CN2774059Y

CN2774059Y - 具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统

Info

Publication number: CN2774059Y
Application number: CN 200520053989
Authority: CN
Inventors: 卢斯荣
Original assignee: Shenzhen TCL New Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen TCL New Technology Co Ltd
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2015-01-18

Abstract

本实用新型是一种具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，包括共振箱，主动扬声器，其特征在于：在共振箱上安装设置有无源辐射器，无源辐射器固定于共振箱上，并将固定处密封，使无源辐射器与共振箱形成密封的整体。本实用新型辐射面积大，同等输出声压情况下，降低了空气振动速度，而改善了低频辐射失真，无源辐射器将共振箱和外界空气隔开，可有效抑制共振箱内声波简正方式对系统声辐射的影响，有效降低了系统的非线性失真。

Description

具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统

技术领域

本实用新型涉及一种能进行电能和声能转换的扬声器系统，确切地说，涉及一种利用无源辐射器辅助低频辐射的四阶带通型扬声器系统。

背景技术

传统的四阶带通式的扬声器系统声学结构如附图1所示，是由主动扬声器，前、后共振箱，倒相管三大部分组成。扬声器的振动膜受驱动后，产生振动，并通过与共振箱内空气的耦合，使共振箱内空气产生振动，箱内空气与倒相管的耦合向空间辐射声波，由于前共振箱和倒相管所组成的并联声谐振系统，具有低通的声学特性，加上扬声器和后共振箱组成高通系统，从而实现四阶带通型响应。其声学类比线路图如附图2所示，附图2中，Pg为等效声压源，Ma为主动扬声器的等效声质量，Ca为主动扬声器的等效声顺，Ra为主动扬声器的等效声阻，Cbf为前共振箱的等效声顺，Mp为倒相管的等效声质量，Cbr为后共振箱的等效声顺。分析附图二，可得出该系统的声压频率响应函数为：

P_{v} = \frac{ρ P_{g}}{4 πr M_{a}} | G_{v} (jw) |

G_{v} (jw) = \frac{\frac{{(jw)}^{2}}{{W_{bs}}^{2}}}{1 + \frac{jw}{(1 + α) W_{s} Q_{t}} + {(jw)}^{2} (\frac{1}{(1 + α) {W_{s}}^{2}} + \frac{1 + β}{β {W_{p}}^{2}}) + \frac{{(jw)}^{3}}{{W_{p}}^{2} (1 + α) W_{s} Q_{t}} + \frac{{(jw)}^{4}}{(1 + α) {W_{p}}^{2} {W_{s}}^{2}}}

其中：

α = \frac{C_{a}}{C_{br}}; C_{ab} = \frac{C_{a}}{1 + α}; C_{bf} = β C_{ab}; W_{s} = \frac{1}{\sqrt{M_{a} C_{a}}}; Q_{t} = \frac{W_{s} M_{a}}{R_{a}}; W_{p} = \frac{1}{\sqrt{M_{p} C_{bf}}};

可以看出其频率响应为典型的四阶带通型响应特性，如要获得预期的响应特性或响应类型，则可根据系统函数的参数方程来确定箱体参数及倒相管尺寸和扬声器参数。

倒相管与共振箱耦合的调谐频率决定了系统响应的上下限，对于给定的扬声器系统，调谐频率F_B是一定的，共振箱的容积也是一定的，由下面的公式：

F_{B} = 1 / 2 π \sqrt{M_{p} C_{b}}

----------Mp为倒相管声质量，Cb为共振箱等效声顺，

M_p＝ρL/S_p---------------L为倒相管长度，Sp为倒相管等效辐射面积，

P＝(ρf/2r)U_p -----------P为辐射声压，Up为空气体积速度，

U_p＝V_pS_p ---------------Vp为管内的空气速度，

可以看出，要提高低频辐射声压，则必须保证或增大管中传输的空气体积速度，而空气体积速度为管内空气振动速度和倒相管的截面积乘积，由于倒相管的截面积取值有一定的局限性(通常远小于主动扬声器的有效辐射面积)，那么，要提高低频辐射声压，必将导致倒相管中的空气振动速度很高，这将不可避免的带来空气摩擦噪声；因此，我们并不希望空气振动速度太大，相反，希望在保证声压输出的情况下降低空气振动速度，从而降低低频失真，如此则必须增大倒相管尺寸，必然会导致管子长度变得很长，管子的长度和面积成反比，这在结构上常会遇到一定的困难(在小体积扬声器箱中尤其明显)。另一方面，该系统箱体内外的空气通过倒相管直接连通，因此箱内声波简正方式的影响就不可避免，表现在系统的非线性失真较大。

发明内容

本实用新型的目的是提供一直具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，该系统利用无源辐射器取代了传统四阶带通式扬声器系统中的倒相管，性能优异、低失真，并在结构安装方面方便可行。

本实用新型的技术方案是：

一种具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，包括共振箱，主动扬声器，其特征在于：在共振箱上安装设置有无源辐射器，无源辐射器固定于共振箱上，并将固定处密封，使无源辐射器与共振箱形成密封的整体。主动扬声器受驱动后，产生振动并通过与共振箱内空气的耦合，使共振箱内空气产生振动，共振箱内空气与用密封安装于共振箱上的无源辐射器的耦合，导致无源辐射器做活塞振动，向空间辐射声波，从而实现四阶带通响应。

所述主动扬声器为传统直接辐射式电动扬声器，其安装的具体位置为共振箱前后腔体中间的隔板上，受驱动后，分别向前后腔体辐射声波，其安装必须牢固，不可出现机械振动，并在与隔板连接处加垫密封棉，如EVA棉。

所述共振箱，由前、后两个共振箱组成，所述的无源辐射器安装于前共振箱上，两共振箱通过主动扬声器连接，共振箱的箱体材料必须选择坚固不易震动材料制成如MDF板材，要求密封。

所述无源辐射器，是由复合材料制成的，由弹性良好的折环连接一块平面或锥面的振动发声器；折环必须具有很好的弹性，同时不易产生非弹性形变；振动发声器必须具备足够的刚性，以保证振动时不会产生形变，振动为活塞振动。

上述的无源辐射器，其具体的结构为：中间是振动发声器，该振动发声器为平板结构或者是锥形结构，振动发声器的外缘具有折环，折环向外连接有支架，振动发声器通过支架连接于共振箱上。

本实用新型采用无源辐射器取代传统的倒箱管，辐射面积大，同等输出声压情况下，降低了空气振动速度，而改善了低频辐射失真，表现在系统在做低频重放时空气摩擦噪声大幅降低；无源辐射器的主要参数的调整与结构尺寸没有必然的关系，结构尺寸自由度相对比较高，因此在结构设计上具有较大的灵活性，尤其适合于小型声学系统的设计；同时，无源辐射器将共振箱和外界空气隔开，可有效抑制共振箱内声波简正方式对系统声辐射的影响，有效降低了系统的非线性失真。

附图说明

图1传统的四阶带通式的扬声器系统声学结构图，

图2传统的四阶带通式的扬声器系统声学类比线路图，

图3本实用新型的声学结构示意图，

图4本实用新型的声学类比线路图，

图5为无源辐射器的结构示意图，

图6为无源辐射器的侧面示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步介绍本实用新型的结构特征和实施：

本实用新型的声学结构及安装示意图如附图3所示，本实用新型实施的具有无源辐射器的四阶带通式扬声器系统，包括共振箱，主动扬声器，其特征在于：在共振箱上安装设置有无源辐射器，无源辐射器固定于共振箱上，并将固定处密封，使无源辐射器与共振箱形成密封的整体。

其中，主动扬声器为传统直接辐射式电动扬声器，其安装的具体位置为共振箱前后腔体中间的隔板上，受驱动后，分别向前后腔体辐射声波，其安装必须牢固，不可出现机械振动，并在与隔板连接处加垫EVA密封棉。

共振箱，由前、后两个共振箱组成，上述的无源辐射器安装于前共振箱上，两共振箱通过主动扬声器连接，共振箱的箱体材料必须选择坚固不易震动材料制成如MDF板材，并要求密封。

结合图5、图6，无源辐射器，是由复合材料制成的，具体地说是由弹性良好的折环2连接一块平面的振动发声器1；振动发声器1的外缘具有折环2，折环2向外连接有支架3，振动发声器1通过支架3连接于共振箱上。折环2必须具有很好的弹性，同时不易产生非弹性形变；振动发声器1必须具备足够的刚性，以保证振动时不会产生形变，同时，无源辐射器与前共振箱固定部位通过螺钉及胶水固定密封，使整个系统密闭。

可以看出无源辐射器能将箱内外的空气隔开，可以有效的抑制箱内声波简正方式对系统声辐射的影响，有效降低了系统的非线性失真。

根据声学类比原理可以画出本实用新型的声学类比线路图，如图4所示。其中Pg为等效声压源，Ma为主动扬声器的等效声质量，Ca为主动扬声器的等效声顺，Ra为主动扬声器的等效声阻，Cbf为前共振箱的等效声顺，Mp为无源辐射器的等效声质量，Cp为无源辐射器的等效声顺，Cbr为后共振箱的等效声顺。由此可以推导出本实用新型的声学系统所辐射的声压频率响应函数如下：

P_{pr} = \frac{ρ P_{g}}{4 πr M_{a}} | G_{pr} (jw) |

C_{pr} (s) = \frac{{(\frac{jw}{W_{0}})}^{2} \frac{W_{p} C_{p}}{W_{bs} \sqrt{(C_{p} + C_{ab} + C_{bf}) C_{bf}}}}{\{\begin{matrix} 1 + s \sqrt{\frac{W_{p}}{W_{bs}}} \frac{(C_{p} + C_{bf})}{Q_{bt} \sqrt[4]{C_{bf} {(C_{p} + C_{ab} + C_{bf})}^{3}}} + s^{3} \sqrt{\frac{W_{p}}{W_{bs}}} \frac{\sqrt[4]{C_{bf}}}{Q_{bt} \sqrt[4]{C_{bf} {(C_{p} + C_{ab} + C_{bf})}^{3}}} + s^{4} \\ + s^{2} [\frac{W_{p}}{W_{bs}} \frac{C_{p} + C_{bf}}{\sqrt{(C_{p} + C_{ab} + C_{bf}) C_{bf}}} + \frac{W_{bs}}{W_{p}} \frac{C_{bf} + C_{ab}}{\sqrt{(C_{p} + C_{ab} + C_{bf}) C_{bf}}}] \end{matrix}\}}

其中：

α = \frac{C_{a}}{C_{br}}; C_{ab} = \frac{C_{a}}{1 + α}; W_{s} = \frac{1}{\sqrt{M_{a} C_{a}}}; Q_{t} = \frac{W_{s} M_{a}}{R_{a}}; W_{p} = \frac{1}{\sqrt{M_{p} C_{p}}};

\frac{W_{bs}}{W_{s}} = \frac{Q_{bt}}{Q_{t}} = \sqrt{1 + α}; W_{0} = \sqrt[4]{{W_{bs}}^{2} {W_{p}}^{2} \frac{C_{p} + C_{ab} + C_{bf}}{C_{bf}}}; s = \frac{jw}{W_{0}}

可以看出，本使用新型的系统函数特性和传统的四阶带通系统的系统函数的特性非常相似的，是典型的四阶带通函数，四阶带通响应系统函数有如下一般形式：

G (s) = \frac{\frac{A_{1}}{b_{1} Q^{2}} s^{2}}{1 + \frac{a_{1}}{b_{1} Q} s + (2 + \frac{1}{b_{1} Q^{2}}) s^{2} + \frac{a_{1}}{b_{1} Q} s^{3} + s^{4}}

其中：A₁为系统函数增益，通带品质因数Q＝1/Δs；Δs＝s_H-s_L；

Δs = s_{H} - s_{L}; s_{L} = \sqrt{1 + 4 Q^{2}} - 1 / 2 Q, s_{H} = 1 / s_{L};

s_L和s_H分别对应通带中心频率点幅值下降3dB，所对应的频点；a₁和b₁为二阶低同函数所对应的系数值，几种典型的响应(如Butterworth，Chebyshev)值是一定的。解系数方程可得：

箱体参数：

C_{br} = \frac{C_{a}}{{(\frac{b_{1} Q}{a_{1} Q_{t}})}^{2} (\frac{A_{1} b_{1} Q^{2} + A_{1} - b_{1} Q^{2}}{A_{1} b_{1} Q^{2}}) - 1}; C_{bf} = A_{1} C_{a} {(\frac{a_{1} Q_{t}}{b_{1} Q})}^{2}

无源辐射器参数：

W_{p} = W_{s} \frac{\sqrt{b_{1} (b_{1} Q^{2} - A_{1})}}{a_{1} Q_{t}}; C_{p} = {(\frac{a_{1} Q_{t}}{b_{1} Q})}^{2} (\frac{{A_{1}}^{2}}{b_{1} Q^{2} - A_{1}}) C_{a}

对于特定的预期响应无源辐射器的参数是一定的，也就是无源辐射器的谐振频率及无源辐射器的顺性值可以通过对响应特性分析而得出。无源辐射器的谐振频率由以下公式给出：

f_{p} = \frac{1}{2 π \sqrt{M_{mp} C_{mp}}} = \frac{1}{2 π \sqrt{M_{p} C_{p}}}; M_{p} = \frac{M_{mp}}{{S_{p}}^{2}}; C_{p} = C_{mp} {S_{p}}^{2};

LLM_mp为无源辐射器的等效质量，单位为Kg，M_p为无源辐射器的等效声质量

LLC_mp为无源辐射器的等效力顺，单位为m/N，C_p为无源辐射器的等效声顺

可以看出，调整无源辐射器的谐振频率可以通过改变振动发声器的重量和折环的弹性系数来实现，这在实际使用过程中非常容易实现，同时无源辐射器谐振频率的调整完全可以在不改变其结构尺寸的情况下进行，这使其具有安装及调整方便的优点。

同时可以看出在条件允许的情况下，振动发声器的面积可以尽可能的做大(一般都大于主动扬声器的有效辐射面积)，只要保证等效声质量及等效声顺不变，则不会改变无源辐射器的谐振频率，面积增大只需要调整振动发声器的重量及折环的顺性即可，不会导致无影响安装的纵向尺寸的增加，相较于传统的六阶带通系统，本实用新型在小型系统设计中有着得天独厚的优势。

而辐射声压与辐射面积及振动速度有这样的关系：

P = \frac{ρf}{2 r} V_{p} S_{p}

------P为辐射声压，Vp为辐射器振动速度，Sp为辐射器有效辐射面积

辐射面积的增大意味着在输出同样的声压级的情况下，本实用新型所采用的无源辐射器所驱动的空气的速度将大为降低，而无源辐射器的有效辐射面积远大于传统的倒相管的面积，这就意味着在输出同样声压级的情况下，本实用新型所推动空气的振动速度远低于传统六阶带通式系统，因此本实用新型可以有效降低低频辐射失真，表现在系统在做低频重放时空气摩擦噪声大幅降低。

综上所述，本实用新型有如下优点：

1、用无源辐射器辐射面积大的特征，同等输出声压情况下，降低了空气振动速度，而改善了低频辐射失真，表现在系统在做低频重放时空气摩擦噪声大幅降低；

2、由于无源辐射器的主要参数的调整与结构尺寸没有必然的关系，结够尺寸自由度相对比较高，因此在结构设计上具有较大的灵活性，尤其适合于小型声学系统的设计；

3、因为无源辐射器将共振箱和外界空气隔开，可有效抑制共振箱内声波简正方式对系统声辐射的影响，有效降低了系统的非线性失真；

4、具有和传统四阶带通式扬声器系统相似的频响特性。

Claims

1、一种具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，包括共振箱，主动扬声器，其特征在于：在共振箱上安装设置有无源辐射器，无源辐射器固定于共振箱上，并将固定处密封，使无源辐射器与共振箱形成密封的整体。

2、如权利要求1所述的具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，其特征在于主动扬声器为传统直接辐射式电动扬声器，其安装的具体位置为共振箱前后腔体中间的隔板上，分别向前后腔体辐射声波。

3、如权利要求2所述的具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，其特征在于主动扬声器与隔板连接处加垫有密封棉。

4、如权利要求1所述的具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，其特征在于主动扬声器所述共振箱，由前、后两个共振箱组成，所述的无源辐射器安装于前共振箱上，两共振箱通过主动扬声器连接。

5、如权利要求1或4所述的具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，其特征在于主动扬声器所述无源辐射器，是由复合材料制成的，由弹性良好的折环连接一块平面或锥面的振动发声器；折环具有很好的弹性，振动发声器具备足够的刚性。

6、如权利要求5所述的具有无源辐射器的四阶带通扬声器系统，其特征在于主动扬声器上述的无源辐射器，其具体的结构为：中间是振动发声器，该振动发声器为平板结构或者是锥形结构，振动发声器的外缘具有折环，折环向外连接有支架，振动发声器通过支架连接于共振箱上。