提供各種音量的平面揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)

與一般的理解相反，平面揚(yáng)聲器既可以是一種產(chǎn)品面板，也可以是優(yōu)質(zhì)音源。

關(guān)于如何再現(xiàn)聲音并同時(shí)提供封裝優(yōu)勢(shì)，要推翻已有80年歷史的傳統(tǒng)思想，可不是件容易的事情。自從ChesterWRice和EdwardWKellogg于20世紀(jì)20年代中期在通用電氣公司發(fā)明動(dòng)圈驅(qū)動(dòng)部件以來(lái)，常規(guī)揚(yáng)聲器一直像活塞那樣工作。它們始終以這種方式工作，而不論它們的換能方法是電磁式，靜電式，或是壓電式。如同水中的槳一樣，它們借助較硬的振動(dòng)膜使空氣運(yùn)動(dòng)，并由此發(fā)出聲音。由于這個(gè)原因，多數(shù)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)部件的振動(dòng)膜是圓錐形，或者，在高頻揚(yáng)聲器中，是圓頂形，這使它們的剛度比您在平面型揚(yáng)聲器中輕松達(dá)到的剛度高得多（見附文《設(shè)計(jì)工具也很特殊》）。

實(shí)際上，覆蓋低音和中音頻率的振動(dòng)膜材料太軟，即使在圓錐形情況下也是如此，無(wú)法避免音頻工程師所說(shuō)的“失控”，即振動(dòng)膜褶曲。褶曲會(huì)導(dǎo)致共振，音頻業(yè)把這種情況看作是優(yōu)質(zhì)聲音再現(xiàn)的一大障礙。在過(guò)去50年，揚(yáng)聲器的發(fā)展一直是專注于共振的測(cè)量和抑制。

然而，活塞式工作有一個(gè)明顯缺點(diǎn)。隨著頻率朝著空氣中的波長(zhǎng)可與振動(dòng)膜尺寸相比的點(diǎn)上升，并超越該點(diǎn)，聲音輸出變得越來(lái)越有方向性，并且揚(yáng)聲器開始“發(fā)射音束”。通過(guò)把振動(dòng)膜做得足夠小，可以避免這個(gè)問(wèn)題，但是，由于在20kHz（聲譜的額定高頻極值）時(shí)，空氣中的波長(zhǎng)僅為17mm，這當(dāng)然太小了，無(wú)法在較低頻率時(shí)產(chǎn)生有用的輸出。為了產(chǎn)生特定的聲壓水平，振動(dòng)膜的加速度必須是恒定的，意思就是頻率每減半，它的偏移量必須是原先的四倍。

這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了為什么優(yōu)質(zhì)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器通常有兩個(gè)或更多驅(qū)動(dòng)部件：一個(gè)大型低頻驅(qū)動(dòng)器，它可以使足夠多的空氣運(yùn)動(dòng)來(lái)再現(xiàn)低音；一個(gè)較小的高頻驅(qū)動(dòng)器，由于其直徑較短，因此在高音區(qū)不會(huì)變得太有方向性。即使是這樣，由于兩種不需要的效應(yīng)，揚(yáng)聲器的方向性仍然會(huì)隨頻率而明顯變化。

種效應(yīng)明顯，它限制了聆聽區(qū)，該區(qū)域可保持預(yù)想音質(zhì)。高保真音響迷們從多年的音響調(diào)整經(jīng)驗(yàn)中熟悉了立體聲“座位”概念，但是這個(gè)聲音點(diǎn)概念并不能很好地用于聽音樂(lè)或電影，或其它多種在所有頻率都需要寬輸出范圍的應(yīng)用。在大型擴(kuò)音設(shè)備中，復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)部件陣列或特殊形狀的喇叭加載可以解決這個(gè)問(wèn)題，但其體積太龐大，價(jià)格太昂貴，無(wú)法普遍應(yīng)用。

其次，非恒定的方向性意味著揚(yáng)聲器的“軸上壓力對(duì)頻率”響應(yīng)和“功率對(duì)頻率”響應(yīng)之間存在差別，它們是在大小為4π球面度的球體立體角上測(cè)量的。在正常的混響聆聽環(huán)境中，這種變化導(dǎo)致聽眾所聽到聲音的首先到達(dá)分量、早期反射分量和混響分量之間的聲譜差別，并且這些分量造成了聲染色。

NXT公司克服了這個(gè)與頻率有關(guān)的方向性問(wèn)題，并且還帶來(lái)了其它重要優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)摒棄“必須避免共振”這一教條，該公司實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。NXT的聲音板通過(guò)激勵(lì)并利用共振，實(shí)現(xiàn)了自己的優(yōu)勢(shì)。它們的行為具有固有的模式性，這就是為什么它們的更正式名稱是DML（分布模式揚(yáng)聲器）。

DML通過(guò)激勵(lì)并利用聲音板材料內(nèi)部的彎曲共振來(lái)工作（見附文《DML的歷史》）。通過(guò)在板的多個(gè)點(diǎn)放置一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)器，可以給這些共振輸送能量，激勵(lì)器在此激勵(lì)聲音板的多種自然模式（見圖1）。聲音板縱橫比的選擇確保了在很寬的帶寬上都具有良好的模式“填充”，并且，正確設(shè)定聲音板的彎曲剛度、單位面積質(zhì)量和內(nèi)部阻尼的大小，就能融合各種模式來(lái)產(chǎn)生近乎平坦的功率響應(yīng)曲線。早期的DML是平面矩形，但NXT公司已經(jīng)開發(fā)了多種方法來(lái)設(shè)計(jì)不同形狀和曲率的聲音板。

DML聲音板展示了與活塞式揚(yáng)聲器不同的聲音行為，原因是它們?cè)谀切┟黠@高于聲音板基本彎曲模式的頻率上的振動(dòng)具有十分復(fù)雜的準(zhǔn)隨機(jī)性。極其重要的是，DML一般并不隨頻率的提高而成束發(fā)射其輸出，相反，不論它們多大，它們實(shí)際上都保持恒定的、與頻率無(wú)關(guān)的寬方向性，使它們具有獨(dú)特的伸縮性。同樣，由于它們的振動(dòng)具有復(fù)雜的性質(zhì)，這些聲音板還是散射聲輻射器，并且這種散射性減少了與房間邊界的消極互動(dòng)（房間邊界起著聲鏡的作用）。

在DML的商業(yè)潛力變清晰之后，VerityGroup立即在1996年成立了一家公司，就是現(xiàn)在的NXT公司，以便進(jìn)一步開發(fā)該技術(shù)，并把它授權(quán)給多種應(yīng)用?？钆鋫銷XT技術(shù)的產(chǎn)品是NEC公司于1997年在日本推出的一款筆記本電腦。NXT一直專注于通過(guò)基礎(chǔ)研究來(lái)擴(kuò)大其IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）基礎(chǔ)，發(fā)展對(duì)被許可方的培訓(xùn)，并研制CAD工具，這些工具使被許可方能自主開發(fā)NXT產(chǎn)品。不過(guò)NXT位于英格蘭亨廷頓的技術(shù)中心也提供多種設(shè)計(jì)服務(wù)和原型開發(fā)服務(wù)。

NXT起初是用不透明材料來(lái)制造其聲音板，但很快就發(fā)現(xiàn)，把DML技術(shù)延伸到透明塑料顯然將開創(chuàng)IP和產(chǎn)品潛力的新紀(jì)元。通過(guò)從透明聲音板的外圍驅(qū)動(dòng)它，您可以把揚(yáng)聲器和顯示器的功能融合在一個(gè)元件里。SoundVu聲音板保持了DML工作的所有聲音優(yōu)點(diǎn)，而且它幾乎不占用空間，只是使顯示器的總厚度多了幾mm而已。用戶已經(jīng)把它建入了大大小小的系統(tǒng)中，從家庭多媒體中心一直到手機(jī)，在前種產(chǎn)品中，它把音頻源和視頻源放在同一個(gè)位置，而在后種產(chǎn)品中，把顯示器當(dāng)作揚(yáng)聲器既提高了音質(zhì)，又通過(guò)消除常規(guī)微型揚(yáng)聲器及其護(hù)柵，為產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)帶來(lái)了機(jī)會(huì)。

更大的聲音板一般使用動(dòng)圈式激勵(lì)器，但設(shè)計(jì)者們想要一種更緊湊、更高效的方案，用于空間寶貴的那些產(chǎn)品。為了使SoundVu適合這些緊湊的設(shè)備，NXT的科技人員開發(fā)了DMA（分布模式激勵(lì)器），這是一種獨(dú)特的壓電式激勵(lì)器，它是一種模塊型器件，就像它驅(qū)動(dòng)的聲音板一樣。在比激勵(lì)器的基本彎曲共振頻率更高的共振頻率上操作激勵(lì)器，就回避了把位移器件（壓電式換能器）耦合到速度器件（NXT聲音板）這一困難，這種耦合一般需要使用大幅度均衡，并因此在低頻時(shí)需要很大的信號(hào)電壓能力。

NXT揚(yáng)聲器的一個(gè)基本局限在于它們的工作頻率高于聲音板的基本彎曲共振頻率。大型聲音板的工作頻率可以低于100Hz，但較小的聲音板局限于相應(yīng)更高的頻率。因此，盡管在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，NXT聲音板的帶寬非常寬，一般超過(guò)8個(gè)八倍頻程，即2.4個(gè)十倍頻程，但經(jīng)常有必要在全程應(yīng)用中給它們搭配常規(guī)的低音揚(yáng)聲器或亞低音揚(yáng)聲器。NXT的科技人員早就意識(shí)到：如果單個(gè)聲音板能在低頻像活塞一樣工作，在高頻像DML一樣工作，那么他們就可以避免這種復(fù)雜局面，從而實(shí)現(xiàn)前所未有的帶寬，并保持很寬的聲音散射范圍。

無(wú)縫地進(jìn)行這種移交是很困難的，但NXT兩年前成功地研制出這種活塞式/DML混合產(chǎn)品，即AFR（音頻全程）。NXT近開發(fā)了直徑2.5英寸的Mini-AFR部件供人們?cè)谲嚿鲜褂茫墓ぷ鲙捠?20Hz至20kHz以上，并且方向性非常寬，以至于您可以把它幾乎水平安裝在儀表板的頂部。即使車內(nèi)乘客的耳朵與該部件的前軸成80°至90°，它仍然能為他們提供這么大的頻率范圍。如果是常規(guī)的驅(qū)動(dòng)部件，您就無(wú)法實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)男阅堋?br>
利用該產(chǎn)品的外殼和前面板作為優(yōu)質(zhì)音源的能力，并非只是理論練習(xí)。該技術(shù)的被許可方包括NEC、3M、AcerComputers、DaimlerChrysler、FujitsuTen、Intier、LGElectronics、MatsushitaMEI、Pioneer、Siemens、SonyEricssonMobileCommunications、TDK和Visteon，并且許多產(chǎn)品已在商店銷售（見圖2）。
附文：設(shè)計(jì)工具也很特殊

由于NXT聲音板與活塞式揚(yáng)聲器的工作方式差別很大，因此常規(guī)的揚(yáng)聲器CAE工具在聲學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中毫無(wú)幫助。NXT公司對(duì)DML振動(dòng)行為的早期研究使用了FEA（有限元分析），并且對(duì)于需要異形聲音板的應(yīng)用，這種方法依然是的。然而，需要花很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)構(gòu)建和分析FEA模型，因此在多數(shù)情況下，這種方法并不實(shí)用，即使想使用它的NXT被許可方具有必要的知識(shí)。
為了滿足這些需要，NXT開發(fā)了多種專用的CAE設(shè)計(jì)工具，其中重要的就是PanSys（圖3）。PanSys使設(shè)計(jì)人員能夠在拖放環(huán)境中構(gòu)建虛擬聲音板，然后，它迅速而準(zhǔn)確地仿真它們的性能。輸出包括“聲音板聲功率對(duì)頻率響應(yīng)”和“電阻抗對(duì)頻率”。重要的是，PanSys包含一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容是認(rèn)可的聲音板材料和激勵(lì)器，它們已全部由NXT的技術(shù)中心做了測(cè)試，以確保仿真的準(zhǔn)確性。就聲音板材料而言，測(cè)試涉及利用激光干涉計(jì)來(lái)確定動(dòng)態(tài)剛度和阻尼值。如果剛度和阻尼與頻率有關(guān)，那么您還可以建立這種行為的模型。PanSys提取激勵(lì)器的各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)。

NXT虛擬原型開發(fā)技術(shù)的新成員幫助更快地試驗(yàn)不同大小、形狀和構(gòu)造的聲音板。一旦規(guī)定了聲音板的尺寸和形狀——在某一尺度是平坦的或彎曲的——您就可以從下拉菜單選擇邊界條件，并定義聲音板材料的關(guān)鍵物理屬性?？梢栽陉P(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)中找到材料屬性，可以直接使用它們，或通過(guò)一個(gè)復(fù)合模塊來(lái)使用，該模塊能處理多層材料。然后，該工具生成各種形式的模型信息，包括聲音板振動(dòng)周線。您可以查看仿真的功率響應(yīng)和驅(qū)動(dòng)圖，該驅(qū)動(dòng)圖幫助確定的激勵(lì)器位置。一旦您確定了有前途的聲音板設(shè)計(jì)，您就可以利用PanSys來(lái)更充分地建立它們的模型。

該仿真工具從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算材料屬性。一個(gè)相關(guān)的模塊分析激光振動(dòng)計(jì)模式數(shù)據(jù)，來(lái)推斷受測(cè)聲音板的褶曲模量、切變模量和泊松比值，運(yùn)用各種方法來(lái)為PanSys的數(shù)據(jù)庫(kù)量化聲音板材料的動(dòng)態(tài)屬性。它能描述均勻聲音板材料和多層聲音板材料的特征，包括具有非均質(zhì)外皮的多層構(gòu)造。

一旦您設(shè)計(jì)出了原型聲音板，這些工具通過(guò)實(shí)時(shí)卷積計(jì)算出的聲音板的脈沖響應(yīng)和任何需要的聲音文件，使您能仿真聲音板的聲音再現(xiàn)。因此，您能夠在不構(gòu)建聲音板的情況下，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)它的音質(zhì)。您是在軟件中進(jìn)行卷積處理，因此該模塊可以工作在任何配有聲卡的電腦主機(jī)上。

附文：DML的歷史

DML（分布模式揚(yáng)聲器）技術(shù)在20世紀(jì)90年代初期開始出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)是作為英國(guó)DERA（國(guó)防評(píng)估與研究署）即現(xiàn)在的QinetiQ的研究項(xiàng)目。研究目的是降低軍用飛機(jī)中的內(nèi)部噪聲水平。作為研究的一部分，DERA的科學(xué)家們嘗試用高剛度多層材料作為座艙的內(nèi)襯，但他們發(fā)現(xiàn)：它們不但沒(méi)有降低噪聲水平，反而使它升高了。由于該效應(yīng)可能對(duì)揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)具有重要意義，因此他們申請(qǐng)了一項(xiàng)投機(jī)性。DERA本身既沒(méi)有資源也沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)來(lái)開發(fā)這種應(yīng)用，因此它打廣告尋找音頻業(yè)的合作伙伴，把該授權(quán)出去。

這則廣告引起了VerityGroup的FaradAzima的注意，他初在1994年取得了一份非獨(dú)占許可證，把初始研發(fā)工作委托給了VerityLabs，后者在為MissionElectronics公司設(shè)計(jì)常規(guī)揚(yáng)聲器方面擁有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)。

在這個(gè)初期階段，科學(xué)家們幾乎不了解后來(lái)被稱作DML的技術(shù)是如何工作的，并且原型產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)不具備商業(yè)可行性。步是確定聲音板的振動(dòng)行為，然后建立這種行為的數(shù)據(jù)模型，這樣他們可以優(yōu)化它的物理屬性和激勵(lì)方法。