專利名稱：彎曲波聲學器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聲學器件，例如揚聲器與麥克風。更具體地，本發(fā)明涉及在通過引用融入本文的、本申請人的國際申請WO2005/101899A中描述的一般類 型的聲學器件。此類器件稱為均衡模式輻射器、或者簡寫為BMR。
背景技術：
現(xiàn)有技術采用多種方法來使可能的模式膜片像活塞一樣動作1)沿選定模式的節(jié)點線驅(qū)動以抑制該特定模式(通常為最低模式)，2 )在整個區(qū)域上均勻地驅(qū)動，就像靜電式或瑪格納平面式(Magnaplanar)揚聲器的情況一樣，或者3)具體地，兩個驅(qū)動器的非對稱排列，例如參見Matsushita的US 4426556。 WO2005/101899A的BMR公開目標在于均衡沖莫式輻射器，使得其才莫式與自由板(freepanel)的模式的相似程度到達選定級別。其通過以下達到該均衡適當?shù)剡x擇換能器的驅(qū)動部分、以及至少一個機械阻抗部件(例如質(zhì)體)的定位與質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一方面， 一種聲學器件，包括膜片與多個電機換能器，該 模片具有一面積且具有一工作頻率范圍，并且該膜片使得其在所述工作頻率 范圍中具有諧振彎曲波模式，所述多個電機換能器耦合于所述膜片并且用來 與該膜片交換能量，特征在于所述換能器的定位與機械阻抗使得所述膜片 面積上的凈橫向模式速度至少被減少以趨向于在所述工作頻率范圍中均衡至 少選定的模式，其中通過所述換能器的定位與機械阻抗，基本達到對選定諧 振彎曲波模式的均衡。根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種制造聲學器件的方法，所述聲學器件具有 膜片，該模片具有一面積且具有一工作頻率范圍，包括選擇該模片參數(shù)使 得其在所述工作頻率范圍中具有諧振模式，將多個電機換能器耦合于所述膜片以與該膜片交換能量，特征在于選擇所述換能器的位置與機械阻抗使得 所述面積上的凈橫向模式速度至少被減少以趨向于在所述工作頻率范圍中均 衡至少選定的模式，其中通過所述換能器的定位與機械阻抗，基本達到對選 定諧振彎曲波模式的均衡。如在WO2005/101899A中所述，所述面積上的凈橫向模式速度可以通過計 算rms (均方根)橫向位移來量化。換能器的位置與機械阻抗使得所述凈橫 向模式速度趨向于零。在W02005/101899A中描述了對于圓形膜片的計算例 子。為了使所述面積上的凈橫向模式速度趨向于零，相對平均位移可以小于 rms橫向速度的25%,或者優(yōu)選地，小于rms橫向速度的18°/。。另外，如在WO2005/101899A中所述，對于零凈橫向模式速度，需要將膜 片的模式慣性均衡到一定程度，使得除"整體位移"或者"活塞"模式之外， 各模式具有零平均位移(即，在生成器平面之上由模式形狀封閉的面積等于 該平面之下由模式形狀封閉的面積)。這意味著僅由任意頻率上的活塞運動分 量確定凈加速度、以及由此的軸上壓力響應。WO2005/101899A描述了使凈橫向模式速度趨向于零的不同的方法。 一種 方法涉及計算其中對于理想理論聲學器件，驅(qū)動點阻抗Zm為最大的位置。因 為阻抗Zm從模式和計算，所以所計算的位置依賴于在該和中包含的多個模 式。 一般地，該位置將趨向于靠近所考慮的最高模式的模式，但是其他模式 的影響意味著該對應關系可能不確切。由此，將這些位置當作平均節(jié)點位置。在本發(fā)明中，優(yōu)選地將換能器的驅(qū)動部件安裝在平均節(jié)點位置上。此類 位置可能在選定模式的節(jié)點線之上，或者靠近選定模式的節(jié)點線，即第四模 式，并且在WO2005/101899A中進行了描述。通過這種方法，均4軒了直至選定模式的模式，而不管其是否被抑制。在平均節(jié)點位置上驅(qū)動緩和了模式的幅 度，但是可能不抑制模式。模式動作是關鍵性的，從而可以使模式輸出進入 輻射均ff?？梢詫⒍鄠€(例如n個)換能器每個都安裝在n個模式的平均節(jié)點位置 上。安裝在平均節(jié)點位置上保證了施加到每個模式的凈力接近零。結(jié)果的運 動與活塞運動相像。但是，該器件不僅僅是活塞，而且也是諧振輻射器，其 中多個最低級模式?jīng)]有被強烈激勵。由此該器件處理了活塞到模式轉(zhuǎn)換的輻 射問題，在該轉(zhuǎn)換中，相對于其輻射，被驅(qū)動模式一般不均衡，這導致了軸 向頻率響應以及功率響應中較大的峰值與低谷。換能器的位置可以在膜片上對稱也可以不對稱。對稱問題基于模式均衡 理論。膜片可能具有多于一個的模式軸經(jīng)受均衡方法。例如，矩形膜片可能 具有三個對稱放置的換能器用于較長軸、以及一對換能器用于其他軸。另外一種有用的設計變體為某些或者全部換能器可能具有相同或者不同的驅(qū)動幅度和/或質(zhì)量。另外，換能器的機械阻抗可以多少獨立于換能器的驅(qū) 動力或者功率地變化。每個換能器的機械阻抗可以匹配于驅(qū)動位置處的有效 機械阻抗。匹配的機械阻抗可以考慮機械與電磁阻尼、反射柔性、驅(qū)動質(zhì)量、 以及可用驅(qū)動力的屬性。在低頻上，該全局方法是有用的，這是因為其提供 了對于下層活塞范圍輸出的良好預測。這類似于用來設計常規(guī)盒式揚聲器的 用于常規(guī)活塞驅(qū)動器的低頻參數(shù)方法。換能器可以是慣性的或者接地的。換能器可以為壓電器件、彎曲器件、 或者運動線圈器件。與WO2005/101899A不同，僅通過換能器的定位與才幾械阻抗，就基本達到 了模式均衡。優(yōu)選地，通過換能器的定位與機械阻抗，完全達到該均衡。換 言之，機械阻抗(例如質(zhì)體)不是關鍵的。但是，本發(fā)明的聲學器件通過在 選定位置上向膜片應用機械阻抗組件，可以受益于某些微調(diào)。這些可以用來 微調(diào)在特定范圍中的頻率響應，或者對于高級模式(其由于其密度無法通過 平均節(jié)點方法解決)的頻率響應。例如，在給定應用中，調(diào)整一個頻率范圍相對于另一個頻率范圍的水平， 可能是有用的。具有太大低范圍的設計可以被調(diào)整，通過柔性中間層向膜片 施加分布質(zhì)體?？梢越Y(jié)合分布質(zhì)體設計中間層的阻尼與柔性(從而不會妨礙 使用平均節(jié)點方法)，以在低頻率上加載膜片，以減少輸出，同時在較高頻率 上，所述柔性允許質(zhì)體解耦，并且使該范圍不受影響。由此可以通過機械方 式進行寬范圍的均衡。在另一例子中，所述多個換能器的一或多個可以為被動式的(即未祐:饋 送電信號)，并且由此僅使用其主導質(zhì)量特征用于模式均衡。被動式換能器可 以是在電方面未連接或者可以保持連接到有源放大器。在后一種情況中，從 驅(qū)動器到面板可能有某些電磁阻尼。使用被動式與有源換能器的組合對于能夠再現(xiàn)多于一個的信號通道的器 件可能有用。例如，左右通道可以被導向面板的左右手區(qū)域。在較高頻率上， 可以逐一地為較高級更局部化的模式驅(qū)動換能器。在較低頻率上，適當?shù)男盘柷蠛陀欣趽Q能器協(xié)調(diào)地分階段工作，其作用于較低級節(jié)點線的平均編組。 結(jié)果為合成輸出，對于低頻率的均衡驅(qū)動，以及在較高頻率上的間隔來源立 體聲再現(xiàn)器?？梢詫Q能器在轉(zhuǎn)換中用來移動膜片。換能器可以為運動線圏器件，其 具有形成驅(qū)動部分與磁力系統(tǒng)的音圈。彈性懸浮部件可以將膜片耦合于機箱。 ;茲力系統(tǒng)可以接地到才幾箱。用于懸浮部件的適當材料包括模制橡膠或者彈性聚合體蜂窩泡沫塑料。 在設計中，懸浮部件在膜片上的物理位置可以被調(diào)整，以找到工作頻率范圍中的最佳總體匹配。另外地或者可替換地，可以用例如FEA對懸浮部件的行 為建模，以確定柔性、阻尼、與有效質(zhì)量中心。其屬性可以被計算為相對于 膜片外周的有效想象位置上的有效集總參數(shù)。然后可以調(diào)整換能器的位置/ 質(zhì)量以補償懸浮部件的機械阻抗效應。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種聲學器件，包括膜片與至少一個電 機換能器，該模片具有一面積且具有一工作頻率范圍，并且該膜片使得其在 所述工作頻率范圍中具有諧振模式，所述至少一個電機換能器耦合于所述膜 片并且用來與該膜片交換能量，特征在于所述膜片的參數(shù)使得存在多個節(jié) 點編組位置，在該節(jié)點編組位置之上或者圍繞該節(jié)點編組位置聚集了選定數(shù) 目的諧振模式的節(jié)點線，并且將所述至少一個換能器的驅(qū)動部件耦合安裝在 所述多個節(jié)點編組位置之一之上。根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種制造聲學器件的方法，所述聲學器件具有 膜片，該模片具有一面積且具有一工作頻率范圍，包括選擇該模片參數(shù)使 得其在所述工作頻率范圍中具有諧振模式，將至少一個電機換能器的驅(qū)動部 分耦合于所述膜片以與該膜片交換能量，特征在于選擇所述膜片的參數(shù)4吏 得存在多個節(jié)點編組位置，在該節(jié)點編組位置之上或者圍繞該節(jié)點編組位置 聚集了選定數(shù)目的諧振模式的節(jié)點線，并且將所述至少一個換能器的驅(qū)動部 分耦合于所述多個節(jié)點編組位置之一之上。選定模式可以為低頻諧振模式，例如頭兩個或者更多模式。通過這種方 式，可以將換能器安裝到直至選定模式(例如直至第四模式)的所有模式的 節(jié)點線或者靠近該節(jié)點線?？商鎿Q地，選定模式可以僅包括奇或者偶模式，或者其任意組合，包括在工作頻率范圍中的所有模式。術語"奇"與"偶"指模式的編號。編號指節(jié)點線的編號，其中(0， 2)定義為第一諧振彎曲波模式，因為在一個方向上沒有彎曲，并且在另一方向上有兩個模式線。為了完整，標記(0, 1)為"整體"或者活塞模式。作為該標記法的結(jié)果，奇模式是非對稱的，而偶模式是對稱的。適當?shù)剡x擇奇才莫 式與偶模式的組合會提高軸向頻率響應。還有可能通過將換能器置于選定節(jié)點編組位置來支持整體貢獻，即鼓勵在最低可用頻率上的半活塞動作，以提 供最寬的頻率范圍。對于諸如圓形膜片或者可以被當作跨越圓形膜片中心的部分的桁條狀膜 片等對稱物體，對稱模式是均衡的，并且不會在軸上輻射。非對稱模式為那些非均衡并且當設計聲學器件時需要考慮的模式。第一與第二偶模式對于此 類對稱物體是一致的，由此可以同時在這兩個模式的節(jié)點之上安裝換能器，以提供對模式的輻射均衡?？梢源嬖诙鄠€(例如n個)換能器，每個都安裝節(jié)點編組位置上。換能 器的數(shù)目可以對應于節(jié)點編組位置的數(shù)目，即n個換能器安裝在n個位置上。對于此類位置的驅(qū)動趨向于對于那些模式導致模式輻射的均衡，由此提 高對于輻射器的軸向壓力響應。換言之，這些節(jié)點編組位置可能對應于 WO2005/101899A中教導的平均節(jié)點位置，但不是一定如此。膜片參數(shù)可以包括形狀、尺寸(長寬比)、厚度、彎曲硬度、表面區(qū)域 密度、剪切模量、各向異性、曲率、以及阻尼。膜片可以是面板，并且可以 是平面的、彎曲的、或者碟形的。膜片可以具有規(guī)則形狀，例如矩形、圓形、或者其他其他規(guī)則多邊形。 可替換地，膜片可以具有更復雜的幾何形狀，并且該形狀可以根據(jù)選定節(jié)點 編組位置的所希望的位置或者在選定節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線所希望的 組合選擇。也可以為膜片配備凹槽，其具有足夠的深度，以提供阻抗非連續(xù) 性，這可以顯著地減少諧振彎曲波振動傳播超出凹槽。通過這種方式，該形 狀可以通過振動變?yōu)檩^簡單的形狀，例如圓形、矩形。膜片可以具有均勻的厚度?？商鎿Q地，膜片可以形成有整體輪廓或者紋 脈，例如在熱加工成型工藝或者真空模制期間通過熱與壓制。該輪廓或者紋 脈可以轉(zhuǎn)移節(jié)點線以改變選定節(jié)點編組位置的位置，或者改變在選定節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線。此類輪廓或者紋脈利用了局部硬度變化。膜片的局部厚度也可以通過添加不會實際增加主要彎曲平面中的局部硬 度的'T，形延伸來增加。也可以與膜片整體形成附加質(zhì)體，例如通過共同模制。'T，形延伸和/或整體質(zhì)體可以補償、均衡、或者調(diào)整其他振動模式，例 如較高級模式。模制膜片提供了相對于從片材或者復合材料切制膜片的附加優(yōu)點，例如 較高質(zhì)量的表面拋光、有機會加商標或者類型的可能標識，包括表面浮突或 者裝飾性藝術品。也可以將用于精確注冊揚聲器組件(例如環(huán)繞懸浮部件和/ 或音圈形成器)的凹槽或者突起整體融入膜片。用來抓緊膜片的鎖定元件、 模制掛鉤、推形凹槽、或者底切凹槽也可以整體融入膜片。參數(shù)的組合可以使得為了風格原因可能需要的復雜幾何形狀表現(xiàn)為可以 利用標準技術模制的規(guī)則形狀。參數(shù)的組合可以包括區(qū)域質(zhì)量與硬度或者凹槽的變化。例如，模制自動微調(diào)的子部分，可能為用于"A"柱的蓋子，可以 被設計來在聲學上表現(xiàn)為更規(guī)則的形狀，然后對于該更規(guī)則的形狀，可以應 用本發(fā)明。在每個實施例中，聲學器件可以為揚聲器，其中換能器用來響應于施加 到該換能器的電信號，將彎曲波能量施加到膜片，并且換能器用來在輻射區(qū) 域上輻射聲學聲音。可替換地，聲學器件可以為麥克風，其中換能器用來當 有聲學聲音入射其上時進行振動，并且換能器用來將該振動轉(zhuǎn)換為電信號。 工作頻率范圍可以包括活塞到模式轉(zhuǎn)換。膜片參數(shù)可以使得在工作頻率中在 活塞范圍之上存在兩個或更多個膜片模式。聲學器件可以在較低頻率上工作 為活塞，并且在較高頻率上工作為復雜模式輻射器。優(yōu)選地，鼓勵第一諧振 或者整體模式來處理對于模式輻射器的已知問題，即由于在第一模式與幾個 新模式之間的較大輸出間隔而難于在較低頻率上轉(zhuǎn)換?？梢赃x擇該器件的參數(shù)以獲得活塞對模式輸出的所希望的比例。是來自 模式行為的貢獻提供了在高頻率上的離軸功率的好處。對于后通道應用或者 環(huán)繞揚聲器(其中希望有較弱的相關軸向輸出以提供環(huán)境聲音的方向性較弱 的擴散)，希望相對于模式貢獻減少活塞貢獻。此類器件具有離軸輻射對軸上 輻射的提高的比例。通過適當?shù)乜s放與定位換能器或者通過隨頻率改變驅(qū)動 階段，可以減少軸上活塞分量的幅度。對于擴展到低頻的器件，可以使用涉及低頻系統(tǒng)設計的通常參數(shù)，即， 低音反射加載、密封盒、以及相關方法，來優(yōu)化性能與強力處理。此類屬性 本質(zhì)上獨立于用于在所需頻率范圍中均衡^^式輻射的標準。本發(fā)明的第 一與第二實施例的任何特征都可以與本發(fā)明的第三與第四實施例的任何特征組合。當根據(jù)本發(fā)明的任一實施例設計器件時，這樣作是有幫助的使設計者 可以使用常用的模式分析器或者FEA包中的一個，其將有助于檢查模式行為 與節(jié)點線，由此有助于;f企查激勵器的定位以及結(jié)果的聲學行為。


作為例子在附圖中示意顯示了本發(fā)明，其中圖la為才艮據(jù)本發(fā)明的第一與第二方面的揚聲器的第一實施例的平面圖;圖lb為關于圖la的實施例的電路圖；圖2a與圖2b為本發(fā)明可替換實施例的平面圖；圖3a與圖3b為本發(fā)明可替換實施例的平面圖；圖4為本發(fā)明可替換實施例的平面圖；圖5a到圖5e顯示本發(fā)明的第三與第四方面的概念；圖6a與圖6b為復雜形狀實施例的平面圖；以及圖7a與圖7b為顯示可替換復雜形狀實施例的節(jié)點線圖的平面圖。
具體實施方式
圖la顯示揚聲器，包括膜片10，其能夠支持諧振彎曲波模式；以及 對稱安裝其上的一對換能器12，用來激勵膜片中的諧振。膜片10形式為桁 條狀面板。換能器沿面板的長軸布置，每個換能器位于距離面板短沿23°/ 面 板長度上。兩個換能器位置靠近第一與第二模式的節(jié)點線。為了使該兩模式解決方案有效，安裝膜片必須使得其作為自由板動作。 在常規(guī)驅(qū)動單元輻射器中，在中心以及外周上都有機械終端。但是，此類終 端會使模式輻射貢獻很不均衡。在本發(fā)明中，可以配備在機械方面而言在動作時輕得其不會干擾所需的 輻射均#^莫式行為的支持和懸浮組件。可替換地，具體地設計這些組件以形 成均衡聲學系統(tǒng)的一部分。如圖lb的電路圖所示，每個換能器12都連接到對應的放大器14，放大 器14連接到對應的電阻16。兩個放大器14還都連接到低通濾波器，例如電 感。兩個分離的換能器構成了左右信號通道。低通濾波器保證兩個換能器都 在較高的頻率上工作，以滿足諧振面板寬度上的分離來源的要求。這是因為 較復雜的較高頻率模式分布趨向于將對寬方向性點來源的聲學近似局部化在激勵器的區(qū)域中。圖2a顯示大致類似于圖la的揚聲器，但是膜片為拉長矩形。與圖la的 桁條狀膜片相比，該膜片的寬度增加。將換能器12安裝在與圖la—樣的位 置上，并且對于立體聲器件也可以配備左右通道。與圖la —樣，將兩個換能器安裝在第一與第二自由諧振^^莫式兩者的節(jié)點 之上。在該解決方案中，對稱位置導致頭兩個模式，其中直到第二模式頻率 都能達到活塞等價操作。但是，必須將該膜片當作自由板，并且不受邊沿或 者中心處的懸浮組件的顯著限制。如果面板材料硬度不足，則僅使用兩個換能器可能會在低頻率上破壞面 板的活塞運動。 一種解決方案是使用硬得多的材料，例如蜂窩式材料，例如 HonipanHHM-PGP-2.2mm。圍繞基本諧振的響應將被平滑，并且由于減少了 運動質(zhì)量，所以效率較高。換能器音圈的尺寸對應于輻射面板寬度的基本比例。在這種情況下，驅(qū) 動器可以變?yōu)橐粚︱?qū)動線，其實際等價于兩個驅(qū)動器。對于此類窄面板，必 須選擇音圈直徑的協(xié)同選項、在驅(qū)動線上共享的有效質(zhì)量、以及所標識節(jié)點 線編組的有效位置，以達到有用均衡的模式輻射的目標。在圖2b中，揚聲器類似于圖2a的揚聲器，但是包括附加的換能器22， 其位于膜片中心。兩個最外測的換能器12靠近第一與第二模式的節(jié)點線。第 三換能器22位于第三模式的節(jié)點之上。通過這種方式，設計了僅用三個驅(qū)動 器的三模式解決方案。換能器的位置僅根據(jù)主要的即長度軸校正。對于該主 要長度軸，滿足了使平均橫向速度的趨勢為零的要求。揚聲器可能再現(xiàn)一個聲音通道。可替換地，可以再現(xiàn)兩個或三個聲音通 道。對于兩個聲音通道，可以在高頻率上過濾掉中心換能器，同時位置靠近 膜片端點的兩個分離的驅(qū)動器構成左右信號通道，這與圖la—樣。對于三通 道器件，還選擇性地在較高頻率上由中心通道信號來源驅(qū)動中心換能器22。 其形成對話或者中心通道再現(xiàn)器。如上所述，圖2b為對于主要長度軸的三模式解決方案。圖3a與圖3b顯 示用于四模式解決方案的換能器位置24。在圖3a中顯示了相對于主要長度軸 的位置，在圖3b中顯示了相對于主要寬度軸的位置。僅利用四個換能器實現(xiàn) 了該解決方案，這四個換能器形成了兩個對稱放置的換能器對。如圖3a所示， 每對換能器位于平行于短軸的、與最近短沿距離面板長度的23%的直線之上。類似地，圖3b所示的每個平行線與最近長沿距離面板長度的23%。換能器位 置圍繞兩個軸對稱。對稱設計在低頻率上維持了良好的動態(tài)均衡，改進了在 較低頻率活塞或者整體運動范圍中的強力處理。圖4顯示用于圓形膜片30的兩模式解決方案。將具有圓形驅(qū)動的換能器 32安裝在第 一與第二模式的節(jié)點線之上。為了同時達到兩個或更多模式的模式均衡，所選模式應該具有在同一局 部化區(qū)域中交叉或者近乎交叉的節(jié)點線。換能器應該位于該局部化區(qū)域中。 對于兩模式的情況，能夠容易地作到這一點，這是因為大部分模式具有在整 個膜片上擴散出去的節(jié)點線，從而給出了面板上的至少一個位置，在該位置 中節(jié)點線交叉。圖5a顯示矩形面板膜片的節(jié)點線(0,2)與(2, 0),其在四 個位置上33交叉。由此可以將換能器安裝在這些位置中的任何一個或者所有 之上，以獲得兩模式解決方案。節(jié)點標號(0,2)與(2， 0)分別指長軸與短 軸中的第一諧振彎曲波模式。每個模式具有兩個節(jié)點線，并且是對稱的。抑制多于兩個的模式較困難。圖5b顯示九個模式(1， l)至(O, 3)。 三個節(jié)點線在四個離散點34上交叉，并且另兩個節(jié)點線靠近每個交叉點穿 過。由此，這五個節(jié)點線圍繞可以被稱為節(jié)點編組位置的位置聚集。編組位 置對稱置于面板之上。通過適當?shù)剡x擇面板形狀，可以聚集或者分散節(jié)點線， 使得可以抑制選定模式編組。如果節(jié)點線在小于換能器的驅(qū)動部分耦合的區(qū) 域內(nèi)交叉，則可以認為聚集緊密，而如果該區(qū)域較大，則認為聚集松散。圖5b的面板具有4: 3(長度寬度)的長寬比，圖5c至圖5e顯示圖 5b的面板的變體。為了方使爽見，圖5c至圖5e的每個圖中的模式編號與圖 5b中的相同，但是因為面板不是矩形的，所以該標記方法不嚴格。如圖5c 所示，將面板一側(cè)變尖使得兩個長度的比例為4: 3.5 (即將一側(cè)減少12.5%) 會使聚集大大變緊，尤其對于靠近短側(cè)以及錐形側(cè)的編組節(jié)點位置。此處， 五個模式在近乎同一點36處交叉，其中另兩個模式靠近該交叉點36穿過。 相應地，現(xiàn)在在該節(jié)點編組位置中有七個模式(節(jié)點線)?？拷F形側(cè)(即靠 近長側(cè))的另一節(jié)點編組位置也提高了聚集，其中有五個模式緊密聚集。與 圖5b的實施例不同，四個位置不再對稱，也沒有等同聚集。在圖5d中，使面板兩側(cè)都變尖，以形成長寬比為3.5:3的平行四邊形。 圍繞面板對角線，存在某種對稱，其中兩個位置40具有五個節(jié)點線的緊密聚 集，并且另兩個位置42具有形狀不同但是具有類似緊密的五個節(jié)點線的聚集。在圖5e中，使面板兩側(cè)都變尖，以形成長寬比為4:3:3 (長側(cè)長度短 側(cè)長度寬度)的梯形。圍繞面板的短軸，存在某種對稱，其中最靠近短側(cè) 的兩個節(jié)點編組位置44具有五個節(jié)點線的緊密聚集。4交靠近長側(cè)的節(jié)點編纟且 位置46明顯較松散。在圖6a中，顯示具有復雜幾何形狀的面板膜片50。顯示了兩個模式的節(jié) 點線52，即第一環(huán)形模式與第一交叉模式。節(jié)點線在四個交叉點處交叉，其 可以被編組為兩對緊密間隔的交叉點。每對限定了一平均節(jié)點位置，在該位 置上，將換能器54耦合到面板膜片。通過將每個換能器54安裝到平均節(jié)點 位置而非交叉點之上，每個換能器都跨越了兩個節(jié)點線，并且更好地耦合于 模式，以達到所希望的模式均衡。在圖6b中，在面板膜片上顯示第二交叉模式。環(huán)行模式在限定了第三平 均節(jié)點位置的一對緊密間隔的交叉點處與該第二交叉模式交叉。將附加質(zhì)體 56安裝到面板50以跨越兩個節(jié)點線。兩個換能器均衡了在聲學響應中站主 要地位的頭兩個模式。附加質(zhì)體均衡了第三模式，并且有助于動態(tài)均衡整個 組合件。圖7a顯示另一復雜形狀的面板膜片60,其為海螺殼形狀。在面板上顯示 頭十二個模式。對于現(xiàn)有技術的WO 97/09842所示類型的分布模式揚聲器， 將換能器安裝在空區(qū)域，以求最大模式耦合。但是在本發(fā)明中，將換能器安 裝在節(jié)點編組位置上，其中聚集了節(jié)點線。圖7b通過僅考慮頭三個模式簡化了對換能器位置的選擇。如果將換能器 安裝在頭兩個軸向模式的交叉點62 (以小圏顯示)上，則第一 (且僅第一) 軸向模式未被均衡。 一種解決方案是在這些點上安裝，并且為邊沿加載均tf 質(zhì)體，使得軸向模式被重新均衡。比較這兩個附圖，圖7a中的節(jié)點線的聚集在許多情況下對應于圖7b所 示的模式的交叉。相應地， 一種替換方法為使用一對此類點作為驅(qū)動點，其 中該對相對于形狀的質(zhì)心64 (以星形標記)在直徑方向上相對。通過在其節(jié) 點線上驅(qū)動，將均衡徑向模式。通過對稱加載，將均衡兩個軸向模式。驅(qū)動 點的精確位置可以通過分析(或者數(shù)值分析(例如有限元分析)或者通過系 統(tǒng)測量與調(diào)整)確定。所建"^義的開始點由矩形與三角形指示。矩形非常靠近穿過圓圈與三角形的it式形狀的中心線。相應地，可能在靠近未標記的交叉處需要附加的均衡點。這些將會均衡靠近矩形的驅(qū)動質(zhì)體 的效應。本基本原理可以擴展到更復雜的膜片形狀，但是其模式行為可以靠分析 方法解決為較簡單的編組。這些編組將對應于下層的自由度或者有效振動l由。 聲學面板的設計者可以利用多個激勵器選擇處理這些軸中的幾個軸，根據(jù)值 得解決的幾個模式、以及為所希望的應用設想的成本與質(zhì)量來部署這些激勵 器。本原理可以獨立使用，或者可以與其他模式面板技術(例如分布式才莫式(DM)技術)結(jié)合使用。本器件相對于BMR器件的主要優(yōu)點在于1) 通過迫使、即驅(qū)動BMR教導的所有平均模式模式，其產(chǎn)生的輸出比 BMR多；2) 雖然方向性比BMR窄，但是在某些情況下這可能是一種優(yōu)勢。 由于幾種原因，根據(jù)本發(fā)明的器件與活塞揚聲器(包括其中消除模式的活塞揚聲器)不同，例如a) 其為有意諧振的模式輻射器。b) 配置設計使得由于設計去除了軸模式輻射貢獻，該器件具有優(yōu)于等同 尺寸的活塞器件的功率響應。c) 其具有平滑的軸向頻率響應，因為模式輻射被均衡，留下本質(zhì)不均勻 的整體輻射來維持首要聲音輸出。d) 存在一種有序設計方法，被配備來解決模式均衡問題，其從高級^^莫式 開始，由此通過在諧振面板上在平均節(jié)點線的區(qū)域處利用多個驅(qū)動的方法， 所有后繼較低級模式被作為一組處理。e) 可以將面板自由地懸浮在自由空間中，或者配備有輕量懸浮器件。利 用后者，可以提供前后輻射之間的聲學密封。另外的優(yōu)點為通過允許對稱安排，相對于要求非對稱的現(xiàn)有技術器件， 根據(jù)本發(fā)明的器件改進了低頻穩(wěn)定性。
權利要求
1.一種聲學器件，包括膜片與多個電機換能器，該模片具有一面積且具有一工作頻率范圍，并且該膜片使得其在所述工作頻率范圍中具有諧振彎曲波模式，所述多個電機換能器耦合于所述膜片并且用來與該膜片交換能量，特征在于所述換能器的定位與機械阻抗使得所述膜片面積上的凈橫向模式速度至少被減少以趨向于在所述工作頻率范圍中均衡至少選定的模式，其中通過所述換能器的定位與機械阻抗，基本達到對選定諧振彎曲波模式的均衡。
2. 如權利要求l所述的聲學器件，其中所述換能器被安裝在平均節(jié)點位 置之上。
3. 如權利要求1或2所述的聲學器件，其中所述換能器被對稱安裝在所 述膜片之上。
4. 如權利要求3所述的聲學器件，其中所述膜片為矩形膜片，并且包括 三個換能器，這三個換能器圍繞較長軸對稱放置，并且一對換能器圍繞較短 軸對稱放置。
5. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中至少兩個所述換能器 具有不同的驅(qū)動幅度。
6. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中每個換能器的機械阻 抗匹配于驅(qū)動位置上的有效機械阻抗。
7. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中所述換能器為慣性式。
8. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中所述換能器為壓電器 件、彎曲器件、或者運動線圈器件。
9. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，包括附接于所述膜片的柔 性中間層，其中該中間層的質(zhì)量、阻尼、以及柔性使得輸出在低頻率上被減 少但是在較高頻率上不受影響。
10. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，包括將所述膜片耦合于 機箱的彈性懸浮部件。
11. 如權利要求10所述的聲學器件，其中所述換能器的位置與機械阻抗 使得補償了所述懸浮部件的機械阻抗效應。
12. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片的參數(shù)使得存在多個節(jié)點編組位置，在該節(jié)點編組位置之上或者圍繞該節(jié)點編組位置 聚集了選定諧振才莫式的節(jié)點線，并且將每個換能器安裝在所述多個節(jié)點編組 位置之一之上。
13. 如權利要求12所述的聲學器件，其中選定模式為低頻諧振模式。
14. 如權利要求12所述的聲學器件，其中選定^^莫式為奇和/或偶^f莫式的 任意組合。
15. 如權利要求12至14中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片參數(shù) 包括形狀、尺寸、厚度、彎曲硬度、表面區(qū)域密度、剪切模量、各向異性、 曲率、以及阻尼。
16. 如權利要求12至15中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片具有 復雜幾何形狀，并且該形狀纟艮據(jù)選定節(jié)點編組位置的所希望的位置或者在選 定節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線所希望的組合選擇。
17. 如權利要求16所述的聲學器件，其中所述膜片包括凹槽，由此所述 復雜形狀通過振動變?yōu)橐?guī)則形狀。
18. 如權利要求12至17中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片具有 整體輪廓或者紋脈，由此轉(zhuǎn)移節(jié)點線以改變所述節(jié)點編組位置的位置，或者 改變在所述節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線。
19. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片通過添加 不會實際增加主要彎曲平面中的局部硬度的'T，形延伸，而增加了局部厚度。
20. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中所述工作頻率范圍 包括活塞到模式轉(zhuǎn)換。
21. 如權利要求20所述的聲學器件，其中該器件的參數(shù)使得達到了活塞 對模式輸出的所希望的比例。
22. 如以上權利要求中任一項所述的聲學器件，其中所述聲學器件為揚 聲器，并且至少一個所述換能器用來響應于施加到該換能器的電信號，將彎 曲波能量施加到所述膜片，并且所述膜片用來在輻射區(qū)域上輻射聲音。
23. —種制造聲學器件的方法，所述聲學器件具有膜片，該模片具有一 面積且具有一工作頻率范圍，包括選擇該模片參數(shù)使得其在所述工作頻率 范圍中具有諧^^莫式，將多個電機換能器耦合于所述膜片以與該膜片交換能 量，特征在于選擇所述換能器的位置與機械阻抗使得所述面積上的凈橫向 模式速度至少被減少以趨向于在所述工作頻率范圍中均衡至少選定的模式，其中通過所述換能器的定位與機械阻抗，基本達到對選定諧振彎曲波;溪式的 均衡。
24. 如權利要求23所述的方法，包括將所述換能器安裝在平均節(jié)點位置 之上。
25. 如權利要求23或24所述的方法，包括將所述換能器對稱安裝在所 述膜片之上。
26. 如權利要求23至25中任一項所述的方法，包括耦合至少兩個具有 不同驅(qū)動幅度的換能器。
27. 如權利要求23至26中任一項所述的方法，包括將每個換能器的機 械阻抗匹配于驅(qū)動位置上的有效機械阻抗。
28. 如權利要求23至27中任一項所述的方法，包括將柔性中間層附4矣 于所述膜片，并且選擇該中間層的質(zhì)量、阻尼、以及柔性使得輸出在低頻率 上被減少但是在較高頻率上不受影響。
29. 如權利要求23至28中任一項所述的方法，包括通過彈性懸浮部件 將所述膜片耦合于機箱。
30. 如權利要求29所述的方法，包括選擇所述換能器的位置與機械阻抗 從而補償所述懸浮部件的機械阻抗效應。
31. 如權利要求23至28中任一項所述的方法，包括選擇選擇多個諧振 模式，選擇所述膜片的參數(shù)使得存在多個節(jié)點編組位置，在該節(jié)點編組位置 之上或者圍繞該節(jié)點編組位置聚集了選定數(shù)目的諧振模式的節(jié)點線，并且將 每個換能器安裝在所述多個節(jié)點編組位置之一之上。
32. 如權利要求31所述的方法，包括選擇低頻諧振模式。
33. 如權利要求31所述的方法，包括選擇奇和/或偶模式的任意組合。
34. 如權利要求31至33中任一項所述的方法，其中所述膜片參數(shù)包括 形狀、尺寸、厚度、彎曲硬度、表面區(qū)域密度、剪切模量、各向異性、曲率、 以及阻尼。
35. 如權利要求31至34中任一項所述的方法，包括選擇選定節(jié)點編組 位置的所希望的位置或者在選定節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線所希望的組 合，并且為所述膜片選擇復雜幾何形狀，該形狀導致所述所希望的位置或者 所希望的組合。
36. 如權利要求35所述的方法，包括將所述膜片刻凹槽，以通過振動將所述復雜形狀變?yōu)橐?guī)則形狀。
37. 如權利要求31至36中任一項所述的方法，包括通過為所述膜片配 備整體輪廓或者紋脈，在所述膜片中轉(zhuǎn)移節(jié)點線，由此改變選定節(jié)點編組位 置的位置，或者改變在選定節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線。
38. 如權利要求23至28中任一項所述的方法，包括選擇所述器件的參 數(shù)以達到活塞對;f莫式輸出的所希望的比例。
39. —種聲學器件，包括膜片與至少一個電機換能器，該模片具有一面 積且具有一工作頻率范圍，并且該膜片使得其在所述工作頻率范圍中具有諧 振模式，所述至少一個電機換能器耦合于所述膜片并且用來與該膜片交換能 量，特征在于所述膜片的參數(shù)使得存在多個節(jié)點編組位置，在該節(jié)點編組 位置之上或者圍繞該節(jié)點編組位置聚集了選定數(shù)目的諧振模式的節(jié)點線，并 且將所述至少一個換能器安裝在所述多個節(jié)點編組位置之一之上。
40. 如權利要求39所述的聲學器件，其中選定模式為低頻諧振模式。
41. 如權利要求39所述的聲學器件，其中選定模式為奇和/或偶模式的 任意組合。
42. 如權利要求39至41中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片參數(shù) 包括形狀、尺寸、厚度、彎曲硬度、表面區(qū)域密度、剪切模量、各向異性、 曲率、以及阻尼。
43. 如權利要求39至42中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片具有 復雜幾何形狀，并且該形狀#4居選定節(jié)點編組位置的所希望的位置或者在選 定節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線所希望的組合選擇。
44. 如權利要求43所述的聲學器件，其中所述膜片包括凹槽，由此所述 復雜形狀通過振動變?yōu)橐?guī)則形狀。
45. 如權利要求39至44中任一項所述的聲學器件，其中所述膜片具有 整體輪廓或者紋脈，由此轉(zhuǎn)移節(jié)點線以改變所述節(jié)點編組位置的位置，或者 改變在選定節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線。
46. 如權利要求39至45中任一項所述的聲學器件，其中所述工作頻率 范圍包括活塞到模式轉(zhuǎn)換。
47. 如權利要求39至46中任一項所述的聲學器件，其中所述換能器的 定位與機械阻抗使得諧振彎曲波模式被均衡，從而所述膜片面積上的凈橫向 模式速度趨向于零，其中通過所述換能器的定位與機械阻抗，完全達到了對諧振彎曲波模式的均衡。
48. 如權利要求47所述的聲學器件，其中所述換能器被安裝在平均節(jié)點 位置之上。
49. 如權利要求47或48所述的聲學器件，包括將所述膜片耦合于機箱 的彈性懸浮部件。
50. 如權利要求49所述的聲學器件，其中所述換能器的位置與機械阻抗 使得補償了所述懸浮部件的機械阻抗效應。
51. 如權利要求39至50中任一項所述的聲學器件，其中至少兩個所述 換能器具有不同的驅(qū)動幅度。
52. 如權利要求39至51中任一項所述的聲學器件，其中每個換能器的 機械阻抗匹配于驅(qū)動位置上的有效機械阻抗。
53. 如權利要求39至52中任一項所述的聲學器件，包括附接于所述膜 片的柔性中間層，其中該中間層的質(zhì)量、阻尼、以及柔性使得輸出在低頻率 上被減少但是在較高頻率上不受影響。
54. —種制造聲學器件的方法，所述聲學器件具有膜片，該模片具有一 面積且具有一工作頻率范圍，包括選擇該模片參數(shù)使得其在所述工作頻率 范圍中具有諧振模式，將至少一個電機換能器耦合于所述膜片以與該膜片交 換能量，特征在于選擇所述膜片的參數(shù)使得存在多個節(jié)點編組位置，在該 節(jié)點編組位置之上或者圍繞該節(jié)點編組位置聚集了選定數(shù)目的諧振模式的節(jié) 點線，并且將所述至少一個換能器安裝在所述多個節(jié)點編組位置之一之上。
55. 如權利要求54所述的方法，包括選擇低頻諧振模式。
56. 如權利要求54所述的方法，包括選擇奇和/或偶模式的任意組合。
57. 如權利要求54至56中任一項所述的方法，所述膜片參數(shù)包括形 狀、尺寸、厚度、彎曲硬度、表面區(qū)域密度、剪切模量、各向異性、曲率、 以及阻尼。
58. 如權利要求54至57中任一項所述的方法，包括選擇節(jié)點編組位置 的所希望的位置或者在節(jié)點編組位置中聚集的節(jié)點線的所希望的組合，并且 為所述膜片選擇復雜幾何形狀，該形狀導致所述所希望的位置或者所希望的 組合。
59. 如權利要求58所述的方法，包括將所述膜片刻凹槽，以通過振動將 所述復雜形狀變?yōu)橐?guī)則形狀。
60. 如權利要求54至59中任一項所述的方法，包括為所述膜片配備整 體輪廓或者紋脈，由此改變節(jié)點編組位置的位置，或者改變在選定節(jié)點編組 位置中聚集的節(jié)點線。
61. 如權利要求54至60中任一項所述的方法，包括選擇所述器件的參 數(shù)以達到活塞對模式輸出的所希望的比例。
62. 如權利要求54至61中任一項所述的方法，包括將每個換能器的機 械阻抗匹配于驅(qū)動位置上的有效機械阻抗。
63. 如權利要求23至62中任一項所述的方法，包括將柔性中間層附接 于所述膜片，并且選擇該中間層的質(zhì)量、阻尼、以及柔性使得輸出在低頻率 上被減少但是在較高頻率上不受影響。
64. 如權利要求54至63中任一項所述的方法，包括通過彈性懸浮部件 將所述膜片耦合于機箱。
65. 如權利要求64所述的方法，包括選擇所述換能器的位置與機械阻抗 從而補償所述懸浮部件的機械阻抗效應。
全文摘要
一種聲學器件及制造該聲學器件的方法。該聲學器件包括膜片(10)，在工作頻率范圍內(nèi)具有諧振彎曲波模式；以及耦合于該膜片的多個電機換能器(12)。換能器的定位與機械阻抗使得至少選定數(shù)目的諧振彎曲波模式被均衡，從而膜片面積上的凈橫向模式速度趨向于零，其中通過換能器的定位與機械阻抗基本達到了對諧振彎曲波模式的均衡。膜片的參數(shù)可以使得存在多個結(jié)點編組位置，在該位置之上或者圍繞該位置，匯聚選定數(shù)目的諧振模式的結(jié)點線。每個換能器可以被安裝在所述多個結(jié)點編組位置之一之上。
文檔編號H04R7/04GK101406068SQ200780009920
公開日2009年4月8日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權日2006年1月19日
發(fā)明者克里斯蒂恩·埃利斯, 安德魯·D·馬錢特, 尼爾·J·哈里斯, 戴維·K·貝里曼, 格雷厄姆·班克, 馬丁·科洛姆斯 申請人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司