專利名稱：反射式拋物面聲導向裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及電聲技術(shù)領域，特別涉及一種能提高號筒式揚聲器聲(0° )方向 輻射聲壓級的強指向性反射式拋物面聲導向裝置。
背景技術(shù)：
目前，在國內(nèi)外生產(chǎn)和銷售的號筒式揚聲器中，或在國內(nèi)外一些高等學校的教材 或所能看到的科技刊物中，專業(yè)人員給不同用途的號筒揚聲器設計了各種不同形狀的號 筒，其號筒的長短也各不相同。但這些不同形狀的號筒，有一個共同點都是號筒的喉口小， 開口大。都是按照從喉口的截面積開始計算，隨著離開喉口距離的增加，號筒的橫截面積不 斷增大，直至計算到號筒口時，橫截面積最大。這些號筒的形狀之所以不同，都是因為各種 號筒在離開喉口的距離不斷增大時，號筒的橫截面積增加的速率不同而已。按照號筒的曲線不同分類錐形、指數(shù)線形、雙曲線形和拋物線形號筒；按照號筒 的長短不同分類還可分成折疊式和直射式。在劇場或廳堂里，有時為了擴寬揚聲器的指向性，還做成多格式號筒或在號筒口 內(nèi)安裝一些柵欄，可以使指向性能變寬。做這些工作的目的都是為了擴寬揚聲器的指向性。 使在劇場或廳堂中，坐在邊緣的聽眾，也能夠和坐在中間的聽眾一樣，聽到頻率失真較小的 聲音節(jié)目，改善聽音效果。而研究把聲音的能量聚集在一個小的范圍內(nèi)，傳播到很遠處的強指向性揚聲器的 研究和實驗工作，還開展的較少。盡管當前有不少科研單位和大專院校都在為遠距離大功 率廣播進行研究，但大都在增加音頭的輸入電功率和改進直射式號筒形狀上下功夫。目前所有的號筒式揚聲器都是號筒口的面積大于喉口的面積，不然的話聲音就不 能從號筒內(nèi)傳播出來。號筒延展指數(shù)的大小和號筒口面積的大小，決定了號筒傳輸聲音的 下限頻率(即號筒的截止頻率)和頻率響應。聲音從號筒中傳播出來，因其號筒的橫截面積在逐漸擴大，聲波就按照號筒形狀 的擴散角度向號筒口傳播。聲波在號筒內(nèi)部就不是一個平面波，傳到號筒外部時，就幾乎變 成一個球面波了。所以，不論怎樣設計號筒式揚聲器的號筒形狀，它輻射出去的聲波的指向 特性都不會有多大改善。要使揚聲器具有尖銳指向性，必須使揚聲器輻射的聲波盡可能成為平面波。至少 在“號筒” 口以內(nèi)部分傳播的聲波是平面波。而這正是現(xiàn)有技術(shù)所欠缺的，因此，聲輻射軸 方向的指向特性具有很大的改進空間。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對聲導向裝置的聲輻射軸方向 的指向特性的難題，提供一種能使號筒式揚聲器的指向特性變尖銳和提高號筒式揚聲器聲 輻射方向上(0° )聲壓級的聲導向裝置。本實用新型是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的反射式拋物面聲導向裝置，包括拋物面聲導向管、反射管和內(nèi)管，其特征在于，拋物面聲導向管頂端為圓形平面、管壁為拋物面 形狀，整體呈盆形結(jié)構(gòu)；內(nèi)管和反射管按折疊式號筒結(jié)構(gòu)相互連接成號筒組件，內(nèi)管較細端 向下管口處連接揚聲器音頭；所述拋物面聲導向管頂端的圓形平面中心開有一孔；將內(nèi) 管和反射管構(gòu)成的號筒組件固定安裝于拋物面聲導向管頂端的圓形平面中心開孔處，和內(nèi) 管相連接的揚聲器音頭安裝于拋物面聲導向管頂端的圓形平面中心開孔的外面，揚聲器音 頭的軸線與拋物面的中心軸線重合。拋物面聲導向管開口為正方形結(jié)構(gòu)，拋物面聲導向管管口為四條直線與四段弧形 間隔連接形狀；拋物面聲導向管的管壁局部形狀為側(cè)切面。拋物面聲導向管管口的四個弧形段部分沿徑向水平向外延伸，形成四個管口角 邊。本實用新型的優(yōu)點是1.本實用新型裝置的指向性強(極坐標圖0°方向尖銳):在 使用同一個音頭的條件下，使用本實用新型的裝置放聲，能比使用一般號筒式揚聲器的號 筒放聲，在0°方向上的總聲壓級高3dB以上。也就是說，在使用同一個音頭的條件下，用本 實用新型的裝置放聲，在遠距離試聽時，能達到兩個一般號筒式揚聲器同時放聲時的響度 效果。本實用新型的裝置，特別適用于遠距離、強指向特性的廣播。相當于在0°方向上把 音頭的電聲轉(zhuǎn)換效率提高一倍。2.本實用新型裝置的體積小、重量輕。本實用新型裝置與 同口徑的折疊式號筒揚聲器比較，具有“號筒”長度短，重量輕的優(yōu)點。與直射式號筒揚聲 器比較，本實用新型的聲導向裝置的長度，僅相當于直射式號筒揚聲器長度的1/3以下。優(yōu) 勢更加明顯。因此，本實用新型裝置的產(chǎn)品體積小、重量輕，便于攜帶、運輸和安裝。3.如果 把本實用新型的裝置外形設計成正方形，更適合于做成組合式揚聲器。如將4只、6只、9只 或16只正方形的本實用新型裝置產(chǎn)品，安裝在同一個平面內(nèi)，就可以組成大小不等的各種 形式的“線聲源”或“面聲源”。揚聲器組合成的“線聲源”或“面聲源”，可以使其指向特性 變得更加尖銳，輸出的聲功率更大，廣播傳輸?shù)木嚯x更遠。

圖1、反射式拋物面聲導向裝置分解圖A ；圖2、反射式拋物面聲導向裝置分解圖B ；圖3、反射式拋物面聲導向裝置構(gòu)成的組合式揚聲器圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細描述本實用新型如圖1至圖3所示，反射式拋物面聲導向裝置是利用了拋物面焦點的聚焦特性， 把號筒式揚聲器的號筒口置于拋物面的焦點上，聲音經(jīng)拋物面反射后，變成一簇平行于拋 物面中心軸的聲音向拋物面外輻射。在拋物面輻射出口處可近似形成平面聲波。聲波輻射 出去后，能在聲音輻射方向上起到聚集聲音能量的作用，使該裝置的指向特性變尖銳。反射式拋物面聲導向裝置構(gòu)成原理，方程式Y(jié)2 =2px是一條經(jīng)過直角坐標系坐標 原點的拋物線。這條拋物線是關于X軸為對稱的一條曲線。如果把此拋物線以X軸為旋轉(zhuǎn) 軸，旋轉(zhuǎn)一周，就能得出一個拋物面。拋物面的頂點就是坐標原點。拋物線的焦點也是拋物 面的焦點，焦點在X軸上，焦點和坐標原點的距離是Ρ/2。[0020]拋物面有這樣一個性質(zhì)從拋物面的焦點上發(fā)出的光或電磁波，向各個方向輻射， 輻射到拋物面經(jīng)反射后的光和電磁波，會全部沿著與X軸平行的方向前進，形成一簇平行 的光或電磁波。反之，一簇平行的光或電磁波，沿著X軸入射到拋物面上，經(jīng)反射后，會全部 聚焦于拋物面的焦點上。實驗證明，反射式拋物面聲導向裝置與相同口徑、相同長度的折疊式號筒揚 聲器比較，使用同一個音頭作為驅(qū)動單元，在X軸方向上，在相同測試距離的情況下，前者 的聲壓級比后者至少高3dB以上。這相當于兩只號筒式揚聲器(后者)同時發(fā)聲所獲得的 聲壓級，才能頂?shù)纳弦恢弧胺瓷涫綊佄锩媛晫蜓b置”發(fā)出的聲音的聲壓級。也就是說，在 χ軸的方向上，使用同一個音頭，只是號筒不同，前者比后者的聲轉(zhuǎn)換效率提高一倍。實現(xiàn)本實用新型需進行如下設計過程1、設計并制作一個適用的拋物面在直角坐標系中，y2=2px是一條關于χ軸為對 稱，經(jīng)過坐標原點的拋物線，拋物線的焦點坐標是(p/2，0)。以χ軸為旋轉(zhuǎn)軸，將此拋物線圍 繞χ軸旋轉(zhuǎn)一周，就得到一個拋物面。這個拋物面的中心軸(旋轉(zhuǎn)軸)就是χ軸。拋物面的 焦點在χ軸上，與拋物面頂點(坐標原點)的距離也是ρ/2。在本實用新型的裝置中，音頭是裝配到拋物面的頂部的，其號筒的內(nèi)管3和反射 管2的軸線正好通過拋物面的焦點，與χ軸重合，影響了拋物面對聲音的聚焦。為了解決聚 焦問題，需把拋物面向外移動，其拋物面的焦點也相應的向外移動。在垂直于χ軸且通過坐標原點的平面內(nèi)，以坐標原點為中心，以某一數(shù)值r為半 徑，作一個圓。把關于X軸對稱的拋物線的兩部分從頂點分離，分別向外平行移動距離r，平 移后的兩段拋物線的頂點分別落在以坐標原點為圓心，以r為半徑的圓周上。把平移后的 拋物線圍繞χ軸旋轉(zhuǎn)，成為一個底部有“圓平底”、周圍有拋物面的盆形結(jié)構(gòu)，這就是我們所 需要的。設計時，使半徑r的長度正好等于本實用新型裝置中反射管2開口處的半徑與內(nèi) 管3在同一水平位置截面的半徑之和的二分之一。{r=(反射管開口處的半徑+與反射管 開口相同水平面的內(nèi)管徑向截面半徑)—22、設計并制作一個號筒式揚聲器的號筒組件系統(tǒng)號筒組件，包括一個能和揚聲 器音頭相連接的一個反射管2和內(nèi)管3 ；并按照一定的方式和間距把內(nèi)管3和反射管2相 互固定和安裝起來。3、把上述制作好的號筒式揚聲器的號筒系統(tǒng)安裝于拋物面中，即為本實用新型所 述的“反射式拋物面聲導向裝置”。4、測試用同一個音頭，先后將其安裝于本實用新型的裝置中和安裝于口徑相同、 長度相似的一般號筒式揚聲器中。在相同的測試條件下，分別進行測量。測量項目包括聲 壓頻響曲線、聲輻射軸線(X軸)上規(guī)定距離處的總聲壓級，并測量兩者的指向特性，然后對 比測試數(shù)據(jù)。下面結(jié)合實施例進一步闡述本實用新型過程制作拋物面聲導向管1拋物面。制作一只口徑為Φ 410mm，長度(厚度)為180mm 的反射式拋物面聲導向裝置。首先建立拋物線的方程y2 =2px,設p=90，則方程為y2=180x，拋物線的焦點為 (45，0)。[0033]在垂直于χ軸并通過坐標原點的平面內(nèi)，以坐標原點為圓心，以r=40mm為半徑， 作一個圓。這個圓就是盆形結(jié)構(gòu)的拋物面聲導向管1的“盆底”，即拋物面聲導向管頂端的 圓形平面11，盆形結(jié)構(gòu)的“盆壁”，即拋物面聲導向管1的管壁就是以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，以外移 后的、其 方程為(2px)"2+40 = (180x)1/2+40的拋物線為半徑旋轉(zhuǎn)出來的一個拋物 面；式中χ的取值范圍是0-180mm。拋物面聲導向管1開口可制為正方形結(jié)構(gòu)，方法是把一 個橫截面邊長為2R的正方形的空腔方柱體的中心軸與本實用新型拋物面裝置的中心軸相 重合，空腔方柱體下端口正方形平面與位于x=H的平面(此平面與χ軸垂直)即拋物面聲導 向管開口重合，空腔方柱體沿χ軸垂直向下移動適當距離，切割掉部分園弧，切割出的反射 式拋物面聲導向裝置，拋物面聲導向管1半徑為R的截面的圓弧部分正好和正方形平面的 邊相切。設空腔方柱體下端口正方形的邊長為410mm，拋物面整圓部分(沒被切割部分)最 大直徑也是410mm，最大半徑是205mm。正方形平面對角線長的一半為四0讓。拋物面與 垂直于χ軸并通過x=180mm點的正方形平面在拋物面聲導向管(1)的四個角部位各相交出 一個弧。四個弧與χ軸的垂直距離都等于(180*180) 1/2+40 = 180+40 = 220mm;四個弧至Ij 正方形平面四個頂角的距離均為^0-220=70mm.。正方形平面向下移動切割后，正方形平 面四邊線與拋物面聲導向管1相切部位的拋物面聲導向管1的管壁局部形狀呈平面，形成 拋物面聲導向管側(cè)切面12 ；正方形平面四邊線與拋物面聲導向管1未相切部位相對應的拋 物面聲導向管1管壁部分的形狀仍為拋物面；拋物面聲導向管1從管口未被切割到的部位 (四個弧)沿徑向水平向外延伸，延伸至與正方形平面四個頂角重合位置，形成四個管口角 邊13 ；要使內(nèi)管3和反射管2裝配起來的總長度不能高于拋物面內(nèi)部的總深度180mm，又 得注意到反射管2的開口處高度位置必須和拋物面的焦點高度位置相一致。經(jīng)計算確定內(nèi) 管3的長度為132. 5mm,反射管2的長度為95mm。反射式拋物面聲導向裝置的內(nèi)管3和反 射管2的橫截面積按指數(shù)線號筒計算經(jīng)計算確定，內(nèi)管3和反射管2的延展指數(shù)均為m = 0. 1508(單位cm)是合適的。制作防駐波的錐形反射圓臺4。為了防止反射管2發(fā)出的聲波與拋物面底面(拋物 面聲導向管頂端的圓形平面)之間產(chǎn)生駐波，特在內(nèi)管3的根部的底部平面上加裝了一個與 底部平面成45°角的錐形反射斜臺4。。測試本實用新型用同一個音頭，先后安裝在口徑為Φ 410mm的反射式拋物面聲 導向裝置上和口徑為Φ 400mm的一般號筒式揚聲器的號筒上，使用丹麥B & K公司的Polse 測試系統(tǒng)儀器，在消聲室中分別進行測試，將其聲壓頻率響應、中心軸方向上(0° )的總聲 壓級和指向性測試結(jié)果進行比較。饋給音頭10瓦功率，測試距離為10米，測試信號為粉紅噪聲的中心軸線方向 的頻響曲線。其A計權(quán)總聲壓級測試結(jié)果兩者比較表明，應用本實用新型聲導向裝置的總 聲壓級比應用一般號筒式揚聲器號筒的總聲壓級高3. 79dB。其Lin檔的總聲壓級，前者比 后者也高出3. 35dB。而在遠距離試聽時，A計權(quán)的測試結(jié)果更接近于人耳的感覺。分析粉紅噪聲的頻 響曲線可以看出，在315Hz以上的中高頻段，本實用新型聲導向裝置的聲壓級都較高，而這 一較寬的頻段正是人耳對聲音最敏感的頻段，所以，遠距離試聽時，用同一個音頭，使用本 實用新型聲導向裝置時，人會感覺到廣播節(jié)目更清楚更響亮。[0039]反射式拋物面聲導向裝置，能有效地把揚聲器輻射的聲能聚集在揚聲器的軸線 (0° )方向上，使揚聲器的指向特性變得尖銳。從而使號筒式揚聲器軸線方向上的聲壓級得 到有效的提高，一般能提高3dB以上?？梢园崖曇魝鞑サ母h?？梢栽诓辉黾訐P聲器(輸入電功率)的情況下，在測試(或試聽)點上能得到相 當于雙倍揚聲器放聲時的聲壓級(傳輸效果)。設計成正方形的聲導向裝置，更便于組合成“點聲源”或“面聲源”。這樣，既可以 提高輸出聲功率，又可以進一步使其指向特性變得更加尖銳，在中心軸線方向上更有效地 聚集聲音的能量。所以，反射式拋物面聲導向裝置的組合，更適合遠距離、大功率廣播。把揚聲器的音頭安裝于拋物面頂端中心的外面。音頭的軸線與拋物面的中心軸線重合。號筒的軸線與拋物面中心軸線重合。反射管細端開口對著拋物面頂端的中心。為了能組成揚聲器陣(即組合揚聲器)，需把圓形的聲導向裝置做成正方形的結(jié) 構(gòu)。這樣，可以隨意組合成各種形式的揚聲器陣?？梢允恰熬€聲源”或“面聲源”?？梢跃哂?更強的指向性，更高的聲壓級，把聲音傳播的更遠。方形結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意，包括對拋物面的切割方式、組合安裝的方法、均滿足了組合安裝 的條件，組合揚聲器形成線聲源或面聲源，具有更強的指向性。大功率遠距離廣播更需要組 合揚聲器。本實用新型便于組合安裝，更好地利用了組合安裝時每個揚聲器單元之間的空 隙，擴大拋物面的反射面積，提高聲聚能效果。
權(quán)利要求1.反射式拋物面聲導向裝置，包括拋物面聲導向管(1)、反射管(2)和內(nèi)管(3)，其特征 在于，拋物面聲導向管(1)頂端為圓形平面(11)、管壁為拋物面形狀，整體呈盆形結(jié)構(gòu)；內(nèi) 管(3)和反射管(2)按折疊式號筒結(jié)構(gòu)相互連接成號筒組件，內(nèi)管(3)較細端向下管口處連 接揚聲器音頭；所述拋物面聲導向管(1)頂端的圓形平面(11)中心開有一孔；將內(nèi)管(3) 和反射管(2)構(gòu)成的號筒組件固定安裝于拋物面聲導向管(1)頂端的圓形平面(11)中心開 孔處，和內(nèi)管(3 )相連接的揚聲器音頭安裝于拋物面聲導向管(1)頂端的圓形平面(11)中 心開孔的外面，揚聲器音頭的軸線與拋物面的中心軸線重合。
2.如權(quán)利要求1所述反射式拋物面聲導向裝置，其特征在于，拋物面聲導向管(1)開 口為正方形結(jié)構(gòu)，拋物面聲導向管(1)管口為四條直線與四段弧形間隔連接形狀；拋物面 聲導向管(1)的管壁局部形狀為側(cè)切面(12)。
3.如權(quán)利要求1或2所述反射式拋物面聲導向裝置，其特征在于，拋物面聲導向管(1) 管口的四個弧形段部分沿徑向水平向外延伸，形成四個管口角邊(13)。
專利摘要本實用新型涉及一種反射式拋物面聲導向裝置，包括內(nèi)管、反射管和拋物面聲導向管，拋物面聲導向管頂端為圓形平面、管壁為拋物面形狀，整體呈盆形結(jié)構(gòu)；內(nèi)管和反射管按折疊式號筒結(jié)構(gòu)相互連接成號筒組件，內(nèi)管細端向下管口處與揚聲器音頭連接；拋物面聲導向管拋物面聲導向管管口為四條直線與四段弧形間隔連接形狀；拋物面聲導向管的管壁局部形狀為側(cè)切面；該裝置指向性強、體積小、重量輕、便于攜帶、運輸和安裝，如將外形設計成正方形，更適合于做成組合式揚聲器，可以組成大小不等的各種形式的“線聲源”或“面聲源”。揚聲器組合成的“線聲源”或“面聲源”，可以使其指向特性變得更加尖銳，輸出的聲功率更大，廣播傳輸?shù)木嚯x更遠。
文檔編號G10K11/22GK201897961SQ20102064212
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者代云飛, 張積元, 王一平, 王詩強, 龍江霞 申請人:天津中環(huán)真美聲學技術(shù)有限公司