CN101523929B - 音频换能器中的点激励布置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于音频换能器的方法和装置。该音频换能器通过驱动振膜的叶片来激励。对于高阶模态分量，确定叶片的多个节点区域，所述高阶模态分量对应于谐振频率并且具有大于一的阶。识别至少两个高阶模态分量的交叉区域，其中激励点被放置在交叉区域内。音频换能器的振膜包括框架、至少一个合叶和叶片。该叶片通过至少一个合叶连接到框架，并且被信号源在激励点处激励，以便产生声学信号。

Description

音频换能器中的点激励布置

技术领域

本发明涉及音频换能器(audio transducer)中的振膜(diaphragm)的叶片(paddle)。

发明内容

根据本发明的一方面，一种方法支持音频换能器的激励。该音频换能器通过驱动振膜的叶片来激励。对于高阶模态分量(higher-order modalcomponent)，确定叶片的多个节点(node)区域，所述高阶模态分量对应于谐振频率并且具有大于一的阶。识别至少两个高阶模态分量的交叉(intersection)区域。激励点被布置在交叉区域内，其中所述叶片随后被机械源在激励点处激励。

根据本发明的另一方面，当确定高阶模态分量时，确定第二阶模态分量和第三阶模态分量的节点区域。可以确定附加的模态分量。

根据本发明的另一方面，例如通过加固叶片的一部分来改变至少一个节点区域。

根据本发明的另一方面，音频换能器的振膜包括框架(frame)、至少一个合叶(hinge)和叶片。该叶片通过至少一个合叶连接到框架，并且被信号源在激励点处激励，以便产生声学信号。该激励点被布置在至少两个高阶模态分量的交叉区域内。

根据本发明的另一方面，至少一个合叶包括由狭缝(slot)区域分离的两个合叶。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的在激励点处被激励的音频换能器的振膜；

图2示出了根据本发明实施例的音频换能器；

图3A示出了根据本发明实施例的在基本(fundamental)模式下被激励的振膜的叶片；

图3B示出了根据本发明实施例的在第二阶(second-order)模式下被激励的振膜的叶片；

图3C示出了根据本发明实施例的在第三阶(third-order)模式下被激励的振膜的叶片；

图3D示出了根据本发明实施例的在第四阶(fourth-order)模式下被激励的振膜的叶片；

图4描绘了根据本发明实施例的叶片的不同节点区域，其中每个节点区域与多个模态分量之一相关联；

图5示出了根据本发明实施例的被测耳机响应；

图6示出了根据本发明实施例的叶片的建模；

图7示出了根据本发明实施例的原型的被测叶片速率；和

图8示出了根据本发明实施例的原型的被测叶片速率。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的在激励点处被激励的音频换能器的振膜100。振膜100包括叶片101，该叶片101通过合叶105和107连接到框103。合叶105和107通过狭缝区域111隔离。叶片101通过缝隙区域109与框103隔离。在本发明的实施例中，狭缝区域111和缝隙区域109被聚脂薄膜

覆盖。聚脂薄膜从叶片101的前面开始密封到后面。否则，在一侧上产生的正压可能被叶片101的另一侧上的负压抵消。而且，聚脂薄膜可以对叶片101提供额外的钢度。

在本发明的实施例中，叶片101由长度L为6.76mm、宽度为3.86mm和厚度为0.002英寸的铝1100-H19制成。(如图1所示，叶片101的长度不包括合叶部分105和107。然而，如果叶片包括合叶部分105和107，则该叶片将增加0.254mm的长度)。

功能上，叶片101的目的是排出空气(或液体)以便生成声学信号。叶片101是具有各向同性(isotropic)材料属性的连续结构，并且因此不会典型地表现为集中(lumped)系统。如果人们正在用多个驱动器设计耳机，每个驱动器期望再现窄带频率，则人们能够基于驱动器的集中等效物来优化系统。然而，使用单个宽带驱动器，人们必须折衷该集中(低频)特性来获得高频控制程度。这种途径就意味着理解动态驱动器组件的机械行为。

通过适当地放置激励点113以驱动叶片101，人们可以提高音频换能器的高频响应。对于线性动态的偏移(excursion)，叶片101的排气量(displacement)可以数学地表示为模态分量的加权和，其中加权常数(模态预期因子)是频率和负载的函数，并且所述模式是材料属性、几何学和边界条件的函数。每个模态分量具有相关联的谐振频率，并且可能或者不能有益于净排气量(由模式在叶片表面上的积分来确定)。基本模式将最大净排气量贡献给悬臂式(cantilevered)叶片响应。因此，期望在整个频率范围内延伸基本模态分量的影响。不幸的是，假定的悬臂式叶片可能具有许多20kHz以下的模态分量。尽管排气量是所有模态分量的叠加，当在单个模态谐振频率激励结构时，得到的排气量将仅由那个模式组成(剩余模式的加权常数都是零)。这个观察暗示：在20kHz以下的每个模态谐振频率处，叶片排气量由单个模态贡献组成，因此除了基本谐振频率处的贡献外，将不具有来自基本模式的贡献。然而，这仅当激励不发生在节点区域(在不经历相应谐振频率处的模态排气量的结构上的位置)时才是真的。

如将要讨论的，当叶片101在激励点113处被激励时，其中所有高阶模态分量具有穿过激励点113的相关节点区域(其可理想化为节点线)，高阶模态分量将不利于得到的叶片排气量(高阶模态具有大于一的阶。基本模态分量具有一阶)。高阶模态分量的贡献通常是不受欢迎的，因为得到的排气量部分地抵消了贡献于基本模态分量的排气量。人们通过谨慎地选择激励点113的位置可以极大地减少高阶模态分量的影响。而且，将激励应用到叶片上除合叶节点以外的任何位置将激励基本模态分量。在其基本模式下振动时，整个叶片同相地运动。

在图1所示的示例性实施例中，两个最低的偶数阶模式(二和四)共享从合叶105和107贯穿叶片101的中间到自由末端的顶部的节点区域。第二和第四阶模态分量具有异相振动并且因此积分为零并不有利于净排气量的相等部分。然而，这些模态分量的激励在两个谐振频率处作为响应可能潜在地造成急剧下降。

20kHz以下的剩余奇数阶(第三)模态分量导致叶片的自由末端异相地振动，并且与基本模式相比，将积分到更小的净排气量。在示例性实施例中，第三模式的第二节点线(第一节点线在合叶末端)的位置是距合叶近似0.66×L的距离，其中L是叶片长度。由于沿着中心线的这个点由模式形状定义，因此激励点113的位置是材料属性、几何学和边界条件的函数。在沿着中心线距合叶具有长度0.66L的点处将点力量施加到悬臂式叶片301，会激励基本模式，但是不会激励20kHz以下的剩余三个模式。当点力量被施加在叶片自由末端(例如，在离合叶的距离L处)时，这适当地延伸了人们将获得的在该频率上基本模式的影响。因此，在高阶模态分量的影响变得明显之前，振膜300被控制在更宽的带宽上。

通过减少三个剩余模态隔离基本振动模式有助于20kHz以下。通过在三个不受欢迎的模式形状的节点线的交叉处布置点力量激励，来实现隔离。特定的位置将取决于几何学和材料属性，但是使用这种技术可以对各种结构来确定该特定的位置。计算机模拟(有限元分析)可被用来确定节点线的位置，并且因此预测最佳激励点。

叶片排气量(在二维中被建模)可以表示为：

$\mathrm{\η}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ξ})=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j{\mathrm{\Ψ}}_j(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ξ})$ (公式1)

其中η是在位置(ε，ξ)处的叶片排气量，α_j是模态加权因子，它是频率和负荷的函数，以及Ψ_j(ε，ξ)是第j阶模态分量的模态排气量。模态排气量是边界条件的函数，并且定义什么通常被称作模式形状。特定点(ε，ξ)处的叶片排气量η是在点(ε，ξ)处的模态排气量与加权因子相乘的和，它可以是实数或复数。在理想(无损失)材料中，在f＝f_j(对应于第j谐振频率)激励结构将仅激励第j阶模态分量(如η＝α_jΨ_j)，假设激励点不位于节点区域上(节点区域可被称作节点线，它识别对于相应的模态分量具有基本为零的排气量的区域)。

在现实的材料中，内部损失(结构阻尼)引入了模态阻尼，导致一个为模态分量Ψ₁和Ψ_j之和(η＝α₁Ψ₁+α_jΨ_j)的响应，假设激励点不位于模态分量的节点区域之内(例如，如图4所示)。如果模态分量的排气量在叶片101上积分为零，则模态分量对叶片响应没有贡献(无液体或空气排出量)。

根据示例性实施例，激励点113被放置在距合叶105和107近似4.43mm(如0.66L)处。尽管理论计算和模拟结构提供了激励点113的近似位置，但是来自原型的实验结果可能暗示该位置可被调整为偏离理想模型的原型的结果。例如，理论结果取决于叶片的建模。

图2示出了根据本发明实施例的音频换能器200。振膜201(对应于图1中所示的振膜100)在驱动引脚附着点205被驱动引脚203驱动(激励)。接着，驱动引脚203被簧片(reed)207结合衔铁(armature)结构(包括磁铁209和线圈211)驱动，该衔铁结构被来自电子电路(未示出)的电信号(通常在音频范围内)激励。在实施例中，驱动引脚附着点205在叶片的表面上被制成单个点的模型(对应于图1中所示的激励点113)。

图3A-3D示出了叶片301(对应于如图1中所示的具有缝隙区域109的振膜100的叶片101)对于振膜300具有缝隙区域309的排气量分析。如先前所讨论的，根据示例性实施例，叶片301具有长度L＝6.76mm，宽度W＝3.86mm。在模拟351、353、355和357中，根据有限元分析(FEA)来确定排气量。使用FEA，使用被排列成称作网孔(mesh)的网格(grid)的被选点(通常称作节点)来构造叶片301的计算机模型。尽管替换的模拟可以利用铝1100-H19的材料属性，但是在该模拟中，叶片301用等级1钛的材料属性制成模型。

根据本发明的实施例，叶片301用沿着叶片301长度放置的两个肋条来制成模型。该肋条通常增加了叶片301的谐振频率。增加谐振频率通常是令人期待的，因为高阶模态分量的影响会减少。然而，增加肋条也增加了叶片301的钢度，并且结果往往会降低叶片301的声学响应。注意，图3A-3D中所示的模态结构与激励点无关。

图3A示出了根据本发明实施例的在基本模式(在公式1中对应于j＝1)下被激励的叶片301的模拟351。对应的谐振频率(f₁)近似等于786Hz。如图3A所示，用不同的阴影示出叶片的排气量，其中区域越黑，排气量越少。(在黑区域内，排气量近似为零。因此，黑区域是节点区域)。结果，节点区域391(基本模态分量)对应于近似零的排气量。

图3B示出了根据本发明实施例的在第二阶模式(在公式1中对应于j＝2)下被激励的叶片301的模拟353。对应的谐振频率(f₂)近似等于3690Hz。节点区域393(第二阶模态分量)具有近似零的排气量。

图3C示出了根据本发明实施例的在第三阶模式(在公式1中对应于j＝3)下被激励的叶片301的模拟355。对应的谐振频率(f₃)近似等于11400Hz。节点区域395(第三阶模态分量)具有近似零的排气量。

图3D示出了根据本发明实施例的在第四阶模式(在公式1中对应于j＝4)下被激励的叶片301的模拟357。对应的谐振频率(f₄)近似等于16600Hz。节点区域397(第四阶模态分量)具有近似零的排气量。

尽管图3A-3D示出了第一到第四模态分量的模拟，但是使用有限元分析可以确定阶数大于四(如j＞4)的模态分量。然而，由于人耳的限制，典型的音频应用通常仅识别小于20KHz的频率。

图4描绘了根据本发明实施例的叶片101的不同节点区域，其中每个节点区域与多个模态分量之一相关联。注意，图4仅描绘了不同的节点区域。图3A-D示出了示例性实施例的模拟节点区域。节点区域401、403、405和407分别对应于节点区域391、393、395和397。具有大于1的阶数的模态分量被称作高阶模态分量。

偶数阶模态分量具有与叶片101的中心线451对称的节点区域。由于激励点113通常被放置在中心线451上，因此偶数阶模态分量未被激励。(然而，如将要讨论的，本发明的实施例使得激励点113相对于区域453内的中心线451被不对称地放置)。少量的不对称负载将激励偶数阶模态分量；尽管正和负排气量的近似相等贡献导致一个净排气量(net displacement)，该净排气量足够小从而相对于叶片101的所有排气量响应可忽略的。

交叉区域453由高阶模态区域的交叉确定。如图4所示，交叉区域453对应于节点区域403、405和407的交叉。如果激励点113被放置在交叉区域453内，则归因于高阶模态分量的排气量减少，并且在叶片101的排气量分析中可被忽略。结果，叶片101的激励基本上由基本激励来确定(如图3A所示)。在示例性实施例中，激励点113被放置在沿着中心线451距合叶105和107近似地0.66L处(其中L是叶片101的长度)。

尽管如上所述可以使用有限元分析来分析叶片101，但是人们可以使用其他途径来确定激励点113的位置。例如，忽视叶片101的声学反作用负载，叶片排气量可以使用如将要讨论的图6中建模的分析来近似。而且，人们可以测量叶片101对不同模态分量的排气量，以便确定交叉区域。测量排气量来确定激励点113的放置完全根据经验并且非常耗时。而且，当叶片101变动时(例如，改变叶片形状或增加肋条)时，人们必须重复测量。

图5示出了根据本发明实施例的被测耳机响应500。频率响应501示出了叶片301的响应，其中激励点被放置在近似叶片301的末尾处(如x＝0.90L)，而频率响应503示出了其中激励点被放置在近似x＝0.66L处的响应。被测耳机响应500暗示：当激励点位于交叉区域453内时延伸频率响应。具体地，根据上面的讨论极大地减少了来自第三阶模态分量的贡献。

图6示出了根据本发明实施例的叶片601的建模。根据本发明的实施例，叶片601可被分析来确定激励点的位置，以便减少高阶模态分量，如第三阶模态分量。叶片601被建模为悬臂式射束(cantilevered beam)，具有长度L、恒定宽度b和恒定厚度h。被建模为悬臂式射束的叶片601具有通过如下公式给出的模式形状：

Ψ_j(x)＝C(λ_jx)-γ_jD(λ_jx)(公式2)

确定悬臂式射束的自然频率的特征方程式通过下列公式来获得：

cosh(λ_jL)×cos(λ_jL)+1＝0(公式3)

模态加权因子由下列公式确定：

${\mathrm{\α}}_j=\frac{{\∫}_0^{L}q\left(x\right){\mathrm{\Ψ}}_j\left(x\right)\mathrm{dx}}{({\mathrm{EI\λ}}_j^4-\mathrm{\ρ}{\mathrm{A\ω}}^2){\∫}_0^L{\mathrm{\Ψ}}_j^2\left(x\right)\mathrm{dx}}$ (公式4)

其中q(x)是作为x函数的力，E是材料的杨式(Young’s Modulus)模数，I是面积矩，ρ是材料密度，以及A是横截面积。注意，α_j是ω的函数，但是它是一个常数，因为它不是位置x的函数。因为悬臂式射束具有宽度b和厚度h的恒定矩形截面，面积矩I由下列公式给出：

$I=\frac{b{h}^3}{12}$ (公式5)

结果，模态谐振频率ω_j由下列公式给出：

${\mathrm{\ω}}_j={\mathrm{\λ}}_j^2\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρA}}}$ (公式6)

为了放置减少高阶模态分量的激励点，人们可以改变x，其中q(x)是沿着悬臂式射束在单个点x’处施加的力，因此α_j大致为零，以便消除第j模态分量的贡献。如果激励点被放置在叶片的中线处，则偶数阶模态分量的排气量贡献大致为零。在这种情况下，第三阶模态分量具有最大影响的高阶模态分量。结果，人们沿着叶片的长度来变化激励点的位置，以便减少α₃(第三阶模态分量的模态加权因子)。

图7示出了根据本发明实施例的在7400Hz测量的第一叶片原型(未示出)的叶片速率曲线图701。(叶片速率以mm/sec测量为沿着叶片的位置的函数)。x轴仅示出测量点的数目。为了转换成实际距离，我们必须获得扫描分辨率(每米点数)。使用第一叶片原型，激励点被放置在靠近叶片的末端(x＝0.90L)处，其中合叶被放置在x轴上的点112处。人们观察到来自第三阶模态分量的贡献比来自基本(第一)阶模态分量的贡献更少。来自第三阶模态分量的贡献随着激励频率增加，直到激励频率等于第三谐振频率f₃，其近似等于11400Hz。

图8示出了根据本发明实施例的在7400Hz测量的第二叶片原型(未示出)的叶片速率曲线图801。激励点位于距振膜的合叶部分大约0.66L处。与叶片速率曲线图701相比，来自第三阶模态分量的排气量贡献可以忽略，而叶片的运动由基本模式形状来控制。图7和图8中所示的实验结果暗示：如上所讨论的，远离叶片末端的激励的布置相当大地减少了来自高阶模态分量的贡献，因此提高了音响设备的频率响应。

尽管已经参考包括实现本发明的当前优选模式的特定示例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将会理解，存在落入所附权利要求中阐述的本发明的精神和范畴之内的上述系统和技术的各种变动和改变。

Claims (20)

1.一种用于激励音频换能器的方法，包括：

(a)确定叶片的多个节点区域，每个节点区域与多个高阶模态分量之一相关联，该高阶模态分量具有大于一的阶；

(b)识别至少两个高阶模态分量的交叉区域，其中每个节点区域的特征在于对于至少两个高阶模态分量的相应的模态分量的基本为零的排气量；

(c)在交叉区域内放置激励点；和

(d)通过信号源在所述激励点处激励所述叶片，以便产生声学信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中(a)包括：

(a)(i)确定第二阶模态分量和第三阶模态分量；和

其中所述至少两个高阶模态分量包括第二阶模态分量和第三阶模态分量。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少两个高阶模态分量进一步包括另一个模态分量。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

(e)通过改变叶片形状来改变多个节点区域中的至少一个。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

(e)通过增加肋条来改变多个节点区域中的至少一个。

6.如权利要求4或5所述的方法，其中(e)包括：

(e)(i)加固所述叶片的一部分。

7.如权利要求1所述的方法，其中(a)包括：

(a)(i)用有限元分析来分析所述叶片。

8.如权利要求1所述的方法，其中(a)包括：

(a)(i)将所述叶片建模为悬臂。

9.如权利要求1所述的方法，其中(a)包括：

(a)(i)以激励频率激励所述叶片；

(a)(ii)获得所述叶片的速率曲线图；和

(a)(iii)以不同的频率重复(a)(i)-(a)(ii)。

10.一种振膜，该振膜在音频换能器中被激励来产生声学信号；包括：

框架；

至少一个合叶；和

通过所述至少一个合叶连接到框架的叶片，该叶片被信号源在激励点处激励以产生声学信号，所述激励点被放置在至少两个高阶模态分量的交叉区域内。

11.如权利要求10所述的振膜，其中所述至少一个合叶包括由狭缝区域分离的两个合叶。

12.如权利要求10所述的振膜，其中所述叶片包括加固部分。

13.如权利要求12所述的振膜，其中所述加固部分包括肋条结构。

14.如权利要求10所述的振膜，其中所述交叉区域包括第二阶模态分量和第三阶模态分量。

15.如权利要求14所述的振膜，其中所述交叉区域包括另一个高阶模态分量。

16.如权利要求10所述的振膜，还包括：将所述叶片与所述框架分离的缝隙区域。

17.如权利要求16所述的振膜，其中所述缝隙区域被一片材料覆盖。

18.一种提供声学信号的音频换能器，包括：

被电信号驱动的激励单元；

被激励单元激励来产生运动的联动装置；和

振膜，其在激励点处耦接到所述联动装置，并且当所述联动装置运动时，该振膜被所述联动装置激励，所述振膜包括：

框架；

至少一个合叶；和

通过所述至少一个合叶连接到框架的叶片，该叶片被联动装置在激励点处激励以产生声学信号，所述激励点被放置在至少两个高阶模态分量的交叉区域内。

19.如权利要求18所述的音频换能器，其中所述交叉区域包括第二阶模态分量和第三阶模态分量。

20.如权利要求19所述的音频换能器，其中所述交叉区域包括另一个高阶模态分量。

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