CN1261002C - 声音装置 - Google Patents

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Abstract

一种声音装置，具有沿着一个板(1)的长度方向的多个共振弯曲波模式。在垂直于该长度的方向上的共振弯曲波模式的基频要高得多，使得低频弯曲波模式基本上为单一方向的。在沿着板(1)的优选位置(3)处，横跨所述板(1)的宽度可以相互分开地设置多个换能器(5)。

Description

声音装置
                        技术领域
本发明是关于一种声音装置，尤其是使用共振弯曲波模式的那种声音装置。
                        背景技术
WO 97/09842中描述了一种先前的共振弯曲波装置。该文献描述了一种在板区域中具有共振弯曲波模式的板。可在板上用来激励共振模式的优选位置处设置一个换能器，而产生一扬声器或换能器。这样的一种装置被称为分布模式扬声器。
US3 347 335描述的一种扬声器中，沿着一个梁来发送弯曲波。在这个装置中，在梁的一端激励弯曲波，而在梁的另一端设置一个非反射终端。因这种终端为非反射性的，故弯曲波将沿着梁传播并被吸收，而不会反射回来形成共振模式。
                        发明内容
根据本发明，提供一种声音装置，这种声音装置包括一个具有一个模式轴线和多个非模式轴线的元件。在该模式轴线上有多个共振弯曲波模式，非模式轴线垂直于模式轴线。其中，沿每一非模式轴线的共振模式的基频为沿模式轴线的共振模式的基频的五倍。
优选地，共振模式沿每一非模式轴线的基频至少为沿模式轴线的十倍。与沿模式轴线的基频相比，沿非模式轴线的基频越高，该声音装置就越能够被称为“一维”的。
上述的元件可以是一种板，其模式轴线沿着板的长度方向，而一个非模式轴线沿着板的宽度方向。这种板不一定是平的。
当在一板激励出弯曲波模式时，这种弯曲波模式将使板在其板面上产生小量位移。这种位移量将随板面中的一个方向变化。当说一个弯曲波模式沿着一个特定方向时，该方向指的是位移发生变化的方向，而不是位移本身的方向。
沿一特定轴线的基频为沿该轴线的最低弯曲波模式的频率。沿一轴线的模式密度与沿该轴线的基频相关：在一宽频率范围内，沿着基频低的轴线比沿着基频高的轴线将有更多的共振模式。
为了进行比较，现有技术文献WO 97/09842教导沿长、短轴线进行模式频率的交错，这要求这些基频需要相近似。该文献教导使用纵横比为1.134或1.41的各向同性板。纵横比1.134和1.41分别对应于基频比1.285和2。
沿板的一个轴线上的基频fo可与板弯曲刚度B(绕着一个垂直的轴线)及沿该轴线的板长度L成下面的比例关系(假定每单位面积的质量恒定)：
                      (fo)2∝B/L4
可以看出，为了实现宽度方向轴线上的基频与长度方向轴线上的基频之比为一个高的比值，宽度可以小于长度的一半，优选地，小于长度的三分之一。
在沿着模式轴线而不是非模式轴线激励出共振弯曲波模式的那些频率处，板发出的声音为各向异性的。在这样的频率范围内，声音优先地发射到一个通过模式轴线并垂直于板的平面内，而在通过非模式轴线并垂直于板平面中有较少的声音。这样，在这些频率处就能够增强通过模式轴线的平面内的声音。因此，这种板可能特别适于同压电换能器一起使用。压电换能器的频率响应在低频会变小。增加的低频声音输出能补偿激励的这种尾曳而产生一个总体说来更均匀的声音。
在某些具体的应用场合，优先地将声音辐射到单一平面内也是有用的。例如导引声音进入一房间中的一水平平面内，避免将过多声音发送于房间的天花板或地板。
将声音优先发射到一个平面内，对平板来说才是最有意义的，而不是杆。而且这种优先发射随着宽度的增加而增加。然而，这种情况是假定能够维持这种一维性，而且，没有激励出板非模式轴线上的模式。后一个条件要求宽度要窄。为了能够满足一维特性但是板的宽度又很大的互相矛盾的要求，可以使用高度各向异性的板。
这种板绕着模式轴线的刚性可以大于绕着非模式轴线的刚性。板绕着模式轴线的弯曲刚度可以是绕着非模式轴线的弯曲刚度的至少1.5倍，更优选地，至少为2倍那么硬。因沿一个轴线的共振弯曲波模式导致绕着一个垂直轴线的弯曲，故如果板绕着模式轴线的刚性更大时，沿非模式轴线的模式数目将会减少。
具有各向异性弯曲刚度的板可以用具有波纹状或网格状结构的材料制造，这些网格或者波纹沿着非模式轴线分布在板面中。
在实施例中，可以采用换能器来激励共振弯曲波模式。换能器可以优先放置的位置是与沿模式方向的较低模式的节点相分开的。为此，可将换能器沿元件长度方向设置于一优选位置，例如沿模式轴线上大约为4/9、3/7或5/13长度处。这些位置与WO 97/09842所教导的位置相似，只是在该文献中，这些优选位置具有两个方向的坐标值。换能器不一定要置于模式轴线上，但可以设置于模式轴线的一侧。
可以设置多个换能器。为了在一个较佳位置提供多个换能器，多个换能器可以在板的整个宽度上并列设置。这种设置能够增加输出。另一种方式为，一单个换能器可在一较佳位置延伸通过板宽度。这种换能器即使仅导致沿一个轴线的弯曲，也是有效的。
当用在空间范围不能太大的二维板上时，横跨板宽度的弯曲换能器能够提供的功率大于单独的点式换能器。
也可以在次优选位置处激励板，例如比优选位置更接近一端的位置。可以沿模式轴线改变弯曲刚度，使得上述位置以外的其他位置变为优选的。另一种方式为，可以按照某些方式来阻尼或者夹紧板，甚至当板在次优选位置被激励是，也能够改善板的效果。
                        附图说明
为了更好地理解本发明，下面将仅仅以举例的方式，参照附图描述本发明的一个实施例。其中，
图1所示为根据本发明的一声音装置；
图2所示为图1所示板在垂直于板的一个平面内，在模式方向上沿三个方向的、作为频率函数的输出；
图3所示为图1所示板在垂直于板的一个平面内，在非模式方向上沿三个方向的、作为频率函数的输出。
                     具体实施方式
如图所示，长方形板1大致为扁平的，沿x(长度方向)及y(宽度方向)方向。该板对于弯曲刚度来说为各向异性的，并相对于其长度来说窄得多。该板绕着x轴线的刚性也比绕着y轴线的刚性大得多。因此，x轴线，即模式轴线上的基频远小于非模式y轴线上的基频。因此，沿x轴线比沿y轴线具有更多的共振弯曲波模式。
多个换能器5沿着一条横跨板宽度的直线3在y方向相互分开地设置。这条直线3在x方向上沿着板长度方向距板的一端为九分之四长度。多个换能器比用单个换能器能够输入的功率多。将多个换能器用在本发明设备中，与将多个换能器用在根据WO 97/09842教导的分布模式板中相比，约束更加少，因为这种二维板中，换能器的位置被限制在优选的区域，而在一维板中，这种区域仅仅被限制在沿板长度方向的一个优选距离。
换能器5通过导线7连接于一传统放大器。这些换能器为传统的弯曲波换能器。这些换能器可以是压电换能器。
对这种板产生的作为频率的函数并以dB为单位的声压级，进行了测量。图2示出了“轴线上”，即垂直于板面的声压级，以及从该轴线向着x方向偏离45°、60°的另外两个方向上的声压级。图3示出了“轴线上”，即垂直于板面的声压级，以及从该轴线向着y方向偏离45°、80°的另外两个方向上的声压级。于是，图3示出的是侧向发出的声压级，而图2示出的是沿板长度方向发出的声压级。在距离板1m处测量声压级。
被测板是用以“Correx”商标出售的波纹状聚合物制成的。这种板绕着模式轴线的刚性比绕着非模式轴线的刚性，约硬2.83倍。
声能在模式轴线的平面中并不是很有方向性(如图2所示)。高频被辐射成非常宽的角度，中频偏离轴线时仅略为减小。该曲线与获自例如WO97/09842教导的传统分布模式板的曲线相似。
相较下，非模式轴线的平面中，在高频处声压级随着偏离轴线而被显著减小，而在中频段声压级维持(见图3)。测量结果表明，很少量的声音从侧面发出来。
为增加这种效果，可以增加板的宽度。当板很宽时，波前变成圆柱形而低频输出随着频率的降低，每倍频程升高3dB。这样就能够补偿压电驱动器在这些频率处输出的降低。然而，从上面给出的关系可以看出，对板的宽度是有限制的，以便各基频保持足够的区别来实现有效的一维特性。

Claims (11)

1.一种能够在预定频率范围内工作的声音装置，包括一具有长度和宽度的板(1)，所述板(1)具有沿着所述板的长度方向的模式轴线，由此所述板(1)能支持沿所述模式轴线的预定频率范围内的多个共振弯曲波模式，其特征在于，所述板(1)还包括一个沿着所述板的宽度方向的非模式轴线，所述非模式轴线垂直于所述模式轴线，沿所述非模式轴线的共振弯曲波模式的基频至少为沿所述模式轴线的共振弯曲波模式的基频的五倍，沿着模式轴线而不是非模式轴线激励出共振弯曲波模式的那些频率处，所述板发出的声音为各向异性的。
2.如权利要求1所述的声音装置，其特征在于，沿所述非模式轴线的共振弯曲波模式的基频至少为沿所述模式轴线的共振弯曲波模式的基频的十倍。
3.如权利要求1所述的声音装置，其特征在于，所述板的宽度小于所述板的长度的二分之一。
4.如权利要求1所述的声音装置，其特征在于，所述板绕着所述模式轴线的弯曲刚度是所述板绕着所述非模式轴线的弯曲刚度的至少1.5倍。
5.如权利要求4所述的声音装置，其特征在于，所述板具有波纹状或网格状结构，这些网格或者波纹沿着所述非模式轴线分布。
6.如前述任一权利要求所述的声音装置，其特征在于，还包括一个换能器(5)，结合到所述板(1)上，以激励弯曲波模式。
7.如权利要求6所述的声音装置，其特征在于，所述换能器(5)放置的位置是与预定的多个低频共振弯曲波模式的节点相分开的。
8.如权利要求7所述的声音装置，其特征在于，所述换能器(5)放置的位置是沿着所述板(1)的模式轴线，距离所述板(1)的一个端部为4/9、3/7或5/13长度处。
9.如权利要求6所述的声音装置，其特征在于，所述换能器(5)是压电换能器(5)。
10.如权利要求6所述的声音装置，其特征在于，包括多个换能器(5)。
11.如权利要求3到5中任一项所述的声音装置，其特征在于，还包括横跨所述板的宽度所设置的多个换能器(5)。
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