CN101406068B - 弯曲波声学器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种声学器件及制造该声学器件的方法。该声学器件包括：膜片(10)，在工作频率范围内具有谐振弯曲波模式；以及耦合于该膜片的多个电机换能器(12)。换能器的定位与机械阻抗使得至少选定数目的谐振弯曲波模式被均衡，从而膜片面积上的净横向模式速度趋向于零，其中通过换能器的定位与机械阻抗基本达到了对谐振弯曲波模式的均衡。膜片的参数可以使得存在多个结点编组位置，在该位置之上或者围绕该位置，汇聚选定数目的谐振模式的结点线。每个换能器可以被安装在所述多个结点编组位置之一之上。

Description

弯曲波声学器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及声学器件，例如扬声器与麦克风。更具体地，本发明涉及在通过引用融入本文的、本申请人的国际申请WO2005/101899A中描述的一般类型的声学器件。此类器件称为均衡模式辐射器、或者简写为BMR。

背景技术

现有技术采用多种方法来使可能的模式膜片像活塞一样动作：

1)沿选定模式的节点线驱动以抑制该特定模式(通常为最低模式)，

2)在整个区域上均匀地驱动，就像静电式或玛格纳平面式(Magnaplanar)扬声器的情况一样，或者

3)具体地，两个驱动器的非对称排列，例如参见Matsushita的US 4426556。

WO2005/101899A的BMR公开目标在于均衡模式辐射器，使得其模式与自由板(free panel)的模式的相似程度到达选定级别。其通过以下达到该均衡：适当地选择换能器的驱动部分、以及至少一个机械阻抗部件(例如质体)的定位与质量。

发明内容

根据本发明的一方面，一种声学器件，包括膜片与多个电机换能器，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，并且该膜片使得其在所述工作频率范围中具有谐振弯曲波模式，所述多个电机换能器耦合于所述膜片并且用来与该膜片交换能量，特征在于：所述换能器的定位与机械阻抗使得所述膜片面积上的净横向模式速度至少被减少以趋向于在所述工作频率范围中均衡至少选定的模式，其中通过所述换能器的定位与机械阻抗，基本达到对选定谐振弯曲波模式的均衡。

根据本发明的另一方面，一种制造声学器件的方法，所述声学器件具有膜片，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，包括：选择该膜片参数使得其在所述工作频率范围中具有谐振模式，将多个电机换能器耦合于所述膜片以与该膜片交换能量，特征在于：选择所述换能器的位置与机械阻抗使得所述面积上的净横向模式速度至少被减少以趋向于在所述工作频率范围中均衡至少选定的模式，其中通过所述换能器的定位与机械阻抗，基本达到对选定谐振弯曲波模式的均衡。

如在WO2005/101899A中所述，所述面积上的净横向模式速度可以通过计算rms(均方根)横向位移来量化。换能器的位置与机械阻抗使得所述净横向模式速度趋向于零。在WO2005/101899A中描述了对于圆形膜片的计算例子。为了使所述面积上的净横向模式速度趋向于零，相对平均位移可以小于rms横向速度的25％，或者优选地，小于rms横向速度的18％。

另外，如在WO2005/101899A中所述，对于零净横向模式速度，需要将膜片的模式惯性均衡到一定程度，使得除“整体位移”或者“活塞”模式之外，各模式具有零平均位移(即，在生成器平面之上由模式形状封闭的面积等于该平面之下由模式形状封闭的面积)。这意味着仅由任意频率上的活塞运动分量确定净加速度、以及由此的轴上压力响应。

WO2005/101899A描述了使净横向模式速度趋向于零的不同的方法。一种方法涉及计算其中对于理想理论声学器件，驱动点阻抗Zm为最大的位置。因为阻抗Zm从模式和计算，所以所计算的位置依赖于在该和中包含的多个模式。一般地，该位置将趋向于靠近所考虑的最高模式的模式，但是其他模式的影响意味着该对应关系可能不确切。由此，将这些位置当作平均节点位置。

在本发明中，优选地将换能器的驱动部件安装在平均节点位置上。此类位置可能在选定模式的节点线之上，或者靠近选定模式的节点线，即第四模式，并且在WO2005/101899A中进行了描述。通过这种方法，均衡了直至选定模式的模式，而不管其是否被抑制。在平均节点位置上驱动缓和了模式的幅度，但是可能不抑制模式。模式动作是关键性的，从而可以使模式输出进入辐射均衡。

可以将多个(例如n个)换能器每个都安装在n个模式的平均节点位置上。安装在平均节点位置上保证了施加到每个模式的净力接近零。结果的运动与活塞运动相像。但是，该器件不仅仅是活塞，而且也是谐振辐射器，其中多个最低级模式没有被强烈激励。由此该器件处理了活塞到模式转换的辐射问题，在该转换中，相对于其辐射，被驱动模式一般不均衡，这导致了轴向频率响应以及功率响应中较大的峰值与低谷。

换能器的位置可以在膜片上对称也可以不对称。对称问题基于模式均衡理论。膜片可能具有多于一个的模式轴经受均衡方法。例如，矩形膜片可能具有三个对称放置的换能器用于较长轴、以及一对换能器用于其他轴。

另外一种有用的设计变体为某些或者全部换能器可能具有相同或者不同的驱动幅度和/或质量。另外，换能器的机械阻抗可以多少独立于换能器的驱动力或者功率地变化。每个换能器的机械阻抗可以匹配于驱动位置处的有效机械阻抗。匹配的机械阻抗可以考虑机械与电磁阻尼、反射柔性、驱动质量、以及可用驱动力的属性。在低频上，该全局方法是有用的，这是因为其提供了对于下层活塞范围输出的良好预测。这类似于用来设计常规盒式扬声器的用于常规活塞驱动器的低频参数方法。

换能器可以是惯性的或者接地的。换能器可以为压电器件、弯曲器件、或者运动线圈器件。

与WO2005/101899A不同，仅通过换能器的定位与机械阻抗，就基本达到了模式均衡。优选地，通过换能器的定位与机械阻抗，完全达到该均衡。换言之，机械阻抗(例如质体)不是关键的。但是，本发明的声学器件通过在选定位置上向膜片应用机械阻抗组件，可以受益于某些微调。这些可以用来微调在特定范围中的频率响应，或者对于高级模式(其由于其密度无法通过平均节点方法解决)的频率响应。

例如，在给定应用中，调整一个频率范围相对于另一个频率范围的水平，可能是有用的。具有太大低范围的设计可以被调整，通过柔性中间层向膜片施加分布质体。可以结合分布质体设计中间层的阻尼与柔性(从而不会妨碍使用平均节点方法)，以在低频率上加载膜片，以减少输出，同时在较高频率上，所述柔性允许质体解耦，并且使该范围不受影响。由此可以通过机械方式进行宽范围的均衡。

在另一例子中，所述多个换能器的一或多个可以为被动式的(即未被馈送电信号)，并且由此仅使用其主导质量特征用于模式均衡。被动式换能器可以是在电方面未连接或者可以保持连接到有源放大器。在后一种情况中，从驱动器到面板可能有某些电磁阻尼。

使用被动式与有源换能器的组合对于能够再现多于一个的信号通道的器件可能有用。例如，左右通道可以被导向面板的左右手区域。在较高频率上，可以逐一地为较高级更局部化的模式驱动换能器。在较低频率上，适当的信号求和有利于换能器协调地分阶段工作，其作用于较低级节点线的平均编组。结果为合成输出，对于低频率的均衡驱动，以及在较高频率上的间隔来源立体声再现器。

可以将换能器在转换中用来移动膜片。换能器可以为运动线圈器件，其具有形成驱动部分与磁力系统的音圈。弹性悬浮部件可以将膜片耦合于机箱。磁力系统可以接地到机箱。

用于悬浮部件的适当材料包括模制橡胶或者弹性聚合体蜂窝泡沫塑料。在设计中，悬浮部件在膜片上的物理位置可以被调整，以找到工作频率范围中的最佳总体匹配。另外地或者可替换地，可以用例如FEA对悬浮部件的行为建模，以确定柔性、阻尼、与有效质量中心。其属性可以被计算为相对于膜片外周的有效想象位置上的有效集总参数。然后可以调整换能器的位置/质量以补偿悬浮部件的机械阻抗效应。

根据本发明的第三方面，提供了一种声学器件，包括膜片与至少一个电机换能器，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，并且该膜片使得其在所述工作频率范围中具有谐振模式，所述至少一个电机换能器耦合于所述膜片并且用来与该膜片交换能量，特征在于：所述膜片的参数使得存在多个节点编组位置，在该节点编组位置之上或者围绕该节点编组位置聚集了选定数目的谐振模式的节点线，并且将所述至少一个换能器的驱动部件耦合安装在所述多个节点编组位置之一之上。

根据本发明的另一方面，一种制造声学器件的方法，所述声学器件具有膜片，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，包括：选择该膜片参数使得其在所述工作频率范围中具有谐振模式，将至少一个电机换能器的驱动部分耦合于所述膜片以与该膜片交换能量，特征在于：选择所述膜片的参数使得存在多个节点编组位置，在该节点编组位置之上或者围绕该节点编组位置聚集了选定数目的谐振模式的节点线，并且将所述至少一个换能器的驱动部分耦合于所述多个节点编组位置之一之上。

选定模式可以为低频谐振模式，例如头两个或者更多模式。通过这种方式，可以将换能器安装到直至选定模式(例如直至第四模式)的所有模式的节点线或者靠近该节点线。可替换地，选定模式可以仅包括奇或者偶模式，或者其任意组合，包括在工作频率范围中的所有模式。

术语“奇”与“偶”指模式的编号。编号指节点线的编号，其中(0，2)定义为第一谐振弯曲波模式，因为在一个方向上没有弯曲，并且在另一方向上有两个模式线。为了完整，标记(0，1)为“整体”或者活塞模式。作为该标记法的结果，奇模式是非对称的，而偶模式是对称的。适当地选择奇模式与偶模式的组合会提高轴向频率响应。还有可能通过将换能器置于选定节点编组位置来支持整体贡献，即鼓励在最低可用频率上的半活塞动作，以提供最宽的频率范围。

对于诸如圆形膜片或者可以被当作跨越圆形膜片中心的部分的桁条状膜片等对称物体，对称模式是均衡的，并且不会在轴上辐射。非对称模式为那些非均衡并且当设计声学器件时需要考虑的模式。第一与第二偶模式对于此类对称物体是一致的，由此可以同时在这两个模式的节点之上安装换能器，以提供对模式的辐射均衡。

可以存在多个(例如n个)换能器，每个都安装节点编组位置上。换能器的数目可以对应于节点编组位置的数目，即n个换能器安装在n个位置上。

对于此类位置的驱动趋向于对于那些模式导致模式辐射的均衡，由此提高对于辐射器的轴向压力响应。换言之，这些节点编组位置可能对应于WO2005/101899A中教导的平均节点位置，但不是一定如此。

膜片参数可以包括：形状、尺寸(长宽比)、厚度、弯曲硬度、表面区域密度、剪切模量、各向异性、曲率、以及阻尼。膜片可以是面板，并且可以是平面的、弯曲的、或者碟形的。

膜片可以具有规则形状，例如矩形、圆形、或者其他其他规则多边形。可替换地，膜片可以具有更复杂的几何形状，并且该形状可以根据选定节点编组位置的所希望的位置或者在选定节点编组位置中聚集的节点线所希望的组合选择。也可以为膜片配备凹槽，其具有足够的深度，以提供阻抗非连续性，这可以显著地减少谐振弯曲波振动传播超出凹槽。通过这种方式，该形状可以通过振动变为较简单的形状，例如圆形、矩形。

膜片可以具有均匀的厚度。可替换地，膜片可以形成有整体轮廓或者纹脉，例如在热加工成型工艺或者真空模制期间通过热与压制。该轮廓或者纹脉可以转移节点线以改变选定节点编组位置的位置，或者改变在选定节点编组位置中聚集的节点线。此类轮廓或者纹脉利用了局部硬度变化。

膜片的局部厚度也可以通过添加不会实际增加主要弯曲平面中的局部硬度的“I”形延伸来增加。也可以与膜片整体形成附加质体，例如通过共同模制。“I”形延伸和/或整体质体可以补偿、均衡、或者调整其他振动模式，例如较高级模式。

模制膜片提供了相对于从片材或者复合材料切制膜片的附加优点，例如较高质量的表面抛光、有机会加商标或者类型的可能标识，包括表面浮突或者装饰性艺术品。也可以将用于精确注册扬声器组件(例如环绕悬浮部件和/或音圈形成器)的凹槽或者突起整体融入膜片。用来抓紧膜片的锁定元件、模制挂钩、椎形凹槽、或者底切凹槽也可以整体融入膜片。

参数的组合可以使得为了风格原因可能需要的复杂几何形状表现为可以利用标准技术模制的规则形状。参数的组合可以包括区域质量与硬度或者凹槽的变化。例如，模制自动微调的子部分，可能为用于“A”柱的盖子，可以被设计来在声学上表现为更规则的形状，然后对于该更规则的形状，可以应用本发明。

在每个实施例中，声学器件可以为扬声器，其中换能器用来响应于施加到该换能器的电信号，将弯曲波能量施加到膜片，并且换能器用来在辐射区域上辐射声学声音。可替换地，声学器件可以为麦克风，其中换能器用来当有声学声音入射其上时进行振动，并且换能器用来将该振动转换为电信号。工作频率范围可以包括活塞到模式转换。膜片参数可以使得在工作频率中在活塞范围之上存在两个或更多个膜片模式。声学器件可以在较低频率上工作为活塞，并且在较高频率上工作为复杂模式辐射器。优选地，鼓励第一谐振或者整体模式来处理对于模式辐射器的已知问题，即由于在第一模式与几个新模式之间的较大输出间隔而难于在较低频率上转换。

可以选择该器件的参数以获得活塞对模式输出的所希望的比例。是来自模式行为的贡献提供了在高频率上的离轴功率的好处。对于后通道应用或者环绕扬声器(其中希望有较弱的相关轴向输出以提供环境声音的方向性较弱的扩散)，希望相对于模式贡献减少活塞贡献。此类器件具有离轴辐射对轴上辐射的提高的比例。通过适当地缩放与定位换能器或者通过随频率改变驱动阶段，可以减少轴上活塞分量的幅度。

对于扩展到低频的器件，可以使用涉及低频系统设计的通常参数，即，低音反射加载、密封盒、以及相关方法，来优化性能与强力处理。此类属性本质上独立于用于在所需频率范围中均衡模式辐射的标准。

本发明的第一与第二实施例的任何特征都可以与本发明的第三与第四实施例的任何特征组合。

当根据本发明的任一实施例设计器件时，这样作是有帮助的：使设计者可以使用常用的模式分析器或者FEA包中的一个，其将有助于检查模式行为与节点线，由此有助于检查激励器的定位以及结果的声学行为。

附图说明

作为例子在附图中示意显示了本发明，其中：

图1a为根据本发明的第一与第二方面的扬声器的第一实施例的平面图；

图1b为关于图1a的实施例的电路图；

图2a与图2b为本发明可替换实施例的平面图；

图3a与图3b为本发明可替换实施例的平面图；

图4为本发明可替换实施例的平面图；

图5a到图5e显示本发明的第三与第四方面的概念；

图6a与图6b为复杂形状实施例的平面图；以及

图7a与图7b为显示可替换复杂形状实施例的节点线图的平面图。

具体实施方式

图1a显示扬声器，包括：膜片10，其能够支持谐振弯曲波模式；以及对称安装其上的一对换能器12，用来激励膜片中的谐振。膜片10形式为桁条状面板。换能器沿面板的长轴布置，每个换能器位于距离面板短沿23％面板长度上。两个换能器位置靠近第一与第二模式的节点线。

为了使该两模式解决方案有效，安装膜片必须使得其作为自由板动作。在常规驱动单元辐射器中，在中心以及外周上都有机械终端。但是，此类终端会使模式辐射贡献很不均衡。

在本发明中，可以配备在机械方面而言在动作时轻得其不会干扰所需的辐射均衡模式行为的支持和悬浮组件。可替换地，具体地设计这些组件以形成均衡声学系统的一部分。

如图1b的电路图所示，每个换能器12都连接到对应的放大器14，放大器14连接到对应的电阻16。两个放大器14还都连接到低通滤波器，例如电感。两个分离的换能器构成了左右信号通道。低通滤波器保证两个换能器都在较高的频率上工作，以满足谐振面板宽度上的分离来源的要求。这是因为较复杂的较高频率模式分布趋向于将对宽方向性点来源的声学近似局部化在激励器的区域中。

图2a显示大致类似于图1a的扬声器，但是膜片为拉长矩形。与图1a的桁条状膜片相比，该膜片的宽度增加。将换能器12安装在与图1a一样的位置上，并且对于立体声器件也可以配备左右通道。

与图1a一样，将两个换能器安装在第一与第二自由谐振模式两者的节点之上。在该解决方案中，对称位置导致头两个模式，其中直到第二模式频率都能达到活塞等价操作。但是，必须将该膜片当作自由板，并且不受边沿或者中心处的悬浮组件的显著限制。

如果面板材料硬度不足，则仅使用两个换能器可能会在低频率上破坏面板的活塞运动。一种解决方案是使用硬得多的材料，例如蜂窝式材料，例如Honipan HHM-PGP-2.2mm。围绕基本谐振的响应将被平滑，并且由于减少了运动质量，所以效率较高。

换能器音圈的尺寸对应于辐射面板宽度的基本比例。在这种情况下，驱动器可以变为一对驱动线，其实际等价于两个驱动器。对于此类窄面板，必须选择音圈直径的协同选项、在驱动线上共享的有效质量、以及所标识节点线编组的有效位置，以达到有用均衡的模式辐射的目标。

在图2b中，扬声器类似于图2a的扬声器，但是包括附加的换能器22，其位于膜片中心。两个最外测的换能器12靠近第一与第二模式的节点线。第三换能器22位于第三模式的节点之上。通过这种方式，设计了仅用三个驱动器的三模式解决方案。换能器的位置仅根据主要的即长度轴校正。对于该主要长度轴，满足了使平均横向速度的趋势为零的要求。

扬声器可能再现一个声音通道。可替换地，可以再现两个或三个声音通道。对于两个声音通道，可以在高频率上过滤掉中心换能器，同时位置靠近膜片端点的两个分离的驱动器构成左右信号通道，这与图1a一样。对于三通道器件，还选择性地在较高频率上由中心通道信号来源驱动中心换能器22。其形成对话或者中心通道再现器。

如上所述，图2b为对于主要长度轴的三模式解决方案。图3a与图3b显示用于四模式解决方案的换能器位置24。在图3a中显示了相对于主要长度轴的位置，在图3b中显示了相对于主要宽度轴的位置。仅利用四个换能器实现了该解决方案，这四个换能器形成了两个对称放置的换能器对。如图3a所示，每对换能器位于平行于短轴的、与最近短沿距离面板长度的23％的直线之上。类似地，图3b所示的每个平行线与最近长沿距离面板长度的23％。换能器位置围绕两个轴对称。对称设计在低频率上维持了良好的动态均衡，改进了在较低频率活塞或者整体运动范围中的强力处理。

图4显示用于圆形膜片30的两模式解决方案。将具有圆形驱动的换能器32安装在第一与第二模式的节点线之上。

为了同时达到两个或更多模式的模式均衡，所选模式应该具有在同一局部化区域中交叉或者近乎交叉的节点线。换能器应该位于该局部化区域中。对于两模式的情况，能够容易地作到这一点，这是因为大部分模式具有在整个膜片上扩散出去的节点线，从而给出了面板上的至少一个位置，在该位置中节点线交叉。图5a显示矩形面板膜片的节点线(0，2)与(2，0)，其在四个位置上33交叉。由此可以将换能器安装在这些位置中的任何一个或者所有之上，以获得两模式解决方案。节点标号(0，2)与(2，0)分别指长轴与短轴中的第一谐振弯曲波模式。每个模式具有两个节点线，并且是对称的。

抑制多于两个的模式较困难。图5b显示九个模式(1，1)至(0，3)。三个节点线在四个离散点34上交叉，并且另两个节点线靠近每个交叉点穿过。由此，这五个节点线围绕可以被称为节点编组位置的位置聚集。编组位置对称置于面板之上。通过适当地选择面板形状，可以聚集或者分散节点线，使得可以抑制选定模式编组。如果节点线在小于换能器的驱动部分耦合的区域内交叉，则可以认为聚集紧密，而如果该区域较大，则认为聚集松散。

图5b的面板具有4∶3(长度∶宽度)的长宽比，图5c至图5e显示图5b的面板的变体。为了方便起见，图5c至图5e的每个图中的模式编号与图5b中的相同，但是因为面板不是矩形的，所以该标记方法不严格。如图5c所示，将面板一侧变尖使得两个长度的比例为4∶3.5(即将一侧减少12.5％)会使聚集大大变紧，尤其对于靠近短侧以及锥形侧的编组节点位置。此处，五个模式在近乎同一点36处交叉，其中另两个模式靠近该交叉点36穿过。相应地，现在在该节点编组位置中有七个模式(节点线)。靠近锥形侧(即靠近长侧)的另一节点编组位置也提高了聚集，其中有五个模式紧密聚集。与图5b的实施例不同，四个位置不再对称，也没有等同聚集。

在图5d中，使面板两侧都变尖，以形成长宽比为3.5∶3的平行四边形。围绕面板对角线，存在某种对称，其中两个位置40具有五个节点线的紧密聚集，并且另两个位置42具有形状不同但是具有类似紧密的五个节点线的聚集。

在图5e中，使面板两侧都变尖，以形成长宽比为4∶3∶3(长侧长度∶短侧长度∶宽度)的梯形。围绕面板的短轴，存在某种对称，其中最靠近短侧的两个节点编组位置44具有五个节点线的紧密聚集。较靠近长侧的节点编组位置46明显较松散。

在图6a中，显示具有复杂几何形状的面板膜片50。显示了两个模式的节点线52，即第一环形模式与第一交叉模式。节点线在四个交叉点处交叉，其可以被编组为两对紧密间隔的交叉点。每对限定了一平均节点位置，在该位置上，将换能器54耦合到面板膜片。通过将每个换能器54安装到平均节点位置而非交叉点之上，每个换能器都跨越了两个节点线，并且更好地耦合于模式，以达到所希望的模式均衡。

在图6b中，在面板膜片上显示第二交叉模式。环行模式在限定了第三平均节点位置的一对紧密间隔的交叉点处与该第二交叉模式交叉。将附加质体56安装到面板50以跨越两个节点线。两个换能器均衡了在声学响应中站主要地位的头两个模式。附加质体均衡了第三模式，并且有助于动态均衡整个组合件。

图7a显示另一复杂形状的面板膜片60，其为海螺壳形状。在面板上显示头十二个模式。对于现有技术的WO 97/09842所示类型的分布模式扬声器，将换能器安装在空区域，以求最大模式耦合。但是在本发明中，将换能器安装在节点编组位置上，其中聚集了节点线。

图7b通过仅考虑头三个模式简化了对换能器位置的选择。如果将换能器安装在头两个轴向模式的交叉点62(以小圈显示)上，则第一(且仅第一)轴向模式未被均衡。一种解决方案是在这些点上安装，并且为边沿加载均衡质体，使得轴向模式被重新均衡。

比较这两个附图，图7a中的节点线的聚集在许多情况下对应于图7b所示的模式的交叉。相应地，一种替换方法为使用一对此类点作为驱动点，其中该对相对于形状的质心64(以星形标记)在直径方向上相对。通过在其节点线上驱动，将均衡径向模式。通过对称加载，将均衡两个轴向模式。驱动点的精确位置可以通过分析(或者数值分析(例如有限元分析)或者通过系统测量与调整)确定。所建议的开始点由矩形与三角形指示。

矩形非常靠近穿过圆圈与三角形的模式形状的中心线。相应地，可能在靠近未标记的交叉处需要附加的均衡点。这些将会均衡靠近矩形的驱动质体的效应。

本基本原理可以扩展到更复杂的膜片形状，但是其模式行为可以靠分析方法解决为较简单的编组。这些编组将对应于下层的自由度或者有效振动轴。声学面板的设计者可以利用多个激励器选择处理这些轴中的几个轴，根据值得解决的几个模式、以及为所希望的应用设想的成本与质量来部署这些激励器。

本原理可以独立使用，或者可以与其他模式面板技术(例如分布式模式(DM)技术)结合使用。

本器件相对于BMR器件的主要优点在于：

1)通过迫使、即驱动BMR教导的所有平均模式模式，其产生的输出比BMR多；

2)虽然方向性比BMR窄，但是在某些情况下这可能是一种优势。

由于几种原因，根据本发明的器件与活塞扬声器(包括其中消除模式的活塞扬声器)不同，例如：

a)其为有意谐振的模式辐射器。

b)配置设计使得由于设计去除了轴模式辐射贡献，该器件具有优于等同尺寸的活塞器件的功率响应。

c)其具有平滑的轴向频率响应，因为模式辐射被均衡，留下本质不均匀的整体辐射来维持首要声音输出。

d)存在一种有序设计方法，被配备来解决模式均衡问题，其从高级模式开始，由此通过在谐振面板上在平均节点线的区域处利用多个驱动的方法，所有后继较低级模式被作为一组处理。

e)可以将面板自由地悬浮在自由空间中，或者配备有轻量悬浮器件。利用后者，可以提供前后辐射之间的声学密封。

另外的优点为通过允许对称安排，相对于要求非对称的现有技术器件，根据本发明的器件改进了低频稳定性。

Claims (65)

1.一种声学器件，包括膜片与多个电机换能器，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，并且该膜片使得其在所述工作频率范围中具有谐振弯曲波模式，所述多个电机换能器耦合于所述膜片并且用来与该膜片交换能量，特征在于：选择所述换能器的定位与机械阻抗使得所述膜片面积上的净横向模式速度在至少选定的模式中至少被减少，由此趋向于在所述工作频率范围中均衡至少所选定的模式。

2.如权利要求1所述的声学器件，其中所述换能器被安装在平均节点位置之上。

3.如权利要求1或2所述的声学器件，其中所述换能器被对称安装在所述膜片之上。

4.如权利要求3所述的声学器件，其中所述膜片为矩形膜片，并且包括三个换能器，这三个换能器围绕较长轴对称放置，并且一对换能器围绕较短轴对称放置。

5.如以上权利要求中任一项所述的声学器件，其中至少两个所述换能器具有不同的驱动幅度。

6.如以上权利要求1所述的声学器件，其中每个换能器的机械阻抗匹配于驱动位置上的有效机械阻抗。

7.如以上权利要求1所述的声学器件，其中所述换能器为惯性式。

8.如以上权利要求1所述的声学器件，其中所述换能器为压电器件、弯曲器件、或者运动线圈器件。

9.如以上权利要求1所述的声学器件，包括附接于所述膜片的柔性中间层，其中该中间层的质量、阻尼、以及柔性使得输出在低频率上被减少但是在较高频率上不受影响。

10.如以上权利要求1所述的声学器件，包括将所述膜片耦合于机箱的弹性悬浮部件。

11.如权利要求10所述的声学器件，其中所述换能器的位置与机械阻抗使得补偿了所述悬浮部件的机械阻抗效应。

12.如以上权利要求1所述的声学器件，其中所述膜片的参数使得存在多个节点编组位置，在该节点编组位置之上或者围绕该节点编组位置聚集了选定谐振模式的节点线，并且将每个换能器安装在所述多个节点编组位置之一之上。

13.如权利要求12所述的声学器件，其中选定模式为低频谐振模式。

14.如权利要求12所述的声学器件，其中选定模式为奇和/或偶模式的任意组合。

15.如权利要求12至14中任一项所述的声学器件，其中所述膜片参数包括：形状、尺寸、厚度、弯曲硬度、表面区域密度、剪切模量、各向异性、曲率、以及阻尼。

16.如权利要求15所述的声学器件，其中所述膜片具有复杂几何形状，并且该形状根据选定节点编组位置的所希望的位置或者在选定节点编组位置中聚集的节点线所希望的组合选择。

17.如权利要求16所述的声学器件，其中所述膜片包括凹槽，由此所述复杂形状通过振动变为规则形状。

18.如权利要求17所述的声学器件，其中所述膜片具有整体轮廓或者纹脉，由此转移节点线以改变所述节点编组位置的位置，或者改变在所述节点编组位置中聚集的节点线。

19.如以上权利要求1所述的声学器件，其中所述膜片通过添加不会实际增加主要弯曲平面中的局部硬度的“I”形延伸，而增加了局部厚度。

20.如以上权利要求1所述的声学器件，其中所述工作频率范围包括活塞到模式转换。

21.如权利要求20所述的声学器件，其中该器件的参数使得达到了活塞对模式输出的所希望的比例。

22.如以上权利要求21所述的声学器件，其中所述声学器件为扬声器，并且至少一个所述换能器用来响应于施加到该换能器的电信号，将弯曲波能量施加到所述膜片，并且所述膜片用来在辐射区域上辐射声音。

23.一种制造声学器件的方法，所述声学器件具有膜片，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，包括：选择该膜片参数使得其在所述工作频率范围中具有谐振模式，将多个电机换能器耦合于所述膜片以与该膜片交换能量，特征在于：选择所述换能器的位置与机械阻抗使得所述面积上的净横向模式速度在至少选定的模式中至少被减少，由此趋向于在所述工作频率范围中均衡至少选定的模式。

24.如权利要求23所述的方法，包括将所述换能器安装在平均节点位置之上。

25.如权利要求23或24所述的方法，包括将所述换能器对称安装在所述膜片之上。

26.如权利要求23所述的方法，包括耦合至少两个具有不同驱动幅度的换能器。

27.如权利要求23所述的方法，包括将每个换能器的机械阻抗匹配于驱动位置上的有效机械阻抗。

28.如权利要求23所述的方法，包括将柔性中间层附接于所述膜片，并且选择该中间层的质量、阻尼、以及柔性使得输出在低频率上被减少但是在较高频率上不受影响。

29.如权利要求23所述的方法，包括通过弹性悬浮部件将所述膜片耦合于机箱。

30.如权利要求29所述的方法，包括选择所述换能器的位置与机械阻抗从而补偿所述悬浮部件的机械阻抗效应。

31.如权利要求23所述的方法，包括选择选择多个谐振模式，选择所述膜片的参数使得存在多个节点编组位置，在该节点编组位置之上或者围绕该节点编组位置聚集了选定数目的谐振模式的节点线，并且将每个换能器安装在所述多个节点编组位置之一之上。

32.如权利要求31所述的方法，包括选择低频谐振模式。

33.如权利要求31所述的方法，包括选择奇和/或偶模式的任意组合。

34.如权利要求31所述的方法，其中所述膜片参数包括：形状、尺寸、厚度、弯曲硬度、表面区域密度、剪切模量、各向异性、曲率、以及阻尼。

35.如权利要求31所述的方法，包括选择选定节点编组位置的所希望的位置或者在选定节点编组位置中聚集的节点线所希望的组合，并且为所述膜片选择复杂几何形状，该形状导致所述所希望的位置或者所希望的组合。

36.如权利要求35所述的方法，包括将所述膜片刻凹槽，以通过振动将所述复杂形状变为规则形状。

37.如权利要求31所述的方法，包括通过为所述膜片配备整体轮廓或者纹脉，在所述膜片中转移节点线，由此改变选定节点编组位置的位置，或者改变在选定节点编组位置中聚集的节点线。

38.如权利要求23所述的方法，包括选择所述器件的参数以达到活塞对模式输出的所希望的比例。

39.一种声学器件，包括膜片与至少一个电机换能器，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，并且该膜片使得其在所述工作频率范围中具有谐振模式，所述至少一个电机换能器耦合于所述膜片并且用来与该膜片交换能量，特征在于：所述膜片的参数使得存在多个节点编组位置，在该节点编组位置之上或者围绕该节点编组位置聚集了选定数目的谐振模式的节点线，并且将所述至少一个换能器安装在所述多个节点编组位置之一之上。

40.如权利要求39所述的声学器件，其中选定模式为低频谐振模式。

41.如权利要求39所述的声学器件，其中选定模式为奇和/或偶模式的任意组合。

42.如权利要求39至41中任一项所述的声学器件，其中所述膜片参数包括：形状、尺寸、厚度、弯曲硬度、表面区域密度、剪切模量、各向异性、曲率、以及阻尼。

43.如权利要求39所述的声学器件，其中所述膜片具有复杂几何形状，并且该形状根据选定节点编组位置的所希望的位置或者在选定节点编组位置中聚集的节点线所希望的组合选择。

44.如权利要求43所述的声学器件，其中所述膜片包括凹槽，由此所述复杂形状通过振动变为规则形状。

45.如权利要求39所述的声学器件，其中所述膜片具有整体轮廓或者纹脉，由此转移节点线以改变所述节点编组位置的位置，或者改变在选定节点编组位置中聚集的节点线。

46.如权利要求39所述的声学器件，其中所述工作频率范围包括活塞到模式转换。

47.如权利要求39所述的声学器件，其中所述换能器的定位与机械阻抗使得谐振弯曲波模式被均衡，从而所述膜片面积上的净横向模式速度趋向于零，其中通过所述换能器的定位与机械阻抗，完全达到了对谐振弯曲波模式的均衡。

48.如权利要求47所述的声学器件，其中所述换能器被安装在平均节点位置之上。

49.如权利要求47或48所述的声学器件，包括将所述膜片耦合于机箱的弹性悬浮部件。

50.如权利要求49所述的声学器件，其中所述换能器的位置与机械阻抗使得补偿了所述悬浮部件的机械阻抗效应。

51.如权利要求39所述的声学器件，其中至少两个所述换能器具有不同的驱动幅度。

52.如权利要求39所述的声学器件，其中每个换能器的机械阻抗匹配于驱动位置上的有效机械阻抗。

53.如权利要求39所述的声学器件，包括附接于所述膜片的柔性中间层，其中该中间层的质量、阻尼、以及柔性使得输出在低频率上被减少但是在较高频率上不受影响。

54.一种制造声学器件的方法，所述声学器件具有膜片，该膜片具有一面积且具有一工作频率范围，包括：选择该膜片参数使得其在所述工作频率范围中具有谐振模式，将至少一个电机换能器耦合于所述膜片以与该膜片交换能量，特征在于：选择所述膜片的参数使得存在多个节点编组位置，在该节点编组位置之上或者围绕该节点编组位置聚集了选定数目的谐振模式的节点线，并且将所述至少一个换能器安装在所述多个节点编组位置之一之上。

55.如权利要求54所述的方法，包括选择低频谐振模式。

56.如权利要求54所述的方法，包括选择奇和/或偶模式的任意组合。

57.如权利要求54至56中任一项所述的方法，所述膜片参数包括：形状、尺寸、厚度、弯曲硬度、表面区域密度、剪切模量、各向异性、曲率、以及阻尼。

58.如权利要求54所述的方法，包括选择节点编组位置的所希望的位置或者在节点编组位置中聚集的节点线的所希望的组合，并且为所述膜片选择复杂几何形状，该形状导致所述所希望的位置或者所希望的组合。

59.如权利要求58所述的方法，包括将所述膜片刻凹槽，以通过振动将所述复杂形状变为规则形状。

60.如权利要求54所述的方法，包括为所述膜片配备整体轮廓或者纹脉，由此改变节点编组位置的位置，或者改变在选定节点编组位置中聚集的节点线。

61.如权利要求54所述的方法，包括选择所述器件的参数以达到活塞对模式输出的所希望的比例。

62.如权利要求54所述的方法，包括将每个换能器的机械阻抗匹配于驱动位置上的有效机械阻抗。

63.如权利要求23所述的方法，包括将柔性中间层附接于所述膜片，并且选择该中间层的质量、阻尼、以及柔性使得输出在低频率上被减少但是在较高频率上不受影响。

64.如权利要求54所述的方法，包括通过弹性悬浮部件将所述膜片耦合于机箱。

65.如权利要求64所述的方法，包括选择所述换能器的位置与机械阻抗从而补偿所述悬浮部件的机械阻抗效应。

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