CN102572652B - 用于音乐盒或报时表的声辐射膜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于组装在音乐盒或报时表中的声辐射膜(1)。所述膜制成为具有在所述膜的材料中形成的至少一个非对称形状的区域，或者具有与所述膜的总体厚度具有不同厚度的至少一个非对称形状的区域。优选地，所述膜包括部分重叠的并且彼此具有不同厚度的两个椭圆形的非对称区域(2，3)。优选地从所述膜中挖出的这两个椭圆形(2，3)相对于彼此偏心。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于诸如音乐表的音乐盒或者报时表的声辐射膜(acousticradiatingmembrane)。
本发明还涉及一种包含声辐射膜的表。所述表包含表壳，所述表壳主要由中间部件和后盖形成，所述后盖以密封方式可拆卸地固定到所述中间部件上。在后盖的相对侧设有表面玻璃以便以密封方式封闭所述表壳。钟表机芯被保持在表壳内部并且设有击打机构，所述击打机构能够在确定的时刻被致动以产生声音或音乐。至少一个声辐射膜连接到表壳以便朝向表壳的外部辐射由击打机构产生的声音。
背景技术
在钟表学领域中，具有传统结构的钟表机芯也可以包括用于产生声音或音乐的击打机构。报时表的音簧(gong)或者音乐表的销筒(pin-barrel)设置在表壳内部。因此，音簧或销筒舌片的振动被传递到表的外部部件。这些外部部件是例如中间部件、表圈、表面玻璃和表壳的后盖。这些大的部件在被传递的振动的作用下开始向空气中辐射声音。当通过被音锤击打的音簧或者通过一个或多个振动的销筒舌片产生声音时，这些外部部件能够将产生的声音辐射到空气中。
在传统的报时表或音乐表中，基于外部部件的复杂的振动-声音转换的声学效率较低。为了提高和增大由报时表或音乐表的用户感知的声级，必须考虑外部部件的材料、几何结构和边界条件。这些外部部件的构造还依赖于表的美学外观以及工作应力，其可能限制适配修改的可能性。
在钟表制造技术中已知在表(尤其是电子表)中使用声学类型的膜，所述膜专用于振动-声音转换。为了触发电子表中的这种类型的膜，例如在膜上放置压电元件以使得该膜振动，如瑞士专利No.581860中所述。为了防止来自所述膜的声音辐射在必须密封的表中消失，可以为表壳设置双后盖，所述双后盖朝外部必须是开放的。在这种情况下，表壳的后盖具有用于传播来自振动膜的声音的一个或多个孔。
一般来说，对于使用常规的声辐射膜，存在频率带宽的问题。在具有三问、闹铃或者甚至石英闹铃的报时表的情况下，可以通过放大使用激励器调谐的单一主导频率来获得良好的结果。但是，如果声膜必须被装配到音乐盒中，则要有效辐射的频率必须典型地在1kHz和4kHz的范围内。因此，膜的声学响应必须在此频率范围内相对均匀。但是，标准的均匀膜不可能成功地满足此条件，这是因为在此频率范围内的响应水平通常非常地不均匀。
在例如装配有声膜的标准报时表中，所述膜被夹在表的中间表壳的一部分和后盖之间。在奢侈表的情况下，后盖可能由诸如金的贵重材料制成。通常由钢制成的膜和金制的后盖之间在接触时可能出现电化学电势差，在潮湿环境中尤其如此。这易于在所述膜与金制的后盖的接触之处导致所述膜的腐蚀，这是另一个缺陷。因此，必须找到与金不具有电势差并且具有低的内部衰减的耐腐蚀材料。
发明内容
因此，本发明的一个目的是通过提供一种用于音乐盒或报时表的声辐射膜来克服上述现有技术的缺陷，所述声辐射膜制成为提供在可听频带上的、主要在1kHz到4kHz的频率范围内的尽可能最均匀的效率。
因此，本发明涉及一种包括独立权利要求1中限定的特征的声辐射膜。
从属权利要求2至12中限定了声辐射膜的特定实施例。
根据本发明的声辐射膜的一个优点在于以下事实，即，所述声辐射膜制成为具有在膜的材料中形成的至少一个非对称形状的区域、或者制成为具有与膜的总体厚度具有不同厚度的至少一个非对称形状的区域。所述膜可包括在膜的材料中挖出的若干非对称形状的区域。优选地具有不同尺寸的两个挖出区域。例如通过对所述膜蚀刻或者挖掘来加工第一区域以获得第一恒定厚度，并且在所述膜中加工第二区域以获得第二恒定厚度，该第二恒定厚度小于该第一厚度。加工两个非对称形状的区域以限定例如作为非对称形状的第一和第二椭圆。这些椭圆相对于膜的中心关于彼此偏移并且部分重叠。
由于在膜中制成椭圆这一事实，与圆形的区域相比，对于每个椭圆可获得两倍的固有振动模式。因此在可听频率范围内的固有模式的数量被最大化，在1kHz和4kHz之间尤其如此。因此，通过去除圆形对称性以及使用平面图中所示的形式为椭圆的这种类型的非对称区域，可以使振动膜的整体响应变平坦。
有利地，膜可以由非结晶金属或者金属玻璃制成，或者也可由金制成，或者甚至可由黄铜或具有类似的密度、杨氏模量以及弹性极限的其它材料制成。非对称区域的设置也可增加在有用的声音频带中的(即在1kHz和4kHZ之间的)固有频率的数量，以便增大整体声级。通过此类型的膜，声音范围的扩大可以与非常低的内部衰减相结合，这提供了非常良好的声学效率。
因此，本发明涉及一种表，所述表具有包括在独立权利要求13中限定的特征的声辐射膜。
从属权利要求14至16限定了所述表的特定实施例。
附图说明
从下文基于由附图示出的至少一个非限制实施例给出的描述中，可以更清楚地看到用于音乐盒或报时表的声辐射膜的目的、优点和特征，在附图中：
图1示出根据本发明的声辐射膜的简化的顶视图，
图2示出根据本发明的声辐射膜的沿图1的A-A的简化的沿直径方向的截面图，
图3示出根据膜的激励频率，与圆形膜相比由根据本发明的膜向空气施加的全部力的曲线图，以及
图4示出具有根据本发明的声膜的报时表或音乐表的简化的局部截面图。
具体实施方式
在下文的描述中，将主要涉及特别是将装配到音乐盒诸如音乐表或报时表的声辐射膜的构造。
图1示出用于诸如音乐表的音乐盒或报时表的声辐射膜1的顶视图。在此实施例中，膜1制成为具有非均匀的空间厚度，即，它包括在膜的总厚度中机加工出的区域。所述机加工区域分别具有不同的均匀厚度。在该顶视图中可见，所挖出的具有不同厚度的区域具有非对称圆形形状。该非对称形状优选地为在圆形膜1的底部部分4中挖出的椭圆2、3，如下文参照图2和4所描述的，所述膜可为拱顶形状。这些椭圆2、3部分地重叠。若干非对称圆形区域的存在显著增加了固有振动模式或频率的数量。因此这增大了优选在1kHz和4kHz之间的带宽，以及在此可听频带内的放大作用的均匀性。
在此类型的膜的声音辐射测试期间可以观察到，优选地在膜1的厚度中制成两个非对称区域2、3。形式为具有不同的均匀厚度的椭圆的这两个区域具有不同的尺寸或表面，但是不直接依赖于膜的尺寸。作为非限制性示例，膜1可以是在边缘处具有约40mm的直径以及在其底部4处具有约31mm的直径的圆形膜。在平面图中可以看到，这两个椭圆形的区域占据了膜的表面的大部分，以便增加在1kHZ和4kHZ之间的希望的声音频带内的固有振动模式的数量。
通常在考虑椭圆形膜的振动模式的频率ω的以下简化公式的情况下确定所述椭圆形的区域：
ω2 n，m≈E·h·(n/b2+m/a2)/(ρ·(1-v2))
其中，E是杨氏模量，h是膜的厚度，a和b是椭圆的半轴，ρ是膜的材料的密度，v是泊松系数(大约在0.3的量级)，n和m是整数，其是振动模式的数量并且代表膜的相应振动的空间节点的数量。在半轴a和半轴b的方向上的节点的数量分别为m-1，n-1。在由n＝2和m＝3表示的模式的情况下，这对应于在半轴a的方向上具有两个节点和在半轴b的方向上具有一个节点的振动。在由n＝1和m＝1表示的模式的情况下，在任一个半轴方向上都不存在节点。
根据前述振动频率公式，频率随着杨氏模量E和厚度h的平方根的增加而增加，但是相反地随着增大半轴a和b(即椭圆的表面)而减小。作为比较，对于相同的表面积和相同的厚度以及在希望的频率范围内，与圆形膜相比，椭圆形膜具有数量是两倍的振动模式。因此可以通过去除膜的圆形对称性使整体频率响应变平坦。优选地形式为根据本发明的声膜1的椭圆2、3的非对称区域构造成使得第一固有振动模式在1kHZ和4kHZ之间的可听频率范围内。通过使用此类型的椭圆，可以获得比使用其他非对称形状更好的几何结构的优化。
应指出的是，具有均匀厚度的圆形膜可以承受由kN限定的若干固有振动模式。每个固有模式以限定的节点数量N为特征。由于被称为Sj(其中j从1到n)的具有不同厚度的区域，以及对于每个限定的节点数量N，计数具有此节点数量的若干振动模式这些模式的空间形状和/或在膜的平面中的取向彼此不同。这些模式之间的能量差异取决于区域Sj的厚度和形状，因此可以根据需要减小。每个能量范围内的这种模式的增加使得膜的响应频带得以扩大。为了简化计算以及出于实用性原因，这里考虑了具有不同厚度的区域为两个椭圆的特定情况。
由于在膜中形成两个椭圆的事实，对于每个限定的节点数量，存在四个振动模式，其中每个椭圆包括两个振动模式，而不是如常规圆形膜那样仅有一个振动模式。可听频带内的模式数量因此被最大化。因此，通过去除圆形对称性以及使用形式为平面图中看到的椭圆的这种类型的非对称区域，可以使振动膜的整体响应变平坦。
对于典型的手表尺寸，通过使用两个椭圆形区域可以获得比使用任何其他非对称形状更好的几何结构的优化。如果每个椭圆区域的尺寸相对于膜的尺寸足够大，则第一振动模式在希望的频带内(例如在1kHz和4kHz之间)具有均匀的放大作用。整体声级也增加，使得用户能够感知由音乐盒或报时表的膜所辐射的音符(note)。
如前文所述，圆形膜1可以在其边缘处具有等于40mm的直径，并且在其底部4处具有等于31mm的直径。该圆形膜1可由密度等于5,100kg/m3的材料制成，诸如基于氧化锆的金属玻璃。用于该膜的材料可具有在97-110GPa之间的杨氏模量，而其弹性极限可以在1.5-2.2GPa之间。根据要获得的声音效果，该膜的最大厚度可以在0.3mm的量级，而最小厚度可以在0.1mm至0.2mm之间。如果密度更大而杨氏模量更小，则可以允许大于0.3mm的膜厚度，但是在这些条件下，膜的声学效率降低。
在膜的底部4处挖出的第一椭圆2的尺寸是：长半轴为12mm，短半轴为6mm，厚度为0.15mm。在膜的底部4处挖出的并且部分重叠在第一椭圆上且与之相交的第二椭圆3的尺寸是：长半轴为11mm，短半轴为7mm，厚度为0.2mm。第一椭圆2和第二椭圆3的中心c、c’可以相对于彼此偏移例如13.5mm，并且这两个椭圆的长半轴之间的角度可以为60°的量级。如果这两个椭圆具有比较类似的尺寸，则所述膜的振动模式的密度在希望的可听频带内被最大化。还可以设想根据需要的膜的需要的密封、不可变形性或可变形性来适配修改所述椭圆的厚度和表面。
一般地，从膜挖出的椭圆的半轴与圆形膜的半径之间的比原则上必须在2/3至1的范围内。所述椭圆的两个厚度之间的比必须在1/2至4/5的范围内。最小厚度必须不大于圆形膜的总厚度的2/3。
图2示出声辐射膜1的沿图1的A-A的直径方向的截面图。如下文参照图4所述，此膜可以采用具有底部4和外周边缘的拱顶的形式，以用于特别是组装在表壳内。椭圆形的非对称区域2和3在膜1的底部4中制成。每个区域以不同的均匀厚度从膜中挖出。还应指出，被挖出的区域可以位于膜的机芯侧或者膜的外侧(未示出)。
还应指出，除了通过对膜1的总厚度进行蚀刻、铣削或挖掘以制成非对称区域2、3以外，还可以设想在具有很小厚度的膜上制成两个椭圆形区域，这两个椭圆形区域位于超出的厚度中并且彼此相交。第一区域具有比膜的很小厚度更大的第一厚度，第二区域具有大于第一区域的第一厚度的第二厚度。因此这些椭圆形区域在膜上形成突起部，它们的非对称形状提供了与前文所述的在膜中挖出的椭圆相同的优点。可以通过选择性地沉积与膜的基材相同的材料来获得这些区域。所述材料可以是基于氧化锆或者基于铂的金属玻璃，或者也可以是金。
还应指出，除了通过对膜1的总厚度进行蚀刻、铣削或挖掘以制成非对称区域2、3以外，还可以设想通过在制造或后处理期间以确定性方式局部地改变膜的物理-化学特性来制造非圆形对称膜。根据与前文所述相同的物理原理，此过程使得能够制成具有非圆形对称形状的均匀区域，从而增加振动模式并且使得频率响应变平坦。
图3示出与相同材料制成的普通圆形膜的响应相比较的本发明提出的膜的频率响应的曲线图。根据膜的激励频率示出由膜向空气施加的总力Fz。在此示例中圆形膜可以是平的，并且具有31mm量级的直径。在所有考虑的情况下施加了相同的激励力。
曲线MA代表在1kHz至4kHz的频率范围内的普通圆形膜的响应(膜向空气施加的力)。应指出，此普通膜向空气施加的力仅在2.5kHZ和3kHz之间具有最大振幅峰值，并且具有相对低的总体振幅。曲线A代表如下这样的圆形膜的响应，即，在该圆膜中制成具有等于15mm的长半轴和等于9mm的短半轴且具有0.07mm的厚度的居中椭圆，以及具有等于13.5mm的长半轴和等于10mm的短半轴且具有0.09mm的厚度的非居中椭圆。曲线B代表如下这样的圆形膜的响应，即，在该圆形膜中制成具有等于14mm的长半轴和等于10mm的短半轴且具有0.08mm的厚度的居中椭圆，以及具有等于12mm的长半轴和等于11mm的短半轴且具有0.1mm的厚度的非居中椭圆。最后，曲线C代表如下这样的圆形膜的响应，即，在该圆形膜中制成具有等于15mm的长半轴和等于9mm的短半轴且具有0.09mm的厚度的居中椭圆，以及具有等于13.5mm的长半轴和等于10mm的短半轴且具有0.11mm的厚度的居中椭圆。对于在1kHz和4kHz之间的固有振动频率，由其中制成有椭圆的膜向空气施加的力的振幅被最大化和相对平坦化，这是本发明的一个目的。
图4因而示出报时表或音乐表10的部分截面图。表10主要包含根据本发明的声辐射膜1，以用于提高通过击打机构产生的一个或多个音符的声学效率。此声膜1可以包括从膜的底部4挖出的两个椭圆形的区域2和3。此声膜可以例如由属于耐腐蚀材料的非结晶金属或金属玻璃制成。膜1的总厚度可以小于或等于1mm，优选地接近于0.3mm。
报时表或音乐表10还包括钟表机芯20，该机芯20通常安装在机板24上。边缘部分22紧固在机板24上，这限定了表框。通常，机板24和边缘部分22两者均由金属材料制成。
表的机芯20包括未示出的击打机构。此击打机构可包括安装在与机板24成一体的音簧支架上的至少一个音簧，以及用于在确定的时间击打所述音簧的至少一个可旋转地安装在机板上的音锤。大致为圆形的音簧围绕报时表的机芯的各个部分。此击打机构的设置是用于指示被编程的闹铃时间或者三问。
在更精细的音乐表实施例中，击打机构可包括销筒，所述销筒具有连接到跟部的一组舌片，该跟部紧固在机板24上。由销筒的振动的舌片产生一个音符或一连串音符。每个舌片通常构造为产生一个特定的音符，但是可以具有一些由两个舌片构成的组，从而每个组产生相同的特定音符。为了例如在被编程时间产生音乐，销筒舌片被与机板24上的旋转的盘或圆筒成一体的销抬高然后被释放。每个被致动的舌片主要以其第一固有频率振荡。由被致动的舌片产生的振动被传递到表的外部部件，所述外部部件必须允许通过每个振动舌片产生的声音在声学意义上进行辐射。
在此实施例中，声膜1采用拱顶的形状，该拱顶的顶部边缘以密封方式经由环形衬垫18安装在表壳的后盖15的内部环形边缘上。此拱顶的直径可以与表面玻璃12的直径相同，并且可以在20-40mm之间。一环形支承部21在具有边缘部分22的一侧支承机板24，并且靠置在声膜1的顶部边缘上。当中间部件14紧固到表壳的后盖15上时，支承部21和声辐射膜1的周边边缘被夹持在中间部件14和后盖15的边缘之间。
应指出，声膜1可以经由其边缘以与前文所述不同的方式被固定。可以设想在2、3、4或更多位置中的奇数点处经由膜的边缘对膜进行固定，或者弹性地或者利用一个简单的支承条件对膜进行固定。
后盖15通过已知手段利用密封衬垫19可拆卸地安装在中间部件14上。表面玻璃12特别地固定在表圈13上，以便以密封方式封闭表壳。表盘23被保持在中间部件的边缘上，并且设置在表面玻璃12的下方。对于机械报时表10，时间指示指针(未示出)设置在表盘上，该表盘通常在其周边还带有小时符号。
声膜的中心部分不与支承部21和后盖15的内表面接触。因此，在表壳中提供了足够的空间17，以使声膜能够自由振动或者声学辐射。声膜1和后盖15因此共同形成双后盖。还穿过后盖15沿侧向设置一个或多个孔16，以允许声膜朝外部辐射由击打机构产生的声音。
在击打机构的操作期间，由所述击打机构产生的一个或多个音符被直接传递到声膜以使其振动。连接部分21、22和24也在声膜1的边缘处向声膜1传递振动。由于该声膜包括在膜的底部4挖出的椭圆形区域2、3，因此该声膜能够根据要被辐射的音符的数量以若干一固有频率振动。这些第一固有频率优选地在1kHz和4kHz之间的有用声带内。但是，音符的第二固有振动频率高于4kHz。由于第二振动频率通常在声音方面是有害的，因此这是有利的。
可以由非结晶金属制成的膜的这些希望的固有声音振动频率依赖于物理特性，例如密度和杨氏模量。此外，对于这种类型的声辐射膜1，可以观察到非常低水平的衰减，这为声膜提供了非常高水平的声学效率。此外，假定第二固有频率模式在频率上大致接近于具有正交取向的第一固有频率模式，则第二固有频率的破坏性干扰效果被减轻。换句话说，膜决不会以纯粹的第二固有频率模式振动。
由于所述膜由耐腐蚀材料制成的事实，所述膜能够被安装在例如由贵金属诸如金制成的后盖上。即使在潮湿环境中也没有观察到电化学电势差，这意味着在膜1和后盖15之间的接触部没有发生腐蚀。
例如用于制成所述膜的金属玻璃或非结晶金属也可以是基于钛、锆和铍的金属合金。因此，作为更具体的示例，非结晶金属合金可包括41％的锆、14％的钛、12％的铜、10％的镍以及23％的铍。此合金的杨氏模量为105GPa，弹性极限为1.5GPa。非结晶金属合金也可以由57.5％的铂、14.7％的铜、5.3％的镍和22.5％的磷形成。在此情况下此合金的杨氏模量为98GPa，弹性极限为1.4GPa。
从刚才给出的说明出发，本领域技术人员可以想到用于音乐盒或报时表的声辐射膜的若干变型，而不会偏离由权利要求限定的本发明的范围。声膜可位于表壳的中间部件内，穿过该中间部件形成有孔以用于振动的声膜的声音辐射。声膜可位于表壳的外部部件上，但是设置在表壳中的至少一个孔上，以便由击打机构产生的一个或多个音符能够使得膜振动。可以提供若干个声膜，这些声膜设置在表壳内的若干位置或者相互重叠。所述膜可具有不同于圆形的形状，例如为矩形，并且可以是平的。所述膜可以在第一面上包括椭圆形区域，并且在膜的第二相对面上包括另一个椭圆形区域。
Claims (13)
1.一种用于音乐表或报时表(10)的声辐射膜(1)，其特征在于，所述声辐射膜(1)制成为具有两个或更多个非圆形对称形状的区域，所述非圆形对称形状的区域是两个或更多个在声辐射膜的底部(4)的椭圆形状的区域，所述椭圆形状的区域是以彼此不同的且小于所述膜的底部的厚度的均匀或恒定厚度从所述膜中挖出的，以便增加固有振动模式或频率的数量。
2.一种用于音乐表或报时表(10)的声辐射膜(1)，其特征在于，所述声辐射膜(1)制成为具有两个或更多个非圆形对称形状的区域，所述非圆形对称形状的区域是两个或更多个在声辐射膜的底部(4)的椭圆形状的区域，椭圆形状的区域是在所述膜的最小厚度上制成的突出部，每个椭圆形状的区域具有与另一个区域不同的厚度，以便增加固有振动模式或频率的数量。
3.根据权利要求1的膜(1)，其特征在于，所述膜(1)包括至少两个非对称区域，每个区域是以不同的均匀厚度在所述膜中挖出的，以使得在1kHz和4kHz之间的频率范围内的所述膜的第一固有振动频率最大化。
4.根据权利要求1或2的膜(1)，其特征在于，所述膜具有总体为拱顶的形状，所述拱顶具有该底部(4)，在该底部(4)中制成椭圆形状的区域(2，3)。
5.根据权利要求1或2的膜(1)，其特征在于，椭圆形状的第一区域(2)在圆形膜上位于中心，椭圆形状的第二区域(3)在所述膜上偏离中心，并且这两个区域部分重叠。
6.根据权利要求5的膜(1)，其特征在于，从所述膜中挖出的两个椭圆(2，3)的半轴与圆形膜的半径之间的比必须在2/3至1的范围内，所述椭圆的两个厚度之间的比必须在1/2至4/5的范围内，并且每个椭圆的最小厚度必须不大于圆形膜的总厚度的2/3。
7.根据权利要求1或2的膜(1)，其特征在于，所述膜的均匀厚度为0.3mm或更小，椭圆形状的第一区域(2)的厚度为0.15mm，椭圆形状的第二区域(3)的厚度为0.2mm。
8.根据权利要求1或2的膜(1)，其特征在于，所述膜由金或钛或非结晶金属或金属玻璃制成。
9.根据权利要求1或2的膜(1)，其特征在于，非对称形状的区域是通过局部地以确定性方式改变材料的物理-化学特性在所述膜的基材中形成的。
10.一种报时表或音乐表(10)，包括：表壳，该表壳具有中间部件(14)和设有至少一个侧向孔(16)的后盖(15)，其中该后盖以密封的和可拆卸的方式紧固到该中间部件上；以密封方式封闭该表壳的表面玻璃(12)；被保持在该表壳内部并且具有能够在确定的时间被致动以产生一个或多个音符的击打机构的表机芯(20)；以及设置在该表壳中的至少一个根据权利要求1或2的声辐射膜(1)。
11.根据权利要求10的表(10)，其特征在于，所述声辐射膜(1)被保持在表壳的后盖(15)的内部边缘以及中间部件(14)的一个部分上，并且所述声辐射膜(1)的周边与机芯的支承部(21)的周边一起被夹持在中间部件(14)和表壳的后盖(15)的内部边缘之间。
12.根据权利要求11的表(10)，其特征在于，所述声辐射膜(1)具有拱顶的形状，所述拱顶的顶部边缘与环形支承件一起被夹持在中间部件(14)和表壳的后盖(15)的环形内部边缘之间，在后盖(15)的边缘与所述膜的环形边缘之间设有环形密封衬垫(18)，并且所述声辐射膜的中心部分没有与支承部(21)和表壳的后盖(15)的内表面接触，以限定允许所述膜自由振荡的空间(17)。
13.根据权利要求10的表(10)，其特征在于，多个声辐射膜(1)连接到表壳，并且相互独立地设置或者相互重叠地设置。
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