相統一揚聲器:并聯分頻器的制造方法
【專利說明】相統一揚聲器:并聯分頻器
[0001 ] 說明性現有技術分頻器設計在美國專利第3457370號(Boner)、美國專利第4031321 號(Bakgaard)、美國專利第 4198540 號(Cizek)、美國專利第 4897879 號(Geluk)、美國專利第5937072號(Combest)和美國專利第6381334號(Alexander)中公開。附加背景信息可在 High Performance Loudspeakers，第六版，Martin Colloms，Wiley 出版社，2005 年；和 Loudspeaker Design Handbook 第七版，Vance Dickason，Amateur Aud1 出版社，2006年中找到。
[0002]發明背景
[0003]針對揚聲器設計的先前方法沒有考慮到兩個揚聲器(一個在左邊，一個在右邊)之間的潛在干擾效應，包括立體聲再現。這兩個揚聲器組合形成“揚聲器系統”，該揚聲器系統還包括但不限于四聲道或立體聲系統。由于這兩個揚聲器的輸出組合產生立體聲圖像，因此可能出現干擾；這兩個揚聲器并聯操作。為了簡單地演示這個概念，將在立體聲揚聲器系統中使用雙聲道揚聲器。除了用于左聲道或右聲道的任一揚聲器中的低音喇叭與高音喇叭之間的干擾效應和相位效應外，在右高音喇叭與左低音喇叭之間以及在左高音喇叭與右低音喇叭之間也可能存在干擾效應和相位效應。這些概念可以擴展到在超過兩個聲道中的聲音再現，如同四聲道再現或家庭影院一樣。雖然對揚聲器設計中的相位和干擾的討論看上去是深奧難懂的，但這些效應是完全可聽見的。
[0004]已使用各種分頻器電路和配置開發出能夠再現接近整個音頻帶的揚聲器。為了擴展揚聲器的頻率響應和功率處理能力，采用多個驅動器，其中每個驅動器均在頻譜的的特定部分中占據主導地位。因此，揚聲器可具有低音喇叭、高音喇叭和中音喇叭，其中高音喇叭再現較高的頻率，低音喇叭再現較低的頻率并且中音喇叭再現它們之間的頻率。低音喇口八、中低音喇叭、中音喇叭、中高音喇叭或高音喇叭被稱為“驅動器”。典型的雙聲道揚聲器具有用于驅動器的低音喇叭或高音喇叭。因此，2.5聲道揚聲器是具有低音喇叭、中低音喇叭和高音喇叭的現代化設計。現代化設計可以使用中低音喇叭和高音喇叭，但為簡單起見，這在以下也被稱為低音喇叭和高音喇叭，除非另有說明。三聲道揚聲器具有低音喇叭、中音喇叭和高音喇叭。選擇這些驅動器中的每一個以便在頻譜的特定部分具有最好的表現，并且應用分頻器電路來調整該部分中的驅動器響應。分頻器網絡典型地通過使驅動器響應在不期望的情況下衰減來實現這一效果。絕大多數的分頻器網絡使這些驅動器并聯連接，并且隨后對分頻器網絡的引用是指并聯電路，除非另有說明。申請人將名詞“分頻器網絡”、“分頻器電路”或“分頻器”定義為是指將輸入信號的不同頻帶分配到整個揚聲器的不同驅動器的網絡。名詞“濾波器”是指將輸入信號的給定頻帶分配到整個揚聲器中的單一驅動器的較小網絡。
[0005]將信號輸送至在相鄰頻率范圍內操作的兩個驅動器的頻率被稱為分頻器頻率。分頻器使得驅動器的響應在分頻器頻率下，以稱為分頻器衰減度的速率衰減。分頻器衰減度以每倍頻程的衰減(dB)進行計算，其中衰減度越陡，所顯示的衰減越多。分頻器衰減度的陡度主要是由所使用的電容器和電感器的數量來確定。例如，對于分頻器中的每個濾波器來說，雙聲道揚聲器中具有6dB/倍頻程的分頻器衰減度的無源分頻器一般具有一個電感器L或電容器C。這些濾波器共同形成I階電子分頻器。對于分頻器中的每個濾波器來說，雙聲道揚聲器中具有12dB/倍頻程的分頻器衰減度的無源分頻器一般具有一個L和一個C，在分頻器中總共兩個電感器和兩個電容器。這兩個濾波器共同形成2階電子或半節分頻器網絡。類似地，4階電子分頻器電路被稱為整節分頻器。這些分頻器具有24dB/倍頻程的分頻器衰減度并且在雙聲道揚聲器中，對于分頻器中的每個濾波器來說，一般具有兩個電感器和兩個電容器，總共四個電感器和四個電容器。
[0006]盡管如此，揚聲器驅動器仍然使得波再現并且來自超過一個驅動器的、在給定頻率下的同時再現會產生干擾效應。當不同大小和形狀的兩個驅動器被安裝在常規平面擋板上時，這些驅動器的深度不同，以使得這些驅動器的音圈的正面位于不同的平面上。例如，高音喇叭典型地比低音喇叭更小并且高音喇叭錐體典型地比低音喇叭錐體顯著更淺。因此，當高音喇叭和低音喇叭再現同一頻率時，相應聲波離聽眾耳朵的距離不同，從而引起干擾。分頻器使得這些干擾效應減少，但引入了其自身的干擾效應。低音喇叭與高音喇叭之間的分頻器電路使得低音喇叭響應以分頻器頻率滾降，但當接近分頻器頻率時，使得高音喇叭響應逐漸增加。因此，分頻器頻率下的低音喇叭響應和高音喇叭響應在一定程度上是異相的。這些分頻的低音喇叭響應和高音喇叭響應以某些頻率基本重疊，其中這些響應在一定程度上也是異相的。
[0007]干擾效應聽起來令人不快。美國專利N0.3457370 (Boner)中所描述的原始分頻器是2階電子的并且因此不管驅動器是同相連接還是異相連接都引起頻率響應出現異常現象，這是偶數階電子分頻器的缺陷特征。許多聽眾感覺異相2階電子分頻器使具有鼻音的人聲再現。因此，他將阻抗校正網絡引入了這些分頻器中。
[0008]已經提出了許多其他技術來改進揚聲器的頻率響應和相行為。可以將多個驅動器之間的干擾效應作為同相或異相操作的傳送。給定揚聲器中存在的驅動器越多，存在的可能的驅動器對就越多，并且因此更多的異相響應是可能的。使不希望的相位效應減少的揚聲器配置的示例是d’ Appolito配置，其中應用了在安裝擋板上與特定分頻器類型組合在一起的特定驅動器配置。極坐標響應圖揭示了受歡迎的d’App0Iit0配置的益處。盡管如此在驅動器和分頻器配置之中仍然存在某些變化，從而產生特有的d’Appolito相行為。或者，揚聲器可以配置有階梯式擋板，以使得這些驅動器是時間對準的。與常規配置相比，這種配置通常使更多的三維立體聲圖像再現。
[0009]理論上，減少揚聲器干擾效應的另一種方法是利用至少一個輔助驅動器擴增揚聲器以改進揚聲器的傳遞功能。針對給定分頻器階數的低音喇叭和高音喇叭的傳遞功能不同，以使得揚聲器傳遞功能相對于除1階電子分頻器之外的所有電子分頻器的輸入缺乏保真度。當輔助驅動器加入有適當的分頻器衰減度時，揚聲器傳遞功能的保真度恢復。分頻器階數越高，輔助驅動器越多并且分頻器衰減度的選擇更加復雜。每個分頻器頻率都需要至少一個輔助驅動器，這暴露了這種方法所產生的問題。首先，輔助驅動器會干擾雙聲道揚聲器中的低音喇叭與高音喇叭，低音喇叭和高音喇叭在未擴增的雙聲道揚聲器中已經相互干擾了。分頻器網絡會調節這種干擾，但不會完全消除干擾。未擴增揚聲器中的更多的驅動器只會產生更多可能的干擾效應。在建議方法中利用輔助驅動器擴增這些揚聲器只會使得可能的干擾效應混合。此外，這種方法還會校正分頻器網絡的傳遞功能而不是該網絡以及這些驅動器的傳遞功能。盡管如此，沒有應用濾波器的驅動器仍會使頻率以特有的衰減度滾降。典型的低音喇叭使得高的頻率以大約12dB/倍頻程滾降，并且典型的高音喇叭從共振開始以大約6dB/倍頻程達到全輸出。這些特征用于確定“有效的”分頻器階數，分頻器階數是指由分頻器進行濾波的驅動器所實際顯示的頻率響應中的滾降衰減度。這與分頻器中電子濾波器的衰減度區別開來。有效的分頻器階數使得針對揚聲器設計的建議方法復雜化并且提供與雙聲道系統中的存在更多不同的低音喇叭和高音喇叭相對應的傳遞功能。因此，輔助驅動器的適當濾波器的設計變得更加困難，通常要求使用有源分頻器網絡。有源分頻器可用于使傳遞功能最優化，但與使用了輔助驅動器的方法一樣，是在不存在驅動器及其阻抗的情況下開發出來的，這取決于頻率。
[0010]近似無限的分頻器衰減度也導致輔助方法更加困難。這些分頻器典型地將許多連續的分頻段應用到揚聲器中的每個驅動器。因此，每對具有連續頻率的驅動器將需要很多輔助驅動器。然而，可以將設計具有近似無限的分頻器衰減度的揚聲器視為充分的改進。一對具有連續頻率的驅動器之間的干擾會減少，因為它們的頻率響應幾乎不存在重疊。雖然這些系統中的絕對數量的分頻器元件可能被認為是昂貴的，但這些揚聲器可以通過使相鄰電感器耦合以便在成本減小的情況下增大衰減度而得到增強。此外，還可以使用有源分頻器，但花費甚至更大。
[0011 ] 上述揚聲器設計使得這些驅動器并聯連接。揚聲器中的驅動器可以串聯連接以使某些干擾效應和相位效應最小化。具有串聯分頻器的揚聲器的可能缺陷是分頻器衰減度選擇有限、效率降低以及可能的設計減少。具有串聯分頻器的揚聲器通常需要具有類似阻抗的驅動器。可以將變壓器結合到串聯分頻器網絡中以使衰減度增大到至少2階。最近，已使用傳統的分頻器元件開發出2階、3階和4階串聯拓撲結構。
[0012]大多數情況下，即便不是全部，上述分頻器電路和方法也可包括阻抗補償網絡以使阻抗平滑并且改進相行為。可在單獨驅動器上視情況而定或在整個揚聲器上應用這些網絡。
[0013]本發明的技術減少了聲音再現中的相位效應和干擾效應并且減輕了揚聲器之間的包括揚聲器系統的成瓣控制誤差。揚聲器的垂直極坐標響應揭示了波瓣結構。揚聲器使得頻譜再現并且波瓣結構很大程度上取決于頻率。分頻器階數的增加使得驅動器重疊以及因此成瓣誤差(以下縮寫為“成瓣”)減少。盡管如此，成瓣仍保持為高的分頻器階數。此夕卜，揚聲器的包括揚聲器系統的波辧結構相互影響。
[0014]本發明的技術適用于成對揚聲器的使用了分頻器電路的現有技術。本發明的目的是與現有技術的分頻器，包括受歡迎的1階電子分頻器相比，減少相位失真并且減少干擾效應。
[0015]本發明的另一個目的是結合有對稱性概念，所述對稱性通過一對立體聲揚聲器中的有效分頻器階數的非對稱性進行補充以減少相位失真，而不會顯著增加成本。
[0016]本發明的又一個目的是結合有手偏性概念以使有效的奇數分頻器階數和有效的偶數分頻器階數與現有技術區分開來。這個概念還與指定極性結合使用。
[0017]發明概述
[0018]本發明的實施方案的垂直極坐標響應(VPR)揭示了與現有技術中的一對揚聲器相比，揚聲器系統中的兩個揚聲器之間的耦合。如果用于右聲道和左聲道的對應揚聲器具有同一種波瓣結構，那么在這些聲道之間存在成瓣效應和可能的效應。如果用于右聲道和左聲道的對應揚聲器具有互補波瓣結構，那么這些聲道之間的成瓣效應和可能的效應減少并且可能被消除。雖然成瓣取決于分頻器階數，但不管分頻器階數如何都會出現這種減少。例如，當分頻器階數增加時，驅動器重疊以及因此成瓣減少。然而，在分頻的兩個驅動器之間保持有相角，因為在分頻器頻率和相鄰頻率下，一個驅動器的響應上升而另一個驅動器的響應下降。
[0019]在低于擋板步頻率Vb的頻率下，再現變成全方向的并且成瓣減少以使得垂直極坐標響應接近理想球形。高音喇叭在上兩個倍頻程的再現中占據主導地位，以使得VPR接近理想半球形。然而，接近Vb的再現基本上成瓣。因此，選擇接近V b的分頻器頻率使得相統一最優化，如以下所討論。
[0020]如所描述，在本技術的示例中，右側揚聲器上的有效的三階分頻器保持為對稱的，而左側揚聲器上的有效的三階分頻器呈現非對稱性。然而，揚聲器系統僅僅是立體聲系統的使聲音再現或產生聲音的一部分。組合來像這樣起作用的接收器、集成放大器或單獨的組件在揚聲器的輸入上施加音頻信號的整個頻譜。電源諸如集成放大器等將來自音頻信號源諸如光盤播放機、其他數字源、麥克風或磁帶播放機的音頻信號放大。優選音頻分頻器電路將來自音頻信號源的音頻信號傳遞到揚聲器系統中的每個揚聲器(典型地，一對揚聲器)，以減少相位失真。這種分頻器電路包括超過一個濾波器并且本領域技術人員將了解，可將多個濾波器提供用于多個驅動器。可以將電阻器R適當地應用于每個驅動器，以使得每個揚聲器的頻率響應近似平坦。在該示例中，每個揚聲器都是雙聲道的，具有兩個驅動器，即低音喇叭和高音喇叭。這兩個驅動器同相地連接并且高音喇叭的負端子連接至用于每個聲道的電源的負端子。如前所述，典型的低音喇叭使得高的頻率以大約12dB/倍頻程滾降，并且典型的高音喇叭使低的頻率從共振開始以大約6dB/倍頻程滾降。因此，如果I階電子濾波器被應用于右側低音喇叭，那么總衰減為
[0021]-6dB-12dB
[0022]并且該低音喇叭使得有效三階濾波器以ISdB/倍頻程有效地滾降。此外，如果2階濾波器被應用于右側揚聲器中的高音喇叭，那么右側高音喇叭上的總衰減為
[0023]-12dB-6dB
[0024]并且該高音喇叭也以18dB/倍頻程有效地滾降。這樣一種低音喇叭和高音喇叭利用對稱有效三階分頻器進行濾波，因為這兩種驅動器的有效分頻器衰減度相同。對稱有效三階分頻器也可被稱為三階聲學分頻器，但本申請中并不使用后一種表示法。在雙聲道揚聲器中，對稱“有效η階”分頻器具有應用于高音喇叭的較高階數的電子濾波器。
[0025]然而，左側揚聲器上的有效三階分頻器呈現非對稱性。如果2階濾波器被應用于左側(LHS)低音喇叭，那么總衰減為
[0026]-12dB-12dB
[0027]并且該低音喇叭以24dB/倍頻程有效地滾降。然而，如果I階電子濾波器被應用于LHS高音喇叭，那么總衰減為
[0028]-6dB-6dB
[0029]并且該高音喇叭以12dB/倍頻程有效地滾降。因此，這是非對稱有效三階分頻器，因為這兩個驅動器的有效分頻器衰減度不同。然而，左側揚聲器中的這兩個驅動器的平均衰減為
[0030](12+24) dB/2
[0031]或18db/倍頻程，與左側揚聲器相同，并且也是有效三階的。在雙聲道揚聲器中，非對稱有效η階分頻器具有應用于低音揚聲器的較高階數的電子濾波器。
[0032]其他實施方案將這一原理應用于更高分頻器階數和更多數量的驅動器。例如，在由揚聲器組成的具有三個驅動器即低音喇叭、中音喇叭和高音喇叭的揚聲器系統中，右側揚聲器上的有效三階分頻器保持為對稱的，并且左側揚聲器上的有效三階分頻器保持為非對稱的，如前所述。因此，建立了將有效分頻器階數和手偏性結合起來的規則。奇數有效分頻器階數在針對上述極性的右側揚聲器中具有對稱性。
[0033]然而，偶數有效分頻器階數在針對上述極性的左側揚聲器中具有對稱性。例如，在由揚聲器組成的具有兩個驅動器即低音喇叭和高音喇叭的揚聲器系統中，右側揚聲器上的有效的四階分頻器呈現非對稱性，如所述，而左側揚聲器上的有效的四階分頻器是對稱的。在該示例中，與前述示例相同，這兩個驅動器同相地連接并且高音喇叭的負端子連接至用于每個聲道的電源的負端子。因此，如果2階電子濾波器被應用于左側低音喇叭，那么總衰減為
[0034]-12dB-12dB
[0035]并且該低音喇叭使得有效四階濾波器以24dB/倍頻程有效地滾降。然而，如果3階電子濾波器被應用于LHS高音喇叭，那么總衰減為
[0036]-6dB-18dB
[0037]并且該高音喇叭也以24dB/倍頻程有效地滾降。這樣一種低音喇叭和高音喇叭利用對稱有效四階分頻器進行濾波并且以同一個有效衰減度滾降。另外，在雙聲道揚聲器中，對稱有效η階分頻器具有應用于高音喇叭的較高階數的電子濾波器。此外，如果3階電子濾波器被應用于右側(RHS)低音喇叭，那么總衰減為
[0038]-18dB-12dB
[0039]并且該低音喇叭以30dB/倍頻程有效地滾降。此外，如果2階濾波器被應用于RHS揚聲器中的高音喇機，那么總衰減為
[0040]-12dB-6dB
[0041]并且該高音喇叭以ISdB/倍頻程有效地滾降。右側揚聲器上的有效四階分頻器呈現非對稱性，如前所述，其中RHS揚聲器中的兩個驅動器的平均衰減為
[0042](30+18)dB/2
[0043]或24db/倍頻程，與左側揚聲器相同并且也是有效四階的。可對是否存在以下情況即未濾波的低音喇叭典型地使高的頻率以12dB/倍頻程滾降以及未濾波的高音喇叭典型地使低的頻率以6dB/倍頻程滾降進行某種程度的討論。例如，未濾波的低音喇叭可能典型地使高的頻率以18dB/倍頻程滾降并且未濾波的高音喇叭典型地使低的頻率以12dB/倍頻程滾降。該討論并沒有進一步深入下去，因為用于使揚聲器相統一的突出特征是，未濾波的低音喇叭典型地使高的頻率以比未濾波的高音喇叭典型地使低的頻率滾降的衰減度陡6dB/倍頻程的衰減度滾降。
[0044]這種技術可以與其他電路相結合。例如，可以將RL電路串聯地應用于典型地正好位于濾波器前面的低音喇叭，以使擋板步衰減，該擋板步使得在再現的波長接近揚聲器擋板的寬度時，低音喇叭響應增加。此類具有較高階數分頻器的電路是受歡迎的。
[0045]這種技術也可與其他輔助電路相結合。例如，Zobel是典型地用于在低音喇叭或中音喇叭上進行阻抗校正的電路。當頻率增加時，低音喇叭、中低音喇叭、中音喇叭和中高音喇叭表現出阻抗的上升和輸出的減少。這些驅動器的音圈通常是足夠大的以展示出相當大的電感。此外，這些驅動器比高音喇叭更重且更慢并且當頻率增加時，經受錐體破裂模式。當頻率增加時，Zobel使得阻抗變平并且使得這些驅動器的滾降平滑。因此，Zobel電路妨礙了在降低的低音喇叭響應中，錐體破裂模式引起成峰度。Zobel也可被稱為相位校正電路并且由電阻器R與電容器C串聯組成，其中Zobel與所感興趣的驅動器并聯應用。Zobel電阻器和電容器(以下分別表示為RJPCz)的值通過以下等式給出:
[0046]Rz= 1.25Re (I)
[0047]Cz= Le/Rz2 (2)
[0048]其中Re是驅動器的DC電阻并且L 6是驅動器音圈的電感。針對R 2和C 2所選擇的值應當分別等于或超過根據等式(I)和(2)計算出的值。
[0049]相統一揚聲器的很多配置要求將Zobel應用于除高音喇叭之外的所有驅動器。然而，當分頻器頻率降低到接近Zobel被調整的頻率時，有時可以省略Zobel。另外，還可以將Zobel視為I階低通濾波器并且本發明偶爾可以通過消除與驅動器串聯連接的電感器來利用該Zobel。雖然假設LCR電路(典型地應用于高音喇叭)也將工作，但下面的附圖使用RCZobel電路。可以將經過恰當調整的LCR電路利用使阻抗中的輸出峰或共振峰變平的開凹口動作并聯連接到驅動器以形成電路凹口濾波器”，如同其通常被稱為的那樣。
[0050]有源分頻器網絡和應用了數字信號處理的電路以及它們的組合也可以實現本發明。以下展示了如何使用有源分頻器以及其中的電容器、電阻器、運算放大器和功率放大器來使揚聲器相統一。有源分頻器對于揚聲器設計來說可能更加笨拙，因為它們典型地比等效無源分頻器使用更多的元件。然而，與并聯分頻器在某種程度上相似，可以加入連續的段以增加有源分頻器的階數。可以根據本技術使用這一原理來在有源分頻器中開發更高的有效階數。
[0051]有時，當僅應用于具有超過兩個驅動器的揚聲器系統中的一個分頻器點時，本發明大大改進了再現。當本發明被應用于在約500Hz至2000Hz范圍(與擋板步的典型