CN105959889B - 一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其包括弓张式框架、超磁致伸缩棒、线圈、线圈套管、与线圈套管相适配的散热套筒、左永磁棒、右永磁棒、左固定挡板、右固定压板、塑胶垫圈和压紧螺栓；其有益效果是本发明输出位移大，发声强度高；本发明不使用回位弹簧等机构，整体结构简单；本发明采用弓张式框架有效地放大了超磁致伸缩棒的位移，同时使沿棒轴向的位移转变为垂直于棒的位移，降低了换能器的高度；本发明使用散热筒，降低了线圈发热对超磁致伸缩材料性能的影响。

Description

一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置

技术领域

本发明属于骨传导通讯技术领域，涉及一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置。

背景技术

传统的战场语音通信都是通过空气传导的方式，采用耳塞和耳机一体化设计，在准确接收语音信号的同时，降低了对周围环境的感知能力，导致无法准确感知周边环境动态和装备状态，但若双耳不完全塞紧，又将影响对上级命令的准确接收。骨传导通讯系统借助于人类的骨骼、神经、肌肉来传播声音而不占用人体耳道，用户在收听骨传导声音的同时也能听到周围环境的声音，骨传导驱动元件为纯机械振动部件，不存在电磁波对人脑的潜在危害，因为传播过程无需空气作为媒介，强烈噪声下的通讯清晰度保持不变，且对听力没有损伤。

骨传导听觉装置是整个通讯系统的受话装置，换能器是骨传导听觉装置的核心元件，其能将无线电接收到的电信号以机械振动的方式，直接作用于人体颅骨，实现音频信号的传递。换能器决定了听觉装置的电-机转换效率、功耗、声音响度、频响特性等参数，其输出特性直接影响了整个骨传导通讯系统的传音质量，因此要求骨传导音频换能器必须要具备较高的能量转换效率、减少功耗以延长工作时间，且输出响度大、音频特性好，以保证高噪环境下清晰、准确地接收语音信号。

当前根据发声元件的不同，可以将骨传导听觉装置分为电磁式、压电式和超磁致伸缩式。其中电磁式骨传导受话装置的应用最为广泛，2009 年 5 月，韩国 PAMSH 发布了一款 PS-700 骨传导耳机，它的重量仅有 50 克，便携性非常优秀，同时它的音质表现出色，并且佩戴舒适，仅需充电 1 小时便能使用 10 小时。2012 年 1 月，日本 Temco 公司发布了一款骨传导立体声无线蓝牙耳机，这款产品专门为驾驶车辆、骑自行车等开发，它使用了超小型的骨传导喇叭，既不妨碍周围的声音也不会妨碍驾驶。通话用麦克风的设置离嘴巴很近，从而保持优质的通话。然而电磁式骨传导受话装置的电源提供的大部分能量都变成热量消耗在线圈上，能量损耗很严重，声音输出会出现电平不足问题，长时间佩戴会对用户产生辐射伤害，且对用户周围的仪器有所影响。2011 年，英国 University of Dundee的 Robert Mills 等人研究了一种基于压电叠堆以及弯曲伸张机械放大原理的中耳植入型骨传导听觉装置，该装置的高频响应性能较好，适用于具有轻度和中度听力损失的患者。但压电材料存在振动响应频带窄、伸缩应变量小的缺陷，导致发声强度偏弱，与现有的电磁式产品相比在使用性能上还存在很大差距。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现音频信号清晰而准确传递的弓张式超磁致伸缩音频换能装置。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其包括弓张式框架、超磁致伸缩棒、线圈、线圈套管、与线圈套管相适配的散热套筒、左永磁棒、右永磁棒、左固定挡板、右固定压板、塑胶垫圈和压紧螺栓；

所述弓张式框架由上弓张架、下弓张架和支撑上、下弓张架的左、右立壁组成；在所述上弓张架的中部设有输出平台；在所述下弓张架的中部设有固定平台；所述左、右立壁对称，在所述左立壁的中心设有第一通孔；在所述右立壁的中心设有第一螺纹孔；在所述固定平台上设有第二螺纹孔；

所述左固定挡板为圆板形，其左侧面中心设有圆锥形凸台，所述圆锥形凸台的底面直径与所述第一通孔的直径相同，并且小于所述左固定挡板的直径；所述圆锥形凸台伸进所述第一通孔；所述塑胶垫圈设置在所述左固定挡板的左侧面与左立壁之间；在所述左固定挡板的右侧中心设有第一圆形限位槽，所述第一圆形限位槽的内径与所述左永磁棒的直径相适配；

所述右固定压板与左固定挡板对称设置，在右固定压板右侧中心设有盲孔，所述盲孔的内径与所述压紧螺栓相适配；在所述右固定压板的左侧中心设有第二圆形限位槽，所述第二圆形限位槽的内径与所述右永磁棒的直径相适配；

所述压紧螺栓通过第一螺纹孔与右立壁螺纹连接；所述压紧螺栓伸进所述盲孔压紧依次从右到左同轴设置的右固定压板、右永磁棒、超磁致伸缩棒、左永磁棒和左固定挡板；

所述超磁致伸缩棒、左永磁棒和右永磁棒的直径相同；

所述超磁致伸缩棒、线圈、线圈套管、散热套筒依次从内到外同轴设置；所述超磁致伸缩棒与线圈之间、线圈与线圈套管之间、线圈套管与散热套筒之间均为间隙配合；

所述散热套筒由固定螺栓通过第二螺纹孔固定在弓张式框架中。

所述线圈的长度大于超磁致伸缩棒的长度。

所述超磁致伸缩棒通过硅胶分别与所述左永磁棒和右永磁棒粘结。

所述弓张式框架的材质为弹簧钢。

所述散热套筒的材质为硬铝。

所述超磁致伸缩棒是由稀土超磁致伸缩材料构成。

本发明的有益效果是：本发明输出位移大，发声强度高；本发明不使用回位弹簧等机构，整体结构简单；本发明采用弓张式框架有效地放大了超磁致伸缩棒的位移，同时使沿棒轴向的位移转变为垂直于棒的位移，降低了换能器的高度；本发明使用散热筒，降低了线圈发热对超磁致伸缩材料性能的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为弓张式框架结构示意图。

图3为左固定挡板结构示意图。

图4为左固定挡板的第一圆形限位槽结构示意图。

图5为右固定压板结构示意图。

图6为右固定压板的第二圆形限位槽结构示意图。

图7为本发明的外部结构示意图。

图8为散热套筒结构示意图。

在图1-8中，1、弓张式框架，1-1、输出平台， 1-4、固定平台、1-4-1、第二螺纹孔，1-2、上弓张架，1-5、下弓张架， 1-3、左立壁，1-3-1、第一通孔，1-6、右立壁，1-6-1、第一螺纹孔，2、左固定挡板，2-1、圆锥形凸台，2-2、第一圆形限位槽，3、线圈套管，4、散热套筒， 5、超磁致伸缩棒，6、线圈， 7、右永磁棒，8、压紧螺栓，9、右固定压板，9-1、盲孔， 9-2、第二圆形限位槽，9-3、右固定压板圆锥形凸台， 10、固定螺栓，11、塑胶垫圈，12、左永磁棒，、上弓张架的上弓张架半臂与水平面夹角， la1_、上弓张架的上弓张架半臂长度，la2_、下弓张架的下弓张架半壁的长度， b、输出平台的厚度，a1、输出平台的长度， a2、固定平台的长度，t、弓张式框架的宽度，h、左立壁的高度。

具体实施方式

由图1-8所示的实施例可知，它包括弓张式框架1、超磁致伸缩棒5、线圈6、线圈套管3、与线圈套管3相适配的散热套筒4、左永磁棒12、右永磁棒7、左固定挡板2、右固定压板9、塑胶垫圈11和压紧螺栓8；

弓张式框架1由上弓张架1-2、下弓张架1-5和支撑上弓张架1-2的左立壁1-3和支撑下弓张架1-5的右立壁1-6组成；在上弓张架1-2的中部设有输出平台1-1；在下弓张架1-5的中部设有固定平台1-4；左立壁1-3与右立壁1-6对称设置，在左立壁1-3的中心设有第一通孔1-3-1；在右立壁1-6的中心设有第一螺纹孔1-6-1；在固定平台1-4上设有第二螺纹孔1-4-1；

左固定挡板2的中间为圆板，在圆板的左侧面中心设有圆锥形凸台2-1，所述圆锥形凸台2-1的底面直径等于第一通孔1-3-1的直径，并且小于圆板的直径；圆板的右侧面周边设有中心设有第一圆形限位槽2-2，第一圆形限位槽2-2的内径与左永磁棒12的直径相适配；

右固定压板9与左固定挡板2形状对称且位置对称设置，右固定压板9与左固定挡板2均分别设有圆锥形凸台（即左固定挡板的圆锥形凸台2-1和右固定压板圆锥形凸台9-3），采用研磨工艺，保证与弓张式框架1的良好接触以及与超磁致伸缩棒5、左永磁棒12、右永磁棒7的同轴度，右固定压板9使用车床钻头打盲孔9-1，与压紧螺栓8相配；

圆锥形凸台保证右固定压板9及左固定挡板2与弓张式框架1的紧密配合及同轴度；在右固定压板9的左侧中心设有第二圆形限位槽9-2，第二圆形限位槽9-2的内径与右永磁棒7的直径相适配。

所述散热套筒4为方形结构，其左、右两端设有半球面4-1；所述散热套筒4的宽度与上弓张架1-2及下弓张架1-5的宽度相等；所述散热套筒4由固定螺栓10固定在弓张式框架1中；散热套筒4采用硬铝材料，热导率为140W/（m﹒K）（273K时），能较大程度的将线圈6产生的热量传递到空气中，避免长时间工作引起线圈6和超磁致伸缩棒5内部温度过高；此外，其硬度在低于150HB，易于进行切削加工；散热套筒4与弓张式框架1之间采用螺纹连接。

线圈套管3位于散热套筒4中，并伸出其两端，二者为间隙配合；

线圈6位于线圈套管3中，并伸出其两端，二者为间隙配合；

超磁致伸缩棒5位于线圈6中，左永磁棒12和右永磁棒7分别通过硅胶粘结于超磁致伸缩棒5的左、右两端，并且其端头伸出线圈6，超磁致伸缩棒5的直径与左永磁棒12及右永磁棒7的直径相等，超磁致伸缩棒5与线圈6间隙配合；

圆锥形凸台2-1伸进第一通孔1-3-1；左永磁棒12的左端与左固定挡板2的右侧面相接处。

左固定挡板2与弓张式框架1之间为间隙配合，中间用塑胶垫片11，塑胶垫圈11设置在所述左固定挡板2的左侧面与左立壁1-3之间，用以提供系统阻尼且保证超磁致伸缩棒5与弓张式框架的第一通孔1-3-1间的同轴度。

右固定压板9由穿过第一螺纹孔1-6-1的压紧螺栓8压紧；

超磁致伸缩棒5的轴线与左固定挡板2及右固定压板9的轴线为同一轴线。

根据本发明内部的磁场分布要求，线圈6长度应略长于超磁致伸缩棒5的长度，对于材料内部磁场的均匀性和密封性以防止材料被氧化具有一定的积极作用。

所述弓张式框架1的材料为弹簧钢，使用机床进行切削加工而成。

所述散热套筒4的材料为硬铝，其同时增加线圈6与空气的接触面积，便于散热。

所述散热套筒4为方形结构，其左、右两端设有半球面4-1；所述散热套筒4的宽度与上弓张架1-2及下弓张架1-5的宽度相等。

所述超磁致伸缩棒5的材料为稀土超磁致伸缩材料。

弓张式框架1采用弹簧钢材料，能够增加结构的变形量，易于进行切削加工，利于增强闭合磁路的磁场强度和磁场均匀性；受到磁致伸缩棒5的驱动发生机械振动，同时也能依靠自身弹性变形实现系统复位。弓张式框架1在换能器静止和振动时均处于受压状态。

本发明的采用弓张式框架1对超磁致伸缩棒5的输出进行放大，超磁致伸缩棒5通过弓张式框架1按照固定放大比对位移进行放大；弓张式框架1是根据三角放大原理，放大倍数可通过改变本身的弯曲角度和各部分结构参数进行调节，以满足不同的输出特性要求。

本发明输出方向与超磁致伸缩棒5输出位移方向相垂直，能够显著减小换能器高度，便于同骨传导听觉装置的安装配合。

如果直接用超磁致伸缩棒5驱动发音板振动发声，为获得较大的发声强度需要使用较长的超磁致伸缩棒料，若棒料过长则将显著增加换能器的体积，不利于听觉装置与头盔等装备的结合使用，且弓张式框架1不仅能放大超磁致伸缩棒5的位移输出，而且能够通过本身结构变形使换能器复位，减少了回位弹簧、输出顶杆等元件，减少了换能器体积，便于同超磁致伸缩骨传导听觉装置的安装配合，同时增加了换能器的可靠性。

构建的结构为单自由度线性系统，弓张式框架1响应为强迫振动响应。当线圈6的激励频率是系统固有频率的3倍或3倍以上时，无论系统阻尼大小，弓张式框架1的响应小于换能器输出的12%，一般将激励频率与固有频率之比较大的区域称为“惯性区”，在“惯性区”内系统响应很小，系统的基频谐振由弓张式框架1的等效质量与超磁致伸缩棒5的弹性阻尼共同决定，从而降低了系统的谐振频率，保证了听觉装置能够在低频区域获得更高的声音响度。

系统稳态运动时，弓张式框架1输出端将以两倍激励频率持续振动，欲使输出端在工作过程中能够带动发音板不断击打人体传递信号，两侧需使用左永磁棒12及右永磁棒7给超磁致伸缩棒5施加一定大小的偏置磁场，来消除倍频现象，完成信号的准确传递。

与弓张式框架1输出端相耦合的发音板直接作用于人体颅骨，若发音板使用声速较高的“硬”材料时，中低频段的音质都比较差，若要改善中低频段的音响特性需要选择声速较小的塑料、树脂等“软”材料薄板作为发音板，并合理选择薄板的尺寸和边界条件。

弓张式框架1采用不同的材料时，给系统提供的阻尼也不同，阻尼越大，衰减越快，系统就越快地到达稳态；另一方面不同的弓张式框架1材料对闭合磁路内超磁致伸缩棒5部分的磁场强度和均匀性会产生不同的影响，为了获得较大的磁致伸缩量，同时具有较好的线性输出，必须兼顾磁场强度和均匀性要求。

弓张式框架1为框架结构，内部线圈6与空气直接接触，为增强听觉装置的隔水性能，同时增加线圈与空气的接触面积，利于散热，在线圈套筒3外部设计了散热套筒4，该散热套筒4除了具有散热性能外还必须易于进行切削加工，便于同线圈套管3的配合。

当本发明各部分结构参数和材料属性确定时，其输出平台的输出位移同超磁致伸缩棒5的输入位移具有确定的比例关系，能实现换能器输出的准确控制。

根据超磁致伸缩音频换能器内部的磁场分布要求，线圈6长度应略长于超磁致伸缩棒5的长度，对于材料内部磁场的均匀性和密封性以防止材料被氧化具有一定的积极作用。

上弓张架1-2由两个对称的上弓张架半臂和输出平台组成；下弓张架1-5由两个对称的下弓张架半壁和固定平台组成；

当不考虑弓张式框架1的弹塑性变形时，弓张式框架1的输出位移与超磁致伸缩棒5的输出位移放大比为，考虑各杆件的拉伸和弯曲变形后，其位移放大比R_amp为

上弓张架半臂的长度l_a1的取值范围是10~18mm；在弓张式框架1稳态时，上弓张架半臂与水平面夹角α的取值范围是5~10度；输出平台1-1的厚度b的取值范围是0.5~1.5mm；输出平台1-1的长度a1的取值范围是4~8mm；下弓张架半壁的长度l_a2的取值范围是6~12mm；固定平台1-4的长度a2的取值范围是6~10mm；弓张式框架1的宽度t的取值范围是5~9mm；左立壁1-3的高度h的取值范围是4~6mm。

上述位移放大比R_amp的公式中各参数由换能器各部分结构尺寸所决定，因此换能器最终的位移输出是可控的。

本发明克服了当前电磁和压电式骨传导换能器的不足，采用超磁致伸缩换能器直接驱动发音板作用于人体颅骨，实现音频信号的清晰、准确传递。与电磁和压电材料相比，超磁致伸缩材料具有输出力大、输出位移大、工作频带宽、磁机耦合系数大、能量密度高和居里温度高等特点，在骨传导听觉装置的设计和制造中具有良好的应用前景和实现价值。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其特征在于：包括弓张式框架（1）、超磁致伸缩棒（5）、线圈（6）、线圈套管（3）、与线圈套管（3）相适配的散热套筒（4）、左永磁棒（12）、右永磁棒（7）、左固定挡板（2）、右固定压板（9）、塑胶垫圈（11）和压紧螺栓（8）；

所述弓张式框架（1）由上弓张架（1-2）、下弓张架（1-5）和支撑上、下弓张架（1-2、1-5）的左、右立壁（1-3、1-6）组成；在所述上弓张架（1-2）的中部设有输出平台（1-1）；在所述下弓张架（1-5）的中部设有固定平台（1-4）；所述左、右立壁（1-3、1-6）对称，在所述左立壁（1-3）的中心设有第一通孔（1-3-1）；在所述右立壁（1-6）的中心设有第一螺纹孔（1-6-1）；在所述固定平台（1-4）上设有第二螺纹孔（1-4-1）；

所述左固定挡板（2）为圆板形，其左侧面中心设有圆锥形凸台（2-1），所述圆锥形凸台（2-1）的底面直径与所述第一通孔（1-3-1）的直径相同，并且小于所述左固定挡板（2）的直径；所述圆锥形凸台（2-1）伸进所述第一通孔（1-3-1）；所述塑胶垫圈（11）设置在所述左固定挡板（2）的左侧面与左立壁（1-3）之间；在所述左固定挡板（2）的右侧中心设有第一圆形限位槽（2-2），所述第一圆形限位槽（2-2）的内径与所述左永磁棒（12）的直径相适配；

所述右固定压板（9）与左固定挡板（2）对称设置，在右固定压板（9）右侧中心设有盲孔（9-1），所述盲孔（9-1）的内径与所述压紧螺栓（8）相适配；在所述右固定压板（9）的左侧中心设有第二圆形限位槽（9-2），所述第二圆形限位槽（9-2）的内径与所述右永磁棒（7）的直径相适配；

所述压紧螺栓（8）通过第一螺纹孔（1-6-1）与右立壁（1-6）螺纹连接；所述压紧螺栓（8）伸进所述盲孔（9-1）压紧依次从右到左同轴设置的右固定压板（9）、右永磁棒（7）、超磁致伸缩棒（5）、左永磁棒（12）和左固定挡板（2）；

所述超磁致伸缩棒（5）、左永磁棒（12）和右永磁棒（7）的直径相同；

所述超磁致伸缩棒（5）、线圈（6）、线圈套管（3）、散热套筒（4）依次从内到外同轴设置；所述超磁致伸缩棒（5）与线圈（6）之间、线圈（6）与线圈套管（3）之间、线圈套管（3）与散热套筒（4）之间均为间隙配合；

所述散热套筒（4）由固定螺栓（10）通过第二螺纹孔（1-4-1）固定在弓张式框架（1）中。

2.根据权利要求1所述的一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其特征在于：所述线圈（6）的长度大于超磁致伸缩棒（5）的长度。

3.根据权利要求1所述的一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其特征在于：所述超磁致伸缩棒（5）通过硅胶分别与所述左永磁棒（12）和右永磁棒（7）粘结。

4.根据权利要求1所述的一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其特征在于：所述弓张式框架（1）的材质为弹簧钢。

5.根据权利要求1所述的一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其特征在于：所述散热套筒（4）的材质为硬铝。

6.根据权利要求1所述的一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其特征在于：所述散热套筒（4）为方形结构，其左、右两端设有半球面（4-1）；所述散热套筒（4）的宽度与上、下弓张架（1-2，1-5）的宽度相等。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种弓张式超磁致伸缩音频换能装置，其特征在于：所述超磁致伸缩棒（5）是由稀土超磁致伸缩材料构成。