反射端口來說，很難適于小尺寸揚聲器。另一方面，在根據當前實施例的低音反射端口的情況下，其在主管部分100和空氣調節器101之間的連接處的中空形狀通過內徑變化區103從符合主管部分100的圓形截面形狀平滑變化為符合主變化區104的正方形截面形狀。空氣調節器101的主變化區104的中空截面面積沿著空氣流動方向按照指數函數平滑增大。然而，壁表面141和142之間的距離保持恒定；因此，在主變化區104內部，從壁表面141和142向將朝向壁表面141和142擴散的空氣連續施加壓力。因此，空氣被推向彼此之間逐漸分開的壁表面143和144。換句話說，空氣在由壁表面141至144包圍的主變化區104的整個中空截面上擴散的同時不變地流經主變化區104。因此，空氣在主變化區104的整個中空截面上擴散的同時流經主變化區104的流速立刻降低，這是因為主變化區104的截面面積急劇增大。于是，在空氣到達主變化區104的外部開口 17之前流速被充分降低，并且與通過主管部分100的空氣的流速相比，要被排出的空氣的流速被顯著降低，從而產生了幾乎沒有氣流產生的狀態。當然，在主管部分100內部，可以在期望頻率處產生Helmholtz諧振，因此從外部開口 17發出通過低音反射效果放大了的低音分量。在這種情況下，幾乎沒有氣流從外部開口 17產生；因此，即使在低音反射端口的軸向與揚聲器單元的聲波發射方向正交并且外部開口 17被設置為在與軸向方向不同的方向上延伸(例如，或者在揚聲器單兀SP的聲音發射方向上延伸),氣流也不會與內壁表面碰撞而產生噪聲。因此，在低音反射端口 10的軸向和箱體11的長度方向彼此一致并且整個揚聲器裝置尺寸減小的同時，使得揚聲器單兀SP和低音反射端口 10的聲音發射方向彼此一致。當使得揚聲器單兀SP的聲音發射方向和低音反射端口的聲音發射方向彼此一致時，進一步促進了單個聲源的定位。而且，實際上沒有渦環氣流從外部開口 17產生；因此，即使外部開口 17的正面上設置了諸如柵格或穿孔金屬之類的保護結構，空氣也不會與該保護結構碰撞而產生噪聲。具體地講，當設置了具有低開口率(例如，50%或者更低)的保護結構時，整個端口的氣流阻力通常增大，因此低音反射端口的效果顯著降低；然而，在根據當前實施例的低音反射端口中，幾乎沒有氣流在外部開口 17中產生(或者，幾乎沒有作為壓縮波的聲波產生)，因此即使開口設置有保護結構，整個端口的氣流阻力也不會增大，從而不會抑制低音反射端口內部的 Helmholtz 諧振。圖5 (A)是不出了外部開口被開口率為22. 5%的穿孔金屬封閉時聲壓在低音反射諧振頻率如何變化的示圖。在該曲線圖中，水平軸表示輸入功率(W)，而垂直軸表示當開口被開口率為22. 5%的穿孔金屬封閉時聲壓變化的百分比，其中假設了當外部開口沒有阻礙時每個揚聲器在低音反射諧振頻率處的聲壓為100%。在傳統的簡單的圓柱形低音反射端口中，如該曲線圖上繪制的矩形所示，隨著輸入功率的增大，輸出升壓降低程度增大，從而很難獲得低音反射端口的效果。另一方面，在根據當前實施例的低音反射端口 10中，即使輸入功率增大，輸出聲壓也幾乎沒有變化，因此即使設置了開口率低的穿孔金屬等也不會降低低音反射端口的效果。注意，空氣調節器101和102具有相同的結構，因此，即使從外部開口 17吸入空氣，如上所述空氣吸入時的流速也會被顯著降低，另外，從內部開口 18排出的空氣的流速 也會被顯著降低。除此之外，內部開口 18面向與揚聲器單元SP相對的底面板18。因此，從內部開口 18排出的空氣對揚聲器單元SP沒有任何影響(諸如隔膜振動)。注意，在以上描述中，主管部分的中空截面形狀被形成為圓形形狀，但是作為選擇，可以被形成為多邊形形狀，諸如正方形或矩形形狀，類似于圖6 (A)所示的主管部分IOOA0還應當注意，當主管部分和空氣調節器的拐角如圖6 (B)所示為R形倒角時更有效。而且，在以上描述中，示出了其中空氣調節器設置在低音反射端口的主管部分的兩端上的示例，但是作為選擇，可以使用空氣調節器僅僅設置在兩端中的一端上的結構。而且，在以上描述中，示出了按照指數函數改變一對壁表面之間的距離(改變空氣調節器的壁表面距離)的示例，但是可以使用一種可選結構壁表面距離沿著長度方向單調增加(或減小)，只要在內部壁表面上沒有拐角形成即可。而且，在以上描述中，已經示出了主管部分和空氣調節器的中空區的中心軸沿著低音反射端口的長度方向彼此一致的示例，但是可以提供上述各中心軸彼此稍微偏離并且彼此平行的結構。而且，可以根據針對揚聲器裝置所執行的低音增強的規范來適當設置低音反射端口內部的中空截面面積和長度。具體地講，即使在不提供上述的主管部分(即，即使只提供空氣調節器)時，也可以提供以下結構低音反射端口的長度方向上的中心部分的截面面積最小，截面面積從該中心部分朝向外部開口和內部開口逐漸變大；以及寬度方向上的距離保持恒定；因此，可以產生Helmholtz諧振，并且可以執行類似于在上述第一實施例中描述的操作，從而能夠獲得類似的效果。注意，在上述實施例中，已經示出了空氣調節器101和102具有相同形狀的情況，但是空氣調節器101和102不需要一定具有完全相同的形狀。接下來，將基于揚聲器裝置被應用到以下設備中的假設來描述本發明的示例筆記本個人電腦(以下稱為“筆記本PC”)；桌面個人電腦(以下稱為“桌面PC”)；電視機；以及麥克風/揚聲器集成設備。〈示例I〉
圖7是根據示例I的筆記本PC的外部視圖，該筆記本PC包括多個揚聲器裝置，每個揚聲器裝置具有類似于第一實施例中描述的揚聲器裝置的結構。筆記本PC 3包括顯示器框31，其包括16英寸寬顯示器；以及主體框32，其配備有鍵盤和各種器件。顯示器框31和主體框32通過鉸鏈彼此連接。兩個揚聲器裝置2設置在主體框32上并且位于鍵盤上方。兩個揚聲器裝置2的揚聲器單元位于主體框32的外側位置(右端和左端)，使得聲音發射位置彼此之間盡可能遠離，從而能夠獲得立體聲揚聲器效果。而且，兩個揚聲器裝置2均覆蓋有穿孔金屬。穿孔金屬具有開口率為22. 5%的60°交錯布置(直徑為O. 5mm,間距為1臟，以及厚度為O. 5mm),并且用于通常的筆記本PC。根據示例I的揚聲器裝置2使用全音域揚聲器單元(額定輸出為1W，孔徑為20_，最小諧振頻率為600Hz)并且通常用于設有16英寸寬顯示器的筆記本PC。在這種情況下，將 基于當體積為15cc時獲得基本上平坦的頻率特性的假設進行以下描述。在300Hz至600Hz的頻率范圍內，從低音反射端口和揚聲器單元發出的聲音之間的比率連續變化。該低音反射端口的結構類似于第一實施例中所描述的低音反射端口的結構。在這種非常小的揚聲器裝置中，低音反射端口的內徑極其小(例如，約3mm至約
3.5mm)，從而低音反射端口內部的空氣阻力增大。因此，當使用傳統的常用低音反射端口時，流速顯著增大，低音反射端口的效果降低。然而，在根據示例I的揚聲器裝置的結構中，端口中只有一部分具有極其小的內徑，而低音反射端口的氣流阻力整體上減小，從而實現了很難降低低音反射端口的效果的特性。圖5 (B)是示出當使用全音域揚聲器單元(額定輸出為1W，孔徑為20mm，最小諧振頻率為600Hz)并且箱體體積為15cc時相對于輸入功率的在低音反射諧振頻率的再現聲壓的曲線圖。在該曲線圖中，水平軸表示輸入功率(W)，而垂直軸表示聲壓(dBSPL/m)。假設繪制了理論值的斜率為3dB/oct (對于該斜率，當輸入電壓加倍時，輸出聲壓也加倍)的虛線，從而在輸入為IW時該虛線穿過根據示例I的低音反射揚聲器的聲壓；于是，可以看出，在該曲線圖上，所述虛線與根據示例I的低音反射揚聲器的聲壓基本上重疊，并且示例I中的低音反射操作具有理想的輸入/輸出線性。另一方面，在傳統的簡單的圓柱形低音反射端口中，從該曲線圖上繪制的矩形可以看出，隨著輸入功率的增大，聲壓增大變得小于3dB/oct的理論值,從而隨著輸入電壓增大變得更加難以獲得低音反射端口的效果，從而降低了輸入/輸出線性。而且，當使用了如上所述的設置在筆記本PC中的揚聲器裝置時，收聽者將在非常靠近揚聲器裝置(例如，距離揚聲器裝置600_)的位置處聽到聲音。當然，也為低音反射端口提供了定位，并且當使用傳統的通常低音反射端口時，低音發射端口和揚聲器單元將被識別為處于不同位置上的聲源。然而，在該示例中，揚聲器單元的中心位置和低音反射端口的外部開口的中心位置之間的距離為16. 5mm，該距離等于或小于揚聲器單元的直徑。在這種情況下，在收聽者位置處在600mm距離時，從揚聲器單元和低音反射端口 10發出的聲音之間的到達時間差(相當于二者之間的相位差)約為O. 66微秒。因此，該到達時間差比人類能夠獲得定位的約為6微秒的最小閾值短得多，因此揚聲器單元和低音反射端口基本上可以被識別為單個點聲源。
而且，類似于第一實施例，幾乎沒有氣流從低音反射端口產生；因此，即使設置了開口率為22. 5%的穿孔金屬，也不會對低音反射端口的效果產生任何影響。除此之外，上述的穿孔金屬可以防止揚聲器單元被看到，因此還增大了設計優勢。〈示例2〉圖8是根據示例2的桌面PC的外觀視圖，該桌面PC包括根據本發明的揚聲器裝置。桌面PC 4包括主體框41，其配備有20英寸寬顯示器和各種器件。兩個揚聲器裝置I設置在主體框上并且位于顯示器下方。兩個揚聲器裝置I的揚聲器單元位于主體框的外側位置(右端和左端)，使得聲音發射位置彼此之間盡可能遠離，從而能夠獲得立體聲揚聲器效果。而且，兩個揚聲器均覆蓋有穿孔金屬。類似于示例1，穿孔金屬具有開口率為22. 5%的60°交錯布置(直徑為O. 5mm,間距為1mm，以及厚度為O. 5mm),并且用于通常的筆記本PC。根據示例2的揚聲器裝置I使用如第一實施例中所述的全音域揚聲器單元(額定·輸出為2W，孔徑為30mm，最小諧振頻率為300Hz)，并且在體積為80cc時獲得基本上平坦的頻率特性。低音反射端口的諧振頻率為150Hz。在150Hz至300Hz的頻率范圍內，從低音反射端口和揚聲器單兀發出的聲音之間的比率連續變化。同樣如在第一實施例中所述，揚聲器單元的中心位置和低音反射端口的外部開口的中心位置之間的距離為23. 5_，該距離等于或小于揚聲器單元的直徑。在這種情況下，在收聽者位置位于750mm距離時，從揚聲器單元和低音反射端口 10發出的聲音之間的到達時間差(相當于二者之間的相位差)約為I. 15微秒。因此，該到達時間差比人類能夠獲得定位的約為6微秒的最小閾值短得多，因此揚聲器單元和低音反射端口基本上可以被識別為單個點聲源。〈示例3〉圖9是根據第三示例的電視機的外觀視圖，該電視機包括本發明的揚聲器裝置。該圖中所示的電視機5包括主體框51，其配備有32英寸寬顯示器和各種器件。兩個揚聲器裝置7設置在主體框51上并且位于顯示器下方。兩個揚聲器裝置7的揚聲器單元位于主體框51的外側位置(右端和左端)，使得聲音發射位置彼此之間盡可能遠離，從而能夠獲得立體聲揚聲器效果。而且，兩個揚聲器7均覆蓋有穿孔金屬。類似于示例1，穿孔金屬具有開口率為22. 5%的60°交錯布置(直徑為O. 5mm,間距為1mm，以及厚度為O. 5mm),并且用于通常的電視機。根據示例3的揚聲器裝置7使用全音域揚聲器單元(額定輸出為10W，孔徑為50mm，最小諧振頻率為200Hz)，并且在體積為450cc時獲得基本上平坦的頻率特性。低音反射端口的諧振頻率為IOOHz。在IOOHz至200Hz的頻率范圍內，從低音反射端口和揚聲器單元發出的聲音之間的比率連續變化。揚聲器單元的中心位置和低音反射端口的外部開口的中心位置之間的距離為47. 0mm，該距離等于或小于揚聲器單元的直徑。在這種情況下，在收聽者位置位于1200_距離時，從揚聲器單元和低音反射端口發出的聲音之間的到達時間差(相當于二者之間的相位差)約為2. 7微秒。因此，該到達時間差比人類能夠獲得定位的約為6微秒的最小閾值短得多，因此揚聲器單元和低音反射端口基本上可以被識別為單個點聲源。〈示例4〉圖10是根據不例4的麥克風揚聲器8的外觀視圖，該麥克風揚聲器8包括本發明的揚聲器裝置。該麥克風揚聲器設有位于穿孔金屬內側的揚聲器裝置2和麥克風9，并且用作USB連接型麥克風揚聲器，其通過布置在筆記本PC的顯示器框的上部來使用。在根據示例4的麥克風揚聲器8中，使用類似于示例I的兩個揚聲器裝置2。雖然在示例I中揚聲器裝置2設置在顯示器下方，但是在示例4中揚聲器裝置2設置在顯示器框的上部。因此，在收聽者位置，從揚聲器單元和低音反射端口發出的聲音之間的到達時間差基本上等于示例I中的從揚聲器單元和低音發射端口發出的聲音之間的到達時間差，因此揚聲器單元和低音反射端口基本上可以識別為單個點聲源。在這種情況下，如圖11 (A)所示，根據示例4的麥克風揚聲器8在功能上結合了回聲消除器27。在回聲消除器27中，使用了模擬反饋聲學系統的傳遞函數的自適應濾波器271。自適應濾波器271模擬從揚聲器裝置2開始到麥克風9的反饋聲學系統的傳遞函數，并且對要提供給揚聲器裝置2的聲音信號執行濾波處理，從而產生偽回聲分量。然后，從由麥克風9獲取的聲音信號中去除產生的偽回聲分量。自適應濾波器271被饋送有已經去除了偽回聲分量的剩余聲音信號，并且自動地更新濾波器系數以使得剩余聲音信號減小 或者變為零(或者更新濾波器系數以使得濾波器系數相當于反饋聲學系統的傳遞函數)。如果揚聲器單元和低音反射端口彼此之間具有一定距離，或者揚聲器單元和低音反射端口的聲音發射方向彼此不同，則聲源將移動或者聲源將從單個聲源變成多個聲源(或者從多個聲源變成單個聲源)，因此頻繁地改變反饋聲學系統的傳遞函數。因此，自適應濾波器變得不能夠正確地估計傳遞函數，從而將降低回聲消除效果。然而，在根據示例4的麥克風揚聲器中，基本上實現了單個點聲源的定位，因此能夠準確估計傳遞函數。注意，可以為每個揚聲器裝置提供自適應濾波器，或者可以提供單個自適應濾波器來在兩個揚聲器裝置之間共用。無論哪種情況，聲源都不會移動，從而能夠準確估計傳遞函數。〈應用示例〉圖11 (B)是示出根據本發明應用示例的點聲源模擬系統的構造的框圖。該點聲源模擬系統包括根據示例I至示例4中的任意一個的揚聲器裝置(在該圖中示出為揚聲器裝置2);以及信號處理器6，用于給揚聲器裝置提供聲音信號。處理器6將從虛擬點聲源位置開始到收聽者的系統的傳遞函數(與頭相關的傳遞函數)分配給聲音信號，從而實現虛擬環繞聲。信號處理器6可以實現為分立產品，如AV放大器，或者可以作為軟件安裝在上述的筆記本PC等上。人類不僅通過到達右耳和左耳的聲音之間的聲級差或時間差而且通過他或她的頭部和外耳引起的頻譜形狀的變化來獲得定位；因此，從虛擬點聲源位置開始到右耳和左耳的系統的傳遞函數(與頭相關的傳遞函數)通過信號處理器6被分配給各單耳信號，從而產生將在右耳和左耳位置處接收到的雙耳信號。這些信號被提供給右耳和左耳，從而使收聽者感覺聲像位于虛擬點聲源的位置處。在這種情況下，為了在虛擬點聲源位置準確地定位聲像，首先收聽者必須在聲音從右揚聲器裝置和左揚聲器裝置以相同聲壓同時到達收聽者的位置處聽到聲音；即，收聽者必須在與兩個揚聲器裝置距離相等的線上的位置處聽到聲音。然而，即使收聽者處于這種位置，但從左右兩個揚聲器裝置開始到達左右耳的聲傳輸路徑如圖11 (B)所示至少包括四條直接路徑，因此，從左揚聲器發出的聲音首先到達左耳，并且在一定時間延遲后也到達右耳。從右揚聲器發出的聲音也以類似方式到達兩個耳朵，因此導致兩個耳朵之間的串擾并且很難獲得準確的聲像定位。因此，信號處理器6還對雙耳信號執行用于消除串擾的串擾消除處理。例如，從右揚聲器裝置發出一個針對從左揚聲器裝置發出到達右耳的串擾的相反相位分量，來消除右耳位置處的聲壓，從而抑制左揚聲器發出的能被右耳聽到的聲音。另一方面，從左揚聲器裝置發出一個針對從右揚聲器裝置發出到達左耳的串擾的相反相位分量，來消除左耳位置處的聲壓，從而抑制右揚聲器發出的能被左耳聽到的聲音。將右揚聲器裝置和左揚聲器裝置的位置作為虛擬點聲源位置來模擬到達右耳和左耳的聲音之間的時間差和聲級差，以此來獲得相反相位的聲音。而且，頻譜會由于收聽者面部對一部分串擾的衍射而發生變化；因此，為了進行更加有效的串擾消除，使用與頭相關的傳遞函數來進行模擬。在示例I至4中所述的揚聲器裝置主要用于個人使用，并且尤其是在計算機的情況下，基本上能識別出用戶耳朵的位置，因此通過細致模擬能夠預期有效的環繞聲效果。當使用傳統的通常的低音反射端口揚聲器時，揚聲器單兀和低音反射端口將被識別為處于不同位置的聲源，因此聲源位置將根據發出聲音的頻帶而發生變化。而且，當揚聲器單元和低音反射端口的聲音發射方向不同時，串擾不僅會出現在直接路徑上而且也會出·現在與反射相關的間接路徑上。因此，實際值和在點聲源前提下進行模擬所獲得的值之間的誤差將增大，并且消除效果將降低，從而串擾消除特性變差。然而，采用示例I至4中所述的揚聲器裝置，從揚聲器單元和低音反射端口發出的聲音基本上可以被識別為從單個點聲源發出，另外，串擾路徑主要由直接路徑提供，這是因為揚聲器單元和低音反射端口的聲音發射方向彼此一致；因此，在實際值和通過模擬獲得的值之間幾乎沒有誤差，從而能夠提供有效的虛擬環繞聲效果。
權利要求
1.一種揚聲器裝置,包括設有揚聲器單兀和低音反射端口的外殼， 其中，低音反射端口具有朝向外殼外部開放的外部開口和朝向外殼內部開放的內部開口，并且具有管狀體，從管狀體的各端部開始到管狀體中心，該管狀體的中空截面面積沿著低音反射端口的軸向逐漸減小，并且該管狀體被形成為在一個方向上的中空截面的長度沿著所述軸向不變；以及 其中，所述低音反射端口的內部開口與所述揚聲器單元相對，而所述低音反射端口夾置于這二者之間。
2.根據權利要求I所述的揚聲器裝置， 其中，低音反射端口布置為軸向與所述揚聲器單兀的聲波發射方向正交。
3.根據權利要求2所述的揚聲器裝置， 其中，低音反射端口的外部開口的開口方向與所述揚聲器單兀的聲波發射方向相同。
4.根據權利要求I至3中的任意一項所述的揚聲器裝置， 其中，所述揚聲器單元的中心位置與所述外部開口的中心位置之間的距離等于或小于所述揚聲器單元的直徑。
5.根據權利要求I至4中的任意一項所述的揚聲器裝置， 其中，所述外部開口設有保護結構，該保護結構在聲波發射方向上具有50%或更小的開口率。
6.根據權利要求I至5中的任意一項所述的揚聲器裝置， 其中，所述揚聲器單兀和所述低音反射端口的外部開口在長度方向上相對于所述外殼的中心位置位于所述外殼的一側。
7.根據權利要求I至6中的任意一項所述的揚聲器裝置， 其中，所述低音反射端口的外部開口形成為矩形，并且該矩形的長度方向與所述軸向正交。
8.—種聲源模擬系統,包括 根據權利要求I至7中的任意一項所述的揚聲器裝置；以及 信號處理器，其構造為向所述揚聲器裝置提供聲音信號，其中 所述信號處理器向所述聲音信號分配從虛擬聲源位置開始到收聽者的系統的傳遞函數。
9.一種回聲消除系統,包括 根據權利要求I至7中的任意一項所述的揚聲器裝置； 麥克風，其構造為獲取聲音信號；以及 回聲消除器，其構造為通過模擬從所述揚聲器裝置開始到所述麥克風的系統的傳遞函數和通過對要提供給所述揚聲器裝置的聲音信號執行濾波處理來產生偽回聲分量，并且構造為從由所述麥克風獲取的聲音信號中去除所產生的偽回聲分量。
全文摘要
公開了一種揚聲器裝置，其包括設有揚聲器單元和低音反射端口的外殼，其中低音反射端口具有朝向外殼外部開放的外部開口和朝向外殼內部開放的內部開口；以及具有管狀體，該管狀體的中空截面面積從其端部到其中心沿著低音反射端口的軸向逐漸減小，并且該管狀體被形成為在一個方向上的中空截面的長度沿著軸向不變，并且其中低音反射端口的內部開口與揚聲器單元相對，而低音反射端口夾置于這二者之間。
文檔編號H04R3/02GK102918870SQ201180027368
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月31日 優先權日2010年6月2日
發明者新井明 申請人:雅馬哈株式會社