CN104219608A - 一种调制型压电扬声器、扬声器系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调制型压电扬声器、扬声器系统及其控制方法，涉及扬声器技术领域。该调制型压电扬声器包括外壳、结合在一起的发声压电片和发声振膜、压电阀，发声压电片用于在音频驱动电信号的驱动下带动发声振膜产生振荡气流；压电阀用于在控制驱动电信号的驱动下运动以打开或封闭振荡气流的出气口或调节出气口的开启程度。同时提出具有上述扬声器的扬声器系统及其控制方法。本发明提供的调制型压电扬声器通过压电阀的打开和关闭控制发声振膜产生的振荡气流的出气口的开闭以及出气口的大小，从而改变扬声器输出的声音信号的频率，在保证足够的输出气流量的同时获得高保真重放声音，结构简单可靠，无需增大压电片的面积，易于实现微型化。

Description

一种调制型压电扬声器、扬声器系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，尤其涉及一种调制型压电扬声器、采用该扬声器的扬声器系统以及该扬声器系统的控制方法。

背景技术

随着微电子技术和无线通信技术的发展，市场上出现许多薄型的便携设备(如手机，平板电脑，笔记本电脑等)。这些设备(如薄型手机)因其体积较小，对于其中应用的元件的尺寸有极高的要求，需要使用薄型，小尺寸的发声元件。

然而，传统的发声元件，受其发声原理的限制，在小型化的同时，牺牲了可以推动的空气容量，使得设备的低频重放性能变差，音量变小，无法满足消费者日益提高的对于多媒体声学重放性能的要求。

压电扬声器利用逆压电效应，将音频信号转化为压电片的振动，带动扬声器的振膜振动并推动空气振动产生声波。压电扬声器可以在器件薄型化的同时提供一定品质的声学重放。然而，现有的压电扬声器为了获得足够的空气流，需要采用较大面积的压电片获得较大面积的空气振动，来弥补压电材料振幅较小的不足，从而增大了压电扬声器的占用面积。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种结构简单可靠、易于实现小型化或微型化的一种调制型压电扬声器。

本发明的再一个目的是提出一种结构简单可靠、易于实现微型化的一种调制型压电扬声器系统。

本发明的还一个目的是提出一种能够获得高保真重放声音的调制型压电扬声器系统的控制方法。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种调制型压电扬声器，包括外壳、结合在一起的发声压电片和发声振膜，还包括压电阀，其中，

发声压电片，用于在音频驱动电信号的驱动下带动所述发声振膜产生振荡气流；

压电阀，用于在控制驱动电信号的驱动下运动以打开或封闭所述振荡气流的出气口或调节所述出气口的开启程度和开闭的频率。

优选的，还包括结合在一起的控制压电片和控制振膜；

所述压电阀包括阀体和阀芯，所述阀体设置于所述发声振膜与所述控制振膜之间，所述阀芯与所述控制振膜固定连接；

所述阀体和所述阀芯之间形成所述出气口；

所述控制压电片在所述控制电信号的驱动下带动所述控制振膜振动，所述阀芯在所述控制振膜的带动下发生位移和挠曲变形，以打开或封闭所述振荡气流的出气口或调节所述出气口的开启程度和开闭的频率。

优选的，所述外壳具有空腔，所述发声压电片、所述发声振膜、所述压电阀、所述控制振膜和所述控制压电片自上而下依次设置在所述空腔内；

所述外壳的顶部开有至少一个出声孔；

所述外壳的侧壁上开有至少一个导气孔，所述导气孔和所述阀体与所述控制振膜之间形成的腔体相连通。

优选的，所述外壳与所述阀体为一体结构。

优选的，所述发声振膜和所述控制振膜的外边沿均通过弹性泡棉固定于所述外壳内壁上。

优选的，所述控制压电片的厚度为0.01μm至1mm；

所述发声压电片的厚度为0.01μm至1mm。

优选的，所述控制振膜的厚度为0.01μm至1mm；

所述发声振膜的厚度为0.01μm至1mm。

优选的，所述阀芯与所述阀体相配合的面之间的间隙可在0至3mm之间变化。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种扬声器系统，包括上述的调制型压电扬声器、信号发生电路、信号处理电路以及压电放大与驱动电路，其中，

信号发生电路，用于产生分别与发声压电片和控制压电片的工作频率相对应的源驱动信号；

信号处理电路，用于将输入的音乐或语音信号转化为音频电信号和控制电信号，并分别将所述音频电信号和所述控制电信号调制到所述发声压电片和所述控制压电片的源驱动信号上，形成音频驱动电信号和控制驱动电信号，并将所述音频驱动电信号和控制驱动电信号输出到所述压电放大与驱动电路上；

压电放大与驱动电路，用于将所述音频驱动电信号和所述控制驱动电信号放大后分别驱动所述发声压电片和所述控制压电片振动。

再一方面，本发明采用以下技术方案：

一种上述的扬声器系统的控制方法，经所述压电放大与驱动电路放大后的所述音频驱动电信号驱动所述发声压电片振动，从而带动所述发声振膜产生振荡气流，同时，经所述压电放大与驱动电路放大后的所述控制驱动电信号驱动所述压电阀打开或封闭所述振荡气流的出气口或调节所述出气口的开启程度和开闭的频率，以相应改变所述扬声器输出的声音信号的振幅和频率。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的调制型压电扬声器设置有压电阀，通过压电阀打开或封闭振荡气流的出气口或调节出气口的开启程度，从而实现对其出声孔输出气压的调制，以改变扬声器输出的声音信号的频率和振幅，在保证足够的输出气流量的同时获得高保真重放声音，结构简单可靠，无需增大压电片的面积，易于实现微型化；

(2)本发明提供的扬声器系统的信号处理电路能够将输入的音乐或语音信号转化为音频电信号和控制电信号，分别用于驱动发声压电片和压电阀，从而实现对其出声孔输出气压的调制，结构简单可靠，占用体积小；

(3)本发明提供的扬声器系统的控制方法为音频驱动电信号驱动发声压电片带动发声振膜振动产生振荡气流，同时控制驱动电信号驱动压电阀打开或封闭振荡气流的出气口或调节所述出气口的开启程度，通过控制压电阀配合振荡气流的相位进行开闭实现对出声孔输出气压的调制，以改变扬声器输出的声音信号的频率和振幅，在保证足够的输出气流量的同时获得高保真重放声音。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的调制型压电扬声器的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的气源气压信号示意图；

图3是本发明实施例一提供的出声孔输出正压信号示意图；

图4是本发明实施例一提供的出声孔输出负压信号示意图；

图5是本发明实施例一提供的压电阀输出的声音气流示意图；

图6是本发明实施例一提供的出声孔输出正弦气压信号示意图；

图7是本发明实施例二提供的扬声器系统的结构示意图。

图中，1、调制型压电扬声器；11、外壳；111、壳体；112、上盖；113、下盖；114、下腔；115、上腔；116、出声孔；117、第一中腔；118、第二中腔；119、导气孔；12、发声压电片；13、发声振膜；14、压电阀；141、阀体；142、阀芯；143、出气口；15、控制振膜；16、控制压电片；17、弹性泡棉；2、信号发生电路；3、信号处理电路；4、压电放大与驱动电路；5、采样与同步电路。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

本实施例提供了一种调制型压电扬声器，如图1所示，该扬声器包括外壳11，外壳11包括两端开口内部具有空腔的壳体111、封闭壳体111顶部的上盖112以及封闭壳体111底部的下盖113。在空腔内自上而下依次设置有发声压电片12、发声振膜13、压电阀14、控制振膜15和控制压电片16。发声压电片12和发声振膜13粘接或焊接在一起，控制振膜15和控制压电片16粘接或焊接在一起。本实施例调制型压电扬声器可通过采用当前传统压电和结构工艺实现产品的小型化，也可通过采用MEMS(微机电系统)工艺实现产品的微型化。

发声压电片12的厚度为0.01μm至1mm，其形状可以为圆形、椭圆形、矩形等。控制压电片16的厚度为0.01μm至1mm，其为中空结构，可以是圆环形、中空的椭圆形、中空的矩形等。发声振膜13和控制振膜15的厚度均为0.01μm至1mm，发声振膜13和控制振膜15的外边沿均通过弹性泡棉17压紧固定于壳体111的内壁上。其中，若采用MEMS工艺，则发声压电片12、控制压电片16、发声振膜13以及控制振膜15的厚度范围约为0.01μm至10μm，若采用传统工艺，则发声压电片12、控制压电片16、发声振膜13以及控制振膜15的厚度范围约为10μm至1mm。

压电阀14包括阀体141和阀芯142，阀体141位于发声振膜13和控制振膜15之间，阀芯142固定于控制振膜15上与控制压电片16的中空结构相对应的位置处。阀体141上与阀芯142相对应的位置处开有通孔，通孔的内壁与阀芯142之间形成出气口143，阀芯142向下移动可压住阀体141封闭出气口143，阀芯142向上移动可离开阀体141开启出气口143。可将阀体141和阀芯142的配合面设置为圆锥面，可提高其调制精度。阀体141的通孔内壁与阀芯142相配合的面之间的间隙可在0至3mm之间变化。为了便于加工，可将阀体141与壳体111设置为一体结构。

发声振膜13与下盖113之间形成密闭的下腔114。上盖112与控制振膜15之间形成上腔115，上盖112上开有一个或多个连通上腔115与大气的出声孔116。控制振膜15与阀体141之间形成第一中腔117，阀体141与发声振膜13之间形成第二中腔118，壳体111上开有一个或多个连通第二中腔118与大气的导气孔119。

该调制型压电扬声器的工作原理为，发声压电片12可在音频驱动电信号的驱动下带动发声振膜13产生振荡气流，控制压电片16可在控制驱动电信号的驱动下带动控制振膜15振动，控制振膜15带动阀芯152发生位移和挠曲变形，从而打开或封闭振荡气流的出气口143或者调节出气口143的开启程度和开闭的频率。通过与振荡气流的相位配合，控制压电阀14的开闭时间及开口大小，从而实现对出声孔116输出气压的调制。

下面举例说明控制过程：发声压电片12和发声振膜13产生的振荡气流(以下简称气源)按照相对于外界气压的高低分为正压气流(即压缩气流)和负压气流(即扩展气流)，若和外界气压相等，则输出为“0”压。如图2和图3所示，在一个工作周期中，当气源为正压气流时，控制压电片16控制压电阀14开启，则出声孔116输出正压，当气源为负压气流时，控制压电片16控制压电阀14关闭，则出声孔116输出“0”压，若在每一个工作周期中均采用上述的控制，则输出纯的正压。相反的，如图2和图4所示，在一个工作周期中，当气源为负压气流时，控制压电片16控制压电阀14开启，则出声孔116输出负压，当气源为正压气流时，控制压电片16控制压电阀14关闭，则出声孔116输出“0”压，若在每一个工作周期中均采用上述的控制，则输出纯的负压。

当气源的工作频率为30kHz时，如图5所示，通过控制压电阀14的开闭使得在前三个工作周期输出正压气流，在后三个工作周期输入负压气流，则如图6所示，在这六个工作周期中可以完整的实现一个正弦信号的输出，即出声孔116能够输出5kHz的声信号，从而实现了对输出的声音信号频率的调节。

发声压电片12和发声振膜13振动产生的气流量V与发声振膜13的面积S、发声振膜13的振幅A以及单位时间内振荡的次数F之间的关系为，V＝k×S×A×F，其中k为系数。由该公式可知，当发声振膜13的面积S和发声振膜13的振幅A确定时(即扬声器的结构尺寸确定时)，气流量V与单位时间内振荡的次数F有关，即与发声压电片12和发声振膜13的工作频率有关，当工作频率足够高时，即使扬声器结构很小，也能获得很大的气流量V。而采用本实施例提供的扬声器能够对输出的声音信号频率进行调节，可将发声压电片12和发声振膜13产生的超高频振动调制为可听域频率范围内的大功率振动，在保证足够的输出气流量的同时获得高保真重放声音，且结构简单小巧。

其中，不局限于通过控制压电片和控制振膜来驱动压电阀的打开或关闭，其他能够驱动压电阀开闭以配合振荡气流相位的装置和方法均可。即使通过控制压电片和控制振膜来驱动压电阀，其控制压电片和发声压电片的数量不限，可以为一个，也可以为多个。

实施例二：

本实施例提供了一种扬声器系统，如图7所示，该扬声器系统包括如实施例一所述的调制型压电扬声器1、信号发生电路2、信号处理电路3以及压电放大与驱动电路4。

其中，信号发生电路2用于产生分别与发声压电片12和控制压电片16的工作频率相对应的源驱动信号。信号处理电路3用于将输入的音乐或语音信号转化为音频电信号和控制电信号，并分别将音频电信号和控制电信号调制到发声压电片12和控制压电片16的源驱动信号上，形成音频驱动电信号和控制驱动电信号，并将音频驱动电信号和控制驱动电信号输出到压电放大与驱动电路4上。压电放大与驱动电路4用于将音频驱动电信号和控制驱动电信号放大后分别驱动发声压电片12和控制压电片16。

同时提出一种上述扬声器系统的控制方法，其具体过程为，信号发生电路2产生分别与发声压电片12和控制压电片16的工作频率相对应的源驱动信号并将其传输至信号处理电路3，从外部输入的音乐或语音信号经信号处理电路3处理转化为音频电信号和控制电信号，信号处理电路3分别将音频电信号和控制电信号调制到发声压电片12和控制压电片16的源驱动信号上，形成音频驱动电信号和控制驱动电信号，音频驱动电信号经压电放大与驱动电路4放大后驱动发声压电片12振动，从而带动发声振膜13产生振荡气流，同时，控制驱动电信号经压电放大与驱动电路4放大后驱动控制压电片16振动，从而带动控制振膜15振动以打开或关闭压电阀14，进而打开或封闭振荡气流的出气口143或调节出气口143的开启程度和开闭的频率，以相应改变扬声器输出的声音信号的振幅和频率。

另外，为了提高控制的精确度，该扬声器系统还具有采样与同步电路5，信号处理电路3可通过采样与同步电路5收集发声压电片12和控制压电片16的反馈信号，用于补偿和调整源驱动信号。

通过该控制方法能够使得扬声器系统在保证足够的输出气流量的同时获得高保真重放声音，结构简单可靠，占用体积小。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调制型压电扬声器，包括外壳(11)、结合在一起的发声压电片(12)和发声振膜(13)，其特征在于：还包括压电阀(14)，其中，

发声压电片(12)，用于在音频驱动电信号的驱动下带动所述发声振膜(13)产生振荡气流；

压电阀(14)，用于在控制驱动电信号的驱动下运动以打开或封闭所述振荡气流的出气口(143)或调节所述出气口(143)的开启程度和开闭的频率。

2.根据权利要求1所述的一种调制型压电扬声器，其特征在于：还包括结合在一起的控制压电片(16)和控制振膜(15)；

所述压电阀(14)包括阀体(141)和阀芯(142)，所述阀体(141)设置于所述发声振膜(13)与所述控制振膜(15)之间，所述阀芯(142)与所述控制振膜(15)固定连接；

所述阀体(141)和所述阀芯(142)之间形成所述出气口(143)；

所述控制压电片(16)在所述控制电信号的驱动下带动所述控制振膜(15)振动，所述阀芯(142)在所述控制振膜(15)的带动下发生位移和挠曲变形，以打开或封闭所述振荡气流的出气口(143)或调节所述出气口(143)的开启程度和开闭的频率。

3.根据权利要求2所述的一种调制型压电扬声器，其特征在于：所述外壳(11)具有空腔，所述发声压电片(12)、所述发声振膜(13)、所述压电阀(14)、所述控制振膜(15)和所述控制压电片(16)自上而下依次设置在所述空腔内；

所述外壳(11)的顶部开有至少一个出声孔(116)；

所述外壳(11)的侧壁上开有至少一个导气孔(119)，所述导气孔(119)和所述阀体(141)与所述控制振膜(15)之间形成的腔体相连通。

4.根据权利要求2所述的一种调制型压电扬声器，其特征在于：所述外壳(11)与所述阀体(141)为一体结构。

5.根据权利要求2所述的一种调制型压电扬声器，其特征在于：所述发声振膜(13)和所述控制振膜(15)的外边沿均通过弹性泡棉(17)固定于所述外壳(11)内壁上。

6.根据权利要求2至5任一项所述的一种调制型压电扬声器，其特征在于：

所述控制压电片(16)的厚度为0.01μm至1mm；

所述发声压电片(12)的厚度为0.01μm至1mm。

7.根据权利要求2至5任一项所述的一种调制型压电扬声器，其特征在于：

所述控制振膜(15)的厚度为0.01μm至1mm；

所述发声振膜(13)的厚度为0.01μm至1mm。

8.根据权利要求2至5任一项所述的一种调制型压电扬声器，其特征在于：所述阀芯(142)与所述阀体(141)相配合的面之间的间隙可在0至3mm之间变化。

9.一种扬声器系统，其特征在于：包括如权利要求1至8任一项所述的调制型压电扬声器(1)、信号发生电路(2)、信号处理电路(3)以及压电放大与驱动电路(4)，其中，

信号发生电路(2)，用于产生分别与发声压电片(12)和控制压电片(16)的工作频率相对应的源驱动信号；

信号处理电路(3)，用于将输入的音乐或语音信号转化为音频电信号和控制电信号，并分别将所述音频电信号和所述控制电信号调制到所述发声压电片(12)和所述控制压电片(16)的源驱动信号上，形成音频驱动电信号和控制驱动电信号，并将所述音频驱动电信号和控制驱动电信号输出到所述压电放大与驱动电路(4)上；

压电放大与驱动电路(4)，用于将所述音频驱动电信号和所述控制驱动电信号放大后分别驱动所述发声压电片(12)和所述控制压电片(16)振动。

10.一种如权利要求9所述的扬声器系统的控制方法，其特征在于：经所述压电放大与驱动电路(4)放大后的所述音频驱动电信号驱动所述发声压电片(12)振动，从而带动所述发声振膜(13)产生振荡气流，同时，经所述压电放大与驱动电路(4)放大后的所述控制驱动电信号驱动所述压电阀(14)打开或封闭所述振荡气流的出气口(143)或调节所述出气口(143)的开启程度和开闭的频率，以相应改变所述扬声器输出的声音信号的振幅和频率。