声装置 本发明是关于一种声装置，其包括一根据弯曲波作用的板式构件，且以表面振动共振模式的分布用于声操作，其特别涉及板式扬声器。
象新型换能器有限公司从公开的国际申请WO97/09842开始的专利申请中所教导的，板式扬声器应能够使相关板的几何形状与弯曲刚度以及板的激励器激励位置最佳化。但是，即使有此改善，操作时仍会出现某些情况，有些频率的贡献会出现变化，例如，这些频率时很令人讨厌的，因此，减少或显著地抑制这些频率的贡献是有用的。事实上，一特殊例子相关于谐振频率，其至少在大型板中能以对于板表面成极限角度产生方向性的辐射，并且产生对小型板内在地有用的、超过与尺寸相关的平滑效应的不规则性。
依本发明的第一方面，提供了一种弯曲波扬声器，包括：
一板，可支承弯曲波，
一第一激励器，安装于板上，在板内激励弯曲波以产生一声输出，其中由该第一激励器驱动的板声输出响应具有一已知频率的特性，及
一第二激励器，安装于板上，在板内激励弯曲波以产生一声输出，其中第二激励器设置成当第一、二激励器共同驱动时，该特性是平滑的。
第二激励器设置在距第一激励器有一预定距离的地方，使该特性平滑，第一、二激励器地相对相位及增益可予以控制，第二激励器可具有一滤波器、一衰减器、延迟、相位控制、信号处理及/或与其相关联的可变增益控制。大体上，由于要紧的是提供给二激励器的信号相对振幅与相位，因此，另外一种方案或者还可以提供与第二激励器相关联的滤波器、衰减器、延迟、相位控制、信号处理或可变增益控制。第二激励器可同相或反相地连接于第一激励器。也可以使用任一或所有的上述方法的组合。
该特性可为声输出(声压级)中的峰值、突出处或上升部，作为激励电压不变时频率的函数。本发明的扬声器据此可具有一改善的频率响应，其中该特性是平滑的。
第二激励器最好是距离第一激励器以一大致等于已知频率下的板内弯曲波波长一半的距离，设置于板上。
也可使用半波长的奇数倍，例如一又二分之一波长及二又二分之一波长等。
第一、二激励器最好同相地连接于共同端子之间，这可以通过串联或并联相同的激励器很容易就能实现，弯曲波于是就可同相地辐射。当然，当诸激励器在一特定频率下相距半波长时，在该频率下的相位关系将导致所需大小的抵消，以给与控制及/或平滑。
若第二激励器相对于第一激励器仅是反相驱动，而不管第二激励器的设置，则第一、二激励器就会在一宽频率范围上产生破坏性干扰，造成低输出，特别是在低频率时。反之，通过设置第一、二激励器相距半波长，第一、二激励器可以同相驱动而增强声输出。只有在已知频率处，由二激励器激励的弯曲波可呈反相且抵消。据此，本发明的扬声器可在特定的已知频率处具有改善的响应。
已知频率最好为谐振频率(coincident frequency)。在谐振频率处，板的声学性质是以非平滑方式变化，因此，在此频率处的声波响应中常有一波峰或上升部，而其可在本发明的扬声器中被平滑处理。
板可为各向异性，且具有相关联于第一、二轴线的不同谐振频率。第二激励器可沿第一轴线与第一激励器分开，以平滑相关于沿着第一轴线的弯曲波的谐振频率特性。可以沿第二轴线设置一个第三激励器，距第一激励器的距离大致等于在与第二轴线相关的谐振频率处弯曲波波长的一半。
还可以设一个第四激励器，第一、第二、第三、第四激励器可在板表面上定义一长方形。必要时可再添加其他激励器，例如用于提供足够的输出功率。
激励器可以是单独的换能器，例如各激励器可包括一固定于板的音圈及一可相对于音圈运动的磁铁组件。激励器可以是惯性的，即磁铁组件不需固定于一单独的框架上，作用在板上的力可以产生克服磁铁组件惯性的反作用力。若激励器以同相驱动，则有些零件是可以共用的。例如第一、二激励器可包括单一的换能器，该换能器具有一线圈及一磁铁组件，线圈具有一接触于板(第一激励器)的第一区及一接触于板(第二激励器)的第二区，此二位置相距为已知频率处的弯曲波波长一半。
虽然最好是以特定距离隔开激励器，但是其并非永远可行。因此，在其他的实例中，第二激励器可邻近于第一激励器且以反相驱动。在此例子中，可使用一带通滤波器，这样，第二激励器仅在已知频率附近的一预定频率范围内驱动。
在实例中，可配置少量的激励器在谐振频率以上的高频率下操作，例如用以减小这些频率处的干扰效应，这可通过已经描述过的配置滤波器与上述激励器相联而实现，使得仅有一激励器在较高频率操作。由于这将破坏第一、二、三激励器等的电气与机械性对称，因此，作为另一种方案或者还可以提供单独的较高频率激励器。仅提供单一较高频率的激励器有利于在较高频率时减弱声干扰效应。
提供一个或多个单独的较高频率激励器时，出现于一驱动信号中的低频与高频可由一个或多个分频电路分离或者由向高频激励器提供截断以上的频率而向其他激励器提供截断以下的频率的电路来分离。分频的详细设计为扬声器领域中的公知技术，必要时分频可呈陡状。分频不应混淆于前述的带通滤波器，虽各电路可依方便性而并合。
依本发明的第二方面，提供了一种弯曲波扬声器，包括：
一板，可支承弯曲波，
第一与第二激励器，安装于板上，用于激励板内的弯曲波，以产生一声输出，其中
第一与第三激励器相隔一预定频率处波长一半的距离，使得当第一与第二激励器共同驱动时，板的声输出会在预定频率处受到影响。
第一、二激励器可以反相连接，以在预定频率处加强声输出，或同相连接以在该频率处平滑或减小声输出。在一特定频率处增强响应对警笛及其他声音警示装置特别有用，这是仅需在已知频率产生输出。
对于平滑扬声器响应的更一般要求而言，第一、二激励器可同相连接。在此例子中，若方便时亦可使用根据本发明第一方面的上述其他特性。
依本发明的第三方面，提供了一种抑制弯曲波扬声器频率响应中的一特性的方法，该扬声器具有一可支承弯曲波的板及一安装于板上的第一激励器，该方法包括决定板上第一激励器响应具有一特性时的频率，提供一第二激励器于板上，且其配置成使得当第一、第二激励器共同驱动时该特性是平滑的。
第二激励器可提供于板上，且在已知频率时板内弯曲波波长一半处。决定频率的步骤是决定相关于一预定方向的谐振频率。
依本发明的第四方面，一依据弯曲波作用而有振动共振模式有利分布的板状扬声器，能够根据与相关板相联的至少二激励器装置间的间距控制至少一个频率。
该间距可为从位于激励所述板的优选位置的一个所述激励器装置到一个附加的另一所述激励器装置，并且对于所述频率，可直接相关于该板内的弯曲波传播速度，特别是对应于半波长，当二激励器以同相基础接收到相同信号时可减小至令人满意的抑制。
可行的是，实际上，仅向所述另一个激励器装置供给所述一个频率，即经由窄带通滤波，也可以对该激励器装置进行延迟而容许该间距不同于该半波长，但是仍有相同效果。其他或进一步的调整能力可以得自施加于其余输入信号的延迟，虽然其需无差异地供给在优选位置的多个激励器。
情况是，以与所述一个激励器装置反相关系，在距其间距为半波长的地方设置所述第二附加激励器装置，将具有相反效果，即在该板状扬声器的声输出中增加该频率的贡献。
该间距的方向也是很重要的，因此，如本发明另一方面所示，二激励器装置间的间距特定方向上的弯曲波在一对应于该间距的频率处受到影响。二个这样的频率可受到相同方向上的不同间距适度影响，通常是在一优选位置的激励器装置各侧处，或者对于与这种不同方向相关的频率，沿不同方向。
在本发明的具体实例中，针对相关于一大致长方形所述板的长度或宽度其中一者的该频率，该间距将在一对应的方向上，即平行于长度或宽度侧或轴线的其中一者。事实上，实用的是，利用分别与一个激励器装置的优选位置隔开的其他激励器装置或者每一个激励器装置都相对于不同的激励器装置的优选位置，处理至少一个相关于此长方形扬声器板长度与宽度的频率。
当对于激励器装置使用不同优选位置时，有利/方便的是不同地处理每一个方面：结合分开的为此目的的其他激励器装置，包括不与一个或多个使用的这种优选位置结合，即使一般不这样；结合使用相同间距的一个方向，因此，频率从与一个所用位置相关到与所有优选激励器位置相关；结合使用沿着该一个方向另一个相反的间距(于是有另一个相关的频率)，对于至少一个后者使用的优选激励器位置；结合使用另一个方向和间距(因此有另一个相关频率)，至少一个使用的优选激励器位置也和所述一个方向和间距有关；还结合其他激励器装置，距位于对此处用途有意义的间距处的另外其他的激励器装置的相同优选位置有不同方向和间距。
至少对于欲影响的带通滤波频率而言，当然可使用其他间距与选择性施加的延迟，以取得实质相同的效果，甚至为一个标准化的间距与不同的延迟。
至少当在此为不只一个相关频率采取的措施，相对于激励器装置的一优选位置一起施加时，有用的是，施加通道滤波至输入信号，使得选定的频带施加于所有位于并且相关于一个优选位置的激励器装置。
本发明实例于一选定频率基础上进行减小直到抑制，可看出其对于有关谐振频率的上述特殊问题，实现改善声波性能具有特殊有利的用途。这些将要进行具体的描述和图示。本发明实例于一选定频率基础上提供了增强，可看出其具有特殊有利的用途，例如需要一警笛及/或较大音量或重叠于讯息等(其可相对于一选定的频率带操作)的应用场合。
当欲加以影响的信号分量于扬声器板的输出中具有方向性时，本发明的实例可使用相关于所需的方向性效应，包括减小或加强。
本发明实施至少用于选定频率减小及/或抑制且相关于同相操作间隔开的激励器，可看出在某种程度上等效于大面积的激励，因此可以有效或实际使用较大面积的激励器装置，然后，与任何合适的通道滤波一起通过其他位置上的小面积激励器装置，对于必然的频率带效应进行补偿。
本发明的特定实例将参照附图以举例的方式进行说明，其中：
图1是本发明的一扬声器示意图；
图2是本发明的第一实例平面图；
图3是第一实例的侧视图；
图4是声功率输出对垂直轴线朝水平线成80°的图表，其利用二个激励器在水平方向间隔且利用单一激励器比较；
图5是声功率输出与朝着水平的垂直轴线成80°的曲线，其利用了两个在水平方向间隔开的激励器，与使用单个激励器进行比较；
图6示出了第一实例的分频配置；
图7示出了一变换的分频配置；
图8示出了具有九个激励器的第二实例；
图9示出了第二实例中的分频配置；
图10示出了第二实例的电阻抗；
图11示出了使用二个激励器的一维样品的模拟板位移；
图12示出了图11的样品仅以一个激励器驱动时的模拟板位移；
图13示出了图11所示配置的轴线上压力响应；
图14示出了541.7Hz时作为角度函数的声压；
图15示出了2039Hz时作为角度函数的声压；
图16示出了4515Hz时作为角度函数的声压；
图17示出了在所有角度上积分的声压；
图18示出了本发明的一扬声器平面图；
图19示出了图18所示扬声器的侧视图；
图20示出了图18及19的板驱动一个激励器时的测量结果；
图21示出了图18及19的板驱动二个激励器时的测量结果；及
图22说明另一配置方式。
参阅下面的方程(方程1，2)，板表面上的波速(v)取决于频率(方程1)，造成一谐振频率(方程2)，此时的波速等于无损板的声音速度。在此谐振频率处，一较大板，例如1450毫米×1100毫米板的极坐标图，显示了声压级(SPL)峰值出现在相对板表面为极限角度处。由于多个理由，这种情况在较大板更明显。较大面积则理想的弯曲刚度(B)较高，而谐振频率较低，较小板的任何“集束”效应因为相关于板规格的模糊功能而散布。再者，较大板有较少的模糊效应，因此峰值会较为明显。
方程1v(f,β,μ)=2πfβμ]]>
其中v(f，β，μ)是波速，取决于单位为Hz的频率f、单位为牛顿米的板材料弯曲刚度β、及单位为公斤每平方米的面积密度。
方程2fc(β,μ,v)=v22πβμ]]>
图1示出了本发明的一扬声器示意图。板11具有安装于其表面上的第一激励器13及第二激励器15。测量是利用一麦克风17绕着一水平路径19而进行的，以测量声功率响应。声功率响应为与垂直于板的中线21成的角度的函数。
第一激励器13配置于一理想的激励器位置，以耦合于板中的共振弯曲波，如新型换能器有限公司的其他专利和申请中所教导的那样，例如WO97/09842。第二激励器与第一激励器分隔开，其目的是使在极限角度与谐振频率相关的响应更加平滑。
为此，激励器13、15的中心对中心间距S为沿着水平轴线35的波在谐振频率处波长的一半。
图2、3示出了此概念的一特定实例。一测量为1450毫米×1100毫米的长方形各向异性板11具有一10毫米厚度的芯体25，及由含载碳纤维的环氧树脂制成的0.106毫米厚度的表层27，表层通过载于一棉质载体的90gsm(克每平方米)环氧树脂膜29结合于芯体。安装件23是提供于使用中支承板。
为了使板能起到投影屏的作用，用双面膜33将534gsm的PVC投影材料31粘在板上。
板沿着第一长轴线35具有184Nm的弯曲刚度，沿着第二短轴线37为71Nm，具有1.92公斤/米2的面积质量密度。
谐振频率为板中的波速与自由空气中的音速，取为344米/秒，相匹配的频率。通过上述参数及方程1，则声波在x方向上的相关谐振频率可计算出为1924Hz，在此频率下的半波长为89.583毫米，因此第二激励器15是沿着长轴线安装于相距第一激励器13为90毫米处。
虽然计算是相关于有效点源激励器，但是通常可用的激励器直径则可高达25毫米以上，这不再是一个点源。因此，可能需要一些调整以做改善，不过，这可以通过试配法很容易地得到。在5-10％范围内的最大位置公差例如大约5毫米即可预期使用。
在谐振频率处及以上，即大约2KHz，该频率的声音输出在与中心线21呈80度角处具有很强的最大值。图4示出了使用及不使用第二激励器做补偿时在80°的输出，测量是使用1V激励而在2米距离处进行，且使用及不使用第二激励器15。
图4中上曲线在2KHz附近示出了一个峰值，该曲线表示仅使用第一激励器进行激励的输出。图4中很容易看出使用二激励器13、15产生的改进，这种改进见于对使用二激励器激励进行测量所得的下曲线，此线并未显示出谐振峰值。
使用二激励器13、15仅能校正与水平面(x-轴线35)中的集束相关的特性。但是，集束亦可发生于y轴线37。由于板呈各向异性，因此沿着y轴线的波谐振频率与波长是不同的。在谐振处的半波长分离可依上述相同方式计算而得到为54毫米。据此，将第三、四激励器17、19沿v轴线设置成距离第一、二激励器13、15为54毫米，此四个激励器构成一长方形。使用长方形的理由在于其维持物理上的对称性，因而使激励器的机械阻抗大致相等，并使群组较易于驱动。
显示采用另一对激励器的改良结果呈现于图5，峰值在3KHz的细线代表仅使用第一对激励器并在水平线下方80度处的声输出，而粗线表示使用所有四个激励器的效果。如上所述，谐振处的峰值明显降低。
在无回音状态中于轴线上会有极小的谐振效应，即沿中心线由一麦克风所测得的值。但是，当扬声器安装于一室内且具有回音时，一聆听者可在所有角度皆听到声音，因其由墙壁反射后可到达听者。本发明的扬声器真实状态中提供了改善的响应，甚至在轴线上。
提供了一较高频率激励器21(如图2)，仅于高频率时操作。包括谐振的低、中频率由第一至四激励器13、15、17、19产生，此频率范围的分隔可减小由多驱动激励器产生的不期望的高频率干扰效应。
诸激励器最好由图6所示的分频电路20驱动，第一至四激励器是连接于共同端子之间，亦即一驱动输入点22与接地端24，诸端子则可连接至一信号源，例如一放大器。较高频率激励器21是并联于一电感L3，且二者再串联一电容C3，此可由共同端子或单独端子驱动。
第一至四激励器13、15、17、19是共同驱动且分成二并联的串联对，此激励器列是串联于并联的一电感L2、电阻R1与电容C2，其对频率响应做额外控制提供一弱滤波器。接着，该弱滤波器经由一电感L1接至输入端22，经由一电容C1接至接地端24，以提供低通作用。
所示组件的值如下：L1为0.92mH(低阻抗)、L2为5.0mH、R2为0.4 Ω、L3为0.9mH(低阻抗)、C1为6.8μF、C2为100μF、C3为6.8μF及R1为30Ω。
用于驱动四个激励器13、15、17、19的另一配置方式呈现于图7中，在此配置中，第一至四激励器其中二者是由一电容39桥接，以将高频短路，依此，仅有二激励器以较高频驱动。
图8示出了具有其他激励器的上述实例变型。第一至四激励器是如先前实例所示。而在此整个系统中，第五激励器41与第六激励器43提供于优选位置，以耦合于板中的共振弯曲波。第七激励器45与第八激励器47是分别相关于第五与第六激励器且沿水平轴线35与它们相隔开。这是因为水平面中由于方向性所致的不规则性对于听者比垂直方向不规则性更明显，且此不规则性可由水平间距校正。一第九激励器49亦沿着第一轴线，在相反于第七激励器方向以一不同间距与第五激励器隔开。
相关于全部九个激励器系统的分频系统示于图9。其计算或模拟所得的电阻抗则示于图10。电阻在大约12KHz与500Hz之间降至最小的8欧姆，这特别有利于输入信号放大器，并且如果需要，能够按需要提供范围以将其他系统并联于扬声器板30，可减小放大器过载的机会。分频的设置实际上仅允许第五激励器41动作以产生高频声输出辐射，且是对高频率响应其他改进的有效延伸。
图3的全部九个激励器系统具有针对于声输出行为中角度与低频操作延伸性的有利改善效果，测得的回音响应列于图8中，其是以轴线上与一极限80度角为基准。
此处所用的多个激励器对方向性提供了更大的控制，增大了最大SPL的值与频带宽。此控制是通过有效地使相关于板中的选定弯曲波的破坏性重叠不发生或发生来实现的，所影响的频率区域由板区域中的激励器特定位置控制，且包括谐振频率施加的任何内容，实现了去除大约10dB的SPL最大值，否则该值会发生于与板表面成极限角度处。
图1及2中所示大尺寸的典型扬声器通常做为中央声道扬声器，或许亦可为用于称为家庭电影或多媒体设施的观看屏幕。通常框边的规格可供板11用安装件23安装于墙壁上，且亦可供一装饰板安装于板11前面。低频率性能由于板距任意后壁的间隔最小而改善，且可通过把一层声波吸收材料如泡沫聚亚胺酯片固定至板后侧及其正常框边来实现，亦即吸收高于800Hz及大约40至80毫米的朝后间距。
图1、2、8所标示的所有尺寸应视为仅仅为示例性的。图8上用叉标示的某些激励器位于依分布模式的优选位置，见例如WO97/09842。
可以采用四激励器结构，令所有激励器以全范围为基础按串联-并联组合型式操作，亦即产生6欧姆负载于一信号供给放大器。另者，用于抵消相关于谐振频率效应的区域以上的输入信号频率可自激励器13、15辐射，其方法是在另外的激励器间连接一高通滤波器，如图7所示，以及电容39。这可产生一较高频率上升(如果要求或需要，而且利用一适当电阻串联于电容39，可进行改变)，并且减少在高频率时的干扰效应。听者绕行于板时可听到这种干扰。为了保持抵消激励器之间抵消范围内的机械作用的前述对称性，流动于各激励器中的电流相位应该尽量少改变，且应施加任何必要的补偿，例如一6μF电容会在2KHz处产生12度的电流相位变动，其等于3毫米的分离间距减少量，这能够以图2或8中的激励器对13、15与17、19之间分离间距增加来补偿。使用一具有电容55的串联电阻可减小分离的补偿变化。
附加激励器对于无回音、轴线上频率响应几乎没有影响，因为板的大部分并不在连接激励器的线上。因此，大部分的板表面会承受由标准激励器位置造成的正常弯曲波行为。对(在室内)回音响应的测量表现出当使用该方法时的改进，因为反射来自墙壁、天花板及地板，并具有平滑的叠加效果。
图11及12是相关于板位移的计算。当一弯曲波板振动时，板的位移即相关于弯曲波作用而发生。与传统活塞式扬声器发生的整个板简单的前后运动不同的是，发生了更复杂的位移型式。图11示出了使用在71、73处二间隔激励器时板位移的计算，图12是当仅在71处使用一个激励器时的情况，作为板位移比较用。这两个图都是相关于使用由激励器按谐振频率供应的能量进行的计算，并且经过了简化，其中板是按一长度尺寸及一垂直尺寸建模的。据此，实际二维板弯曲在第三维中造成位移的某些复杂性被去掉了。然而，结果显示在仅使用一个激励器的图12中看到的谐振时较大的板位移，被图11中有两个激励器的结构基本上抵消掉。在声学领域中，此结果会导致在与板表面成极限角度处，声压级在谐振频率处减小了。这是因为大板位移耦合于空气而于极限角度处产生声音，这种谐振效应(即公知的集束)降低了。
对于图11及12中一个与二个激励器的情况，计算了轴线上的声压，其结果示于图13。有一个激励器的结果表示在下面的实线，而有二个激励器的结果表示在上面的虚线。由于二个激励器产生双倍功率，因此虚线的声压级大致上高于实线3分贝。该结果是无回音的情况下计算的，即其不考虑任何回音。不论使用一个或二个激励器，频率函数的压力响应中看不到峰值。这是因为，在谐振时的峰值是在对轴线的极限角度处发出声音。因此，欲显示出使用二个激励器的效果时，就需要考虑声压级的角度依存关系。
图14示出了在明显低于谐振的541.7Hz频率下，朝不同方向辐射的声压级。可以看出，在这个频率下，辐射大致为各向同性。
图15示出了在谐振处(2039Hz)的结果。只有一个激励器的结果显示了在极限角度时具有非常明显的峰值与谷值。而在有二个激励器的情况下，诸峰值与谷值被显著地平滑掉了。
图16示出了在谐振以上4515Hz下的结果。此频率处未发生抵消。
呈现这些结果的另一种方法是，作为频率的函数，在所有角度上对所有声压级积分，图17所示的结果还是分别有一个及二个激励器。使用一个激励器时，谐振处(2000Hz)的峰值明显大于使用二个激励器。
这些计算所得的结果已利用测量样品得到了确认。测试样品示于图18及19中，由3.5毫米厚度的铝制蜂窝件51构成，碳纤维表层53及乙烯树脂制成的盖件55用50gsm的热塑性稀松非织织物粘在前面。板是呈长方形，其沿短轴线57测得为220毫米，沿长轴线59测得为440毫米。第一、二激励器61、63皆安装于板上，均为25毫米的激励器，且以一小质量环将其联结至板。自最接近的角隅处进行测量，第一激励器61位于沿短轴线的94毫米、沿长轴线的195毫米处，第二激励器63是在第一长轴线方向以朝向最近角隅22.5°的角度安装在距第一激励器43毫米处。
图20示出了板由第一激励器61驱动的情况下声功率的测量，图21示出了驱动二激励器61、63的结果。应该注意的是，在此二图中200Hz以下的数据应予以不计，因为其无法由测量设备准确地捕获。由这些曲线的比较可以看出，谐振频率处(大约3600Hz)的峰值可以通过使用二个而非一个激励器显著减小。
不同于图2及8所示较大样品的是，此板在沿着短轴线方向是相当小(220毫米)，因此在此轴线方向中的谐振集束并不构成严重问题。因此，可仅利用二个激励器而取得优选结果。
图22示出了另一种配置方式的详细内容。其中，第一13激励器与第二激励器15是相互接近设置的，且第二激励器经由一带通电路81与导线83反相连接于第一激励器。如上所述，此配置方式可以采用半波长以外的激励器间间距。