本发明所述的最佳实施例涉及一种外形设计呈细长形或杆形的声 音发生器，它可以用于从超声频至次声频大范围频谱的辐射。其具体 特点包括具有可调节的输入阻抗、可调节的频谱指向性、可调节的频 谱等相线平面、可调节的效率和可调节的封闭容积。本发明所述最佳 实施例中的所谓细长形定向声辐射器可用于话音、信号和音乐的传输， 诸如消除噪声等的防声处理，乐器的放大器和与此相反作用的定向传 声器。

普通声音发生器(如电动扬声器、警笛、空气调节装置)通常是 以单极子声源在中频和低频范围内进行辐射的。本发明所述系统却可 以单极子、偶极子、心形或结合的声源在任何要求的指向性条件下工 作。这种系统能够避免高频时经常出现的不必要的声音集中和分散， 而且，与同尺寸的声音发生器相比，辐射声音的波长要小些。

本发明所述系统克服了许多现用电动扬声器通常存在的问题。例 如，带有线圈和悬挂装置的振动薄膜会形成带有共振的高阻尼的多弹 簧装置，这种装置具有非线性的相位响应。应用以往技术的装置的其 他不利因素还包括：振动薄膜、线圈和与位移有关的悬挂力的惯性作 用，振荡薄膜的作用衰减和薄膜的不必要的部分振荡。这些因素的组 合造成了振幅和相位的非线性变化。

普通扬声器的传声效率通常不足5％。由于扬声器作用方法的缘 故，它们的设计受到严格的限制。对在中频和低频范围内的大功率声 辐射来说，往往出现薄膜正、反两面之间的流体动力短路，这是必须 避免的。因此，容纳扬声器振动薄膜的外壳必须要大，即此外壳必须 有较大的容积，以确保封闭容积内空气的强度较小，进而确保多弹簧 系统的共振较小并能进行低频辐射。外壳壁必须重而坚固以免出现振 动。此外，外壳应加衬一层阻尼材料，以阻尼外壳容积内空气出现的 驻波。

因此，本发明的一个目的是提供一种细长形声音发生器，工作于 自超声频至次声频的大范围频谱中，并具有可调节的输入阻抗、可调 节的频谱指向性、可调节的频谱等相线平面、可调节的频谱效率和可 调节的外壳尺寸。

根据本发明，以上目的通过以下方法实现：提供一种杆式定向辐 射器(图1)，它包括一个激励器(11)，该激励器可直接地或通过 一个匹配器(12)激励一个长杆式机械波导，使机械波沿波导轴向以 频谱速度CW运动，导致产生局部位移ξ，机械波的如此位移经过机械 声转换器元件(14)转换成衰减的局部声辐射。波导的末端装有一个 阻抗终端(15)。衰减的局部声辐射的叠加导致综合声辐射的增强， 而且，波导的频谱输入阻抗、频谱指向性、频谱等相线平面和频谱效 率可以由一个或多个激励点、波速、波导的长度、局部位移、机械声 转换器元件和阻抗终端的特性来调节。外壳容积的必要尺寸则取决于 波导和转换器元件的特性。 本发明的概述

本发明的实施例具有多种物理结构，根据以下所述公式确定的相 互关系，确定了一个频谱向量负荷Λ和一个相应的频谱向量位移ξ(以 下所有变量若未加具体说明均指频谱变量)。 Λ＝{力、动量……}  ξ＝{距离、角度……} 相应变量(如力-距离、动量-角度)由频谱阻抗Z来连接，即： $Z=\Lambda /\stackrel{.}{\xi }$ 谐波激发时激励器(指示代字为“E”)的频谱功率PE为： 可作用于长杆式辐射器的有效机械功率(即PE的实用部分)取决于激 励和阻抗。对负荷激励来说，低阻抗较有利；对位移激励来说，高阻 抗为宜；对一般激励来说，可以使用所有已知的辐射器或激励器，诸 如电动、压电-电动、机械驱动、气动、液压和热驱动的均衡或非均 衡激励器，谐振器，机械振动激励器或任何振动装置(发动机表面等)。

根据以下数学关系而制作的下述最基本形式的本发明实施例包括 以下主要部件：一个能产生机械波能量的激励器或驱动器(11)，一 个细长的波导(13)，多个可将机械波能量转换为作用于四周环境的 声输出信号和一些尽可能降低前行波反射的所谓阻抗终端(14)，此 外，为确保激励器(11)发出的机械能量有效地传导至波导(13)， 还可能需要一个匹配器(12)。如此综合组成结构如图1所示。

从广义上说，本发明就是要提供一种能辐射同相位和指定方向的 声学能量的发声器。激励器(11)提供的是机械波传播源，所选用的 匹配器(12)连接在激励器和波导之间。长杆式波导(13)用一定材 料制作成一定形状，构成一个能传导来自激励器的机械波的传输媒体。 本系统的核心部件是沿波导配置的多个转换器元件，这些转换器元件 与波导机械相连，其结构视以下方面的不同而与波导结构有别：i声 学形状；ii材料构成；iii结构取向；iv三维复阻抗或iv以上四方面 的任一组合。各转换器元件都有一定声学形状，以利于将来自波导的 机械量转换成对向环境媒体的声波输出信号。为了发出单极子声辐射 信号，在组合而成的波导中应至少含有一个转换器元件。阻抗终端与 波导之间可以传声，阻抗终端的作用是尽量降低沿波导传播的前行波 的反射。

取代一个激励器，也可在不同位置点或沿波导轴向连续配置多个 激励器。必要时，可使用现有的装置和方法预先矫正激励器发出的信 号。如果激励器的输出阻抗和波导的输入阻抗不相匹配，可以使用一 个附加的匹配器使两种阻抗相互匹配。如果输入阻抗未加任何附加说 明，则说明匹配器与波导的阻抗或未附加匹配器时的波导阻抗是平均 的。

匹配器有一个输入阻抗和一个输出阻抗，在传输大功率机械能量 时，在负荷激励条件下输入阻抗要小，而在位移激励条件下输入阻抗 要大。匹配器的输出阻抗必须与波导的输入阻抗相匹配，如果阻抗匹 配的形成没有出现损耗或其他消耗，则可用下式表示(匹配器输出和 波导输入均不带指数，即x＝0)： $P_E=\frac{1}{2}{\hat{\Lambda }}_E\stackrel{\widehat{.}}{\xi }E=\frac{1}{2}\hat{\Lambda }(x=0)\stackrel{\widehat{.}}{\xi }(x=0)=P(x=0)$

为了匹配和传导阻抗，可以使用所有已知的硬件技术解决方法(诸 如杠杆、指数曲线形喇叭、传动箱、齿轮、曲柄和凸轮装置、液压或 气动传动装置、机械网络等机械传动装置)。长杆式波导用来引导激 励器和匹配器形成的机械波。

波导用于频谱辐射的有效长度(L)可短于波导的实际长度。机械 波(如纵向波、准纵向波、弹性波、横向波、扭力波、弯曲波和这些 波的组合波等)沿波导轴的正向(X)以波速CW运动。针对不同的特 性，均匀式和准均匀式波导(坐标X)与分段式和准分段式波导(分 为N段，且N≥1，各段长度Li和指数i为恒量或变量)可以下述方法 区分： Li＝ LiCWi分段式和准分段式

(1)均匀式波导：沿X方向的特性不变(如导线、导带、导管、 通管)；

(2)准均匀式波导：不发生突变，但沿X方向的特性逐渐变化(如 螺旋体、喇叭、波形体)；

(3)准分段式波导：沿X方向的特性发生突变，但波导为整体结 构(如图6所示的截断弹簧式折叠波导)；

(4)分段式波导：波导特性沿波导轴向发生突变，波导由多段组 成(如带有附加物的导线、带有备用附加物和弹簧的波导)。

所谓波导特性是指波速、局部阻抗、出口结构和其他已知的材料 特性值或参数。分段式波导的每一段可由几个机械部件组成。波导的 局部波速可以用纵向波导来计算(其他波导的局部波速可以用类比或 相同方式计算)。 $c_W\left(x\right)=\sqrt{E\left(x\right)/\rho \left(x\right)}$ 均匀式和准均匀式 $c_{\mathrm{Wi}}=L_i\sqrt{C_i/M_i}$ 分段式和准分段式 式中，E(X)为局部频谱弹性模数，ρ(X)为局部密度，Ci为强度， Mi为第i段的质量。非反射式或非限定式纵向波导的局部频谱阻抗可 用下式计算(m’是均匀式或准均匀式波导单位长度的质量)： Z(x)＝m′(x)cW(x)    均匀式或准均匀式 $Z_i=\frac{M_i}{L_i}{c}_{\mathrm{Wi}}$     分段式或准分段式

波导起点的阻抗x＝0是输入阻抗，对于单位长度质量、波速保持 恒定不变且配有不需矫正的匹配器的非反射式波导来说，输入阻抗是 恒定值。为传输大功率机械能量，单位长度的波导质量和波速要高些。 相对局部阻抗的输入阻抗可通过机械声转换器元件的特性、输出阻抗 和匹配器的特性来调节。机械波导致出衰减的局部位移ξ(x，t-x/cW)， 衰减时间x/cW即为机械波以波速开始运动的时间x＝0至运动到达位置 点x所经过的时间。

通过同时使用激励器和匹配器，可以将几种波速不同、相互独立 的机械波(纵波和横波)引入波导内。机械声波转换器元件将来自波 导的局部位移ξ(x，t)转换成局部容积加速度dv(x，t)或作用于大气的 局部作用力dF(x，t)。局部容积速度导致局部的单极子辐射或局部作 用力的双极子辐射。转换器元件可以制成均匀式或准均匀式和分段式 或准分段式，但不一定采取波导相同的制作方式，例如，机械声波转 换器元件可以部分或全部地置入波导中。由于可以配用一个或多个转 换器元件，以下一个转换器元件的举例即可以代表多个转换的举例。 波导和转换器元件可以构成一体，也可以分离，因此，“波导/转换器 元件”一语即可以分指波导或转换器元件，也可以指二者组合体。在 以类比方法计算作用于大气的作用力 时，考虑以下因素 是必要的，只是这里不作细述。均匀式或准均匀式和分段式或准分段 式机械声学“王得勒”容积加速度 和 分别为(见图2)： $d\stackrel{··}{V}(x,t)=W(x,\omega ,t,\xi \left(x\right)){\xi }^{\left(n^{•}\right)\left(m^{\prime }\right)}(x,t-x/c_W)\mathrm{dx}$

               均匀式或准均匀式 ${\stackrel{··}{V}}_i\left(t\right)={\stackrel{··}{V}}_{i^{*}+m/2}\left(t\right)=W_i(\omega ,t{,\xi }_i)\underset{j=0}{\overset{m}{\Sigma }}{(-1)}^j\left[\begin{array}{c}m\\ j\end{array}\right]{\xi }_{i^{*}+m-j}^{\left(n^{•}\right)}(t-x/c_W)$

          分段式或准分段式 式中，n是相对时间t的第n个微分值，而m’是相对距离x的第m个 微分值。在分段式或准分段式条件下，作为有效分段的第(i*+m/2)分 段位于第i和第(i+m)分段之间。转换器元件的序级由W＝m+n决定， 相对m的-n则表示的是相对时间t或距离x的积分。频谱局部转换器 元件函数Wi(ω，t，ξ)或W(x，ω，t，ξ)则分别表示的是分段式和均匀式转 换器元件的局部特性，这些特性确立了上述时间和距离位移的导数与 容积加速度之间的比例关系(见图2(a)至(f))。转换器元件函数中 所表示的典型特性是局部辐射范围Λ(x)，切口或窗口的宽度B(x)， 亦是流体出口速度Ca(x，ξ，t)(恒定不变或与时间有关)，分段长度 Li，杠杆传导或用来将位移转换成容积加速度的机械网络的频率响应， 相反符号(如各组件沿X方向排列但顺序相反)。转换器元件函数也 取决于位移ξ(如取决于位移的出口速度)，或时间t(如转换器元 件特性的低频调制，或受控于激励器的时间)，或主动受控(如前馈 或后馈控制信号)。相对于距离和时间的微分也是可以相互转换的。

单一转换器元件不起振荡系统的作用，但可以像波导那样移动并 具备正常衰减，实际传导所有机械功率。为避免流体短路，也许有必 要在转换器元件四周作一个小外壳。

波导利用封闭气体的强度作为某一分段的附加或总体强度(见图 2e)，而波导本身却不一定有一个固定的外壳(见图2e)。当波导的 阻抗很小时(低质量、低惯性或低强度)，转换器元件外壳的强度对 机械波的传播有一定影响，如果外壳的强度远远高于波导的强度，就 会出现损耗波的传播。这种情况可用来以低频传输更大的机械功率， 因为在传播消耗波时，波导阻抗会增大，这就是说，增大波导阻抗就 可以避免这种情况的发生。为了利于正在进行的计算，系统中的阻抗 终端通常是非反射性的，因此，机械波只沿正X方向运动。

有关阻抗终端的详情后文叙述。最终产生于自由空间(远场)的 视角度θ而定的距离r的声压，可通过对沿波导和转换器元件组合体的 局部容积速度(假定为谐波激励)的积分来计算，如下式所示： ${\xi }^{\left(1^{\prime }\right)}(x,t-x/c_W)=-\frac{{\xi }^{(1•)}(x,t-x/c_W)}{c_W}$ ${\mathrm{\Delta \xi }}_i(t-x_i/c_W)=-\frac{{\xi }^{(1•)}(x_i,t-x_i/c_W)}{c_W}\mathrm{\Delta x}$

当大气密度为ρ0时，在不考虑阻尼的条件下，自由空间中的最大 声压为： 相对激励的频率响应函数的声压与下述公式成正比： 负荷激励 位移激励 通过对激励信号的预先矫正(如积分或微分)或由于激励器、波导或 转换器元件的频率响应，就可以实现激励与声压之间的任何频率响应。 像在均匀式波导所做的那样，对分段式波导也可以推导出以下表达式。 为便于描述声波辐射，将转换器元件函数确定为一个恒定值，而转换 器元件函数为变量的声波辐射则可以类比方式推导出来。当频谱阻尼 为β0时，因声波辐射和消耗而导致的位移幅度的下降ξ(x，t)可以表示 为： $\hat{\xi }\left(x\right)=\hat{\xi }(x=0)e^{-\mathrm{\beta x}}$ 当函数为γ时(“+”、“-”符号分别表示前行波和后行波)， 在进行了积分(波数k＝ω/CO)之后，即出现声压。有效声波辐射则相 应于波导长度和波速二者的结合而出现。波导较短时(L＜＜λ)，即便是 波速低(CW＜CO)，也可以形成有效声波辐射。指向性特性(Γ)为： $p(r,\theta ,t)={\hat{p}}_{\max }\left(r\right)\frac{\sin \left({\gamma }_{+}\left(\theta \right)\right)}{{\gamma }_{+}\left(\theta \right)}{e}^{j{\gamma }_{+}\left(\theta \right)}{e}^{\mathrm{j\omega t}-\mathrm{kr}}$ 指向性特性可以通过激励的位置或位段，波速的选择，波导的几何形 状，波导的长度L，局部容积加速度，相应于确定的转换器元件函数 的局部声波辐射和激励器、匹配器、波导及转换器元件所决定的频率 来调节。根据各波导的长度L，各相关波速CW、心形或单极子辐射特 性以及其他特性可通过调节其他参数来达到。即便是波导长度非常小 时(L＜λ/2)，在波导中部x＝L/2附加一个单极子辐射源，如波导和转换 器元件组合体或转换器元件或普通的发声器，也可以得到心形或其他 指向性辐射。在这种情况下，指向特性为： $\Gamma (\theta ,L)=|\frac{\sin \left({\gamma }_{+}\left(\theta \right)\right)}{{\gamma }_{+}\left(\theta \right)}+R_M|$ 其中的系数RM表示的是长杆式辐射器和附加的单极子辐射源(指数M) 的最大振幅与它们的相位差φM的关系： $R_M=\hat{p}M\left(r\right)/{\hat{p}}_{\max }\left(r\right)e^{\mathrm{j\phi M}}.$ 例如，当L＝0.1λ，CW＝CO和RM＝0.9355ejπ时，最终得到的声压级为 23.8dB，小于长杆式辐射器的声压，就会形成心形指向性。当波速高 于大气中的声速时，长杆式辐射器的最大辐射(主波束)并不沿0°方 向辐射，而是沿与波导轴线成所谓“Mach”角度θMa的方向辐射： ${\theta }_{\mathrm{Ma}}=\arccos \left(\frac{c_O}{c_W}\right)$ 此公式对L→∞是完全成立的，对短波导来说，只是概略的估计。根据 指向特性可以计算出精确的角度。当L＝λ，CW＝2CO时，在与波导轴线 成60°和300°Mach角度条件下，即可得到最大幅度的辐射。当CW→∞时， 长杆式辐射器以同相辐射(“Schallzeile”)，主波束相对波导轴线 分别成90°和270°角。注意，波导在这种条件下的波速值不可能是无 限大的。在大频率范围中，如果波导或转换器元件具备依附于频率的 特性，也可以取得相同的指向特性，因此，对所有频率来说，都可以 实现 λ/L＝const(恒定值) 式中，L为波导有效频谱辐射的长度。以下所述的波导长度L都是指 波导有效频谱辐射的长度，它可短于波导的总长度。分段式或准分段 式波导的频率较宽fg，它取决于分段的长度L(在此频率以上不存在 沿波导运动的机械波)，可用下式表示： $f_g=\frac{c_W}{\pi L_i}$ 如此结果可以用来实现与频率无关的指向特性，例如，变化各分段的 长度或沿波导轴线上排列的转换器元件的其他特性。在波导和转换器 元件组合体中插入低通(如缓冲器)、高通或带通滤波器，或对波导 和转换器元件组合体施以局部频谱阻尼，也可以实现与频率无关的指 向特性。波导的有效辐射长度可起于波导的任何一点(例如，只在波 导一端的一个局部才以高频辐射)。前行波与后行波的关系Γ0/180是： 等相线平面或曲率则以以下式计算(由于对称性，半径取决于θ)： $r\left(\theta \right)=\frac{L}{2}(\cos \left(\theta \right)-\frac{c_O}{c_W})+\frac{\phi }{k}$ 式中，φ为相位角。由于括弧内各项与频率无关，所以长杆式辐射器可 以在所有频率、任何波速和波导长度的条件下实施同相辐射。等相线 平面(即弧线和弧线中点)可用波导的长度和形状、转换器元件的特 性和波速来调节，即便是在辐射过程中也能进行调节。

有效辐射长度非常短的波导的等相线平面类似球体的圆周面(自 由场)，对某些长杆式辐射器来说，将若干声场叠加一起便可以形成 任一等相线平面，因此，只要再生出噪声源的等相线平面，就可以从 相对于噪声源成一定角度的长杆式辐射器的任何位置消除噪声源的噪 声。以上公式和方法对分段式或准分段式波导也同样适用。在单维情 况下(导管的横截面积为S)，长杆式辐射器的声压为： 忽略不计阻尼且容积速度为固定值的最大声压为： 当函数为： 则均匀式或准均匀式波导的声压可示为： $p(r,t)={\hat{p}}_{\max }\frac{\sin \left({\gamma }^{\prime }\left(r\right)\right)}{{\gamma }^{\prime }\left(r\right)}{e}^{j{\gamma }^{\prime }\left(r\right)}{e}^{\mathrm{j\omega t}-\mathrm{kr}}$

以上公式以类比方法同样适用于分段式或准分段式波导和转换器 元件。前行波与后行波关系式Γ0/180可类比于自由场条件(只对γ’而不 对γ)。长杆式辐射器在导管内进行同相辐射，在单维条件下对激励的 频率响应声压是： $r\left(\theta \right)=\frac{L}{2}(\mathrm{sign}\left(r\right)-\frac{c_O}{c_W})+\frac{\phi }{k}$ $\frac{p}{\Lambda }-{\omega }^{w-2}\mathrm{bzw}.\frac{p}{\Lambda }-{\omega }^{w-1}$ 相线平面公式可类比于自由场条件： $r\left(\theta \right)=\frac{L}{2}(\mathrm{sign}\left(r\right)-\frac{c_O}{c_W})+\frac{\phi }{k}$

在导管内，可用波速和波导长度来控制相位。当机械波到达波导 的尾端(x＝L)时，若机械能量尚未全部转变为声波辐射或消耗殆尽，波 导就要被一个主动或被动式阻抗终端封堵，阻抗终端要与波导的阻抗 相匹配：

Z(x＝L)＝ZA 如果机械能量已全部转变为声波辐射或消耗殆尽，则不再需要阻抗终 端。反射波和驻波也可用来调节辐射的指向特性、等相线平面和声压 幅度，因此，必须针对波导的激励方式调节反射波的幅度和相位。

机械波的反射是由于阻抗终端的阻抗不匹配而引发的：

Z(x＝L)≠ZA

主动式阻抗终端可以形成任何阻抗，而且可以用作效率倍增器， 还可用作第2个激励器(必要时可配以匹配器以变换阻抗)，这时， 第一个激励器产生的机械波沿X方向前行(用forward注示)，而第 二个激励器产生的机械波沿X方向后行(用backward注示)，各激励 器将反射和阻尼另一个激励器所产生的机械波。通过这种同时的定向 声波辐射，可以产生第二个定向声波信号。在自由场和同时具备前行 波与后行波的情况下，声场叠加的声压导致(谐波激励)： Pres(r，θ，t)＝Pforward(r，θ，t)+Pbackward(r，θ，t) 式中，含有远场声压幅度的幅度关系和相位差φbackward的复式指向性系 数Rbackward确定为 $R_{\mathrm{backward}}=\left(\frac{{\hat{P}}_{\mathrm{backward}}}{{\hat{P}}_{\mathrm{forward}}}\right)e^{\mathrm{j\phi backward}}$ 指向性系数对指向特性的作用可用下式表示： Fres(θ，L)＝|Γforward(θ，L)+RbackwardΓbackward(θ，L) 对短波导(如 )来说，单极子、偶极子或心形辐射的指向 特性可通过根据图3所示数值修正Rbackward来实现。在单维条件下，任 何长度和低波速的波导都可以形成无方向性的同相辐射。在自由场同 时具备前行波和后行波的情况下，可以单一前行波时的类比方式对等 相线平面进行调节。

长杆式定向辐射器的声效率可用波导的局部阻抗、波导和转换器 元件组合体的特性和阻抗终端的特性来调节。对各分段来说，声功率 可用下式计算(设各单位长度的辐射阻抗为Z’ak)：

dPak(x)＝1/2Z’ak(x)ξ2

设空气密度为p0，则因局部消耗而损失的声功率为(单位长度的消 耗阻抗为Z’v)：

dPv(x)＝1/2Z’v(x)ξ2

假定位移速度ξ不变，消耗阻力Re(Z’ak)和Re(Z’v)也不变，在波 导长度L*中全部机械功率将转换成声功率和消耗功率，则L*为： $L^{*}=\frac{\mathrm{Re}\left(Z(x=0)\right)}{\mathrm{Re}\left({Z^{\prime }}_{\mathrm{ak}}\right)+\mathrm{Re}\left({Z^{\prime }}_V\right))}$

由于位移速度是被假定为不变的，所以从x＝0到x＝L*长度的波导 的阻力呈线性下降： Re(Z(x))＝Re(Z(x＝0))(1-x/L*)

声效率η即为： $\eta =\frac{\mathrm{Re}\left(P_{\mathrm{ak}}\right)}{\mathrm{Re}\left(P_E\right)}=\frac{\mathrm{Re}\left(Z^{\prime }\mathrm{ak}\right)L^{*}}{\mathrm{Re}\left(Z\right)}$

如果因消耗而损失的功率低于因声波辐射而损失的功率(即 dPak＜＜dPv)，而且长杆式辐射器的长度为L*，则声效率η接近于1。 这些考虑也同样适用于类似的分段式或准分段式波导和转换器元件组 合体。

长杆式定向辐射器可应用于气态、液态和固态介质之中，而且， 这种长杆式辐射器还有其他辅助用途(如用作支架装置或液体导管)。 由于这种长杆式定向辐射器结构轻小，所以适于在小的空间或小的封 闭容器内进行声波辐射(即以声波清洁空间)，在非常靠近某结构的 地点或在房角处产生声音，是主动消除噪声的重要方法。为了用声波 达到清洁的目的，长杆式辐射器可应用于带有小孔的细管和封闭容器 之中。其他用途还包括制造工艺(如粒子工艺技术)、声测定位和大 输出功率的超声应用。

在相反作用方式中，长杆式辐射器可用作定向传声器或振动探测 器，即波导将接收来自四周大气中的声波或机械波，然后激励器将用 作振动探测器，发出基于导致波导位移的转换器元件声负荷的电压和 电流。从附图可以清楚看出，诸如静电、电磁或压电转换器元件等任 何普通探测器都可以用作本系统的探测器。

参照附图阅读下述各实施例的说明，可以清晰了解本发明的其他 目的和内容。

附图的简要说明

图1是一种长杆式辐射器的侧视平面图。

图2中的表格以图解方式综合显示了均匀式和分解式波导的容积 速度与位移的关系。

图3以表格方式综合介绍了长杆式辐射器指向特性的示例，这种 长杆式辐射器带有主动式阻抗终端，波导长度为L＝□/3，并且有单极 子、偶极子和心形辐射特点。

图4为包括有喇叭式匹配器、纵向波导、活塞和方形缓冲器的分 段式长杆辐射器的一种实施例的剖面图。

图5为一种分段式长杆辐射器实施例的剖面图，这种辐射器包括 有纵向波导、折板、带有可增大容积速度的杠杆效应的圆盘和作为阻 尼终端的粘滞阻尼器。

图6为包括有机械振动激励器、长切口和弹簧分段的准分段式长 杆辐射器的一种实施例的剖面图。

图7为使用振动壁作激励器、横向波导和横向配置的方形缓冲器 的均匀式长杆辐射器的剖面图。

图8为以阻尼楔作为阻抗终端的均匀式液压准纵向波导的示意 图。

图9为用非均衡旋转驱动器所激励并配用气动支撑转换器元件和 摩擦阻尼器的准均匀式长杆辐射器示意图。

图10为用旋转轴作波导的准均匀式气动支撑长杆式辐射器示意 图。

图11为一种分段式长杆辐射器，其中包括压电激励器，以片簧转 换器元件或弯曲转换器元件组成的透镜作为波导和转换器元件组合体 以及调节装置。

图12为使用扭力波导的均匀式长杆辐射器的示意图。

图12A是沿图12所示A-A线截断后的局部图。

图13是采用极化激励和阻尼的长杆式辐射器示意图。

图14为带有长度补偿和频率响应的组合式长杆辐射器的示意图。

图15为采用环形结构的长杆式辐射器示意图。

图16为采用分叉式波导的长杆式辐射器示意图。

图17是位于折叠状外壳中并配用楔形缓冲器和穿孔喇叭的长杆式 辐射器局部示意图。

图18是在不同距离上具有不变声压级的声增强式长杆辐射器示意 图。

图19是配有电动激励器和转换器元件的长杆式辐射器示意图。

图20是多个辐射器的阵列排列图。

图21是以语音作激励器、空气作波导并配以楔形缓冲器的长杆式 辐射器示意图。

图22是使用升降磁铁作为激励器、喇叭作为阻抗终端的高声压级 长杆式辐射器的示意图。

下列术语和部件代号适用于所有附图(需将各图编号代入“x”)： x0：长杆式辐射器；x1：激励器，x2：匹配器；x3：波导；x4：转换 器元件；x5：阻抗终端；x6和x7：其他专示部件，如外壳等。换句话 说，图15和图16中的波导部分分别示为153和163。在介绍单一附 图时，只在首次出现的部件上注有代号。

最佳实施例详述

本发明的基本意图是提供一种方法和机械设备，以有效地传导发 自激励器或能源的机械振动，并将机械振动传导至一个波导中，波导 包括由可将机械能作用于空气、液体或固体的声波转换器元件所组成 的一个机械机构。这种组合机构如图1所示，它包括一个启动器或激 励器(11)，一个匹配器(12)，一个含有多个转换器元件装置(图 中未显示)的波导(13)和一个终端装置(图中未显示)，此终端装 置用来控制穿过波导及其附属的转换器元件装置的振动能量。

激励器(11)可以是任何一种振动器、振荡器或其他可产生机械 波能量的能源，包括压电换能器、静电和磁力发生器、机械振动器等。 这种激励器的一个重要标准是它可以产生机械能量，而如此机械能量 可通过一个匹配器传导到一个波导中。此匹配器中有一个喇叭或其他 中介体，用于在激励器和波导之间有效传导振动能量。图1所示的喇 叭中介体，其半径逐渐增大并与波导(13)合为一体。

从以下示例说明中可以发现，波导与转换器元件相互配合，使振 动能量沿一定材料制品运动一定长度，便可以将来自波导的机械能量 有效导入与大气或四周环境相接触的声波转换器元件或局部声波转换 器元件之中。波导通常使用金属或其他具有良好振动传导性能的材料 制作。一般来说，波导的质量和外形应利于传导机械能量，但不能将 大部分机械能量转换成声音，之所以出现这种能量传导优先于产生声 波输出信号的情况，是因为波导的外形不适于与空气有效接触，使充 足容积的空气产生位移进而形成声学响应，波导的作用只是将能量传 导至可以识别的转换器元件中，由转换器元件实施能量转换的重要功 能。从理论上说，本发明提供了介助波导内小范围运动的机械能量转 换方法，即将这种小范围运动协调地转换成组成转换器元件的其他表 面的位移。这已证明可以研制出一种极为高效的扬声器系统，它能以 很低的能量消耗而产生声音输出信号。

这种转换器元件构成了接受来自波导的机械能量的机械部件，而 且由于它的表面面积较大，增大了与空气的接触面，所以机构能量被 转换成辐射的声音。这里公布的一些实施例的具体结构可以形成高度 定向性声音，这是以往那些直接产生低、中频声音的扬声器所不能达 到的。不仅如此，从实际转换成声音输出信号的机械能量所占的百分 比来看，图中所示结构还提高了能量的使用率。

熟知本项技术的人员都会明白，本发明的关键点是可与波导融为 一体或与波导相互连接的声波转换器元件。根据上述数码编号规定， 各转换器元件均以附图序号和基数4相结合的数码来表示，即图4～8 中的转换器元件分别用44、54、64、74、84表示，这种标注方法同样 适用于上述其他装置，如激励器用41、51、61、71、81表示，匹配器 用42、52、62、72、82表示，波导用43、53、63、73、83表示，终 端装置用45、55、65、75、85表示。所有实施例和附图中标注数码的 相互关系是一致的，为了便于判定，对反复叙述的装置赋予了具体性 标示码(42)和一般性标示码(x2)。一般标示码中，“x”表示相应 于各实施例中的所有附图编号，“2”则表示各相关的部件或装置(即 匹配器)。因此，用(10，x0)所标注的发声器或长杆式辐射器，即 是指图1所示的发声器，同时也是指所有其他附图中的相应的发声器。

例如，在图1中，激励器(11，x1)通过一个匹配器(12，x2)将 机械能量导入波导(13，x3)，机械波沿波导运动并导致局部位移， 此位移经与波导单独连接或融为一体的机械声转换器元件(14，x4) 转换成声压。波导的一端装有一个主动或被动式阻抗终端(15，x5)。涉 及位移、阻抗及波导或转换器元件其他特性时使用的“局部”一词， 指的是某一小部分的特性(即波导或转换器元件坐标点x或第i分段 的特性)。局部位移可以是波导最小分段或面积的位移，在这个最小 面积中，波导的物理特性会因变化而生成理想的声学响应。

图1是辐射器各部件的一般示意图，其余各图则显示的是各具体 的实施例，主要强调各种转换器元件结构的可能变化和各种波导的构 成。例如，图2显示的是转换器元件的等级W相对波导(x3)和转换器 元件(x4)的各种可能组合的关系，并用下述能源术语和转换器元件函 数给出了相应于容积行程的容积速度。这里还列举了分段式和均匀式 波导与转换器元件组合体的示例，其中的(b)项和(d)项显示的是以 前的均匀式波导的相互关系，最后一栏中的公式则给出了分段式或准 分段式波导与转换器元件组合体的局部容积加速度dv或Vi。现将波 导和转换器元件的多种结合方法介绍如下。

(a)位于带有多个开口的导管(24a)(此导管又是压力导管的一 部分)之上的带有多个开口的分段式波导(23a)的纵向位移，导致各 顶上开口横截面发生变化。转换器元件(24)是由两个因波导向导管 转换器元件的相对运动而形成的活动开口结合而成的。由于导管(24a) 中的压力与大气气压存在压差，所以形成了以出口速度(ca)流动的气 流。

(b)均匀式波导(23b)的横向位移使导管(24b)的长切口发生变 化，气流将以类似(a)的方式穿过变化的切口。

(c)波导(23c)由多块介助弹簧相连接的各表面面积为Λ的一系列隔 板组成，波导的这些隔板由转换器元件外壳(24c)封闭，以避免流体 短路(没有转换器元件外壳时将出现偶极子辐射)。弹簧穿过隔音孔 而从转换器元件外壳的反面伸出。由于隔板的位移导致容积的位移。 机械弹簧的强度和封闭气体的强度构成了整个系统的总强度。例如， 如果用钢丝制作弹簧，那么弹簧的强度就比封闭气体的强度大得多。 转换器元件外壳的容积可以缩小到最低限度，以至可视为只是活塞的 位移。隔板可以十分坚硬，可以用金属板材等硬质材料制作。为了调 节波导的波速和波导的局部阻抗，可以变化隔板或活塞的重量、各分 段导线的重量、各分段的长度、导线的横截面积、导线的密度和弹性 系数。

(d)均匀式波导和转换器元件(23d，24d)包括有一块宽度为B的软 箔片，横向波沿此软箔片运动，均匀式波导和转换器元件(23d，24d) 的位移导致容积的位移。

(e)分段式波导和转换器元件(23d，24d)包括有局部面积为Λ的 若干隔板或活塞，它们通过右侧的一条固定杆与转换器元件外壳相连， 活塞还通过左侧的弹簧与下一个转换器元件外壳相连，容积的位移与 两个相邻部件的位移成正比。此外，可以仅仅使用气体的压力强度而 无需附加弹簧，因此，气体的封闭容积可以大大缩小。从容积加速度 公式可以看出，本实施例尤其适用于超声波能量。

(f)图中显示了准纵向波沿均匀式波导和转换器元件(23f，24f) 运动的情况。由于是相邻两部分的垂直位移，导致了相应于泊松比的 横向收敛和扩张，而某一部分的横向位移dx与波导(A)截面和泊松 比相乘，便可得出容积的位移。这种波导不需要声波辐射外壳。

(g)这一小节给出了适用于以上举例((a)-(f))的一般公式，这些 公式可用来计算均匀式或准均匀式、分段式或准分段式波导容积加速 度的局部变化。

图3所示表格显示在波导有效辐射长度L＝0.3λ和速度CW＝CO条 件下长杆式辐射器(x0)的指向特性，其中的主动式阻抗终端(x5) 又作为第二激励器。既显示了前行波(Γforward(θ))和后行波(Γback(θ)) 的指向特性，又显示了前后辐射波叠加部分(Γres(θ))的指向特性。 根据定向性系数R，便可以得到单极子或偶极子或心形辐射。

图4所示为一个使用电动激励器(41)的长杆式辐射器，该激励 器通过一个喇叭匹配器(42)连接到分段式纵向波导(43)上。此波 导由一条长杆或导线组成，长杆和导线上配有活塞、隔板或薄膜(以 下统称“活塞”)用以固定转换器元件(44)。波导的位移将导致活 塞的位移从而出现容积的位移。为避免活塞前、后面之间出现声学短 路，各活塞采用柔性固定并紧紧抵在导管壁(46a)上，后端由坚固的 固定板(46b)封闭，固定板上有开口用以通过波导，此开口是密封的， 又作为压力补偿开口。如果气体的强度比波导的强度小，则固定板和 活塞之间的密封容积可以很小，如果活塞后面的封闭容积非常小，即 可以使用气体的强度。封闭的容积内可充填胶皮或类似的材料制品。 在本实施例中，活塞又是波导(43)的一部分，因为它的质量、强度 和阻尼功能会影响波速。声音通过活塞前面的开口(46c)而离开导管 (46a)，活塞、固定板和开口可以作成声学网络或一体式声学网络以 增大声波辐射，活塞或固定板或导管内的补偿开口也可用作声学网络。

因辐射阻尼和消耗而导致的运动机械波位移量下降，可用波导的 特性来补偿，而波导的特性则视距离x和随距离x而变化的转换器元 件函数有所不同，例如，随波导呈指数或线性下降的阻抗和辐射面积 的增大而有所不同。波导的阻抗终端是一个方形缓冲器(45)，它由 几层不同强度、阻尼性能和惯性的材料组成。为实现与频率无关的指 向特性，可以使用上述方法，为此，还可以对活塞前面的封闭容积和 开口进行一番设计，例如，开口的大小不同，开口上的薄膜多少不同， 开口或其他声学网络前的导管长度不同等。

开口必须尽量小一些，并部分或全部地用箔片或格网罩住，并避 开灰尘、水，防止受损或遭到机械、环境、化学作用的影响或用于其 他目的。整个长杆式辐射器或它的每个组成部件可通过气流或水流冲 洗并与热源保持一定距离。为便于导管内的直接辐射，可将长杆式辐 射器置入导管或部分导管中或固定在导管附近，以使声音通过开口或 附加的连接管直接辐射出去。

图5所示的分段式波导和转换器元件(53)由弹性护帽或护板 (53a)、中间固定环(53b)、中间固定杆(53c)组成，由于单块板 一侧的中间固定杆的压力和另一侧中间固定环的反作用压力的作用， 该板发生弯曲。由于杠杆原理，该板外缘的位移大于该板中段的位移。 每两块相邻板中间用环定环分隔，但由一个作为转换器元件(54)的 底端橡胶制品相连接。因相邻两板位移的不同而造成的弯曲位移，改 变了两板封闭的中间容积的大小。这种波导的末端用一个粘滞阻尼器 作为阻抗终端。因为这种波导使用的是弯曲弹簧，其一端有可能形成 较大位移，而由于弯曲弹簧的位移较小，因而这些弹簧的作用成线性。

图6所示为作为机械振动激励器的激励器(61)，由一个本体和 一个弹簧组成，而准分段式波导(63)由一个切口弹簧组成。由于切 口的存在，波速有所下降。如转换器元件(64)一样，这些切口也可 以用箔片覆盖或者填入软泡沫橡胶。由于相邻切口的位移不同，被封 闭的容积大小发生变化从而形成声辐射。阻抗终端(65)是一个消耗 因数较大的喇叭。由于结构简单(只有一个部件)，所以这种切口弹 簧异常坚固，容易加工成理想尺寸并易于反复环绕。

图7所示为用作振动源的激励器(71)，如振动壁或振动面。匹 配器(72)包括机械弹簧组、本体和阻尼器，用来扩大振动源和长杆 式辐射器所辐射的声信号之间的相对相位。匹配器可以改变激励方式 (从纵向运动变为横向运动)。用这种匹配器可以激励两个带有隔板 或箔片的均匀式波导与转换器元件(73)。根据波导和转换器元件的 抗弯强度，横向波或弯曲波将沿波导运动。由于阻抗终端(76)使用 了横向配置的方形缓冲器，所以两个波导相互阻尼。两个波导之间封 闭的容积充满了吸能材料或高声速气体(如氦气)，所以可以避免因 内部辐射、驻波或波导的相互激励而产生的声学反应。

图8所示是含有一个活塞的匹配器(82)。这种均匀式准纵向波 导和转换器元件分别是一个管子或一个软导管，内中充满液体。当受 到活塞的激励时，准纵向波波导和转换器元件运动，同时，因液体体 积保持恒定不变，所以管子表面膨胀，引发容积位移进而形成声波辐 射信号。波速可通过管子的厚度、内横截面面积、制作材料、内部压 力、液体中的气体含量及液体密度的变化来调节。阻抗终端(85)是 一个□/4的缓冲楔，装在波导的尾端并对准激励器(819)。在类似的 阻抗终端里，波导也可以使机械波运动的方向拐弯。

图9所示为配用非均衡式激励器(91)的长杆式辐射器，它需要 以气压动力提供压缩气体，匹配器(92)通过长缺口(93)激励准均 匀式波导，并向转换器元件供应压缩气体(94)。基于长缺口的相对 位移，空气将穿过转换器元件和波导的开口向外运动，空气的出口速 度将取决于位移的大小、时间的长短和内压的大小。阻抗终端(95) 包括一个摩擦阻尼器。压缩气体的泄出与第二级能量的释放相一致， 还可以释放机械、液压、热能或其他能量。对大功率声波辐射来说， 还可以使用膨胀的可燃气流或水流。

图10所示是一个扭力激励器(101)，用于激励作为准均匀式波 导(103)的均匀式螺旋长切口转子。由于转子的旋转，螺旋长切口作 为机械波以波速CW沿波导轴线运动。位于转子之下的带有外壳(104) 的转换器元件有一个长开口，转子的旋转导致位移并调节波导和转换 器元件的通用开口。此波导有一个由轴承固定的阻抗终端。除转子以 外，还可以使用诸如活塞驱动、凸轮驱动、链条驱动、齿轮驱动、旋 转驱动等装置。

图11所示为由弯曲部件组成的分段式波导(113)，其中，压电 启动器(111)作为固定于各分段之内或附近的激励器。波导可由单个 或多个启动器激励，启动器可以在一个或多个局部中同时或滞后工作。 由于由多个启动器激励，只需使用低功率便可驱动波导。

激励器还可用于其他目的，如在波导尾端阻尼机械波，调节波速 (在高电压情况下波导变得更坚硬时)。激励器可以在波导的两端或 中部位置激励波导，可使用位移的反馈或前馈电路或波速或加速度来 调节单一分段的阻抗，使用框架和松紧装置(116)来调节波速或波导 的长度。如果机械波到达波导的尾端，则机械波将沿作为另一个波导 和转换器元件的框架装置返回到主波导的起点，被激励器吸收或消除。 作为定向传声器的压电启动器可以同时记录第二级声压，因而可以不 使用附加的传声器进行消声。

图12所示为通过喇叭匹配器(122)激励均匀式扭力波导(123) 的扭力激励器(121)，利用机械网络(如杠杆)时还可以使用纵向激 励器。作为转换器元件使用的扭力波导安装有翼(124a)，该翼的一 侧附有泡沫橡胶(124b)和薄板(124c)，为的是避免流体短路。为 了同样目的，扭力波导也可以罩以外壳。这种波导上设有由喇叭匹配 器(125a)和激励器(125b)组成的主动式阻抗终端。第二个激励器 也能激励波导，两个激励器可以同时激励并构成任何理想的阻抗终端。 通过这种方式便可取得图3所示的指向特性。

图13所示的两个激励器(131，131a)，通过各自的匹配器(132， 132a)与波导和转换器元件(133，134)相连接，但相互独立并在不 同的位置上。使用这两种不同的机械波，纵、横向波或极化波沿波导 轴线运动。这种激励装置也可以用作阻抗终端(135，135a)。

图14所示为一种具有长度补偿、移相和变频能力的匹配器(142)， 它可以同时激励4个波导(144)。4个波导以这样方式排列定位：各 波导的中心(L/2)均在所标记的垂直线的中心，再调节长度的差异和 匹配器的附加移相，使所有波导可以同相地在垂直线处作用，因而所 有波导可以同相地在远场辐射。如果所有波导以相同频率驱动，通过 赋予切比雪夫加权或其他已知的声压、振幅或相位或各波导之间的距 离的加权，或通过波导在空间的定位与定向，则根据“屏蔽转换器元 件阵列理论bzw波束的形成”，在主、副瓣声压比例较高时即可以得 到更好的指向特性。

图15所示为带有波导和转换器元件(153，154)的圆形长杆式辐 射器(150)，其指向特性取决于圆形角(α)。波速较高时，波导像双 活塞那样辐射。如果圆形的横截面直径小于波长，则出现近似单极子 辐射。波导/转换器元件还可以制成平面形状或特殊的螺旋形状(轴线 与纸面垂直)，螺旋形状能传导相应于直径的波速和螺旋的坡度。这 种长杆式辐射器还具备简单的波形。圆形或螺旋形或其他形状的长杆 式辐射器还可以装配到旋转部件(如车轮、发动机)上或用作房顶扬 扬声器。

图61所示的波导和转换器元件(163，164)分开成两个波导和转 换器元件。如果将大量波导和辐射器配置成辐射状，即可得到理想的 单极子辐射。从理论上说，波导与转换器元件的每一点都可作为附加 波导的起点。

图17所示为置入导管或其他外壳内的长杆式辐射器(170)，其 中，外壳对指向特性具有很大作用。如果长杆式辐射器整体及其阻抗 终端都在导管之内，即可以得到理想的单极子辐射。导管也可以较短 或有两个开口或只能保护波导的一部分。为了将长杆式辐射器装入一 个外壳，也可将此辐射器以任意角度折叠或弯曲(例如，若波导的两 端被固定在一块平板的同一侧，可取180°的折角)。所有已知的具有 抗力性或反应性的部件，如亥姆霍兹谐振器、λ/4谐振器、声学透镜、 抛物面反射镜、声学环、声学板或空心锥体或导叶，都可以配置在波 导和转换器元件上。图中所示的外壳中的波导是折叠式的，为使声音 离开外壳，导管的截面大于波导和转换器元件的截面。为使导管的阻 抗与外界空气相适应，使用了一个声学喇叭(176b)，此喇叭越靠近 外界空气的部位上有数量趋于增多的小孔(只从切面上可以看到)， 用于防止反射。为防止产生驻波，导管或外壳用一个楔形缓冲器作为 终端。为取得更好的指向特性，波导和转换器元件的一部分伸出外壳 的开口。外壳还可具备其他用途，如用作房间装饰品，这时，其结构 外形犹如家具、灯饰和壁挂品。波导和转换器元件还可以置入其他物 体中或采取柔性结构(如软管)。

图18所示为安装在房顶或长杆上的、与房间的垂直线成一定角度 (a)的活动型长杆式辐射器(180)，这种结构的最大优点是可以对 传播的声音进行方向控制，由于它的指向特性和可调整的角度(a)，可 以实现大范围内理想的(如相同的)声压等级(例如火车站站台、露 天运动场、音乐会会场和群众集会场)。如果将这种长杆式辐射器悬 挂在墙上或墙角(如图所示)，可合理利用指向特性或避免声反射， 也可用已知的声学方法避免声反射。

图19所示的长杆式辐射器(190)使用薄膜作为转换器元件(191)， 此转换器元件位于波导的起端，具体位置为x＝0。薄膜的位移即相当 于波导的位移。系统的输入阻抗是恒定不变的，不存在截止频率，而 且可以全频率进行同相位辐射。此外，此薄膜可用一外壳(196)封闭， 以避免流体短路。由于波导没有下限截止频率，所以封闭的容积可以 小一些。利用一种非线性频率特性将波导与以往使用的振荡发声器相 连接(如电动扬声器)，也可以形成图19所述的响应效果。如果使用 的是准分段式或分段式波导，就可通过截止频率或机械网络在带有近 似线性相位响应(低通)的高频范围中切断频率响应。通过使用一个 带匹配器的机械网络(如一个本体)，也可以得到一个下限截止频率 (高通)，并会影响波幅响应的梯度。以上措施已取代了已知的变相 电动和电子装置。

图20显示的是长杆式辐射器(200a、b、c、d)的阵列排列。采 用十字形交叉的长杆式辐射器(200a，200b)，可以得到四向性或非 常好的指向性。采用平行排列或将各辐射器相互成角度a排列(200c， 200d)，可以得到类似同相线列那样好的指向特性(主瓣很窄)。如 果采取一接一的排列方式(200a，200c)，并在相应于大气中声速的 一个延迟时间后启动，将增大波导的有效辐射长度，并可实现低频定 向辐射。采取在指定角度范围内三个辐射器相互垂直的排列方法，便 可得到任何需要的指向特性和等相线平面。对立体声音响设备来说， 最少要有两个向不同方向辐射的相互独立的波导，其中，从四壁反射 的回声到达听众的双耳从而形成立体声效果。

图21所示为定向对话中使用的长杆式辐射器(210)，激励器(211) 就是人的口腔，送话口即作为匹配器(212)。或者，也可以使用一个 激励器，以电动方式增强话音信号。波导(213)包含有用外壳(216) 封闭的空气。声波沿波导运动，激励置入外壳的并作为转换器元件 (214)的薄膜。波导的截面逐渐减小，因此，尽管存在辐射的损耗， 但波导各截面的密度却是相同的。在外壳的末端有一个楔形缓冲器， 它以非反射的方式封闭充气的波导。

图22所示为产生高声功率级时使用的长杆式辐射器(220)。激 励器(221a，221b，221c)采用了Hubmagnet结构或类似的结构，包 括一条长铁棒(221b)的柱形线圈(221a)，铁棒上套有一个铁环(221c)， 与柱形线圈上有电流通过时，铁环即以通常的方式加速运动并撞击喇 叭形匹配器(222)，后者将脉冲转换成相应于匹配器材料弹性的不同 频率范围。均匀式波导和转换器元件(223，224)采用的是均匀式长 杆(如橡胶杆)。阻抗终端包括一个细长形的、紧定的螺旋喇叭。