一种双曲余弦轮廓扬声器号角及其制造方法与流程

本发明涉及电声，具体涉及一种用于扬声器的高频号角结构，以及该号角结构的制造方法。

背景技术：

1、扬声器号角是一种用于提高扬声器辐射效率和控制指向性的声学波导结构，其基本原理是通过逐渐扩张的截面将驱动头喉口处的高声阻抗转换为号角出口处的低声阻抗，实现声能与空气的高效耦合。号角的截面扩张规律（轮廓曲线）是决定其声学性能的核心因素。

2、现有技术中，主要的号角轮廓类型包括：指数号角，截面面积按a(x)=a0·e^(mx)规律扩张，具有明确的低频截止频率，但在截止频率附近存在喉口阻抗突变；锥形号角，截面面积按a(x)=a0·(1+kx)²规律扩张，无明确截止频率，低频延伸较好但辐射效率较低，高频指向性较差；tractrix号角，基于等切线曲线设计，在出口处具有较好的波前一致性，但轮廓加工复杂。

3、双曲型号角家族在数学文献中已有讨论。salmon于20世纪40年代提出了号角截面的广义双曲函数公式s(x)=πr0²[cosh(ax)+t·sinh(ax)]²（参见美国专利us2338262），其中t=0时即为双曲余弦号角（catenoidal horn）。双曲余弦号角的喉口处扩张率为零、中后段扩张加速，但其工程化应用相对较少。

4、在工程产品方面，b&c speakers公司的me10号角采用了双曲余弦轮廓，喉口直径25.4mm，标称覆盖角度90°×60°，截止频率1.5khz，采用abs塑料注塑成型，内壁未设置导流槽结构。现有商用号角多采用铝合金或塑料制成，内壁未设置导流或阻尼结构。

5、在号角内壁几何结构方面，美国专利us7686129（klipsch公司）公开了在号角内壁设置凸起几何形状的结构，所述凸起为离散分布，中部区域的表面积大于喉口和出口附近，用于改变号角的局部扩张率；美国专利us4685532（electro-voice公司）公开了在号角喉部内设置叶片的结构，将喉部分成若干较小的伪号角；美国专利us6059069（peavey公司）公开了一种具有直壁段和弯曲壁段的二次曲线喉部波导；美国专利us20180054672（graber，授权公告号us10405087b2）公开了一种径向声学扬声器组件，包括多个分段螺旋号角，其螺旋结构构成号角的整体外形。在倒相式音箱领域，现有技术公开了在倒相管内壁开设连续螺旋槽的结构，用于引导气流、降低风噪。

6、在号角材料方面，申请人已授权的中国专利cn108924699b公开了一种碳纤维复合号筒装置，包括碳纤维内层、发泡材料中间层、减震材料和碳纤维外层，通过复合材料层间阻尼抑制号筒壁的整体谐振。

7、然而，现有技术中号角内壁结构与号角轮廓之间缺乏协同设计：号角内壁的导流、阻尼结构与轮廓的扩张规律、轴向声压分布均为独立设计，未形成结构化的参数耦合关系；双曲余弦轮廓喉口扩张平滑、中后段扩张加速的特性也尚未与内壁结构相配合得到充分利用。因此，如何在双曲余弦轮廓号角中通过内壁结构与轮廓参数的协同设计，进一步抑制轴向驻波、周向涡流和壁板振动，是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供一种双曲余弦轮廓扬声器号角及其制造方法，通过双曲余弦轮廓与碳纤维复合材料号角主体的结合，以及螺旋导流槽与轮廓扩张参数之间的结构化耦合设计，改善号角的喉口阻抗特性、扩展低频响应、优化高频指向性并抑制壁振动。

2、c为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种双曲余弦轮廓扬声器号角，包括喉口、号角主体和出口；号角主体由碳纤维复合材料制成，号角主体的截面面积沿轴向按双曲余弦函数a(x)=a0·cosh²(mx)规律扩张，其中a0为喉口截面积，m为扩张率系数，x为距喉口的轴向距离；扩张率系数m满足m=2π·f_c/c，其中f_c为目标低频截止频率，c为声速；号角主体的内壁设有螺旋导流槽，螺旋导流槽的螺距p与扩张率系数m满足p=k·π/m，其中k为1、2或3的整数；螺旋导流槽的旋向与声波从喉口到出口的传播方向相同；螺旋导流槽的槽深沿轴向呈梯度变化，喉口区域槽深d_throat=0.8-1.5mm，出口区域槽深d_mouth=0.2-0.5mm，中间区域槽深按线性或指数规律渐变；螺旋导流槽的槽宽沿轴向呈梯度变化，喉口区域槽宽w_throat=1.0-2.0mm，出口区域槽宽w_mouth=2.0-4.0mm，中间区域槽宽按线性或指数规律渐变。

4、螺旋导流槽螺距p与扩张率系数m的数学关系p=k·π/m的确定依据如下结构协同机理：双曲余弦轮廓的截面面积沿轴向按a(x)=a0·cosh²(mx)规律扩张，其扩张率da/dx=2ma0·sinh(mx)·cosh(mx)，呈现周期性变化的特征尺度与1/m相关联；螺旋导流槽每旋转π弧度（半圈）对应的轴向位移为p/2，当螺距p取k·π/m（k为1、2或3的整数）时，p/2=k·π/(2m)，与轮廓扩张的特征尺度1/m成确定比例关系，螺旋槽的螺旋周期与轮廓扩张的特征尺度相匹配，使螺旋槽对边界层的引导作用与轮廓扩张引起的声场变化同步，从而抑制轴向驻波的形成。

5、螺旋导流槽的旋向与声波从喉口到出口的传播方向相同，其确定依据如下结构协同机理：当声波沿号角轴向从喉口向出口传播时，若螺旋导流槽的旋向与声波传播方向相同，则声波在碰到螺旋槽壁时受到顺向引导，槽内气流与主流方向一致，边界层涡流被有序引导并耗散；若旋向相反，声波在槽壁处产生逆向碰撞，导致额外的湍流脉动和相位失真。

6、螺旋导流槽槽深沿轴向的梯度变化的确定依据如下结构协同机理：双曲余弦轮廓的扩张率da/dx在喉口处（x=0）为零，随x增大而单调递增，即中后段扩张加速。在喉口区域，截面扩张缓慢，声波流线趋于平行，边界层容易分离形成涡流，较深的槽可提供较强的涡流引导；在出口区域，截面扩张快、反射声能占比大，较浅的槽可减少声散射。

7、螺旋导流槽槽宽沿轴向的梯度变化的确定依据如下结构协同机理：双曲余弦号角的截面半径r(x)=r0·cosh(mx)在喉口处最小，随x增大而单调递增。在喉口区域，截面半径小，较窄的槽宽可避免过度侵占有效通流面积而引起声散射；在出口区域，截面半径大，较宽的槽宽可增强涡流引导作用。

8、优选地，k=1，即p=π/m。

9、优选地，碳纤维复合材料采用多层预浸料铺层，铺层角度为0°/±45°/90°交替，总厚度为2-8mm，密度为1400-1700kg/m³，弹性模量为60-100gpa；号角主体的内壁设有阻尼涂层，阻尼涂层为聚氨酯-陶瓷复合涂层，损耗因子tanδ≥0.3；阻尼涂层的厚度t与碳纤维复合材料中单层预浸料的厚度t0满足t=(0.5-1.0)·t0，且铺层中±45°铺层的总厚度占号角主体总厚度的40%-60%；且阻尼涂层沿号角轴向呈梯度分布，喉口区域涂层厚度t_throat=(0.3-0.6)·t0，出口区域涂层厚度t_mouth=(1.0-1.5)·t0，中间区域涂层厚度按线性或指数规律渐变。

10、阻尼涂层沿轴向梯度分布的确定依据如下结构协同机理：双曲余弦号角的喉口处声压最高、壁振动以弯曲模态为主，较薄的涂层可避免质量负载、保持高频响应；出口处声压较低、反射声能占比大，较厚的涂层可充分吸收反射声能。螺旋导流槽槽深梯度与阻尼涂层梯度沿轴向反向配合：喉口区域为深槽薄涂层，出口区域为浅槽厚涂层。

11、优选地，螺旋导流槽的槽体内部填充有阻尼填料，阻尼填料为粒径10-100μm的氧化铝或碳化硅颗粒，填充高度为槽深的30%-70%，且填充密度沿轴向呈梯度变化，喉口区域填充密度为60%-80%，出口区域填充密度为20%-40%；且阻尼填料的粒径沿轴向呈梯度变化，喉口区域粒径d_throat=60-100μm，出口区域粒径d_mouth=10-40μm。槽内阻尼填料增加了声波与阻尼材料的接触面积，颗粒的微振动产生额外的能量耗散；喉口区域声压高、流速大，较大粒径的颗粒可增强微振动幅度和能量耗散效率，出口区域声压低、流速小，较小粒径的颗粒可增强表面吸能。

12、优选地，喉口处设有圆角过渡，圆角半径为喉口特征尺寸的0.2-0.5倍；且出口处设有边缘翻边，翻边高度为5-15mm，翻边角度为15°-30°。

13、优选地，号角主体为旋转对称结构或线声源结构，线声源结构的宽度方向按双曲余弦函数扩张，高度方向为恒定或缓慢扩张；且喉口与压缩驱动头之间设有渐变过渡段，过渡段的长度为10-30mm，截面从驱动头出口形状渐变至号角喉口形状，渐变曲线为圆弧或椭圆弧。

14、本发明还提供一种双曲余弦轮廓扬声器号角的制造方法，包括以下步骤：s1：根据目标低频截止频率f_c和号角出口面积a_mouth，计算扩张率系数m=2π·f_c/c和号角长度l=(1/m)·arccosh(√(a_mouth/a0))；s2：根据a(x)=a0·cosh²(mx)计算号角各轴向位置的截面尺寸，生成三维cad模型；s3：采用碳纤维预浸料铺层加热压罐成型工艺，或采用碳纤维连续纤维3d打印工艺，制造号角主体；s4：在号角主体内壁按上述参数关系加工螺旋导流槽并喷涂梯度分布的阻尼涂层；s5：将喉口过渡段与压缩驱动头连接，测量号角的频响曲线、指向性图案和总谐波失真。

15、优选地，步骤s3中热压罐成型工艺包括：将碳纤维预浸料按0°/±45°/90°角度铺层于号角模具表面，铺设层数为6-16层，每层厚度0.125-0.25mm；将铺层后的模具装入真空袋，置于热压罐中，在温度130-180°c、压力0.3-0.8mpa条件下固化60-120min；脱模后打磨内壁至表面粗糙度ra≤3.2μm。

16、优选地，步骤s3中碳纤维连续纤维3d打印工艺包括：采用热塑性碳纤维复合材料为原料，通过连续纤维3d打印设备按双曲余弦轮廓的cad模型逐层堆积，打印参数为喷嘴温度380-420°c、打印速度10-30mm/s、层厚0.125-0.2mm；打印完成后，内壁经五轴cnc精加工至ra≤3.2μm，外壁保留打印纹理以增加阻尼。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

18、（1）采用双曲余弦函数a(x)=a0·cosh²(mx)作为号角轮廓，喉口处（x=0）的截面扩张率da/dx=0，声阻抗变化平滑，避免了指数号角在截止频率附近的阻抗突变，频响曲线在f_c附近无凹陷；同时，随着x增大，cosh²(mx)的增长速度逐渐超过指数函数，号角中后段扩张加速，有利于高频声波的均匀辐射和指向性控制，且在相同出口面积下号角长度更短；

19、（2）碳纤维复合材料号角主体相比传统铝号角质量降低40%-50%，同时刚度提高，配合内壁阻尼涂层，号角壁振动幅度明显降低；

20、（3）螺旋导流槽螺距p与扩张率系数m满足p=k·π/m的结构耦合关系，配合旋向一致性、槽深梯度和槽宽梯度，使螺旋导流槽对边界层的引导作用与轮廓扩张引起的声场变化同步，轴向驻波和周向涡流得到有效抑制；

21、（4）阻尼涂层厚度t与碳纤维单层厚度t0的配合关系t=(0.5-1.0)·t0以及±45°铺层占比40%-60%的限定，使阻尼涂层与碳纤维铺层形成结构协同；涂层沿轴向的梯度分布与槽深梯度反向配合，在喉口高振动区避免过度质量负载，在出口区充分吸收反射声能；

22、（5）螺旋导流槽槽体内部填充阻尼填料并沿轴向梯度分布，进一步增加了声波与阻尼材料的接触面积和颗粒微振动耗散，降低壁振动和声染色；

23、（6）制造方法可直接适配现有碳纤维复合材料制造工艺，仅需根据双曲余弦轮廓定制模具或数控程序，并依据p=k·π/m的关系及各梯度要求加工，工艺可实现性好。