CN101395957B - 静电扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静电扬声器，包括多层板(1)，所述多层板(1)由电绝缘中间层(2)夹在第一和第二导电外层(3，4)之间结合而成。信号装置(11)被设置用于施加交流电压穿过外层(3，4)以开始振动，所述振动归因于作用在所述外层(3，4)之间的静电力的变化，因而作为扬声器。而且，至少一个可渗透到空气中的所述外层(3，4)通过这个振动而位移。这种扬声器可以作为低成本音频扬声器，其可以做得重量轻并且可弯曲，或者大面积，从而使其适用范围宽，例如其可以在居家环境中、广播系统、或者在笔记本电脑或者移动电话中提供声音再现而不需要笨重的外壳。

Description

静电扬声器

技术领域

本发明涉及静电扬声器。

背景技术

扬声器一般能够分为三类，即静电的(线圈和磁铁)、压电的和电容性的。电磁扬声器应用在诸如hi-fi系统、收音机、电视机和计算机等很多装置中。它们产生高质量声音、生产便宜和好安置，然而它们具有相对笨重的缺点，并且其在所产生的声音的定向性上具有有限的控制。虽然电磁扬声器可以做到覆盖的范围从次音频(10HZ)到听觉范围最高点(20HZ)，但是如果需要高保真的再现，通常两三个分开的扬声器一起使用以横跨整个音频频率范围。

基于压电原理的扬声器目前有相当大的影响，由于他们可以被用于生产相对薄(几毫米)的扁平的扬声器，对于例如在飞机或者汽车中的空间宝贵的地方特别地有优势。然而，这种扬声器生产相对昂贵并且不易弯曲，限制了其使用的灵活性。

其它压电声源(具有非常低的声音质量)被生产，这种压电声音源的例子是被使用在唱歌圣诞卡中的单一形态。

近来，扁平板式扬声器出现在市场上，其具有分布模源，提供更好的定向性，该定向性已经可由先前扬声器布置实现。这些扬声器是扁平的，但是仍然需要激励机构(一般需要电磁装置，但是使用压电激励的变化是可能的)。这类转换器具有最大尺寸，意味着(一些应用所需要的)大面积源必须由这些装置的整列来实现，限制了所述源的定向性。

静电扬声器常常被考虑用来提供高质量的音频再现。一般地，这种扬声器在两个电极平面之间使用电传导薄膜。操作期间，薄膜以高(直流)极化电压静电地充电。如果(交流)音频信号施加在两个电极平面之间，变化的电场将建立，其具有使振动膜以产生声音的这中电压的频率来回移动的效应。然而，这种扬声器使用非常高的电压(1000V和1000V以上)并且需要大体积的外壳。它们还降低了低频率(低音)响应。

WO02/19764公开一种静电音频扬声器，包括多层板，设有夹在第一和第二导电外层之间的电绝缘中间层，所述层中至少一个具有在其与另一个层的表面接触处的成形表面，以及信号装置，所述信号装置用于在第一和第二层上施加交流电压，使得由于作用在层之间的静电力的变化而开始振动。这种扬声器在很多应用中满意地运行，但是，没有提供最高质量的声音再现，或者对于给定驱动电压没有提供最高声的输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种新颖的静电扬声器，其能够比WO02/19764中公开的扬声器有更好的质量和更高声的声音再现，并且能够被用于多种应用中，并且特别是用在空间或者重量是非常珍贵的应用，或者需要大区域或定向的声音源的应用。

根据本发明，提供一种静电音频扬声器，所述扬声器包括：多层板，所述多层板设有夹在第一和第二导电外层之间的电绝缘中间层，和信号装置，所述信号装置用于在外层上施加交流电压，使得由作用在所述外层之间的静电力的变化而开始振动。所述外层中的至少一个对于通过该振动而位移的空气是可透过的。一个(或者多个)所述外层可以由诸如网丝的多孔材料制成。而且所述层中的一个或者多个可以成形以增加声音输出和质量，虽然这并不总是必须的。

这种扬声器可以作为低成本音频扬声器，其可以做得重量轻并且可弯曲，从而致使其适合于宽的范围的应用。例如，这种扬声器可以是大面积片的形式，可以在家庭环境中在墙壁上或者靠近墙壁直接安装以提供声音再现，而不需要笨重的外壳，或者诸如在火车站可能需要那样直接安装在公共有线广播系统中。而且，这种扬声器会特别适合用于空间是特别珍贵的应用中，例如用在笔记本电脑或者移动电话中，或者集成在薄膜可弯曲显示器中。因为扬声器也可以做成透明的或者半透明的，因此可将其设在计算机屏幕中或者汽车侧窗户中。由于这种扬声器可以以低成本生产，其也可以适合于新颖的物品，诸如聒噪的海报和说话或唱歌的卡片中。

该扬声器能够具有大(或者小)面积的声源，以“平面活塞”模式操作，能够成形所述源，和能够容易制造源阵列(以上全部是本发明实施例的可能的特征)，由此这允许声音系统的设计者极好地控制声音场的定向性。例如，大的扁平的区域的源可以产生定向的声音束，这在机场被需要用于区域通知，即，只在特定区域内给出声音消息，或者在超市中仅在产品被展示的区域中被需要用于广告产品。

附图说明

为了更充分地理解本发明，以示例的方式参照附图，其中：

图1是本发明优选的实施例的部分的局部剖视图；

图2是与本发明优选的实施例一起使用的驱动电路的概图；和

图3是与本发明优选的实施例一起使用的驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面参照图1和2说明根据本发明的扬声器1的优选实施例。扬声器1包括多层板，所述多层板基本由三层或者更多层薄的、柔软材料组成，并且更具体地，电绝缘中间层2夹在顶和底导电外层3和4之间。中间层2是聚合物膜，聚合物膜可选择具有成形表面，所述表面具有与顶外层3接触的圆形凹陷(未显示)。顶外层3包括薄聚合物膜，聚合物膜设置有通过已知的诸如气相淀积的金属化过程应用到其外表面的金属化层。虽然在图1中顶外层3显示为单独的层，这个外层3可以由通过传统金属化过程应用到中间层2的后表面的金属化层所代替。

顶外层3可由例如民用铝箔、金属化箔、敷有导电涂料层的纸或者铜箔形成。然而，为了最大化扬声器输出，在外表面上设置有金属化层的薄聚合物膜是优选的。该聚合物膜具有非常低的质量，因而能够更好地将其运动耦合到产生声音的空气。在薄膜显示器的情况下，显示器自身可以用作扬声器中的层。

中间层2可以由例如纸、不透油的纸、布或者塑料形成。然而，似乎如果使用聚合物膜则输出是最佳的。通常，这个中间层2不需要为了优化音频再现而进行任何种类的成形。然而不排除这个层的成形。这个层可以被永久地静电充电以消除或者最小化所施加的直流偏压。

而且，两个导电外层的至少一个是多孔的，即是由扬声器的振动产生的空气可透过的。在图示实施例中，底外层4是薄的多孔导体膜，所述导体膜包括规则的、穿过层4延伸的孔矩阵。使用多孔底层4有助于促进扬声器的膜的运动，因此这确保在绝缘中间层2的后面的局部真空形式的压力不平衡不会抑制其它膜的任何正向的运动。

例如，多孔底层4可以由直径0.1mm的铝线交织网形成，交织网包括在一个方向延伸的平行编织线，该平行编织线利用斜纹编织样式(斜纹编织由各个编织线经由两条编织线之上并且然后经由两条编织线之下而形成)与在垂直方向延伸的编织线编织在一起。所述线之间的孔径的尺寸典型地是0.11mm，每英寸使用的线的数量典型地是120。由线直径控制的开口面积比是大约27％。

由实验发现，通过一对精密辊压所述网，从而，形成所述网的各个线横过它们的外表面而变平(其被称为砑光或压制)以增加来自扬声器的声压水平。

如图2中图解所示，直流电源7被设置用于在顶和底导电层3和4之间提供例如300V的直流电压。为了使所述层振动，信号发生器8连接在顶和底导电层3和4之间而用于施加交互信号以驱动所述扬声器1。虽然在图2中未示出，电容性的退耦装置可以被用于分开直流和交流电压。直流电压使顶外层3被拉到底层4上。当音频(交流)信号通过信号发生器8施加在外层3和4之间时，作用在层3和2之间的静电力被引起改变，并且该改变又引起所述层振动并且正在其上方的空气产生所需要的声音。

扬声器的结构也是再现声音质量的关键。当交流信号被施加时，两个导电层作为刚性活塞横过整个区域振动以产生声音。应该注意，由于导电层之间的质量差异，多数振动可能产生在顶层中。直流偏压的施加引起顶层被拉在中间层上，中间层又被拉在底层上。当音频信号被施加时，使作用在所述层之间的静电力改变，并且该改变又引起所述层振动。当所述层在操作中作为整体移动时，重要的是所述层横过它们的表面是一致的。由例如折痕或者皱纹产生的任何轻微偏离，将改变由所述层在那点所经历的力，因而改变所述运动，并且导致再现音频信号的失真。

由于电极的间隔小，因此这种扬声器不需要传统静扬声器因为静电场大而需要的大电压。因此，虽然在一些情况中300V的较高电压可以被需要以产生更大的声音振幅，但是合理小的电压(例如36V)可以被使用以产生这种电场。

在这种扬声器的变化中，第一外层3可以成形，而不是中间层2成形，或者除了中间层2成形之外，第一外层3也可以成形。在进一步的变化中，通过将永久充电材料用于膜和/或中间层2，直流电源可以被完全取消。在进一步的变化中，中间层通过诸如纸或者织物的薄的多孔材料片形成。多孔中间层2的使用有助于顶层的运动，因为在所述层的后面的局部真空形式的压力不平衡不会抑制顶层的正向方向(即远离中间层)的运动。对于需要更大位移而且将产生更大的局部真空的低的声频特别如此。对于反向方向(朝向中间层)的移动，诸如纸或者织物的材料的可压缩性提供弹回力，所述弹回力补充或者代替先前描述的鼓皮拉紧力。

图3显示了驱动电路，所述驱动电路用于驱动这种扬声器，并具有音频输入11，所述音频输入11用于接收音频输入信号，所述信号将通过前置放大器12放大。所述信号然后被施加到一对MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)13和14，MOSFET13和14通过电阻18、19加偏压，并且从电压供应干线20供给电力，所述电压供应干线典型地连接到+200V电源。从这个电路的输出15被连接以驱动扬声器。通过仔细地选择电阻16、17、21，所述输出可以被调整到具有合适的直流偏压和交流信号电压。

由于所述层薄，根据上述发明的扬声器不仅非常薄，即少于0.5mm，而且也是柔韧的，允许它们被容易地成形。这种成形可以用于配合扬声器以适合其环境，例如配合在有弯曲墙壁的房间内，或者配合在曲面的电脑外壳或者屏幕中，或者这种成形可以用于修改发射的声音场，例如通过做成凹面以集中声音或者做成凸面以扩散声音。这种扬声器能够适于非常容易地具有在空气中的带宽，所述带宽大大超过可听到的范围，达到2MHz。尽管这种扬声器可能具有较差的低频率响应，但是这能够通过扬声器组件的细致的设计而提高。

这种扬声器的薄外形使其与传统扬声器比在空间珍贵的应用中，例如在笔记本电脑和移动电话中，有更多优势。而且，通过使用透明聚合物和电极，可生产透明扬声器面板，该面板可以被用在计算机屏幕前，从而在声音定向性方面有优点，该面板也可以被用在汽车窗户中，两种应用的目的都是音频再现和减少噪音。扬声器的低重量与其薄外形一起，对于在航空和航天或者其它专门应用中使用，或者对于音频再现或者噪音消除，也提供相当大的潜力。

所述扬声器在从电信号产生声音上固有地效率高，并且能够因而被认为是低功率。这在功率消费被非常重视的地方有特别的优势，例如以电池提供电力的装置，诸如笔记本电脑、新颖圣诞片、或者甚至新颖音频广告海报。诸如在摇滚音乐会处所听到的，对于非常高功率的有线广播系统，具有高的电效率的扬声器具有优点。

使用这种结构，以相对低的成本生产大区域的扬声器的能力，也为家庭音频系统提供新颖的应用，允许扬声器如壁纸一样挂在墙壁或者天花板上。在这点上，大区域声音源对于这种音频系统的声音场具有潜在的优势。而且，如果永久地充电的聚合物膜连接到扬声器的后部，静电合力可以被用于粘附所述扬声器到墙壁上，使扬声器能够在需要时卷起并且移到新位置。

或者通过切割所述片或者通过将后部电极用丝网印刷术印刷在多个区域，使单个的扬声器片分成单独的元件也是相对简单的任务。这将提供如下能力，通过控制单独的扬声器元件以在摄影棚中提供所需要的音频图像而产生非常高质量环绕声音。

本发明的进一步的应用是噪音消除系统，在所述系统中，周围噪音被反噪音的产生而消除，所述反噪音是通过根据本发明的扬声器元件产生的。

Claims (15)

1.一种静电扬声器，包括：

柔韧的多层板，所述多层板设有电绝缘中间层(2)和第一和第二导电外层(3，4)，其中所述电绝缘中间层(2)夹在所述第一和第二导电外层(3，4)之间；和

信号产生装置(8)，所述信号产生装置用于在第一和第二导电外层(3，4)之间施加交流电压，其中当施加交流电压时由于作用在所述第一和第二导电外层(3，4)之间的静电力的变化而发生所述电绝缘中间层(2)和所述第一和第二导电外层(3，4)的振动，所述电绝缘中间层(2)和所述第一和第二导电外层(3，4)单独地形成从而能够彼此相对振动并且所述第一和第二导电外层(3，4)中的至少一个对于通过该振动而位移的空气是可透过的。

2.根据权利要求1所述的扬声器，其中所述第一和第二导电外层(3，4)中的至少一个设有穿过其延伸的规则孔矩阵。

3.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中所述第一和第二导电外层(3，4)中的至少一个是编织网的形式。

4.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中直流偏压装置(7，16，17，21)被设置用于在所述第一和第二导电外层(3，4)之间施加稳态偏压。

5.根据权利要求3所述的扬声器，其中直流偏压装置(7，16，17，21)被设置用于在所述第一和第二导电外层(3，4)之间施加稳态偏压。

6.根据权利要求4所述的扬声器，其中设置装置，所述装置用于将通过偏压装置(7，16，17，21)施加的稳态偏压与通过信号产生装置(8)产生的交流电压电容性地去耦。

7.根据权利要求5所述的扬声器，其中设置装置，所述装置用于将通过偏压装置(7，16，17，21)施加的稳态偏压与通过信号产生装置(8)产生的交流电压电容性地去耦。

8.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中所述电绝缘中间层(2)由聚合材料制成。

9.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中所述第一和第二导电外层(3，4)中的至少一个包括电绝缘膜，导电膜应用到所述电绝缘膜的外表面。

10.根据权利要求9所述的扬声器，其中所述电绝缘膜由聚合材料制成。

11.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中所述电绝缘中间层(2)具有与第一导电外层(3)接触的成形表面，并且所述第二导电外层(4)对于通过振动移动的空气是可透过的。

12.根据权利要求11所述的扬声器，其中所述电绝缘中间层(2)设置有凹陷，所述第一导电外层(3)在凹陷上延伸。

13.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中多层板具有少于0.5mm的厚度。

14.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中多层板至少部分地透明。

15.根据权利要求1或者2所述的扬声器，其中多个扬声器设置在单个板上。

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