CN102111702B

CN102111702B - 一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器

Info

Publication number: CN102111702B
Application number: CN200910243796.2A
Authority: CN
Inventors: 袁世明
Original assignee: KING TONE INNOVATION
Current assignee: KING TONE INNOVATION
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: CN102111702A

Abstract

本发明属于扬声器技术领域，特别涉及一种新压电陶瓷片结构的薄型压电扬声器。其结构包括振膜，粘结在振膜上的压电陶瓷片，压电陶瓷片表面的电极，连接电极和外部电路的电极引导线，用来约束振膜的边框。通过将整体一块的压电陶瓷片换成按一定规律呈分布式排列的几块压电陶瓷片的结构，降低了压电陶瓷片的制造工艺难度，同时调整了本发明压电扬声器的中频段特性，使声压级失真降低，减小乃至消除了中频段声辐射在空间的相位抵消，使压电扬声器的声压级频响曲线平整度得到极大改善，在参数合适的情况下能消除中频段声压级频响曲线的峰和谷，使压电扬声器音质更佳。

Description

一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器

技术领域

本专利涉及一种新型压电扬声器，更具体的说，涉及一种新振膜结构的薄型压电扬声器。

背景技术

扬声器是一种电-力-声换能器，它是音响设备中的重要元件。扬声器在人们平时的日常生活中广泛被使用，带来了很多的便利，汽车、广播、电视、音箱、手机、MP4、电脑等电子产品领域中，扬声器的应用几乎随处可见。扬声器的种类很多，按其能量转换原理可分为电动式(即动圈式)、静电式(即电容式)、电磁式(即舌簧式)、压电式等几种；按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器，其中动圈式扬声器应用最为广泛。而压电扬声器因其小、薄、轻的特点，在当今器件小型化的趋势下，具有极其光明的前景与未来。

目前大多数压电扬声器的振动发声部分的基本原理为：电极接通交流电，由于逆压电效应，压电陶瓷片产生振动，使金属振膜发生弯曲变形，从而产生振动，进而推动空气振动，产生声压，发出声音。

与传统的动圈扬声器相比，压电扬声器有以下几点优势：

1.压电扬声器结构中不需要磁铁，从而也不会存在任何的磁场对周围的电路产生干扰和影响，也不会从周围空间吸纳尘粒。

2.压电扬声器的厚度超薄，相比动圈式扬声器，压电扬声器可安装于更为扁平空间中，这一点使其在当今市场极具有竞争力；

3.压电扬声器具有轻便的特点，重量一般都小于1g，比传统的动圈扬声器轻50％-80％；

4.压电扬声器功耗低，一般小于15mW，是动圈式扬声器消耗功率的1/5-1/2，这大大延长了器件的电池寿命；

5.压电扬声器的声学设计简单，背面只需很少空间，不需要对于动圈扬声器所必须的用于提高声压级的空腔。

在相比于传统扬声器具备很大优势的同时，普通压电扬声器也存在一些缺点，这主要表现在音质上较差。研究表明，大多数音质好的扬声器，其频率响应曲线是平坦的。而传统的压电扬声器的第一阶谐振频率(频率响应曲线的一个峰对应的频率)一般较高，低频特性稍差，即低音重放效果略差。例如13×19规格的压电扬声器的第一阶谐振频率一般在1.2kHz～1.4kHz之间，20×20规格的压电扬声器的第一阶谐振频率一般在600Hz～1kHz之间。第一阶谐振频率主要跟压电陶瓷片、基膜、被膜的外形尺寸和具体的约束方式相关。另外传统的压电扬声器在中频带一般有较深的谷，从而造成失真大、音质差。例如13×19规格的压电扬声器在10kHz附近，20×20规格的压电扬声器在5kHz附近，由于中频段的声辐射在空间的相位抵消，直接导致声压级降低30db以上。典型的压电扬声器频响曲线如附图1所示，可以看出曲线在5.5kHz左右有一明显的深谷即中频谷，而大多数动圈式扬声器没有类似的明显的中频谷。一般来说，第一阶谐振频率可以通过优化材料、尺寸、边界条件等方法予以调整，从而拓展低频带宽，改善低频特性。而中频谷的改善一般有两种，要么将中频谷后移到所关心的声音频带之外(例如10kHz以上)，要么在当前频率上减小乃至消除中频谷。将中频谷后移往往要从结构、尺寸等方面入手，而结构、尺寸等参数对扬声器性能的影响是多方面的，在将中频谷推后的同时很难照顾到其它已经调整好的性能指标，常常要打破已有的设计，而且单纯将中频谷后推几千赫兹就很困难。而在当前频率上减小乃至消除中频谷方面，业界一直没有简单通用的方法，成为制约压电扬声器推广应用的一个难题和瓶颈。由于人耳对中频段的声音比较敏感，减小压电扬声器的中频谷失真成为器件设计的极为关键的技术。解决以上问题的相关技术也成为各企业重点保护的专利内容。

一般认为中频谷产生的原因是在扬声器的振膜在中频某些频段上产生特殊的振动模态，振膜不同部分的振动在远场轴线上测试点处产生相位相反的振动，因而引起声波干涉而相互抵消，从而出现声辐射的谷点。通过改善振膜在中频带的模态可以减小乃至消除中频谷。振动模态往往跟压电振子(振膜和压电片)的刚度、质量分布等密切相关，将整体一块的压电陶瓷片换成按一定规律呈分布式排列的几块压电陶瓷片，不仅简单易行，而且能耦合对声辐射强度有着相反作用的不同模态，从而达到改善压电振子在中频段模态，减小乃至消除中频的峰和谷的目的，可谓是一举两得。另外，采用多块压电陶瓷片对减小工艺难度也大有益处。对于大尺寸振膜的大功率压电扬声器，将传统的单一压电陶瓷片的粘接，改成多块压电陶瓷片呈矩阵等分布式排列特征的扬声器，减小了大面积超薄型压电陶瓷片的制造难度，提高了产品合格率，减低了生产成本。

发明内容

本发明的目的是鉴于已有技术的不足，针对性地提出一种采用全新的多块压电陶瓷片分布方式的压电扬声器，可明显改善传统压电扬声器在中频区的失真，使扬声器的综合性能得到极大提高。

本发明的技术方案为：所述压电平板扬声器的结构包括振膜，粘结在振膜上的压电陶瓷片，压电陶瓷片表面的电极，用来约束振膜的边框，其中，压电陶瓷片为多片分布式排列结构，排列方式为矩形阵列、环形阵列、其他以振膜的中心轴为对称轴的阵列式分布或其他以振膜的中心点为对称中心的阵列式分布，各压电陶瓷片之间通过片间电极引线连成一个整体；所述压电陶瓷片的分布式排列方式，可以使压电扬声器的声压级曲线平整度得到极大改善，减小乃至消除中频段的峰和谷。

所述多片压电陶瓷片的位置沿着矩形振膜的长度和宽度方向呈矩形阵列分布，或者以圆形或椭圆形振膜的中心点为对称中心呈环形阵列式分布。

所述多片分布式排列的压电陶瓷片以2乘2矩形阵列、对称于所述振膜的中心轴线放置，或者以间隔90度的环形阵列方式、对称于所述振膜的中心点放置。

所述压电陶瓷片的轴向截面为矩形、扇形、带状、圆形、椭圆或其他多边形。

所述振膜的轴向截面为圆形、椭圆、矩形或其他多边形。

所述振膜采用多块振膜分布式排列结构，且所述多块振膜与所述多块压电陶瓷片在空间位置上一一对应。

所述电极粘结于压电陶瓷片的表面或嵌入压电陶瓷片中。

所述振膜的单一侧面粘结呈分布式排列的压电陶瓷片，或在所述振膜的双个侧面均粘结呈分布式排列的压电陶瓷片。

所述振膜采用包括镍铁合金、不锈钢在内的金属材料。

本发明的有益效果为：无论通过理论计算还是目前已制备出的产品，通过采用多块压电陶瓷片的矩形阵列、环形阵列等排列方式，除了保持了传统压电扬声器已有的优良特性外，同时本发明扬声器结构避免了中频段声辐射在空间的相位抵消，使压电扬声器的声压级曲线平整度得到极大改善，传统压电扬声器在中频段某些频段声压级降低30db以上的现象不再出现。通过对各个陶瓷片大小、位置和间距的调整，中频段的峰和谷均可以消除，使压电扬声器音质更佳。对于大尺寸振膜的大功率压电扬声器，将传统的单一压电陶瓷片的粘接，改成多块压电陶瓷片呈矩阵等分布式排列特征的扬声器，减小了大面积超薄型压电陶瓷片的制造难度，提高了产品合格率，减低了生产成本。本发明即陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器其结构具有创新性、且成本低、性能优异，极具市场竞争力，特别适于大功率压电扬声器的市场需求。

附图说明

图1为典型的压电扬声器频响曲线图；

图2为现有压电扬声器的发声部分结构示意图；

图3(a)为本发明实施例1的正视图；

图3(b)为本发明实施例1的爆炸图；

图4为本发明实施例1的频响曲线与传统频响曲线的对比图；

图5(a)为本发明实施例2的正视图；

图5(b)为本发明实施例2的爆炸图；

图6(a)为本发明实施例3的正视图；

图6(b)为本发明实施例3的爆炸图。；

图中标号：

1-电极；1a-正电极引线；1b-负电极引线；1c-片间电极引线；2-压电陶瓷片；3-振膜；3a-分块振膜连接处；4-边框。

具体实施方式

本发明提供了一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

压电扬声器的金属振膜的振动变形通常是由于压电陶瓷在振膜平面内的伸缩运动引起的。附图2为现有压电扬声器的发声部分结构示意图，压电扬声器的电极1位于压电陶瓷片2的上下表面，极化方向垂直于振膜3平面，振膜3平面内的应变与电场强度的关系如下：x₁＝d₃₁E₃，其中，x₁为与极化方向垂直的应变(即振膜平面内的应变)，d₃₁为压电应变系数，E₃为极化方向的电场强度。

以下各个实施例中，电极材料均为银或者银钯合金等导电金属。

实施例1

图3(a)和图3(b)为本发明实施例1的正视图和爆炸图。电极1分为正电极和负电极，分布于压电陶瓷片2的上表面和下表面。压电陶瓷片2包括四片小的矩形片，以二乘以二的矩阵排列方式粘贴于振膜3的上表面或采用八片小的矩形片的方式分别粘结在振膜3的上、下表面。振膜3为矩形，采用镍铁合金或不锈钢等材质，层厚控制在30微米到100微米。边框4来约束固定振膜3。正电极引线1a和负电极引线1b分别将正电极和负电极引至边框上相应焊点便于连接外电路。片间电极引线1c将分布式排列的多片压电陶瓷片的同性电极相互连通。附图4为本发明实施例1的频响曲线与传统频响曲线的对比图。从图中可以看出，当采用实施例1中的矩形阵列式排列的压电陶瓷片，可以使中频段失真情况得到改善，各个陶瓷片的间距可以调整中频段频响曲线的峰和谷的位置，在合适的间距下可以使中频段的峰和谷对应的振动模态相互耦合，从而消除中频段的峰和谷。分布式排列的压电陶瓷片结构至少减小和提高了中频段峰和谷的声压级10dB以上，相当于在中频段峰和谷所在频段上所加电压减小和增加4倍以上所产生的声压级效果。曲线其它频段变化不大，保持了较高声压级的优点。

实施例2

图5(a)和图5(b)为本发明实施例2的正视图和爆炸图。电极1分为正电极和负电极，分布于压电陶瓷片2的上表面和下表面。压电陶瓷片2包括四片小的90度扇形片，以间距90度环形阵列的排列方式粘贴于振膜3的上表面或采用八片小的90度扇形片的方式分别粘结与振膜3的上、下表面。振膜3为圆形或椭圆形，采用镍铁合金或不锈钢等材质，层厚控制在30微米到100微米。边框4来约束固定振膜3。正电极引线1a和负电极引线1b分别将正电极和负电极引至边框上相应焊点便于连接外电路。片间电极引线1c将分布式排列的多片压电陶瓷片的同性电极相互连通。

实施例3

图6(a)和图6(b)为本发明实施例3的正视图和爆炸图。电极1分为正电极和负电极，分布于压电陶瓷片2的上表面和下表面。压电陶瓷片2包括四片小的矩形片，以二乘以二的矩阵排列方式粘贴于振膜3的上表面或采用八片小的矩形片的方式分别粘结在振膜3的上、下表面。振膜3也采用四片小的振膜，以二乘以二的矩阵排列方式与所述二乘以二的矩阵排列的四片压电陶瓷在空间上一一对应，振膜3各个小块之间在分块振膜连接处3a连接，振膜3采用镍铁合金或不锈钢等材质，层厚控制在30微米到100微米。边框4来约束固定振膜3。正电极引线1a和负电极引线1b分别将正电极和负电极引至边框上相应焊点便于连接外电路。片间电极引线1c将分布式排列的多片压电陶瓷片的同性电极相互连通。

以上所述的实施例，只是本发明的几个较佳的具体实施方式，本领域的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种修改。

Claims

1.一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其结构包括振膜(3)，粘结在振膜(3)上的压电陶瓷片(2)，压电陶瓷片(2)表面的电极(1)，用来约束振膜(3)的边框(4)，其特征在于，压电陶瓷片(2)为多片分布式排列结构，排列方式为以振膜(3)的中心轴为对称轴的阵列式分布或以振膜(3)的中心点为对称中心的阵列式分布，各压电陶瓷片之间通过片间电极引线连成一个整体；所述压电陶瓷片(2)的分布式排列方式，可以使压电扬声器的声压级曲线平整度得到极大改善，减小乃至消除中频段的峰和谷；

所述振膜(3)采用多块振膜分布式排列结构，且所述多块振膜与所述多片压电陶瓷片(2)在空间位置上一一对应；多块振膜(3)之间在分块振膜连接处连接。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其特征在于，所述多片压电陶瓷片(2)的位置沿着矩形振膜(3)的长度和宽度方向呈矩形阵列分布，或者以圆形或椭圆形振膜(3)的中心点为对称中心呈环形阵列式分布。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其特征在于，所述多片分布式排列的压电陶瓷片(2)以2乘2矩形阵列、对称于所述振膜(3)的中心轴线放置，或者以间隔90度的环形阵列方式、对称于所述振膜(3)的中心点放置。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其特征在于，所述压电陶瓷片(2)的轴向截面为矩形、扇形、带状、圆形或椭圆形。

5.根据权利要求1所述的一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其特征在于，所述振膜(3)的轴向截面为圆形、椭圆或矩形。

6.根据权利要求1所述的一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其特征在于，所述电极(1)粘结于压电陶瓷片(2)的表面或嵌入压电陶瓷片(2) 中。

7.根据权利要求1所述的一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其特征在于，所述振膜(3)的单一侧面粘结呈分布式排列的压电陶瓷片(2)，或在所述振膜(3)的双个侧面均粘结呈分布式排列的压电陶瓷片(2)。

8.根据权利要求1所述的一种陶瓷片呈分布式排列的压电平板扬声器，其特征在于，所述振膜(3)采用镍铁合金或不锈钢。