專利名稱：電聲轉換多路激勵器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及電聲轉換，尤其涉及一種新型的揚聲器系統，它可以大體上在整個音頻范圍內使聲音在以揚聲器系統為中心的預先限定的立體角內輻射。
根據本發明，一種揚聲器系統包括至少三個揚聲器激勵器組件，每一組件帶有一個或數個激勵器且在音頻范圍內的幾個倍頻程上工作。支撐結構將這些揚聲器激勵器組件以固定的大體上相鄰的關系支撐在一個長度為1寬度預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先規定的方向且共同工作從而在幾個倍頻程上使聲音在以揚聲器系統為中心的預先限定的立體角內大體上均勻地輻射。
典型地，所述揚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確立了立體角。可用電子線路作為細調網絡連接到一些揚聲器的激勵器組件上從而在λ約為2d和d之間的頻率范圍內建立一立體角。所述細調網絡在典型情況下只對后一頻率范圍才實質上有效，一般情況下，細調網絡主要影響端部激勵器組件的輻射。根據本發明的一個方面，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的立體角，通常所述跨距是單個激勵器組件的直徑。
根據本發明的另一方面，支撐結構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，從而當殼體接觸一房間界限面時，每個開口均保持不被遮蓋。
當結合附圖閱讀以下詳細描述時，將能看清楚本發明的其它特征及優點。
圖1是本發明的一種典型實施例的等角視圖。
圖2、3、4和5分別是所述典型實施例的前視圖、側視圖、頂視圖及后視圖。
圖6示出了根據本發明一個系統的邏輯構思的一種框圖。
圖7是本發明一種典型實施例中控制器的示出特定參數值的電路圖。
現參見附圖，特別參見其中的圖1，它示出了本發明的一種典型實施例的等角視圖。其中，每一個揚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構11將端部揚聲器的激勵器12和13、中間揚聲器的激勵器14和15以及中央揚聲器的激勵器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號表示同一相應元件。參見圖2、3、4和5，其中示出了所述典型實施例的前視圖、側視圖、頂視圖和后視圖。
參見圖6，它示出了采用有源均衡和細調網絡的邏輯構思的典型實施例的框圖。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且與并聯有細調網絡17的端部激勵器12和13相串聯。它可用于僅在下述預定的頻率范圍內提供相移或幅度衰減。
在描述了本發明的揚聲器系統的結構安排之后，將再面對其工作方式進行論述。本發明采用了多種設計技術，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。結合本發明的不同技術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大體相同。每一技術可用于控制大體上僅在一個頻率范圍內的方向性且當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之間的區域。在典型實施例中，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目來增加寬度尺寸和/或長度尺寸也是符合本發明之原理的。根據本發明，激勵器位置的初始設置需根據這樣一規則，即透過陣列在所選平面內的定向性越高，則陣列中有更多單元要向所述平面內輻射。例如，圖中所示的陣列在垂直平面內要比在水平平面內的定向性高，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，外側及中央驅動器12、13和16對建立方向特性起著最重要的作用，這是因為它們實質上決定了陣列之總體的形狀。曲率半徑小的拱形表面產生寬的輻射圖案。
下一個控制的頻率范圍是λ約為1/2和2d之間的區域。在這一區域內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之間的區域。在這一區域內，由一個或幾個電子細調網絡連接至一些激勵器的網絡來有效地控制方向特性，甚至激勵器間存在強互相干擾時亦有效。一般地，細調網絡如17可提供相位和/或幅度的細調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有頻譜分量用來激勵外側的激勵器12和13。本發明的一個特征是細調網絡實質上僅在這一頻率范圍內起作用，因而所有激勵器實質上均在這一頻帶外充分運行如同所述細調網絡并不存在。所引入的衰減值也較小，一般約為3dB。通過對外側激勵器進行衰減，僅此頻率范圍在預定立體角內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。在這一區域內，空間的短周期波動控制了方向特性。使激勵器有系統地稍微向前、向后或向邊側放置以破壞陣列的正常的間隔從而實現空間波動。偏離正常的距離很少，這是因為在這些頻率下的波長是與激勵器的尺寸可比擬的。可以發現任何一個激勵器均可用來提供空間波動，空間波動的結果是減弱了主旁瓣，這些不需要的波瓣在激勵器間距相同的情況下最強。
控制的最高頻率范圍是λ大大小于激勵器直徑的區域。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所需的幅射圖案。其基本規則是，如果要求在一給定的方向有能量，則在這一頻率范圍內一些激勵器就必須指向這一方向。
本發明的另一特征在于開口結構，所述結構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聲器系統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產生變化。更重要的是，不均勻加載一般會導致在高聲壓電平下的不穩定運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。過早地損壞部件可由于造成激勵器中不對稱的紙盆運動的作用在激勵器上的不對稱的空氣壓力所導致產生，或是由其它激勵器不穩定地激勵的一個或多個激勵器而導致產生。
根據本發明的一個方面，可對開口的數目及內部開口端的位置進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。使用這一技術可克服上述缺點。實質上通過平衡由不同激勵器到不同內部開口端的距離可實現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。
在典型的應用中，僅需要最小數量的開口。因而，在開始時這樣來設置一個開口，使由內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。重復這一過程直至開口數目與內部開口端的位置達到一種使激勵器大體上均勻加載的組合時為止。
開口的調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諧頻率建立在一個預定的頻率值，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。將外部開口設置在拱形表面上是較為可取的，由此可確保當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′設置在背面大體上為拱形的表面上以確保當揚聲器系統在通常情況下靠墻安裝時，所述開口不被遮蓋。
圖5示出了內部和外部開口端的位置。在背視圖中從揚聲器組件的中心位置看去，內部開口端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。典型實施例開口的調諧頻率約為140Hz。
在本發明的典型實施例中，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，圖中示出了本發明的特殊實施例中控制器的電路圖，包括了細調電路且規定了特定的參數值。由于通過建立圖7中所示的特殊電路，本領域之技術人員使可實施本發明，故而將僅對此電路圖作簡要討論以避免混淆了本發明的原理。聲道1和2是相同的電路，它們可以例如在一立體聲系統中分別接收左側和右側的立體聲輸入信號。對于單聲道而言，僅需1個聲道來激勵一個與之關聯的功率放大器，其方式選擇開關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S1的臂連接于位置1一端，僅用高頻輸出信號來激勵揚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聲器例如一個BOSE502B揚聲器的分離的低音放大器進行激勵。或者，一個可選擇低音的位置的設置可通過將方式選擇開關S1的臂選擇在位置4一端以激勵連接到另一低音揚聲器例如一個BOSEACOUSTICWAVECANNON揚聲器上的另一放大器。
雖然對于在圖中所示的實施例未作特別的描述，若結合了上述技術之部分或全部使用其它的技術(例如致偏器和反射器)均落入本發明的原理的范圍之內。可使用尺寸大于一個波長的物體來從一個或多個激勵器上使聲音改變方向。可調節的致偏器或反射器允許使用者改變方向性。
結合上述技術之部分或全部并使用衍射器同樣包括在本發明范圍之中。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驗來決定。
使用有源電子均衡器提供所需的頻率響應亦包括在本發明的原理的范圍內。
其它的實施例均包括在權利要求書中。
權利要求
1.一種揚聲器系統，其特征在于，包括多個(至少三個)揚聲器激勵器組件，其中每一揚聲器激勵器組件在一音頻范圍內的多個倍頻程上工作，并以一軸和一跨距S為特征，支撐結構將所述揚聲器激勵器組件以大體上相鄰的關系支持在一具有預定寬度的拱形表面上，每個所述驅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先規定的方向，且共同作用從而在所述的多個倍頻程上使聲音在以揚聲器系統為中心的預先限定的立體角內大體上均勻地輻射。
2.如權利要求1所述的揚聲器系統，其特征在于，所述激勵器組件的相應位置建立了在λ為約大于1而小于21之頻率范圍內的所述的預先限定立體角，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遠小于S的頻率范圍內的立體角，這里λ為頻譜分量之波長，1是陣列的長度，S是一個揚聲器激勵器組件的跨距。
3.如權利要求2所述的揚聲器系統，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.如權利要求2所述的揚聲器系統，其特征在于，至少有一個細調絡被連接到所述某幾個揚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.如權利要求4所述的揚聲器系統，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.如權利要求2所述折揚聲器系統，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.如權利要求1所述的揚聲器系統，其特征在于，所述支撐結構包括一個帶開口的殼體。
8.如權利要求2所述的揚聲器系統，其特征在于，所述支撐結構包括一個帶開口的殼體。
9.如權利要求7所述的揚聲器系統，其特征在于，所述帶開口的殼體是一共振殼體，且其帶有內部端的開口應這樣放置，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.如權利要求8所述的揚聲器系統，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部端的開口，所述開口端應這樣放置，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.如權利要求7所述的揚聲器系統，其特征在于，所述支撐結構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.如權利要求8所述的揚聲器系統，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，且帶有至少一個開口從而當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.如權利要求1所述的揚聲器系統，其特征在于，還包括與所述揚聲器系統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定的大體上均勻的頻率響應。
14.如權利要求2所述的激勵器系統，其特征在于，還包括與所述揚聲器系統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，建立一個預定的大體上均勻的頻率響應。
全文摘要
一種在音頻范圍內工作于多個倍頻程上的帶有多個揚聲器的激勵器組件的揚聲器系統，支撐部件將揚聲器的激勵器組件以大體上相鄰的關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先規定的方向，并由它們的共同作用在所述多個倍頻程上使聲音在以揚聲器系統為中心的一預定的立體角度內大體上均勻地輻射。
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 優先權日1992年10月15日
發明者克里斯托弗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