平板揚(yáng)聲器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低頻聲音重放裝置，其包括膜組件、設(shè)為驅(qū)動(dòng)膜的活塞和置于膜與活塞之間的粘結(jié)層。粘結(jié)層將膜粘結(jié)至活塞，膜的彈性模量小于3千兆帕(GPa)，以及活塞的彈性模量大于15千兆帕(GPa)。
【專利說明】平板揚(yáng)聲器
[0001]優(yōu)先權(quán)
[0002]本申請(qǐng)要求申請(qǐng)?zhí)枮?1，565，762、于2011年12月I日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容于本文中公開，以供參考。
【背景技術(shù)】
[0003]1.【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明涉及一種平板膜揚(yáng)聲器，特別是一種具有膜的平板揚(yáng)聲器，該膜可優(yōu)化低
頻聲音重放。
[0005]2.相關(guān)背景描述
[0006]平板揚(yáng)聲器，在此簡稱揚(yáng)聲器，用于重放各種形式保存的低頻，即20-200赫茲(Hz)。然而，傳統(tǒng)揚(yáng)聲器審美上不為室內(nèi)設(shè)計(jì)所接受，或者缺少真正的機(jī)械活塞式動(dòng)作，在該動(dòng)作中驅(qū)動(dòng)活塞前的所有點(diǎn)的位移都相同，這是高品質(zhì)聲音重放所必需的。用于揚(yáng)聲器中提供高品質(zhì)聲音重放的傳統(tǒng)膜形狀也受限制。另外，這種揚(yáng)聲器的膜不能涂漆，并且通常由于安裝在墻內(nèi)或天花板內(nèi)的架子之后而被隱藏。
[0007] 申請(qǐng)人:為貝塔尼(Bertagni)的美國專利US3，767，005公開了一種平板揚(yáng)聲器，其提供加強(qiáng)的低頻聲音重放。Bertagni通過使用厚且相對(duì)軟的振膜，即膜，來阻隔高頻，該振膜具有遞減的厚度，為振膜運(yùn)動(dòng)提供必要的彈性。然而，由于聲音重放的低失真度的需要，振膜的非對(duì)稱性使得運(yùn)動(dòng)組件的重心和彈性中心難以平衡和定位。另外，應(yīng)力高度集中在Bertagni揚(yáng)聲器的膜運(yùn)動(dòng)周邊，嚴(yán)重限制了該設(shè)備的線性度，并降低了最大聲壓級(jí)。Bertagni的揚(yáng)聲器還包含凸出的中央活塞，隱藏該活塞是不切實(shí)際的，并且其妨礙了在完全平坦的表面處安裝使用。
[0008] 申請(qǐng)人:為Bertagni等的美國專利US5, 425，107公開了一種基本板式振膜,其由預(yù)擴(kuò)展的泡沫塑料材料構(gòu)成，如聚苯乙烯，其中該振膜的分隔部分的密度不同。高密度部分設(shè)計(jì)為重放高頻，低密度部分用于重放低頻。Bertagni等人的振膜由一對(duì)振膜元件層壓在一起形成，這對(duì)振膜元件具有不同的密度以確定單獨(dú)的發(fā)音區(qū)域，單獨(dú)的音圈組件連接至該發(fā)音區(qū)域，或由單個(gè)一體化結(jié)構(gòu)形成，該結(jié)構(gòu)具有分隔但連續(xù)的發(fā)音區(qū)域，各發(fā)音區(qū)域具有各自的密度材料和音圈組件，用于重放特定頻率范圍的聲音。然而，高密度部分未公開其剛度，并且缺少真正的活塞式動(dòng)作，這是有效重放低頻所必需的。
[0009]其他低頻揚(yáng)聲器的平板振膜使用彈性邊緣或圍繞物，通常由丁基橡膠、壓縮泡沫或類似材料制成，這不適用于隱藏的應(yīng)用場合。這些揚(yáng)聲器具有平面剛性振膜和具有拱形外形的橡膠圍繞物，類似于傳統(tǒng)揚(yáng)聲器，但是其具有以下缺點(diǎn):高制造成本和復(fù)雜度，以及圓形的環(huán)繞橫截面。這些揚(yáng)聲器不適用于隱藏的應(yīng)用場合或者振膜必需涂漆以匹配室內(nèi)裝飾的應(yīng)用場合。這種揚(yáng)聲器膜的實(shí)例由 申請(qǐng)人:為馬蘇達(dá)(Matsuda)等的美國專利US4, 198,550、 申請(qǐng)人:為卡蒙(Kamon)等的美國專利US4，291，205、以及 申請(qǐng)人:為古恩瑟(Guenther)等的美國專利US5, 701, 359提供。
[0010] 申請(qǐng)人:為阿茲瑪(Azima)等的美國專利US6, 904, 154公開了一種揚(yáng)聲器,該揚(yáng)聲器包括膜，該膜橫向擴(kuò)展其厚度，并且能夠在該膜的橫向擴(kuò)展的聽覺有效區(qū)域上保持彎曲波。該元件具有共振模式的分布，并提供幾何結(jié)構(gòu)和各向的彎曲剛度。Azima等人依靠分布模式的原理，其中本征模式，即標(biāo)準(zhǔn)或固有振動(dòng)模式，通過將音圈偏心設(shè)置，并且選用輻射面板最適合的形狀和縱橫比來控制。Azima等人的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)用于中高音頻，但是不適用于寬闊的、均衡且不失真的低頻重放。
[0011]傳統(tǒng)系統(tǒng)不能提供這樣一種揚(yáng)聲器，其能夠隱藏在石膏板、灰泥或石棉水泥板形成的墻內(nèi)，并能夠提供一種統(tǒng)一的外膜，該外膜與平面墻等高，由于需要與房間室內(nèi)設(shè)計(jì)無縫結(jié)合，還具有可涂漆膜，同時(shí)還要克服傳統(tǒng)隱藏式揚(yáng)聲器的聲波挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明克服了上述傳統(tǒng)低頻揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)，并提供了一種具有單獨(dú)外膜的揚(yáng)聲器，該外膜尺寸為匹配周圍的墻體結(jié)構(gòu)，該單獨(dú)外膜可涂漆，使得安裝的揚(yáng)聲器有效隱蔽。
[0013]在一實(shí)施例中，提供了低頻聲音重放裝置，其包括膜組件、設(shè)為一致驅(qū)動(dòng)膜的活塞以及置于膜與活塞之間的粘結(jié)層。該粘結(jié)層將膜粘結(jié)至活塞，膜具有小于3千兆帕(GPa)的彈性模量，以及活塞具有大于15千兆帕(GPa)的彈性模量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]本發(fā)明的特定示范性實(shí)施例中上述以及其他的物體、特征以及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在下文的詳細(xì)說明，結(jié)合附圖更直觀地描述，其中:
[0015]圖1是本發(fā)明的圓形揚(yáng)聲器膜組件的后端透視圖；
[0016]圖2提供了圖1的揚(yáng)聲器膜組件的爆炸圖；
[0017]圖3是圖1至圖2中揚(yáng)聲器膜組件的透視圖，并圖示了用于連接音圈的凹槽；
[0018]圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的方形揚(yáng)聲器膜組件的后端透視圖；
[0019]圖5是本發(fā)明的方形揚(yáng)聲器膜組件的另一實(shí)施例的后端透視圖；
[0020]圖6是圖5的揚(yáng)聲器膜組件的前端透視圖，并圖示了支承結(jié)構(gòu)；
[0021]圖7是圖5的揚(yáng)聲器膜組件的后端透視圖，進(jìn)一步圖示了支承結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況；
[0022]圖8是圖6的揚(yáng)聲器膜組件的詳細(xì)情況的后端透視圖，并圖示了音圈；
[0023]圖9-A至9-M是圖1的圓形揚(yáng)聲器的表面質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)算結(jié)果，頻率范圍為20至475 赫茲(Hz)；
[0024]圖10是膜組件中心點(diǎn)的速度-頻率圖，其共振頻率為36赫茲(Hz)；
[0025]圖1l-A至Il-L是圖4的方形揚(yáng)聲器的表面質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)算結(jié)果，頻率范圍為20至250 赫茲(Hz)；
[0026]圖12-A至12-L是本發(fā)明另一實(shí)施例的矩形揚(yáng)聲器的表面質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)算結(jié)果，頻率范圍為20至250赫茲(Hz)；
[0027]圖13是圖6至圖8的揚(yáng)聲器的大氣阻抗的曲線圖，其基本共振頻率集中在大約31赫茲(Hz)，以及可忽略的非活塞式模式；以及
[0028]圖14是傳統(tǒng)平板揚(yáng)聲器膜組件的特性曲線圖，并圖示了由非期望的振動(dòng)模式引起的多個(gè)大幅度阻抗波峰?！揪唧w實(shí)施方式】
[0029]下文中，將會(huì)參考附圖給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明。在本發(fā)明的描述中，為清晰理解本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，省略了本【技術(shù)領(lǐng)域】中已知的相關(guān)功能和構(gòu)造的解釋，否則可能會(huì)將本發(fā)明與不必要的細(xì)節(jié)混淆。
[0030]以下給出的是本發(fā)明的平板式聲音輻射膜的詳細(xì)說明，該膜由具有不同的預(yù)設(shè)剛度的材料形成。
[0031]圖1是本發(fā)明的圓形揚(yáng)聲器膜組件的后端透視圖，其圖示了膜1，優(yōu)選由塑性材料構(gòu)成，通常為聚氯乙烯(PVC)、ABS塑料、聚碳酸酯或聚丙烯構(gòu)成的塑料層或薄膜。其他材料，如纖維板、泡沫板和樹脂層壓板，也可用于膜1，只要膜材料的彈性模量小于3千兆帕(GPa)，其內(nèi)損失與揚(yáng)聲器的期望機(jī)械品質(zhì)因子Q(Qms)匹配。
[0032]如圖6至圖7所示，膜I由完全平坦的前表面、用于連接至支承結(jié)構(gòu)12框架的邊緣構(gòu)成。膜I的前表面完全平坦，即沒有任何凸起，并為重放低頻和中低頻進(jìn)行優(yōu)化。
[0033]活塞4通過粘結(jié)層3，優(yōu)選形成為單獨(dú)層，固定在揚(yáng)聲器膜組件的后端，圖2示出了其爆炸圖?；钊?是由材料如纖維玻璃、碳纖維或酚醛層壓體、陶瓷、鋁或其他金屬，輕質(zhì)蜂巢或其他剛性蜂巢板，或者具有剛性表層以及更軟的、低密度內(nèi)芯的多層材料構(gòu)成的固體，這取決于特定應(yīng)用場合及與期望共振頻率對(duì)應(yīng)的主體。用于構(gòu)成活塞4的材料的剛度必須比膜I的材料的剛度至少高10倍，活塞4的彈性模量(E)大于15千兆帕(GPa)。
[0034]圖3是圖1至圖2的揚(yáng)聲器膜組件的透視圖，其圖示了用于連接傳統(tǒng)音圈的凹槽5，優(yōu)選將音圈的頂邊固定至凹槽。圖4闡明了本發(fā)明的方形揚(yáng)聲器膜組件，其中提供的方形揚(yáng)聲器的膜I也具有完全平坦的前表面，該前表面上沒有任何的凸起。圖4圖示的透視圖是其后端透視圖，其圖示了活塞4的四個(gè)圓角8的其中之一，以減輕在高聲壓級(jí)應(yīng)用下的膜使用期間的角張力。圓角8設(shè)置在四邊形活塞的每個(gè)頂點(diǎn)上，半徑為活塞最長邊長度的10%至25%。如圖5所示，其提供了本發(fā)明的方形揚(yáng)聲器的另一實(shí)施例的透視圖，同樣的效果可通過直邊倒角19實(shí)現(xiàn)，普遍制造成本更低。直邊倒角19設(shè)置在四邊形活塞的每個(gè)頂點(diǎn)上，斜邊為活塞最長邊長度的10%至25%。
[0035]圖6和圖7分別是圖5的揚(yáng)聲器膜組件的前端和后端透視圖，其圖示了支承結(jié)構(gòu)12和將磁圈14固定至驅(qū)動(dòng)活塞4的橋接器13，這在揚(yáng)聲器構(gòu)造中是常規(guī)已知的。
[0036]圖8圖示了圖6的揚(yáng)聲器膜組件的后端透視圖底部的詳細(xì)情況，并圖示了音圈連接環(huán)6。矩形膜組件的設(shè)計(jì)遵循上述圓形和方形版本的原則，音圈16連接至活塞4，粘結(jié)層3置于膜I與活塞4之間。在圖8的實(shí)施例中，音圈連接環(huán)6是活塞4的一部分，將音圈16居中并連接至活塞4。
[0037]圖9-A至9-M圖示了對(duì)圖1實(shí)施例的圓形揚(yáng)聲器構(gòu)件作有限元分析的表面質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)算結(jié)果，該構(gòu)件為12英寸直徑、膜由PVC片制成，其具有厚度1/16英寸的均勻厚度，并具有5毫米厚的由鋁蜂窩構(gòu)成的剛性活塞，其具有8英寸的外直徑，位于膜I的中心。膜I的邊緣由支承結(jié)構(gòu)的連接件限制，以及由2英寸直徑的音圈施加0.1牛的正弦驅(qū)動(dòng)力，集中在蜂窩式活塞上。
[0038]對(duì)于有限元分析，是在標(biāo)準(zhǔn)1/3倍頻程的ISO頻率下運(yùn)行得出的，其中圖9-A提供了在20赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-B提供了在25赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-C提供了在31.5赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-D提供了在40赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-E提供了在50赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-F提供了在63赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-G提供了在80赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-H提供了在100赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-1提供了在125赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-J提供了在160赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-K提供了在200赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-L提供了在250赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，圖9-M提供了在475赫茲(Hz)分析導(dǎo)出的結(jié)果，以上均為第二標(biāo)準(zhǔn)模式，而第一標(biāo)準(zhǔn)模式為揚(yáng)聲器的基頻諧振。圖9-A至9-M的分析在12英寸直徑的平板式圓形膜、在標(biāo)準(zhǔn)1/3倍頻程ISO頻率、頻率范圍20赫茲(Hz)至475赫茲(Hz)下分析出的。
[0039]有限元分析確定了用于精確重放低音頻的平板式膜和附于其上的剛性活塞的適用性，并確證類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邊形膜，對(duì)此需要使用四邊形的活塞。有限元分析圖示了完全排除非期望的異相模式，該異相模式反過來會(huì)引起嚴(yán)重的頻率響應(yīng)異常，只具有可忽略的活塞振動(dòng)和變形，這可通過增加活塞厚度來進(jìn)一步減小。圖9-M圖示了處于475赫茲(Hz)下的第二標(biāo)準(zhǔn)模式,大大超過最高響應(yīng)頻率，這確保了寬闊的低頻覆蓋范圍。
[0040]圖10是振膜組件中心點(diǎn)的速度-頻率曲線圖，該振膜組件中心點(diǎn)與上述圖9-A至9-M的膜組件的共振頻率為36赫茲。S卩，圖10圖示了根據(jù)頻率的膜的中心點(diǎn)的速度，以及固有共振頻率36赫茲包括音圈質(zhì)量，不計(jì)相關(guān)的阻尼。
[0041]圖1l-A至圖1l-L提供了圖4的方形揚(yáng)聲器的表面質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)算結(jié)果，在標(biāo)準(zhǔn)1/3倍頻程ISO頻率、頻率范圍為20至250赫茲(Hz)下進(jìn)行，從而確定了對(duì)于I英尺側(cè)邊的方形膜和8英寸X 8英寸蜂窩式活塞，其中方形膜和活塞各自具有類似上述的材料，具有如上所述的類似動(dòng)作，除了圖1l-D至圖1l-K中可見的圓角8以外，其確定了帶有活塞連接件的平板式方形膜的適用性，該平板式方形膜用于有效重放低音頻。
[0042]圖12-A至圖12-L提供了根據(jù)圖6至圖8的實(shí)施例的矩形揚(yáng)聲器的表面質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)算使用有限元分析得出的結(jié)果，頻率范圍為20至250赫茲(Hz)，這表明了矩形和其他四邊形揚(yáng)聲器在低頻應(yīng)用的適用性，并圖示了更窄的活塞波段，其具有更大的表面積和更高的敏感度的優(yōu)點(diǎn)。此實(shí)施例中的膜由1.6毫米厚的PVC片構(gòu)成，振膜I的總尺寸為353毫米X435毫米，以及活塞為160毫米X 242毫米。膜I和組件連接至剛性鋁架，并由直徑為2英寸的傳統(tǒng)四層音圈驅(qū)動(dòng)。由FR4級(jí)纖維玻璃層壓板制成的3毫米厚的活塞通過雙面軟橡膠粘結(jié)層粘結(jié)至膜上。
[0043]圖13是曲線圖，示出了圖6至圖8的矩形揚(yáng)聲器的大氣(free-air)阻抗，其基本共振頻率集中在大約31赫茲(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，該共振可通過位于圖13底部的軌跡線上在180赫茲(Hz)以及305赫茲(Hz)處的低振幅波來識(shí)別，其圖示了完成的揚(yáng)聲器的阻抗量級(jí)，該阻抗曲線用于檢測(cè)非期望共振的存在，非期望共振表現(xiàn)為波，并且在本發(fā)明中可忽略。在圖13中，Mkrl表示30.76赫茲(Hz)共振頻率，以及頂部曲線圖示了阻抗的變化。
[0044]圖13圖示了在大約31赫茲(Hz)的基礎(chǔ)共振頻率之上波峰的可忽略幅度，阻抗曲線的總體形狀緊密匹配傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器，由此確定傳統(tǒng)揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)理論用于使用本發(fā)明的膜和活塞的低頻揚(yáng)聲器的可應(yīng)用性。[0045]圖9至圖13所示的分析結(jié)果指出，本發(fā)明的膜上的各點(diǎn)以同一方向移動(dòng)，并且對(duì)于響應(yīng)范圍內(nèi)的頻率，即，低音頻，具有實(shí)質(zhì)相同的速度。相反地，傳統(tǒng)的平板式揚(yáng)聲器膜缺少真正的活塞式動(dòng)作，以展示各個(gè)頻率，在這些頻率下，膜的特定部分向外移動(dòng)同時(shí)其他部分向內(nèi)移動(dòng)。如圖14所示的音圈阻抗圖表，這種異相動(dòng)作引起嚴(yán)重的、非期望的聲壓級(jí)輸出減產(chǎn)。
[0046]本發(fā)明普遍涉及聲學(xué)、聲音重放系統(tǒng)，以及更特別涉及為重放音頻頻譜內(nèi)最低頻率而進(jìn)行優(yōu)化的變頻器。應(yīng)用對(duì)象包括，但不僅限于高保真、隱藏式揚(yáng)聲器、家庭影院、背景音樂、公共廣播、電腦、電子游戲、耳機(jī)、擴(kuò)音和尋呼。
[0047]本發(fā)明參考其特定示范性實(shí)施例進(jìn)行圖示和描述，可被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解，可在不偏離本發(fā)明權(quán)利要求及其等同特征所定義的精神和范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的更改。
【權(quán)利要求】
1.一種低頻聲音重放裝置，包括: 聲音輻射膜； 用于驅(qū)動(dòng)所述聲音輻射膜的活塞；以及 粘結(jié)層，所述粘結(jié)層置于所述聲音輻射膜和所述活塞之間，用于將所述聲音輻射膜粘結(jié)至所述活塞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聲音輻射膜的彈性模量小于3千兆帕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述活塞的彈性模量大于15千兆帕。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述聲音輻射膜在所述活塞上注模成型。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述聲音輻射膜的形狀為平坦的圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述活塞的一端為圓形，以驅(qū)動(dòng)所述聲音輻射膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述聲音輻射膜的形狀為平坦的四邊形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述活塞的一端為四邊形，以驅(qū)動(dòng)所述聲音輻射膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，四邊形活塞的各個(gè)頂點(diǎn)為圓角，所述圓角的半徑為所述活塞的最長邊長度的10%至25%。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，四邊形活塞的各個(gè)頂點(diǎn)包括直邊倒角，所述直邊倒角具有斜邊，所述斜邊的長度為所述活塞的最長邊長度的10%至25%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述粘結(jié)層具有設(shè)置為機(jī)械式過濾高頻的彈性。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述活塞的剛度至少比所述聲音輻射膜的剛度高10倍。
13.一種低頻聲音重放的方法，所述方法包括: 通過活塞驅(qū)動(dòng)聲音輻射膜， 其特征在于，在所述聲音輻射膜與所述活塞之間設(shè)置粘結(jié)層，并且其中所述粘結(jié)層設(shè)為將所述聲音輻射膜粘結(jié)至所述活塞。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法,其特征在于,所述聲音福射膜的彈性模量小于3千兆帕。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述活塞的彈性模量大于15千兆帕。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述聲音輻射膜在所述活塞上注模成型。
【文檔編號(hào)】H04R19/02GK103959822SQ201280058665
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
【發(fā)明者】列卡度·拉扎里 申請(qǐng)人:菲茨羅伊工程有限責(zé)任公司, 列卡度·拉扎里