CN105407431A - 具有改良的指向行为和降低的声干涉的扬声器 - Google Patents

Abstract

提供了扬声器系统和部件，其中在高频声源的相对侧上设置中频生成驱动器，高频声源包括连接至波导管的高频线声源。提供了分频电路使得来自中频驱动器的声输出与高频声源的声输出在与中频生成驱动器之间的声干涉有关的中频范围内重叠。在一些实施方式中，中频生成驱动器凹在波导管的输出端后面，并且可选地从波导管向外成角度，以便减小两者之间的距离。

Description

具有改良的指向行为和降低的声干涉的扬声器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月8日提交的、题目为“具有改良的指向行为和降低的声干涉的扬声器”的第62/047,501号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及扬声器和音频系统。

背景技术

多年以来，大型和小型阵列的宽带宽扬声器已经成为产生用于通信、演讲、会议和需要高保真度的表演的中高声压级的标准。在电影院、会议室、大学、夜总会、赛道、体育场和礼拜场所——仅举几个应用示例——可以找到用于商业用途的大和小的音响系统。这样的系统通常用于放大音频信号，其中音频信号来自于现场或由操作者使用称为音频混合控制台的音频混合系统控制的录音源。通过一系列的电子设备操作控制台，致使放大的音频信号从朝着听众定向的扬声器阵列发射出去。

在专业音响历史的早期，两种不同的扬声器类型倍受关注。最常见的是多路扬声器，其特点是具有不同频带的换能器装配于共同的外壳中。第二种是线阵列或柱体式扬声器，其特点是具有共同的频率范围的一组有限带宽换能器在狭长的外壳内以直线排列。基于向听众传递更均匀且具有更高清晰度的声音的共同目标，工程师们已经以多种完全不同的方式将两种扬声器类型用于更大的应用中的声音频散。一种方式是使用集中式三维扬声器组，其可选地称为球面阵列、簇或者也许称为点声源。在从这样的源发射声音是不可行的情况下，另一种方式需将扬声器分布在整个听音空间中。

在过去的20年中，简单线阵列的原理受到更广泛的应用，结果产生了两路和三路扬声器的新变体。在两路扬声器的示例中，外壳的垂直阵列配置为将垂直列上的低频换能器对称地排列在中心定向的高频线声源的两侧上。为了最优的性能，高频(HF)声源一般在水平尺寸方面很窄并且垂直尺寸理想地延伸至扬声器外壳的整个高度。

发明内容

提供扬声器系统及部件，其中在高频声源的相对侧上设置中频生成驱动器，该高频声源包括连接至波导管的高频线声源。提供分频电路，使得来自中频驱动器的声输出与高频声源的声输出在与中频生成驱动器之间的声干涉有关的中频范围内重叠。在一些实施方式中，中频生成驱动器凹在波导管的输出端后面，并且可选地从波导管向外成角度，以便减小两者之间的距离。

在第一方面，提供一种扬声器系统，该扬声器系统包括：

线声源；

波导管，配置为发射来自所述线声源的声能，所述波导管具有用于接收声能的近端孔和用于发射声能的远端孔以及位于近端孔和远端孔之间、用于控制从波导管发出的声能的水平扩散的表面；

第一驱动器和第二驱动器，设置在平分所述波导管的所述远端孔的中心平面的相对侧上；

信号处理电路，包括分频电路，所述分频电路配置为将输入信号分成在第一频率范围内的第一信号和在第二频率范围内的第二信号，其中第二频率范围小于第一频率范围且在中频范围内与第一频率范围重叠，以及其中，所述分频电路与所述线声源以及所述第一驱动器和所述第二驱动器电通信，以向所述线声源提供第一信号以及向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供第二信号，

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器设置有相对间距，以使所述第一驱动器和所述第二驱动器之间的声干涉出现在中频范围内，使得在中频范围内通过波导管发出的声能至少部分地抑制声干涉。

在另一方面，提供一种扬声器部件，该扬声器部件包括：

线声源，配置为输出在第一频率范围内的声能；

波导管，配置为接收来自所述线声源的声能，所述波导管具有用于控制从波导管发出的声能的水平扩散的远端孔；

驱动器，设置在平分所述波导管的所述远端孔的中心平面的一侧上，

其中所述驱动器配置为在第二频率范围内操作，第二频率范围小于第一频率范围且在中频范围内与第一频率范围重叠；以及

其中所述驱动器凹在所述波导管的所述远端孔后面；以及

其中所述驱动器相对于所述中心平面向外成一定角度。

在另一方面，提供一种扬声器系统，该扬声器系统包括：

上述的扬声器部件；以及

分频电路，配置为将输入信号分成在第一频率范围内的第一信号和在第二频率范围内的第二信号；以及

信号处理电路，配置为控制第一信号和第二信号之间的时间延迟，以减少由于驱动器的输出而引起的压力导致的额外声干涉。

在另一方面，提供一种扬声器部件，该扬声器部件包括：

线声源，配置为输出在第一频率范围内的声能；

波导管，配置为接收来自所述线声源声能，所述导波具有用于控制从波导管发出的声能的水平扩散的远端孔；

第一驱动器和第二驱动器，设置在平分所述波导管的所述远端孔的中心平面的相对侧上，

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器配置为在第二频率范围内操作，第二频率范围小于第一频率范围且在中频范围内与第一频率范围重叠；

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器设置有相对间距，以使所述第一扬声器驱动器和所述第二驱动器之间的声干涉出现在第一频率范围内；

其中所述第一驱动器和第二驱动器凹在所述波导管的所述远端孔后面；以及

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器相对于所述中心平面向外成一定角度。

通过参照下文详细的描述和附图，可以实现本公开的功能和优点方面的进一步的理解。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式对实施方式进行描述，在附图中：

图1A和1B示出了包括耦接至波导管的高频线声源的两路扬声器的示例性实施方式的俯视图和正视图。

图1C示出了由从两个中频生成驱动器发出的中频声能造成的声干涉。

图2示出了对于提供给中频生成驱动器和高频声源的信号的示例性分频滤波器属性。

图3A和3B示出了包括耦接至波导管的高频线声源的两路扬声器的示例性实施方式的俯视图和正视图，其中横向中频生成驱动器凹在波导管后面。

图4A和4B示出了包括耦接至波导管的高频线声源的两路扬声器的示例性实施方式的俯视图和正视图，其中横向中频生成驱动器凹在波导管后面并且向外成角度。

图5是由扬声器系统的示例性实现方式产生的角声场的等值线图。

图6示出了信号处理电路的示例性实现方式。

图7A和7B示出了包括由衍射号角形成的高频线声源的两路扬声器的示例性实施方式的俯视图和正视图，其中衍射号角的输出端耦接至波导管。

图8A和8B示出了包括高频线声源的两路扬声器的示例性实施方式的俯视图和正视图，其中高频线声源由耦接至波导管的高频扬声器的线阵列形成。

图9A和9B示出了包括耦接至波导管的高频线声源的两路扬声器的示例性实施方式的俯视图和正视图，其中横向中频生成驱动器凹在波导管后面并且向外成角度，其中两对中频生成驱动器以堆叠的配置设置。

图10示出了包括耦接至波导管的高频线声源的两路扬声器的示例性实施方式的俯视图和正视图，其中横向中频生成驱动器凹在波导管后面并且向外成角度，其中两对中频生成驱动器以堆叠的配置设置，以及其中每对中频生成驱动器与专用声室和波导管相连接。

图11A和11B示出了示例性三路系统配置的俯视图和正视图。

图12A和12B示出了涉及非对称配置的示例性实施方式，该非对称配置包括耦接至波导管的高频线声源、以及凹在波导管后面并且向外成角度的中频生成驱动器。

图13A-C示出了包括图4A-B中所示出的组件的扬声器部件。

具体实施方式

将参照以下所讨论的细节对本公开的各实施方式和方面进行描述。以下描述和附图用于说明本公开并且不应被解释为限制本公开。对多个具体细节进行描述以提供对本公开的各实施方式的全面理解。然而，在某些情况下，不对众所周知的或常见的细节进行描述以提供本公开的实施方式的简明论述。

如在本文中所使用的，术语“包括”和“包含”应解释为是包括性的和开放式的，并不是排他的。具体地，当在说明书和权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”以及它们的变型意味着包括所指定的特征、步骤或组件。这些术语不应被理解为排除其他特征、步骤或组件的存在。

如在本文中所使用的，术语“示例性”意思是“用作示例、实例或例证”，并且不应被解释为优于或好于本文中公开的其他配置。

如在本文中所使用的，术语“大约”和“近似地”意味着覆盖了可能存在于值的范围的上下限的变化。例如性能、参数和尺寸的变化。除非另外具体说明，否则术语“大约”和“近似地”意味着加上或减去百分之25或更少。

应当理解的是，除非另外具体说明，否则任何指定的范围或组作为单独指示范围或组中的每一个构件的简要表达方式，以及指示包含在该范围或组中的每一个可能的子范围或子组的简要表达方式，以及类似地指示关于该范围或组中的任何子范围或子组的简要表达方式。除非另外具体说明，否则本公开涉及且明确包含每一个具体构件以及子范围或子组的组合。

如在本文中所使用的，术语“大约”，当与数量或参数结合地使用时，指的是跨度约为所表述的数量或参数的十分之一到十倍的范围。

除非另外具体限定，否则在本文中所使用的所有技术和科学术语意在具有与本领域普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。除非例如通过上下文另外指明，否则如在本文中所使用的，以下术语意在具有以下含义：

如在本文中所使用的，短语“高频(HF)驱动器”指的是产生声能的声换能器，该声能具有的频率范围包括但不限于在从1000赫兹至15000赫兹的范围内的频率。在本文所描述的多个实施方式中，“高频声源”或“高频驱动器”还产生中频(MF)声能，以实现在中频范围内与中频生成驱动器的重叠频率。

如在本文中所使用的，短语“中频生成驱动器”指的是产生声能的换能器，该声能具有的频率范围包括但不限于在从200赫兹至1000赫兹的范围内的频率。

如在本文中所使用的，短语“低频驱动器”指的是产生声能的换能器，该声能具有的频率范围包括但不限于在从80赫兹至250赫兹的范围内的频率。

如在本文中所使用的，短语“线声源”指的是具有输出的声能的源，该输出形成窄线性条或通过窄线性孔定向。线声源可以由一个或多个高频换能器制成。在一个非限制性示例中，线声源可以由与声室相连接的驱动器(例如，压缩式驱动器)制成，声室具有形成槽的输出孔。在另一示例性实施方式中，线声源可以由垂直列上的小直径高频扬声器形成。根据本公开的各实施方式，线声源连接至用于控制的波导管以控制水平扩散或指向性。

参照图1A和1B，提供了示出对称两路扬声器配置的示例性实施方式，其中在耦接至波导管40的高频线声源10的两侧上设置一对中频生成驱动器20和20’(例如动态驱动器；低音扬声器)。如在下文所提供的另外的示例性实施方式中描述的，中频生成驱动器还可以产生低频声能，但是如果提供了额外的横向低频驱动器，则不需要中频生成驱动器产生低频声音。

这样的系统适合用作一般称为线阵列的扬声器阵列的扬声器阵列元件。因为中频生成驱动器20和20’镜像对称地布置在位于高频线声源10的中心线处的平面的两侧上，所以这种系统经常被描述为具有共面对称性。该对称的驱动器布置使得来自线阵列的声音的水平频散自然对称。如下文描述的，还存在该配置的单一低音扬声器的变体，但是它们没有利用对称性。

在图1中所示出的示例性实施方式中，高频驱动器15固定(或另外连接)于声室30，声室30被设置为成形由高频驱动器发出的波前。声室30一般设置于扬声器外壳的中心，并且在其出口38限定了高频线声源，在优化设计中该高频线声源从外壳的顶端延伸到底端。在这个实施方式中，声室35的输出端38是具有统一宽度的窄槽并且从外壳稍微向外弯曲；弧的角度大致等于扬声器外壳的顶端和底端的夹角。在图1A中所示出的示例性实施方式中，高频声源15是适于高频的再现的高频压缩式驱动器。

声室30是波形整形室，波形整形室将位于高频声源15的出口处的圆形平面波前转换为平面或略弯的带形波前，如下文进一步描述的，如果可以牺牲高频波前的平坦性，那么可以使用具有狭窄出口尺寸的简单的衍射号角。

如从图1A所能见到的，在声室38内对波前的转换通过在壳34和内体36之间产生多个路径32和32’和/或通过独立通道的方式而实现。产生的波前通常从狭窄槽38或线出口出去。为了保证高频扩散，槽通常很窄，形成如在声室的水平截面中所见到的颈50，并且槽通常是声室和整个高频驱动器组件中最窄的部分。与波导管的相似成形的入口42结合的、声室38的狭窄的线出口38形成限定高频部件的变窄或收缩位置的颈50。

如图1A所示，接在声室30的输出端38后面的是(声耦接的)波导管40，波导管40用于控制在垂直于波导管40的狭窄槽输出孔42的方向上的声室扩散。由于波导管的输出本身通常定向在垂直平面内的方向上，所以在下文中这样的方向将称为水平方向。然而，将理解的是，术语“水平”和“垂直”不意在成为限制，并且更一般地讲意味着一对正交的方向。

如图1所示，波导管40可例如形成为延伸的外壳，或可选地由Heil和其他人所教导的扬声器外壳的木制表面形成。波导管40的内表面根据数学上恰当的轮廓成形，该轮廓便于更好地控制从声室的出口至波导管的末端的、波导管的成形表面，声室30发出的高频声能撞击波导管40的内表面，从而实现高频声能在水平平面中的受控的扩散。

应注意的是，表述“声学波导管”自20世纪80年代中期被戈德斯(Geddes)和亚当森(Adamson)使用以描述基于特定数学坐标系的、具体号角类结构。这类波导管由Geddes设计以减小或者完全消除与出现在波导管所形成的边界处的波前的干扰。这通过保持波导管边界垂直于波前的角度而实现，以使得没有能量从边界反射。基于椭球坐标系的波导管由Adamson于1987年投入市场。

还应注意的是，在术语“波导管”的具体应用后，埃尔(Heil)在其法国专利提交文件中引入“波导管”，在其美国提交文件中翻译成“波导管”。然而，应当理解的是，该任意形状具有完全不同的目的并且可以采取多种尺寸形式。一般来讲，Heil“波导管”的目的是将在高频压缩式驱动器的出口处成形如平面圆盘或部分球面的波前转换成平面带形波前，根据Heil，该平面带形波前形成柱面波前。为了在这两种装置之间区分，在本文中使用表述“声室”或“波成形声室”来描述用于该目的的装置。

虽然声室30示出为与单一高频驱动器相连接，但是将理解的是，可以使用更复杂的配置。例如，题目为“轴向传播的中高频扬声器系统”的第6,343,133美国专利描述了共线声室，该共线声室在高频槽的两侧上生成两个平行的中频槽，以进一步增强线阵列的中频部分的一致性。在该示例中，高频和中频槽通过放置在声室入口处的共轴中高频换能器激励。槽的两侧是一对低频扬声器。该配置涉及特定有源或无源信号调节的应用，以将两个中频槽的声输出与一个高频槽的声输出合并。

在图1A和1B中所示出的两路配置中，依靠中频生成驱动器产生中频频率。当考虑到更简单的两路扬声器时，很明显的是将限制中频生成驱动器的尺寸。例如，基于8英寸和更小直径的低频扬声器，得到了多个有成效的两路扬声器，然而两路10英寸线阵列却不常见。事实上，在所示出的对称配置中，存在主导物理设计的多个相关限制因素。首先考虑的往往是一对中频生成驱动器的声学中心或物理中心之间的距离。通过波导管的宽度和针对于再现的中频频率所选择的中频生成驱动器的直径来控制这个因素。

通过再次参照图1A和1B，可以理解以上描述，在图1A和1B中可见到的是，在位于波导管40两侧上的中频生成驱动器20和20’之间的距离M应该最小化，以减小由两个共同的中频波前的重叠引起的声干涉。该问题在图1C中示出，在图1C中示出了从中频生成驱动器20和20’沿着不同的方向发出中频声能。图中所示的是与从两个中频生成驱动器20和20’传播的波前有关的两个不同的传播路径。传播路径105和110具有相等的长度L，并因此在点115处产生相长干涉。然而，传播路径120和125相差半个波长，并因此在点130产生相消干涉。

此外，考虑到基于低频驱动器和高频驱动器之间的800赫兹分频的设计，通常在扬声器设计中，波导管嘴的宽度应是期望的频率截止宽度的1/2即((344m/s/800Hz/2)＝0.215m。位于号角两侧上的2个10英寸(0.254m)驱动器的布置将使得中频生成驱动器的两个源的声学中心之间的距离是((0.254m/2)*2)+0.215m)＝0.469m。

奥尔森(Olson)进一步教导了两个源之间的距离应小于处于最高工作频率的波长的一半。根据这条规则，会得到(344m/s/(0.3615m*2))＝475Hz的最大工作频率。考虑到高频驱动器的期望的工作截止频率是800Hz，设计要求没有实现。

由于这种限制，各种10英寸线阵列的显著特征是低频扬声器通常不是简单地放置于高频声源的两侧上。在一些扬声器中，在低频扬声器前放置多个垂直的叶片。在其他设计中，低频扬声器转动至极限角并且放置于容器中。仍是在其他设计中，波导管的出口被缩短，放弃了由其他频率提供的优良的指向性控制。

干涉问题还可以通过选择具有小尺寸的中频生成驱动器来避免，使得驱动器之间的距离M足够小以在所关注的频率范围内驱使干涉点超过扬声器系统的特定角工作带宽。另外，干涉问题可以通过选择中频生成驱动器的工作带宽来避免，以避免干涉问题更明显的中频频率。然而这些解决方案对驱动器的频率范围和/或尺寸构成了极大的限制，实质上限制了性能和功能。

避免干涉问题的另一种方法是使用三路扬声器，其原因是更小直径的中频扬声器将自然地导致中心到中心的距离更短，并且外部低频产生驱动器由于它们固有的低频率范围而不会受到干涉的影响。通过使用大约6英寸直径的中频驱动器，可以从这种布置产生适度相干的普通中频波前。

对比于避免中频生成驱动器之间的干涉的影响的这些现有方法，本公开的一个示例性实施方式涉及控制中频生成驱动器20和20’以及高频声源10，使得由中频驱动器20和20’以及高频声源10在重叠中频范围内产生声能，其中中频范围包括在中频驱动器20和20’之间出现的声干涉(根据中频驱动器20和20’之间的相对距离)的频率。换句话说，分频电路配置为使得高频声源10以与中频生成驱动器20和20’之间的干涉有关的频率产生在中频生成驱动器20和20’的带宽内的声能，使得可以减小或抑制声干涉的影响，其中分频电路确定高频声源产生声能所处的第一频率范围，以及还确定中频生成驱动器20和20’产生声能所处的第二频率范围。

该示例性实施方式在图1C中示出，其中高频声源10仍然产生声能，该声能的路径在150处示出，使得在点130避免了完全相消干涉。这样产生更加均匀的声场，有效地消除可能另外由中频生成驱动器20和20’产生的干涉节点。

因此该方法提供了提高了的声学性能，无论在还是不在位于扬声器外壳内的换能器和声室的特定几何关系所处的轴上，提高了的声学性能产生可以通过第一频率范围和第二频率范围的频率重叠调节的、限定的声干涉，其中第一频率范围是高频驱动器操作所在的范围，中频生成驱动器在第二频率范围内操作。

如上所述，可以传送至高频声源和中频生成驱动器的频率范围由适当的分频电路控制，分频电路可以并入扬声器外壳，或设置在外部。在图2中提供了供分频使用的示例性滤波器属性，分频限定对应于高频声源的第一频率范围和对应于中频生成驱动器的第二频率范围。对于第一频率范围的示例性滤波器属性在200处示出，以及对于第二频率范围的示例性滤波器属性在210处示出，并且可见到的是，这两个滤波器属性在基本的频率间隔内重叠(如例如图中220处所说明的-6dB的范围所示)。

在所示出的示例性情况下，频率重叠(在-6dB点处测量)在大于400Hz之上出现，但是将理解的是，可以根据所要控制的干涉的性质和频率位置选择重叠。在另一示例性实现方式中，频率重叠(在-6dB点处测量)大于200Hz。例如，如果设计的目标是降低由中频生成驱动器所产生的、在500Hz-700Hz范围内出现的干涉，那么仅需在这个范围内建立重叠，也就是说，高频驱动器的带宽，按照分频所指示的，必须向下延伸至这个频率范围。然而，注意到的是，在下文所描述的另外的示例性实施方式中，可以选择(例如延伸)中频生成驱动器和高频声源之间的频率重叠，使得来自中频生成驱动器的声能可以降低或抑制由高频声源引起的干涉影响。

如上所解释的，本示例性系统使用中频生成驱动器和(一个或多个)高频驱动器，中频生成驱动器和高频驱动器通过两者之间适当的频率重叠驱动，其中频率重叠用于通过以这样的频率运行高频驱动器来减少中频干涉，这样的频率包括出现中频生成驱动器的干涉时的频率。前后排列的三个驱动器的运行意味着等分源之间的有效距离。因此，如参照图1C所描述的，先前100％不同相的位置现在还具有提供信号的第三源。重叠还减少了当声音从波导管出来时声音的声学不连续问题。如下文进一步所描述的，使中频驱动器在与高频声源相同的频率运行还有利于减少在波导管不能控制的频率处的不连续性。

如上所述，由于产生相同信号的两个换能器的距离而产生由两个中频换能器引起的干涉。如图1C所示，从当从一个换能器至另一换能器的程差是一个波长的倍数时的相长干涉变化到当程差是一个波长的倍数加上半个波长时的相消干涉。

在给定角度出现相消干涉时的频率(或等同地，在给定频率出现相消干涉时的角度(相对于将波导管孔平分的平面))通过使两个换能器相互更接近而升高。

图3A-B和图4A-B展示了用于增加在给定角度的干扰频率(或在给定频率的角度)的一些示例性实施方式。现在参照图3A和3B，通过将驱动器20和20’布置在波导管40的至少一部分后面，中频生成驱动器20和20’之间的距离M相对于图1A和1B中所示出的距离M得到减小，使得中频驱动器20和20’之间的最小距离44小于波导管40的出口的宽度46。如图3A所示，这通过将中频生成驱动器20和20’凹在波导管40出口后面一个距离“Z”来实现。

在高频线声源10包括声室的实施方式中，在横截面中可见到颈50，在颈50处波前从声室30进入波导管40。因此颈50的位置与中频生成驱动器20和20’可以被分开的最小距离有关。相应地，通过在轴向上使两个中频生成驱动器20和20’(沿着尺寸Z)从波导管40的出口物理地偏移到位于波导管入口的颈50，驱动器20和20’的声学中心之间的距离(尺寸M)可以得到显著减小。根据Olson，这提高了与中频生成驱动器20和20’相关的频率范围的最大操作频率，从而允许该频率接近或超过第一频率范围的下限。

相应地，在一个示例性实现方式中，中频生成驱动器20和20’可以布置为邻近于颈50以在两者之间实现减小的距离。在一个示例性实现方式中，其中中频生成驱动器20和20’各自包括具有外缘的篮筐，布置中频生成驱动器20和20’使得它们各自的外缘接近于颈50。注意到的是，虽然出于集成的目的，这里考虑的声室(波形整形)装置设计在线阵列扬声器外壳中，但是其通常可以应用于任何扬声器外壳。

现在参照图4A和4B，将显而易见的是，可以通过将两个中频生成驱动器20和20’相对于平分波导管40的出口的平面85向外旋转角度θ来进一步地减小中频生成驱动器20和20’的中心之间的距离M。这使得干涉上升至可以再现的范围，并由此受到高频声源的补偿。将理解的是，适于进一步减小中频生成驱动器20和20’的中心到中心的距离M的角度或角度的范围将取决于中频驱动器20和20’、波导管40以及声室30的尺寸和形状。

通过在相消点增加来自一个换能器的声级相对于另一换能器的差异，中频生成驱动器20和20’的转动还可以有利于提高扬声器输出的极性响应。同样适用于出现相长干涉的情况，导致更平滑的极性响应。还注意到的是，通过中频生成驱动器20和20’的旋转，还可以降低来自在中频生成驱动器20和20’前面延伸的波导管40的一部分的反射，进一步提高声场的均匀性。

根据图1A和1B中所示出的配置，在中频生成驱动器20和20’的尺寸将妨碍它们的布置的情况下(其原因是在中频范围以下的干涉的存在，其中在中频范围，来自高频换能器的输出可以与来自中频生成驱动器20和20’的输出在频率上重叠)，例如通过邻近于颈50的物理布置和/或转动，减小中频换能器之间的距离(尺寸M)，提高第二频率范围的频率上限(与中频生成驱动器20和20’相关的同时避免两者之间干涉的频率范围)。因此第一频率范围的下段(与高频声源的操作有关)可以与第二频率范围的上限相交和重叠。如上所述，使第一频率范围和第二频率范围相交和重叠，使得位于两个中频驱动器20和20’中间的第三点声源在交叉频率范围内——有效地将距离(尺寸M)分割成两半并允许第二频率范围延伸至其原始上限之上，同时不存在与干涉有关的性能限制。因此第一频率范围的下限将始于具有约两倍于距离M的长度的波长的频率。

现在参照图3A-B和4A-B，由于在离开波导管时波前的声阻的不连续性，中频生成驱动器20和20’的凹进导致由波导管40发出的声能的声干涉，这样导致干涉，其原因是中频生成驱动器20和20’的表面的反射。换句话说，因为高频源10将产生上中频频率来补偿中频生成驱动器之间的距离(如上所述)，所以以那些较低频率离开波导管40时，声阻的不连续性将存在。这是因为波导管太小而不能控制这些频率。在不存在中频生成驱动器20和20’的运转时，这个影响会导致另一干涉源在中频范围内。

更具体地，波导管40的末端允许来自波导管边缘的声能的衍射。在其他设计中，波导管会安装于可以消除衍射的平挡板中或可选地会安装于衍射能量会从波导管的边缘向后方消散的自由空间中。然而，在本示例实施方式中，因为扬声器和安装表面允许高频声波朝着外壳的前面反射回去并且与从波导管发射出来的直达声结合，所以波导管在中频驱动器和安装面的前方的延伸引起干涉。因为这两个波的结合不能为同相位，所以出现相消。解决这个问题的一个尝试涉及将中频生成扬声器垂直于扬声器外壳的中心轴安装，在扬声器的前面布置波导管，使得波导管的边缘和反射面之间的距离最小化。然而，这个实践导致相消作用最小化，同时其还使相消的频率上升至更高的频率。

这个问题可以通过使用信号处理产生频率范围的重叠以及由不同类型换能器(即中频生成驱动器和高频声源)发出的声能之间的延迟来解决或减轻其严重程度。设计频率的重叠，这样所有的换能器/驱动器可以是时间和水平校准的，以激励波导管出口附近的区域达到将改善不连续性的声压级(SPL)和波前相位。当干涉出现在高频声源10和中频生成驱动器20和20’能够有效声输出的中频范围内时，这是可行的。还注意到的是，波导管应足够宽使得其能控制中频生成驱动器可以再现的最高频率(波导管对正发出的波前的扩散角的控制能力与波长成比例)。如上所述，通过中频生成驱动器对这个频带的覆盖可以通过它们的声学中心之间减小的距离(尺寸M)，以及高频和中频生成驱动器的认真选择而实现，以保证它们能够生成所需的第一频率范围和第二频率范围。

进一步注意到的是，在实施方式中，中频生成驱动器相对于外壳的中心轴旋转，反射距离增加。在这样做的情况下，干涉频率大大低于在可以通过中频生成驱动器再现的频率的范围内的频率。

图5是对于根据图4A和4B的配置所示的实施方式的扬声器等值线图的图，其中距离Z为2.3英寸和距离M为10.5英寸。该图示出了声场的相对均匀性，声场由扬声器系统在包括低频、中频和高频的宽频率范围内生成。

传统的经验法则在于，出于控制声辐射的指向性的目的而设计的波导管应在其输出端具有最低设计频率时的波长的至少一半的宽度。例如，根据传统设计法则，具有1132Hz的最低设计频率的设计会产生0.152M的宽度(基于1/2波长)，低于这个宽度，指向性控制会逐渐变得不太有效。

另一传统的经验法则是共同的频率范围内的两个驱动器之间的中心到中心的距离应小于待再现的最高频率时的波长的约1/2。在本示例性实现方式中，波导管的宽度是0.152m，在波导管后面小距离间隔开的两个10英寸驱动器之间的中心到中心的距离(例如，如图4A和4B所示的)可以减小到约0.266M。传统的设计法则会建议该驱动器间隔会产生对于中频频率的646Hz的操作极限。

该示例示出了10英寸中频生成驱动器放置于波导管两侧的设计，即使当将驱动器凹在波导管后面并使驱动器向外成角度时，还是会产生对于中频生成驱动器的646Hz的上限频率，以及对于高频声源的1132Hz的下限频率。也就是说，传统的设计逻辑和教导会导致这个设计不能实行的结论，其原因是中频生成驱动器的上限频率与高频声源的下限频率之间存在大的频隙。由于两个中频生成驱动器之间的干涉存在于646Hz之上，以及由波导管的有缺陷的行为引起的高频干涉低于1132Hz，所以本领域技术人员会认为应避免在这两个极限之间的中频范围。

然而，如上所述，本发明人已发现，通过选择适当的分频电路，使得中频生成驱动器和高频声源发出在这个中频范围内的声能，可以避免这些干涉效应。在中频范围内的高频声能用作额外中频源，有效地平分驱动器之间的距离，并因此避免了相互干涉的影响。另外，通过控制高频声源和低频发射器之间的延迟以考虑两者之间的几何分离，在中间范围内中频生成驱动器产生的声压级可以避免由有缺陷的波导管出口引起的干涉效应。

因此，在本示例性实施方式中，通过将由高频声源发出的频率的范围向下延伸至646Hz，以及将由中频生成驱动器发出的频率的范围向上延伸至1132Hz，可以实现适当的重叠。

信号处理用于控制发送至不同驱动器组的频率并且保证它们同相位。在一些实施方式中，由于中频驱动器布置为距波导管的输出端一个距离(尺寸“Z”)，所以使用时间延迟以保证它们保持同相位。配置延迟以便离开波导管的声音与由中频生成驱动器产生的、到达波导管的声音同相位。

图6是示出根据本文所公开的各实施方式可以使用的信号处理电路的示例性配置的框图。在300处所提供的初始信号通过包括高通滤波器310和低通滤波器310’的分频电路分离并且分别滤波。这些滤波器生成分别提供至高频声源10和中频生成驱动器20和20’的第一信号和第二信号。如前所述，示例性滤波器属性在图2中示出。可以控制高通滤波器310和低通滤波器320以便在高频声源10和中频生成驱动器20和20’重叠的中频区域中获得适当的声强。例如，可以配置滤波器属性以便来自高频声源10和中频生成驱动器20和20’的净频率响应是平坦的或根据预选的净属性成形。

如图6所示，信号处理电路还可以包括延迟控制电路320和320’(可选地，可沿着两个信号路径中的一个设置单一延迟控制电路来控制相关的延迟)。如上所述，例如在中频生成驱动器20和20’相对于波导管40的输出端凹进的系统配置中，可以使用延迟电路，以便调节空间偏移并避免在中频范围内的干涉效应，该干涉效应另外由高频声源10和中频生成驱动器20和20’之间的空间偏移引起。

最后，在信号在340和340’处分别提供至高频声源10和中频生成驱动器20和20’之前，可以由放大器330和330’放大信号路径。

虽然通过涉及声室的说明性的实施方式公开了前述示例，但是将理解的是，可以使用其他可选的实施方式，而不需要声室的存在。例如，图7A和7B示出了可选的示例性实施方式，其中高频线声源由衍射号角60代替。图8A和8B示出了另一可选的示例性实施方式，其中高频线声源由低频扬声器的线阵列70提供。

还注意到的是，即使前述示例公开了涉及一对中频生成驱动器20和20’的说明性实施方式，其他实施方式也可以使用例如处于堆叠配置的、额外的中频生成驱动器。图9A和9B示出了涉及两对中频生成驱动器20、20’和22、22’的示例性实施方式。虽然图9A和9B中所示出的示例使用单一声室和单一波导管40，但是图10A和10B示出了可选的示例性实现方式，其中提供了两个声室(未示出)和两个波导管40和40’(每个堆叠对各一个)。

虽然前述示例性实施方式已经论述了两路系统，但是将理解的是，本文所提供的实施方式可以扩展成三路系统。三路扬声器系统基于和两路系统类似的原理，利用增加的中频换能器，这样可以提高所提供的系统性能，即换能器之间的物理关系不会引起相消声干涉。三路系统通常包括一般为直接发射式、动态扬声器类型的低频驱动器和中频驱动器。在一些示例中，这些驱动器可以放置于可以在声学上装载装置的结构中以便其可以被称为号角装载的、通频带或其它名称。

无论考虑这个类型的两路还是三路扬声器系统，从中频生成换能器向高频换能器的转换通常限制在大约从700Hz至2000Hz的范围内。如上所述，在两路系统的情况下，使用了“低频”换能器以提供中频频率(在本公开中这样的换能器已被称为“中频生成驱动器”)。在三路系统的情况下，专用中频换能器提供这个频率范围。在很多情况下，更大的系统的中频换能器可能与小型系统的低频换能器在尺寸上类似。作为示例，存在基于6英寸中频驱动器的两路系统，而且存在具有6英寸中频驱动器的大型三路系统。

图11A和11B示出了示例性实施方式，其中两路示例性实施方式扩展成三路系统的情况。提供了两个叠加的中心高频线声源，其中每一个具有专用高频声源15、声室30和波导管(如图11B中的波导管40和40’所示)。在波导管的每一侧设置两对堆叠的中频驱动器20、20’和22、22’，同时使中频驱动器凹进并选择性地成角度，如在之前实施方式中所描述的，其中配置分频以便频率重叠存在于中频驱动器和高频声源的输出范围之间，以减少所述干涉的形成。相比于利用没有频率重叠的传统设计得到的配置，这个配置使例如更大的中频驱动器的使用成为可能。

现在提供三路系统的示例性实现方式，该实现方式具有基于先前所提到的示例性两路系统的初始配置。波导管设计为1132Hz的频率下限，导致0.152m的输出宽度。中频生成驱动器放置于颈处，导致声学中心之间的距离为约0.266m——根据传统设计法则产生646Hz的操作上限。两个额外的低频驱动器对称地附加在中频生成驱动器的两侧上。如上所述，选择分频电路以产生中频生成驱动器和高频声源之间的频率重叠，使得可以减少或抑制出现在中频范围内的干涉效应(可通过高频声源和中频驱动器两者解决)。

由于低频驱动器的较大的直径，高频线声源会在高度上增加以尽可能近地延伸至柜子的顶表面和底表面。这可以通过使用一个或多个波导管完成。

在本示例实施方式中，由于中频生成驱动器相互更近地布置，所以低频驱动器的声学中心之间的距离比平常情况小。因此低频驱动器的声学中心之间的距离是中频生成驱动器的外边缘之间的距离，加上从低频驱动器的外边缘到其声学中心的距离，再加上任何需要的额外间隙。之前确定的、中频生成驱动器之间的、0.266m的距离在本示例中使用，以计算它们的外边缘相距约0.266m+2×0.127m＝0.52m。如果使用两个15英寸(0.381m)低频换能器，则它们的声学中心将相距约0.52m+2×(0.381m/2)＝0.901m。

在此利用Olson公式，发现最大工作频率是344m/s/(2×0.901m)＝190Hz，并由此，低频生成驱动器和中频生成驱动器之间的分频约为190Hz或更低。

前述实施方式示出了对称扬声器配置，其中一对或多对中频生成驱动器对称地位于中心高频声源的两侧。然而，应当理解的是，一些所述实施方式可以扩展为非对称配置。图12A和12B示出了这样非对称配置的示例，其中单一中频生成驱动器20凹在波导管40的输出端后面(距离Z)。驱动器20布置为邻近于位于声室30的输出端的颈50，并且向外定向，使得与由来自波导管的输出的衍射和来自驱动器20的反射引起的干涉相关的频率在中频范围内，中频范围与高频声源15和驱动器20两者的操作频率范围相同，从而使其通过驱动器20的输出端的抑制(利用由信号处理电路生成的适当的延迟)成为可能。

将理解的是，在不背离本公开的预定范围的情况下，可以实践所述实施方式的其他变体(例如使用多于两对的中频生成驱动器、多于两个声室、或多于两个波导管以及根据三路系统的额外的低频驱动器的各种结合)。

在本文中所描述的扬声器系统和配置可以装配于例如木制外壳、塑料外壳或复合材料扬声器外壳的外壳中，该外壳可以用作安装换能器、声室、电装置和电子装置以及索具的基架。扬声器外壳一般具有中心轴、顶板、底板、两个端板、前后挡板或换能器安装表面。扬声器外壳还可以提供空气的体积以便于直接发射密封式或开口式扬声器的安装和调节，或可以提供声学装载的其他方法。在题目为“扬声器阵列元件”的第US20130301862号美国专利申请中提供了用于形成陈列元件的扬声器外壳的非限制性示例。

扬声器组件可以包括驱动器(音频换能器)、限定用于相关低频换能器和中频换能器的空气的体积的外壳、号角或波形整形声室和相关换能器、索具、放大器、散热器、数字信号处理硬件或网络硬件、或这些组件的一些组合。例如，虽然在近十年中对于将功率放大器安装在扬声器部件的内部来说变得更常见，但是在商业和家庭系统中，绝大部分的放大器从扬声器中分离。这些部件可以配置为结合在一起的阵列元件以形成期望的几何形状、功能和性能的线阵列。

图13A-C示出了图4A-B中所示出的、容纳于扬声器外壳400内的扬声器配置，该扬声器配置包括出口410和410’。

所述具体实施方式以示例的方式示出，并且应理解的是，这些实施方式容易进行各种修改和可选的形成。应进一步理解的是，权利要求不意在限于所公开的具体形式，而是涵盖落在本公开的精神和范围内的所有修改、同等物和替代物。

Claims (21)

1.一种扬声器系统，包括：

线声源；

波导管，配置为发射来自所述线声源的声能，所述波导管具有用于接收所述声能的近端孔和用于发射所述声能的远端孔以及位于所述近端孔和所述远端孔之间的、用于对从所述波导管发出的所述声能的水平扩散进行控制的表面；

第一驱动器和第二驱动器，设置在平分所述波导管的所述远端孔的中心平面的相对侧上；

信号处理电路，包括分频电路，所述分频电路配置为将输入信号分成在第一频率范围内的第一信号和在第二频率范围内的第二信号，其中所述第二频率范围小于所述第一频率范围且在中频范围内与所述第一频率范围重叠，以及其中，所述分频电路与所述线声源以及所述第一驱动器和所述第二驱动器电通信，以向所述线声源提供所述第一信号以及向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供所述第二信号，

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器设置有相对间距，以使所述第一驱动器和所述第二驱动器之间的声干涉出现在所述中频范围内，使得在所述中频范围内通过所述导波管发出的声能至少部分地抑制所述声干涉。

2.根据权利要求1所述的扬声器系统，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器凹在所述波导管的所述远端孔后面，使得所述第一驱动器和所述第二驱动器之间的最小距离小于所述远端孔的宽度；以及

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器相对于所述波导管的所述远端孔布置，使得在所述第一驱动器和所述第二驱动器不操作的情况下，从所述波导管发射的所述声能中的一部分由所述第一驱动器和所述第二驱动器反射，并且生成位于所述中频范围内的额外声干涉；

其中所述信号处理电路进一步包括延迟电路，以控制所述第一信号和所述第二信号之间的时间延迟，从而减少由于所述第一驱动器和所述第二驱动器的输出所引起的压力而导致的所述额外声干涉。

3.根据权利要求1或2所述的扬声器系统，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器相对于所述中心平面向外成一定角度。

4.根据权利要求3所述的扬声器系统，其中所述线声源包括高频扬声器的线阵列。

5.根据权利要求3所述的扬声器系统，进一步包括：

具有入口的声室，所述入口布置为接收来自所述线声源的声能且将所述声能导入所述波导管的入口；

其中在所述声室的出口和所述波导管的所述入口之间限定颈；以及

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器布置为使得所述第一驱动器和所述第二驱动器的远端部邻近所述颈布置。

6.根据权利要求5所述的扬声器系统，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器中的每个包括具有外缘的篮筐，以及其中所述第一驱动器和所述第二驱动器中的每个布置为使得所述第一驱动器和所述第二驱动器的外缘邻近所述颈布置。

7.根据权利要求5所述的扬声器系统，其中所述线声源由号角驱动器产生。

8.根据权利要求7所述的扬声器系统，其中所述号角驱动器包括声学上耦接至号角的压缩式驱动器。

9.根据权利要求7所述的扬声器系统，其中所述号角驱动器包括衍射号角。

10.根据权利要求1或2所述的扬声器系统，进一步包括：

第三驱动器，设置为邻近所述第一驱动器；以及

第四驱动器，设置为邻近所述第二驱动器；

其中所述分频电路还配置为将所述输入信号分成在第三频率范围内的第三信号，其中所述第三频率范围小于所述第二频率范围，以及其中所述分频电路与所述第三驱动器和所述第四驱动器电通信，以向所述第三驱动器和所述第四驱动器提供所述第三信号；以及

其中所述第三频率范围选择为避免所述第三驱动器和所述第四驱动器之间的声干涉。

11.根据权利要求1或2所述的扬声器系统，其中所述第一驱动器或所述第二驱动器的直径大于或等于约8英寸。

12.根据权利要求11所述的扬声器系统，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器的中心到中心的距离小于16英寸。

13.根据权利要求1或2所述的扬声器系统，其中所述第一驱动器或所述第二驱动器的直径大于或等于约10英寸。

14.根据权利要求13所述的扬声器系统，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器的中心到中心的距离小于20英寸。

15.根据权利要求1或2所述的扬声器系统，其中如基于-6dB带宽所测量的，所述中频范围至少约为200Hz。

16.根据权利要求1或2所述的扬声器系统，其中如基于-6dB带宽所测量的，所述中频范围至少约为400Hz。

17.根据权利要求1或2所述的扬声器系统，其中所述分频电路配置为将预选的频率响应保持在所述中频范围内。

18.一种扬声器部件，包括：

线声源，配置为输出在第一频率范围内的声能；

波导管，配置为接收来自所述线声源的所述声能，所述波导管具有用于对从所述波导管发出的所述声能的水平扩散进行控制的远端孔；

驱动器，设置在平分所述波导管的所述远端孔的中心平面的一侧上，

其中所述驱动器配置为在第二频率范围内操作，所述第二频率范围小于所述第一频率范围且在中频范围内与所述第一频率范围重叠；以及

其中所述驱动器凹在所述波导管的所述远端孔后面；以及

其中所述驱动器相对于所述中心平面向外成一定角度。

19.根据权利要求18所述的扬声器部件，其中所述驱动器相对于所述波导管的所述远端孔布置，使得在所述驱动器不操作的情况下，从所述波导管发出的所述声能的一部分由所述驱动器反射，并且生成位于所述第二频率范围内的额外声干涉。

20.一种扬声器系统，包括：

根据权利要求19所述的扬声器部件；以及

分频电路，配置为将输入信号分成在所述第一频率范围内的第一信号和在所述第二频率范围内的第二信号；以及

信号处理电路，配置为控制所述第一信号和所述第二信号之间的时间延迟，以减少由于所述驱动器的输出所引起的压力而导致的所述额外声干涉。

21.一种扬声器部件，包括：

线声源，配置为输出在第一频率范围内的声能；

波导管，配置为接收来自所述线声源的所述声能，所述波导管具有用于对从所述波导管发出的所述声能的水平扩散进行控制的远端孔；

第一驱动器和第二驱动器，设置在平分所述波导管的所述远端孔的中心平面的相对侧上；

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器配置为在第二频率范围内操作，所述第二频率范围小于所述第一频率范围且在中频范围内与所述第一频率范围重叠；

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器设置有相对间距，以使所述第一驱动器和所述第二驱动器之间的声干涉出现在所述第一频率范围内；

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器凹在所述波导管的所述远端孔后面；以及

其中所述第一驱动器和所述第二驱动器相对于所述中心平面向外成一定角度。