專利名稱：用于放音和/或錄音的元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一個用來放音和/或錄音的元件，具體涉及一個揚聲器，或者一個擴音器。
更具體，本發(fā)明涉及一個采用一個壓電元件的放音和/或錄音元件。
眾所周知，電信號通過各種再現(xiàn)裝置可以轉化成可聽到的聲音振動，相反，聲音振動可以轉化成電信號。
已經知道的第一種聲音再現(xiàn)裝置由電動揚聲器組成。
通常利用紙盆的這種揚聲器具有以下主要缺點-占有相對較大的體積；-需要大的功率；-具有大的功率消耗，因此需要較粗的連線；-由于磁鐵的高度，所以具有相當大的深度；-高音再現(xiàn)效果差；-對溫度和空氣濕度敏感；-低輸出；-“全范圍”再現(xiàn)需要較大的尺寸；-產生一個電磁場(EMC)；-由于線圈在常載荷下被加熱，可能壞掉，因此可靠性相對較?。?非常易碎的紙盆需要特別的保護；-設計復雜。
已經知道的另一種聲音再現(xiàn)裝置由靜電再現(xiàn)裝置組成。
但是，這種再現(xiàn)裝置也表現(xiàn)出相當多缺點，如下-非常昂貴；-“全范圍”再現(xiàn)需要較大的尺寸；-需要高壓；-設計要求高，且復雜；-對濕度非常敏感；
-對干擾敏感；-輸出僅是合理；-需要合適的空間。
已經知道的第三種聲音再現(xiàn)裝置由壓電再現(xiàn)裝置組成。
這后一種再現(xiàn)裝置采用振動膜片，由一個支撐物，通常是一個薄金屬片，和一個固定在此支撐物上的壓電陶瓷片組成。
該膜片是懸置的，或者用彈性粘結劑將膜片在節(jié)點處固定到外殼上形成節(jié)點懸置，或者用剛性粘結劑或彈性粘結劑在整個邊緣懸置。
通過給膜片和壓電片提供一個可變電壓，壓電陶瓷片的材料將膨脹或收縮，由于金屬支撐物自身不能膨脹或收縮，從而整體將按變化電壓的函數(shù)彎曲，因此產生一個與提供的變化電勢的頻率和振幅成正比的可聽到的信號。
已經知道壓電效應是相互的，即當膜片和壓電片，例如通過聲音振動，被移動時，將產生一個與膜片進行的運動及因此而產生的壓電陶瓷片中的壓力變化成正比的電壓，因此整體，包括支撐物和壓電元件，形成一個功能是擴音器的元件。
這種壓電再現(xiàn)裝置的基本優(yōu)點是-具有很薄、很平的設計；-具有簡單，卻結實的設計；-抗沖擊，防水，抗高溫；-可以用作擴音器；-不產生電磁場(EMC)；-重量輕；-需要能量少；-通向揚聲器的電線中不需要很大電流；-即使是很小的揚聲器，也具有很大的聲音輸出。
但是，迄今為止已知這種壓電再現(xiàn)裝置的實施例的缺點在于，它只適用于再現(xiàn)相對較高的聲音，不能用在15Hz到20kHz的全部可聽到的頻率范圍。
具體地，在1000Hz以下，可能沒有或者只有一個非常差的聲音再現(xiàn)。即，到目前為止，采用壓電片，大部分說的話和音樂頻譜不能被再現(xiàn)。而且，到目前為止，這種壓電再現(xiàn)裝置只被用于蜂鳴器、轉換器和高頻揚聲器，或者用于不需要高質量再現(xiàn)的應用中的擴音器和揚聲器。
本發(fā)明涉及一種放音和/或錄音的元件，其中采用壓電原理，但排出或減少了已知實施例的上述缺點。
具體地，本發(fā)明涉及一個壓電揚聲器，在15Hz到20kHz的整個范圍內提供最優(yōu)的聲音再現(xiàn)。
此處本發(fā)明的目標是一個同時適用于小和大的實施例的元件，具體講從具有一個小于10mm的直徑的設計到具有1m的直徑的設計。
為此，本發(fā)明涉及一個放音和/或錄音的元件，包括一個安裝有一個壓電元件的膜片，一個與壓電元件一起工作的電子連接裝置和一個用于膜片的外殼，其特征在于該元件包括一個位于離膜片一小段距離的側壁部分，這樣膜片產生的聲音振動被減幅。
具體地，上述側壁部分位于距膜片這樣一個小的距離，使得在聲音振動產生期間移動的空氣在上述側壁部分反射，從而反射的振動在膜片上產生一個減幅。
最好膜片和上述側壁部分之間的距離在0.5mm到10mm之間，在0.5mm到5mm之間更佳。
以這種方式，就可以在整個范圍內獲得一個非常好的聲音再現(xiàn)。
其它方面的解釋是，上述減幅的結果使較高的諧波的品質因數(shù)被減小，諧振頻率被降低。
上述側壁部分和/或其周圍最好提供允許空氣流出的洞，使得聲音可以很容易釋放，卻沒有損失上述側壁部分的減幅效應。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例，上述側壁部分包括一個被加厚的部分，它尤其提供了排出或至少減小了側壁部分的寄生振動的優(yōu)點。
根據(jù)對大的直徑設計特別有用的另一實施例，上述側壁部分提供了一個具有相當大重量的部分，使得上述減幅效應被放大，并尤其防止了寄生振動。
根據(jù)本發(fā)明的元件的一個或幾個組成部分可以提供一個減幅層，最好諸如硅酮的減幅彈性材料，它可以在碎裂時吸收其中的振動能量，并且可以保證高頻部分的諧振尖峰被減幅。結果獲得更好的再現(xiàn)。
為了更好地解釋本發(fā)明的特征，以下優(yōu)選實施例僅作為例子進行描述，而沒有任何限制性，參考附圖，其中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個元件的剖面圖。
圖2表示根據(jù)圖1中線II-II的剖面圖。
圖3、4和5表示與圖1類似，但有所變化的剖面圖。
圖6表示圖4中F6所示的部分的更大比例的示意圖。
圖7到22代表一系列示意圖。
根據(jù)本發(fā)明的元件1用來放音和/或錄音，它包括一個外殼2；一個膜片3，至少由一個支撐物4和固定在其上的一個壓電元件5組成；和電子連接裝置6。
這種情況外殼2包括一個帶有一個前側壁8和圓柱側壁9的外殼部分7。該外殼部分7最好由合成材料制成。
膜片3最好通過一種彈性粘結劑11固定，其邊沿固定在一個提供在外殼部分7內的凸緣10上。
膜片3的支撐物4包括一個金屬片，例如由黃銅制成，厚度非常薄。
壓電元件5包括一個壓電陶瓷片，例如具有30微米量級的厚度，例如用粘結劑固定在支撐物4上。
電子連接裝置6包括導線12-13，它們以這樣的方式連接到膜片3上，使得電動勢可以在整個壓電元件5上產生。
例如，這些導線12-13連接到固定在形成外殼后側面的蓋盤16上的端子14-15。
本發(fā)明特別之處在于元件1提供有一個沿膜片3、在距其D1處延伸的側壁部分17，以產生減幅效應。
距離D1按比例很小，最好小于或等于10mm。通常，該距離D1在0.5mm到5mm之間，取決于揚聲器的尺寸。
在斷面上，膜片3和側壁部分17周圍之間形成一個腔18，它比距離D1深。
得到的距離D1與腔18深度之間的差是前側壁8的被加厚的部分19。
應該指出，根據(jù)此處未示出的一種變化，側壁部分17高度處的前側壁8可以向內彎曲，因此前側壁不必加厚。但是，采用一個加厚部分或加強部分19可以確保防止由于前側壁8的振動導致的寄生振動，如后文所述。
根據(jù)此處未示出的另一變化，前側壁8的內側完全是平的，其整個表面位于距膜片3一小段距離D1的位置。
在外殼2內提供有洞20，使聲音可能向外傳播，此處這些洞20在腔18上開出，這些洞足夠大，確?？諝饬鞒觯懦驕p少可能的過濾效應。
根據(jù)圖1，膜片3在其前側面提供有一個減幅層21，最好由彈性材料如硅酮、硅酮橡膠或者合成橡膠制成，此處的減幅層21為了吸收膜片碎裂期間產生的振動能量，而且確保高頻的諧振尖峰被減幅。
上述蓋盤16可以包括一個印刷電路板，在其上可以提供電子元件，此處的洞22也提供在該蓋盤16上，蓋盤16通過封閉空氣，確保沒有過大的變形加在膜片3上。
上述外殼部分7和側壁部分17最好由合成材料制成。
外殼2還有一個法蘭盤，其上提供固定孔23。
元件1的工作過程依據(jù)以下原理當給端子14-15一個電信號，作為此信號的函數(shù)，膜片3將開始振動。這導致空氣位移，使得產生聲音。由于小距離D1，以及由于前側壁8提供有一個被加厚部分19的事實，產生上述減幅效應。
圖3、4和5表示三種變化，其中為了放大減幅效應，上述側壁部分17提供有一個重物或質量24，而物體24包括一個由大密度的材料制成的盤，例如銅或鉛等金屬，且這個盤提供在外殼2內。
當一個減幅層21已經被提供在膜片3的支撐物4上時，減幅層25也可被提供在其它地方，如側壁部分17或直接朝向膜片3的物體24的側面上，如圖3所示。
根據(jù)圖4的變化中，物體24位于前側壁8的外側面上，減幅層25被包圍在外殼2和物體24之間。
圖5表示一個變化，物體24以及提供在其上的減幅層25被如此提供，使得腔18足夠大，延續(xù)到物體24之后，而后者固定在一個中心支撐物26上。
應該指出圖1，3，4和5中的支撐物4，壓電元件5和減幅層21都是示意圖，好象它們差不多一樣厚，但事實上，減幅層21比膜片3明顯厚，如以更真實的方式表示的圖6中，例如厚10倍，因此為1mm的量級。減幅層25最好也具有1mm量級的厚度。
為了進一步闡述本發(fā)明，下面給出本發(fā)明的幾個基本原理和特性的理論推導。
圖7和圖8示意的表示出膜片3一方面節(jié)點懸置(圖7)和另一方面邊緣懸置(圖8)之間的差別。
這些膜片代表諧振頻率。在這些諧振頻率上產生不需要的效應，它們對聲音的質量具有負影響。
根據(jù)本發(fā)明，我們尤其嘗試將這些諧振頻率降低至可聽頻譜的下限，即產生一種減幅，以產生一個可以由30Hz幾乎平穩(wěn)過渡到20kHz的頻率再現(xiàn)，因此就可以產生覆蓋整個范圍，而沒有任何諧振頻率的頻率被產生。
圓形的、節(jié)點支撐的盤的諧振頻率Frn可以用下面的公式表示Frn=tS×yd×(1-r2)]]>其中，t＝膜片3的總厚度；S＝膜片的面積；Y＝楊氏模量(N/m2)；d＝支撐物4的密度，至少是2.5kg/dm3；r＝泊松比。
這清楚地表明諧振頻率主要取決于厚度和面積，即膜片3的直徑。膜片3越薄，諧振頻率越低。
為了減小諧振頻率，嘗試通過將支撐物4和/或元件5的厚度減為最小，來減小膜片3的厚度。
但是由于物理原因，支撐物4的厚度不能小于20微米。而且，為了獲得盡可能同心的所生成的振動，支撐物4和元件5最好具有相同厚度。結果，由于支撐物4和元件5的厚度的選擇，諧振頻率只能被減小到一定限度。
應該注意，由于邊緣懸置，元件5直徑D2和支撐物4直徑D3之間的比應該在0.85到0.5之間。很明顯，較大的支撐物4，相應較大的面積S和較小的諧振頻率，需要較大的元件5，因此成本顯著提高。
包括一個粘在金屬支撐物4上的陶瓷片，形成所謂的一個“同形體”的壓電膜片3的諧振取決于膜片3懸置的方式。由于邊緣懸置，為了計算諧振頻率，必須記入一個安裝系數(shù)K，通常為0.7。
對于邊緣懸置，推出Frr=K×Frn=K×tS×yd×(1-r2)]]>如圖9所示，從一個金屬板條，其自由端用重物G使之更重，的理論推導開始，此金屬板條最初在靜止位置，沒有勢能，沒有動能。
當重物被力F從位置P1移到位置P2時，重物G將具有最大勢能，最小動能。
當力F在位置P2移開時，重物將回到其靜止位置P1，在此運動期間速度和動能增加。動能在重物G通過位置P1的那一刻具有最大值，而此刻勢能等于零。
最大動能確保重物回到位置P3，動能再次達到最小值，勢能再次達到最大。如果沒有能量損失，產生的擺動振動將永遠持續(xù)。
擺動頻率由板條長度L，重物G的質量和板條的彈性模量決定。按原理，這些量之間的比與擺動頻率之間的關系為Fosc＝Y/(L×G)其中，Y＝楊氏模數(shù)；L＝板條的長度；G＝板條自由端的重量。
因此，可以說當重物G的質量增加時，擺動頻率減小，分別如圖10和11所示，其中的擺動一個無重物，一個有重物。
考慮到頻率與諧振頻率的上述公式中的重物成反比，得到以下結果Frr=K×tS×yd×(1-r2)×1G]]>為了以一個平的、圓形膜片3得到這個結果，可以用一種彈性粘結劑，例如，硅酮橡膠將其邊緣粘住，使得外殼2的功能為一個重物，節(jié)點正位于膜片3在其邊緣被粘住的彈性區(qū)域。
這在圖12中示意的表示出，其中膜片3的彎曲形狀被夸大。
彎曲的特征在于以下尺寸A＝膜片中心的偏移，例如1mm代表100Hz，0.3mm代表300Hz，而0.01mm代表10kHz；B＝振動膜片3的自由部分的半徑；a＝邊緣粘住部分的偏移；b＝支撐邊緣的寬度，即上述凸緣10。
可以粗略地說，比值a/b等于比值A/B，則a＝(A×b〕/B如果半徑B為12.5mm，支撐邊緣寬度b為2mm，則a＝0.16mm100Hz時a＝0.04mm300Hz時a＝0.0008mm10kHz時因此，振動盤端部運動最大為100Hz時0.16mm300Hz時0.04mm10kHz時0.0008mm例如，當采用粘度為35,000mPa-s的彈性硅酮粘結劑時，膜片3的端部的運動將不受限制，但是與周圍外殼2的重量結合，根據(jù)上述原理這將降低諧振并將之減幅。此諧振在這種設計中被減幅，因此比其它設計不尖銳。
這在圖13中通過曲線Frn、Fri和Frr被示意的表示出，分別代表節(jié)點支撐，膜片3被粘住或夾住邊緣以固定的支撐，以及膜片3通過彈性粘結劑11被粘在邊緣的支撐的諧振頻率。
上述系數(shù)K可以表示為K＝(b/D4)×v其中，b＝凸緣10的寬度；D4＝在凸緣10中測得的膜片的直徑；
v＝粘結劑11的粘度。
諧振頻率的公式為Frr=b×vD4×tS×yd×(1-r2)×1G]]>由于盤的密度d(每份體積的重量)對諧振頻率有影響，形成反力，通過密度產生振動的慣性將對諧振造成影響。密度越高，諧振頻率越低。
慣性作用也對較高諧振的減幅具有影響。當膜片3產生聲音振動，且被從短距離反射后，膜片3將在其整個表面接受更多的阻力，這樣它將開始運動得更慢。結果，高諧波的品質因數(shù)將減小，且膜片3將明顯加重，使得諧振頻率降低。
而且，較高、較尖銳的諧波被減輕。
綜上所述，當膜片3被安裝在靠近前側壁8的內壁，即一小段距離D1處時，密度d將明顯增加，使得諧振現(xiàn)象被減幅，進而平滑。
從上，可以推斷當上述距離D1變小，且當側壁部分17，即位于與膜片3距離D1處的部分的表面S1變大時，密度d明顯增加。將這一影響考慮到諧振頻率Frr公式中，可以得到Frr=b×vD4×tS×yd×(S1/D1)×(1-r2)×1G]]>其中，S1＝位于距膜片3一小段距離D1的側壁部分17的面積；D1＝膜片3和側壁部分17之間的距離。
很明顯通過選擇盡可能小的距離D1，可以降低諧振頻率。
附圖14表明了這一差別，其中諧振頻率在距離D1為10mm時的變化由曲線C1代表，而在距離D1為2mm時的變化由曲線C2代表。
而且，應該注意壓電膜片可以反應得很快，事實上無論波段寬度還是反應速度的限制都不被考慮。在復雜信號中，諸如語言或音樂，直接出現(xiàn)許多諧波。膜片3在這種情況下被迫振動，對這些頻率作出反應。因此有一定頻率成分在膜片3一定地方諧振的情況，使得在高頻碎裂。相應地，在頻率分析中較高頻率中有尖峰，這應該被避免，因為它們產生一個帶有一定頻率成分的特別的干擾。這些尖峰在圖15的曲線中示意表示出。
如上所述，通過用彈性材料，如硅酮層21覆蓋膜片3，這根據(jù)本發(fā)明就可以被阻止。該減幅層21吸收了碎裂情況下的振動能量，高頻處的諧振尖峰被減幅，如圖16中曲線所示意出。
圖17示意的表示出在局部碎裂中產生的振動T是如何被減幅層21吸收的。在需要較高頻率用于報警功能或者需要大聲壓用于特別高頻率的應用中，此減幅層可能并不提供，或可能只提供一部分。
很明顯，事實上前側壁8，至少在沒有采取措施時，就由于膜片3發(fā)射到前側壁8內壁上的聲音振動而開始振動。這樣在前側壁8上產生了寄生振動，它與所需的膜片3產生的振動異相，被從洞20發(fā)射出來，使得產生聲音信號的一個可聽到的失真。
而且，由于這個原因，根據(jù)本發(fā)明采取了措施，使前側壁8被減幅，從而防止和/或減小寄生振動。
如上所述，這些措施在于前側壁8，特別是側壁部分17，通過一個被加厚的部分19和/或通過采用物體24，被被加強。
減幅層25的影響可以從下面的說明中看得更加清楚。
移動的前側壁8的動能可以表示如下Ek＝0.5×m×v2+0.5×I×w2其中，m＝質量；v＝速度；I＝慣性矩；w＝角速度或擺動頻率。
為了防止臨界的減幅，必須通過聲音振動將壓力Pm加在前側壁8的一個點上，應滿足下面條件Pm≤0.5×m×v2當前側壁8開始振動時，必須滿足下面條件Pm≤0.5×m×v2+0.5×I×w2為了實現(xiàn)這一條件，減幅層25被提供有重物。制造此減幅層25的彈性材料將沖擊波減幅，將其產生的力分解為一個向前的力和幾個橫向的力?？梢哉f此減幅層25的功能為一個沖擊吸收器，其中由膜片3的振動產生的力K被減幅，被分解為非干擾橫向力，分別如圖18和19所示。
應該指出，一種彈性材料的彈性模量E可以表示如下E＝3×k×(1-2×u)E＝2×g×(1+u)其中，k＝體積彈性模量；u＝橫向收縮系數(shù)；g＝滑動模量。
對于大多數(shù)材料，體積彈性模量為1010N/m2或在1000大氣壓中體積減小為1％。用于100％延伸的彈性材料的體積彈性模量，根據(jù)本發(fā)明最好位于0.1和1之間或等于它們，單位為N/m2，即0.1≤k≤1采用的彈性材料的橫向收縮系數(shù)u最好滿足0≤u≤0.5最后，一種已知的電動再現(xiàn)裝置和根據(jù)本發(fā)明的的壓電再現(xiàn)裝置產生的聲音的再現(xiàn)的幾條曲線，如附圖20，21和22所示。此處標有ED的曲線與電動再現(xiàn)裝置相關，而標有PE的曲線與壓電再現(xiàn)裝置相關。
而且，圖20，21和22分別與具有三個不同直徑，即25mm，35mm和57mm的實施例相關。
曲線PE和ED的比較清楚表明采用根據(jù)本發(fā)明的元件1的再現(xiàn)，通常比采用相似尺寸的電動實施例，所涉及的聲壓明顯地更好、更強。
本發(fā)明并不限于作為例子、在附圖中表示的所描述的實施例；相反，用來放音和/或錄音的這一元件可以制成各種形狀和尺寸，而保持在本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.用來放音和/或錄音的元件，包括一個安裝有一個壓電元件(5)的膜片(3)，與壓電元件(5)一起工作的電子連接裝置(6)和一個膜片(3)的外殼(2)，其特征在于元件(1)包括一個位于距膜片(3)一小段距離(D1)的側壁部分(17)，使得膜片(3)產生的聲音振動被減幅。
2.根據(jù)權利要求1的元件，其特征在于在膜片(3)和側壁部分(17)之間的距離(D1)小于或等于10mm。
3.根據(jù)權利要求2的元件，其特征在于在膜片(3)和側壁部分(17)之間的距離(D1)在0.5mm和5mm之間。
4.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于上述側壁部分(17)被局部加厚。
5.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于一個腔(18)沿圓周形成。
6.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于洞(20)提供在外殼(2)上。
7.根據(jù)權利要求5和6的元件，其特征在于洞(20)在上述腔(18)內開口。
8.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于上述側壁部分(17)是外殼(2)的一部分。
9.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于上述側壁部分(17)提供有一個加重物體或重物(24)。
10.根據(jù)權利要求9的元件，其特征在于上述側壁部分(17)包括一個提供在膜片(3)和與之平行的外殼(2)的一個側壁之間的物體(24)，其中這一物體安裝在距此側壁一定距離處，最好在中心支撐(26)上。
11.根據(jù)權利要求9或10的元件，其特征在于物體(24)包括一個由大密度材料制成的盤，最好是金屬制成的盤，具體是銅，黃銅，鉛或合金。
12.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于其一個或幾個組成部分提供有一個減幅層(21-25)。
13.根據(jù)權利要求12的元件，其特征在于上述減幅層(21-25)根據(jù)下述任何一種可能，或者兩個或多個下述可能的組合進行實施-作為膜片(3)上的減幅層(21)，最好在直接朝向上述側壁部分(17)的面上；-為了激勵更高的頻率，膜片上有部分減幅層或沒有減幅層；-作為提供在上述側壁部分(17)上的減幅層(25)在直接朝向膜片(3)的面上；-在側壁部分(17)提供有重物(24)的情況下，作為位于此物體(24)側面上的減幅層(25)直接朝向膜片(3)。
14.根據(jù)權利要求12或13的元件，其特征在于減幅層(21-25)由彈性材料制成，具體是硅酮，硅酮橡膠或合成橡膠，最好具有1mm量級的厚度。
15.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于膜片(3)包括一個由一個薄金屬片和一個以壓電晶體形式固定在其上的壓電元件(5)形成的支撐物(4)。
16.根據(jù)前述任何一個權利要求的元件，其特征在于膜片(3)通過粘結劑(11)，最好是彈性粘結劑，將其邊緣固定在提供在外殼(2)上的凸緣(10)上。
17.根據(jù)權利要求1，2或3的元件，其特征在于外殼(2)包括一個帶有前側壁(8)的外殼部分(7)，而前側壁(8)帶有一個位于距膜片(3)一小段距離處的加強和/或加厚側壁部分(17)，和一個提供有一個能將膜片(3)固定在其上的凸緣(10)的側壁(9)；腔(18)至少形成在比上述距離(D1)深的此側壁部分(17)的周圍，而開口提供于在此腔(18)高度的前側壁(8)上；減幅層(21)提供在膜片(3)上；外殼(2)提供有一個蓋盤(16)，其后側壁安裝有連接裝置(6)。
全文摘要
用來放音和/或錄音的元件,包括一個安裝有一個壓電元件(6)的膜片(3),與壓電元件(6)一起工作的電子連接裝置(6)和一個膜片(3)的外殼(2),其特征在于元件(1)包括一個位于距膜片(3)一小段距離(D1)的側壁部分(17),使得膜片(3)產生的聲音振動被減幅。
文檔編號H04R1/22GK1197363SQ98106159
公開日1998年10月28日 申請日期1998年4月2日 優(yōu)先權日1997年4月3日
發(fā)明者雨果·米基斯 申請人:桑納特龍有限公司