CN101766036B - 音频设备 - Google Patents
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Abstract
一种音频设备包含壳体和安装在该壳体(10)中的压电换能器(12)以使所述换能器紧邻使用者的耳廓，由此所述换能器在所述耳廓中激发震动以使其将来自换能器的声音信号传送到使用者的内耳中，其特征在于包含耦合器(14)，该耦合器将所述换能器(12)耦接到所述壳体(10)，从而使所述耦合器(10)近似于简单支撑换能器(12)。
Description
技术领域
本发明涉及音频设备，更具体地说，涉及个人使用的音频设备。
背景技术
已知提供了可被***到使用者的耳腔中的耳塞或提供了包含安装在头带上并且被布置成以靠着使用者的耳朵放置或罩在使用者的耳朵之上的小扬声器的头戴式耳机。这些声源经由鼓膜使用沿着耳道传送的气压波将声音传送到内耳。
一般传统的耳机使用安装在塑料壳中的动圈型的换能器。所述动圈被连接到轻重量的膜片，该膜片被设计成以放入耳道的入口。动圈和膜片重量轻并且被紧密地耦合到耳道另一端的鼓膜。通过动圈换能器检测到的鼓膜和耳道的声阻抗相对较小。该较小的声阻抗连同紧密的耦合意味着动圈式换能器的动态要求相对较低。
动圈式换能器需要磁路，其一般包含金属部件，例如，钢或铁极片，以产生使线圈移动的磁场线。这些部件提供了相对较大的惯性质量，其和较低的动态要求相结合意味着相对较小的振动进入塑料壳。
存在同头戴式耳机和耳塞相关的缺点。例如，它们会妨碍正常的听觉作用例如对话或者会防止使用者听到有用或重要的外部有声信息，例如，警告。而且，它们一般是不舒服的并且如果传送的音量太高，它们会引起听觉超负荷和受损。放入耳道的耳塞还具有卫生问题。
将声音传送到使用者内耳的另一种方法是使用骨传导，例如在一些类型的助听器中。在此情况下，换能器被配合到使用者的乳突骨以被机械耦接到使用者的脑壳上。声音然后从换能器穿过脑壳被传送并直接到达耳蜗或内耳。鼓膜与该声音的传送路线无关。使换能器位于耳朵的后面提供了良好的机械耦合。然而，该良好的结果一般需要相当高的功率和作用力。
一个缺点在于在换能器位置处的脑壳的机械阻抗是频率的复变函数。而且，设备需要能够顺利地戴在脑壳上。因此，换能器的设计和所需的电均衡会比较昂贵和困难。
在JP56-089200(Matsushita Electric Ind有限公司)、WO 01/87007(日本Temco有限公司)、WO 02/30151以及WO 05-025267中给本申请人建议了另一些解决方案。在每个公布中，换能器被直接耦合到使用者的耳廓，特别是使用者的耳垂之后，以在其中激励振动，因此声音信号被传送到使用者的内耳。
WO02/30151以及WO05-025267描述了将换能器安装到使用者的耳廓的各种方法，其包括特别设计的钩子和夹子。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了包含壳体和安装在该壳体内的压电换能器的音频设备以使换能器邻近使用者的耳廓，由此换能器激励耳廓中的振动以使其将来自换能器的声音信号传送到使用者的内耳，其特征在于包含耦合器，该耦合器将壳体简单支撑在换能器上。
压电换能器会具有三个明显不同的边界条件，即，自由、被夹紧(或被固定)以及简单支撑(或钉住)。每个条件下，梁(beam)的特性完全不同。
固定到柱脚(stub)或耦合器在限制所有运动的地方构成了夹紧，这即是为了偏斜(位移)又是为了旋转。在自由的情况下允许所述两种运动。
对于简单支撑的情况下，防止任何轴上的位移但允许旋转。“简单支撑”因此要被理解为声学工程中定义压电换能器的谐振板或梁的边界条件的技术术语。换能器的谐振板被支撑以允许围绕支撑件枢转运动但防止相对于支撑件的平移运动。简单支撑因此明显不同于谐振板在其边缘处被夹紧或谐振板在其边缘处自由的其他边界条件。
换能器可以是分布式换能器(例如，WO01/54450中教导的那种类型的换能器)。简单支撑分布式梁换能器的端部会期望使梁更硬，因此提高了其基频。本领域内的技术人员会期望由于提高了基频因此减小了低频特性。然而，有点令人吃惊地是，简单支撑梁换能器的端部大大改进了低频性能，但通常减小了在中、高频范围内传送的功率。将换能器简单地支撑在壳体上还意味着音频设备更能经受冲击。
压电换能器一般重量轻、尺寸小且效率高。换能器可以是两根梁与压电陶瓷层叠的梁型设备。该材料是形状可变的并且在换能器的梁内产生挠曲谐振以产生模态的激振力。两根梁会被延伸过陶瓷梁端部的中心隔板(central vane)分隔开。
耦合器的材料参数(例如，密度、损耗、弹性、衰减和剪应变)被优选为以提供简单支撑，例如，允许旋转但不允许平移运动。耦合器可具有相当低的剪切模量以允许旋转但具有较高的体积模量以防止平移。一些衰减也是有用的。
这些块体(block)由弹性体或橡胶做成，由此尽管材料的压缩刚性较高，但是允许剪应力所致的旋转。耦合器可由弹性体做成，比如可通过硫化作用固化的未饱和的橡胶，例如，自然橡胶(NR)、聚异戊二烯(IR)、丁基橡胶(异丁烯和异戊二烯的共聚物，IIR)、卤化丁基橡胶(氯丁基橡胶：CIIR，溴丁基橡胶：BIIR)、聚丁二烯(BR)、苯乙烯丁二烯橡胶(聚苯乙烯和聚丁二烯的共聚物，SBR)、丁腈橡胶(聚丁二烯和丙烯腈的共聚物，NBR)，还被称为布纳N橡胶(buna N rubber)、水合丁腈橡胶(HNBR)
和
氯丁二烯橡胶(CR)、聚氯丁烯、氯丁(二烯)橡胶(Neoprene)、氯丁橡胶(Baypren)等。另外，弹性体可以是不能通过硫化处理进行固化的饱和橡胶，例如，EPM(乙丙橡胶，聚乙烯和聚丙烯的共聚物渣滓)以及EPDM橡胶(三元乙丙橡胶，聚乙烯、聚丙烯和亲二烯物的三元共聚物)、表氯醇(ECO)、聚丙烯酸酯橡胶(ACM、ABR)、硅橡胶(SI、Q、VMQ)、氟硅酮橡胶(FVMQ)、含氟弹性体(FKM、FPM)维东合成橡胶()、
和
全氟弹性体(FFKM)
聚醚段酰亚胺(Polyether BlockAmides)(PEBA)、四氟乙烯/丙烯橡胶(FEPM)、氯磺化聚乙烯(CSM)、(
)和乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)。其他合适的弹性体包括热塑性弹性体(TPE)、例如，热塑性硫化橡胶(TPV)，例如，
TPV、聚氨酯橡胶、节肢弹性蛋白、弹性蛋白和多硫化合物橡胶。
所述弹性体可以是聚合物或多孔状泡沫体，例如，商标为：
的泡沫体。该弹性泡沫是能够弯曲的、高密度的、微单元的产品，其保持了对压缩形变(皱缩)的很好的抵抗性，表现出较高的弹性，良好的振动衰减以及冲击吸收。
所述材料被选择为具有平移刚性kz和/或旋转刚性kr，它们提供了近似的简单支撑。合适的刚性范围由考虑适合的方程式而得到。
例如，对于压电梁形式的换能器，其中所述压电梁在一端具有支撑件和旋转弹簧(kr)且在另一端具有普通弹簧(kz)，梁的最小模式随着平移和旋转刚性的值变化。Kz＝0是自由的，kz＝无穷大是被支撑，kr＝0是被支撑，kr＝无穷大是被夹紧。近似的简单支撑可通过将最大的kr选择为在0和无穷大之间且将最小的kz选择为在0和无穷大之间予以实现。
这就得出：
kz＞大约3EI/L3
kr＜大约3EI/L
在此
E＝杨氏模量
I＝惯性的面积矩(1/12×厚度3×宽度)
L＝长度
剪切模量G由以下给出：
G＝E/2/(1+nu)～3/8×E
对于具有厚度为1毫米、长度为25毫米以及杨氏模量近似为64Gpa的压电梁的换能器，kz设定剪切模量为220kpa的最小值，kr设定剪切模量为32Mpa的最大值。因此，杨氏模量优选在500kpa和83Mpa之间，剪切模量在200kpa和32Mpa之间。
换能器可以是矩形的，耦合器可包括接合换能器的相对边缘的部分。换能器一般是盘状的，耦合器可沿着换能器的一部分或整个延伸。另外，耦合器可位于周长上的至少三个部分，这些部分可围绕周长等间距。换能器可以是三角形，耦合器可位于三角形的每个顶点。换能器可以是梯形的或超椭圆形的。换能器可以是板状的且可以是平面的或由平面弯曲而成。
壳体可包括弹性层，该弹性层形成换能器和使用者的耳廓之间的界面。弹性层可由更软的非孔性材料做成，例如硅酮弹性体。弹性层可具有多孔、泡沫状的芯体，例如，乙烯树脂或腈或其他合成橡胶，以提供弹性。弹性层的目的是给受到推动的耳廓区域提供卫生的、不引起过敏的缓冲接触区。
换能器和/或弹性层的适合的机械性能，特别是机械阻抗和/或模态特性，在需要的情况下，可被选择为以与典型的耳廓的特性相匹配。另外，机械性能可选择为能够适合于应用。例如，如果匹配的换能器太薄不耐用，换能器的机械阻抗可被增加以提供更好的耐用性。
换能器和/或弹性层的机械性能可被匹配成以使换能器和耳廓之间的接触力最优化和/或使换能器的频率范围最优化。换能器的机械性能可包括压电层的安装位置、附加质量(mass)以及数量。换能器可具有偏心安装件，由此扭曲力可用来较好地接触耳廓。在压电元件的端部处可添加质量，以改进低频带宽。换能器可具有多层压电材料，由此电压敏感性会增加，放大器的电压要求会降低。这层或每层压电材料可被压缩。
压电换能器的电连接一般会有问题。例如，易损坏的电线通常被焊接到压电梁。根据本发明的另一方面，耦合器可由导电材料做成，由此可实现换能器和声源之间的更结实的电连接。对于包含夹在两个压电元件之间的中心隔板的压电换能器，中心隔板可延伸过压电元件的端部，导电耦合器可被耦接到中心隔板上。该种电连接不需要为较高阻抗的压电换能器提供非常低电阻的连接。
换能器壳体可以被连接到眼镜。眼镜包括护目镜、眼镜(spectacles)、玻璃眼镜(glasses)和太阳镜所有形式。耳廓是使用者的整个外耳。换能器被耦接到紧邻使用者外耳的耳廓的后表面。
例如，经由弹簧夹或线环型的紧固件，壳体可安装到眼镜的镜腿或护目镜的带上。壳体可以为在镜腿之上滑动的弹性套管的形式。另外，壳体为一副眼镜的镜腿或部分镜腿的形式，其中所述一副眼镜的镜腿或部分镜腿例如经由螺钉或夹持机构能够与使用者的传统眼镜的镜腿或部分镜腿互换。
这样，通常的太阳镜、护目镜或眼镜可适合于用作听筒。该音频设备戴起来比较舒服并且比较方便。没有被放在耳中因此不存在卫生问题。而且，所述设备可藏在耳朵之后因此考虑比较周到(discreet)。
音频设备可包括内置设施以便以与WO02/30151中教导那样类似的方式使得对于每个使用者而言换能器可以位于眼镜上的最优化位置。音频设备可包含均衡器，用于进行均衡以改进音频设备的声音特性。
音频设备可被放开，即，用于两只耳朵上。使用者可使用两个音频设备，一个镜腿上安装一个音频设备。对每个音频设备信号输入可以不同，例如，以产生相互关系的立体图像从而提供背景音乐；或者对于两个音频设备是相同的。
音频设备可包括小型内置的麦克风，例如，免提电话。在使用中，麦克风可位于使用者的嘴附近用于较好地进行双向通信。音频设备可包含内置小型接收器，例如用于与方便地位于使用者的口袋中或被夹到外套的翻领的本地信号源例如CD播放器或电话机进行无线连接，或者无线连接到用于广播发射的远端信号源。另外，音频设备可包括有线连接到本地信号源。
音频设备可结合集成放大器、电压变换器和/或电源。还可结合电子设备，例如，蓝牙电子设备。另外，这些元件可结合到眼镜的镜腿上，在所述眼镜的镜腿上将连接所述音频设备。
换能器可由壳体完全或部分地包封。所述壳体可由相对软的材料例如橡胶、硅树脂或聚亚安酯做成。另外，壳体可以是刚性材料，例如金属(例如，铝或钢)、硬塑料(例如，有机玻璃(perspex)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或者玻璃纤维增强塑料从而为换能器提供额外的保护，特别是在处理的过程中。
壳体材料还可是非导电的、非引起过敏的和/或耐水或防水的。所述音频设备优选通过使用完全包围换能器的防水壳体当湿的时候也保持性能。所述材料优选对换能器的性能具有最小的影响，即，不会约束换能器的运动。壳体可提供一些防护，例如较小的震动和特别是湿的环境。这样，所述设备机械特性稳定并且特别适合于运动和休闲场合，例如作运动项目的裁判，在此需要使用者跑动。所述壳体可被模制、浇注或压制。
该设备的主要优点是能够允许使用者聆听背景中的声音或音乐，同时通过未被挡住的耳道听到它们周围的声音。因此，音频设备可用于以下所有场合中，即自然和未受到妨碍的听力必须得以保持，例如对于经个人耳机正在收听节目的步行者和骑自行车者，提高安全性。这种感觉类似于当能够切换收听不同的对话并且能将其他噪音降低到背景值时拥挤的房间。
存在其他有益的心理声学效果，例如，能够听到使用者自己声音的“侧音”。这是用于调节说话的音量等级的反馈。当使用传统的头戴式耳机时，快速听会不舒服，因为没有侧音。根据本发明的音频设备的使用者会能够继续更长时间的对话，不会不适。现代的移动电话没有该侧音，这就是为什么人们趋向于对着听筒大声说话的一个原因。
上述音频设备可用于当使用者需要更高水平的舒适性、方便性、安全可靠性时的许多头戴式耳机的应用中。这些应用的不详尽的列表包括免提式移动电话、虚拟会议、娱乐***例如飞行中和计算机游戏、用于紧急和安全***的通信***、水下作业、消除有源噪声的耳机、耳鸣掩蔽器、呼叫中心以及秘书应用(secretarial application)、家庭影院以及电影院、包括数据和信息界面的增强和共享现实、训练应用、博物馆、豪华古宅(导游)和主题公园以及车载娱乐。音频设备可用来增大部分聋的人具有较差听力的部分的频率范围，而通过其余的频率范围不会妨碍所述部分聋的人的听力。
这种类型的耳机的最广泛应用是作为一种和手机一起使用的免提式设备。本设备特别适合于当通话质量非常好并且能提供重量轻的设计时的应用中。另一通话应用是来自个人导航设备的语音指示。使用者能清楚地听到指示，同时完全意识到它们所处的环境。
根据本发明的另一方面，提供了结合了所述音频设备的眼镜。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参照附图仅通过例子描述本发明的具体实施例，其中：
图1是根据本发明的音频设备的横截面视图；
图2a和2b各自是结合了根据本发明的音频设备的一副眼镜的透视图；
图2c是结合了根据本发明的音频设备的一副军用眼镜的透视图；
图3a到3d表示用于图1的音频设备的换能器的另一安装情况；
图3e是用于图3a到3d的安装情况的力对频率的曲线图；
图4a到4c表示三个可选择的导电安装情况；
图4d是图4a到4c的安装情况下的力对频率的曲线图；
图5是表示用于根据本发明支撑的换能器和自由安装条件下的换能器的力对频率的曲线图。
具体实施方式
图1表示包含换能器12的音频设备，其中所述换能器为整个封闭在壳体内的压电梁式的换能器。所述壳体包含外部刚性壳10以及作为使用者耳廓和换能器之间的界面的弹性层18。填充层20限定外部壳10和弹性层18之间的空间，换能器位于该空间内。
换能器是根据WO01/54450的教导的分布式促动器。换能器12通过两个导电聚合物泡沫块14被简单地支撑在壳体10上，其中每个导电聚合物泡沫块位于换能器12的每端处。将换能器12连接到驱动源的电连接件16被连接到泡沫块14。经由电连接件提供驱动信号以使换能器12产生力。该力来自于从换能器的中心偏移的位置并且经由弹性层18被传送到使用者的耳廓。
弹性层18优选一种聚合物模制件。弹性层的机械阻抗和/或其他特性被选择为以确保耳廓和换能器之间的良好接口。
图2a到2c表示图1的音频设备，其被连接到一副眼镜或一副护目镜。在每个实施例中，当使用者在戴眼镜时，换能器紧邻使用者的耳廓的后表面。换能器经由壳体10在耳廓中激发震动以使其将声音信号传送到使用者的内耳中。
在图2a中，音频设备壳体30包含连接于一副眼镜34的镜腿36的夹子32。在图2b中，音频设备壳体40为具有槽的弹性套管的形式，其中所述槽被配置成以接收眼镜44(例如，太阳镜或普通眼镜)的镜腿42。所述设备通过使槽在镜腿44之上滑动被连接到一副眼镜42。在图2c中，音频设备壳体50包含被配置成以接收护目镜52的头带54的槽。该设备通过使槽沿着头带54滑动被连接到护目镜。音频设备还可以是头盔56的一部分。
图3a到3d表示四个不同的耦合器，其可用来将压电换能器耦接到图1的壳体。在每个图中，换能器包含两个压电陶瓷梁和夹在所述两个梁之间并延伸超过两个梁的长度的中心隔板60。在图3a和图3b中，压电换能器的端部通过固定到由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)做成的刚性泡沫塑料块62得以夹紧。在图3a中，刚性泡沫塑料块62被耦接到中心隔板60的延伸过压电梁的部分，在图3b中，刚性泡沫塑料块62被耦接到下部梁。在图3c和3d中，压电换能器的端部被耦接到形成简单支撑的泡沫块块64。泡沫块64由
的泡沫塑料做成。在图3c中，泡沫块被耦接到中心隔板60的延伸过压电梁的部分，在图3d中，泡沫块64被耦接到下部的陶瓷梁。所有块体的尺寸为2×2×3毫米。
下表表示基频fo和从偏移中心位置得到的阻挡力(blocked force)Fb1。简单支撑的实施例具有最小的基频，且图3d的安装情况提供最大的功率。直接夹紧到下部梁上提供了最差的特性。这些特性还可在图3e中进行对比，其中点划线表示图3a的实施例，虚线表示图3b的实施例，点线表示图3d的实施例，实线表示图3c的实施例。图3d的安装情况是最理想的。
| fo(Hz) | Fb1(mN.V-1) | |
| a)夹紧隔板 | 175 | 19 |
| b)夹紧梁 | 400 | 6 |
| c)隔板泡沫塑料 | 160 | 21 |
| d)梁泡沫塑料 | 160 | 27 |
图4a到4c表示四个不同的导电耦合器，其可用来将压电换能器耦接到图1的壳体。在每个图中，换能器包含两个压电梁和夹在所述两个梁之间并延伸超过两个梁的长度的中心隔板60。在图4a中，中心隔板60被枢转地耦接到由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)做成的刚性泡沫塑料块66。在图4b中，中心隔板60延伸并夹紧到由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)做成的刚性泡沫塑料块68中。Poron泡沫塑料块体70还被耦接到下压电梁的端部。在图4c中，中心隔板60在两端处被耦接到Poron泡沫塑料块体70并且下部压电梁在一端处被耦接到类似的块。在每个实施例中，电连接件，例如，简单的电线，被焊接到块体。然而，可以预期到：导电泡沫块体也适合于在陶瓷梁和中心隔板之间进行连接。
下表表示基频fo和从偏移中心位置得到的阻挡力Fb1。具有两对Poron泡沫块体的图4c的实施例提供了最大力和最小的基频。可以假设：力的增加将转化为所传送的功率的增加以及声压等级的增加。这些性能还在图4d中进行比较，其中实线表示图3d的实施例，虚线表示图4a的实施例，点线表示图4b的实施例，点划线表示图4c的实施例。图4c的安装情况是最理想的。
| fo(Hz) | Fb1(mN.V-1) | |
| 4a)隔板枢转 | 160 | 21 |
| 4b)夹紧隔板+泡沫塑料 | 230 | 19 |
| 4c)泡沫塑料在隔板&梁上 | 160 | 27 |
图5将在两端处自由(Vfr)的分布式换能器的特性和在两端处被安装在Poron块(Fbk)的类似换能器的特性进行了对比。使用Poron块体近似于简单支撑的安装情况。如所示，这种安装条件下的换能器在低频下具有额外的速度模式。
Claims (8)
1.一种音频设备，包括壳体和安装在该壳体中的压电换能器以使在使用中所述换能器紧邻使用者的耳廓的后表面，其中所述壳体形成所述换能器和耳廓之间的界面，由此所述换能器驱动耳廓，由此力从换能器传递到耳廓，由此所述换能器在所述耳廓中激发震动，以使耳廓将来自换能器的声音信号传送到使用者的内耳中，其中，使用者的耳道未被遮挡，其特征在于，所述音频设备包括耦合器，该耦合器将所述换能器耦接到所述壳体，且所述耦合器简单支撑所述换能器，所述耦合器是导电的，并且由弹性体制成。
2.根据权利要求1所述的音频设备，其中所述换能器是分布式换能器。
3.根据权利要求1所述的音频设备，其中所述换能器是矩形的，所述耦合器包含两个块体，每个块体安装在相邻的所述换能器的相对边缘。
4.根据权利要求3所述的音频设备，其中所述块体由聚合物或多孔状泡沫做成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的音频设备，其中所述壳体包含弹性层，该弹性层形成所述换能器和使用者的耳廓之间的界面。
6.根据前述权利要求1-4中任一项所述的音频设备，其中所述换能器包括被夹在两个压电元件之间并且延伸过所述压电元件的端部的中心隔板，所述导电耦合器被耦接到中心隔板的延伸过所述压电元件的部分上。
7.根据前述权利要求1-4中任一项所述的音频设备，其中所述壳体能够安装到眼镜。
8.一种结合了根据前述权利要求中任一项所述的音频设备的眼镜。
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