CN109076290B - 用于生成声波的膜板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生成声波的膜板结构，该膜板结构包括用于生成声波的振动元件和可耦合于振动元件的膜板。膜板具有相对于其长度不同的宽度，其中宽度比长度短。膜板包括由纤维制成的UD层，其中UD层的纤维沿膜板的宽度取向。

Description

用于生成声波的膜板结构
技术领域
本发明涉及用于生成声波的膜板结构以及涉及包括该膜板结构的扬声器。
背景技术
扬声器，特别是用于便携式设备(移动电话)的微型扬声器，以及更特别地是接收器微型扬声器(也称为耳机，负责话音声音传输)，需要薄的元件以减小扬声器的整体尺寸。一般而言，扬声器包括通过线圈或其他振动元件激发的膜片(diaphragm)。
例如在US 2013/0016874 A1中，此功能由膜片12的元件121表示，其保证了高分割频率和低重量。这种元件通常被称为膜板，以区别于通常被称为膜的围绕物(连接区域123)。膜板所需要的特征有：
a.高材料谐振频率——以保证在可听区域内为线性且不存在声学峰值
b.低重量——以减少移动质量，并从而提高声压级和扬声器的效率
c.耐高温——以保证在较高工作温度下相同的机械刚度
材料的谐振频率直接与其长度和宽度以及品质因数成正比，这里被定义为“频率因子”。频率因子定义如下：
Figure BDA0001852332110000011
其中d为膜板材料的总厚度，B为膜板材料的弯曲模量，以及ρ为膜板材料的密度。平方根也是材料的声速。
(微型)扬声器的分割频率取决于由线圈和膜板形成的机械***。一些分割模式部分依赖于线圈机械性能(这里被定义为线圈模式)，另一些仅依赖于膜板性能(这里被定义为板模式)。膜板机械性能对线圈模式也有强烈影响。
在微型扬声器中，由于可用厚度非常小，因此膜板的总厚度通常低于500μm。
对于这种应用，由于可用厚度低，因此为了实现高频率因子，必须利用高机械性能的材料。夹层构造通常代表这种应用的最佳解决方案，因为它们提供了最佳的弯曲模量与重量之比(同样参见“An Introduction to Sandwich Construction”，Zenkert,D.，1995，Engineering Materials Advisory Services Ltd)。
由于这些原因，在微型扬声器应用中，现有技术的实际状况是使用平的(或几乎平的)夹层复合膜板，其中表层是在8μm和20μm之间的铝箔，且芯层是在100μm和400μm之间的非常薄的泡沫层(例如在CN 204707266 U中所公开的)。这种夹层的总重量通常在80g/m2和160g/m2之间波动。
市场在不断寻求在厚度低于500μm且重量小于160g/m2的条件下可以改善频率因子的技术解决方案。
对于一些应用，市场正在寻求非导电材料。
在所有可用材料中，纤维增强复合材料提供了很高的刚度与重量之比。它们的单向(UD)带的特征是在纤维方向上提供极高的刚度，并在垂直方向上提供很低的刚度。为了解决此问题，通常形成多种层(0/90°或30°/30°，等等)的UD带，其具有改善的各向异性(在层的方向上)，但由于只有一种层有助于其UD方向的刚度，所以它在两个方向上的刚度均较低。
表1中的实例。
Figure BDA0001852332110000031
表1
多纤维复合材料因其非常高的声速而在扬声器行业中众所周知作为膜片材料。它们通常的应用是作为简单的多层(0/90°)或作为总厚度大于2mm的夹层构造的表层，类似US5701359A中所表明的构造。
发明内容
本发明的目的可以是为空间要求非常小的扬声器(微型扬声器)提供组件。
该目的可以通过用于生成声波的膜板结构和包括该膜板结构的扬声器以及用于制造根据独立权利要求的主题部分的膜板结构的工艺来解决。
根据本发明的第一方面，提出了包括膜板的膜板结构，其可附着于线圈或用于生成声波的其他振动元件。膜板包括至少一层薄UD(单向)纤维带。在示例性实施方式中，纤维沿膜板几何形状的较短尺寸的方向取向(图2)。
纤维，即纤维带，用于根据本发明的膜板，可以由纤维增强的聚合物基体形成。膜板由塑料作为基体材料制成，特别是热塑性塑料、热固性塑料或弹性体塑料。
根据本发明的示例性实施方式，膜板具有相对于其长度不同的宽度(例如，膜板具有矩形形式)。宽度比长度短。UD层的纤维沿相对于膜板的宽度(方向)有夹角的纤维方向取向，夹角在约-30°和约+30°之间，特别地在约-15°和约+15°之间，更特别地在约5°和约+5°之间。具体来说，纤维方向可以平行于膜板的宽度(方向)。膜板具有相对于其长度不同的宽度，其中宽度比长度短。宽度(方向)定义为膜板的相对边缘之间的最短距离。
在根据本发明的矩形(微型)扬声器中，将薄UD带置换成纤维定向于板的较短(宽度)方向的膜板材料比纤维定向于板的较长(长度)方向的膜板材料具有更高的分割模式。
在模拟和实际测量中两者均表现出了这种效果。
使用沿膜板的较短尺寸的纤维UD带的主要优点是：
·可能创造声速高于铝(最高可高20倍)的膜板材料
·可能创造重量低于160g/m2的低重量板材料
·可能创造以纤维UD带作为表层且总重量低于160g/m2的夹层材料
·与现有技术材料(以铝作为表层的夹层)相比，可能增加微型扬声器的分割频率
·可能减少膜板的厚度和/或重量而获得与现有技术材料(以铝作为表层的夹层)相同的分割频率。
·可能创造非导电高性能的膜板。
这些材料的缺点是它们在UD方向之外的各向异性以及它们的高总质量，这使得它们通常仅适用于低音扬声器或亚低音扬声器。
单向纤维增强的材料不用于普通扬声器中，因为它们的长度和宽度的尺寸相似(大多是圆形)以及它们的尺寸(通常大于30mm)。
在微型扬声器应用中利用多层并不有效，因为通常它们仅在质量超过200g/m2的情况下可用。此外，即使它们可用，但在相同质量下，它们的频率因子也比铝夹层(CIMERAADR120-8H)的频率因子差(参见表2)。
Figure BDA0001852332110000051
表2
微型扬声器的非常重要的特征是其矩形形式，这允许最大限度地利用空间。这种形式也导致了矩形膜板的利用。
根据本发明的又一实施方式，膜板材料通过由薄UD带制成的两个表层和一个芯层构成，构成夹层结构。UD表层均是平行的，并沿板的较短尺寸定向。
薄纤维UD带定义为所包括的面积密度在5g/m2和100g/m2之间的纤维增强塑料带。
根据本发明的又一实施方式，夹层结构的芯层是无孔(例如无尺寸大于1μm的孔)的材料，并在两个表层之间起粘合元件的作用。
根据本发明的又一实施方式，芯层是多孔材料，如泡沫或蜂窝。通常的结构泡沫可以包括聚酯泡沫、聚氨酯泡沫、聚磺酸泡沫、聚氯乙烯泡沫塑料、PMI泡沫等。
根据本发明的又一实施方式，芯层是垂直于表层的纤维UD带方向的纤维UD带。
根据示例性实施方式，板材料具有沿纤维方向测量的高于80℃、特别地高于130℃、更特别地高于180℃的HDT(热变形温度)。
根据示例性实施方式，板材料在高于130℃、高于180℃以及高于220℃的温度下维持其几何尺寸(尺寸变化低于5％)。
根据示例性实施方式，板材料适合作为嵌入成型工艺的嵌入件。
根据示例性实施方式，膜板材料的特征在于具有低于200g/m2、优选地低于160g/m2、更特别地低于120g/m2的面积密度。
根据示例性实施方式，膜板材料的特征在于具有小于500μm的总厚度。
根据示例性实施方式，纤维UD带材料由非导电的材料构成。非导电纤维可以由聚合物纤维诸如LCP(液晶聚合物)、芳族聚酰胺(aramides)、PBO(Zylon纤维)、UHMWPE(超高分子量聚乙烯)和/或陶瓷纤维构成。由纤维增强的塑料可以是热塑性塑料、热固性塑料或弹性体塑料。
根据示例性实施方式，纤维UD带材料由碳基纤维构成。这些纤维可以是高强度、中等模量、高模量、超高模量和沥青纤维(杨氏模量高于600GPa)。
根据示例性实施方式，夹层构造的UD纤维表层的特征在于每个表层的面积密度低于50g/m2、更好地低于40g/m2、最好地低于30g/m2。
根据示例性实施方式，膜板结构在平面内延伸。换句话说，膜板结构具有沿平面延伸的平坦的、不弯曲的形状。
根据示例性实施方式，膜板结构包括弯曲的、波状、或碟形(梯形)状、或圆顶状或圆锥状的结构，并且不是在平面内延伸。
根据示例性实施方式，膜板结构形成物具有的总深度小于堆叠的最大宽度的1/5、特别地1/10、更特别地1/20。
根据示例性实施方式，多层材料可以通过冷层压工艺生产。
根据示例性实施方式，多层材料可以通过热塑性芯在两个表层之间的层压工艺在高于芯层熔点且然后低于表层熔点的温度下产生。
根据示例性实施方式，多层材料可以通过在一个表层上施加树脂，用第二个表层覆盖树脂，然后固化树脂来产生。
需要注意的是，已经参考不同主题描述了本发明的实施方式。特别地，已经参***类型权利要求描述了一些实施方式，而参考方法类型权利要求描述了其他实施方式。然而，本领域技术人员将从上述及下述说明中了解到，除非另有说明，否则除了属于一类主题的特征的任意组合之外，与不同主题相关的特征之间的任意组合，尤其是设备类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任意组合也应当被认为在本申请中得到了公开。
实施例和比较
实施例在表3中示出：
Figure BDA0001852332110000071
以泡沫为芯层以UD纤维带为表层(CIMERA TDR或CDR)的夹层构造明显优于具有铝表层(CIMERA ADR)的夹层构造。
附图说明
本发明的上述方面及其他方面从下文所述的实施方式的实施例中将变得显而易见，并将参考实施方式的实施例进行解释。下文将参考实施方式的实施例更详细地描述本发明，但本发明并不局限于此。
图1示出了包括以铝为表层的膜板结构的扬声器的示意图。
图2示出了包括根据本发明的示例性实施方式的膜板结构的扬声器的线圈和膜板，其中纤维沿板的较短(宽度)尺寸取向。
图3示出了包括根据本发明的示例性实施方式的膜板结构的扬声器的线圈和膜板，其中纤维UD表层沿板的较短(宽度)尺寸取向，且芯层是无孔的。
图4示出了包括根据本发明的示例性实施方式的膜板结构的扬声器的线圈和膜板，其中纤维UD表层沿板的较短(宽度)尺寸取向，且芯层是多孔的。
图5示出了根据本发明的示例性实施方式的膜板结构的弯曲设计。
图6示出了***膜板和线圈的分割模式模拟。
图7示出了说明相对于三种具有不同示例性实施方式的示例性扬声器的各自频率的声压级的图。
具体实施方式
附图中的图示为示意性的。应当注意，在不同的图中，相似或相同的元件提供有相同的附图标记。
图1示出了包括膜板结构的扬声器的示意图。膜板结构包括载体元件104、耦合于载体元件104的线圈105和膜板100。膜板100由载体元件104支撑，使得膜板100被线圈105激发用于生成声波。
膜板结构包括膜板100，其具有第一表层101、第二表层102和***第一表层101和第二表层102之间的芯层103。
线圈105可以通过控制单元(未示出)而电激发。膜板100耦合于线圈105，使得受激发的线圈105也激发膜板100。膜板100在激发态下振动，并从而生成声音。
第一表层101、第二表层102和芯层103形成在平面内延伸的堆叠。换句话说，膜板100具有沿平面延伸的平坦的、不弯曲的形状。更具体地，第一表层101、第二表层102和芯层103沿具有平行的平面法线的各自的平面延伸。在此具体的实施例中，第一表层101和第二表层102是由铝制成的。
图2示出了本发明的示例性实施方式，其中膜板结构包括振动元件105和膜板100，其可耦合于振动元件105用于生成声波。膜板100具有相对于其长度不同的宽度w，其中宽度w比长度短。特别地，宽度w定义为膜板100的相对边缘之间的最短距离。膜板100包括由纤维107制成的UD层，其中UD层的纤维107沿膜板100的宽度w取向(用纤维方向106表示)。纤维也可以沿另一纤维方向106’取向，其相对于膜板100的宽度方向w有夹角α。夹角α可以在-30°和30°之间。
膜板100可以由用塑料或环氧树脂制成的基体组成，其中纤维，特别是单向(UD)纤维107被结合。UD纤维107沿纤维方向106延伸。纤维方向106平行于膜板100的宽度w方向。如从图2可以看出的，膜板100被形成为矩形，其中膜板100具有长度和宽度延伸。纤维107沿与膜板的宽度w方向平行的纤维方向106延伸。
此外，图2中示出了线圈105圆周地围绕膜板100。因此，可以对膜板100进行适当的控制和激发。
图3示出了根据本发明的示例性实施方式的膜结构，其中膜板100以夹层设计形成。板100包括第一表层107a和第二表层107b，其中芯层103***在两表层101、102之间。芯层103的杨氏模量可以低于第一表层101和第二表层102的杨氏模量。第一表层107a、第二表层107b和/或芯层103可以由纤维UD带制成。
图4示出了本发明的另一示例性实施方式，其中膜板100包括根据图3所示的实施方式的夹层设计。此外，芯层103由泡沫材料制成。泡沫材料可以是塑料材料，包括填充有气体诸如空气的孔，其中孔尺寸为例如5μm至300μm(微米)，特别地为10μm至200μm，更特别地为30μm至150μm。
图5示出了膜板结构的示例性实施方式，其中膜板100以夹层设计形成。板100包括第一表层107a和第二表层107b，其中芯层103***在两表层107a和107b之间。特别地，第一表层107a、第二表层107b和芯层103形成具有弯曲的特别是波状的延伸的堆叠。换句话说，膜板结构100包括弯曲的、波状的结构，并且不在平面内延伸。
图6示出了模拟中使用的膜板100的模拟，其具有根据本发明的夹层设计，以UD芳族聚酰胺纤维作为表层107a、107b，沿膜板(S1)的较长(长度)尺寸取向并沿膜板(S2)的较短尺寸(宽度w)取向。很容易理解的是，第一模式即谐振频率在S1中要比在S2中更早发生，显示了使纤维沿膜板100的较短尺寸取向的有益效果。
图7示出了说明相对于三种示例性扬声器的各自频率的声压级(SPL)的图。在图7所示的实施例中，使用了用于标准11mm×15mm(毫米)微型扬声器的三种材料。所有材料均具有220μm(微米)的总厚度，以适当地比较频率响应。示例性材料的示例性值如下表4所示：
Figure BDA0001852332110000101
Figure BDA0001852332110000111
*在纤维方向上测量的
表4
线703指示由CIMERA AXR220-12H(AXR)材料制成的常规的扬声器，其中扬声器包括具有12μm(微米)的铝表层的夹层材料。
线701指示根据本发明由CIMERA TDR220-30Y(TDR)材料制成的扬声器，其中扬声器包括具有根据本发明的示例性实施方式的30μm(微米)芳族聚酰胺UD(单向)表层的夹层材料。
线702指示根据本发明由CIMERA CER220-20H(CER)制成的扬声器，其中扬声器包括具有根据本发明的示例性实施方式的20μm(微米)HM(高模量)碳UD(单向)表层的夹层材料。
从上面的表4可以得出三种材料的机械性能的比较。如从图7中所示的线701、702可以看出的，线701的TDR(CIMERA TDR220-30Y)和线703的AXR(CIMERA AXR220-12H)表现出非常相似的机械和声学行为，优势是TDR是非导电材料。相反，与线703的AXR相比，线702的CER(CIMERA CER220-20H)在所有参数下均表现更好，具有更高的分割频率和更低的质量。
应当注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，且“一种”或“一个”不排除复数。还可以将结合不同实施方式所述的元素组合。还应注意的是，权利要求中的附图标记不应解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表：
100 膜板
101 第一表层
102 第二表层
103 芯层
104 载体元件、膜或围绕物
105 线圈/振动元件
106 纤维方向
107 纤维/一个或多个UD纤维增强带层
107a (顶部)表层层
107b (底部)表层层
701 TDR的代表线
702 CER的代表线
703 AXR的代表线
w 宽度
α 夹角

Claims (25)

1.用于生成声波的膜板结构，所述膜板结构包括：
振动元件(105)，
膜板(100)，其可耦合于用于生成声波的所述振动元件(105)，所述膜板(100)包括两个表层(101、102、107a、107b)和芯层，所述两个表层(101、102、107a、107b)包括由纤维(107)制成的至少一种UD层，所述芯层被***所述两个表层(101、102、107a、107b)之间，
其中，所述膜板(100)具有相对于所述膜板(100)的长度不同的宽度(w)，
其中，所述两个表层(101、102、107a、107b)的所述至少一种UD层的所述纤维(107)的纤维方向平行于所述膜板(100)的宽度(w)的宽度方向。
2.根据权利要求1所述的膜板结构，
其中所述宽度(w)比所述长度短。
3.根据权利要求1所述的膜板结构，
其中，所述膜板(100)由至少三个层的堆叠构成，
其中芯层(103)夹在相对的两个表层(101、102)之间，
其中所述表层(107a、107b)为附着于所述芯层(103)的平行的单向纤维增强塑料层，其中所述堆叠构成夹层构造。
4.根据权利要求3所述的膜板结构，其中，所述夹层结构的所述芯层(103)是无孔的材料，并在所述两个表层之间起粘合元件的作用。
5.根据权利要求3所述的膜板结构，其中，所述夹层结构的所述芯层是多孔材料。
6.根据权利要求3所述的膜板结构，其中，所述芯层(103)是垂直于所述表层(107a、107b)的所述纤维UD带方向的纤维UD带。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述膜板(100)由纤维增强塑料制成，
其中所述膜板由热塑性塑料、热固性塑料或弹性体塑料作为基体材料制成。
8.根据权利要求1所述的膜板结构，
其中，热变形温度高于180℃。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述膜板结构在高于130℃的温度下维持其几何尺寸。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述膜板结构在高于180℃维持其几何尺寸。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述膜板结构在高于220℃维持其几何尺寸。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其特征在于，具有低于200g/m2的面积密度。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其特征在于，具有小于500μm的总厚度。
14.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述纤维UD带材料由非导电的材料构成。
15.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述纤维UD带材料由碳基纤维构成。
16.根据权利要求3至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述夹层构造的所述UD纤维表层的特征在于每个表层的面积密度低于50g/m2。
17.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述结构形成沿平面延伸的平坦的、不弯曲的形状。
18.根据权利要求1至6中任一项所述的膜板结构，其中，所述结构形成具有弯曲延伸的堆叠。
19.根据权利要求18所述的膜板结构，其中，所述结构形成物具有的总深度小于所述堆叠的最大宽度(w)的1/5。
20.一种微型扬声器，包括权利要求1至19中任一项的膜板结构。
21.根据权利要求20所述的微型扬声器，具有矩形几何形状。
22.生产根据权利要求1至19中任一项所述的膜板结构的方法。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述两个表层和所述芯层(103)通过环境温度层压步骤连接。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述两个表层和所述芯层(103)通过温层压步骤连接。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述膜板结构(100)由复合材料制成，其通过将树脂作为芯层(103)置于在所述两个表层中的第一表层(107a)上，用所述两个表层中的第二表层(107b)覆盖所述树脂并固化所述树脂来产生。
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