CN103959822A - 平板扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低频声音重放装置，其包括膜组件、设为驱动膜的活塞和置于膜与活塞之间的粘结层。粘结层将膜粘结至活塞，膜的弹性模量小于3千兆帕(GPa)，以及活塞的弹性模量大于15千兆帕(GPa)。

Description

平板扬声器

优先权

本申请要求申请号为61,565,762、于2011年12月1日提交的美国临时申请的优先权，其内容于本文中公开，以供参考。

背景技术

1.技术领域

本发明涉及一种平板膜扬声器，特别是一种具有膜的平板扬声器，该膜可优化低频声音重放。

2.相关背景描述

平板扬声器，在此简称扬声器，用于重放各种形式保存的低频，即20-200赫兹(Hz)。然而，传统扬声器审美上不为室内设计所接受，或者缺少真正的机械活塞式动作，在该动作中驱动活塞前的所有点的位移都相同，这是高品质声音重放所必需的。用于扬声器中提供高品质声音重放的传统膜形状也受限制。另外，这种扬声器的膜不能涂漆，并且通常由于安装在墙内或天花板内的架子之后而被隐藏。

申请人为贝塔尼(Bertagni)的美国专利US3,767,005公开了一种平板扬声器，其提供加强的低频声音重放。Bertagni通过使用厚且相对软的振膜，即膜，来阻隔高频，该振膜具有递减的厚度，为振膜运动提供必要的弹性。然而，由于声音重放的低失真度的需要，振膜的非对称性使得运动组件的重心和弹性中心难以平衡和定位。另外，应力高度集中在Bertagni扬声器的膜运动周边，严重限制了该设备的线性度，并降低了最大声压级。Bertagni的扬声器还包含凸出的中央活塞，隐藏该活塞是不切实际的，并且其妨碍了在完全平坦的表面处安装使用。

申请人为Bertagni等的美国专利US5,425,107公开了一种基本板式振膜，其由预扩展的泡沫塑料材料构成，如聚苯乙烯，其中该振膜的分隔部分的密度不同。高密度部分设计为重放高频，低密度部分用于重放低频。Bertagni等人的振膜由一对振膜元件层压在一起形成，这对振膜元件具有不同的密度以确定单独的发音区域，单独的音圈组件连接至该发音区域，或由单个一体化结构形成，该结构具有分隔但连续的发音区域，各发音区域具有各自的密度材料和音圈组件，用于重放特定频率范围的声音。然而，高密度部分未公开其刚度，并且缺少真正的活塞式动作，这是有效重放低频所必需的。

其他低频扬声器的平板振膜使用弹性边缘或围绕物，通常由丁基橡胶、压缩泡沫或类似材料制成，这不适用于隐藏的应用场合。这些扬声器具有平面刚性振膜和具有拱形外形的橡胶围绕物，类似于传统扬声器，但是其具有以下缺点：高制造成本和复杂度，以及圆形的环绕横截面。这些扬声器不适用于隐藏的应用场合或者振膜必需涂漆以匹配室内装饰的应用场合。这种扬声器膜的实例由申请人为马苏达(Matsuda)等的美国专利US4,198,550、申请人为卡蒙(Kamon)等的美国专利US4,291,205、以及申请人为古恩瑟(Guenther)等的美国专利US5,701,359提供。

申请人为阿兹玛(Azima)等的美国专利US6,904,154公开了一种扬声器，该扬声器包括膜，该膜横向扩展其厚度，并且能够在该膜的横向扩展的听觉有效区域上保持弯曲波。该元件具有共振模式的分布，并提供几何结构和各向的弯曲刚度。Azima等人依靠分布模式的原理，其中本征模式，即标准或固有振动模式，通过将音圈偏心设置，并且选用辐射面板最适合的形状和纵横比来控制。Azima等人的扬声器设计用于中高音频，但是不适用于宽阔的、均衡且不失真的低频重放。

传统***不能提供这样一种扬声器，其能够隐藏在石膏板、灰泥或石棉水泥板形成的墙内，并能够提供一种统一的外膜，该外膜与平面墙等高，由于需要与房间室内设计无缝结合，还具有可涂漆膜，同时还要克服传统隐藏式扬声器的声波挑战。

发明内容

本发明克服了上述传统低频扬声器的设计缺点，并提供了一种具有单独外膜的扬声器，该外膜尺寸为匹配周围的墙体结构，该单独外膜可涂漆，使得安装的扬声器有效隐蔽。

在一实施例中，提供了低频声音重放装置，其包括膜组件、设为一致驱动膜的活塞以及置于膜与活塞之间的粘结层。该粘结层将膜粘结至活塞，膜具有小于3千兆帕(GPa)的弹性模量，以及活塞具有大于15千兆帕(GPa)的弹性模量。

附图说明

本发明的特定示范性实施例中上述以及其他的物体、特征以及优点将会在下文的详细说明，结合附图更直观地描述，其中：

图1是本发明的圆形扬声器膜组件的后端透视图；

图2提供了图1的扬声器膜组件的***图；

图3是图1至图2中扬声器膜组件的透视图，并图示了用于连接音圈的凹槽；

图4是根据本发明另一实施例的方形扬声器膜组件的后端透视图；

图5是本发明的方形扬声器膜组件的另一实施例的后端透视图；

图6是图5的扬声器膜组件的前端透视图，并图示了支承结构；

图7是图5的扬声器膜组件的后端透视图，进一步图示了支承结构的详细情况；

图8是图6的扬声器膜组件的详细情况的后端透视图，并图示了音圈；

图9-A至9-M是图1的圆形扬声器的表面质点速度计算结果，频率范围为20至475赫兹(Hz)；

图10是膜组件中心点的速度-频率图，其共振频率为36赫兹(Hz)；

图11-A至11-L是图4的方形扬声器的表面质点速度计算结果，频率范围为20至250赫兹(Hz)；

图12-A至12-L是本发明另一实施例的矩形扬声器的表面质点速度计算结果，频率范围为20至250赫兹(Hz)；

图13是图6至图8的扬声器的大气阻抗的曲线图，其基本共振频率集中在大约31赫兹(Hz)，以及可忽略的非活塞式模式；以及

图14是传统平板扬声器膜组件的特性曲线图，并图示了由非期望的振动模式引起的多个大幅度阻抗波峰。

具体实施方式

下文中，将会参考附图给出本发明的优选实施例的详细说明。在本发明的描述中，为清晰理解本发明的发明构思，省略了本技术领域中已知的相关功能和构造的解释，否则可能会将本发明与不必要的细节混淆。

以下给出的是本发明的平板式声音辐射膜的详细说明，该膜由具有不同的预设刚度的材料形成。

图1是本发明的圆形扬声器膜组件的后端透视图，其图示了膜1，优选由塑性材料构成，通常为聚氯乙烯(PVC)、ABS塑料、聚碳酸酯或聚丙烯构成的塑料层或薄膜。其他材料，如纤维板、泡沫板和树脂层压板，也可用于膜1，只要膜材料的弹性模量小于3千兆帕(GPa)，其内损失与扬声器的期望机械品质因子Q(Qms)匹配。

如图6至图7所示，膜1由完全平坦的前表面、用于连接至支承结构12框架的边缘构成。膜1的前表面完全平坦，即没有任何凸起，并为重放低频和中低频进行优化。

活塞4通过粘结层3，优选形成为单独层，固定在扬声器膜组件的后端，图2示出了其***图。活塞4是由材料如纤维玻璃、碳纤维或酚醛层压体、陶瓷、铝或其他金属，轻质蜂巢或其他刚性蜂巢板，或者具有刚性表层以及更软的、低密度内芯的多层材料构成的固体，这取决于特定应用场合及与期望共振频率对应的主体。用于构成活塞4的材料的刚度必须比膜1的材料的刚度至少高10倍，活塞4的弹性模量(E)大于15千兆帕(GPa)。

图3是图1至图2的扬声器膜组件的透视图，其图示了用于连接传统音圈的凹槽5，优选将音圈的顶边固定至凹槽。图4阐明了本发明的方形扬声器膜组件，其中提供的方形扬声器的膜1也具有完全平坦的前表面，该前表面上没有任何的凸起。图4图示的透视图是其后端透视图，其图示了活塞4的四个圆角8的其中之一，以减轻在高声压级应用下的膜使用期间的角张力。圆角8设置在四边形活塞的每个顶点上，半径为活塞最长边长度的10％至25％。如图5所示，其提供了本发明的方形扬声器的另一实施例的透视图，同样的效果可通过直边倒角19实现，普遍制造成本更低。直边倒角19设置在四边形活塞的每个顶点上，斜边为活塞最长边长度的10％至25％。

图6和图7分别是图5的扬声器膜组件的前端和后端透视图，其图示了支承结构12和将磁圈14固定至驱动活塞4的桥接器13，这在扬声器构造中是常规已知的。

图8图示了图6的扬声器膜组件的后端透视图底部的详细情况，并图示了音圈连接环6。矩形膜组件的设计遵循上述圆形和方形版本的原则，音圈16连接至活塞4，粘结层3置于膜1与活塞4之间。在图8的实施例中，音圈连接环6是活塞4的一部分，将音圈16居中并连接至活塞4。

图9-A至9-M图示了对图1实施例的圆形扬声器构件作有限元分析的表面质点速度计算结果，该构件为12英寸直径、膜由PVC片制成，其具有厚度1/16英寸的均匀厚度，并具有5毫米厚的由铝蜂窝构成的刚性活塞，其具有8英寸的外直径，位于膜1的中心。膜1的边缘由支承结构的连接件限制，以及由2英寸直径的音圈施加0.1牛的正弦驱动力，集中在蜂窝式活塞上。

对于有限元分析，是在标准1/3倍频程的ISO频率下运行得出的，其中图9-A提供了在20赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-B提供了在25赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-C提供了在31.5赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-D提供了在40赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-E提供了在50赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-F提供了在63赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-G提供了在80赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-H提供了在100赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-I提供了在125赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-J提供了在160赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-K提供了在200赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-L提供了在250赫兹(Hz)分析导出的结果，图9-M提供了在475赫兹(Hz)分析导出的结果，以上均为第二标准模式，而第一标准模式为扬声器的基频谐振。图9-A至9-M的分析在12英寸直径的平板式圆形膜、在标准1/3倍频程ISO频率、频率范围20赫兹(Hz)至475赫兹(Hz)下分析出的。

有限元分析确定了用于精确重放低音频的平板式膜和附于其上的刚性活塞的适用性，并确证类似的性能可以由不同形式的膜提供，包括方形和矩形膜的四边形膜，对此需要使用四边形的活塞。有限元分析图示了完全排除非期望的异相模式，该异相模式反过来会引起严重的频率响应异常，只具有可忽略的活塞振动和变形，这可通过增加活塞厚度来进一步减小。图9-M图示了处于475赫兹(Hz)下的第二标准模式，大大超过最高响应频率，这确保了宽阔的低频覆盖范围。

图10是振膜组件中心点的速度-频率曲线图，该振膜组件中心点与上述图9-A至9-M的膜组件的共振频率为36赫兹。即，图10图示了根据频率的膜的中心点的速度，以及固有共振频率36赫兹包括音圈质量，不计相关的阻尼。

图11-A至图11-L提供了图4的方形扬声器的表面质点速度计算结果，在标准1/3倍频程ISO频率、频率范围为20至250赫兹(Hz)下进行，从而确定了对于1英尺侧边的方形膜和8英寸×8英寸蜂窝式活塞，其中方形膜和活塞各自具有类似上述的材料，具有如上所述的类似动作，除了图11-D至图11-K中可见的圆角8以外，其确定了带有活塞连接件的平板式方形膜的适用性，该平板式方形膜用于有效重放低音频。

图12-A至图12-L提供了根据图6至图8的实施例的矩形扬声器的表面质点速度计算使用有限元分析得出的结果，频率范围为20至250赫兹(Hz)，这表明了矩形和其他四边形扬声器在低频应用的适用性，并图示了更窄的活塞波段，其具有更大的表面积和更高的敏感度的优点。此实施例中的膜由1.6毫米厚的PVC片构成，振膜1的总尺寸为353毫米×435毫米，以及活塞为160毫米×242毫米。膜1和组件连接至刚性铝架，并由直径为2英寸的传统四层音圈驱动。由FR4级纤维玻璃层压板制成的3毫米厚的活塞通过双面软橡胶粘结层粘结至膜上。

图13是曲线图，示出了图6至图8的矩形扬声器的大气(free-air)阻抗，其基本共振频率集中在大约31赫兹(Hz)，以及可忽略的非活塞模式，即具有可忽略的、非期望的共振，该共振可通过位于图13底部的轨迹线上在180赫兹(Hz)以及305赫兹(Hz)处的低振幅波来识别，其图示了完成的扬声器的阻抗量级，该阻抗曲线用于检测非期望共振的存在，非期望共振表现为波，并且在本发明中可忽略。在图13中，Mkr1表示30.76赫兹(Hz)共振频率，以及顶部曲线图示了阻抗的变化。

图13图示了在大约31赫兹(Hz)的基础共振频率之上波峰的可忽略幅度，阻抗曲线的总体形状紧密匹配传统的扬声器，由此确定传统扬声器设计理论用于使用本发明的膜和活塞的低频扬声器的可应用性。

图9至图13所示的分析结果指出，本发明的膜上的各点以同一方向移动，并且对于响应范围内的频率，即，低音频，具有实质相同的速度。相反地，传统的平板式扬声器膜缺少真正的活塞式动作，以展示各个频率，在这些频率下，膜的特定部分向外移动同时其他部分向内移动。如图14所示的音圈阻抗图表，这种异相动作引起严重的、非期望的声压级输出减产。

本发明普遍涉及声学、声音重放***，以及更特别涉及为重放音频频谱内最低频率而进行优化的变频器。应用对象包括，但不仅限于高保真、隐藏式扬声器、家庭影院、背景音乐、公共广播、电脑、电子游戏、耳机、扩音和寻呼。

本发明参考其特定示范性实施例进行图示和描述，可被本领域技术人员所理解，可在不偏离本发明权利要求及其等同特征所定义的精神和范围内，对本发明进行形式和细节上的更改。

Claims (16)

1.一种低频声音重放装置，包括：

声音辐射膜；

用于驱动所述声音辐射膜的活塞；以及

粘结层，所述粘结层置于所述声音辐射膜和所述活塞之间，用于将所述声音辐射膜粘结至所述活塞。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声音辐射膜的弹性模量小于3千兆帕。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述活塞的弹性模量大于15千兆帕。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述声音辐射膜在所述活塞上注模成型。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述声音辐射膜的形状为平坦的圆形。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述活塞的一端为圆形，以驱动所述声音辐射膜。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述声音辐射膜的形状为平坦的四边形。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述活塞的一端为四边形，以驱动所述声音辐射膜。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，四边形活塞的各个顶点为圆角，所述圆角的半径为所述活塞的最长边长度的10％至25％。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，四边形活塞的各个顶点包括直边倒角，所述直边倒角具有斜边，所述斜边的长度为所述活塞的最长边长度的10％至25％。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述粘结层具有设置为机械式过滤高频的弹性。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述活塞的刚度至少比所述声音辐射膜的刚度高10倍。

13.一种低频声音重放的方法，所述方法包括：

通过活塞驱动声音辐射膜，

其特征在于，在所述声音辐射膜与所述活塞之间设置粘结层，并且其中所述粘结层设为将所述声音辐射膜粘结至所述活塞。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述声音辐射膜的弹性模量小于3千兆帕。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述活塞的弹性模量大于15千兆帕。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述声音辐射膜在所述活塞上注模成型。