高音号的筒体结构类型优化方案

高音号筒的作用是把压缩驱动器喉管出口处的高声压-小容积的声波平滑地过渡到号筒出口处的低声压-大容积声波，实际上是一种声阻抗变换器的作用，因此，高音号筒的特性会直接影响高音扬声器的指向特性、频响特性和声压灵敏度等技术特性指标。

高音号筒应能与压缩驱动器有效地耦合、具有宽广平滑的频响特性和超范围的平滑扩散特性。但是这三种特性往往不能同时兼得，只能折中设计。

高音号筒有五种基本类型：恒指向性号筒、扇形辐射号筒、声学透镜号筒、绕射号筒和多元号筒等。比较新颖的恒指向性号筒已解决了声波波束的高频聚束效应（即频率越高，波束越窄，覆盖范围越小）的问题。

1.无限长的指数型号筒

图7-11是一个无限长的指数型号筒。图7-11b是无限长度指数型号筒的等效辐射电阻和电抗负载特性；当f/f_c＞2时，基本上是电阻性负载。实际号筒的长度不可能是无限长。因此，从号筒口折回到驱动器喉管口的声波反射形成了图7-11d的特性。

图7-11 指数型号筒

a）无限长度指数型号筒剖面图 b）号筒口无声波反射的辐射电阻和电抗负载特性 c）指数形号筒外形图d）号筒口与空气负载介质的不连续性产生声反射的辐射电阻和电抗负载特性

从号筒喉管过渡到号筒出口处的形状由张角常数m决定，即

m=4πf_c/c （7-6）

式中 m——张角常数（1/m）；

f_c——号筒的低频截止频率（Hz）；

c——声音速度，20℃环境下的声速为340m/s。

沿着号筒长度方向任何一点的截面积S_X为

S_X=S_te^mx （7-7）

式中 S_t——号筒喉管的截面积（m²）；

e——2.718；

m——张角常数；

x——从喉管至所求截面的距离（m）。

如果号筒出口的圆周长为cm，它被传输的最大波长λ_max相除，大于3时（即号筒出口的圆周长/λ_max＞3），那么它的特性近似于无限长号筒的十分平滑的辐射电阻。

2.多元号筒

指数型号筒虽然可为高频压缩驱动器提供较理想的负载，但是在高频端，沿着号筒轴线方向有高频聚束趋势。为克服高频聚束问题，50多年前Wente和Thuras开发了多元号筒，把一组多个指数型号筒拼接在一起，组成图7-12所示的多元号筒，每个单元按它自己的指向特性辐射。图7-12b是它的典型特性。在500～800Hz的指向特性会变窄，中频变窄特性是由多元号筒大嘴口的有效宽度等于信号波长造成的。多元号筒在高频时，各单元号筒趋向于沿着各自的指向形成“手指形”指向图。图7-12c和图7-12d是2×5个单元号筒组成的一组多元号筒的方向图。

多元号筒已在专业扩声系统中服务多年，现已被恒指向性号筒所替代，仅在电影院扩声系统中还有应用。

图7-12 多元号筒

a）典型的2×5多元号筒（Altec） b）多元号筒波束宽度的理论值 c）2×5单元号筒的方向图（2kHz） d）2×5单元号筒的方向图（10kHz）

（虚线为水平方向图，实线为垂直方向图）

3.扇形辐射号筒(www.xing528.com)

扇形辐射号筒的名称来源于它的外形，像一把展开的折扇。扇形号筒垂直方向的截面积改变呈指数形，如图7-13所示。这类扇形号筒的典型方向图如图7-13b所示，典型辐射特性为90°（水平）×40°（垂直），指向特性随频率的升高而逐渐变窄。

像多元号筒一样，在信号波长等于号筒嘴口宽度时，水平方向图有一个中频变窄问题。对于大多数应用来说，辐射号筒的垂直方向图变窄是一种优点，因为主要关心的是水平方向图，而指向性指数DI的提升对均衡频率响应特性会有影响。

图7-14是现今使用的典型扇形号筒设计。这些号筒最普通的辐射特性是90°×40°、60°×40°和40°×20°等。

4.声学透镜

像多元号筒那样，声学透镜克服了指数型号筒的高频聚束问题。声学透镜在1940年由贝尔实验室的Kock和Harvey阐明原理，后来由Frane和Locanthi着手研究。它有两种基本类型：斜平板型和穿孔板型，如图7-15所示。声波通过透镜中心的路径比通过边缘的要短，因此从中心出去的声波优先于从边上出去的声波，并趋向于扇形，提供了较宽的覆盖范围。

穿孔板透镜通常是环形的，在号筒轴线的周围产生一种对称的方向图。斜板透镜的水平和垂直方向图总有明显的区别。图7-16是斜板透镜的一种典型的波束宽度数据。在垂直平面内，因为没有透镜的作用，它的覆盖范围具有指数型号筒的高频集束特性。水平面内的覆盖接近理想的要求。

图7-13 扇形辐射号筒

a）外形图 b）90°×40°号筒的水平和垂直波束宽度 c）波束宽度的指向性指数DI

现在只有少数公司生产声学透镜号筒，通常最多使用在音乐扩声或监听系统中。利用声学透镜作为声波扩散单元，可提供十分宽广的覆盖范围（水平面可达120°）。因此它们的最佳应用是做短距离投射。许多用户评论，声学透镜号筒是“软边界”，也就是说超过覆盖角后不像其他型式的号筒会很快地衰减。这是声学透镜号筒在音乐场合的应用比语言场合应用得更多的原因。

图7-14 典型的扇形辐射号筒产品

5.绕射号筒

绕射号筒有非常窄的垂直嘴口和非常宽的水平嘴口。由于声波绕射的影响，垂直平面的小张口有十分宽的覆盖角。在较高频率时，覆盖角逐渐变窄。水平平面的覆盖角，可按设计者的意愿可宽也可窄。

图7-17是一种绕射号筒的结构，水平覆盖角刚好超过130°，图7-17b是波束宽度的数据。绕射号筒主要用于室内音乐重放系统或近距离宽覆盖投射的地方。

6.恒指向性号筒

根据指数型号筒的理论，结合电磁波导设计的实践，近年来已设计了若干系列的恒定覆盖号筒。恒定覆盖号筒可在800Hz～12.5kHz十分宽的频段内保持额定的覆盖角。

图7-15 声学透镜

a）穿孔板声学透镜 b）斜板声学透镜 c）斜板声学透镜的顶视图

图7-16 斜板声学透镜的波束宽度特性

图7-17 绕射号筒

a）绕射号筒（JBL） b）绕射号筒的波束宽度数据

图7-18是典型的恒定覆盖号筒产品的照片。这些新型号筒的最大优点是在号筒的轴向和偏轴方向都能实现平滑的频率响应。为实现这个目的，高频驱动器的功率响应必须均衡平坦到3.5kHz以上。