重新思考平板扬声器：隐形声音集成的声学改进（译文）

Zenker的研究正在提高平板扬声器的声学质量。以平板扬声器、分布式模式扬声器和弯曲波扬声器形式的隐形扬声器，通过使用一个或多个激振器在平坦的表面上诱导振动来创建声音。激振器振动了其安装表面，从而形成一个看不见的扬声器。表面振动而产生声音，因此表面不需要开口。这些扬声器像乐器一样工作，通过结构的振动辐射声音，因此房间中的任何表面都可以是扬声器：橱柜的门、墙壁上的画、甚至墙壁本身。其辐射原理比传统扬声器更复杂、更难优化，这阻碍了类似公司进入市场。Zenker开发了可靠的物理方法，可被市场采用，积极推动了平板扬声器的生产。

平板扬声器像乐器一样工作，通过结构振动辐射声音。

左：吉他的声音辐射。右：平板扬声器的声音辐射。

隐形扬声器对市场来说并不新鲜。1995 年，英国公司 New Transducer Limited（NXT，前身为 Verity Laboratories）开始与一小群工程师合作，将平板扬声器带入商业应用。NXT 在全球范围内申请了 1000 项专利以对冲这项技术，并将其授权给潜在客户，但只有少数人设法将其推向市场。

Zenker研究了25年前市场失败的原因来启动这项研究。从那时起，市场发生了令人难以置信的变化，平面扬声器的优势满足了当今客户的需求。考虑这个市场变化需要回答两个问题：90年代如何消费音乐？家里会使用多少个扬声器？

25年前，客厅中发现了高质量的扬声器，这是地位的象征，并优化高质量的音乐再现。那时，很难利用平板扬声器的优势。在当今的智能家园中，可以直接运行多个扬声器并在所有居室中听您喜欢的音乐。通常所有的房间中都有小巧的扬声器，但是应该放置在哪里，以及如何隐藏它们？客户想要技术的舒适性，但他们不想看到它。此外，减小扬声器的尺寸也降低了声学质量。Zenker解释说，要获得市场接受，就需要改善声学质量。

填补声学沟壑

这些担忧促使Zenker调查了智能扬声器（消费产品）和高品质扬声器（最先进技术）之间的声学差距。平板扬声器通常无法达到相同尺寸传统扬声器的声学性能，因为它们产生的输出较少。但是，它们可以集成在看不见的地方。此外，这些位置提供较大的表面和体积，可用于达到比小型智能扬声器更高的声压级和更低的低音。

可见声集成：15年前的平板扬声器。图片来源：https://www.fairaudio.de/

Zenker决定比较不同类型的扬声器，以确定现代平板扬声器是否可以填补声学空白，他评估了以市场领先产品为代表的四类扬声器：智能扬声器、平板、条形音箱和监听音箱。经过深入分析，他并不意外地发现，在声学参数方面，监听音箱表现最好，其次是条形音箱和平板，智能音箱得分最低。与智能扬声器相比，较低的频率限制、可比的频率响应偏差和增加的声学输出使得平板扬声器的偏好等级更高。

对平板扬声器的整体声学性能评估表明，它可以填补条形音箱和智能扬声器之间的声学性能差距。这些结果表明，平板扬声器的形象需要重新考虑，因为它优于家庭中常用的智能扬声器。

隐形声音集成：当今的平板扬声器。

图片来源：IMM 2019 Cologne的Hommbru扬声器

声学优化

虽然客户愿意集成隐形扬声器，但他们不会满足于劣质音质。因此，必须提高平板扬声器的音质并达到与传统系统相似的声学特性。心理声学研究表明，四个参数对于积极的扬声器偏好评级至关重要：低频偏差、频率上下限、频率响应的偏差和斜率以及均匀的指向性模式。Zenker研究了每个参数来优化技术以达到更高的声学偏好等级。

面板扬声器设计的一个关键部分是定位激励器。平板扬声器的声音是由在面板表面激发的板弯曲波传播产生的。声辐射受到激振器位置的强烈影响，因为每个位置可激发弯曲模式的不同组合。完美的位置取决于面板的尺寸、材料特性和选择的使用频率范围。Zenker使用有限元仿真开发了一个机电声学模型，以可视化定位的影响，并减少所需的开发时间。他展示了该模型在为各种面板尺寸和纵横比寻找最佳激发位置方面的用途。

Zenker建立了一个仿真模型，通过模拟每个面板的100个不同位置来预测最佳激发位置。

即使激振器定位良好，平板扬声器的频率响应偏差也高于传统扬声器。频率响应描述了再现所有可听频率的程度。波动可能很烦人，我们更容易注意到向上的偏差而不是向下的偏差。Zenker提出了一种替代方案，可以最大限度地减少特定模式的影响，以补偿高偏差。他在面板后面使用了一个小气隙来抑制选定的振动，从而降低频率响应的偏差。这种硬化广泛用于乐器的支撑，而增加质量会降低输出，通过使用气压作为加强，只有偏差被最小化，而不影响整体输出。

低频性能是平板扬声器的一个物理问题，导致输出较少且频率响应偏差较大。Zenker重新研究了混合低音扬声器驱动设计，以改善平板扬声器的低频性能。低音扬声器是扬声器系统的一部分，旨在再现低频声音信号——低音。与激振器驱动的面板相比，隐藏的低音扬声器均匀地激励整个面板，并提供了巨大的改进。这是一种简单而坚固的结构，可以批量生产。镶板低音扬声器设计产生类似于大型传统系统的低频低音响应。

在监测连接到同一扬声器面板的不同类型激励器的行为时，Zenker注意到高频的明显偏差。这些差异无法用面板属性和常规Thiele/Small扬声器参数来解释。他使用wave6仿真软件和Klippel测量设备将原因可视化。面板的刚性会导致激励器产生额外的弯曲，这种弯曲称为分割，导致了频率上限。Zenker引入了测量和预测频率上限的新方法，还创造了一个具有加固结构的原型，以提高共振频率并扩展扬声器面板的频率范围。

可视化最高频处的音圈分割模式

下一步是改善现有面板的方向性响应。扬声器指向性描述了声音集中在特定方向上的程度，而不是在房间内所有方向上传播。Zenker通过使用边缘阻尼改变产生的振动模式来提高方向性。阻尼可以防止振动，或者只是让物体在最短的时间内恢复静止。平板扬声器往往辐射较宽，但过多的能量会传递到侧角，产生不自然的声音。Zenker模拟了机械和声学关系，分析表明，阻尼面板的方向性响应更均匀、均值更高、标准差更低。额外的阻尼产生类似的灵敏度，但提高了方向性。在没有任何损耗的情况下优化方向性指数需要更复杂的方法，例如使用多个激励器，生产成本将更高。然而，这种边缘阻尼方法是一种简单、稳健、廉价且有效地改进平板扬声器方向性的方法。

Zenker 认为，开发技术和新的可能性将使更多的人想要利用隐形扬声器。低视觉轮廓为集成更大、更强大的设备提供了机会，这些设备具有比智能扬声器更高的音质。他总结说，对于那些想要比智能扬声器更高音质和更大功率的客户来说，平板扬声器是一种替代方案，而无需为更大的设备提供空间。

“平板扬声器可以采用不同的方式设计。我从没想过一块木头听起来那么不可思议。”

参考文献

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• Zenker, B, (2019) Low Deviation and High Sensitivity – Optimized Exciter Positioning for Flat-Panel Loudspeakers by Considering Averaged Sound Pressure Equalization. AES E-Library. www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20619

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• Zenker, B, (2020) Improved Sound Radiation of Flat-Panel Loudspeakers Using the Local Air Spring Effect. Appl Sci, 10, 8926. doi.org/10.3390/app10248926

Benjamin Zenker关于平板扬声器的研究发表在ResearchGate上，可以在上面关注他！