ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ
LOUDSPEAKER

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к громкоговорителю. Предпочтительные варианты осуществления относятся к формированию луча громкоговорителем акустическими средствами.
Во многих применениях, как например, звуковые зоны, воспроизведение звукового поля или регулируемая направленность [1, 2, 3, 4], используется формирование луча громкоговорителем для управления направлением, в котором излучается воспроизводимый звук. В соответствии с существующим уровнем техники эти методы предполагают использование массивов из нескольких громкоговорителей, каждый из которых оборудован отдельной динамической головкой. На эти динамические головки подаются отдельные сигналы, что обычно предполагает одинаковое количество цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и усилителей. В дальнейшем каскад ЦАП-усилитель-громкоговоритель будет называться каналом воспроизведения.
Нижняя граница частоты для эффективного направленного воспроизведения определяется апертурой массива, т.е. наибольшим расстоянием между двумя громкоговорителями в соответствующем направлении луча. С другой стороны, верхняя граница частоты для управляемого воспроизведения звука продиктована наложением. Наложение происходит всякий раз, когда длина акустической волны становится меньше, чем двукратное расстояние между двумя соседними громкоговорителями в соответствующем управляющем измерении. Эти два аспекта подразумевают, что расстояние между двумя соседними громкоговорителями должно быть как можно меньше, вместе с тем одновременно должны быть громкоговорители с как можно большим расстоянием. Следование обеим целям оптимизации подразумевает использование большого количества каналов воспроизведения. Эта проблема становится еще более серьезной, когда требуется управление по более чем двум измерениям. Поскольку каждый канал воспроизведения подразумевает относительно высокую стоимость, использование большого количества каналов воспроизведения является неконкурентоспособным в сфере потребительских товаров. Однако использование многих каналов воспроизведения все еще считается отвечающим современному уровню техники в формировании луча (US2002012442A, US 2009060236A, US3299206).
Во многих случаях формирователь луча принимает один входной сигнал и работает со статическими цифровыми фильтрами, так что все сигналы громкоговорителей являются линейно зависимыми. Кроме того, для определенных классов формирователей луча такие фильтры также могут быть реализованы через неусиливающие компоненты. Хорошо известным классом, удовлетворяющим этому свойству, являются формирователи луча с задержкой и суммированием, которые, тем не менее, реализуются с использованием нескольких каналов воспроизведения при соответствующей стоимости реализации (US2004151325A, US2002131608). Эту проблему можно смягчить путем использования пассивных компонентов (в области электронных схем), управляемых одним каскадом ЦАП-усилителей, как раскрыто в US2013336505A. Тем не менее, для реализации такой системы требуется большое количество отдельных динамических головок громкоговорителей, которые, как известно, являются очень дорогими компонентами.
Альтернативой формированию луча является использование направленных громкоговорителей, обычно в форме рупоров (GB484704A), громкоговорителя со специальными корпусами (EP3018915A1), использующего самодемодулирующийся ультразвуковой луч (US2004264707A, US4823908A) или очень специфических конструкций (US5137110A). Кроме того, рупорные громкоговорители или аналогичные преобразователи могут быть оснащены акустическими линзами (US3980829A, US2819771A). Хотя эти подходы обеспечивают недорогое решение, они довольно ограничены в выборе диаграмм направленности и направлений. Фактически, цель этих подходов часто состоит только в том, чтобы излучение было перпендикулярно к апертуре громкоговорителя или в получении сферического излучения в широком диапазоне частот. Помимо ограничений по направлению, для реализации этих подходов обычно требуется значительный объем заданной формы. Это исключает использование таких подходов в электронных потребительских товарах или при применениях в автомобилях, где пространство является ценным благом, а форма встроенных компонентов часто предопределяется дизайном наружной части.
В US2003132056A описан громкоговоритель, имеющий несколько волноводов, соединенных с динамической головкой громкоговорителя. Другой патентной публикацией в этой связи является US2002014368A. Патентная публикация US2011211720A раскрывает использование изолированных путей звука, управляемых одной динамической головкой. Другой патентной публикацией в этой связи является US2011019853A. Есть современный уровень техники, рассматривающий аналогичный набор компонентов, но в другом расположении для обработки звуковой волны, излучаемой с задней стороны мембраны громкоговорителя (US4553628A, US5025886A). В то время как в US4553628A выступают за поглощение звука с задней стороны, в US5025886A выступают за его излучение для повышения эффективности. Исходя из вышеописанных недостатков, целью настоящего изобретения является предоставление простого и экономически эффективного подхода, обеспечивающего формирование луча.
Эта цель достигается посредством объекта независимых пунктов формулы изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют громкоговоритель, содержащий одну или более динамических головок и по меньшей мере два волновода. Одна или более динамических головок выполнены с возможностью излучения звуковых волн, при этом по меньшей мере два волновода соединены с одной или более динамическими головками для приема звуковых волн. Первый из по меньшей мере двух волноводов имеет выход, расположенный в первом положении громкоговорителя, и выполнен с возможностью направлять принятые звуковые волны на выход, причем второй из по меньшей мере двух волноводов имеет положение выхода во втором положении громкоговорителя, и выполнен с возможностью направлять принятые звуковых волны на соответствующий выход. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления громкоговоритель содержит только одна (в смысле единственная) динамическая головка, например, динамическая головка с предрупорной камерой, в котором выход предрупорной камеры соединен с по меньшей мере двумя волноводами. Согласно вариантам осуществления соединение может поддерживаться так называемым акустическим разветвителем, расположенным между одной или более динамическими головками и по меньшей мере двумя волноводами, при этом акустический разветвитель содержит один вход и по меньшей мере два выхода для по меньшей мере двух волноводов и выполнен с возможностью разделения звуковых волн, принятых на его входе, на два выхода. Предпочтительно, чтобы акустический разветвитель выполнял акустическую герметизацию таким образом, чтобы звуковые волны вводились в волноводы оптимальным образом. Кроме того, акустический разветвитель может быть спроектирован так, чтобы обеспечить хорошее согласование импедансов.
Раскрытые в настоящем документе идеи основаны на принципе, согласно которому громкоговоритель, способный выполнять (акустическое) формирование луча, может быть сформирован одним источником звука, например, одной динамической головкой или компоновкой динамических головок, которые обычно излучают звуковой сигнал (то есть управляются посредством сигнала общего источника) в волноводное устройство, имеющее по меньшей мере два волновода. Технологическая основа состоит в том, чтобы в соответствии с вариантами осуществления реализовать определенный класс формирователей луча с фильтрацией и суммированием чисто акустическими средствами, то есть, главным образом, с помощью соответствующим образом сконструированных волноводов. Волноводы могут быть образованы простыми трубками из любого твердого материала, такими как гибкие трубки или трубки из ПВХ, и могут быть выполнены с возможностью направления принятого звукового сигнала, чтобы распределить звуковые волны по разным положениям выходов. Для этого, согласно основной идее, акустическая волна разделяется и подается в волноводы с соответственно выбранными свойствами на выходы (выпуски), которые расположены в определенных положениях. Из-за различных излучающих звук положений выходов/выпусков и/или из-за влияния волновода на передаваемые звуковые волны можно добиться формирования луча для звука, излучаемого громкоговорителем. Таким образом, формирование луча или, в основном, направленное воспроизведение звука может быть реализовано через громкоговоритель, имеющий только одна динамическая головка громкоговорителя. Этот подход обеспечивает недорогую и гибкую реализацию систем воспроизведения, которые в противном случае потребовали бы большого количества дорогих аппаратных компонентов. Выяснилось, что характеристики сопоставимы с традиционным формирователем луча с задержкой и суммированием с несколькими громкоговорителями, но за небольшую часть его стоимости.
Предполагается, что более совершенные конструкции волноводов, которые будут обсуждаться ниже, могут дополнительно улучшить характеристики, при этом результирующая конструкция является достаточно гибкой, чтобы ее можно было интегрировать в большое разнообразие потребительских электронных продуктов или применять в автомобилях.
Что касается акустического разветвителя, следует упомянуть, что в соответствии с вариантами осуществления акустический разветвитель содержит один вход и два или более выходов, причем поперечное сечение разветвителя остается постоянным по длине разветвителя, т.е. поперечное сечение, по меньшей мере, настолько же велико, как выход одной или более динамических головок. Начиная с предпочтительного варианта осуществления динамической головки как громкоговорителя с предрупорной камерой, имеющего выход, это означает, что площадь поперечного сечения выхода громкоговорителя с предрупорной камерой, по существу, равна звуковым поперечным сечениям выходов. Обратите внимание, что, как правило, на динамическую головку приходится один разветвитель. При использовании нескольких динамических головок будет использоваться несколько наборов волноводов, которые объединяются на выходах.
Согласно дополнительным вариантам осуществления, звуковые поперечные сечения множества волноводов, по существу, равны площади поперечного сечения вывода динамической головки громкоговорителя. Такая конструкция обеспечивает хорошее или достаточно хорошее акустическое согласование между волноводами и динамической головкой громкоговорителя. Результатом хорошего акустического согласования является высокая акустическая эффективность. Согласно дополнительным вариантам осуществления волновод или, в частности, каждый из по меньшей мере двух волноводов имеет размер поперечного сечения, который меньше половины длины волны передаваемых звуковых волн.
Что касается волновода, следует отметить, что в соответствии с вариантами осуществления первый и второй волноводы выполнены с возможностью направления звуковых волн с задержкой, так что первый из по меньшей мере двух волноводов направляет звуковые волны с первой задержкой, причем второй из по меньшей мере двух волноводов направляет звуковые волны со второй задержкой, причем разность между первой задержкой и второй задержкой определяет полученную диаграмму направленности луча. Согласно другому варианту осуществления задержки также могут быть идентичными, в зависимости от желаемого направления воспроизведения. Эту конструкцию в отношении задержки можно получить путем конструирования по меньшей мере двух волноводов, которые имеют длину, пропорциональную соответственно требуемой задержке. Согласно предпочтительным вариантам осуществления каждая длина по меньшей мере двух волноводов составляет по меньшей мере столько же, сколько половина длины волны звуковых волн, которые должны быть переданы. Кроме того, следует отметить, что каждый волновод выполнен с возможностью изменения фазы и/или амплитуды звуковых волн, которые должны направляться исходя из конструкции волновода.
Согласно дополнительным вариантам осуществления каждый волновод содержит на своем выходе так называемые выводные средства, обеспечивающие согласование акустического импеданса. В соответствии с вариантами осуществления средство вывода может быть образовано в форме рупорообразного элемента, который выполнен с возможностью согласования акустического импеданса.
Как обсуждалось выше, первое и второе положение отличаются друг от друга, так что образуют массив за счет расположения выходов по меньшей мере двух волноводов. В соответствии с дополнительными вариантами осуществления, первое положение разнесено со вторым положением на расстояние, меньшее половины длины волны звуковой волны, которая должна быть направлена. В соответствии с другим вариантом осуществления громкоговоритель содержит третий волновод, имеющий выход в третьем положении, и также выполнен с возможностью приема звуковых волн и их направления на свой выход. Необязательно, выходы по меньшей мере трех волноводов могут быть расположены так, чтобы образовывать двумерную диаграмму направленности.
В соответствии с другим вариантом осуществления каждый волновод может быть выполнен в виде акустического фильтра, например, содержащего боковой канал или канал обратной связи. Эта особенность позволяет улучшить акустическую конструкцию, просто меняя реализацию волновода.
Варианты осуществления настоящего изобретения будут затем обсуждаться со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
на Фиг. 1 показана схематическая блок-схема, дающая обзор отдельных (частично необязательных) компонентов громкоговорителя в соответствии с основными вариантами осуществления;
на Фиг. 2 показано схематическое изображение (продольный разрез) громкоговорителя в соответствии с основным вариантом осуществления;
на Фиг. 3 показана схематическая реализация диаграммы направленности для установки в соответствии с Фиг. 2;
на Фиг. 4 показано схематическое изображение (продольный разрез) громкоговорителя в соответствии с другим вариантом осуществления;
на Фиг. 5 показана схематическая диаграмма направленности для установки в соответствии с Фиг. 4;
на Фиг. 6 показано схематическое изображение (продольный разрез) громкоговорителя в соответствии с еще одним вариантом осуществления;
на Фиг. 7 показана схематическая диаграмма направленности для установки в соответствии с Фиг. 6;
на Фиг. 8 показано схематическое изображение (поперечный разрез) волновода, дополненного фильтрующими элементами, эквивалентными цифровому КИХ-фильтру в соответствии с еще одним вариантом осуществления;
на Фиг. 9 показано схематическое изображение (поперечный разрез) волновода, дополненного фильтрующими элементами, эквивалентными цифровому БИХ-фильтру в соответствии с еще одним вариантом осуществления; и
на Фиг. 10a-c показаны схематические изображения прототипа громкоговорителя в соответствии с вариантами осуществления.
Варианты осуществления будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены элементы, имеющие одинаковые или аналогичные функции, так что их описание взаимно применимо и взаимозаменяемо.
Применительно к Фиг. 1, дается общий обзор концепции изобретения, где компоненты вместе с необязательными компонентами громкоговорителя 10, показанного на Фиг. 1, будут обсуждаться ниже.
На Фиг. 1 показан громкоговоритель 10, содержащий по меньшей мере динамическую головку 12 громкоговорителя и по меньшей мере два волновода 14a и 14b. Каждый из волноводов 14a и 14b может иметь вывод 14a_o и 14b_o. Вывод 14a_o и 14b_o формируют переход в пространство воспроизведения, которое обозначено ссылочной позицией 18.
Необязательно, между двумя волноводами 14a и 14b громкоговорителем 12 может быть расположен, так называемый, акустический разветвитель 16. Альтернативой акустическому разветвителю может быть разветвление одного волновода на несколько волноводов или другой объект, выполненный с возможностью разделения/распределения акустической волны.
Динамическая головка 12 громкоговорителя может быть громкоговорителем 12 с предрупорной камерой или любой другой динамической головкой громкоговорителя, который может излучать звуковое давление внутрь полости, которая может быть соединена с волноводным устройством 14, содержащим элементы 14a и 14b. Динамическая головка 12 громкоговорителя с предрупорной камерой станет выбором для многих применений, поскольку эти динамические головки изначально сконструированы для присоединения к волноводу 14 или, соответственно, к рупору как типичному для волновода.
Необязательный акустический разветвитель 16 соединен с динамической головкой 12 для приема звуковых волн (звукового сигнала), генерируемых динамической головкой 12, и множеством выходов волновода, с помощью которых волноводы соединяются. Другими словами, акустический разветвитель 16 разделяет один вход волновода на несколько выходов волновода, так что один звуковой сигнал от динамической головки 12 может распределяться по множеству волноводов от 14a до 14b. Важным свойством акустического разветвителя 16 является повторная настройка акустического импеданса входа для каждого из n выходов, чтобы избежать отражения волн в направлении громкоговорителя 12, которые в противном случае мешали бы его работе. Надлежащим решением для достижения согласования акустического импеданса является то, что площадь поперечного сечения от выхода динамической головки 12 до выходов разветвителя 16 является постоянной. Предпочтительно, но не обязательно, чтобы акустический разветвитель 16 изолировал пространство динамической головки громкоговорителя от пространства воспроизведения так, чтобы только звуковые волны, излучаемые через волноводы 14a и 14b, могли достигать пространства 18 воспроизведения. Необязательно, акустический разветвитель 16 может быть сконструирован для подачи различной величины акустической мощности на каждый из отдельных выходов. Все выходы акустического разветвителя 16 поступают в отдельные волноводы 14а и 14b, которые служат двум целям:
- Во-первых, подать акустическую мощность на выходы 14a_o и 14b_o соответствующих положений.
- Во-вторых, задержать акустические волны так, чтобы волны достигли выходов 14a_ o и 14b_o с подходящей фазой и амплитудой, чтобы создать требуемую диаграмму направленности луча.
Роль выходов 14a_o и 14b_o в основном определяется их положениями, которые определяют диаграмму направленности излучения в пространстве 18 воспроизведения в сочетании с фазой и амплитудой подаваемых на них волн. Кроме того, выходы 14a_o и 14b_o могут быть выполнены с возможностью согласования акустического импеданса волноводов 14a и 14b с акустическим импедансом среды в пространстве 18 воспроизведения.
Поскольку теперь уже обсуждена фундаментальная структура громкоговорителя 10, будут обсуждаться его функциональные возможности.
Одна динамическая головка 12 генерирует звуковые волны, которые подаются через акустический разветвитель 16 по меньшей мере на два волновода 14a и 14b. Другими словами, это означает, что разветвитель 16 распределяет звуковой сигнал по волноводам 14a и 14b, которые направляют принятый звуковой сигнал на свои выходы 14a_o и 14b_o. Выходы 14a_o и 14b_o находятся в разных положениях и образуют переход в пространство 18 воспроизведения. Из-за распределения звукового сигнала в разных положениях и из-за того, что волноводы 14a и 14b допускают задержку направляемых звуковых волн, которая может отличаться от первого волновода 14a ко второму волноводу 14b, может быть реализовано формирование луча. Здесь формирование луча осуществляется без обработки сигнала, то есть просто неизменяемым способом. Таким образом, можно подытожить, что представленный громкоговоритель 10 позволяет распределять звуковой сигнал на выходы 14a_o и 14b_o, расположенные в разных положениях, причем необязательно и дополнительно создается возможность формирования луча.
Вариант осуществления, показанный на Фиг. 1, можно, другими словами, описать как один канал воспроизведения, например, содержащий динамическую головку громкоговорителя (и необязательный ЦАП и усилитель) для формирования луча. Представленный способ включает в себя соединение одной динамической головки 12 громкоговорителя с несколькими волноводами 14a, 14b. Каждый из этих волноводов 14a, 14b сконструирован для внесения, по меньшей мере, определенной задержки и, возможных дальнейших изменений в направляемой волне до того, как она достигнет выхода 14a_o, 14b_o в определенном положении. Таким образом, может быть реализован определенный класс формирователей луча с фильтрами. Выходы 14a, 14b, волноводы 14a, 14b и все соединительные элементы 16 могут быть изготовлены с использованием недорогих материалов. Поскольку изобретение предписывает только положение выходов 14a_o и 14b_o относительно друг друга: выходы 14a_o и 14b_o располагаются, например, рядом друг с другом и предпочтительно так, чтобы они были направлены в одном направлении, чтобы излучать звуковые волны параллельно. Благодаря такому расположению и свойствам волноводов, например, их длины (например, волноводы 14а, 14b могут иметь длину, сравнимую с длиной волны требуемого частотного диапазона) или их способность задерживать звуковые волны, может быть реализовано акустическое формирование луча, причем описываемые в настоящем документе идеи оставляют много степеней свободы относительно формы волноводов 14a, 14b и выходов 14a_o и 14b_o. Отметим, что громкоговоритель 10 может быть реализован в средах со строгими ограничениями по пространству. Различные реализации громкоговорителя 10 будут обсуждаться ниже со ссылкой на Фиг. 2, 4 и 6.
На Фиг. 2 показан вариант осуществления громкоговорителя 10’’, имеющего динамическую головку 12 громкоговорителя c предрупорной камерой, два волновода 14a и 14b, каждый волновод 14a и 14b соединен с соответствующими выходами 14a_o и 14b_o, которые расположены рядом друг с другом. Например, два выхода 14a_o и 14b_o могут иметь средство для обеспечения возможности согласования импеданса между пространством воспроизведения и волноводами 14a и 14b или могут быть сформированы в этом качестве. Следовательно, выходы 14a_o и 14b_o могут быть выполнены в виде рупорообразных элементов. Альтернативно, рупорообразные элементы или другие элементы, обеспечивающие согласование импедансов, могут быть прикреплены к выходам волноводов 14a и 14b.
Два волновода 14а и 14b соединены с акустическим разветвителем 16, соединяющим волноводы 14а и 14b с громкоговорителем 12 с предрупорной камерой.
Вариант осуществления, показанный на Фиг. 2, с двумя выходами 14a_o и 14b_o, что является минимально возможным числом для работающей реализации, обеспечивает направленное звуковое излучение, которое показано стрелками. Два выхода 14a_o и 14b_o расположены в пространстве воспроизведения на расстоянии относительно друг друга, которое меньше половины длины волны, учитывая интересующий частотный диапазон. Следует отметить, что интересующий диапазон частот может составлять от 20 Гц до 20 кГц или от 40/100/200/400/1000 Гц до 16/20 кГц и обычно определяется ограниченной шириной полосы аудиосигнала.
Волновод, соединенный с выходом 14a_o, длиннее волновода 14b, соединенного с выходом 14b_o. Таким образом, излучение акустической волны на выходе 14a_o задерживается по сравнению с волной, излучаемой на выходе 14b_o. Следует отметить, что оба волновода 14a и 14b, приняли один и тот же сигнал, поскольку акустический разветвитель 16 равномерно распределяет акустическую мощность на оба волновода 14a и 14b, причем из-за различной конструкции волноводов 14a и 14b звуковые волны, выводимые выходами 14a_o и 14b_o, могут отличаться друг от друга, например, в отношении их задержки или амплитуды, или фазы.
Что касается динамической головки 12 громкоговорителя, следует отметить, что его свойства имеют второстепенное значение. Кроме того, продольный разрез, показанный на Фиг. 2, является двумерным чертежом, диаграмма направленности излучения в уменьшенном пространстве основывается на трех измерениях. Для этого описания предполагается, что диаграмма направленности излучения выходов 14a_o и 14b_o в достаточной степени аппроксимируется идеальным точечным источником, где ось массива проходит через положения обоих выходов 14a_o и 14b_o. Результирующая диаграмма направленности излучения будет иметь осевую симметрию, где максимум не перпендикулярен к оси области, а наклонен к выходу 14a_o. Компьютерное моделирование полученной диаграммы направленности излучения показано на Фиг. 3.
Моделирование, показанное на Фиг. 3, основано на предположении, что выходы 14a_o и 14b_o расположены на ± 5 см по оси x, разность задержек из-за волноводов составляет 0,1 мс, разность длин 3,44 см (и расстояние от поверхности до сетки показывает суммарную мощность излучения от 1 кГц до 3 кГц (примерная длина интересующей волны).
Хотя использование двух выходов 14a_o и 14b_o является простейшим возможным вариантом осуществления этого изобретения, использование большего количества выходов будет желательным в практических применениях, где три или более выходов могут быть расположены в виде линейного массива или могут быть выполнены в виде двумерного массива, чтобы улучшить способность формировать луч во втором измерении. Большее количество выходов увеличит направленность, тогда как отдельные выходы в то же время чрезвычайно дешевы в производстве.
’’
Пример с четырьмя выходами показан на Фиг. 4. На Фиг. 4 показан громкоговоритель 10, в котором длины волноводов линейно уменьшаются от выхода 1 до выхода 4 (см. ссылочные позиции 14a_o и 14d_o).
Как видно из Фиг. 5 диаграмма направленности излучения аналогична случаю, представленному в отношении Фиг. 2 и Фиг. 3, но имеет более высокую направленность. Следует отметить, что диаграмма направленности излучения на Фиг. 5 моделируется на основе предположения, что выходы 14a_o to 14d_o выстроены по оси x с 10 см между началом и концом, где выход 14a_o находится на положительной оси x. Относительные задержки для выходов с 1 по 4 составляют 0,3, 0,2, 0,1 и 0 мс соответственно.
На Фиг. 6 показан громкоговоритель 10''', также имеющий четыре выхода 14a'_o - 14d'_o, где волноводы 14a' to 14d', ведущие к четырем выходам 14a_o to 14d_o, имеют одинаковую длину. Результирующая диаграмма направленности излучения, перпендикулярная оси массива, показана на Фиг. 7.
На Фиг. 6 показано еще одно преимущество изобретения: поскольку форма отдельных волноводов 14a' - 14d' может быть выбрана почти произвольно, и нет необходимости в том, чтобы они были смежными друг с другом, можно обойти конструктивные препятствия без дополнительных усилий. Здесь следует отметить, что волновод 14a' to 14d' может быть выполнен с помощью гибкой трубки или трубки из ПВХ, которая может быть сформирована произвольно. Возможность обхода конструкционных препятствий в вышеописанном контексте можно выгодно использовать при применениях, когда пространство для определенных компонентов уже определяется проходящими или другими компонентами, что типично при применении в автомобилях или бытовой электронике.
Конструкция отдельных компонентов, особенно динамической головки громкоговорителя, волноводов, акустического разветвителя и выходов, будет подробно рассмотрена ниже.
Q
Q
Q
Хотя это изобретение касается направленного воспроизведения звука, при этом динамическая головка громкоговорителя, имеющаяся в этом изобретении, практически не влияет на пространственные свойства. Однако это влияет на спектральные характеристики воспроизводимого звука и, следовательно, на качество воспроизведения. Как следствие, здесь не все динамические головки громкоговорителей одинаково хорошо подходят для применения. Громкоговорители с предрупорной камерой сконструированы для прикрепления к волноводу или, в рассматриваемом случае, к акустическому разветвителю. Таким образом, они являются готовыми компонентами для этого сценария. Тем не менее, это не делает негодными динамические головки громкоговорителей, которые были предназначены для других целей. При рассмотрении хорошо известных параметров Тиля-Смолла для электродинамических преобразователей, типичная рекомендация состоит в том, чтобы выбрать ms относительно высоким, а es - относительно низким таким образом, чтобы в результате ts находилось между 0,2 и 0,3 для динамической головки, имеющей в качестве нагрузки рупор. Та же рекомендация применима и здесь.
Назначение акустического разветвителя заключается в распределении акустической энергии, поступающей от динамической головки громкоговорителя, к отдельным волноводам, избегая обратных отражений акустических волн или несоответствия нагрузки динамической головки громкоговорителя. Простой способ добиться этого - сохранить общую площадь поперечного сечения, перпендикулярную направлению распространения волны, по всей длине разветвителя, причем акустические разветвители на Фиг. 2, 4 и 6 являются типичными примерами такого компонента. Такой разветвитель сохраняет акустическое сопротивление от входа до выходов. В общем, акустический разветвитель также может быть собран для преобразования акустического импеданса, если входной импеданс соответствует требованиям динамической головки громкоговорителя.
Хорошо известно, что боковыми лепестками формирователя луча можно управлять путем взвешивания мощности, излучаемой отдельными элементами массива. В случае данного изобретения это может быть облегчено взвешиванием акустической энергии, излучаемой отдельными выходами. Однако было бы нехорошо, если бы вывод поглощал или отражал акустическую мощность. Таким образом, взвешивание мощности на выходе уже должно быть облегчено акустическим разветвителем, например, с помощью выходов разных диаметров.
Волноводы определяют пространственную диаграмму направленности излучения и поэтому являются одним из наиболее важных компонентов этого изобретения.
Эти волноводы, как правило, будут иметь форму трубки, в которой два поперечных размера меньше половины длины волны. Обратите внимание, что длина волноводов обычно не мала по сравнению с длиной волны. Из-за этой геометрии может распространяться только мода 0-го порядка волны. Это подразумевает, что каждый волновод вызывает задержку волны, которая зависит только от длины отдельного волновода, но не от длины волны фактически направляемой волны. Таким образом, при рассмотрении известных положений выходов для реализации формирователя луча с задержкой и суммированием можно выбрать длину волновода. Таким образом, можно выбрать направление основного луча в широком диапазоне частот и ноль в узком диапазоне частот. Кроме того, эта геометрия позволяет строить волноводы практически произвольной кривизны. Это позволяет приспособить изобретение к большому разнообразию объемных форм, даже тех, которые перекрещиваются с препятствиями. Фактическая форма трубки также может быть произвольной из-за того, что распространяется только мода 0-го порядка. Поскольку волноводы не должны быть выровнены, их длина не зависит от расстояния от акустического разветвителя до выходов. Например, это используется для компоновки, показанной на Фиг. 6, где все волноводы имеют одинаковую длину, хотя расстояния от акустического разветвителя до выходов различаются.
Когда нужно реализовать более усовершенствованные методы формирования луча, волноводы можно сконструировать немного по-другому, добавляя полости, боковые ответвления, соединения между отдельными волноводами или подобные структуры. В принципе, это позволяет реализовать широкий спектр пассивных фильтров, где могут применяться многие из методов, известных для волноводных фильтров (для электромагнитных волн). Однако акустические волны могут удовлетворять некоторым граничным условиям, которым электромагнитные волны удовлетворять не могут, что исключает использование некоторых конкретных методов, применимых к электромагнитным волнам. Обратите внимание, что эти фильтрующие элементы возможно могут позволить распространяться модам выше 0-го порядка, в отличие от простых волноводов, описанных выше.
Пример фильтрующего элемента, который может входить в волновод, показан на Фиг. 8, что будет иметь тот же эффект, что и простой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ). На Фиг. 8 показан фильтрующий элемент волновода, эквивалентный цифровому КИХ-фильтру, причем волновод 14'', образующий элемент фильтра, содержит три канала 14''_c1-14''_c3.
Три канала 14''_c1-14''_c3 имеют разные диаметры по сравнению друг с другом. Элементы распределяют мощность входящей волны по трем меньшим волноводам, пронумерованным как 1, 2 и 3. Поскольку волноводы имеют разную длину, соответствующие задержки различаются, что обозначается как t1, t2 и t3 соответственно. Кроме того, волноводы имеют разные диаметры, что означает, что они несут различное количество энергии, когда возбуждаются импульсом. Это количество энергии описывается весами амплитуд w1, w2 и w3 соответственно. При определении pin1 (t) как звукового давления входной звуковой волны, выходная волна будет иметь вид
, (1)
который точно описывает свертку с КИХ. Тем не менее, элемент пассивен, что подразумевает, что
, (2)
Альтернативная форма реализации фильтрующего элемента показана на Фиг. 9, где часть волны подается обратно. На Фиг. 9 показан волновод 14''' с петлей обратной связи 14'''_f. Петля обратной связи расположена параллельно основному каналу 14''_m и соединена с петлей обратной связи 14'''_f через отверстие 14''_o. Здесь следует отметить, что отверстие 14'''_o служит как вход и выход для петли обратной связи 14'''_f. Согласно дополнительным вариантам осуществления для входа и для выхода можно использовать множество отверстий.
Звуковое давление этой волны обозначается как pfb(t). Далее предположим, что задержка волны, проходящей от входа к выходу, имеет вид t4, задержка пути обратной связи t5, и что волновод обратной связи присоединяется к середине пути от входа до выхода. Кроме того, предполагается, что апертура волновода обратной связи пропорциональна w5, а апертура выходного волновода пропорциональна w4, и отраженные волны из-за скачков импеданса не учитываются. Тогда звуковое давление на выходе определяется как
, (3)
где
, (4)
Явное выражение для pout2 (t) может быть дано при преобразовании уравнений в частотную область, где ω обозначает угловую частоту, а j - мнимая единица:
, (5)
, (6)
Тогда система уравнений может быть решена в
, (7)
где H(jω) описывает частотную характеристику волноводного фильтра. Еще одной альтернативой является использование волноводного шлейфового фильтра, который здесь не обсуждается, поскольку он широко рассматривается в литературе.
Назначение каждого отдельного выхода состоит в том, чтобы согласовать акустический импеданс волновода с акустическим импедансом воздуха в пространстве воспроизведения. Кроме того, выходы имеют отдельные положения относительно друг друга в пространстве воспроизведения. Они вместе с задержкой, обсуждаемой в предыдущем разделе, определяют диаграмму направленности излучения формирователя луча. Фактическая форма одного вывода имеет второстепенное значение. Возможные формы включают в себя круглые, прямоугольные или щелевидные формы, но не ограничиваются ими. Размер апертуры одного вывода обычно меньше половины длины волны в интересующем диапазоне частот.
Одним из способов согласования акустического импеданса является использование небольшого рупора в качестве вывода, как это показано на Фигурах 2, 4, и 6. Это очень распространенное решение из-за его почти идеальных свойств. Другое решение могло бы состоять бы в том, чтобы продлить волновод в открытое пространство и поместить щель на стороне продолжения, чтобы высвободить акустическую мощность волны вместе с прохождением длины в продолжении.
Положение выходов может быть выбрано в соответствии с геометрией массива, обычно используемого при формировании луча. Наибольшее расстояние между двумя выходами обычно больше, чем длина волны в интересующем диапазоне частот. Когда наложение неприемлемо, расстояние между двумя выходами должно быть меньше половины длины волны. Если боковые лепестки из-за наложения не мешают при применении, это требование может быть отменено. Простая геометрия прототипа массива будет представлять собой линейный массив, который можно использовать для создания вращательно-симметричных диаграмм направленности лучей. Однако представленный подход не зависит от формы массива. Вполне возможно реализовать плоский массив, используя двумерное распределение выходов, так что направление луча может быть выбрано в двух измерениях. В такой конфигурации экономические преимущества представленного подхода будут еще более очевидными, поскольку в противном случае плоский массив потребовал бы огромного количества относительно дорогих преобразователей. В общем, поверхность, на которой расположены выходы, не обязательно должна быть плоской. Таким образом, выходы могут, например, также располагаться, формируя выборку на полусфере. Также возможно реализовать массивы менее распространенных форм, как например изогнутый линейный массив. Обратите внимание, что из-за того, что к каждому выходу подходит отдельный волновод, положения выходов можно выбрать произвольно. Это является существенным отличием от подходов, основанных на акустических линзах, которые ограничены в подсоединении (возможно, пересекаемой) одной входной апертуры к (возможно, пересекаемой) одной выходной апертуре.
Обратите внимание, что один и тот же набор выходов можно использовать для управления несколькими лучами независимых сигналов, когда для каждого независимого сигнала используется дополнительная комбинация динамическая головка - разветвитель - волновод.
2
2
На Фиг. 10a - 10c показаны три различные перспективных изображения громкоговорителя 10*, имеющего одну динамическую головку, расположенный в камере 12* громкоговорителя, который соединен с множеством волноводов, которые обозначены ссылочной позицией 14*. Каждый из множества волноводов образован гибкой трубкой, например, имеющей внутренний диаметр 12 мм (5-25 мм). Множество трубок 14'' соединено с динамической головкой 12* в области, обозначенной ссылочной позицией 16* (например, акустический разветвитель с идентичной площадью поперечного сечения входа и выходов, как описано выше). В области 16* выполняется переход от выхода динамической головки 12* к множеству волноводов 14*, где множество трубок 14* собрано в пучок, при этом пучок герметизирован относительно окружающей среды.
Как видно на Фиг. 10c, выход каждого волновода 14* образован рупором 14*_o, который выполнен в виде отдельного элемента и прикреплен к соответствующему волноводу 14*. Все рупоры 14*_o вообще все выходы 14* можно расположить так, чтобы они были направлены в одном направлении. Таким образом, направления звукового излучения множества выходов 14*_o параллельны друг другу, причем благодаря комбинации звуковых волн, излучаемых множеством волноводов 14*/ выходов 14*_o, может быть сформирована диаграмма направленности, как описано выше. Как можно видеть на Фиг. 10a, все выходные рупоры расположены последовательно, чтобы сформировать массив.
Как обсуждалось в отношении других вариантов осуществления, громкоговорителю 10* также достаточно использовать одну динамическую головку громкоговорителя или, по меньшей мере, компоновку громкоговорителя, управляемую одним отдельным управляемым сигналом. Звуковая волна, исходящая от динамической головки 12*, распределяется по нескольким отдельным волноводам 14* в области 16*. Волноводы, подающие на отдельный выход 14*_o в выбранных положениях 14*, в первую очередь предназначены для задержки направляемой через них волны. Задержки определяются так, что наложение звуковых волн, излучаемых всеми выходами 14*_o, приводит к требуемой пространственной диаграмме направленности воспроизведения. Реализация, соответствующая этим свойствам, уже делает возможной значительно более эффективную реализацию. Факт, который следует учитывать: Необязательно, волновод 14* может быть сконструирован не только для задержки, но и для фильтрации волноводов через них, как обсуждалось со ссылкой на Фиг. 8 и 9.
Согласно дополнительным вариантам осуществления волноводы могут быть сконструированы независимо друг от друга. Это, в частности, означает, что их функция не зависит от общего корпуса или от расположения рядом, хотя они могут иметь общий корпус и располагаться рядом. Длина волноводов 14*, согласно вариантам осуществления, обычно не мала по сравнению с длинами волн в интересующем диапазоне частот. Однако, как правило, поперечное сечение волноводов может быть меньше половины длины волны в интересующем диапазоне частот.
Как показано на Фиг. 10a и 10c, выходы 14*_o являются съемными. Таким образом, нет необходимости в том, чтобы они располагались рядом, но это может быть. Это подразумевает, что апертуры выходов 14*_o можно интерпретировать как отдельные апертуры. Размер отдельного выхода 14*_o может, согласно вариантам осуществления, как правило, быть меньше половины длины волны в интересующем диапазоне частот. Наибольшее расстояние между двумя выходами 14*_o может, как правило, быть больше длины волны в интересующем диапазоне частот. Использование двух волноводов 14* и выходов 14*_o, соответственно, является функциональным минимумом, где обычно используется более двух выходов для достижения достаточной направленности.
Вышеизложенная концепция применима к любой области, где требуется направленное воспроизведение звука. Двумя основными преимуществами являются низкая стоимость и большая гибкость при конструировании. Таким образом изобретение особенно подходит для применения в бытовой электронике или в автомобильных сценариях. Там экономическое давление высокое, так что все компоненты должны быть чрезвычайно дешевыми. Кроме того, форма компонентов, подходящих для таких сценариев, уже предопределена конструкцией устройства бытовой электроники или конструкцией салона транспортного средства. Это подчеркивает важность гибкого дизайна.
Кроме того, все части изобретения, за исключением динамической головки громкоговорителя, могут быть изготовлены без металлических компонентов. Это позволяет использовать изобретение для направленного воспроизведения звука в средах, где не допускаются металлические компоненты, например, внутри устройств магнитно-резонансной томографии (МРТ). В этом случае динамическая головка громкоговорителя будет расположена вне этой среды, в то время как волноводы будут направлять звук на выходы в этой среде.
Следует отметить, что вышеописанные примеры являются только иллюстративными, причем объем защиты определяется прилагаемой формулой изобретения.
Ссылки
[1] O. Kirkeby and P. Nelson, “Reproduction of plane wave sound fields,” The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 94, no. 5, p. 2992, 1993.
[2] M. Poletti, “An investigation of 2-d multizone surround sound systems,” in Proceedings of the Convention of the Audio Engineering Society, Oct. 2008.
[3] Y. Wu and T. Abhayapala, “Spatial multizone soundfield reproduction: Theory and design,” IEEE Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol. 19, no. 6, pp. 1711-1720, 2011.
[4] L. Bianchi, R. Magalotti, F. Antonacci, A. Sarti, and S. Tubaro, “Robust beam- forming under uncertainties in the loudspeakers directivity pattern,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 2014, pp. 4448-4452.