CN101103651B - 带涂层的扬声器圆顶 - Google Patents

Abstract

一种三维刚性部件，例如，扬声器圆顶，由金刚石形成，优选通过CVD金刚石合成法制造成净形，并且包括在其一个或者多个主表面上的涂层。该涂层设计成增强性能并且/或者改变部件的外观。具体来说，该涂层设计成充当衰减介质并且/或者给部件提供美感。

Description

带涂层的扬声器圆顶

技术领域

本发明涉及具有高刚度、低质量的三维刚性部件，尤其涉及带涂层的扬声器圆顶(dome)。 

背景技术

有很多应用需要高刚度、低质量的结构。典型的应用是在航空宇宙工业中，实际上，在航空宇宙工业中的所有的机械部件都必须具有高的刚度与质量比。 

然而，对于轻而刚性的主体，有各种各样的其它应用。具体的应用是生产用于音响扬声器的驱动单元，尤其是用于精确地再现高频声音的高频扬声器(tweeter)。 

通常认为，人的听觉范围覆盖20Hz至20kHz的范围。因此，需要高质量的音响扬声器系统，以精确地再现至少在该频率范围内的频率。典型的高性能的音响扬声器利用两个或者多个驱动单元，其中，驱动单元是将电信号有效地转换为声(压缩)波的机械换能器。每个驱动单元涉及声波范围的特定部分。该驱动单元可以接近往返运动的活塞，以产生空气的压缩和稀薄。 

众所周知，小活塞可以有效地产生高频率的高声压水平，然而，需要较大直径的活塞，以可相比的效率产生较低频率的可比较的声压水平。通常，25mm直径的驱动单元可以在2kHz至20kHz的频率范围内工作，而较大的驱动单元，即，100mm至250mm直径的驱动单元，可以产生低至100Hz以下的范围内的频率。但是，由于不希望的振荡或者可能出现的破碎的问题，不能轻易地使用较大的驱动单元来产生高频声音。人耳对由这些破碎模式而引起的声音的变色非常敏感。由此，高频驱动单元通常具有小的直径。近来，已经显示， 存在位于公认的人的听觉范围之外的频率的破碎模式可以导致声源产生可听见的衰变。因此，人们几次尝试制造能够在高于20kHz的频率处工作而不产生失真的驱动单元。 

理想的音响扬声器具有非常低的质量，以增强其灵敏度，和非常高的刚度，而在可能影响声频输出的工作频率光谱内或者其附近没有共振。所有实用的高频扬声器自然地具有质量，并且还具有共振。与例如标准CD的带宽的上限(约22kHz)相比较，在音频介质和放大系统例如所谓的超级音频格式(SACD和DCDA)中的开发扩展了驱动现代扬声器所提供的频率范围，高达96kHz。 

众所周知，使用具有较高杨氏模量值和较低密度的材料制造的较轻的、更刚硬的高频扬声器结构显示较高的频率共振。由此，很多报道在高频扬声器中使用金刚石。现有技术记录了由各种各样的装置制造的扬声器圆顶的各种结构，但是，所报道的性能优势通常差，并且，这种扬声器圆顶不通用。此外，在实际的现有技术中，高频扬声器装置是基于诸如Al、Be和塑料的其他材料以及各种各样的几何结构。 

美国专利5,556,464公开了金刚石圆顶应用于扬声器，其详细地描述了以设计成控制边裂纹逐渐形成的方式限定整体平面法兰的边缘。德国专利10049744公开了使用金刚石圆顶凹向地安装在音圈模型(former)，从而，圆顶的边缘是无支撑的。这种几何结构在圆顶结构中提供各种各样的不希望的共振，这可以使输出声音变色。更近来，Bower和Wilkins(B&W Loudspeakers Ltd，Dale Road，Worthing，West Sussex，England)开创了使用金刚石圆顶的各种各样的扬声器，其设计在共同未审的英国专利申请0408458.8中有所描述。 

然而，对在扬声器圆顶中使用金刚石和其他的硬材料是有限制的，具体来说，例如，在大礼堂所需的较大的单元中。这种大单元的共振频率不容易替换为超出它们影响听觉的点的高频率，并且，高刚度材料和高刚度结构通常在共振时具有低的衰减因子或者高的Q因子。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种由金刚石制成的三维刚性部件，优选通过CVD金刚石合成法制成净形，包括在其一个或者多个主表面上的涂层，该涂层设计成增强性能和/或改变部件的外观。 

在本发明的该方面的优选实施例中，该涂层设计成充当衰减介质。照此，表面涂层提供：最佳位置，以提供横向波在结构表面上传播的衰减；以及充足位置，以提供压缩波在结构平面内的衰减。 

衰减的介质优选提供明显的衰减，甚至以薄膜的形式，同时提供低的额外质量给所述部件，下文称为低的额外的面密度。 

涂层可能不会均匀地施加在所述结构上，但是，在所述结构对增加给结构的质量不敏感的区域，该涂层可以比较厚，尤其是如果这些区域在总体上给所述部件提供得自涂层的衰减好处的方面一样有效，或者在一些情况下更有效。 

在本发明的该方面的另一优选实施例中，额外地或者作为另一选择，该涂层给部件提供美感质量。例如，在结构可见的高音值应用中，合适的是，使用涂层改变部件的颜色、颜色均匀性或者透明度。 

该部件优选是扬声器圆顶。 

根据本发明的第二方面，一种三维扬声器部件，尤其是扬声器圆顶，由高硬度(尤其是高的比硬度)的材料或者高刚度的材料例如具有高刚度的部分致密化材料制成，并且，包括在其一个或者多个主表面上的涂层，该涂层设计成增强性能和/或改变部件的外观。 

再次，涂层可以作为衰减介质提供并且/或者给部件提供美感质量，如上所述。 

在扬声器圆顶的情况中，涂层可以放置在圆顶的内表面或者圆顶的外表面或者其组合上。优选地，用于美学目的的涂层放置在圆顶的可见表面的外面上，尤其在圆顶由金刚石制成的情况下。 

尤其有用的组合是用以改变或者控制美感性的在圆顶的外表面或者可见表面上的涂层、和用于提供衰减特性的在圆顶的内表面或者非可见表面上的涂层，它们可以是相同的或者不同的涂层。

另一尤其有用的组合是多晶CVD金刚石圆顶，其中，多晶金刚石层的生长面形成圆顶的外表面或者可见表面，该表面涂布有金属。在这种情况下，该金属增强金刚石层的小平面，提供光散射或者“光辉”。通过合适的照明可以进一步地增强这种效应，这种照明要么结合到扬声器系统，要么形成使用扬声器的环境的一部分。 

合适的涂层材料包括：金属，例如，Ti、Au、Pt和Al，例如，尤其Ti、Au和Al；以及聚合物、塑料和其他固体有机材料，包括，例如，基于聚合物的涂料、抗蚀剂和光致抗蚀剂。 

对于美学目的，金属尤其有用，其中，优选的金属是Ti、Pt和Au。然而，它们还可以提供衰减，优选的金属是Au、Pt和Al。在美学应用中，涂层的厚度可以非常薄，从而，不会明显地增加结构的总面密度。 

聚合物和塑料在提供衰减方面尤其良好，尤其基于长链分子的那些。这里，重要的问题是长期的粘附性，但是，另外，还必须考虑给结构增加的面密度以及这对共振行为的影响，因为通常需要一定厚度的层。通过细心地选择涂层材料，使用可涂到一个或两个主表面上的单一一种涂层材料，既可以提供美感又可以提供衰减好处。 

本发明的部件优选包括具有一体的线圈安装法兰或者管的圆顶部分，使得该部件适合用作扬声器圆顶，其具有一个或者多个涂层，如上所述。从收听者的一侧观看，圆顶体通常是凸出的。 

在本发明的尤其优选的实施例中，该部件是高性能的高频扬声器圆顶，尤其是适用于高声功率发射的高功率高频扬声器圆顶，例如，在礼堂等中所需的扬声器圆顶。 

具体实施方式

本发明涉及具有相对较低质量的三维刚性部件的形成，该部件被涂覆以提供额外的衰减或者美感特性。 

三维刚性部件由高硬度(优选，高的比硬度)材料或者具有高刚度的部分致密化材料形成，并且在其一个或者多个主表面上带有涂 层。该涂层设计成增强性能和/或改变部件的外观。 

在其上施加有涂层的所述三维刚性部件，优选扬声器部件，尤其是扬声器圆顶，可以包括下述之一： 

a)金刚石结构，其通过CVD金刚石合成法制造成净形； 

b)嵌入有超硬的颗粒或者砂砾(优选地，金刚石和/或cBN颗粒或者砂砾)的致密化的金属或者金属合金基体组合物； 

c)嵌入有超硬的颗粒或者砂砾(优选地，金刚石和/或cBN颗粒或者砂砾)的部分地致密化的金属或者金属合金基体组合物； 

d)部分地致密化的金属或者金属合金。 

为了清楚起见，下面定义一些术语。 

硬度是与材料的弹性模量(杨氏模量)有关的特定技术术语： 

硬度＝杨氏模量＝E。 

通常，第二关键参数是材料的密度，所以，另一术语定义为： 

比硬度＝E/ρ，其中，ρ＝密度。 

然而，使用具有相同硬度的材料，有可能构建比其他的结构更少柔性的结构，例如，与在平板上的工字梁(I beam)相比较。因此： 

刚度＝结构抵抗由于弯曲所引起的变形的能力。 

在结构泡沫或者部分致密化材料中，或者，在包括不同的层例如涂布有其他材料的金刚石圆顶中，另一关键的参数是面密度或者每单位板面积的密度： 

面密度＝ρ/A，其中，A＝板平面内的面积。 

在圆顶或者类似的三维结构中，刚度是圆顶的壁或者壳厚度的函数，也是多个参数例如圆顶由其形成的球的半径和形成圆顶的球的比例的函数。 

在整个说明书中采用硬度、比硬度、刚度和面密度的这些定义。 

关于涂层施加到其上以改变结构的衰减或者共振行为的由嵌入 有超硬的颗粒或者砂砾(优选地，金刚石和/或cBN颗粒或者砂砾)的金刚石或者致密化金属或者金属合金基体组合物形成的三维部件或者主体，在它们之上施加的涂层(一个或者多个)优选满足下述标准中的一个或者多个： 

a)主体由薄层形成，具体来说，形成主体的层的厚度优选地不超过500μm，较优选地不超过200μm，更优选地不超过100μm，甚至更优选地不超过70μm，最优选地不超过50μm； 

b)形成主体的层的厚度优选地超过5μm，较优选地超过10μm，更优选地超过20μm，甚至更优选地超过30μm，最优选地超过40μm； 

c)用于改变衰减性质或者共振性质的涂层可以放置在所述结构的一个或者两个主表面上。其中，在涂层只放置在一个表面上的情况下，这个表面优选是正常使用时的内表面或者较少看得见的表面； 

d)所述涂层使所述结构的面密度优选地增加了小于20％，较优选地增加了小于10％，更优选地增加了小于5％，甚至更优选地增加了小于2％，最优选地增加了小于1％； 

e)所述涂层可以是完全致密化的，或者，它可以是仅仅部分致密化的，或者，它可以是多孔的。尤其，该层可以是泡沫的； 

f)所述涂层在整个结构中的厚度和/或面密度上可以是均匀的，或者，它的厚度和/或面密度可以变化以优化总衰减效率，同时减少对结构的总面密度和破碎或者其它共振频率的影响； 

g)所述涂层优选是有机的。涂层的尤其有益的形式包括长的有机链，其中例如可以通过UV固化来改变交联度，作为优化所述层的性质的一部分，尤其是其在感兴趣的频率处的衰减效率；

h)有机层优选包含重元素，例如，卤素有机结构中的氯、溴等，或者它可以包含金属原子； 

i)涂层自身可以包括一个以上的层，例如，第一层对刚性结构的表面提供良好的粘附性，第二层提供所需的衰减效率。 

另外，所述涂层在产品的预期寿命中必须是粘性的，并且，在该产品寿命期间，在应用产品的正常环境条件下，该涂层保持其机械/衰减性质而没有明显的变化。 

关于涂层施加到其上以改变或者增强结构的美感的由嵌入有超硬的颗粒或者砂砾(优选地，金刚石和/或cBN颗粒或者砂砾)的金刚石或者致密化金属或者金属合金基体组合物形成的三维部件或者主体，在它们之上施加的涂层(一个或者多个)优选满足下述标准中的一个或者多个： 

a)主体由薄层形成，具体来说，形成主体的层的厚度优选地不超过500μm，较优选地不超过200μm，更优选地不超过100μm，甚至更优选地不超过70μm，最优选地不超过50μm； 

b)形成主体的层的厚度优选地超过5μm，较优选地超过10μm，更优选地超过20μm，甚至更优选地超过30μm，最优选地超过40μm； 

c)用于改变或者增强结构美感性的涂层可以放置在结构的一个或者两个主表面上。其中，在涂层只放置在一个表面上的情况下，这个表面优选是正常使用时的外表面或者更可能看见的表面； 

d)所述涂层使所述结构的面密度优选地增加了小于3％，较优选地增加了小于1％，更优选地增加了小于0.5％，甚至更优选地增加了小于0.2％，最优选地增加了小于0.1％； 

e)涂层优选是完全致密化的，或者与施加方法实际上所允 许的一样完全致密化的； 

f)在整个结构上涂层的厚度可以变化，但是，一般来说，在存在涂层的那些区域上涂层的厚度是均匀的，均匀的程度至少达到施加涂层的方法所允许的程度。涂层可以是仔细地被图案化的，以提供额外的视觉影响或者另一种可见特性，所述的图案结构包括涂层中的窗或者由不同的金属或者其他材料构成的区域的组合，以形成可见图案； 

g)涂层优选是金属或者金属合金； 

h)涂层自身可以包括一个以上的层，例如，第一层对金刚石表面提供良好的粘附性，其中Ti是尤其可适用的，第二层提供光学不透明度和其他特性，例如所需的颜色。 

在理想的情况下，对于具有商标或者其他字符或者符号的刚性结构的标记，可以提供美感涂层。该符号可以提供作为区域间的颜色的变化，例如，使用Pt或者Ti背景和Au字符，或者通过在涂层中留下透明的孔径。后者尤其适用于金刚石结构，例如，金刚石扬声器圆顶，因为由此该圆顶可以使背光源和字符作为圆顶的被照明区域可见。在这种环境下，着色的又透明的第二涂层可以给背光照明的字符提供颜色。 

具体来说，本发明涉及在音响扬声器驱动单元的应用中使用这种部件。 

由上述装置中的任何装置制造的部件可以是圆顶部分，其可以具有一体的线圈安装法兰或者管，从而其适用于用作扬声器圆顶。优选地，在基本上不受环境影响的理想的底座上进行试验时，高频扬声器圆顶演示了下述性质中的一个或者多个的组合： 

a)破碎频率(BUF)，用于节直径为26mm、曲率半径为20mm的扬声器圆顶，针对其他尺寸进行适当的标定，该破碎频率大于31kHz，优选地大于45kHz，更优选地大于55kHz，甚至更优选地大于65kHz，最优选地 大于75kHz。 

b)在允许相下降的情况下，在3/9BUF处，优选地在4/9BUF处、较优选地在5/9BUF处、更优选地在6/9BUF处、最优选地在7/9BUF处进行测量，轴上响应曲线偏离理想模拟的轴上响应曲线的偏差小于5dB，优选地小于3dB，更优选地小于2dB，甚至更优选地小于1dB，最优选地小于0.5dB；以及 

c)在3/9BUF处，优选地在4/9BUF处、较优选地在5/9BUF处、更优选地在6/9BUF处、最优选地在7/9BUF处进行测量，轴上响应曲线偏离平坦响应曲线的偏差小于5dB，优选地小于3dB，更优选地小于2dB，甚至更优选地小于1dB，最优选地小于0.5dB。 

在另一可选的方案中，可以使用满足上述规格的高频扬声器来提供输出给现代的音频源，从而具有更高的音频质量和改善的美感。 

在本发明的该实施例的优选版本中，制造满足下述标准中的一个或者多个的高性能高频扬声器圆顶： 

a)高频扬声器是基于当从收听者的一侧观看时凸出的圆顶； 

b)高频扬声器圆顶是轴向对称的，并且基于抛物面，其中两个轴a，b(其中，a>＝b)是这样，a/b小于1.5，优选地小于1.2，更优选地小于1.1，甚至更优选地小于1.05，最优选地小于1.01； 

c)高频扬声器圆顶制造有一体的轴管部件，该部件要么直接提供用于音圈的模型结构，要么提供用于分离的音圈模型的机械附着装置，例如，由Al或者Kapton制成； 

d)高频扬声器的圆顶区域的直径超过24mm，优选地超过35mm，更优选地超过45mm，甚至更优选地超过55mm，最优选地超过65mm，并且，高频扬声器圆顶的曲率半径超过18mm，优选地超过26mm，更优选地超过33mm，甚至更优选地超过40mm，最优选地超过47mm。

本发明的扬声器圆顶具有很多好处。虽然金刚石(具有已知的最高的比硬度的材料)可以用来制造直径小于30mm的扬声器圆顶，其中第一破碎频率在70kHz或者至少在70kHz附近，除去了对高达20kHz的声频的任何明显的影响，但是通常需要较高功率输出(如在礼堂等中可以使用)的较大直径的高频扬声器也需要大的曲率半径，这个两个特性减少了圆顶的破碎频率。于是，金刚石的低衰减行为成了缺点。然而，通过将非常高的比硬度材料(例如金刚石)或者非常刚性的结构设计(例如部分致密化的金刚石金属基体组合物)与表面涂层相组合，其中该表面涂层提供合适的衰减而基本上不影响面密度，由此不影响破碎频率，可以改善扬声器的总听觉性能。 

观看所述组合结构，为了得到高衰减效率层的最有效的使用，将衰减层定位在外表面上是衰减横波的理想位置，因为在此点上的变形最大。横波是声波干涉的主要源，和/或由圆顶垂直于其跨度的振荡所激发的主要类型的波。虽然压缩波不被认为是声波干涉的主要原因，但是，通过将衰减层放置在穿过所述组合结构的厚度的任何位置上，均衡地衰减在圆顶平面内的压缩波，从而表面上的位置是令人满意的。 

可以用很多方法施加具有高衰减效率的涂层，所述方法包括： 

a)使用与涂料或者抗蚀剂相似的技术，通过旋涂法、喷涂法或者涂布法，作为溶剂介质中的有机物施加； 

b)作为多组分系统施加，该多组分系统以与环氧树脂非常相同的方式通过化学反应来硬化； 

c)作为单组分系统施加，该单组分系统通过热、光或者其他方式来固化或者硬化，这种方式包括在与空气接触、烘烤、UV固化等过程中的氧化作用。 

用于美学应用的涂层也可以通过很多技术来施加，所述技术包括：溅涂、蒸发技术、CVD涂布技术、等离子体喷射和热喷射。另外，可以使用各种各样的基于有机化学物的技术，例如，溶胶-凝胶加工术。

Claims (29)

1.一种扬声器圆顶，包括：由金刚石制成的圆顶体，该圆顶体具有相应的内表面和外表面；以及在所述圆顶体的一个表面或者两个表面上的涂层，

其中，所述涂层由选自包括金属、聚合物和其他固体有机涂层材料的群组中的材料制成，

其中，所述涂层布置成改变所述扬声器圆顶的衰减或者共振行为，

其中，所述扬声器圆顶的破碎频率大于45kHz，并且，在破碎频率的4/9处测量的轴上响应曲线偏离平坦响应曲线的偏差小于3dB。

2.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层包含选自Ti、Au、Pt和Al中的金属。

3.根据权利要求1或2所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层包含选自Ti、Au和Al中的金属。

4.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层包含基于聚合物的涂料或者抗蚀剂材料。

5.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述金刚石圆顶体通过CVD金刚石合成法制造成净形。

6.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述圆顶体的厚度为5μm至500μm。

7.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述圆顶体的厚度为20μm至100μm。

8.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述圆顶体的厚度为40μm至50μm。

9.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层衰减掉有害的振动，或者减少振动的振幅或振动对所述扬声器圆顶的音响性能的影响。

10.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层放置在所述圆顶体的内表面上。

11.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层使所述圆顶体的面密度增加了小于20％。

12.根据权利要求11所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层使所述圆顶体的面密度增加了小于5％。

13.根据权利要求12所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层使所述圆顶体的面密度增加了小于1％。

14.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层是部分致密化的或者多孔的。

15.根据权利要求14所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层是泡沫的。

16.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层由有机材料形成。

17.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层布置成改变或者增强所述扬声器圆顶的美感或者外观。

18.根据权利要求17所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层放置在圆顶体的外表面上。

19.根据权利要求17或者权利要求18所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层使所述圆顶体的面密度增加了小于3％。

20.根据权利要求19所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层使所述圆顶体的面密度增加了小于0.5％。

21.根据权利要求20所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层使所述圆顶体的面密度增加了小于0.1％。

22.根据权利要求17所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层由金属合金形成。

23.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述涂层被图案化以提供商标或者其他字符或者其他符号。

24.根据权利要求23所述的扬声器圆顶，其中，所述图案化包括适用于背光照明的在涂层中的开孔或者透明孔径。

25.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，包括一体的线圈安装法兰或者一体的线圈安装管。

26.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，所述扬声器圆顶为圆顶体的直径大于24mm的高性能的高频扬声器圆顶。

27.根据权利要求26所述的扬声器圆顶，其中，所述扬声器圆顶是适用于礼堂中所需的高声功率的高频扬声器圆顶。

28.根据权利要求26所述的扬声器圆顶，其中，所述高频扬声器的圆顶体的直径大于35mm。

29.根据权利要求1所述的扬声器圆顶，其中，所述聚合物是塑料。