CN104782144A - 双模片动态麦克风换能器 - Google Patents

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    • H04R1/283—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements using a passive diaphragm

Abstract

本发明揭示一种除其它外在不牺牲专业级动态麦克风性能的情形下提供对源/接收者接近效应的控制的双膜片动态型麦克风换能器。

Description

双模片动态麦克风换能器
相关申请案的交叉参考
本申请案主张于2012年10月23日提出申请的美国专利申请案第13/658,506号的优先权，所述美国专利申请案以引用方式完全并入本文中。
技术领域
本申请案一般来说涉及一种动态麦克风换能器。特定来说，本申请案涉及一种双膜片动态麦克风换能器。
背景技术
存在数种类型的麦克风及相关换能器，例如(举例来说)动态、晶体、电容式/电容器(外部偏置及驻极体)等，其可设计有各种极性响应型式(心形、超心形、全向等)。取决于应用，所有这些类型均具有其优点及缺点。电容式麦克风能够响应于极高音频频率，且其通常比动态麦克风敏感得多，从而使其更适合于较安静或遥远声源。此些频率响应是可能的，这是因为电容式麦克风换能器的膜片通常可制作得比动力模型的膜片薄且轻(归因于不同于动力模型，膜片不具有在换能器的声空间内附接到其的音圈的质量的事实)。另一方面，动态麦克风的优点之一在于其是被动的且因此不需要主动电路以操作。因此，动态麦克风通常是稳健、相对便宜的且较不易于出现受潮/潮湿问题。在反馈成为问题之前，其还展现潜在高增益。这些属性使其对于舞台上用途为理想的。
所有定向麦克风换能器设计必须应付的现象称为“接近效应”。接近效应为当麦克风靠近于声源使用时低频(低音)响应的增加。此增加的响应由以下事实导致：定向麦克风还从换能器膜盒的后方俘获声波，其在声通道或端口中被延迟且然后被添加到同轴到达的声能。在声源相对遥远时，当实质上相同声级到达麦克风换能器的前方及后方时由声通道引入的相移致使从后方到达的声波基本上被抵消。然而，对于相对靠近的声源，反平方定律指示麦克风换能器的前方处存在比后方处的声级增加的声级。此降低端口抵消低频率的效率。实际来说，靠近于麦克风定位的歌唱者、说话者、乐器或其它声源将产生显著量的低音响应。
用于处置接近效应的典型策略为通过增加的机械共振而以电或机械方式减小低频率输出(高通)。一个机械策略采用额外顺从元件，例如第二膜片，其可与后部端口调谐阻抗串联放置以控制接近效应。然而，由于电容式麦克风换能器内的声空间的较小大小及简单性，此些双膜片麦克风换能器一直限于电容型麦克风应用。
需要一种除其它外在不牺牲专业级动态麦克风性能的情形下提供对源/接收者接近效应的控制的双膜片动态型麦克风换能器。
发明内容
在实施例中，一种双膜片麦克风换能器包括壳体及支撑于壳体内以接受声波的换能器组合件。所述换能器组合件包括：磁体组合件；前膜片，其具有邻近所述磁体组合件安置的后表面；及后膜片，其具有相对于所述前膜片的所述后表面对置地邻近所述磁体组合件而安置的后表面。所述前膜片的前表面经配置以使声波撞击于其上，且所述后表面具有连接到其的线圈，使得所述线圈能够与所述磁体组合件的磁场相互作用。所述后膜片的前表面经配置以使声波撞击于其上。所述换能器组合件界定经由所述壳体中的至少一个空气通道与所述壳体内的腔连通的内部声空间。
在另一实施例中，所述壳体进一步包括其中具有至少一个孔隙且安置于所述前膜片的所述前表面上方的共振器。
在另一实施例中，所述壳体进一步包括从所述前膜片的所述前表面向外偏移且邻近于所述前膜片的所述前表面安置的绕射器板。
在又一实施例中，所述前膜片包括中心拱顶部分及外部顺从环部分，且所述前膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
在又一实施例中，所述后膜片包括中心拱顶部分及外部顺从环部分，且所述后膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
在又一实施例中，所述前膜片及所述后膜片各自包括中心拱顶部分及外部顺从环部分，且所述后膜片的所述中心拱顶部分比所述前膜片的所述中心拱顶部分小。
根据陈述指示可采用本发明的原理的各种方式的说明性实施例的以下详细说明及附图将明了且更完全理解这些及其它实施例以及各种排列及方面。
附图说明
图1是图解说明单膜片动态麦克风换能器的拓扑的示意图，所述单膜片动态麦克风换能器包含所述膜片的前表面与所述膜片的后表面之间的外部延迟距离D及以点线展示的声路径。
图2是图解说明根据本发明的一或多个原理的双膜片动态麦克风换能器的拓扑的示意图，所述双膜片动态麦克风换能器包含前膜片的前表面与后膜片的后表面之间的外部延迟距离D及以点线展示的声路径。
图3是根据本发明的一或多个原理的双膜片麦克风换能器的实施例的透视图，其具有被切除的绕射器板的一部分以显露所述换能器的共振器的一部分。
图4是图3中所描绘的双膜片麦克风换能器实施例的立面图。
图5是图3中所描绘的双膜片麦克风换能器实施例的俯视平面图。
图6是图3中所描绘且沿图5中的横截面线6-6截取的双膜片麦克风换能器实施例的立面横截面图。
图7是图6中所描绘的横截面的分解组装视图。
图8是图3中所描绘的双膜片麦克风换能器实施例的前膜片的横截面轮廓视图，其图解说明所述膜片的环状顺从环的可变曲率半径R，其中R依据从所述膜片的中心线量测的半径而变化。
图9是图3中所描绘的双膜片麦克风换能器实施例的前膜片的透视图。
图10是图3中所描绘的双膜片麦克风换能器实施例的后膜片的透视图。
图11a及11b是描绘从无共振器的根据本发明的一或多个原理设计的示范性样本双膜片麦克风换能器实施例的边界元素模拟获得的外部延迟D及增益因子G值的曲线图，其中增益因子G定义为20log(|Pb/Pf|)，其中Pb为后膜片的暴露表面上方的平均压力且Pf为前膜片的暴露表面上方的平均压力。
图12a及12b是描绘在两个源距离处的根据本发明的一或多个原理设计的示范性样本双膜片麦克风换能器实施例的频率响应的曲线图。
具体实施方式
以下说明描述、图解说明且示范根据本发明的原理的本发明的一或多个特定实施例。提供此说明并非将本发明限制于本文中所描述的实施例，而是以使得所属领域的技术人员能够理解这些原理的方式阐释及教示本发明的原理，且在所述理解下能够不仅应用其来实践本文中所描述的实施例，而且实践可根据这些原理想出来的其它实施例。本发明的范围打算涵盖可归属于所附权利要求书的范围(字面上或根据等效内容的教义)内的所有此些实施例。
应注意，在所述说明及图式中，相同或实质上类似的元件可以相同的元件符号来标记。然而，有时这些元件可以不同编号来标记，例如(举例来说)在此标记促进更清楚说明的情形下。另外，本文中陈述的图式未必按比例绘制，且在一些实例中比例可已被放大以更清楚地描绘特定特征。此标记及图式惯例未必暗示根本实质目的。如上所述，所述说明书打算被视为整体且根据如本文中所教示的本发明的原理来解释及为所属领域的技术人员所理解。
根据本发明的一或多个原理，本文中揭示一种双膜片动态麦克风换能器，其在特定实施例中且除其它外提供具有在参考源接近度处控制源/接收者接近效应及离轴拒斥的最优手段的单膜盒专业级单向麦克风。
图1图解说明典型单膜片麦克风换能器设计的拓扑，其是出于说教目的对比如图2中所展示的双膜片麦克风换能器的拓扑展示。图2图解说明双膜片动态麦克风换能器的更复杂拓扑。如图1中的单膜片模型中所展示，第一声顺从件Ca界定于膜片后面且与呈腔的形式的第二顺从件Cb声连通。系统的声流由图1中所展示的点线图解说明。系统的声延迟D由膜片的前表面与由声阻(R1)表示的次要调谐端口之间的距离界定。在单膜片系统中，由距离D界定的声波的外部延迟相对短。比较来说，图2图解说明具有增加的外部延迟D及穿过由双膜片模型的引入导致的相移网络的“反向”声流的系统。必须虑及这些复杂性及约束以达成双膜片设计的专业级性能。除其它外，将使外部延迟最小化，同时在设计中保持充足内部腔体积。
根据本发明的一或多个原理，本文中揭示双膜片动态麦克风换能器，除其它外，所述双膜片动态麦克风换能器达成专业级性能。在特定实施例中，所述换能器展现均匀全频宽(50Hz≤f≤15kHz)频率响应、最优敏感度(对于歌唱应用，S≥-56dBV/Pa)及低输出阻抗(Zout≤300Ω)(无主动放大(幻象功率))，以及呈所要极性型式的扩展频宽拒斥(例如，对于心形操作，Δ≥25dB)。除并入有串联后部端口顺从元件的益处外，特定实施例还展现减小的接近效应且具有可调谐参考距离以达成最优离轴拒斥。
大体参考图3到7，单膜盒双膜片动态麦克风换能器30具有壳体32及支撑于所述壳体内以接受声波的换能器组合件40。如图6中所展示，换能器组合件40包括：磁体组合件41；前膜片42，其具有邻近磁体组合件41安置的后表面43；及后膜片44，其具有相对于前膜片42的后表面43对置地邻近磁体组合件41而安置的后表面45。前膜片42的前表面46经配置以使声波撞击于其上且后表面具有连接到其的线圈47，使得线圈47能够与磁体组合件41的磁场相互作用。后膜片44的前表面48还经配置以使声波撞击于其上。换能器组合件40界定经由壳体32中的至少一个空气通道52与壳体32内的腔50连通的内部声网络空间。在所展示的实施例中，四个空气通道52实施于壳体32中。
参考特定实施例的额外方面，且参考图6及7，所图解说明的特定实施例的磁体组合件41包含使其磁极沿壳体32的中心垂直轴大体垂直布置的中心安置的磁体61。环形底部磁体磁极片62从磁体61向外同心定位且具有与磁体61的上部部分的磁极相同的磁极。在此实施例中，顶部磁极片63邻近于底部磁极片向上安置且具有与磁体61的上部部分的磁极相反的磁极。在此实施例中，顶部磁极片63包括两个片，但在其它实施例中，其可包括一个片或若干个片。如从图6可见，当前膜片有声波撞击于其上时，线圈47相对于磁体组合件41及其相关联磁场移动以产生对应于所述声波的电信号。所述电信号可经由线圈连接及相关联端子引线64(如图3到5中所展示)传输。
如图6及7中所图解说明的特定实施例所展示，前膜片42经由前膜片座架66安装到换能器组合件40。后膜片44经由后膜片座架67安装到换能器组合件40。后膜片座架67中包含至少一个孔隙68。
换能器30包含由换能器组合件40大体界定的内部声网络，其与腔50声连通。如图6及7中所展示，与换能器组合件40相关联的内部空间网络与在壳体32内形成的空气通道52声连通。前膜片42后面的空间与同换能器40的磁体组合件41大体相关联的中心空间之间的此声连通的促进部件为顶部磁极片63内的至少一个孔隙。声阻72安置于顶部磁极片63的两个片之间，使得通过顶部磁极片63内的孔隙的声波遇到声阻72。另一声阻73安置于后膜片座架67与底部磁极片之间，如图6中所展示，使得通过后膜片座架67内的孔隙68的声波遇到声阻73。在实施例中，第三声阻元件74安置于壳体32内的腔50的第一部分76与第二部分77之间。
如图6中所大体展示，换能器30具有与其相关联的数个内部声空间，所述内部声空间包含：主要空间，其包括换能器组合件内的声阻72与声阻73之间的大体体积；次要空间，其包括声阻73与空气通道52的大体终止部之间的大体体积；及辅助空间，其包括腔50，腔50由大体包括在空气通道52的终止部之后且在声阻74上方的大体体积的第一部分76以及大体包括声阻74下方的体积的第二部分77界定。
大体参考图3到7，且更特定来说参考图3，在所图解说明的实施例中，壳体32包含其中具有至少一个孔隙83的共振器82。在所图解说明的实施例中，壳体32进一步包含绕射器板84，其辅助换能器30的声性能，如本文中将讨论。除其它外，由于双膜片设计所引入的声空间分段，绕射器板84补偿半波长共振条件。其还减小外部延迟距离D。图3展示经切除以显露具有至少一个孔隙83的换能器30的共振器82的一部分的绕射器板84的一部分。前膜片42(通过图3中的孔隙83可看见其一部分)邻近共振器82而定位使得通过孔隙83的声波撞击于前膜片42的前表面46上。
如图4中所展示，后膜片44定位于壳体32内使得声波可撞击于其上。如图4及6中所展示，后膜片44的前表面48位于邻近壳体32的大体中心定位的开放区域86处。虽然此配置对壳体32的空气通道52及腔50配置施加较少约束，但应注意，其它配置是可能的且涵盖于本文中，包含但不限于将腔定位到壳体的侧或同心地围绕壳体的外部部分。
图8到10图解说明并入于根据本发明的一或多个原理的一些实施例中的前膜片42及后膜片44的方面。关于双膜片动态麦克风换能器概念，前膜片42及后膜片44两者的顺从性比现有设计增加以补偿本文中所展示的实施例的基础系统磁极中的向上移位。因此优选地采用薄膜片材料。另外，如图8中所展示的前膜片42的轮廓所示范，膜片还优选地采用具有可变曲率半径R以增加膜片的外径的刚性的顺从环部分92。由于薄膜片材料允许模态行为向下移位到音频频率频宽中，因此可在膜片轮廓中采用若干个额外特征以补救潜在的模态效应。举例来说，膜片可由薄PET(例如(举例来说)Mylar或Hostaphan)构造。在实施例中，膜片由35规格PET构造。然而，还可根据这些原理采用其它规格/厚度及其它材料。膜片还可在膜片的顺从环部分92中并入多个锯齿状元件94。锯齿状元件94展示为来自膜片的材料的伸长凹口或切口且还可采取其它形式或几何形状。关于前膜片42，可在前膜片的线圈附接平坦部97上方安置材料坯件(未展示)。所述坯件可由任何合适薄材料(例如聚酯膜，例如Melinex)形成。关于后膜片44，考虑了以下事实：需要比典型动态麦克风膜片增加的顺从性以达成所要频宽需求及可调谐参考距离以达成最优离轴拒斥。还考虑了后膜片44的质量，特定来说这是因为其不具有所附接线圈。在所展示的实施例中，后膜片的拱顶部分98具有比前膜片的拱顶部分99的直径小的直径，且由于后膜片的拱顶部分98不具有附接到其的线圈的事实，其不包含平坦部分来适应线圈的附接。
如上所述，由于双膜片设计所引入的声空间分段，绕射器板84补偿半波长共振条件。此通过以下事实来实现，绕射器板84在前膜片42上方形成类似效应，从而允许跟踪两个膜片的响应。绕射器板84还有利地减小外部延迟距离D。通过对绕射器板84的稍微修改，高频率性能修改是可能的。一般来说，所述修改干扰串联辐射惯量以及外部延迟距离D。当绕射器板84的外部直径增加时，与共振器孔隙83惯量串联的辐射惯量稍微增加，从而降低共振器共振频率。此减小高频率响应(f≥10kHz)以及稍微减小外部延迟。然而，存在半波长共振条件再度出现的最小外部直径。在图3到7中所展示的实施例中由壳体32的颈部分102确立的绕射器板84的高度具有类似效应。当高度增加时，串联辐射惯量减小且外部延迟增加。反过来也如此。
双膜片动态麦克风换能器优选地取得与前膜片42及后膜片44两者相关联的低辐射惯量与最小外部延迟之间的平衡。使用边界元素(BE)数值模拟工具来表征载入根据本发明的一或多个原理设计的样本双膜片麦克风换能器实施例的膜片(无共振器83使得前膜片42的前表面46实质上暴露)的辐射阻抗。发现后膜片的辐射惯量几乎恒定，如表1中所展示。模拟了多个频率(f≤1kHz)且发现由后膜片经历的辐射惯量为由前膜片经受的辐射惯量的两倍。由于前膜片在模拟期间不暴露(无共振器)，因此在给定表面积的情形下其展现最低可能辐射惯量。
表1：换能器(无共振器)的辐射惯量(Lr)边界元素模拟结果。所施加的正常速度(vs＝1.0e-4m/s)及膜片表面积Sd＝4.39e-4m2。频率限于ka<1。
频率(Hz) Lfront(kg/m4) Lrear(kg/m4)
100 26.8 51.8
400 26.8 51.9
700 26.9 52.0
1000 26.9 52.2
图11a及11b是描绘从根据本发明的一或多个原理设计的示范性样本双膜片麦克风换能器实施例(无共振器)的边界元素模拟获得的外部延迟D及增益因子G的曲线图。在这些曲线图中，增益因子G定义为20log(|Pb/Pf|)，其中Pb为后膜片的暴露表面上方的平均压力且Pf为前膜片的暴露表面上方的平均压力。
如所述曲线图中所展示，外部延迟参数随着频率几乎恒定(D≈0.0283m)，最终在f>5kHz处崩溃。
图12a及12b是描绘在两个源距离(rf＝0.6096m及rf＝1.8288m)处的根据本发明的一或多个原理设计的示范性样本双膜片麦克风换能器实施例的频率响应的曲线图。样本中的后膜片顺从性打算在参考距离rf＝1.8m处使离轴拒斥(θ＝180°)优化。如图中所展示，样本在源距离rf＝1.8288m处展现比rf＝0.6096m处的较近接近源经改进的LF拒斥(f≤200Hz)。
如这些结果所证明，除其它外，已达成具有在参考源接近度处控制源/接收者接近效应及离轴拒斥的最优手段的单膜盒专业级单向麦克风。
本发明打算阐释如何塑造及使用根据技术的各种实施例，而非限制其真实、既定及清楚范围及精神。前述说明并非打算为穷尽性或限制于所揭示的确切形式。根据以上教示可作出修改或变化。所述实施例经选择及描述以提供对所描述技术的原理及其实际应用的最优说明，且使得所属领域的技术人员能够在各种实施例中且以适于所涵盖的特定用途的各种修改来利用所述技术。所有此些修改及变化(可在此专利申请案在申请中期间修正)及其所有等效内容(当根据所有此些修改及变化被清楚、合法及公正地授予的范围解释时)均在由所附权利要求书所确定的实施例的范围内。

Claims (22)

1.一种双膜片麦克风换能器，其包括：
壳体；
换能器组合件，其支撑于所述壳体内以接受声波，所述换能器组合件包括：
磁体组合件；
前膜片，其邻近所述磁体组合件而安置且具有前表面及后表面，所述前表面经配置以使声波撞击于其上，所述后表面具有连接到其的线圈使得所述线圈能够与所述磁体组合件的磁场相互作用；
后膜片，其具有前表面及后表面，所述后表面相对于所述前膜片的所述后表面对置地邻近所述磁体组合件而安置，所述前表面经配置以使声波撞击于其上；
所述换能器组合件界定内部声空间；
所述壳体具有建立所述内部声空间与所述壳体内的腔之间的声连通的至少一个空气通道。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中所述壳体进一步包括安置于所述前膜片的所述前表面上方的共振器，所述共振器中具有至少一个孔隙。
3.根据权利要求1所述的换能器，其中所述壳体进一步包括从所述前膜片的所述前表面向外偏移且邻近于所述前膜片的所述前表面而安置的绕射器板。
4.根据权利要求1所述的换能器，其中所述前膜片包括中心拱顶部分及外部顺从环部分。
5.根据权利要求4所述的换能器，其中所述前膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
6.根据权利要求1所述的换能器，其中所述后膜片包括中心拱顶部分及外部顺从环部分。
7.根据权利要求6所述的换能器，其中所述后膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
8.根据权利要求1所述的换能器，其中所述前膜片及所述后膜片各自包括中心拱顶部分及外部顺从环部分，且其中所述后膜片的所述中心拱顶部分比所述前膜片的所述中心拱顶部分小。
9.一种双膜片麦克风换能器，其包括：
壳体，其具有共振器，所述共振器具有至少一个孔隙以允许来自声源的声波从中通过；
换能器组合件，其支撑于所述壳体内以接受所述声波，所述换能器组合件包括：
磁体组合件；
前膜片，其邻近所述磁体组合件而安置且具有前表面及后表面，所述前表面邻近所述壳体的所述共振器而安置，所述后表面具有连接到其的线圈使得所述线圈能够与所述磁体组合件的磁场相互作用；
后膜片，其具有前表面及后表面，所述后表面邻近于所述磁体组合件且面向所述磁体组合件而安置；
所述壳体具有建立所述前膜片后面的空间与所述壳体中的腔之间的声连通的至少一个空气通道。
10.根据权利要求9所述的换能器，其中所述壳体进一步包括从所述前膜片的所述前表面向外偏移且邻近于所述前膜片的所述前表面而安置的绕射器板。
11.根据权利要求9所述的换能器，其中所述前膜片包括中心拱顶部分及外部顺从环部分。
12.根据权利要求11所述的换能器，其中所述前膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
13.根据权利要求9所述的换能器，其中所述后膜片包括中心拱顶部分及外部顺从环部分。
14.根据权利要求13所述的换能器，其中所述后膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
15.根据权利要求9所述的换能器，其中所述壳体中的所述腔经由声阻元件分离成两个部分。
16.一种双膜片麦克风换能器，其包括：
壳体，其具有前部分及后部分，所述前部分具有共振器，所述共振器具有至少一个孔隙以允许来自声源的声波从中通过，所述后部分具有在其中形成的腔；
换能器组合件，其支撑于所述壳体内以接受所述声波，所述换能器组合件包括：
磁体组合件；
前膜片，其邻近所述磁体组合件而安置且具有前表面及后表面，所述前表面邻近所述壳体的所述共振器而安置，所述后表面具有连接到其的线圈使得所述线圈能够与所述磁体组合件的磁场相互作用；
后膜片，其具有前表面及后表面，所述后表面邻近于所述磁体组合件且面向所述磁体组合件而安置；
所述壳体具有建立所述前膜片后面的空间与所述壳体的所述后部分内的所述腔之间的声连通的至少一个空气通道。
17.根据权利要求16所述的换能器，其中所述壳体的所述前部分进一步包括从所述共振器向外偏移且邻近于所述共振器的绕射器板。
18.根据权利要求16所述的换能器，其中所述前膜片具有包括中心拱顶部分及外部顺从环部分的盘样形状。
19.根据权利要求18所述的换能器，其中所述前膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
20.根据权利要求16所述的换能器，其中所述后膜片具有包括中心拱顶部分及外部顺从环部分的盘样形状。
21.根据权利要求20所述的换能器，其中所述后膜片的所述顺从环部分具有带有可变曲率半径的横截面轮廓。
22.根据权利要求16所述的换能器，其中所述壳体的所述后部分中的所述腔经由声阻元件分离成两个部分。
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