CN101395956A - 用于扬声器的声音海绵 - Google Patents

Abstract

说明书和附图提供通过使用声音海绵块分割扬声器的后腔缩小扬声器的尺寸的新方法和装置。声音海绵块是由放置在扬声器膜片后面但并不与其直接接触的一块材料内作出的具有预定尺寸(例如，直径和长度)的由预先选择的材料制成的一组细管道(例如，小直径平行管道或平行圆柱)。由于非常细的管道直径的阻抗显著下降，由多个非常细的管道(例如，管道直径的数量级为微米)组成的声音海绵块可以充分吸收反向方向上从膜片的后侧发出的声波。

Description

用于扬声器的声音海绵

相关申请的优先权和交叉引用

本申请要求2006年3月9日提交的美国专利申请序号11/373,825的优先权。

技术领域

本发明一般涉及音响和音频换能器技术领域，更具体地，涉及通过使用声音海绵(sound sponge)改善其性能而减小扬声器尺寸。

背景技术

人们正在考虑在移动产品中使用新的扬声器技术，与当前使用的动圈类型相比，新的扬声器技术有许多优势，如潜在的更高的效率，更高的品质或关于产品形状系数的更大的灵活性。然而，它们的最大共同点在于非常轻的柔性膜片，因此，不能与例如密封空腔设计模式一同工作，因为这将为其提供太多的刚性，所以会大大减小低频输出。开放后部的设计也不令人满意，因为从后部发出的声音和从前部发出的声音处于相反相位，所以前者会部分抵消后者。这似乎是主要技术瓶颈。

因此，通常在移动产品中使用常规后腔密封的重(移动质量)且效率差的动圈扬声器。当前，仅在使用静电或平面磁性原理的高保真扬声器中才使用轻的膜片，在使用静电或平面磁性原理的高保真扬声器中，可以把膜片做得足够大以中和后部的声波的抵消效果。在非移动扬声器箱体中使用所谓的“吸音”材料来控制驻波，但它们对较低频率没有什么效果，因此，不能显著减小箱体的尺寸。此类材料包括纤维材料，泡沫材料和具有任意孔隙尺寸的其他多孔材料。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种扬声器，包括：膜片，被配置用来在正向和反向方向上利用扬声器的振动来提供声信号；以及声音海绵块，包括由放置在该膜片后面但并不与该膜片物理接触的由预先选择的材料制成的多个管道，其中该多个管道具有预定几何尺寸，以充分吸收该反向方向上的从该膜片的后侧发出的声波。

另外，根据本发明的第一方面，该多个管道可以是圆柱。此外，该圆柱的直径在0.1到10微米之间。

再者，根据本发明的第一方面，可以密封距离该膜片最远的该多个管道的尾部，并且其端接比阻抗为无穷大。

更进一步，根据本发明的第一方面，该多个管道彼此平行。

另外，根据本发明的第一方面，该多个管道大体上垂直于该膜片的表面。

更进一步，根据本发明的第一方面，该多个管道的横截面包括或小于该声音海绵块的总横截面面积的90％。

根据本发明的第二方面，一种电子设备，包括：信号提供装置，被配置用来提供电驱动信号；以及响应于该电驱动信号的扬声器，被配置用来响应于该电驱动信号提供该电子设备的声信号，其中该扬声器包括：膜片，被配置用来在正向和反向方向上利用该扬声器的振动来提供该声信号；以及声音海绵块，包括由放置在该膜片后面但并不与该膜片物理接触的由预先选择的材料制成的多个管道，其中该多个管道具有预定几何尺寸，以充分吸收该反向方向上的从该膜片的后侧发出的声波。

另外，根据本发明的第二方面，该膜片可以是由光学透明材料制成的，以便把该扬声器和该电子设备的显示器组合起来。

根据本发明的第三方面，一种方法，包括：利用扬声器的膜片的振动，在正向和反向方向上提供声信号；以及通过使用声音海绵块吸收反向方向上从该膜片的后侧发出的声波，该声音海绵块包括由放置在该膜片后面但并不与该膜片物理接触的由预先选择的材料制成的多个管道，其中该多个管道具有预定几何尺寸，以充分吸收该声波。

另外，根据本发明的第三方面，该多个管道可以是圆柱。此外，该圆柱的直径在0.1到10微米之间。

再者，根据本发明的第三方面，可以密封距离该膜片最远的该多个管道的尾部，并且其端接比阻抗为无穷大。

更进一步，根据本发明的第三方面，该多个管道彼此平行。

另外，根据本发明的第三方面，该多个管道大体上垂直于该膜片的表面。

更进一步，根据本发明的第三方面，该多个管道的横截面包括或小于该声音海绵块的总横截面面积的90％。

仍然更进一步，根据本发明的第三方面，声音海绵块具有预定频率范围内基本上不变的声阻抗的实部。此外，该频率范围为10Hz到10,000Hz。

更进一步，根据本发明的第三方面，声音海绵块具有预定频率范围内基本不变的声阻抗的实部。此外，该频率范围为10Hz到10,000Hz。

附图说明

通过连同附图一起参照以下详细说明，可以更好地理解本发明的性质和目的，其中：

图1a和图1b是a)根据现有技术的和b)根据本发明的一个实施例的带有声音海绵块的电动扬声器的示意图；

图2a和图2b是a)根据现有技术的和b)根据本发明的一个实施例的带有声音海绵块的静电扬声器的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的声音海绵块的横截面；

图4a和图4b是适用于根据本发明之实施例的a)直径为1μm、长度为100μm、填充因子为1/2的圆柱形管道的和b)直径为1.5μm、长度为500μm、填充因子为1/2的圆柱形管道的作为声音海绵块之频率的函数的声阻抗率的模拟结果的曲线图；以及

图5是根据本发明的一个实施例的包含有带有声音海绵的扬声器的电子设备的框图。

具体实施方式

提出了通过使用声音海绵块分割扬声器的后腔来减小扬声器的尺寸的新方法和装置。根据本发明的一个实施例，该声音海绵块是由放置在扬声器膜片(也称为膜)后面但实际上并不与该膜片直接接触的一块材料内形成的由预先选择的具有预定尺寸(例如，直径和长度)的材料制成的一组细管道(例如，小直径平行管道或平行圆柱)。管道可以是由诸如(但不限于)金属、塑料、玻璃、硅或陶瓷的硬性可蚀刻材料制成的。通常，膜片利用正向和反向方向上的振动提供声信号，由于非常细的管道直径的阻抗显著下降，由多个管道组成的声音海绵块充分吸收反向方向上从膜片的后侧发出的声波。非常细的管道(例如，管道直径的数量级为微米，例如，从0.1到10微米)可以减慢声音的速度，从而其性能就像更长的管道一样。请注意，对于直径为100μm、10μm和1μm的圆形管道，声音的波传播速度分别为33m/s、3.3m/s和0.33m/s。传播速度减小说明非常细的管道直径的阻抗的最终下降。

在一个实施例中，各管道的中心线可以基本上与膜片的中心线平行(亦即，各管道垂直于平面膜片的表面)。对管道的尺寸(例如，直径和长度)进行优化，以吸收而不是阻止从膜片的后侧发出的声音，并逐渐减弱膜片的振动模式。通常使用与管道本身相同的材料密封(堵塞)距离该膜片最远的管道的尾部，并且其端接比阻抗为无穷大。吸收是通过粘性边界损耗和热传导实现的。单腔主要提供对抗膜片的运动的刚性，因此必须足够大以把刚性降到最低程度。由于空腔被分成平行管道，声波因粘性和热损耗而减速，从而阻抗下降并主要变成阻性的，这允许有效控制膜片的共振模式。因此，可以大大缩减总的腔体空间。

根据本发明的实施例，在移动设备(例如，移动电话)中实现带有声音海绵的扬声器是非常简单的，因为可以去除扬声器的后腔，代之以作为扬声器的一部分的声音海绵块。扬声器系统的总体积可以非常小(例如，约为两到三立方厘米)。

带有声音海绵(声音吸收体)的扬声器可以用于各种电子设备，包括但不限于：通信设备，计算机，无线通信设备，便携电子设备，移动电子设备，移动电话等。

声音海绵的主要优点是，其能够在小空间内使用高效高品质(即，低失真和平坦频率响应)膜类型扬声器。现时的移动扬声器设计通常为0.01％有效。声音海绵能够吸收低频波，而这是任意孔隙尺寸的现有技术吸音多孔材料无法实现的。

如果开发透明型扬声器(例如，膜片是由光学透明材料制成的)，则可以把扬声器和电子设备的显示器组合起来，例如，直接把扬声器安装到显示器的前面，由此开启各种工业设计可能性。由于效率提高，也可以生产与音乐播放手机一起使用的WLAN(无线局域网)扬声器。可以利用具有较强续航能力的电池为这种扬声器供电。

图1a和图1b表示a)根据现有技术(图1a)和b)根据本发明的一个实施例的带有声音海绵块18(图1b)的电动扬声器10和10a的示意图的示例。根据本发明的实施例，使用带有图1b所示的多个平行圆柱导管16的声音海绵块18吸收反向方向上的扬声器膜片14发出的反向波，取代在图1a所示的现有技术情况中使用空腔。密封(堵塞)距离膜片14最远的管道16的尾部，并且其端接比阻抗为无穷大。

注意到膜片14通常可以是用于提供声信号的装置或其结构上相当(或等价结构)。同时，声音海绵块18通常可以是用于吸收的装置或其结构上相当(或等价结构)。

图2a和图2b表示a)根据现有技术和b)根据本发明的一个实施例的带有声音海绵块18的静电扬声器20和20a的示意图的示例。在图2a所示的现有技术情况中，需要一个大的连续的密封空腔12a来减弱/抵消反向波影响，不幸的是这会降低扬声器20的低音响应。根据本发明的实施例，在尺寸更小(L1<<L)的分割空腔设计中，使用带有多个平行圆柱管道16的声音海绵块18来吸收反向方向上的扬声器平坦膜片14a(其电极22a和22b靠近膜片14a的表面)发出的反向波，取代在图2a所示的现有技术情况中使用大的空腔12a。由此产生没有低音损耗的小的分割空腔。同时，密封(堵塞)距离膜片14a最远的管道16的尾部，并且其端接比阻抗为无穷大。请注意，正如上面描述的那样，如果膜片14a以及电极22a和22b是由光学透明材料制成的(例如，电极可以是由诸如金属的导电材料或诸如氧化铟锡的带有导电透明涂层的非导电透明塑料制成的)，则可以把扬声器20a和电子设备的显示器组合起来。

图3是根据本发明的一个实施例的声音海绵块18的横截面的示例。管道16为小直径(通常其数量级为微米，如从0.1到10微米)的圆柱，然而，本发明的各种实施例同样可以应用于直径更大的管道。此类管道16的填充因子应尽可能高，以便把阻抗降到最低程度。例如，1/2的填充因子(亦即，海绵块18的横截面的一半包含管道16)可以使声阻抗率翻番。1/3的填充因子(亦即，海绵块18的横截面的三分之一包含管道16)可以使声阻抗率增至三倍。

图4a和图4b是适用于根据本发明之实施例的a)直径为1μm、长度为100μm、填充因子为1/2的圆柱形管道的和b)直径为1.5μm、长度为500μm、填充因子为1/2的圆柱形管道的作为声音海绵块18之频率的函数的声阻抗率的模拟结果的曲线图的示例。特别地，对于图2b所示的静电扬声器20a，图4a所示的90-100雷耳的突出电阻阻抗在一个宽(例如，预定)频率范围(例如，从10Hz到约10,000Hz)内是最优的，因为它能提供良好的膜片振动模式衰减，而不会减弱正向方向上的声输出。分析显示，管道直径不能增加太多。如果增加管道直径，则必须增加管道长度以获得在10Hz频率下的相同阻抗，这导致图4b所示的在较高频率下阻抗增加(通常增加的阻抗与频率的平方根成比例)。该结果适用于填充因子为1/2的声音海绵。

图4a和图4b的模拟结果是通过使用M.R.Stinson在“ThePropagation of Plane sound Waves in Narrow and Wide Circular Tubes，and Generalization of Uniform Tubes of Arbitrary Cross-SectionalShape”，Journal of Acoustical Society of America，89(2)，p550-558(1991)中导出的公式生成的。通过按以下方式对一端封闭的管道(具有无穷大的端接比阻抗zT＝∞)应用分别适用于波数和平均速度的Stinson的公式43和45，可以计算比阻抗：

$Z_I{|}_{z_T=\&infin;}\&ap;-i{z}_0\cot \mathrm{kL}---\left(1\right)$

其中

$z_0\&ap;-\frac{\mathrm{\&omega;\&rho;}}{k}{(1-\frac{{2J}_1\left(a\sqrt{k_V^2-k^2}\right)}{k_{V}a{J}_0\left(a\sqrt{k_V^2-k^2}\right)})}^{-1}---\left(2\right),$

$k\&ap;\frac{\mathrm{\&omega;}}{c}\sqrt{(1+\frac{2(\mathrm{\&gamma;}-1)J_1\left(k_{T}a\right)}{k_{T}a{J}_0\left(k_{T}a\right)}){(1+\frac{2J_1\left(k_{V}a\right)}{k_{V}a{J}_0\left(k_{V}a\right)})}^{-1}}---\left(3\right),$

$k_T\&ap;\sqrt{-\frac{\mathrm{i\&omega;\&rho;}{c}^2}{(\mathrm{\&gamma;}-1)\mathrm{\&kappa;}{T}_0}}---\left(4\right),$

$k_V\&ap;\sqrt{-\frac{\mathrm{i\&omega;\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}}---\left(5\right),$

其中a是圆柱管道的半径，L是其长度，k是声波的波数，μ是管道介质粘性，γ是在管道介质的等压和等积(C_p/C_v)下的比热的比率，κ是管道介质的热传导率，ρ是管道介质密度，T₀是绝对稳态温度，c是声音在管道介质中的真空速度，J₀和J₁是零阶和一阶贝赛尔函数。

在非常细(a→0)的管道情况中，公式1可以简化为：

$Z_I{|}_{z_T=\&infin;,a\&RightArrow;0}\&ap;-i{z}_0^{\&prime;}\cot \frac{2L}{\mathrm{ac}}\sqrt{\frac{\mathrm{\&gamma;\&mu;\&omega;}}{\mathrm{i\&rho;}}}---\left(6\right),$

其中

$z_0^{\&prime;}{|}_{a\&RightArrow;0}\&ap;-\frac{\mathrm{a\&rho;c}}{4}\sqrt{\frac{2\mathrm{i\&omega;\&rho;}}{\mathrm{\&gamma;\&mu;}}}{(1-\sqrt{1-8\mathrm{\&gamma;}{\left(\frac{\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{a\&rho;c}}\right)}^2})}^{-1}---\left(7\right).$

图5表示根据本发明的实施例的包含有带有声音海绵块的扬声器36的电子设备30的框图的说明性示例。电子设备30可以是但不限于如通信设备，无线通信设备，便携电子设备，移动电子设备，移动电话，计算机等。

接收/发送/处理模块32(除接收机、发射机、CPU等之外，还包括解码和音频增强装置)接收或发送语音信号40。在收到语音信号40时，方块32生成接收的信号42，并且通过使用信号提供装置(数模(D/A)转换器)34和扬声器36提供给用户38作为音频语音信号(亦即，电驱动信号)46。同时，电子设备30包括诸如显示器、存储器和麦克风的其他标准块，这些标准块响应于用户38生成的声信号以提供电信号(电信号又被提供给块32，以向外部的接收人发送语音信号40)。根据本发明的实施例，扬声器36可以是以独立块的方式实现的，或者把它和电子设备30的任一其他标准块组合起来。例如，如上所述，如果扬声器36是用透明方式实现的，则可以把扬声器36和电子设备30的显示器组合起来，例如，在图2b所示的静态实现中，与透明膜片14a和电极22a、22b组合起来。因此，可以直接把扬声器36安装到显示器的前面。

另外，注意到特定应用可用独立使用、组合或者选择性组合本文阐述的本发明的各种实施例。

可以理解，上述构造仅仅说明本发明之原理的应用。本领域的熟练技术人员可以设计各种变更和可选构造而并不背离本发明的范围，所附权利要求书旨在覆盖所有此类变更和构造。

Claims (23)

1.一种扬声器，包括：

膜片，被配置用来在正向和反向方向上利用来自所述扬声器的振动来提供声信号；以及

声音海绵块，包括由放置在所述膜片后面但并不与所述膜片物理接触的由预先选择的材料制成的多个管道，其中所述多个管道具有预定几何尺寸，以充分吸收所述反向方向上的从所述膜片的后侧发出的声波。

2.根据权利要求1的扬声器，其中所述多个管道是圆柱。

3.根据权利要求2的扬声器，其中所述圆柱的直径在0.1到10微米之间。

4.根据权利要求1的扬声器，其中密封距离所述膜片最远的多个管道的尾部，并且其端接比阻抗为无穷大。

5.根据权利要求1的扬声器，其中所述多个管道彼此平行。

6.根据权利要求1的扬声器，其中所述多个管道大体上垂直于所述膜片的表面。

7.根据权利要求1的扬声器，其中所述多个管道的横截面包括或小于所述声音海绵块的总横截面面积的90％。

8.根据权利要求1的扬声器，其中声音海绵块具有在预定频率范围内基本上不变的声阻抗的实部。

9.根据权利要求8的扬声器，其中所述频率范围为10Hz到10,000Hz。

10.一种电子设备，包括：

信号提供装置，被配置用来提供电驱动信号；以及

响应于所述电驱动信号的扬声器，被配置用来响应于所述电驱动信号，提供所述电子设备的声信号，其中所述扬声器包括：

膜片，被配置用来在正向和反向方向上利用来自所述扬声器的振动来提供所述声信号；以及

声音海绵块，包括由放置在所述膜片后面但并不与所述膜片物理接触的由预先选择的材料制成的多个管道，其中所述多个管道具有预定几何尺寸，以充分吸收所述反向方向上的从所述膜片的后侧发出的声波。

11.根据权利要求10的电子设备，其中所述膜片是由光学透明材料制成的，以便将所述扬声器和所述电子设备的显示器组合起来。

12.一种方法，包括：

利用扬声器的膜片的振动，在正向和反向方向上提供声信号；以及

使用声音海绵块吸收在反向方向上从所述膜片的后侧发出的声波，所述声音海绵块包括由放置在所述膜片后面但并不与所述膜片物理接触的由预先选择的材料制成的多个管道，其中所述多个管道具有预定几何尺寸，以充分吸收所述声波。

13.根据权利要求12的方法，其中所述多个管道是圆柱。

14.根据权利要求13的方法，其中所述圆柱的直径在0.1到10微米之间。

15.根据权利要求12的方法，其中密封距离所述膜片最远的多个管道的尾部，并且其端接比阻抗为无穷大。

16.根据权利要求12的方法，其中所述多个管道彼此平行。

17.根据权利要求12的方法，其中所述多个管道大体上垂直于所述膜片的表面。

18.根据权利要求12的方法，其中所述多个管道的横截面包括或小于所述声音海绵块的总横截面面积的90％。

19.根据权利要求12的方法，其中声音海绵块具有预定频率范围内基本上不变的声阻抗的实部。

20.根据权利要求19的方法，其中所述频率范围为10Hz到10,000Hz。

21.根据权利要求12的方法，其中所述电子设备为通信设备，计算机，无线通信设备，便携电子设备，移动电子设备或移动电话。

22.一种扬声器，包括：

利用所述扬声器的振动在正向和反向方向上提供声信号的装置；以及

用于吸收的装置，包括由放置在所述膜片后面但并不与所述膜片物理接触的由预先选择的材料制成的多个管道，其中所述多个管道具有预定几何尺寸，以充分吸收所述反向方向上的从所述膜片的后侧发出的声波。

23.根据权利要求22的扬声器，其中所述用于提供声信号的装置是膜片，并且所述用于吸收的装置是声音海绵块。

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