背景技术
[0001] 本公开涉及一种具有扬声器的音频设备。
[0002] 声腔中的
互调失真(IMD)会限制头戴式
耳机的播放音量。当相对较大的换能器漂移引起
马达
力常数变化时，会导致不期望的
频率分量，从而可能发生IMD。耳外式耳机(其中声
辐射器被保持在耳朵附近，但不在耳朵上或耳朵内)大致以更高的振幅驱动，以便向耳朵提供期望的声级。在较高振幅下，IMD可能会成为更大的问题。因此，对于耳外式耳机，IMD可能是一个特别的问题。
发明内容
[0003] 下文提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。
[0004] 在一个方面，一种音频设备包括：从第一侧发出声辐射的声辐射器；
外壳，该外壳限定接收从声辐射器的第一侧发出的声辐射的声腔；以及第一和第二发声出口，该发声出口在外壳中并且声学上联接到声腔，使得出口从声腔发出声音。第二发声出口的等效声阻抗比第一发声出口大。
[0005] 实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。第一发声出口可大致沿着第一发声轴线发出声音，并且第二发声出口可大致沿着第二发声轴线发出声音。第一发声轴线和第二发声轴线可横向于换能器轴线。在一个非限制性示例中，第一发声轴线和第二发声轴线大致垂直于换能器轴线。第一发声出口和第二发声出口可具有大致相同的面积。第二发声出口可被
电阻筛
覆盖。电阻筛可具有约1000mks rayl的声阻抗。最大换能器体积与声腔体积的比率可为至少约0.2。
[0006] 实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。音频设备还可包括适于佩戴在用户身上的
支撑结构，其中当支撑结构被佩戴在用户身上时，支撑结构将声辐射器保持在靠近但不覆盖用户耳朵的
位置。第一发声出口可朝向耳朵发出声音。第二发声出口可背离耳朵发出声音。第一发声出口可大致沿着第一发声轴线发出声音，并且第二发声出口可大致沿着第二发声轴线发出声音。第一发声出口和第二发声出口可彼此直接相对，使得它们的发声轴线大致平行。第一发声出口可包括外壳中的第一狭槽，并且第二发声出口可包括外壳中的第二狭槽。第一狭槽可大致沿着第一发声轴线发出声音，第二狭槽可大致沿着第二发声轴线发出声音，并且第一狭槽和第二狭槽可彼此直接相对，使得它们的发声轴线大致平行。
[0007] 实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。外壳可为大致圆柱形。壳体可包括与声辐射器隔开并与其相对的大致圆形的端壁，并且声辐射器可大致沿着大致垂直于端壁的换能器轴线发出声辐射。外壳还可包括与端壁相接的
侧壁。第一发声出口可包括外壳中的第一狭槽，并且第二发声出口可包括外壳中的第二狭槽，其中第一狭槽和第二狭槽大致位于侧壁中靠近其与端壁相接的位置。第一狭槽和第二狭槽可沿直径相对。第一狭槽和第二狭槽可各自在外壳侧壁的周边的大约70度周围延伸。
[0008] 在另一方面，一种音频设备包括：从第一侧发出声辐射的声辐射器；以及大致圆柱形外壳，该大致圆柱形外壳限定接收从声辐射器的第一侧发出的声辐射的声腔。外壳包括与声辐射器隔开并与其相对的端壁。存在与端壁相接的侧壁。声辐射器大致沿着大致垂直于端壁的换能器轴线发出声辐射。外壳中具有第一和第二发声出口，该发声出口声学上联接到声腔，使得出口从声腔发出声音。第一发声出口包括外壳中的第一狭槽，并且第二发声出口包括外壳中的第二狭槽。第一狭槽和第二狭槽是沿直径相对的，并且大致位于侧壁中靠近其与端壁相接的位置。第二发声出口的等效声阻抗可比第一发声出口大。声音设备还可包括头带，该头带被佩戴在用户头部上并且将声辐射器保持在靠近但不覆盖耳朵的位置。
附图说明
[0009] 图1是扬声器和用于驱动扬声器换能器的部件的示意图。
[0010] 图2是具有靠近但背离用户耳朵的扬声器的音频设备的局部侧视图。
[0011] 图3A是图2的音频设备的扬声器的透视图。
[0012] 图3B示出了图3A的扬声器，其中外壳被部分拆卸。
[0013] 图4是图2和图3A的扬声器的侧视图。
[0014] 图5A是图2、图3A和图4的扬声器的顶视图。
[0015] 图5B是沿图5A的线5B-5B截取的横截面图。
[0016] 图6A、图6B和图6C是示出图2至图5的扬声器的声腔中IMD的示例的曲线图。
具体实施方式
[0017] 本发明的扬声器通常但不一定用于诸如耳外式耳机的音频设备中。扬声器包括声辐射器(
驱动器)，该声辐射器向由外壳限定的小声腔发出声辐射。具有单个发声出口的声腔具有基频谐振，其中腔内的
驻波在与出口相对的位置处具有高振幅。根据声辐射器的特性，该高压可以引起IMD的方式调节辐射器的行为。可通过在压力振幅最高的区域附近创建与第一出口相对的第二出口来减小谐振的振幅，从而减小IMD。如果第二发声出口被设计成结合声阻元件(诸如紧密编织的网筛)，则可显著减小谐振的振幅，从而减小IMD。此外，如果期望第一出口将声音导向耳朵(例如在头戴式音频设备上或佩戴在上半身的音频设备上)，则将电阻元件添加到第二出口将在较宽的
频率范围内减少从第一出口期望的声音发出的损失。如果电阻元件的声阻抗过高，则第二出口的总声阻抗将接近硬壁的总声阻抗。声阻的中间值(在空气的具体声阻抗的大约一到五倍之间)将最大程度地降低谐振。最佳配置是工程折衷方案；一般来讲，最好使用足够低的电阻来充分减小基腔谐振的振幅，但保持电阻足够高以引导大部分声音从第一出口流出。约1000mks rayl(P*s/m)的值通常是最佳值。
[0018] 图1的元件在
框图中示出并描述为离散元件。这些元件可以实现为模拟
电路或数字电路中的一者或多者。作为另外一种选择或除此之外，它们可用执行
软件指令的一个或多个
微处理器来实现。软件指令可包括数字
信号处理指令。操作可由模拟电路或由执行软件的微处理器执行，该软件执行等效模拟操作。信号线可被实现为离散的模拟或
数字信号线，具有能够处理单独信号的适当
信号处理的离散数字信号线，和/或无线通信系统的元件。
[0019] 当在框图中表示或暗示过程时，步骤可以由一个元件或多个元件执行。步骤可一起执行或在不同时间执行。执行活动的元件可在物理上彼此相同或靠近，或者可在物理上分开。一个元件可执行不止一个框的动作。
音频信号可被编码或不编码，并且可以以数字或模拟形式发射。在一些情况下，从图中省略了常规
音频信号处理设备和操作。
[0020] 图1示意性地示出了示例性扬声器10。扬声器10包括具有振动膜22的声辐射器(驱动器)20。驱动器20大致沿着换能器轴线24(换能器轴线24是与换能器锥体的轴向运动对准的轴线)向由外壳12限定的前声腔14发出声辐射，外壳12具有侧壁16和17以及端壁18。外壳12还限定背腔15。外壳12可具有期望的形状，诸如作为两个非限制性示例的大致矩形或大致圆柱形。第一发声出口30声学上联接到声腔14，并且大致沿着轴线32发出声音。第二发声出口34声学上联接到声腔14，并且大致沿着轴线36发出声音。在一个非限制性示例中，出口
30和34分别位于侧壁16和17中，并且直接相对，使得轴线32和36至少大致平行，如图所示。
在一个非限制性示例中，出口30和34的尺寸相同，并且通过在开口34上添加电阻筛35，出口
34的声阻抗增大到出口30的声阻抗之上。出口34可被构造成通过其他方式(诸如通过使出口34小于出口30)而具有比出口30更大的声阻抗。
控制器和
放大器模
块26提供由驱动器20转换的声信号。在一些非限制性情况下，诸如当扬声器10是无线耳机的一部分时， 片上系统(BT SoC)28可无线接收模块26用于生成声信号的数据。
[0021] 需注意，主题扬声器可用于其他无线或有线耳机，或被设计成佩戴在身上(例如，头上或上半身)的扬声器的其他构型。主题扬声器还可用于具有相对较小声腔但需要产生相当大的SPL的其他类型的声源。其中可使用主题扬声器的音频设备的非限制性示例包括：需要在尺寸上最小的颈外扬声器系统，该扬声器系统可能具有非常小的前声腔，其中IMD可能是问题；和诸如音棒或便携式扬声器的非常薄的外部扬声器，其中前声腔可能非常小，尤其是在出口垂直于换能器轴线的情况下。即使耳朵不在扬声器附近，IMD也可能是令人不快的，因为任何IMD都会辐射到空气中，并且如果声源的SPL高到足以到达听者，则会被听者听到。
[0022] 在单个发声出口通常指向耳朵的耳外式耳机中，声腔中的驻波可导致IMD，尤其是在较高SPL的情况下。可通过在外壳中使用两个发声出口来减小IMD。来自一个出口的SPL朝向耳朵，而来自另一个出口的SPL背离耳朵。具有两个相对的出口使基腔谐振向上移动，从而导致IMD减小。
[0023] 在一些非限制性示例中，一个发声出口被设计成等效声阻抗比另一个发声出口的等效声阻抗大。当第一出口朝向耳朵发出SPL并且第二出口与第一出口相对时，第二出口的等效声阻抗可比第一出口的等效声阻抗大。结果是，除了在基频附近外，流过第二出口的流量最小。这可以允许较高的SPL在耳朵处具有较低的IMD，以及较少的溢出声音。需注意，扬声器可能具有两个以上的发声出口。
[0024] 第二发声出口可被设计成呈现惯性或电阻。一般来讲，预期电阻将是比惯性更有效的实施。在这方面需要考虑若干影响。首先，因为阻尼谐振的调制比尖锐谐振的调制更令人不快，所以预期阻尼腔谐振可能会减少IMD。电阻将有助于阻尼腔谐振，而惯性则不会(除了它将具有一定的辐射阻尼之外)。另外，预期将基腔谐振频率向上移动将减少IMD与换能器的交互作用；电阻和惯性都可改变腔谐振频率。此外，通常期望将声音从第一发声出口导向耳朵，尤其是在低频率下，但是添加一个或多个另外的发声出口必然会转移/减小来自第一出口的输出。在减小IMD和为扬声器的期望目的留下足够的输出之间存在平衡。在第二出口有电阻的情况下，第二出口的输出将具有相对于第一出口的低频率的一阶滚降。在第二出口有惯性的情况下，第二出口的输出将是低频率下第一出口输出的某一恒定比率，如分流器。与电阻相关的滚降通常是优选的。因此，设计第二出口以表现出惯性可能提供一些IMD改善，但仅在腔谐振频率发生偏移并且该频率对扬声器来说是有问题的情况下。当第二出口具有电阻时，腔谐振的阻尼很可能有助于减小IMD，而与特定换能器无关。
[0025] 图2-至图5中示出了用于耳外式耳机的示例性扬声器。图2至图5中所示的扬声器仅是本公开的扬声器的一个非限制性示例，并且不限制本公开的范围。音频设备59包括扬声器50和经由
接口结构51承载扬声器50的支撑结构58。电力和音频信号的布线可通过结构51通过振动膜91连接到声辐射器90。支撑结构58通常适于佩戴在身上或由身体携带，使得扬声器50位于佩戴者的耳朵附近。例如，支撑结构58可为耳机中所用类型的头带，但适于使得扬声器50位于耳朵60或耳道62附近但不在耳朵60或耳道62上或耳朵60或耳道62内。支撑结构58也可以是颈带或适于以另一种方式佩戴在用户头部或上半身上的支撑结构。头带和颈带在本领域中是已知的，因此在此不再进一步描述。
[0026] 扬声器50包括限定内部声腔92的外壳52(图5B)。在本非限制性示例中，外壳52包括由大致圆形的端壁73在一端封闭的大致圆柱形构件(侧壁部分)72。狭槽80和82限定在外壳52中并且与声腔92声学上连通，使得狭槽充当发声出口。狭槽中的一个(该示例中的狭槽82)被
定位成使得其大致沿发声轴线54发出声音。另一个狭槽(该示例中的狭槽80)定位成使得其大致沿发声轴线56发出声音。在一些示例中，轴线54和56大致平行。在一些示例中，轴线54大致朝向耳朵60或耳道62，而轴线56大致背离耳朵。在该示例中，沿着轴线54发出声音提供传送到耳朵的主要SPL，而沿轴线56发出声音在耳朵处产生较小SPL。一般来讲，两个狭槽(出口)的行为大致类似于点源，因此每个狭槽(出口)大致类似于全向辐射源，尤其是在低频率下。
[0027] 声腔92相对较小，部分地是为了保持扬声器的形状因数较小，使得其在佩戴时不太显眼。如图5B最佳所示，声腔92在一侧由振动膜91限定，在相对侧上由大致圆形的端壁73限定，端壁73是按扣配合到大致圆柱形侧壁部分72上的顶盖71的一部分。在一个非限制性示例中，腔92具有仅约400mm3的体积。由于振动膜91限定腔的一侧，但是在将音频信号转换为声音
时移入移出，因此它的运动改变腔的体积。限定声腔相对较小尺寸的一种方式是通过最大驱动器体积位移(在振动膜91的示例中为约91mm3)与腔体积(在腔92的示例中为约400mm3)之间的比率。这一比率为约0.23。据信，比率从略小于0.23到大于0.23(可能约0.2以上)的腔可能受到本文所述的IMD问题的影响，因此可受益于本文所述的解决方案。另外，驱动器90大致沿着换能器轴线93发出声音，换能器轴线93大致垂直于端壁73的内部。这种布置可导致腔92中的驻波基频谐振，这导致在围绕基频的频率处的IMD。如果扬声器50仅具有单个出口(例如，狭槽82)，则声腔92中的驻波谐振导致相对较低频率的IMD。IMD有效地限制了可传送到用户的高
质量声音的振幅。添加第二声腔出口(例如，相对的狭槽80)有效地使腔驻波谐振的频率加倍。这导致较小的IMD，从而允许以较高的振幅播放较低的频率，并且还产生更好的音频质量。
[0028] 在一个非限制性示例中，轴线54和56横向于轴线93，并且更具体地，可大致垂直于轴线93。在一个非限制性示例中，狭槽80和82是相同的并且直接相对，使得轴线54和56基本上重合。在一个非限制性示例中，狭槽可为约10.2mm宽和1.5mm高，并且围绕侧壁部分72的圆周延伸大约70度(例如，72度)。特定弧长可能对扬声器的操作没有显著影响。然而，弧越大，出口就越不像点源，这可能会限制出口放置在耳朵附近时声音的响度，因为较长的弧将使部分开口远离耳朵。另外，较长的弧将预期降低基频前腔谐振，因为它将有效地缩短从腔壁到出口的最长距离。在一个非限制性示例中，狭槽80和82位于侧壁部分72的上边缘的正上方，在此处它与顶盖71相接。狭槽可通过适当地成形顶盖71来形成，使得当顶盖71接合在侧壁部分72上时，狭槽由顶盖和侧壁部分之间的间隙形成。
[0029] 添加第二出口可有效降低IMD。然而，每个出口都有助于从扬声器发出声音。在出口面积相同的情况下，声音从两个出口均匀地发出。由于一个出口背离耳朵，所以第二出口减少了朝向耳朵的SPL。这种布置方式还导致更多的声音溢出，这通常是不可取的。如果背离耳朵的出口(例如，出口80)被布置成等效声阻抗比朝向耳朵的出口(例如，出口82)的等效声阻抗高，则可实现耳朵处较高的SPL和较少的溢出。两个出口的不同等效声阻抗可以方便的方式实现。一种方式是利用增大被覆盖开口的等效声阻抗的电阻筛来覆盖开口80。这在图1中示出，其中筛35覆盖开口34，而开口30未被筛覆盖，或者可能用具有低得多的声阻抗的筛覆盖。在一个非限制性示例中，筛35(或未示出的覆盖开口80的筛)是由Saati Americas Corp.(位置在美国南卡罗来纳州喷泉酒店)制造的1000mks rayl
聚合物筛。开口82可保持完全打开，或者可由也可购自Saati Americas的6mks rayl筛覆盖，该筛提供一定的耐
水性，同时基本上不改变开口的声阻抗。对于图2至图5中所示的扬声器，与第一开口相比，1000mks rayl筛使第二开口的总声阻抗的大约增至三倍。实现不同等效声阻抗的另一种方式将是创建具有不同面积的开口，因为阻抗与面积相关。
[0030] 图6A至图6C分别示出了具有单个出口的声腔中的IMD、当将第二相同的出口添加到声腔时IMD的减小，以及当第二出口具有比第一出口更高的有效声阻抗时IMD和输出SPL的变化。
[0031] 本公开涉及具有声腔的扬声器，该声腔减轻了调制失真，该调制失真被认为是由于驱动器辐射到的声腔的宽度上的声谐振而产生。在图2至图5的扬声器中，并且如图6A至图6C的曲线图所示，该谐振的频率约为5kHz。当在存在引起较大换能器位移振幅的低频
音调的情况下播放5kHz音调时，会导致IMD。
[0032] 在图6A至图6C中给出结果的测试中，用于产生数据的测试信号是两个音调的和，即有问题的5kHz音调和典型的160Hz低频。160Hz输入的振幅比5kHz输入的振幅高20dB。在理想的线性系统中，声腔中单个开口的口部处的输出压力也将仅由这两个频率组成。然而，声腔的非线性导致以160Hz的间隔聚集在5kHz输出音调周围的失真音调的出现。在图6A至图6C中，取5kHz输出的振幅为0dB。
[0033] 图6A的曲线图示出了如图2至图5所示的扬声器的结果，但是只有一个出口(该出口通常指向耳朵)而不是两个相对的出口。在音乐内容的收听测试中，失真频率高于和低于5kHz的高水平失真产物(几乎全部都大于-10dB)被判断为是无法接受的。5kHz的声谐振至少部分地是因为声腔的几何形状—其特定尺寸和形状而发生。在具有一个出口开口的情况下，腔的作用类似于四分之一波谐振，其中在开口处压力振幅最小(几乎为零)，而在相对壁上压力振幅最大。
[0034] 在图6B的曲线图中，在顶盖的相对侧上形成第二开口(即，扬声器是图2至图5中所示的扬声器)。这个第二开口基本上消除了5kHz的谐振。失真减小到约-18dB或更小。一半的声音从第二开口发出，这降低了耳朵的低频压力，可能降低了多达6dB。结果类似于完全移除顶盖71(曲线图中未示出结果)。因此，剩余的失真是由于前盖之外的部件造成的。据信，剩余的失真是由于系统非线性，尤其是马达动力和悬架
刚度随轴向音圈位置的变化所致。
[0035] 在与第一开口相对的壁上添加第二出口使得两个开口处的压力最小。在两个相对的压力最小的情况下，谐振发生的频率大约是原始谐振的5kHz频率的两倍。在图2至图5所示的扬声器的情况下，这种新的第一谐振为约8kHz。8kHz的谐振导致8kHz的一些失真，但这不是操作问题，因为8kHz的IMD最小，这可能是因为无论导致IMD的第二交互因子是什么，在8kHz都不突出。
[0036] 在图6C的曲线图中，第二开口覆盖有1000mks rayl声学网目。这增加了初级开口处的输出，但也略微增加了失真。在这种情况下，1000mks rayl的值最多产生约-14dB的失真级别。根据第二开口的筛电阻值，开口看起来或多或少类似于关闭或打开的壁。但筛也增加损耗，从而阻尼所有谐振。用于形成图6C的测量值的1000mks rayl筛是一个很大的值，大部分的方式都是有效的“关闭”。如果使用较低电阻的筛，则损失将会较小，使得开口看起来更“打开”，但更多的SPL将通过第二开口
泄漏出来。
[0037] 已描述了多个实施方式。然而，应当理解，在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下，可进行附加
修改，并且因此，其他实施方案在以下
权利要求书的范围内。
