CN105230046A - 用于宽频域放声的平面扬声器振膜及使用该振膜的扬声器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种针对宽频放声优化的大体上平面的扩音器振膜组件。具有直接音圈连接区的主振膜为刚性轻质材料，该刚性轻质材料与次级振膜的组合能够得到宽且均一的频率响应、以及相当于具有单音圈的传统扬声器的低失真重放。

Description

用于宽频域放声的平面扬声器振膜及使用该振膜的扬声器

优先权

本申请要求编号为61/809,003、申请日为2013年4月5日的美国临时申请的优先权，该临时申请的内容通过引用并入本文中。

发明背景

技术领域

本发明一般涉及平面振膜扬声器，特别地，涉及一种平面扬声器，该扬声器具有针对宽频域放声进行了优化的振膜。

背景技术

传统的用于重放宽频域声音，即50-20,000HZ的平面扩音器，即扬声器，以多种形式存在。然而，传统的扬声器要么不符合当代室内设计的审美，要么缺乏真正的机械活塞式性能，其中驱动活塞前面的所有点的位移相同，这是高品质的放声所需要的。用于扬声器以提供高品质放声的传统振膜在形状上也有限制。此外，这种扬声器振膜不能着色，并且通常通过置于墙体内或天花板内的格子架后进行隐藏。

尽管用于全域音频重放的平面扩音器振膜已经构想成多种不同形式，传统的扬声器要么缺乏高品质放声所需的宽频率扩展，要么设计不均匀，并在线性度和音频性能方面受限。

本文提供了一种新的设计方案，以突破传统扬声器设计的性能限制，并满足对兼具美感的宽频域放声解决方案的需求。

发明内容

本发明克服了传统扬声器的上述缺点，并且提供了粘合层的平面声音辐射振膜组件，确定了用于高频放声的高刚度轻质中心振膜、以及用于低频放声、高频吸收和固有振型(normalvibrationmodes)控制的高阻尼周边区域，中心振膜和周边区域由过渡区分隔开。一层或多层附加层按顺序粘合以形成多个层，以在低频率对固有振型实现进一步的控制，同时保持平面的可涂画的外表面。

本发明的一方面提供了一种放声装置，该装置包括主振膜，多层阻尼振膜，和多层粘合层，多层粘合层的第一粘合层将多层阻尼振膜的第一阻尼振膜的前表面粘合至主振膜的后表面，多层粘合层的第二粘合层将第一阻尼振膜的后表面粘合至多层阻尼振膜的第二阻尼振膜的前表面，多层阻尼振膜的厚度不一，由此可改进对主振膜在中低频的振动性能的控制。

本发明的另一方面提供了一种宽频放声的方法，该方法包括通过音圈驱动主振膜，其中主振膜由粘合层粘合至阻尼振膜，而且主振膜的弹性模量大于15GPa，阻尼振膜的弹性模量小于3GPa。

附图说明

结合附图，通过下列详细描述，本发明特定的示范性实施例的上述及其他目的、特征和优点将会更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的圆形放声装置的后透视图；

图2为图1的爆炸图；

图3为图1中的阻尼振膜的透视图，该阻尼振膜进一步包括内圆角；

图4为根据本发明另一实施例的放声装置的后透视图，该放声装置具有阻尼振膜；

图5为安装在支撑架上的图4的放声装置的截面图；

图6为图4的爆炸图；

图7为具有本发明的振膜组件的扩音器的前透视图；

图8为图7的后透视图；

图9为优选实施例的扬声器组件的后透视图；

图10为图9的爆炸图；

图11为根据本发明另一实施例，具有振膜组件的扩音器的后透视图，其中该振膜组件包括附加的阻尼振膜；

图12为根据本发明的再一实施例的扩音器振膜组件的后透视图；

图13为图12的爆炸图；

图14对比了传统单层振膜的远场声压水平与图7中扬声器的远场声压水平，两者分别由阴影线和实线示出；

图15对比了传统单层振膜的近场声压水平与图7中扬声器的近场声压水平，两者分别由阴影线和实线示出；

图16对比了传统单层振膜的自由空气阻抗与图7中扬声器的自由空气阻抗，两者分别用阴影线和黑线示出。

具体实施例

将参照附图在下文对本发明的优选实施例进行具体描述。在描述发明时，为了更清楚地理解本发明的概念，并避免由于不必要的细节导致发明不清楚，省略对本领域已知的相关功能和结构的解释。

提供了一种平面的声音辐射多层振膜组件，其包括具有各种特性的多个层。多层的振膜粘合在一起提供具有高刚度的轻质中心膜区域，其中该中心振膜区域提供了高频放声。高阻尼周边区域用于优化低频放声，吸收高频并控制固有振型，在星形切口的内顶部和外顶部之间设置过渡区(图1-4,6-7和9-13)。

图1示出了本发明第一实施例的放声装置的圆形扬声器振膜组件的后透视图，图2示出了图1的爆炸图，图3示出了图1所示阻尼振膜3的透视图，在该阻尼振膜3中有一个星形的切口13。在优选实施例中，阻尼振膜3中的该星形切口13可包括内圆角11(图3)，该内圆角的半径为相应直线侧边12长度的1％至10％。此外，非对称性，即在星形切口13设置奇数个点，降低了固有振型的密度，并且优选地，在具有偶数个点的对称切口之上设置奇数个点，例如7个。

相应地，在圆形的振膜组件7上设置了薄的平面主振膜1和阻尼振膜3，即次级振膜，上述的两层振膜通过粘合层2粘在一起。还设置有音圈4，对于每个具体应用，根据阻抗、直径、线圈长度、层数等选择音圈。

图2的爆炸图分离地示出了各个组件，特别是位于主振膜1和阻尼振膜3之间的薄粘合层2。由于层间摩擦和热耗散，粘合层2有助于阻尼振膜3的整体阻尼。尽管粘合层2优选为层压至阻尼振膜3的一面上，根据优选的制造方法，可由弹性的喷涂粘合剂或滚抹粘合剂提供粘合层2。

相应地，为传感器设置振膜组件7，以利用音圈4的磁路优化宽频音频重放，所述音圈连接至主振膜1的内后表面。音圈4的磁路优选使用陶瓷、磁钢、稀土磁体，或电磁铁，并根据每个具体应用，音圈4选择最佳的尺寸、材料、导线类型、层数和其他参数。利用经典设计理论，参见JohnWilliamStrutt的《声音理论》第1卷，多佛出版社，第二版(1945)(JohnWilliamStrutt,TheTheoryofSound,Vol.1,DoverPubl,2ndEd.,(1945))、J.E.Benson的“扬声器外壳的理论和设计”《澳大拉西亚无线电技术总览》第14卷，编号1，(1968)(J.E.Benson,TheoryandDesignofLoudspeakerEnclosures,AmalgamatedWirelessAustralasiaTechnicalReview,Vol.14,No.1(1968))、以及有限元分析(FEA)，当用作全域扬声器的一部分时，基于振膜组件的性能预测来选择材料，并且选择机电声学参数来模拟传感器的性能。在优选实施例的开发过程中，大量的FEA和样机研究确定了高刚度轻质振膜的适用性，该振膜与次级阻尼控制振膜层结合，以均衡的重放宽频带声音频率，一般从50HZ到高于20kHZ，并且同样的分析确定了使用不同形状的振膜可以实现类似的性能，本文描述的圆形和四边形为优选实施例。

主振膜1的弹性模量大于15GPa，但是倘若阻尼振膜层3适当地更有弹性，非常小的传感器和耳机使用具有小得多的弹性模量(E)的振膜，可提供类似的性能目标。

各个组件的材料选择是重要因素。例如，申请号为PCT/US2012/067597的共有专利申请的公布文本WO/2013/082594中，低频振膜的活塞和主振膜可分别用作主振膜1和阻尼振膜3。

对于主振膜1，使用弹性模量大于15GPa的轻质刚性材料，例如铝(E＝69GPa)、玻璃纤维层压板(E在17GPa至22GPa之间)、碳纤维(E在150GPa至180GPa之间)、以及蜂巢状或类似的蜂窝板(E大于15GPa)。主振膜1的材料优选为玻璃纤维、碳纤维、酚醛树脂层压板、金属，通常为铝、和轻质蜂巢状刚性蜂窝板中的一种。与阻尼振膜3的高阻尼材料相比，主振膜材料刚度非常高，大概比前者刚度高十倍，来保证合适的性能。

阻尼振膜3，优选为模切或模制，由合成泡沫、塑料片材、纤维板和泡沫板中的其中一种制成。阻尼振膜材料的弹性模量优选为小于3GPa，并具有高内部损耗以控制固有振型。制成阻尼振膜3的材料包括：实心的或泡沫塑料片材(E在0.1GPa和2GPa之间)、泡沫板(E小于0.1GPa)、开孔或闭孔的泡沫板(E小于0.1GPa)、纤维板、或其他具有类似阻尼性能的材料。

图4示出了另一实施例中的扬声器振膜组件的透视图，其中该扬声器振膜组件具有较小外直径的阻尼振膜3，使得边缘更加有弹性。图5-6分别示出了振膜组件的后部横截面和爆炸图，并示出了支撑架6，其中主振膜1由薄的固体刚性材料形成，并形成扬声器的前外表面。

如图4所示，阻尼振膜3的中心星形切口13使得音圈4通过切口13直接连接至主振膜1上。阻尼振膜3的中心星形切口13还有利于贯穿过渡区的材料特性的渐变。主振膜1中心的振动阻尼非常低，而边缘的振动阻尼非常高，其中振膜中心提供高频放声，而外缘区域只能提供低频放声并吸收高频。

星形切口13的内径为音圈4的尺寸的1.1到3倍，星形切口13的外径为内径的2.5倍，振膜组件根据频率，提供可变尺寸的声源，以保证广泛的分散，即离轴频率响应。由于只有振膜组件的中心区域能够重放高频，该声源在高频处听觉上很小；并由于边缘只能重放低频，该声源随着频率下降听觉上更大。对于中频，星形切口13提供了频率极值之间所需的阻尼特性。

在音圈连接点和振膜外部之间具有过渡的星形过渡区，星形切口13提供了从音圈连接点到振膜外部的渐变，以获得仅低频的最佳重放，其中在该音圈连接点所有频率都被重放，高频，基于特定应用，通常为高于5kHz，在星形过渡区域逐步衰减。

阻尼振膜3延伸至主振膜1的外边缘可导致扬声器谐振频率过高，而导致扬声器的谐振频率高于需要在某些高保真音乐重放应用中重放的最低频率。为了克服这个潜在的问题，使用外径减小的阻尼振膜3，利用粘合珠或粘合带5将主振膜1直接连接至支撑架6(图5)，在扬声器架和阻尼振膜3的外边界或边缘之间留有间隙。

在图6中，阻尼振膜3和粘合层2均具有较小的半径以提供外露的弹性边界。该弹性边界提供了平面弹性围绕物，其功能上相当于传统扬声器中的围绕物，同时还能够减小谐振频率并对其实现更好的控制。传统的扬声器具有弹性的围绕物，该围绕物的圆锥形的外缘连接至支撑架。与此相反的是，本发明用平面的振膜达到了相同的效果。

对于整体最大半径小于500mm的扬声器的实用实施例，建议固体材料主振膜的厚度小于0.8mm，蜂巢状或蜂窝板小于6mm，同时阻尼振膜3的厚度一般必须大于2mm，这些要求是取决于材料的。

图7和图8示出了扬声器的前后透视图，图7示出了组装起来的扬声器的完整的平面前表面，图8示出了扬声器组件的支承结构。图7-8中的扬声器振膜组件包括由0.5mm厚的FR4玻璃纤维层压板制成的主振膜和由2mm厚的PVC发泡片材制成的自粘合阻尼振膜。

图9和图10分别示出了扬声器振膜组件的后透视图和爆炸图，该扬声器振膜组件为具有弹性边界的四边形振膜组件。如上文针对圆形的扬声器振膜组件所描述的那样，设置有主振膜1、粘合层2和阻尼振膜3，并且中心孔，即切口，在扬声器的中心和外边缘之间提供同样的渐变。

实施例包括多于两层以进一步控制固有振型，特别是在低频率，图11示出了扩音器振膜组件的透视图，该扩音器振膜组件具有附加的阻尼振膜，即多层结构的多层阻尼振膜，并具有音量塑造区域，即阻尼振膜3不具有均匀厚度的区域，以精细地控制振膜的振动特性。图11展示了额外改进，通过在基础振膜3a的后表面增加第二振膜3b，并用第二粘合层2b将第一和第二振膜粘合在一起，并由此提高了振膜组件的频率响应的平坦度，这额外的改进对于低频和中频尤其有益。

图12示出了扬声器振膜组件的透视图，该振膜组件包括具有锯齿状边缘10的第一阻尼振膜3，其中锯齿状边缘10提供更多的弹性并在高振幅时提供与主振膜1之间更平滑的过渡，该高振幅是指在以很高的音量听音乐时，振膜的高位移或移动。图13是图12中的扬声器振膜组件的爆炸图。锯齿状边缘10的宽度为外露边界的1-2倍，提供更有弹性的环绕并在高功率应用下具有更长的寿命，其中锯齿状边缘10的宽度为，例如扬声器外径或者矩形扬声器的最小外径的20％。

图14和15分别比较了图7-8的扬声器(实线)与传统的单层振膜扬声器(阴影线)的箱内远场声压水平和箱内近场声压水平，图16比较了图7-8的扬声器(黑线)与单层振膜扬声器(阴影线)的自由空气阻抗。在图14中由次级层的增加而带来的实质性改善是很明显的，其中大量的窄频带模态消失了，使得频率响应曲线在所有的频率都光滑得多，同时保持了高频扩展，由于没有不需要的谐振模式，得到了扬声器所期望的光滑频率响应曲线，而单层振膜的频率响应曲线呈现出更深的下跌，这些下跌通过增加具有星形切口的次级振膜消失或者减小了。

相应地，提供了一种宽频域放声装置，其包括声音辐射振膜、用于抑制声音辐射振膜的次级阻尼振膜、以及位于主振膜和阻尼振膜之间，用于将两层振膜粘合的粘合层。

在一优选实施例中，宽频域放声装置的声音辐射振膜的弹性模量大于15GPa，阻尼振膜的弹性模量小于3GPa。此外，阻尼振膜优选为在声音辐射振膜上注塑成型。在一实施例中，声音辐射振膜为平面的圆形。在另一实施例中，阻尼振膜为圆形并具有星形的中心切口。在再一实施例中，声音辐射振膜为平面的四边形。

在又一实施例中，阻尼振膜为四边形的并具有星形的中心切口。优选地，星形切口的各个顶点是圆角的，该圆角的半径为星形最长边长度的1％-10％。在另一实施例中，星形切口的各个顶点包括直线切口，该直线切口具有星形最长边长度的1％-10％的倒角。在再一实施例中，粘合层具有弹性，用于机械地滤除高频率。宽频域放声装置的声音辐射振膜优选为刚度为阻尼振膜的十倍。

还提供了一种宽频域放声的方法，包括通过音圈驱动声音辐射振膜，其中位于该声音辐射振膜和阻尼振膜之间的粘合层用于将声音辐射振膜粘合至阻尼振膜。在该驱动方法中，阻尼振膜的弹性模量小于3GPa。而且在该驱动方法中，主振膜的弹性模量大于15GPa。此外，阻尼振膜是在主振膜上注塑成型的。

还提供了一种针对宽频放声优化的大体上平面的扬声器振膜组件。具有直接音圈连接区的主振膜为刚性轻质材料，该刚性轻质材料与次级振膜的组合能够得到宽且均一的频率响应、以及相当于具有单音圈的传统扬声器的低失真重放。主振膜和次级振膜的材料选择使得能够对用于多种宽频域应用的扬声器建立模型并进行优化。

本文中所提供的振膜组件一般涉及声学，放声系统，更特别地，涉及针对宽频域放声进行了优化的传感器。申请包括但不限于高保真隐藏式扬声器、家庭影院、背景音乐、扩音装置、电脑、电子游戏、耳机、声音增强和呼叫。

当参照本发明的特定示范性实施例对本发明进行展示和描述时，本领域技术人员将理解，在不偏离所附权利要求及其等同所限定的本发明主旨及范围的情况下，本发明可进行各种形式和细节的修改。

Claims (20)

1.一种放声装置，包括：用于重放声音的主振膜、用于抑制主振膜的阻尼振膜、和用于将所述主振膜粘合至所述阻尼振膜的粘合层。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述主振膜的弹性模量大于15GPa，所述阻尼振膜的弹性模量小于3GPa。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述粘合层机械地过滤高频率。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述主振膜的刚度为所述阻尼振膜的刚度的至少10倍。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述阻尼振膜在所述主振膜上注塑成型。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括贯穿所述阻尼振膜的孔状切口。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述阻尼振膜的切口贯穿过渡区使所述主振膜的材料特性渐变。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述主振膜是平面的，并且形状为圆形和四边形中的一种。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括连接至所述主振膜的音圈，所述音圈穿过所述阻尼振膜上的孔连接至所述主振膜。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述阻尼振膜设置为抑制主振膜中心附近的振动，以及更大程度地抑制主振膜边缘附近的振动。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述主振膜的边缘吸收高频率振动。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于：主要在主振膜的中心提供高频声音放声，并且主要在主振膜的边缘提供低频放声。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于：进一步包括贯穿所述阻尼振膜的孔，所述孔为星形。

14.如权利要求14所述的装置，其特征在于：所述星形孔位于阻尼振膜的中心并且包括奇数个顶点。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：各个所述顶点为圆角，所述圆角的半径为星形孔的星形的最长侧边长度的1％-10％。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于：所述阻尼振膜的所述星形孔包括多个顶点，各个所述顶点包括直线切口，所述直线切口具有倒角，所述倒角为星形孔星形的最长侧边长度1％-10％。

17.如权利要求11所述的装置，其特征在于：所述阻尼振膜的所述星形孔的星形的内径为所述音圈尺寸的1.1至3倍，外径为所述内径的2.5倍。

18.一种放声振膜，包括：主振膜、多层阻尼振膜和多层粘合层，其中多层粘合层中的第一粘合层用于将多层阻尼振膜中的第一阻尼振膜的第一表面粘合至主振膜的内表面，并且多层粘合层中的第二粘合层用于将第一阻尼振膜的第二表面粘合至多层阻尼振膜中的第二阻尼振膜的第一表面。

19.如权利要求书18所述的放声振膜，其特征在于；所述多层阻尼振膜形成了厚度不均的放声振膜，以改进对中低频振动特性的控制。

20.一种宽频域放声的方法，所述方法包括：通过音圈驱动主振膜，所述主振膜被粘合层粘合至阻尼振膜，其中主振膜的弹性模量大于15GPa，阻尼振膜的弹性模量小于3GPa。