CN110830893A - 一种透明式屏幕定向超声波扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种透明式屏幕定向超声波扬声器，包括基板、辐射层；基板包括依次层叠设置的空腔层、黏合层、基底层，基底层顶面黏合连接辐射层，基底层底面通过黏合层黏合连接空腔层顶面，空腔层顶面阵列设置有空腔，空腔内设置有超声波换能器单元，相邻超声波换能器单元距离＜声波半波长；辐射层包括依次层叠设置的电极层、压电材料层、极化材料层。本发明具备声频定向功能，可保证个人设备的隐私性和公众设备之间的互不干扰。具备屏幕发声、高指向性、声压大、失真小、稳定性好、面积利用率大、构造简单和易制造等特点。

Description

一种透明式屏幕定向超声波扬声器

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，尤其涉及一种透明式屏幕定向超声波扬声器。

背景技术

随着光电显示技术的快速发展，多媒体视听设备，特别是手机，正朝着全面屏方向发展。国内外各大厂商为了在屏幕上做到100％的极致，都在不遗余力的进步，出现了包括水滴屏、挖孔屏、极点屏、滑盖屏等各种设计。然而，此类设备的音响***仍以传统内置式扬声器为主，加大屏占比的全面屏设计留给音箱的空间大大缩小，使得喇叭声音反射、缓冲次数随之变少，进而导致音质变差。虽然，分体式音箱技术可以暂时解决这些轻薄化多媒体设备的音质问题，但便携式要求、连线等新问题随之而来。

与传统的内置扬声器相比，屏幕声场作为一种表面音频技术，为多媒体视听设备音响提供了新的解决方案，它直接利用屏幕振动发声，屏幕身兼显示器和扬声器的双重功效，无需再外置扬声器。

作为传统扬声器，其主要特点是：1)基于一种线性模型，及空气介质吸收的能量与产生的声波呈线性关系；2)发散式传播，不具有指向性的特点；3)扬声器直接向空气中辐射可听声。因此，传统扬声器在工作时必须维持空气介质的线性传播关系。总体来说就是，扬声器向空气中辐射的声能必须在空气分子所能维持线性传播的范围内，反之当扬声器辐射的声能超过了空气分子满足线性传播要求时，就会产生严重的声音扭曲现象。

随着社会不断的进步和消费者需求不断提高，针对个人设备的隐私性要求和公众设备之间相互的干扰，越来越多的场合需要使用一种具有高指向性的扬声器。与传统扬声器相比，超声波扬声器工作的机理完全不同。它是一种非线性的、间接性的，能够产生具有高指向性可听声的装置。超声波扬声器向空气中发射经过在前处理中调制后的不同频率的超声波，由于超声波在空气中非线性传播的交互式自解调，从而产生可听声并以高指向性传播给接收听者。其工作原理为：信号源所发出信号通过前处理对其调制后送出两列不同频率f1、f2的有限振幅超声波，经过超声波扬声器将其辐射到空气并沿同一方向传播，两基波的非线***互作用可以产生两个不同的分量，即两频率之差(f1-f2)和两频率之和(f1+f2)产生谐波；进入空气之后，由于高次谐波振幅小、衰减与频率成正比，使得高次谐波比差频分量信号衰减得快，所以经过一小段距离的传输后，只有差频分量的低频可听信号仍然存在，形成可听声。具体信号转换过程为：信号经过前处理后进入扬声器，在扬声器阵列中，由于扬声器辐射材料振动向空气中产生超声波，在空气中自解调产生高指向性的可听声。

目前，将屏幕声场与超声换能器相结合的透明式屏幕定向扬声器正在研制中。屏幕自身振动作为扬声器，节约了传统扬声器的共振腔空间，同时定向传播特性满足了个人电子设备的隐私性要求和公众设备的互不干扰性要求。但是，上述透明式屏幕定向扬声器存在如下缺点：1)该种扬声器发声主要依靠辐射材料振动推动空腔中空气振动发声，要长时间维持辐射材料的弹性和结构的稳定性，其共振频率也会因此发生明显变化，导致前处理中的放大器谐振频率与扬声器频率不匹配而影响扬声器的声压输出；2)该种扬声器的换能器阵列之间均存在间隙，而声压与声源面积成正比，间隙的存在使得透明式屏幕定向超声波扬声器的有效使用面积减少，声源数相对减少，声压相对降低。

发明内容

本发明旨在提供一种透明式屏幕定向超声波扬声器，将声频定向扬声器与屏幕相结合，为全面屏的实现提供了实现可能，并且具备声频定向功能，可保证个人设备的隐私性和公众设备之间的互不干扰。具备屏幕发声、高指向性、声压大、失真小、稳定性好、面积利用率大、构造简单和易制造等特点。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开一种透明式屏幕定向超声波扬声器，包括基板、辐射层；基板包括依次层叠设置的空腔层、黏合层、基底层，基底层顶面黏合连接辐射层，基底层底面通过黏合层黏合连接空腔层顶面，空腔层顶面阵列设置有空腔，空腔内设置有超声波换能器单元，相邻超声波换能器单元距离＜声波半波长；辐射层包括依次层叠设置的电极层、压电材料层、极化材料层，

其中相邻超声波换能器单元为圆形，相邻超声波换能器单元距离是指两个圆形边缘之间的距离；

不同频率的声音半波长不一样的，不是定值，λ＝1/2*343/f，λ为声音半波长，f为声音频率，不同发生区域的λ依照上述公式计算。

优选的，空腔为空腔层顶面通过刻蚀形成的盲孔或者通孔。

优选的，电极层、压电材料层、极化材料层、基底层、黏合层、空腔层依次层叠贴合连接，电极层、压电材料层、极化材料层、基底层、黏合层、空腔层尺寸相同。

优选的，辐射层为超声波薄膜材料。

优选的，辐射层为压电透明聚合物薄膜材料。

本发明的有益效果：

1、本发明的透明式屏幕定向超声波扬声器为屏幕本身作为发声器件，不需再外置扬声器，为无边框全面屏的实现中扬声器隐藏提供了根本的解决方案。

2、本发明扬声器为全透明式，与屏幕相结合完全不会对画质的呈现造成影响。

3、本发明采用的声频定向技术方案是整面布置辐射材料，通过空腔层所刻蚀的空腔分割阵元，与采用若干个完全独立的扬声器阵列相比，各个阵列的振动一直想更好，指向性更好，接线更简单，对声波的可控性增强。

4、本发明的透明式屏幕定向超声波扬声器结构简单，制造容易，成本低。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的结构示意图。

图中：1-基板、2-辐射层、3-空腔层、4-黏合层、5-基底层、6-极化材料层、7-压电材料层、8-电极层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明透明式屏幕定向超声波扬声器，包括基板1和辐射层2两部分，基板1与辐射层2组成发声屏幕，基板1包括空腔层3、黏合层4、基底层5；基底层5与发声屏幕等大，基底层5上表面与辐射层2紧贴连接在一起，基底层5下表面通过黏合层4与空腔层3相连，基底层5厚度根据辐射层2厚度与空腔大小可作调整，以不影响辐射层2振动厚度为厚度上限；辐射层2与基板1形成谐振腔；空腔层3上表面与黏合层4紧贴连接，空腔层3在接触面处以一定尺寸深度刻蚀形成的盲孔或通孔作为空腔；辐射层2为一种超声薄膜材料，至少包含三层结构：压电材料层7、电极层8和极化材料层6；基板1和辐射层2各层之间贴合，空腔层3所刻蚀空腔位置以上贴合的材料可视为独立的超声波换能器阵列单元。

从空腔层3与黏合层4的接触面处以一定深度在空腔层3上所刻蚀的空腔可为盲孔，也可以是通孔。基板1和辐射层2两部分之间以及这两部分的各组成层之间均为紧贴连接。基底层5和空腔层3的厚度可以根据辐射层2的厚度与刻蚀的空腔大小进行调整。

辐射层2为一种超声波薄膜材料，超声波薄膜材料是压电透明聚合物薄膜材料。

上述方案中，基板1是整个装置的支撑件；空腔与辐射层2形成谐振腔；基底层5是沉积辐射层2，并使辐射层2成形的装置；辐射层2是产生超声波的一种材料，当辐射层2上下电极加电，辐射层2将输入的电信号转换为机械振动，从而产生超声波，超声波经过非线性传播和交互式自解调后产生低频可听声信号。基底层5和空腔层3的厚度根据辐射层2的厚度与刻蚀的空腔大小进行调整，不同的辐射层2厚度会引起整个装置质量的变化，空腔的大小等于个阵元的大小，辐射层2厚度影响装置振动的固有频率，空腔的大小影响整个扬声器的声压级大小，两者均可通过基底层5和空腔层3厚度调整到满足要求的范围内，所以基底层5和空腔层3需根据实际采用的辐射层2的厚度和空腔大小做调整。

一种常见的结构和参数为：以厚度为9um的PVDF层为压电层，在PVDF顶部贴合0.07um ITO电极作为上电极，以厚度为0.22um的Mo作为PVDF层的下电极，在PVDF膜与Mo膜之间在工艺过程中采用了现代薄膜偏振***的积法制备0.5um SiNx薄膜。整个结构贴合在20um的PI基板上，从而使结构固定，170um玻璃层在上述所有层的下方形成通孔，并通过10um的OCA层粘接而成。与Mo电极半径0.7um相同的圆形阵列元件有54个，相邻元件间距为1mm边缘距离，阵列水平居中，距顶边3.5um

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种透明式屏幕定向超声波扬声器，其特征在于：包括基板(1)、辐射层(2)；

基板(1)包括依次层叠设置的空腔层(3)、黏合层(4)、基底层(5)，基底层(5)顶面黏合连接辐射层(2)，基底层(5)底面通过黏合层(4)黏合连接空腔层(3)顶面，空腔层(3)顶面阵列设置有空腔，空腔内设置有超声波换能器单元，相邻超声波换能器单元距离＜声波半波长；

辐射层(2)包括依次层叠设置的电极层(8)、压电材料层(7)、极化材料层(6)。

2.根据权利要求1的透明式屏幕定向超声波扬声器，其特征在于：空腔为空腔层(3)顶面通过刻蚀形成的盲孔或者通孔。

3.根据权利要求1的透明式屏幕定向超声波扬声器，其特征在于：电极层(8)、压电材料层(7)、极化材料层(6)、基底层(5)、黏合层(4)、空腔层(3)依次层叠贴合连接，电极层(8)、压电材料层(7)、极化材料层(6)、基底层(5)、黏合层(4)、空腔层(3)尺寸相同。

4.根据权利要求1的透明式屏幕定向超声波扬声器，其特征在于：辐射层(2)为超声波薄膜材料。

5.根据权利要求4的透明式屏幕定向超声波扬声器，其特征在于：辐射层(2)为压电透明聚合物薄膜材料。

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