CN1977564A - 包括多个同轴布置的振动膜的声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声换能器，包括一个或多个电磁电机，其驱动多个振动膜的一组或多组以提供声音效果良好的扬声器***，该***允许具有常规扬声器很困难实现或不可能实现的尺寸。所述振动膜可以直接、惯性或流体驱动。如果振动膜由经过振动膜中的孔的杆驱动，通过贯穿孔泄漏的空气形成噪声。这种噪声可以通过减小或消除空气泄漏得以减小或消除。

Description

包括多个同轴布置的振动膜的声换能器

技术领域

本发明涉及声频***和声学领域，更具体地涉及提供一种用在将电信号转换为声辐射的声换能器上的改进的波形因数。

背景技术

已经广泛了解了可动线圈式电动扬声器的一般原理。换能器具有产生声音这一性能的核心是容积排量的思想。具有单个振动膜的换能器的容积排量等于振动膜的有效表面面积乘以该振动膜的偏移量。换能器的容积排量越大，其产生声音的潜能越大。特别需要在低频下产生大容积排量。用于在换能器中获得更大容积排量的传统方法是提高振动膜的表面面积、提高振动膜的偏移量、或提高二者。

被用于产生有效低频能量的传统换能器包括具有较大表面面积的单个振动膜并采用电机和壳体提供足够的振动膜偏移。这导致要求扬声器振动膜具有一定的最小尺寸，这又对扬声器外壳的最小尺寸提出强制要求。在例如平板电视和计算机监视器的应用中采用具有良好低频响应的传统换能器是非常困难的。在这些应用中，目前的解决办法是采用单独的亚低音扬声器音箱复制低频声音，从而导致成本增加并带来不便。在通常应用在行李箱上或座位下面的汽车音响***中存在同样的问题，设计者努力寻找一个将亚低音扬声器隐藏在汽车上的地方。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在传统换能器难以圆满解决的应用中、在高声压级下复制高保真度的低频声音的声换能器。

根据本发明的一方面，声换能器的发声表面区域以波形因数穿过多个振动膜分布，该波形因数更适于应用在例如平板电视和计算机监视器以及汽车音响***上。这些振动膜可以被分成一组或多组，每组的振动膜通过该组中将所有振动膜连接的至少一个电机同步驱动。可以采用能够将电音频信号转换成运动的任何电机驱动一组中的振动膜。例如，可以采用由移动音圈和非移动磁铁组成的电机。

在此描述的声换能器的具体实施方式采用驱动所有振动膜或安装所有振动膜的壳体的单个电机，或者采用两个电机，每个电机驱动一半振动膜。理论上，电机的数量完全不受振动膜的数量的约束。例如，声换能器可以具有一个由两个电机驱动的四个振动膜的组以及由一个电机驱动的另一个三个振动膜的组。

每个驱动电机可以直接或间接与其驱动的所有振动膜相连。可以通过将电机直接连接在壳体而壳体又通过围绕件或悬架连接在振动膜上或者通过采用使电机与振动膜相连的气态或液态流体实现间接连接。在具体声换能器上的所有电机可以接收大体上相同的音频信号并且可以彼此串联或并联。

在本发明多种实施方式的构造中采用的材料可以是在典型声换能器的构造中采用的材料。连接杆和电机的壳体可以由共振、振动或弯曲模式具有特征频率的材料制成，所述特征频率在引发注意的音频谱之外。由于这些部件优选不是发声机构的一部分，因此采用模式处于引发注意的音频谱内的材料可能导致不合乎要求的人为音频产物。优选地，移动构件例如振动膜和连接杆由尽可能轻的材料制成以提高装置的效率。例如，可以采用填充玻璃或填充云母的聚丙烯-聚亚苯基-氧化物-苯乙烯材料或者碳纤维材料。

在此描述的实施方式采用具有圆柱壳体和圆形振动膜的管状波形因数；然而，壳体和振动膜的横截面不必是圆形。它们可以是椭圆、矩形或大体上任何所需的其他形状。

改进本发明多个方面需要增加复杂性和附加部件，这样会增加制造成本并降低换能器的可靠性。可以通过采用模块化设计缓解或避免这些问题，在所述模块化设计中，例如在此称为电机模块的一种类型的模块包含磁铁组件、线圈以及振动膜或锥形振膜，在此称为振动膜模块的另一类型的模块包含壳体部、振动膜、以及连接在振动膜上的一组杆。电机模块被设计成与振动膜模块匹配，并且可以包含一组杆，所述杆将电机模块中的电机与相邻振动膜模块中的振动膜机械连接。备选地，电机模块可以包含与相邻振动膜模块中的振动膜流体连接的振动膜。振动膜模块也被设计成与另一振动膜模块匹配。大体上任何数量的振动膜模块都可以被组装成线性排列的模块。每个振动膜模块中的杆穿过直接相邻的振动膜模块中的开口并与下一振动膜模块中的振动膜机械连接。每个振动膜模块中的壳体部适于与相邻振动膜模块中的壳体部匹配以在模块之间形成腔。在相应腔内的空气在听觉上与壳体外部的空气隔离或通过口、孔或其他开口与壳体外部的空气在听觉上相连。

根据本发明的声换能器产生正面波和后面波。预先考虑到换能器通常由具有开口的壳体封闭，所述开口相对于听者适当取向，正面波可以穿过所述开口排出。有许多众所周知的方法用于处理标准声换能器中的后面波，那些方法中的任意方法都可以被用于本发明。例如，后面波可以穿过引入延迟的波导线排出，其可以排入作为隔板的大封装件内，或者其可以直接排入周围空气内。后一方法通常降低低频下换能器的音效。

根据本发明声换能器的总体尺寸极大地取决于所需的低频下的音效等级。可以通过增加各个振动膜的表面面积、通过增加各个振动膜的偏移、通过增加振动膜的数量、通过优化匹配在振动膜和空气之间的声阻抗、或者通过这些因素的任意组合获得更高的音效。

根据本发明的一个教导，换能器包括通过采用连接在每个振动膜上的单个驱动杆而使多个振动膜致动的单个电机。每个振动膜的一侧面对通向听音环境的开口。每个振动膜的另一侧通过隔板与听音环境隔离。驱动杆可以穿过隔板上和/或振动膜上的开口。可以采用密封件以防止或基本上降低在驱动杆可以穿过的任何开口上产生的不合乎要求的空气泄漏。

根据本发明的另一教导，换能器包括两个电机，每个电机使多个振动膜致动。振动膜被布置成两组；一组中的振动膜由一个电机驱动并且另一组中的振动膜由另一电机驱动。优选地，振动膜组彼此相反地被驱动。通过采用驱动杆的电机使振动膜致动。驱动杆可以穿过隔板上和/或振动膜上的开口。不利地是，空气会穿过这些开口泄漏并导致大量的互调失真和谐波失真。这种泄漏还会显著降低声音输出等级。可以采用密封件防止在杆可以穿过的振动膜的任何开口上产生不合乎要求的空气泄漏。

这些密封件可以由一块或多块轻质泡沫形成，每块泡沫是可压缩和可膨胀的并在开口附近附着在杆上。一块泡沫在杆将其推向开口时压缩，并且在杆将其推离开口时膨胀。这些密封件还可以由褶皱织物例如在波纹管上采用的织物制成，其可以按照要求膨胀和收缩。备选地，驱动杆可以延伸(route)使得它们不穿过任何振动膜或隔板，由此省去密封件。

对于那些具有穿过振动膜和/或隔板的驱动杆的实施方式，由于密封件增加实施的成本和复杂性，因此避免采用密封件是符合要求的。这一点可以通过设计驱动杆穿过的振动膜和/或隔板上的开口的尺寸以优化总体性能来实现。这些开口在此被称为“贯通开口”。穿过振动膜上的贯通开口产生的任何空气泄漏都会产生声频失真或噪声形式的不合乎要求的人为产物和/或降低总体空气容积排量。可以通过增加开口对空气流动的阻力或通过扩散穿过开口的空气使得其产生更小的声频噪声来降低这些空气泄漏的人为产物。例如可以通过增加空气必须移动的路径长度或通过减小开口的尺寸增加所述阻力。在以下段落中描述了用于降低空气泄漏噪声的几种技术；这些技术可以单独采用或组合采用以获得所需的结果。

根据一种技术，通过采用较厚振动膜增加空气移动路径的长度来增加对空气流动的阻力。这一点通常的效果是增加振动膜的质量并降低给定总体换能器容积下的最大偏移量。

根据另一种技术，通过采用两个振动膜的“夹层”增加振动膜厚度，在两个振动膜之间具有吸音材料层例如粘弹性聚合物层。所得到的复合振动膜被高度阻尼，这一点因为可以有助于降低人为声音产物而经常在声换能器上是符合要求的。吸音材料的存在使振动膜可以由更轻的材料形成，由此减少了换能器移动质量不符合要求地增加。

根据另一种技术，通过采用不可拉伸的表皮材料例如纸和轻质间隔材料例如聚氨酯泡沫的“夹层”提高振动膜厚度。所得到的复合振动膜通常比单片振动膜更轻且更硬。

根据另一种技术，通过向环绕贯通开口的振动膜增加圆柱“套筒”增加对空气流动的阻力。套筒的采用具有将振动膜质量的增加降至最小的附加效果。优选地是在振动膜两侧的套筒形状不同。例如，在传递由听者听到的声音正面波的振动膜的外侧面上，圆柱套筒可以形如漏斗以降低穿过开口的空气的紊流噪声。

根据另一种技术，通过增加环绕贯通开口的由抗空气流动的材料制成的套筒提高对空气流动的阻力。这些套筒的内径可以足够小以使套筒略微紧密地环绕穿过开口的驱动杆装配。用于这些套筒的材料优选是软且光滑的以在套筒与驱动杆形成接触时降低不符合要求的摩擦噪声，并且所述材料具有足够的抗空气流动性以降低穿过开口的空气量。合适材料的实例包括由丝制成的织物、聚酯、软羊毛、以及与弹性织物组合的其他材料。这些软织物套筒优选环绕由硬质材料例如塑料或金属制成的更短的圆柱套筒安装。

用于降低空气泄漏噪声的另一方法是利用有效停止空气流动同时将摩擦和噪声降至最小的材料密封贯通开口。这些材料的实例包括由软和可弯曲织物制成的波纹管、以及半流动润滑剂例如触变胶体。可以通过在杆和套筒之间采用铁磁性液体获得类似的效果。可以通过连接在振动膜上的薄环形磁铁将铁磁性液体保持在适当位置。

用于降低空气泄漏噪声的另一方法是使穿过开口的空气扩散。用于实现这一点的一种技术是在空气流动路径的排出点增加软泡沫。特别是，可以直接环绕贯通开口或者间接环绕由硬质材料例如塑料或金属制成的更短的圆柱套筒增加软泡沫圆筒。泡沫可以被构造成使得其在硬套筒上方延伸并向内弯曲，从而其盖住开口并几乎接触到驱动杆。泡沫可以是聚氨酯开放单元式(open cell)泡沫，其具有所需的在与驱动杆形成接触时扩散空气同时降低不合乎要求的摩擦噪声的特性。在一些应用中优选地是将泡沫仅布置在振动膜的内侧面上，传递听者听不到的声音的后面波。这样可以采用具有更小内径的更长泡沫套筒。这些泡沫套筒可以更紧密地接触驱动杆，从而它们除了使穿过开口的空气扩散以外还增加了对空气流动的阻力。驱动杆的更紧密接触提高了摩擦噪声但该噪声包含在后面波内，因此不会为听者带来不适。

可以通过上述技术的组合降低空气泄漏噪声，也就是说，向振动膜增加套筒并增加振动膜本身的厚度。

这种组合技术的实例通过形成由两个振动膜夹层组成的复合振动膜增加对空气流动的阻力，其中每个振动膜具有仅在其外侧面环绕贯通开口的圆柱套筒，两个振动膜之间具有吸音材料层。可以定制空气泄漏噪声的降低量、移动质量的增加量以及振动膜阻尼量以通过调节吸音材料层的厚度、分振动膜的厚度以及套筒的长度适用于几乎装配在任何应用上。

用于降低空气泄漏人为产物的组合技术的另一实例是增加环绕贯通开口的软泡沫和软织物套筒。特别是，可以环绕硬套筒增加软泡沫并且环绕泡沫增加软织物，由此结合了增加对空气流动的阻力以及扩散穿过开口的空气这两个效果。

用于降低空气泄漏人为产物的组合技术的另一实例是采用环绕杆的密封衬套。衬套优选由非常低摩擦的材料例如自润滑聚合物制成。衬套优选通过柔性气密材料连接在振动膜上，从而允许有限的移动并使振动膜与振动隔离。

用于降低空气泄漏噪声的上述技术可以应用在采用其上具有孔的振动膜或锥形振膜的任意换能器上。这些技术不局限于采用多个振动膜的换能器排列。

根据本发明的另一教导，换能器包括直接致动一个或多个结构的电机，每个结构包含通过围绕件、支架或其他形式的悬架悬挂的多个振动膜。每个振动膜的后面波通过隔板在听觉上与相邻振动膜隔离。每个振动膜的正面波可以穿过开口到达听音环境。不采用任何驱动杆，作为替代振动膜得到惯性驱动。该教导可以扩展到采用多个电机。另外，可以沿彼此相反地移动不同的结构。

根据本发明的另一教导，每个驱动电机与单个振动膜机械相连。该振动膜通过流体与另一振动膜相连，另一振动膜又与其他振动膜机械相连。这样，可以采用一个或多个常规扬声器间接驱动多个振动膜。如果在直接驱动的振动膜和间接驱动的振动膜之间采用气动流体连接例如空气连接，间接驱动的振动膜操作如同它们由穿过具有低通特性的滤波器的信号的驱动，而直接驱动的振动膜操作如同它们由具有全频率范围的信号的驱动。在例如这样的实施方式中，直接驱动的振动膜发出大多高频声音并且间接驱动的振动膜发出大多低频声音。

根据本发明的另一教导，具有壳体的换能器包括多个振动膜模块，每个振动膜模块具有壳体部、悬挂在壳体部上的振动膜、以及连接在振动膜上的一组一个或多个杆。用于相应振动膜模块的壳体部具有第一表面和相对的第二表面。在一个振动膜模块中的壳体部的第一表面被设计成以如下方式与在另一振动膜模块中的壳体部的第二表面匹配，即在相邻模块的相应振动膜之间形成腔。模块的壳体部可以具有口、孔或其他类型的开口，以使腔内的空气可以在听觉上与腔外的空气相连。每个振动膜模块中的杆穿过直接相邻的振动膜模块中的开口并与下一振动膜模块中的振动膜机械相连。在一种实施方式中，一个模块中的杆组从振动膜的一个表面突出并且振动膜的相对表面具有适于容纳和匹配紧邻相邻模块的模块的杆端部的固定件。在另一实施方式，第一组杆从相应振动膜的一个表面突出并且第二组杆从振动膜的相对表面突出。两组中杆的端部适于相互匹配。

根据本发明的另一教导，上述振动膜模块不具有与振动膜相连的杆。每个振动膜模块由壳体部和悬挂在壳体部上的振动膜组成。在换能器的中部由多个这样的振动膜模块组装起来以后，杆被***并利用结合工艺例如胶合或声波焊接连接在适当的振动膜上，并且一个或多个电机模块连接在换能器中部的端部。

在上述任何实施方式中，可以环绕贯通孔增加套筒或者振动膜可以是由两个振动膜构成的复合振动膜，在两个振动膜之间夹入吸音材料层。夹层振动膜还可以包括在其一个或两个面上的圆柱套筒以降低不符合要求的空气泄漏噪声。

在上述任何实施方式中，振动膜悬架不需要都具有相同的属性或取向。例如，在直接驱动振动膜的实施方式中，在电机附近采用更硬的悬架以使在沿驱动杆致动方向之外的方向上的移动降至最小是合乎要求的。此外，通过将由单个电机致动的振动膜悬架取向成一些悬架面向相对于其他悬架相反的方向，可以消除或降低悬架的非对称特性，从而可以降低换能器的失真特性。

通过参照以下描述和附图可以更好地理解本发明的各个特征及其优选实施方式。以下描述和附图的内容仅仅作为示例被提出并且不应该被理解成是对本发明范围的限制。

附图说明

图1是采用隔板、单个内驱动杆和单个电机的本发明实施方式的示意图。

图2是不采用隔板、采用多个内驱动杆和两个电机的本发明实施方式的示意图。

图3是采用隔板、多个外驱动杆和单个电机的本发明实施方式的示意图。

图4是不采用隔板、采用多个外驱动杆和两个电机的本发明实施方式的示意图。

图5是不采用驱动杆、采用隔板和单个电机的本发明实施方式的示意图。

图6A-6C是被用于制造本发明的声换能器的振动膜模块的示意图。

图7是根据本发明的声换能器的具有采用图6A-6C所示那样的振动膜模块实现机械连接驱动的实施方式的示意性透视图。

图8是图7所示换能器的示意性横截面图。

图9是根据本发明的声换能器的具有采用图6A-6C所示那样的振动膜模块实现流体连接驱动的实施方式的示意性透视图。

图10是图9所示换能器的示意性横截面图。

图11A-11C是由两个振动膜组成的复合振动膜的示意图，吸音材料层夹在所述两个振动膜之间。

图12A-12C是具有环绕贯通开口的圆柱套筒的振动膜模块的示意图。

图13A-13C是由两个振动膜组成的复合振动膜的示意图，每个振动膜仅在其外侧面上具有环绕贯通开口的圆柱套筒，吸音材料层夹在所述两个振动膜之间。

图14A-14B是具有环绕贯通开口的圆柱套筒和环绕圆柱套筒的软织物套筒的振动膜的示意图。

图15A-15B是具有环绕贯通开口的圆柱套筒和环绕圆柱套筒的软泡沫套筒的振动膜的示意图。

图16A-16B是具有环绕贯通开口的圆柱套筒、环绕圆柱套筒的软泡沫套筒、以及环绕泡沫套筒的软织物套筒的振动膜的示意图。

图17A-17B是具有在振动膜外侧面上环绕贯通开口的漏斗形圆柱套筒并且在振动膜的内侧面上具有环绕贯通开口的圆柱套筒、具有环绕圆柱套筒的软泡沫套筒的振动膜的示意图。

图18A-18B是仅在其内侧面上具有环绕贯通开口的软波纹管的振动膜的示意图。

图19A-19B是具有环绕贯通开口的圆柱套筒、仅在其内侧面上环绕套筒的环形磁铁、以及在套筒和驱动杆之间的铁磁性流体的振动膜的示意图。

图20A-20B是仅在其外侧面上具有环绕贯通开口的圆柱套筒、仅在其内侧面上具有环绕贯通开口的环形磁铁、以及在磁铁和驱动杆之间的铁磁性流体的振动膜的示意图。

图21A-21B是具有盖住贯通开口的半流动润滑剂的振动膜的示意图。

图22A是具有肋的振动膜模块壳体部的示意图。

图22B是包括具有肋的模块壳体部的声换能器的示意性透视图。

图23A-23C是具有一体的肋和套筒的拱顶形振动膜的示意图。

图24A是包括具有肋的模块化壳体部和具有软泡沫套筒的拱顶形振动膜的、模块化构造的换能器的示意性透视图。

图24B是具有拱顶形振动膜和软泡沫套筒的、模块化构造的换能器的示意性横截面图。

具体实施方式

A.直接驱动

图1表示本发明的一种实施方式，其中电磁电机包括磁铁1010和音圈1020，与驱动杆1040相连的机械连接件1030安装在所述音圈1020上。驱动杆连接在振动膜1050上，每个振动膜1050又通过相应悬架1070连接在壳体1060上。当音频信号作用在音圈上时，来自振动膜一侧的声波可以通过开口1080辐射到听音环境。来自振动膜另一侧的声波可以通过另一组开口1085辐射。可以通过隔板1090和密封件1100防止或大体上减小不合乎要求的空气泄漏。如果需要，可以在电机上采用一个或多个衬套防止音圈产生不希望出现的运动。备选地，驱动杆1040可以在不采用密封件的情况下穿过一些或全部振动膜1050。可以优化振动膜和杆之间的空间尺寸以将空气泄漏降至最小同时将杆和振动膜之间的摩擦降至最小。

图2表示本发明的一种实施方式，其中电磁电机包括磁铁2010和音圈2020，与驱动杆2040相连的机械连接件2030安装在所述音圈2020上。驱动杆2040连接在振动膜2050上，每个振动膜2050又通过相应悬架2070连接在壳体2060上。悬架2070不需要都具有相同的属性。例如在音圈附近采用硬度更大的悬架以将音圈在沿驱动杆致动方向之外的方向上的移动降至最小是符合要求的。可以通过变换悬架的几何形状或材料控制悬架2070的硬度。此外，通过将由单个电机致动的振动膜悬架取向成它们面对相反的方向，可以降低换能器的失真特性。在该具体实施方式中，驱动杆2040经由密封件2180密封的开口穿过除一个以外的全部振动膜2150。另一电机包括磁铁2110和具有与驱动杆2140相连的机械连接件2130的音圈2120。驱动杆2140连接在振动膜2150上，每个振动膜2150又通过相应悬架2170连接在壳体2060上。在该具体实施方式中，驱动杆2140经由密封件2180密封的开口穿过除一个以外的全部振动膜2050。音圈2020和2120被连接成使得每个振动膜与相邻振动膜相对工作。当音频信号作用在换能器上时，来自振动膜正面的声波可以通过开口2090辐射到听音环境。通过振动膜上的密封件防止或大体上降低正面波和后面波之间的泄漏。后面波可以通过开口2190辐射。备选地，驱动杆2040和2140可以在不采用密封件的情况下穿过一些或全部振动膜2050和2150。可以优化振动膜和杆之间的空间以将空气泄漏降至最小同时将杆和振动膜之间的摩擦降至最小。在考虑因制造误差导致的部件变化之后，本发明该实施方式中机械部件动量的净变化是零或大体上为零，因此，换能器壳体2060基本上不会振动。

图3表示本发明一种实施方式，其中电磁电机包括磁铁3010和安装在与两个驱动杆3040相连的机械连接上3030上的音圈3020。驱动杆3040连接在振动膜3050上，振动膜3050又通过悬架3070连接在壳体3060上。当音频信号作用在换能器上时，来自振动膜一侧的声波可以通过开口3080辐射到听音环境。来自振动膜另一测的声波可以通过开口3180辐射。通过隔板3090防止或大体上降低各个腔之间出现不合乎要求的空气泄漏。

图4表示本发明的一种实施方式，其中电磁电机包括磁铁4010和安装在与驱动杆4040相连的机械连接件4030上的音圈4020。驱动杆4040连接在振动膜4050上，振动膜4050又通过悬架4070连接在壳体4060上。另一电机包括磁铁4080和具有与驱动杆4110相连的机械连接件4100的音圈4090。驱动杆4110连接在振动膜4120上，振动膜4120又通过悬架4130连接在壳体4060上。音圈被连接成使得每个振动膜与其相邻振动膜相对工作。在考虑因制造误差导致的部件变化之后，本发明该实施方式中机械部件动量的净变化是零或大体上为零，因此，换能器壳体基本上不会振动。

图2和图4所示实施方式之间的主要差别是驱动换能器上一半振动膜的每个杆的构造。本发明另一实施方式采用两组杆，每组包括多个杆。每组杆与一半振动膜相连并穿过另一半振动膜。例如，在图7-10所示实施方式中采用绕振动膜中心对称分布成圆形的六个杆并且相邻杆相互间隔60度角。六个杆被分成两组，每组三个杆，并且在这两组中的杆彼此相对交错间隔。这意味着每组中的三个杆以距振动膜中心等距地对称分布成圆形并且该组中的相邻杆相互间隔120度角。每组三个杆连接在一半振动膜上并以与上述图2所示的杆2040和2140类似的方式经由密封或未密封的开口穿过另一半振动膜。在这一布置中，每个振动膜通过三个杆以对称方式得到致动，所述三个杆连接在振动膜上的三个点对称分布并在三维空间内限定了唯一的二维平面。如果杆和振动膜被准确排列成使得所有的杆相互平行，所有的振动膜相互平行，并且所有的杆竖直于所有振动膜的表面，则振动膜将受到对称分布的法向力，该法向力趋于在不激发有可能导致不希望出现的人为声音产物的任何不希望出现的振动模式的情况下在所需纵向上移动振动膜。

本发明的另一实施方式采用同心的一个杆和一个管。杆的外径小于管的内径，从而当它们以同心方式被安装时，杆不会接触管。杆连接在包括换能器上一半振动膜的第一组振动膜上并穿过包括另一半振动膜的第二组振动膜中的一个或多个振动膜。管连接在第二组振动膜中的振动膜上并穿过第一组振动膜中的一个或多个振动膜。杆因其完全包含在管内而穿过第二组振动膜中振动膜。管由相互连接的多个部分组成，一个或多个杆穿过第一组振动膜上的开口。优选地，三个连接杆沿管部分的圆周对称分布。

对于在此所述的任何直接驱动的实施方式，振动膜悬架不需要都具有相同的属性或取向。例如，在电机附近采用硬度更大的悬架以将在沿驱动杆致动方向之外的方向上的移动降至最小是符合要求的。可以通过变换悬架的几何形状或材料控制悬架的硬度。此外，通过将由单个电机致动的振动膜悬架取向成使得一些悬架面向相对于其他悬架的相反方向，可以消除或降低悬架的非对称特性。在典型实施方式中，悬架对驱动电机产生的力具有非对称响应。非对称响应通常包括将失真引入由移动的振动膜产生的最终声波中。通过使一些悬架的取向反向，可以降低整个悬架的非对称响应，由此降低最终声波中的失真。

B.间接驱动

图5表示本发明的一种实施方式，其中电磁电机包括磁铁5010和音圈5020，与壳体5040相连的机械连接件5030安装在音圈5020上。壳体通过悬架5060与振动膜5050相连。通过隔板5070形成各个腔。来自振动膜正面的声波可以通过开口5080辐射到听音环境。来自振动膜后面的声波可以通过开口5180辐射。通过隔板5070防止或大体上降低了前振动膜和后振动膜之间的抵消。在完全处于振动膜/悬架组件共振频率之下的频率上，振动膜基本同相地随着壳体移动并且基本上不形成任何声音。在完全处于振动膜/悬架组件共振频率之上的频率上，振动膜几乎不动并且壳体和振动膜之间的相对运动形成声音。从而，振动膜/悬架组件的共振频率可以被选定为获得所需的换能器频率响应。

悬架不需要都具有相同的属性或取向。通过如上所述那样改变悬架取向，可以消除或降低悬架的非对称特性，从而可以降低换能器的失真特性。

C.模块化构造

图6A-6C，7和8表示本发明的另一实施方式，其使声换能器可以得到模块化组装。该模块化实施方式与非模块化实施方式相比可以提供更大的可制造性、灵活性和性能。

图6A-6C表示振动膜模块的一种实施方式。图6A表示振动膜模块的正视图，图6B表示同一振动膜模块的后视图，图6C表示同一振动膜模块的横截面图。振动膜模块包括通过悬架6070连接在壳体部6060上的振动膜6050。壳体部6060包括在前侧的开口6190和在后侧的另一开口6290。壳体部6060具有在前侧的突起6162和在后侧的突起6262，以及相应的分别在前侧的槽6164和在后侧的槽6264。振动膜模块还包括三个杆6040，每个杆具有在前侧的突起6041和在后侧相匹配的开口6042。杆6040可以与振动膜6050成一体以提高结构完整性。例如可以在模制过程中采用诸如填充玻璃或填充云母的聚丙烯-聚亚苯基-氧化物-苯乙烯材料制造所述振动膜/杆部件。振动膜6050具有三个开口6080，使相邻振动膜模块的杆可以穿过振动膜6050。如果需要，振动膜模块可以如上所述具有不同属性或不同取向的悬架。

当两个相邻振动膜模块被组装在一起以形成一种实施方式的换能器时，第一振动膜的前侧与第二振动膜的前侧相连。第一振动膜的杆6040穿过第二振动膜的开口6080。两个振动膜模块每个的突起6162滑入另一模块的槽6164内并且可以通过操作例如胶合或声波焊接结合。第一和第二振动膜的前开口6190组合以形成将正面声波传递到周围空气中的开口。包括以这一方式被组装的两个振动膜模块的组件可以与后侧连接在第二振动膜模块后侧的第三振动膜模块组装在一起。第二和第三振动膜模块中每个的突起6262滑入另一模块的槽6264内并且可以通过操作例如胶合或声波焊接结合。第一振动膜的杆突起6041滑入第三振动膜的杆开口6042内并且可以通过操作例如胶合或声波焊接结合。第二和第三振动膜的后开口6290组合以形成使后面声波排出到周围空气中的开口。

在优选实施方式中，振动膜模块的壳体部6060由具有足够强度和刚度以对振动膜提供稳定支承结构的材料制成，使得换能器不产生不适的人为产物。但是，如果壳体部由硬质塑料材料例如填充玻璃或填充云母的聚丙烯-聚亚苯基-氧化物-苯乙烯材料制成，则所得到的换能器的刚度不是足够大。在那种情况下，可以通过在壳体部外壁上增加肋来提高模块化组件的刚度。图22A表示壳体部22060在其外表面上具有一体的凸缘22160和肋22260。相邻壳体部可以利用粘合剂和穿过开口22460的螺钉相互连接以获得额外的刚度。在图22B中示出了所得到的模块化换能器组件22000。

在以上总结的组装技术中可以继续增加额外的振动膜模块以形成基本上任何所需长度的振动膜模块的线性排列。第二种模块，在此称为电机模块包括被设计成与振动膜模块的后侧相连的机械连接件。

可以使振动膜模块的线性排列与一个或多个电机模块组装以形成完整的换能器。例如，图7和8示出了根据本发明的换能器的一种实施方式，其由两个电机模块7100和十二个振动膜模块组成。每个电机模块7100包括磁铁组件7110、线圈7120以及将电机连接在第一振动膜上并从那里通过杆6040连接在另一振动膜上的机械连接件7130。可以通过这种方式连接在一起的振动膜模块的数量被选定为任意长度和任意容积排量的换能器，假定电机具有足够动力以使由选定数量的振动膜模块产生的负载致动。

D.流体驱动

图9和图10表示本发明另一实施方式，其中电机模块9100与在传统换能器上采用的电机类似，并包括磁铁组件9110、线圈9120以及锥形振膜9130。锥形振膜9130通过包含在密封腔9150内的流体与第一振动膜9140流体连接。振动膜9140通过杆6040与其余振动膜6050机械连接。来自直接被驱动的锥形振膜9130的后面波可以促进振动膜6050的正面波。如果在直接被驱动的锥形振膜9130和间接被驱动的振动膜6050之间的密封腔9150内采用的流体是气体例如空气，则流体驱动包括低通滤波器。在这种情况下，可以驱动直接被驱动的锥形振膜9130在它们的整个频率范围内产生有效的声能，同时驱动间接被驱动的振动膜6050仅在低频上产生有效的声能。

E.降低空气泄漏噪声

图11A-11C、12A-12C以及图13A-13C表示三种不同的技术可以被用在多种组合中以通过振动膜的贯通开口降低不希望出现的空气泄漏噪声的。

图11A-11C表示采用复合振动膜11050的一种技术。图11A表示具有两个分振动膜11150，11250和在它们之间的吸音材料层11350的复合振动膜11050的分解视图。吸音材料层11350可以采用诸如胶合或模制的工艺连接在分振动膜11150和11250上。图11B和图11C表示复合振动膜11050的后视图和横截面图。

图12A-12C表示采用具有围绕其贯穿通孔的套筒的振动膜12050的另一种技术。图12A、图12B和图12C分别表示具有围绕其贯穿通孔的套筒的振动膜12050的后视图、主视图，以及横截面图。

图13A-13C表示采用具有围绕其贯穿通孔的套筒的复合振动膜13050的另一种技术。图13A表示具有两个分振动膜13150和13250以及两个分振动膜13150和13250之间的吸音材料13350的复合振动膜13050的分解视图。吸音材料层13350可以通过使用例如粘合或模制工艺连接到分振动膜13150和13250。两个分振动膜13150和13250每个具有环绕它们相应贯通开口的套筒13450。套筒形成在每个分振动膜的外侧面，该外侧面是面对远离吸音材料13350的一侧。图13B表示分振动膜13050的后视图并且图13C表示分振动膜13050的横截面图。

图14A-14B表示采用具有环绕其贯通开口的硬套筒和软织物套筒的振动膜14050的另一技术。图14A和图14B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有环绕振动膜14050两侧上的每个贯通开口的硬圆柱套筒14450的振动膜14050。软织物套筒14550连接在硬套筒14450的外侧并延伸超过它们，几乎接触到穿过振动膜14050的贯通开口滑动的杆14040。

图15A-15B表示采用具有环绕其贯通开口的硬套筒和软泡沫套筒的振动膜15050的另一技术。图15A和图15B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有环绕振动膜15050两侧上的每个贯通开口的硬圆柱套筒15450的振动膜15050。软泡沫套筒15650连接在硬套筒15450的外侧并优选延伸超过它们，弯曲并几乎接触到穿过振动膜15050的贯通开口滑动的杆15040。

图16A-16B表示采用具有环绕其贯通开口的硬套筒、软泡沫套筒和软织物套筒的振动膜16050的另一技术。图16A和图16B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有环绕振动膜16050两侧上的每个贯通开口的硬圆柱套筒16450的振动膜16050。软泡沫套筒16650连接在硬套筒16450的外侧，软织物套筒16550连接在软泡沫套筒16650的外侧并延伸超过它们，几乎接触到穿过振动膜16050的贯通开口滑动的杆16040。

图17A-17B表示采用具有环绕其贯通开口的硬套筒和软泡沫套筒的振动膜17050的另一技术。图17A和图17B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有环绕振动膜17050两侧上的每个贯通开口的硬圆柱套筒17450的振动膜17050。软泡沫套筒17650仅在振动膜17050的内侧面上连接在硬套筒17450的外侧，并且它们紧密接触杆17040以进一步降低对空气流动的阻力。套筒17450在振动膜17050外侧面上具有漏斗形以更大程度地降低空气泄漏噪声。

图18A-18B表示用于采用具有环绕其贯通开口的软波纹管的振动膜18050防止空气泄漏的技术。图18A和图18B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有在其内侧面上的软波纹管18750的振动膜18050。波纹管18750的一侧环绕振动膜18050的每个贯通开口与其相连。波纹管18750的另一侧与杆18040相连。软波纹管18750随着振动膜18050和杆18040彼此相对移动而伸长和收缩。

图19A-19B表示用于采用具有硬套筒、环形磁铁和铁磁性流体的振动膜19050防止空气泄漏的另一技术。图19A和19B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有环绕振动膜19050两侧上的每个贯通开口的硬圆柱套筒19450的振动膜19050。环形磁铁19950在振动膜19050的内侧面上连接在硬套筒19450的外侧，并且它们优选在竖直方向上被极化以提高效率。铁磁性流体19960布置在套筒19450和杆19040之间，并且当杆19040相对于振动膜19050移动时通过环形磁铁19950的磁力被保持在适当位置。

图20A-20B表示用于采用具有软套筒、环形磁铁和铁磁性流体的振动膜20050防止空气泄漏的另一技术。图20A和20B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有环绕振动膜内侧面上的贯通开口的硬圆柱套筒20450的振动膜20050。环形磁铁20950环绕振动膜20050连接在振动膜20050的内侧面上，并且它们优选在竖直方向上被极化以提高效率。铁磁性流体20960布置在环形磁铁20950和杆20040之间，并且当杆20040相对于振动膜20050移动时通过环形磁铁20950的磁力被保持在适当位置。

图21A-21B表示用于采用具有半流动润滑剂例如触变胶体的振动膜21050防止空气泄漏的另一技术。图21A和图21B表示所得到的子组件的侧视图和横截面图，其包括具有封闭振动膜两侧上的贯通开口的半流动润滑剂21980的振动膜21050。润滑剂21980使杆21040可以滑过开口但在其他情况下密封开口，从而大体上消除了流过开口的空气流动。

振动膜的厚度和套筒的长度被调节成使得穿过贯通开口的空气通道的总长度最短2mm或者最长25mm或更长。可以根据应用需要以及所需的音频质量等级设定空气通道长度。对许多应用来说大约15mm的通道长度是优选的。

附图表示具有平面或二维振动膜的声换能器的实施方式。振动膜的形状理论上不是关键。可以采用其他形状例如锥形或拱顶形。

图23A-23C表示具有一体的杆23040和套筒23450的拱顶形振动膜23050。图23A、图23B和图23C表示振动膜23050的前侧视图、后侧视图和横截面图。由于振动膜为拱顶形，因此可以增加平套圈以容纳空气泄漏降低部件并提高刚度。采用围绕套筒23450的平套圈(landing)23455连接用于降低空气泄漏噪声的部件，例如图17所示的软泡沫套筒17650或图19所示的环形磁铁19950。增加围绕杆23040的平套圈23045使得振动膜23050更经得起容积制造法例如注射成形法。还增加角撑板23047作为杆23040和套圈23045之间连接的结构支承。平套圈23045和23455被推向振动膜23050的前侧以提高相邻振动膜之间的间隙，这样提高了整个换能器的最大允许偏移量。

图24A和图24B表示模块化组装的换能器24000的透视图和横截面图，具有在其外表面上的一体凸缘24160和肋24260，以及拱顶形振动膜24050，该振动膜在它们后侧具有由软泡沫套筒24650环绕的一体的杆24040和套筒24450。

Claims (54)

1.一种声换能器，包括：

壳体；

分成一组或多组的多个振动膜，其中在至少一个振动膜组中的振动膜通过杆相互连接，所述杆中的至少一些杆穿过振动膜上的开口，具有开口的振动膜包括阻止空气穿过所述开口或使空气扩散穿过开口的部件；以及

响应电信号操作的一个或多个电机；其中每组中的振动膜由相应电机驱动，该组中所有振动膜连接到所述相应电机。

2.如权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器由下列组成：

相互连接的多个振动膜模块，每个振动膜模块包括壳体部和连接在所述壳体部上的一个或多个振动膜；以及

连接在一个或多个振动膜模块上的一个或多个电机模块，每个电机模块包括一个或多个电机。

3.如权利要求2所述的声换能器，其特征在于，各振动膜模块包括连接在它的一个或多个振动膜上的一个或多个杆。

4.如权利要求3所述的声换能器，其特征在于，第一振动膜模块中的一个或多个杆与第二振动膜模块中的振动膜相连并穿过***第一和第二振动膜模块之间的第三振动膜模块的振动膜上的开口。

5.如权利要求4所述的声换能器，其特征在于，在各振动膜模块中的一个或多个杆从振动膜的一个表面突出并且该振动膜的相对表面具有一个或多个固定件，所述固定件适于容纳和匹配与所述相应振动膜模块相连的模块的一个或多个杆的端部。

6.如权利要求4所述的声换能器，其特征在于，第一组一个或多个杆从相应振动膜的一个表面突出并且第二组一个或多个杆从该相应振动膜的相对表面突出，其中两组杆的端部适于相互匹配。

7.如权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括绕所述开口形成的密封件。

8.如权利要求7所述的声换能器，其特征在于，所述密封件包括：

一块或多块轻质泡沫，每块轻质泡沫是可压缩和可膨胀的并布置在相应开口处；

可以伸长和收缩的一个或多个波纹管，每个波纹管布置在相应开口处；

布置在相应开口处的铁磁性流体，所述铁磁性流体通过与相应振动膜相连的一个或多个磁铁被保持在适当位置；或者

布置在相应开口处的润滑剂。

9.如权利要求7所述的声换能器，其特征在于，所述密封件包括：

一块或多块轻质泡沫，每块轻质泡沫在开口附近附着在杆上，泡沫块在杆将其推向开口时压缩并在杆将其推离开口时膨胀；

可以伸长和收缩的一个或多个波纹管，每个波纹管在开口附近附着在杆上，波纹管在杆将其推向开口时压缩并在杆将其推离开口时伸长；或者

在开口附近布置在杆上的润滑剂。

10.如权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括以下振动膜特征：三层夹层材料环绕开口布置并且中间层是吸音材料，例如粘弹性聚合物。

11.如权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括以下振动膜特征：三层夹层材料环绕开口布置，外层是抗拉伸材料并且中间层是低密度材料，例如聚氨酯泡沫。

12.如权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括环绕开口的套筒。

13.如权利要求12所述的声换能器，其特征在于，所述套筒在振动膜的每一侧上形状不同。

14.如权利要求13所述的声换能器，其特征在于，所述圆柱套筒在振动膜的一侧上形如漏斗。

15.如权利要求12所述的声换能器，其特征在于，所述套筒的内径足够小，使得套筒环绕杆紧密装配。

16.如权利要求15所述的声换能器，其特征在于，所述套筒包括柔软且光滑以降低与杆摩擦的第一材料。

17.如权利要求16所述的声换能器，其特征在于，所述套筒还包括在振动膜上硬的(不可弯曲的)第二材料，并且第一材料安装在第二材料上。

18.如权利要求12所述的声换能器，其特征在于，所述套筒具有磁铁并且铁磁性流体布置在套筒和穿过开口的杆之间。

19.如权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括环绕开口布置的泡沫。

20.如权利要求19所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括环绕开口安装在振动膜上的套筒，并且泡沫安装在套筒上。

21.如权利要求20所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括安装泡沫上的软织物。

22.如权利要求19所述的声换能器，其特征在于，所述泡沫安装在振动膜的与传递收听者听到的声音的一侧相对的一侧上。

23.如权利要求19所述的声换能器，其特征在于，所述泡沫安装在振动膜的传递收听者听到的声音的一侧上。

24.如权利要求19所述的声换能器，其特征在于，所述泡沫安装在振动膜的两侧上。

25.如权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括在开口附近环绕杆布置的衬套。

26.如权利要求25所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括环绕开口布置并连接在衬套上的柔性材料。

27.一种声换能器，包括：

壳体；

分成一组或多组的多个振动膜，其中在至少一个振动膜组中的振动膜通过杆相互连接，所述杆在壳体外部延伸使得这些杆不穿过振动膜，以及

响应电信号操作并与壳体结合的一个或多个电机；

其中每组中的振动膜由相应电机驱动，该组中所有振动膜连接到所述相应电机上，并且至少一个电机具有与其驱动的振动膜直接机械连接的连接件。

28.如权利要求27所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器由下列组成：

相互连接的多个振动膜模块，每个振动膜模块包括壳体部和连接在壳体部上的一个或多个振动膜；以及

连接在一个或多个振动膜模块上的一个或多个电机模块，每个电机模块包括一个或多个电机。

29.如权利要求28所述的声换能器，其特征在于，各振动膜模块包括连接在它的一个或多个振动膜上的一个或多个杆，在第一振动膜模块中的一个或多个杆与第二振动膜模块中的振动膜相连并延伸使得它们可以绕开***在第一和第二振动膜模块之间的第三振动膜模块。

30.如权利要求1、27以及7-26中任意一项所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器包括两组振动膜和两个电机，每个电机使相应组中的振动膜致动，并且振动膜组彼此相反地被驱动。

31.如权利要求1、27以及7-26中任意一项所述的声换能器，其特征在于，两个或多个振动膜的每一个通过悬架悬挂在壳体上并且所述两个或多个振动膜的悬架具有不同的属性或取向。

32.如权利要求31所述的声换能器，其特征在于，一组中的两个或多个振动膜的每一个通过悬架悬挂在壳体上并且该组中的振动膜具有不同硬度的悬架，其中用于靠近电机的振动膜的悬架硬度较高，所述电机驱动该组中的振动膜。

33.如权利要求32所述的声换能器，其特征在于，两个或多个振动膜的每一个通过悬架悬挂在壳体上并且一组中的一些振动膜具有第一取向的悬架，该组中的其他振动膜具有第二取向的悬架，第二取向与第一取向相反。

34.如权利要求31所述的声换能器，其特征在于，两个或多个振动膜的每一个通过悬架悬挂在壳体上并且一组中的一些振动膜具有第一取向的悬架，该组中的其他振动膜具有第二取向的悬架，第二取向与第一取向相反。

35.如权利要求4所述的声换能器，其特征在于，所述部件包括环绕开口的套筒。

36.如权利要求12或35所述的声换能器，其特征在于，所述多个振动膜中的至少一个振动膜具有拱顶形或锥形表面并具有一个或多个一体的杆，每个杆由平套圈环绕，其中所述平套圈凹进拱顶形或锥形表面下方。

37.如权利要求36所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器包括在壳体外表面上的一个或多个肋或者一个或多个凸缘，它们沿换能器长度延伸穿过所述多个振动膜。

38.如权利要求12或35所述的声换能器，其特征在于，所述多个振动膜中的至少一个振动膜具有拱顶形或锥形表面并具有一个或多个套筒，每个套筒由平套圈环绕，其中所述平套圈凹进拱顶形或锥形表面下方。

39.如权利要求38所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器包括在壳体外表面上的一个或多个肋或者一个或多个凸缘，它们沿换能器长度延伸穿过所述多个振动膜。

40.如权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器包括在壳体外表面上的一个或多个肋，它们沿换能器长度延伸穿过所述多个振动膜。

41.如权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器包括在壳体外表面上的一个或多个凸缘，它们沿换能器长度延伸穿过所述多个振动膜。

42.如权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器包括在壳体外表面上的一个或多个肋以及一个或多个凸缘，它们沿换能器长度延伸穿过所述多个振动膜。

43.一种声换能器，包括：

壳体；

悬挂在壳体上并分成一组或多组的多个振动膜，以及

响应电信号操作并与壳体结合的一个或多个电机；

其中每组中的振动膜由相应电机驱动，该组中所有振动膜连接到所述相应电机，并且至少一个电机具有与其驱动的振动膜间接机械连接的间接连接件。

44.如权利要求43所述的声换能器，其特征在于，所述间接连接件包括与壳体相连的相应电机。

45.如权利要求43所述的声换能器，其特征在于，所述间接连接件是将电机与振动膜相连的气态或液态流体。

46.如权利要求45所述的声换能器，其特征在于，相应电机与第一振动膜相连并且流体将振动膜组中的第一振动膜与第二振动膜相连。

47.如权利要求46所述的声换能器，其特征在于，所述流体包含在第一振动膜和第二振动膜之间的密封腔内。

48.如权利要求43所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器由下列组成：

相互连接的多个振动膜模块，每个振动膜模块包括壳体部和连接在壳体部上的一个或多个振动膜；以及

连接在一个或多个振动膜模块上的一个或多个电机模块，每个电机模块包括一个或多个电机。

49.如权利要求48所述的声换能器，其特征在于，各振动膜模块包括连接在它的一个或多个振动膜上的一个或多个杆。

50.如权利要求49所述的声换能器，其特征在于，至少一些杆穿过振动膜上的开口。

51.如权利要求49所述的声换能器，其特征在于，第一振动膜模块中的一个或多个杆与第二振动膜模块中的振动膜相连并延伸使得它们绕开***第一和第二振动膜模块之间的第三振动膜模块。

52.如权利要求43-47中任意一项所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器包括两组振动膜和两个电机，每个电机使相应组中的振动膜致动，并且振动膜组彼此相反地被驱动。

53.如权利要求43-47中任意一项所述的声换能器，其特征在于，两个或多个振动膜的每一个通过悬架悬挂在壳体上并且所述两个或多个振动膜的悬架具有不同的属性或取向。

54.如权利要求53所述的声换能器，其特征在于，两个或多个振动膜的每一个通过悬架悬挂在壳体上并且一组中的一些振动膜具有第一取向的悬架，该组中的其他振动膜具有第二取向的悬架，第二取向与第一取向相反。

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