用于扬声器单元的衍射叶片 |
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| 申请号 | CN201610042534.X | 申请日 | 2016-01-22 | 公开(公告)号 | CN105828256A | 公开(公告)日 | 2016-08-03 |
| 申请人 | 罗伯特·博世有限公司; | 发明人 | M.德莱; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于扬声器单元的衍射 叶片 。衍射叶片包含衍射叶片主体和衍射叶片边缘，以用于将进入具有对 角 的 波导 喇叭的声平面波拓宽。衍射叶片被设置在 声波 发生器的声衍射狭缝的特定焦距处以有效地形成细分的狭缝。由衍射叶片产生的被细分的 波形 在衍射叶片边缘处以及当它们在衍射叶片主体的末端处再结合时具有相同的 相位 /时间。因此，被细分的波形是彼此的镜像。焦距以及衍射叶片的宽度和 水 平长度被选择，以确保当来自被细分的狭缝的声平面波形再结合并作为被拓宽的声平面波从波导喇叭的对角离开时所述声平面波的相位和方向匹配。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种细长衍射叶片，所述衍射叶片用于拓宽进入波导喇叭的声平面波的声辐射图样，所述衍射叶片包括： |
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| 说明书全文 | 用于扬声器单元的衍射叶片[0001] 相关申请本申请要求于2015年1月23日提交的美国临时申请62/107,223的优先权，上述申请的全部内容以引用方式并入本文。 背景技术[0004] 有效的扩音系统的目的是为了限制从一个扬声器（或一排扬声器）到听众区的声音辐射。因此，需要具有不同辐射图样的扬声器。波导被用于通过使用用于输入、输出、和从输入到输出的过渡的不同几何构型来控制该辐射图样（即，声音从波导进行辐射所在的角度）。 [0005] 用于设计波导或喇叭的几何构型的技术对于在波导设计领域中的技术人员来说是已知的，且将不会被包含在本讨论中。然而为了理解本发明，对基本波导属性的解释是必要的。 [0006] 波导具有输入和输出。换能器被耦合至波导输入。大多数扬声器压缩驱动器具有圆形输出。由于波导被设计成在水平平面和竖直平面中独立地控制声音，因此波导在其输出处通常为矩形。波导的输入可以是圆形或矩形。如果不是矩形，则可能需要过渡部分以将换能器圆形输出转换成波导矩形输入。矩形输入的长尺寸通常处于竖直平面中，而短尺寸通常处于水平平面中。 [0007] 在长尺寸（竖直平面）中，过渡部分可能具有复杂的内部细节以使声波成形，并且，如果这样的话，其常被称为声波发生器。 [0008] 波导仅能够限制声波。因此，进入输入的声音必须以宽的角度辐射至波导中，以便波导能够将声音限制于辐射的预期角度。为了实现此目的，输入必须比换能器和波导将操作所在的声音的波长更小。 [0009] 在输入处的声辐射角度与声音的频率成反比。随着频率增大，在输入处的辐射角度变窄。对于给定的波导输入宽度，辐射角度随频率增大而减小。为了得到更宽的波导辐射角度，波导输入必须更小。由于高频率的波长是如此之小，因此使输入足够小以便在更宽的覆盖角度上在声学上满足波导是个挑战。 发明内容[0010] 本发明的目的是利用声衍射叶片以扰动在波导喇叭的输入处的声波波前并拓宽从其输出的辐射角度。该效应的主要机制是围绕衍射叶片的声波衍射。结果是衍射叶片扩大了高频限制，从而允许在更高的频率下保持更宽的辐射角度，从而产生在听众区域中的均匀覆盖性。 [0011] 本发明的另一个目的利用在声波发生器的输出的前面的声衍射叶片以使声波衍射以拓宽从其输出的辐射角度，从而允许在更高的频率下保持更宽的辐射角度，从而产生在听众区域中的均匀覆盖性。非常短的波长（高频率）导致覆盖角度减小。 [0012] 当在更高的频率下需要非常宽的水平覆盖图样时，利用衍射叶片；当需要狭窄的覆盖图样且衍射叶片是不必要的时，省去衍射叶片。在一个实施例中，本发明是为接近20kHz的声波提供恒定水平覆盖性的衍射叶片。 [0013] 在一个实施例中，本发明提供一种用于拓宽进入波导喇叭的声平面波的声辐射图样的细长衍射叶片，其包括：细长衍射叶片主体，所述细长衍射叶片主体具有一定长度；衍射叶片边缘，所述衍射叶片边缘具有大致沿所述细长衍射叶片主体的整个长度延伸的线性边缘；以及至少两个腿，所述至少两个腿用于将所述细长衍射叶片固定至声波发生器和波导喇叭中的至少一个，其中，所述细长衍射叶片主体相对于所述衍射叶片边缘的任一侧均是对称的，以便将声平面波分成两个共线的波形。 [0014] 在一个实施例中，所述细长衍射叶片的至少两个腿包括设置在所述细长衍射叶片主体的相应端部处的端部腿，所述端部腿在与所述衍射叶片边缘的方向大体上相对应且横向于所述细长衍射叶片主体的长度的方向上向外伸出。在另一个实施例中，所述端部腿向外伸出超出所述衍射叶片边缘，且包含被设置成向外超出所述衍射叶片主体的长度的安装表面，所述安装表面用于固定所述衍射叶片。 [0015] 在另一个实施例中，所述的细长衍射叶片的至少两个腿包括设置在所述细长衍射叶片主体的中心附近的细长中心腿，所述细长中心腿在横向于所述细长衍射叶片主体的长度的方向上向外伸出且伸出超出所述衍射叶片边缘，所述细长中心腿相对于所述衍射叶片边缘是对称的。 [0016] 在一个实施例中，用于拓宽从声波发生器进入波导喇叭的声平面波的声辐射图样的细长衍射叶片具有所述至少两个腿，所述至少两个腿被配置以在所述衍射叶片主体被设置在波导喇叭内的情况下将所述细长衍射叶片固定至声波发生器。 [0017] 在另一个实施例中，本发明提供一种扬声器单元，其包括：换能器单元，所述换能器单元用于输出声波；声波发生器，所述声波发生器包含在输出端处具有孔径宽度的大致矩形的声衍射狭缝，所述声波发生器具有配置为接收来自所述换能器单元的输出端的声波的输入端，所述声波发生器配置为从所述大致矩形的声衍射狭缝输出声平面波；波导喇叭，所述波导喇叭用于接收所述声平面波，所述波导喇叭具有输入端和输出端；以及细长衍射叶片，所述细长衍射叶片包括细长衍射叶片主体和大致沿所述细长衍射叶片主体的整个长度延伸的衍射叶片边缘，所述细长衍射叶片被设置在所述波导喇叭内并被定向成使得，所述衍射叶片边缘面向所述声波发生器的大致矩形的声衍射狭缝，其中，被设置在所述波导喇叭中的所述细长衍射叶片使从所述大致矩形的声衍射狭缝输出的声平面波进行衍射。 [0018] 在一个实施例中，所述衍射叶片沿所述声波发生器的中心轴线被设置，所述细长衍射叶片提供由分割所述声平面波的所述衍射叶片边缘形成的两个共线的波形，所述细长衍射叶片主体沿所述中心轴线被设置且被设置在所述波导喇叭的侧壁之间。 [0019] 在另一个实施例中，所述波导喇叭的所述输出端具有大致矩形的形状以输出声平面波，并且其中，所述波导喇叭的腔从所述输入端朝向所述输出端在宽度上对称地扩大。 [0020] 在一个实施例中，所述细长衍射叶片具有选定的尺寸，且所述细长衍射叶片基于所述大致矩形的声衍射狭缝的孔径宽度而被设置成与所述大致矩形的声衍射狭缝相距预定距离，其中，所述细长衍射叶片的尺寸和位置拓宽在所述波导喇叭的输入端处或在所述波导喇叭的输入端附近的声辐射图样，以扩大所述波导喇叭的高频范围。 [0021] 在一个实施例中，所述细长衍射叶片的尺寸由所述细长衍射叶片主体的长度、所述细长衍射叶片主体的宽度和水平长度限定，所述水平长度是从所述衍射叶片边缘至在所述细长衍射叶片主体上距离所述衍射叶片边缘最远的点的长度，且所述水平长度横向于所述细长衍射叶片的长度。 [0022] 在另一个实施例中，所述细长衍射叶片主体相对于所述衍射叶片边缘的任一侧均是对称的，以便将声平面波分成两个共线的波形，所述细长衍射叶片主体具有至少远离所述衍射叶片边缘处的凹形形状。 [0023] 在一个实施例中，所述细长衍射叶片包括至少两个腿，所述至少两个腿用于将所述细长衍射叶片固定至所述声波发生器和所述波导喇叭中的至少一个上。在另一个实施例中，所述至少两个腿包括设置到所述细长衍射叶片主体的相应端部处的端部腿，所述端部腿在与所述衍射叶片边缘的方向大体上相对应且大体横向于所述细长衍射叶片主体的长度的方向上向外伸出。在一个实施例中，所述端部腿向外伸出超出所述衍射叶片边缘，且包含被设置成向外超出所述衍射叶片主体的长度的安装表面，所述安装表面与所述声波发生器相接触以将所述细长衍射叶片固定至所述声波发生器。 [0024] 在另一个实施例中，所述至少两个腿还包括设置在所述细长衍射叶片主体的中心附近的两个细长中心腿，所述两个细长中心腿横向于所述细长衍射叶片主体的长度向外伸出且伸出超出所述衍射叶片边缘，所述两个细长中心腿相对于所述衍射叶片边缘是对称的，并且其中，所述两个细长中心腿配置为被设置在所述声波发生器的插槽中以将所述细长衍射叶片固定至其上。 [0025] 在一个实施例中，至少两个腿在所述细长衍射叶片主体被设置在所述波导喇叭内的情况下将所述细长衍射叶片固定至所述声波发生器。 [0026] 在另一个实施例中，所述至少两个腿包括设置在所述细长衍射叶片主体的中心附近的细长中心腿，所述细长中心腿横向于所述细长衍射叶片主体的长度向外伸出且伸出超出所述衍射叶片边缘，所述中心腿相对于所述衍射叶片边缘是对称的，并且其中，所述细长中心腿配置为被设置在所述声波发生器的插槽中以将所述细长衍射叶片固定至其上。 附图说明[0028] 图1示出了衍射叶片的透视图。 [0029] 图2示出了衍射叶片的俯视图。 [0030] 图3示出了安装到声波发生器的衍射叶片的透视图。 [0031] 图4示出了包括换能器单元、声波发生器和波导喇叭的扬声器单元的透视图。 [0032] 图5是扬声器单元的主视图。 [0033] 图6是在图5的VI-VI处截取的扬声器单元的横截面图。 [0034] 图7是在图6中示出的衍射叶片区域的放大图，其示出了衍射叶片主体、声衍射狭缝和波导喇叭的相对尺寸和位置。 具体实施方式[0035] 在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明并不将其应用局限于在以下描述中阐述或在以下附图中示出的结构的细节和部件的布置中。本发明能够有其它实施例，以及能够以各种方式被实践或执行。 [0036] 图1示出了用于拓宽声平面波的声辐射图样的细长衍射叶片20。细长衍射叶片20包含衍射叶片主体22，所述衍射叶片主体22包含衍射叶片边缘24，所述衍射叶片边缘24具有沿衍射叶片主体22的基本上整个长度延伸的线性边缘。衍射叶片主体22相对于衍射叶片边缘24的任一侧均是对称的，以便将声平面波分成两个共线的声平面波形。此外，衍射叶片主体22具有至少远离衍射叶片边缘24的凹形形状。 [0037] 细长衍射叶片20包含至少两个腿，通常是至少两个细长中心腿30，以用于将衍射叶片固定至声波发生器和波导喇叭中的至少一个上。两个细长中心腿30设置在细长衍射叶片主体22的中心附近，且在横向于衍射叶片主体22的长度的方向上向外地伸出。细长中心腿30延伸到衍射叶片边缘24之外，且如图2所示，中心腿相对于衍射叶片边缘的长度是对称的。中心腿30包含用于将衍射叶片20固定在声波发生器的插槽中的安装元件32。 [0038] 衍射叶片20包含至少两个细长端部腿34，其设置在细长衍射叶片主体22的相应端部处。细长端部腿34在大体上横向于细长衍射叶片主体22的长度的方向上向外地伸出，且向外伸出超过衍射叶片边缘24。另外，细长端部腿34包含向外地超出衍射叶片主体22的长度设置的安装表面36，以用于固定衍射叶片20。图2示出了衍射叶片20的俯视图，其中，端部腿34也少量向外伸出超出衍射叶片主体22的长度。 [0039] 图3示出了安装到声波发生器40的衍射叶片20。声波发生器40包含基本上矩形的声衍射狭缝42，所述声衍射狭缝42具有孔径宽度。声波发生器40部分地由两个半部44形成，所述两个半部44以螺栓/螺纹或其他方式固定在一起。在图3中，示出了被设置在声波发生器40之内的凸起部46和可选的薄垫片48。声波发生器40与在共同拥有的于2014年10月28日提交的美国专利申请序号14/525874中公开的用于将声波成形的波导类似，该专利申请的公开内容以引用方式并入本文。 [0040] 在图3中，在声波发生器40中在声衍射狭缝42的每个端部处形成有唇缘（未示出）。当安装到声波发生器40的表面上时，衍射叶片20的端部腿34弯曲以允许其插入至声衍射狭缝42中，且然后在相应安装表面36与相应唇缘保持面对面接触的情况下安置在衍射狭缝的端部处。另外，声波发生器40包含设置在声衍射狭缝42的相对两侧上的向内开口且面向的插槽（未示出）。衍射叶片20的相应中心腿30的安装元件32被配置为设置在声波发生器40的插槽中。因此，如图3所示，衍射叶片20被牢固地固定至声波发生器40，衍射叶片主体22与声衍射狭缝42隔开预定距离。 [0041] 图4是包含换能器单元52的扬声器单元50的透视图，所述换能器单元52在输出端处固定至声波发生器40的输入端。因此，声波发生器40在其输入端处接收换能器单元输出。另外，图4示出了具有输入端的波导喇叭60，所述输入端固定至声波发生器40的输出端，以便接收来自声波发生器40的声平面波。如图4所示，波导喇叭60具有带有第一波导喇叭侧壁 62和第二波导喇叭侧壁64的矩形形状。第二侧壁64比第一侧壁62以更大的角度开口。如图 4-6的实施例所示，侧壁62、64和波导喇叭端壁66形成腔68，所述腔68在波导喇叭60的输出端处具有基本上矩形的开口70。波导喇叭60的腔68从其输入端朝向其输出端在宽度上对称地扩大。 [0042] 在图4和图5中，衍射叶片20延伸声衍射狭缝42的整个长度。出于最小化与所述发明不相关的细节的数量的目的，在图5-7中未示出凸起部、换能器开口、和设置在声波发生器40内并穿过声衍射狭缝42可见的其它元件。 [0043] 图6是从图5截取的横截面图，示出了换能器单元52、声波发生器40、衍射叶片主体22和波导喇叭60之间的关系。出于说明的目的，衍射叶片20的腿在图6和图7中未被示出，且因此在其中仅示出了衍射叶片主体22。在图6和图7中示出了波导喇叭60的形状、和侧壁62、 64相对于彼此及相对于声衍射狭缝42的特定角度。图7是截取的扬声器单元50的部分的放大图，其中基本上矩形的声衍射狭缝42开口至图6的波导喇叭60中的位置。因此，图7清楚地示出了衍射叶片主体22与声波发生器40的基本上矩形的声衍射狭缝42的关系。而且，示出了波导喇叭60对准声波发生器40的声衍射狭缝42的匹配。 [0044] 图7还详细示出了衍射叶片主体22相对于声波发生器40的声衍射狭缝42及相对于波导喇叭60的第一侧壁62的相对位置和尺寸。波导喇叭60开口成由侧壁62限定的第一对角θ。图7示出了从声衍射狭缝42延伸的中心轴线X，所述声衍射狭缝42具有孔或狭缝孔径宽度A。衍射叶片主体22以中心轴线X为中心且衍射叶片边缘24在中心轴线X上并且面向衍射狭缝42。衍射叶片主体22沿中心轴线X对称地设置。因此，细长衍射叶片20被设置在波导喇叭60内并被定向成使得，衍射叶片边缘24面向声波发生器40的矩形声衍射狭缝42。另外，衍射叶片边缘24与声波发生器40的声衍射狭缝42的端部隔开预定间隙或焦距B，在该端部处，波导喇叭60的侧壁62以角度θ开口。图7示出了具有水平长度H和横跨衍射狭缝42的开口的宽度C的衍射叶片主体22。水平长度是从衍射叶片边缘24至在衍射叶片主体22上距离衍射叶片边缘最远的点的长度，且水平长度横向于衍射叶片20的长度。 [0045] 图7示出了，波导喇叭60的基本上矩形的狭缝输入与矩形的声衍射狭缝42无缝地匹配。根据衍射理论来计算从基本上矩形的声衍射狭缝42涌入至波导喇叭60中的波前的声辐射图样。该理论指出，声辐射图样随着频率增加而减少。若狭缝孔径宽度A过宽，则从该狭缝涌出的声音将过窄且将不会提供在波导喇叭60的对角θ的整个范围上的覆盖性。在实践中，当波导喇叭60的角度θ非常宽时，该效应在非常高的音频（通常为8kHZ以上）下发生。因此，在没有衍射叶片20的情况下，扬声器单元50在低于8kHZ的频率下通常是完全可操作的。 [0046] 为了在高的音频下操作扬声器单元50，如图3所示，衍射叶片20被固定至声波发生器40，且波导喇叭60也被固定至所述声波发生器。 [0047] 操作在操作中，图7所示的衍射叶片主体22将由波导喇叭60从声衍射狭缝42接收的声平面波分割至两个狭缝中。狭缝由波导喇叭60的各自的第一侧壁62以及将声波分割的衍射叶片边缘24和衍射叶片主体22限定。因此，为分离的声平面波提供两个分离的狭缝/路径。图7示出了由衍射叶片20产生的新形成的狭缝，所述狭缝每一个都基本上延伸衍射叶片的整个长度，且因此是长的且狭窄的。两个狭缝用作用于声平面波前的两个新的独立的声源，且在图 7中是对称的且为彼此的镜像。两个狭缝得到从波导喇叭60输出的两个新的波前，由于其宽度减小，每个波前都具有以更高的频率辐射至更宽的对角中的能力。因此，新的波前在更高的频率下匹配波导喇叭60的对角θ。 [0048] 由于存在的衍射叶片20以声干涉图样的形式从两个新的子波的形成产生了不想要的伪影（artifact），因此遍及所需的频率范围不容易获得所需的波前。这些干涉图样通常指的是声辐射图样中的“凸角”，且能产生比波导喇叭60的对角θ更宽的声辐射图样，从而引起从波导喇叭侧壁62、64的声反射。因此，选择衍射叶片20的各种选定的尺寸和距离以考虑到该情况。 [0049] 还选择衍射叶片20的形状、大小和位置以避免象散的极性特性。当从两个细分的狭缝辐射的声波不具有相同的焦距（即声波不在同一平面上）时，发生象散的行为。若离开细分的狭缝的声波的相位在衍射叶片20之后的再结合点处不匹配，则也将发生象散的行为。 [0050] 为了避免像散情况，第一标准是必须将衍射叶片边缘24以将原始孔以相等的整数倍分割成两个（或更多）均匀隔开且在同一平面中的狭缝的方式置于原始孔中，以使其具有包含沿衍射叶片边缘24的长度的长度的相同的焦距B。在图7中，一个衍射叶片主体22将原始输入狭缝孔径宽度分割成两半（A/2）。由于两个相等的被细分的狭缝是在垂直于声音传播方向的同一平面中，因此每个狭缝辐射在相同相位中在相同方向中具有相同能量的声波场。可以通过添加附加的衍射叶片来完成附加的分割，只要得到的被分割的声波场具有相同的焦距。 [0051] 被引入到波导喇叭60的输入孔中的衍射叶片20必须具有极小的初始轮廓、或者尖锐狭窄的衍射叶片边缘24，其对正在进入的波场提供最少的干扰。仅仅衍射叶片主体22的存在就确保将发生衍射。 [0052] 用于衍射叶片20的第二标准是离开波导喇叭60的两个波场必须以一致的方式再结合。选择衍射叶片20的焦距B、衍射叶片主体22的形状、宽度C、以及衍射叶片主体的水平长度H以便：1)用于两个离开或被分割的波形的压力压缩和稀薄区在衍射叶片边缘24处以及当它们在衍射叶片主体22的末端处再结合时具有相同的相位/时间；以及2)当两个被分割的波形在衍射叶片主体22的末端处再结合时它们的相邻边缘是共线的（沿波导的轴线基本上平行于彼此）。结果是，两个被分割的波形在再结合的接缝处是彼此的镜像、同相并且共线的。因此，波导喇叭60的侧壁62和沿中心轴线X设置的衍射叶片20在衍射叶片边缘24处将单个波分成两个分离的波。衍射叶片20的在长度H范围上从叶片的边缘24到主体22的末端的形状使各个波形成形，以便当所述波形重新结合以近似成单个波形时，它们是同相并共线的，所述单个波形以比在分割之前的单个波形更宽的角度辐射。因此，衍射叶片20具有选定的尺寸，且基于孔径宽度A与基本上矩形的声衍射狭缝42以预定距离被设置。 [0053] 在衍射叶片20感兴趣的频率下，侧壁64对由波导喇叭60输出的平面声波没有较大影响。然而，在更低的频率下，侧壁64对从波导喇叭60输出的平面波具有显著影响。 [0054] 另一个标准是衍射叶片20的宽高比的值，所述宽高比的值由衍射叶片20的宽度C对比其水平长度H确定。宽高比的值直接取决于狭缝孔径宽度A、波导喇叭的对角θ、和操作的所需频率范围。因此，改变尺寸和间隔以获得用于衍射叶片20的操作的所需频率范围。 [0055] 在有限的频率范围（大约二分之一倍频程）上实现了衍射叶片20拓宽在波导喇叭60的输入处或在波导喇叭60的输入附近的声辐射图样的益处。在一个实施例中，在低于其 8Khz的操作范围的更低的频率下，衍射叶片20的存在在扬声器单元50的操作中是可忽略的。在高于其操作范围的更高的频率下，比如20Khz以上，衍射叶片20引入相消干涉图样，其引起凸角和减少的同轴灵敏度。在不仔细选择选定的尺寸B、C和H的情况下，出现相消干涉图样。 [0056] 总之，所选尺寸B、C和H以及衍射叶片20的位置都被仔细选择以拓宽在波导喇叭60的输出处或在波导喇叭60的输出附近的声辐射图样，从而允许波导喇叭被声波图样完全照亮并扩大波导喇叭60的操作的高频范围。与不带有衍射叶片的扬声器单元相比，安装衍射叶片20使扬声器单元50能够以更宽的角度在更高的频率下输出声波。因此，衍射叶片20扩展了波导喇叭60的高频范围。 [0057] 在另一个实施方式中，衍射叶片20与波导喇叭60的输入端相邻地安装到波导喇叭60。除了上面阐述的用于衍射叶片20的带有腿30、34的安装结构以外，也可构思出其它安装实施例。这样的实施例包括紧固件、卡入至孔中的腿、和粘合剂，以便将衍射叶片固定至声波发生器40和波导喇叭60中的一个上。在另一个实施例中，衍射叶片20与波导喇叭60一体地形成。 [0058] 在一些实施例中，衍射叶片20是模制塑料材料。由于为腿30、34提供了在负载下的一定灵活性以协助将衍射叶片20安装到声波发生器40，因此该材料通常不是完全刚性的。 [0059] 虽然示出了单个衍射叶片20，但其它实施例提供了隔开并平行的多个衍射叶片，以将声波分割成多个波前。由多个衍射叶片提供的路径均具有相同的属性B、C、H。 |
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