CN101185372B - 电声换能器 - Google Patents
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Abstract
一种电声换能器，其包括具有声传播表面的前面部件、支持前面部件且从前面部件的外围区域沿远离声传播表面的方向延伸的支持部件以及给换能器提供刚性的加强部件。加强部件从支持部件延伸到前面部件，以致于加强部件的一部分与前面部件和/或支持部件隔开。
Description
本发明涉及一种电声换能器，且尤其涉及用于扬声器的这种换能器。本发明具体地涉及一种圆顶形(dome-shape)换能器，例如通常称作“高音喇叭”的高频换能器。
设置成能够传播高频(例如大于约15kHz)声波的、刚性的(“硬的”)圆顶形电声换能器已经在扬声器中使用了许多年。它们的理想功能的基础在于，这种硬的圆顶形换能器是基本上刚性的(以使它们在使用期间呈现出最小的挠性)，而且其质量较轻(以使输入能量可以最大比率地转换为声输出能量)。这对目标已经通过把圆顶形状的固有的结构上的刚性和低密度材料的应用结合在一起来实现，其中低密度材料包括塑料材料、低密度金属及金属合金、陶瓷材料和合成材料。
已知的圆顶形电声换能器的大量具体示例包括(在众多其它示例中的)美国专利4531608和6757404B2中所公开的那些。
本发明设法提供一种改进的电声学换能器，其能够结合高刚性和低质量(low mass)这对特性，同时与现有技术中的换能器相比，其在形状上的约束较少。
因此，本发明的第一方面提供一种电声换能器，其包括具有声传播表面(acoustically radiating surface)的前面部件、支持前面部件且从前面部件的外围区域沿远离声传播表面的方向延伸的支持部件以及给换能器提供刚性的加强部件。其中，加强部件从支持部件延伸到前面部件，以致于加强部件的一部分与前面部件和/或支持部件隔开。
本发明通过给换能器提供在支持部件和前面部件之间延伸的、但与前面部件和/或支持部件隔开的加强部件而具有这样的优点，即换能器能够制作得具有高刚性和低质量，且同时在声传播表面的设计上具有很大的自由空间。因此，本发明与已知圆顶形换能器的基本区别在于，它基本上避免了这样的需要，即通过换能器的声传播部分形状上的设计来提供其所需刚性。而取而代之的是，对于根据本发明的换能器的声传播部分的形状的确定，可以主要地或(优选地)基本上完全地从声学的角度而非机械的角度来考虑。
在本发明的优选实施例中，加强部件的一部分与前面部件和支持部件两者都隔开。加强部件位于换能器的前面部件之后。
优选地，支持部件基本上从前面部件的外围延伸。优选地，前面部件的外围是基本上圆形的。有利地，支持部件可以是基本上圆筒形的。
优选地，至少加强部件的与前面部件和/或支持部件隔开的那一部分，基本上是圆顶形状的或截头圆顶形状的。有利地，加强部件的圆顶或截头圆顶可以具有基本上球形或基本上椭球形的曲率。备选地，加强部件的、与前面部件和/或支持部件隔开的那至少一部分，例如可以是基本上锥形的或截头锥形的。加强部件可以是基本上连续的，例如，围绕换能器的轴线。备选地，加强部件可以包括多个区段(section)，它们例如是彼此隔开的。例如，这样的区段可以包括加强支柱。例如，加强部件可以是带孔的(perforated)或者带有透气孔隙的(porous)。
优选地，加强部件和/或支持部件和/或前面部件是由一片或多片材料形成的。
在本发明的优选实施例中，换能器的前面部件是圆顶形的。优选地，前面部件的声传播表面是圆顶形的，而最优选地，它的形状基本上是球面的片断(segment)。
优选地，前面部件的声传播表面的半径或最小的半径大于加强部件的、与前面部件和/或支持部件隔开的那至少一部分的半径或最大半径。
在本发明的至少一些优选实施例中，换能器的加强部件与前面部件和/或支持部件隔开，其隔开的间距最大为5毫米，更优选地最大为3毫米，还更优选地最大为1毫米，尤其优选地最大为0.5毫米、例如最大为0.3毫米。
优选地，根据本发明的换能器的声传播表面具有至少10毫米的直径，更优选地至少15毫米，例如接近19毫米。优选地，换能器的声传播表面具有不大于120毫米的直径，优选地不大于100毫米，更优选地不大于80毫米，还更优选地不大于60毫米，尤其是不大于40毫米。
优选地，圆顶形换能器由基本上刚性的低密度材料形成，例如金属材料或金属合金材料、合成材料、碳纤维材料、塑料材料或陶瓷材料。用于形成合适的金属材料或合金材料的一些优选金属包括：钛、铝和铍。圆顶形换能器的声传播表面可以由特殊材料形成，例如金钢石(尤其是化学沉积的金钢石)。
本发明的第二个方面提供一种扬声器，其包括至少一个根据本发明第一方面的换能器。例如，该扬声器可以包括一个或多个另外的换能器和/或一个或多个声传播振膜。
本发明的第三个方面提供一种扬声器系统，其包括多个根据本发明第二方面的扬声器。
本发明其它优选的和可选的特征将在下文和从属权利要求中介绍。
现在将通过举例并参考附图来介绍本发明的优选实施例的示例，其中：
图1示意性地显示了结合有根据本发明的换能器的扬声器的一部分的截面图；
图2显示了图1的细节，具体地举例说明了根据本发明的电声换能器；并且
图3显示了根据本发明的加强了的换能器模型的声压级(单位为dB)与声音频率(单位为Hz)的函数关系，及具有相同形状声传播表面但是没有加强(且因此脱离了本发明的范围)的换能器模型的声压级(单位为dB)与声音频率(单位为Hz)的函数关系，并将两者相比较。
图1和图2示意性地显示了根据本发明的扬声器1的一部分的截面图。(两图都仅显示了扬声器在纵轴线12一侧的一半。扬声器关于该轴线对称。)扬声器1包括具有波导表面5的号筒波导(hornwaveguide)3和通常位于号筒波导喉部9内的根据本发明的凸圆顶形换能器7。凸圆顶形换能器7具有基本刚性的声传播表面11，其形状优选地基本上如同球面的片断。(也即，表面11的曲率基本上是球面的曲率。)换能器7包括加强部件6，其显示在图2中，但是为了清晰未在图1中显示。号筒波导3是大致为截头锥形的、外展的、静止的波导，其具有纵轴线12。圆顶形换能器7的环绕件13附接到喉部9之后的波导管3上。
圆顶形换能器7的驱动单元15包括壳体(pot)17、盘形磁铁19和盘形内极(pole)21。壳体17是基本圆筒形的，且具有开口23以容纳盘形磁铁19和盘形内极21。开口23由径向向内延伸的唇缘25限定，唇缘25形成驱动单元15的外极。圆顶形换能器7的基本上圆筒形的支持部件(或成形体)27承载围绕该支持部件27的电导体(例如金属线)线圈29。线圈29和成形体27在驱动单元的内极21和外极25之间延伸。圆顶形换能器7基本上沿轴线12被驱动单元驱动，且由环绕件13稳定。环绕件的挠性的连接板部件(或密封部件)31允许换能器7的轴向移动。优选地，环绕件13的连接板部件31的径向宽度上的外表面的至少50％与号筒波导喉部9交叠。
图2详细地显示了电学换能器7的一部分，换能器7包括具有声传播表面11的前面部件2，支持前面部件的、且从前面部件的外围区域4沿远离声传播表面的方向延伸的支持部件(或成形体)27以及给换能器提供刚性的加强部件6。加强部件6从支持部件27延伸到前面部件2，以使加强部件的一部分与前面部件和/或支持部件通过间隙8隔开。由加强部件6提供给换能器7的刚性提供了声传播表面11形状上的很大程度的设计自由度，使得该表面可以基本上完全地根据声学标准而非机械标准来设计。同样，加强部件的一部分与前面部件2和支持部件27隔开的事实意味着，加强部件可以具有较轻的质量，因此其对换能器只有最轻的惯性质量。(这是有利的，因为换能器7的质量越轻，则所施加的电能转换为声能的比率越高。)
优选地，如所例示的，加强部件(或至少与换能器的支持部件和/或前面部件隔开的那一部分)包括薄的片状材料。优选地，加强部件包括具有这样的片状材料，其厚度基本上与优选地形成换能器前面部件和/或支持部件的材料相同。然而可选地，加强部件可以比形成换能器前面部件和/或支持部件的材料较厚或较薄。同样，形成加强部件的材料可以与形成换能器前面部件和/或支持部件的材料相同，或者与其不同。例如，加强部件可以由碳纤维材料形成。如所例示的，加强部件优选地包括在换能器的支持部件和前面部件之间延伸的截头圆顶。有利地，加强部件以渐进的方式(progressive manner)传递换能器的支持部件和前面部件之间的力量。
图3显示了根据本发明的加强了的换能器模型的声压级(单位为dB)和声音频率(单位为Hz)的函数关系，及具有相同形状声传播表面但是没有加强(且因此脱离了本发明的范围)的换能器模型的声压级(单位为dB)和声音频率(单位为Hz)的函数关系，并将两者相比较。其中模型通过有限元素分析的手段在计算机上建模。计算机建模的根据本发明的换能器的结构如图2所示。计算机建模的未加强的换能器的也一样在图2中显示，只是没有加强部件6。
如同技术人员所已知的，为了让换能器充分地起作用，需要使换能器所发出声音的声压在基本上整个换能器的声频工作范围内尽可能地(对于给定的输入功率)恒定。对于根据本发明的优选换能器，工作频率范围通常从约5kHz到约20kHz(或可能更高；例如对于超音频压缩盘(SACD)系统，工作频率范围超过20kHz)。因此，对于根据本发明的换能器，其需要在该频率范围上具有尽可能恒定的(平的)声压级响应。
图3清楚地显示了，所建模的根据本发明的加强了的换能器，呈现出比未加强的换能器明显更平的声压级响应，尤其在从10kHz到20kHz的频率范围上(其是高频换能器、也即“高频扬声器”的最重要的范围)。因此，根据本发明的加强的换能器证明了其比未加强的换能器具有明显的声学优势。
Claims (20)
1.一种电声换能器，其包括具有声传播表面的前面部件、支持所述前面部件且从所述前面部件的外围区域沿远离所述声传播表面的方向延伸的支持部件以及给所述换能器提供刚性的加强部件，其中，所述加强部件从所述支持部件延伸到所述前面部件，以使所述加强部件的一部分与所述前面部件和/或所述支持部件隔开，且与所述前面部件和/或所述支持部件隔开的、所述加强部件的至少所述一部分是截头圆顶形状的。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述支持部件从所述前面部件的外围延伸。
3.根据任一项前述权利要求所述的换能器，其特征在于，所述前面部件的外围是圆形的。
4.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述支持部件是圆筒形的。
5.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述加强部件的所述截头圆顶形状具有球形的曲率。
6.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，与所述前面部件和/或所述支持部件隔开的、所述加强部件的至少所述一部分是连续的。
7.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述加强部件和/或所述支持部件和/或所述前面部件是由一片或多片材料形成的。
8.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，与所述前面部件和/或所述支持部件隔开的、所述加强部件的至少所述一部分包括多个区段。
9.根据权利要求8所述的换能器，其特征在于，所述区段的至少一些彼此隔开。
10.根据权利要求8所述的换能器，其特征在于，所述区段包括加强支柱。
11.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述加强部件是带孔的。
12.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述前面部件是圆顶形状的。
13.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述前面部件的声传播表面是圆顶形状的。
14.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述前面部件的所述声传播表面的形状是球面的片断。
15.根据权利要求13或14所述的换能器，其特征在于，所述前面部件的所述声传播表面的半径或最小半径大于与所述前面部件和/或所述支持部件隔开的、所述加强部件的至少所述一部分的半径或最大半径。
16.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能器还包括由所述支持部件承载的电导体线圈。
17.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能器还包括用于所述换能器的驱动单元的、磁体所形成的部件。
18.一种扬声器，其包括根据任一项前述权利要求所述的至少一个换能器。
19.根据权利要求18所述的扬声器，其特征在于，所述扬声器包括一个或多个另外的换能器和/或一个或多个声传播振膜。
20.一种扬声器系统，其包括根据权利要求18或19所述的多个扬声器。
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