CN105122838B - 电声学隔膜 - Google Patents

Abstract

一种用于扬声器的隔膜，其中隔膜大体上形成为围绕中心空隙的闭环，环位于平面中，隔膜具有正交于该平面的方向的轴线，隔膜沿该轴线布置以在使用中被驱动，隔膜具有在使用中适于固定就位的内周缘和外周缘，其中隔膜在内缘与外缘之间的相当大的部分沿所述轴线的方向成形以便从隔膜的总体平面沿轴线在任一个或两个方向上凸起，且其中所述成形部分在沿所述轴线的方向看时包括沿径向延伸跨过隔膜的基本整个驱动区域的至少一个系列的弯曲部。

Description

电声学隔膜

技术领域

本发明涉及一种用于将电信号转换成声音的隔膜，例如用于压缩驱动器扬声器、闭环形式的直接发射扬声器或同心驱动扬声器的隔膜。

背景技术

在电声学中，需要一种同时地提供良好质量的高频和低频带宽，同时相对简单、牢固、可靠且廉价的系统。保持压缩驱动器的高频输出需要与隔膜间距较紧的相位插件以避免过度的声顺。该间距越小，高频带宽将扩展得更多。该相位插件与隔膜的间距还限制了最大隔膜位移，因为如果隔膜接触相位插件，则严重变形或甚至机械故障将发生。由于较低频率需要较大量的空气转移，所以相位插件间距越小，低频输出可能越少。

因此，增大压缩驱动器的低频输出同时保持高频带宽扩展不可通过增大最大隔膜位移来实现。

原则上，增大隔膜的尺寸且因此增大其发射面积会增加低频输出而不会减小高频带宽。然而，实际隔膜在高频率下存在非活塞振动模式，这引起响应不规则且限制可用的高频带宽。增大隔膜尺寸减小了这些模式的频率，因而限制对于特定材料和几何形状可能的隔膜尺寸。结果，类似尺寸的隔膜和隔膜材料的压缩驱动器具有声输出和带宽上的类似限制。

具有扩展到高频的带宽的常规压缩驱动器分成两种主要类别的隔膜几何形状。隔膜或为球冠形式，或为通常具有V形截面的环形隔膜，如US6804370和US5878148中的那样。

环形隔膜通常仅为一厘米左右宽，且因此可由轻质材料(例如聚酯膜)制成。面积并非与相同直径的球冠压缩驱动器一样大，但可容易地获得扩展的高频响应。

在需要来自一个来源的扩展带宽的情况下，两个驱动器的同轴构造是略微复杂但可行的选择。在该构造中，一个大隔膜和一个小隔膜被驱动穿过电分频网络，所以高频由小隔膜产生，且低频由大隔膜产生。将两个隔膜的输出使用声程的复杂网络组合。由于一个隔膜的输出可沿入口向下行进至其它隔膜，故存在可限制声音质量和带宽的一定数目的额外声共振。隔膜还耦合：来自一个的发射引起另一个移动。US5878148教导了使用两个环形隔膜导致在隔膜与歧管之间具有相对较短的声道长度的紧凑设计，其中组合了声输出。然而，甚至在此情况下，隔膜之间的声音相互作用对同轴驱动器的性能是显著的限制。由于隔膜内(前面与后面周围)的结构共振引起的较差声音质量，该构造通常优选的仍是单个大型球冠类型的驱动器。

发明内容

因此，本发明提供了一种用于扬声器的隔膜，其中隔膜大体上形成为围绕中心空隙的闭环，环位于平面中，隔膜具有正交于该平面的方向的轴线，隔膜沿该轴线布置以在使用中被驱动，隔膜具有在使用中适于固定就位的内周缘和外周缘，其中内缘与外缘之间的隔膜的相当大的部分沿所述轴线的方向成形以便从隔膜的总体平面沿轴线在任一个或两个方向上凸起。其中所述凸起的成形部分在沿所述轴线的方向看时包括至少一系列弯曲部，并且其中，弯曲部基本不间断地延伸跨过隔膜的内缘与外缘之间的径向距离的大部分，或跨过在内缘和/或外缘中的至少一者以及隔膜的内缘与外缘之间的一个区域之间的径向距离的至少90%，所述区域构造成用于联接至用于沿所述方向驱动隔膜的线圈。

为了方便起见，本发明主要参照具有中心孔的基本为平面环形式的圆形隔膜在下文描述，然而，本发明同样适用于非圆形隔膜，例如，椭圆形或跑道形隔膜，或在位于隔膜的总体平面中的两个正交方向上对称且具有中心孔的任何形状。因此，除非清楚地另外指出，则在该说明书中或权利要求中对用语"环形"、"圆周"、"周向"、"周向地"或"围绕"的使用不应当理解为限于圆形形状，也不一定以单个轴线为中心，而是改为宽泛地理解为由闭环界定的任何基本二维的形状。类似地，用语"呈正弦形"不应当理解为限于严格的正弦形状，而是改为宽泛地理解为涵盖任何基本平滑的一系列基本连续和基本循环或旋转周期性的弯曲部。

凸起的成形部分可包括径向和周向调制部分的形式的一系列弯曲部，其从隔膜的大体或总体表面沿轴向凸起，且大大地提高隔膜在轴向方向上的几何刚度，同时容许周向伸展。由于隔膜由轴对称力驱动，所以在周向刚度上存在较少益处，并且是轴向刚度确定了模式的频率。通过控制调制部分的深度、数目和形状，模式频率和形状可在由本领域的技术人员理解的方式下调整。分析显示，通过使用足够大的调制部分，隔膜振动行为可被控制为形成有利的声输出。这容许使用具有较大面积的隔膜，因此容许隔膜提供扩展的高频和低频带宽。

隔膜可包括表面区域，其围绕隔膜的相当大的部分在隔膜的内缘与外缘之间延伸，且适于和/或构造成用于联接至用于沿轴线方向驱动隔膜的线圈，例如通过胶水或其它粘合剂。表面区域可围绕环基本不间断地沿周向延伸，且可与位于内缘与外缘之间的环基本上轴对称、齐平和/或基本共面。这使得能够围绕该周向区域的基本全部来驱动隔膜，这容许高频重现且阻止了围绕隔膜的圆周的振动。作为备选，可使用适当成形的音圈驱动线轴经由凸起的成形部分来驱动隔膜，特别是如果凸起很小，尽管此驱动器/隔膜布置的组件将很难且可能需要在朝音圈凸出的周向区域的部分上驱动隔膜。

隔膜的形状可由一系列弯曲部限定，弯曲部大体上沿轴线方向遵循恒定值的轮廓，或具有从隔膜的总体平面的恒定凸起。

可存在沿周向围绕隔膜延伸的两个或更多系列的弯曲部，至少一个系列的弯曲部布置在表面区域的任一侧以用于联接至驱动器或音圈。该系列或各个系列的弯曲部可围绕基本整个隔膜基本不间断地延伸。

基本平面的部分可在隔膜的内缘和/或外缘附近围绕环形隔膜基本不间断地延伸。此平面部分用作折叶，且其间的凸起的成形部分用作刚性连接，因此可通过改变隔膜和径向调制部分的平均形状来控制恢复力的线性。该平面部分或各个平面部分可平滑地融合到该系列或各个系列的弯曲部中。

成形部分或周向调制部分可包括形成在隔膜中的回旋；这些回旋形状可为一连串基本连续的弯曲部的形式，其可具有正弦外形。在存在两个或更多周向系列的弯曲部的情况下，这些弯曲部可径向对准。回旋沿所述轴线在任一个或两个方向上从隔膜的总体平面凸起；如果凸起仅远离驱动磁体(即，沿隔膜所产生的声波的方向)，这避免了冲击驱动线圈磁体的极，然而如果存在足够多的回旋，则沿两个方向的凸起是可行的。大体上，回旋的数目对于使用此隔膜的扬声器所产生的声音的质量不是关键的，应当理解的是，数目上的增加可允许其尺寸在轴向方向上增大，且反之亦然。相同高度的较少调制部分将在振动方面较不令人满意，且很少数目的很高的调制部分将是问题，因为在制造期间的径向伸展将太大；实际上，回旋的数目的选择有可能在刚度/强度、声音质量和制造容易性的因素之间折衷。意图使调制部分在使用中沿轴向方向基本保持刚性，以便增大隔膜的轴向刚度，同时容许一定程度的周向伸展。凸起可为平滑的，因为这便于制造，或它们可仅在它们融合到平面部分的位置为平滑的，且另外地在截面中看时呈现出尖锐或间断的外形，因为这在听觉上更好。

我们发现具有并未成形成凸起的隔膜的较大区域是非期望的，因为尽管此区域作为"折叶"是有用的，但可用作弹簧，使得用作质量的刚性弯曲隔膜可在这些区域上共振。因此，隔膜的外缘和内缘处的任何未夹持平面区域，以及中心表面区域适合包括整个隔膜的较小部分；因此，凸起的成形部分可包括隔膜的径向宽度的至少60%到70%，优选地至少90%且更优选地95%，且弯曲部(或组合的弯曲部，其中存在其两个或更多系列)沿径向延伸跨过该成形部分的基本全部。为了促进胶水施加且驱动线圈与表面区域的粘合，胶水接头附近的表面区域可为平的或其可为V形、W形或M形的截面，然而我们发现所有这些形状都缺少径向刚度(这是非期望的)，且如果表面区域为平的而非V形、W形、M形或任何其它形状，则容易将其消除或至少尽可能减小。

隔膜的形状和构造是有益的，因为不同于常规的轴对称几何形状，根据本发明的隔膜并未依靠'环强度'来提供刚度，所以有可能使用非轴对称的几何形状。例如，在另一较为简单的形式中，音圈可为跑道形或椭圆形。在此情况下，调制部分限定为与音圈垂直且相切。跑道几何形状在需要线性声源的情况下具有特定用途。新几何形状的进一步的益处在于，由于其较小的曲率半径，有可能使用较薄的材料，同时在处理和制造期间保持几何稳定性。

用于隔膜的适合的材料为钛、铝、铍或塑料膜，例如聚醚酮醚(PEEK)、聚乙烯亚氨(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，特别是例如由EI du Pont Nemours & Co在商标mylar下销售的双轴向定向的PET。钛是有益的，因为其抗疲劳且具有高的比模量(类似于铝)。铍也可为适合的，尽管其会极为昂贵，且疲劳可能是问题。塑料膜可能用于较小的隔膜，其中较低质量/区域容许较高效率。PEEK由于其热稳定性和形成的构件的精度是有利的。

在另一方面，本发明还包含结合如本文所述的隔膜的扬声器，且此扬声器还包括相对于隔膜为互补形状的相位插件。如果可将回旋制造成足够小且很多，在声音上将不需要相位插件表面遵循隔膜表面的回旋。

附图说明

现在将参照附图通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1为根据本发明的隔膜的透视图；

图2为图1的隔膜的平面视图，其示出具有相等的轴向值的隔膜上的弯曲部；

图3为图1的隔膜的截面视图，以及

图4为类似于图1的示意图，但示出了其中隔膜可在使用中固定就位。

具体实施方式

图1中所示的隔膜2大体上位于如图所示的Y-Z平面中，且为薄环或环带的形式，具有外周缘4和内周缘6。

平面周向部分8在外缘与内缘之间，在使用中，驱动线圈(未示出)将附接到其上且布置成沿X方向驱动隔膜以便产生声波；另外，只要驱动线圈可容易地附接到其上，任何形状或构造将适合该部分8，例如V形、M形或W形的截面，但实际上基本平面的形式最容易制造。该部分8在将隔膜2固定至驱动线圈线轴(图3中所示)的胶合接头的区域中。

周向部分8的各侧为形成在薄隔膜中的一系列平滑的周向调制部分或回旋，以便沿X方向从隔膜的总体平面凸起。忽略这些调制部分，外缘4与周向部分8之间和周向部分8与内缘6之间的隔膜的总体或整体形状基本为平面的，且周向部分8相对于外缘4和/或内缘6轴向移位少许量(在下文所述的164mm直径的隔膜中大约0.1mm)，以利用隔膜的位移引起力的最大线性变化；作为优选，轴向移位在正X方向(如图所示)上，但在一些布置中可能有益的是移位在相反的负X方向上。外平面区域14在外周缘4与外调制部分10之间，且内平面区域16在内周缘6与内调制部分12之间；在使用中，这些区域的主要部分被夹持以便将隔膜固定就位，在22、20处指示且位于外调制部分10的外圆周附近和内调制部分12的内圆周附近的这些区域的其余较小部分用作折叶，在沿X方向驱动隔膜时容许调制部分10、12保持为基本刚性的发声器。周向部分8(其区域相对于一系列内弯曲部10和外弯曲部12的那些也较小)也可用作折叶。

图2在平面视图中示意性地示出了隔膜2，其中一系列弯曲部10、12由相对于X轴线均等地定位的一定数目的轮廓L接合点指示。外调制部分10和内调制部分12两者示出为在轴向值的轮廓处沿周向围绕隔膜描述的一连串连续的周期性弯曲部的形式。这些系列的弯曲部中的各个(其呈正弦形)均围绕隔膜2沿周向延伸。如图所示，弯曲部对准，其中内系列12和外系列10的谷和峰径向对准，然而对于一些应用，可能优选的是两个系列移位使得相应的峰和谷不对准。对于一些应用，可能有益的是在内系列和外系列中具有不同数目的波纹。

图3在截面中示出了隔膜2，其中音圈18借助于用于沿X轴线驱动隔膜的线轴19连接在周向部分8处。

图4为示意图，示出了其中隔膜2在使用中夹持就位。外平面部分14和内平面部分16示出为暗阴影；在这些阴影区域上的是夹持的隔膜2。附图中仅可区分出大体上在20、22处指示的不是暗阴影的很小的外平面部分和内平面部分；这些非阴影部分为部分14、16的连续，且在使用中并未夹持，因而它们可用作如上文所述的折叶。正是这些非阴影部分20、22连同调制部分10、12包括了隔膜的移动部分。正是隔膜2的该移动部分(其中如图所示的至少90%)成形为凸起(在该实际隔膜中，95%被调制得大于0.05mm)，且调制部分的移动部分沿径向方向延伸跨过其基本全部，也就是说，外系列的调制部分10中的弯曲部延伸跨过外平面部分20与平面部分8之间的基本全部径向距离，且内系列的调制部分12中的弯曲部延伸跨过平面部分8与内平面部分22之间的基本全部径向距离。给定半径与面积之比，弯曲部因此延伸跨过平面部分之间的径向距离的至少大约97%或98%(或者，在下文所述的5英寸(127mm)隔膜的示例中，至少99.5%)。还如图所示，在内平面部分16中的是隔膜中的两个孔24；这些孔容许隔膜在隔膜被夹持就位用于使用之前精确地旋转定位。

调制部分或回旋的数目和深度大体上为逆相关的，也就是说，当回旋的数目增加时，其深度可减小，且反之亦然，且声音质量应当大致相同。实际上，存在主要由制造隔膜的材料的性质和/或使用的生产/形成工艺规定的限制：如果存在太多回旋，则其轮廓变得太小而不能精确制造，且如果存在太少回旋，则其深度变得大于材料可伸展的。

我们发现，如附图中所示的那样的隔膜允许具有同时在高频和低频下的扩展带宽的高质量声输出。例如，我们根据本发明的原理构造且在声音上表现良好的隔膜具有一系列正弦形弯曲部，非常像附图中所示的那样，且用于结合5英寸(127mm)的驱动线圈使用；其具有164mm的外径、38mm的宽度(在内径与外径之间)、大约2mm的调制高度(沿X轴线)，以及0.2mm宽(沿径向方向)或更小的未夹持的平的平面区域。本领域的技术人员将认识到可如何根据本发明来构造备选形状和/或尺寸的隔膜。

尽管未示出，但现在本领域的技术人员将理解到，所示的隔膜可结合在隔膜附近具有互补形状和/或构造的表面的相位插件使用，从而在隔膜处于静止时保持相位插件与隔膜之间的适当小的距离，以便当隔膜被驱动时包围的空气的体积可保持足够小，以避免由于声顺引起的高频输出损失，但容许隔膜以最大位移来移动以实现最大低频输出，且在隔膜不冲击相位插件的情况下产生良好的声性能。

通常，相位插件与隔膜的间距在0.1mm到1.2mm的范围中，且有效隔膜辐射面积与相位插件进入区域之比(也称为压缩比)在5到12之间。音圈处的平均通量由铁杆的饱和度限制，且取决于磁体尺寸和成本在1.2特斯拉到2.1特斯拉之间。大部分常规压缩驱动器使用钛隔膜和铝音圈，其通常是包铜的以改善电连接性。作为优选，隔膜中的调制部分的高度为隔膜与相位插件之间的空隙的较大比例，至少25%。

当然，将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可对上述实施例作出许多变型。例如，该系列或各个系列的弯曲部可中断，或仅围绕圆周的部分延伸(但作为优选，任何此类中断的布置都将关于轴线对称)。另外，可省略一个或其它系列的弯曲部，或任一者或两者都可形成为一些其它的基本上重复或旋转的周期性形状，例如一个或多个系列的圆形、椭圆形、三角形或菱形"凹部"，或任何形状和/或弯曲外形的成排的凹部，或甚至褶皱；如本文使用的用语"弯曲部"应当相应地理解。将理解的是，在附图中所示的回旋由凹部替换的情况下，在可共振的凹部之间将存在较大区域，因此并未沿轴向方向凸起的此凹部隔膜的比例区域将大于所示实施例中的5%，达到大约30%到40%。正如两个弯曲的调制部分的情况，优选的是凹部延伸跨过平面折叶部分20、22之间或这些部分中的一者或两者与平面部分8之间的整个径向距离的大部分，其为单个系列或环的凹部或者两个或更多系列。在仅存在单个系列的弯曲部的情况中，可能实际的是将径向范围减小至勉强大部分，即，仅50%以上，但实际上，调制的面积越小，则几何形状就越低效。在提供直的和/或相切的褶皱的情况下，可基本上不存在轴向非凸起的区域，因为夹持部附近的褶皱合并到"卷"中的夹持部中，如本领域已知的那样。弯曲的调制部分或凹部最容易通过使膜片成形来制造/形成，膜片最初是平的和/或具有均匀厚度，同时隔膜成形为形成上文所述的浅M形；作为备选，调制部分或凹部可形成为此膜片的表面上的凸起(或其中的腔)，其然后成形为形成浅M形。另一个圆顶或环形驱动器可设在隔膜的中央的孔中，如由本领域的技术人员了解的那样。另外，虽然参照全部由相同材料形成的整体隔膜描述了隔膜，但在一些应用中可能适合使用不同材料：例如，用作折叶且在使用中挠曲的平面区段可由针对其抗疲劳性或者为了得到较低的弹性模量选择的材料制成，而成形部分可为针对其高模量选择的材料。作为备选，隔膜可制造成两个部分且布置成适当地接合，例如，沿存在用于将隔膜接合至驱动线圈线轴的胶合接头的区域。尽管外区域14和内区域16在上文中描述为平面的，且示出为位于基本相同的平面中，但应当理解的是，这些区域的最接近外周缘4和内周缘6的部分可为非平面的(例如，以便促进隔膜的夹持)，且外区域14和内区域16可相对于彼此沿轴向移位少许量而不显著降低隔膜的性能。此外，尽管上文描述了不同的变型或备选布置，但应当理解的是，本发明的实施例可并入任何适合的组合的此类变型和/或备选方案。

Claims (21)

1.一种用于扬声器的隔膜，其中所述隔膜大体上形成为围绕中心空隙的闭环，所述环位于平面中，所述隔膜具有沿正交于所述平面的方向的轴线，所述隔膜沿所述轴线布置以在使用中被驱动，所述隔膜具有适于在使用中固定就位的内周缘和外周缘，其中所述隔膜在所述内周缘与所述外周缘之间的相当大的部分沿所述轴线的方向成形以便从所述隔膜的总体平面沿所述轴线在任一个或两个方向上凸起，其中所述成形部分在沿所述轴线的方向看时包括至少一个系列的弯曲部，且其中所述弯曲部基本不间断地延伸跨过所述隔膜的所述内周缘与所述外周缘之间的径向距离的大部分，或跨过在所述内周缘和/或所述外周缘中的至少一者以及所述隔膜的所述内周缘与所述外周缘之间的一个区域之间的径向距离的至少90%，所述区域构造成用于联接至用于沿所述方向驱动所述隔膜的线圈。

2.根据权利要求1所述的隔膜，其特征在于，所述隔膜包括在所述系列或各个系列的弯曲部的径向末端以及所述内周缘、外周缘和/或所述区域之间沿径向延伸的小的平面区域，所述小的平面区域在使用中未夹持。

3.根据权利要求1所述的隔膜，其特征在于，所述隔膜包括表面区域，所述表面区域围绕所述环的相当大的部分在所述隔膜的所述内周缘与所述外周缘之间延伸且构造成用于联接至用于沿所述方向驱动所述隔膜的线圈。

4.根据权利要求3所述的隔膜，其特征在于，所述表面区域围绕所述环基本不间断地延伸。

5.根据权利要求3所述的隔膜，其特征在于，所述表面区域为平的，且/或与所述环基本共面。

6.根据权利要求3所述的隔膜，其特征在于，存在围绕所述隔膜沿周向延伸的两个或更多系列的弯曲部，至少一个系列的弯曲部布置在所述表面区域的任一侧。

7.根据权利要求1所述的隔膜，其特征在于，所述系列或各个系列的弯曲部围绕基本整个所述隔膜基本不间断地延伸。

8.根据权利要求1所述的隔膜，其特征在于，所述隔膜还包括在所述隔膜的所述内周缘附近围绕所述隔膜基本不间断地延伸的基本平面的部分。

9.根据权利要求1所述的隔膜，其特征在于，所述隔膜还包括在所述隔膜的所述外周缘附近围绕所述隔膜基本不间断地延伸的基本平面的部分。

10.根据权利要求8或9所述的隔膜，其特征在于，所述平面部分或各个平面部分平滑地融合到所述系列或各个系列的弯曲部中。

11.根据权利要求1所述的隔膜，其特征在于，所述系列或各个系列的弯曲部包括形成在所述隔膜中的弯曲的回旋。

12.根据权利要求11所述的隔膜，其特征在于，所述系列或各个系列的弯曲部基本为连续的。

13.根据权利要求11或12所述的隔膜，其特征在于，所述系列或各个系列的弯曲部围绕整个所述环沿周向延伸。

14.根据权利要求1到9中任一项所述的隔膜，其特征在于，所述系列或各个系列的弯曲部为周期性的。

15.根据权利要求13所述的隔膜，其特征在于，所述弯曲部被描述为围绕所述隔膜的表面上的闭环。

16.根据权利要求15所述的隔膜，其特征在于，所述弯曲部在沿所述轴线的方向看时呈正弦形。

17.根据权利要求1到9中任一项所述的隔膜，其特征在于，所述隔膜大体上为环形。

18.根据权利要求1到9中任一项所述的隔膜，其特征在于，所述相当大的部分包括所述隔膜的表面区域的至少70%。

19.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的隔膜的扬声器。

20.根据权利要求19所述的扬声器，其特征在于，所述扬声器还包括相位插件。

21.根据权利要求20所述的扬声器，其特征在于，所述隔膜附近的所述相位插件的表面成形且构造为在使用中在声音上补充所述隔膜的所述表面区域或各个表面区域和/或成形部分。