CN106937218A - 具有在共振空间中的空气吸附剂的微型扬声器箱体 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种具有在共振空间中的空气吸附剂的微型扬声器箱体。本发明旨在通过在共振空间中布置用于吸附空气的吸附剂并且由吸附剂的空气吸附限定真实后腔来提供一种具有增强的低频特性的微型扬声器。根据本发明的一方面，提供了一种具有空气吸附剂的微型扬声器箱体，该微型扬声器箱体包括：微型扬声器；设置有微型扬声器的箱体，该箱体限定了共振空间；以及应用于该箱体的共振空间的空气吸附剂，其中，基于单元压力变化的空气吸附剂的每单位体积空气吸附摩尔比为40.6mol/m³·atm。

Description

具有在共振空间中的空气吸附剂的微型扬声器箱体

技术领域

本发明的目的是通过在共振空间中布置用于吸附空气的吸附剂并且由吸附剂的空气吸附限定真实后腔(back volume)来提供一种低频声音的性能增强的的微型扬声器。

背景技术

微型扬声器设置在便携式设备等中以产生声音。随着移动设备的最近发展，微型扬声器已经用于各种设备中。具体地，最新的移动设备趋于具有轻重量、小尺寸和细长形状以便于携带，并且因此，要求安装在移动设备中的微型扬声器具有小尺寸和细长形状。

然而，在微型扬声器具有小尺寸和细长形状的情况下，振膜(diaphragm)的面积减小，并且将由振膜的振动产生的声音共振并放大的共振空间的尺寸也减小，因此声压级(SPL)减小。该声压级的减小在低频处尤其显著。已经开发了通过以下方式来提高低频声压级的技术：在共振空间中布置空气吸附剂，使得空气吸附剂吸附空气分子并且限定真实听觉空间，从而提高低频声压级。

EP 2424270B1公开了在共振空间中布置沸石材料作为吸附剂，其中，包括沸石颗粒的硅与铝的质量比至少为200。

此外，US 8,687,836B2公开了采用硅基沸石作为箱体中的空气吸附剂材料，所述硅基沸石在硅基上包含少量的第二金属，其中，硅与第二金属的质量比等于或小于200。

EP 2424270B1公开了在共振空间中布置沸石材料作为吸附剂，其中，包括沸石颗粒的硅与铝的质量比至少为200。

然而，在EP 2424270B1和US 8,687,836B2中公开的技术未考虑：当吸附剂布置在共振空间中以限定真实听觉空间时，实际共振空间减小被吸附剂占据的空间。

【现有技术文献】

专利文献

EP 2424270B1

US 8,687,836B2

非专利文献

http://www.knowles.com/eng/Products/Receivers-and-speakers/Speaker-enhancement-technology

发明内容

本发明的目的是当在共振空间中布置吸附剂时，通过考虑被吸附剂占据的空间与剩下的实际共振空间的比来提供一种在低频处具有改进的振动性能的微型扬声器。

根据本发明的一方面，提供了一种具有空气吸附剂的微型扬声器箱体，该微型扬声器箱体包括：微型扬声器；设置有微型扬声器的箱体，该箱体限定了共振空间；以及应用于该箱体的共振空间的空气吸附剂，其中，基于单元压力变化的每单位体积的空气吸附剂的空气吸附摩尔比为40.6mol/m³·atm。

在一些实施例中，空气与应用于箱体的空气吸附剂的体积之比满足

此外，在一些实施例中，箱体的压力变化考虑扬声器的有效振膜面积以及振膜的机械最大允许振幅，并且箱体的压力变化的最大值满足

此外，在一些实施例中，当微型扬声器的有效振膜面积等于或大于1.2cm²并且最大允许振幅为0.4mm时，V_a/V_n等于或大于0.1。

通过考虑基于布置在共振空间中的空气吸附剂的空气吸附率的等效刚度的变化并且限定空气吸附剂的每单位体积的空气吸附摩尔比，根据本发明的具有空气吸附剂的微型扬声器箱体与没有空气吸附剂的箱体相比可以充分地提高低频范围中的声压级。

此外，通过考虑在应用空气吸附剂时被空气吸附剂占据的空间与被空气占据的空间之比，根据本发明的具有空气吸附剂的微型扬声器箱体与没有空气吸附剂的箱体相比可以充分地提高低频范围中的声压级。

附图说明

根据结合附图给出的优选实施例的以下描述，本发明的以上和其它目的、特征和优点将变得明显，在附图中：

图1是例示与声压级相关联的振膜的振动特性因子的示意图，所述振动特性因子确定声压级；

图2是例示使用初级感应系统的微型扬声器的振动系统的移动的视图；

图3是用于计算箱体中的设置有微型扬声器的盒空间的等效刚度的示意图；

图4是例示在设置有微型扬声器的箱体中填充空气吸附剂的状态的示意图；

图5是示出基于空气吸附剂的空气吸附率的等效刚度的变化的曲线图；

图6是示出基于空气吸附剂的空气吸附率的低频响应特性的分析的曲线图；以及

图7是示出基于应用于箱体的吸附剂与孔之比的低频声压级的变化的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图来详细描述根据本发明的具有在共振空间中的空气吸附剂的微型扬声器箱体的优选实施例。

图1是例示与声压级相关联的振膜的振动特性因子的示意图，所述振动特性因子确定声压级。当假定振膜的振动位移为Z，从振膜至声音接收点的距离为r，振膜的半径为a，振膜的振动频率为f，并且空气密度为ρ₀时，声压P可以表示为如下形式。

图2是例示使用初级感应系统的微型扬声器的振动系统的移动的视图。当假定M表示包括振膜、音圈等的振动系统的重量，c表示振动系统的衰减，K表示振动系统的刚度，并且F表示在音圈中产生的电磁力时，振膜的振动位移Z可以表示为如下形式。

ω＝2πf (公式2.1)

此处，如果振动频率ω小于共振频率，则振动位移受振动系统的刚度K的显著影响，如下所示。

图3是用于计算箱体中的设置有微型扬声器的盒空间的等效刚度的示意图。

当微型扬声器设置在箱体中时，盒形箱体中的共振空间(后腔)充当另一刚性元件，从而增大扬声器系统的刚度，并且微型扬声器箱体的总刚度(K_total)是微型扬声器的刚度(K_unit)与共振空间的等效刚度(K_cc)的总和，其可以表示为：

K_tota/＝K_unit+K_cc

此处，当假定设置在微型扬声器中的振膜的面积为S_d并且设置有微型扬声器的箱体中的共振空间的体积为V_cc时，由于箱体的共振空间而增加的刚度K_cc可以表示为：

箱体中的空间在低容量下的等效刚度可以表示如下。

在恒温的情况下，箱体中的空间的压力与体积的乘积具有恒定的值(理想气体状态公式)。

P₀V_cc＝nRT＝const.(公式3.2)

由于扬声器的振膜移动，箱体中的空间的体积改变，所以共振空间的压力改变。

P₀V_cc＝(P₀+ΔP)(V_cc+ΔV) (公式3.3)

0＝P₀ΔV+ΔPV_cc+ΔPΔV (公式3.4)

由于压力变化与体积变化的乘积相对很小，即ΔPΔV≈0，所以

ΔPV_cc＝-P₀ΔV (公式3.5)

由于压力的变化而作用在振膜上的力与振膜的面积成比例，所以

F＝S_dΔP

此外，由振膜的移动而引起的体积变化可以表示为有效振膜面积与振动位移的乘积。

ΔV＝S_dZ (公式3.7)

当使用空气作为介质时，声阻抗Z为：

P₀＝ρ₀c² (公式3.8)

其又可以被组织为：

ΔPV_cc＝-P₀ΔV

当可以根据胡克定律来组织共振空间(后腔)的等效刚度时，

因此，当共振空间的体积减小时，空气的等效刚度增大，并且低频声压级减小。

在用作空气吸附剂的材料的情况下，空气吸附量与压力成比例。

图4是例示在设置有微型扬声器的箱体中填充空气吸附剂的状态的示意图。

微型扬声器(单元)设置在箱体中，箱体的共振空间(后腔)填充有一定量的空气吸附剂n，并且剩余空间被空气占据。共振空间的总体积V_cc被划分为被空气占据的体积V_a和被吸附剂占据的体积V_n。

V_cc＝V_a+V_n(公式4.1)，并且根据理想气体状态公式P₀V_a＝n₀RT(公式4.2)，基于压力变化的空气吸附量为：

Δn＝DV_nΔP (公式4.3)。

由于压力随着由振膜的振幅变化引起的体积变化而变化，并且此时，空间中的空气摩尔数由于空气吸附剂的吸附量变化而变化，所以

P₀V_a＝n₀RT

(P₀+ΔP)(V_a+ΔV)(n₀-Δn)RT

(P₀+ΔP)(V_a+ΔV)(n₀-DV_nΔP)RT

P_CV_a+ΔPV_a+P_CΔV+ΔPΔV＝n_CRT-DV_nΔPRT (公式4.4)

由于压力变化与体积变化的乘积相对很小，所以其可以被组织为如下形式。

ΔPV_a+P₀ΔV＝-DV_nΔPRT

ΔP(V_a+DV_nRT)＝-P₀ΔV (公式4.5)

因为由于压力变化而作用在振膜上的力与振膜的面积相关联，所以

F＝S_dΔP

由于由振膜的移动而引起的体积变化表示为有效振膜面积与振动位移的乘积，所以

ΔV＝S_dz (公式3.7)

当使用空气作为介质时，声阻抗Z为：

P₀＝ρ₀c² (公式3.8)

其又可以被组织为：

ΔP(V_a+DV_nRT)＝-P₀ΔV

当可以根据胡克定律来组织振动空间(后腔)的等效刚度时，

比较在对箱体应用空气吸附剂之前和之后的等效刚度，应用吸附剂之前的等效刚度为：

而应用吸附剂之后的等效刚度为：

因此，为了确保与未应用空气吸附剂相比，应用空气吸附剂时的低频声音改善得更多，即V_cc＜V_a+DV_nRT，所以

V_a+V_n＜V_a+DV_nRT

V_n＜DV_nRT (公式4.8)

也就是说，在应用空气吸附剂时，增强低频声音所需的空气吸附率的最小值可以表示为

V_n＜DV_nRT

在诸如空气的气体常数和常温等条件下，当假定气体常数R为8.21×10-⁵m³·atm/mol·K并且常温为300K时，D＞40.6mol/m³·atm。

因此，基于每单位体积的压力变化的吸附量的变化率的最小值为40.6mol/m³·atm。

同时，微型扬声器(单元)设置在箱体中，箱体的共振空间(后腔)填充有一定量的空气吸附剂n，并且剩余空间被空气占据。当共振空间的总体积V_cc被划分为被空气占据的体积V_a和被吸附剂占据的体积V_n时，基于压力变化的每单位体积的空气吸附摩尔数为D，并且初始空气摩尔数为n₀，基于压力变化的空气吸附量可以表示为：

Δn＝DV_nΔP (公式5.1)

此处，由于空气吸附量不可能超过初始空气摩尔数，所以

n₀＞DV_nΔP (公式5.2)

初始摩尔数n₀可以表示为：

P₀V_a＝n₀RT

其又可以被组织为：

n₀＞DV_nΔP

考虑作为扬声器的TS参数中的一个参数的机械最大振幅X_mech，其是不具有物理接触的振膜的最大位移，最大压力变化可以表示为如下：

(ΔP)_max(V_a+DV_nRT)_min＝-P₀(ΔV)_max

(ΔP)_max(V_a+DV_nRT)_min＝-P₀(S_dX_mech)

(V_a+DV_nRT)_min＝V_cc

此处，当基于压力变化的每单位体积吸附摩尔数D的最小值为40.6，并且对于箱体和微型扬声器的尺寸，共振空间V_cc为0.6cc时，有效振膜面积S_d为1.2cm²，并且最大允许振幅X_mech为0.4mm，

图5是示出基于空气吸附剂的空气吸附率的等效刚度的变化的曲线图。此处，对于箱体和微型扬声器的尺寸，共振空间V_cc为0.6cc，并且有效振膜面积S_d为1.2cm²。当基于空气吸附剂的压力变化的每单位体积吸附率D等于或大于40.6mol/m³·atm时，与未应用空气吸附剂相比，应用空气吸附剂时的有效刚度变得更小。可以看出，当D等于或大于40.6mol/m³·atm时，箱体的等效刚度变得较小，而不论V_a/V_n的变化。

图6是示出基于空气吸附剂的吸附率的扬声器的低频响应特性的分析的曲线图。此处，对于箱体和微型扬声器的尺寸，共振空间V_cc为0.6cc，并且有效振膜面积S_d为1.2cm²。

当空气吸附率D为40.6mol/m³·atm时，应用空气吸附剂和未应用空气吸附剂的低频声压级(SPL)几乎相同，但是当D为100mol/m³·atm时，与未应用空气吸附剂时相比，应用空气吸附剂时的低频声压级(SPL)更加显著地提高。相反，当D为20mol/m³·atm时，与未应用空气吸附剂时相比，应用空气吸附剂时的低频声压级(SPL)变得更低。因此，明显的是在应用空气吸附剂时D应该至少为40.6mol/m³·atm。

图7是示出基于应用于箱体的吸附剂与孔之比的低频声压级的变化的曲线图。已经测量并示出了当箱体的共振空间V_cc为0.6cc，有效振膜面积S_d为1.2cm²，并且吸附率D为225mol/m³·atm时基于体积V_n的声压级的变化。声压级随着体积V_n的增大而增大，直到V_a/V_n达到0.1为止，但是当V_a/V_n降到0.1以下时，声压级开始减小。也就是说，箱体的共振空间中被空气占据的体积应该至少是被吸附剂占据的空间的10％。

Claims (4)

1.一种具有空气吸附剂的微型扬声器箱体，包括：

微型扬声器；

设置有所述微型扬声器的箱体，所述箱体限定了共振空间；以及

应用于所述箱体的共振空间的空气吸附剂，

其中，基于单元压力变化的所述空气吸附剂的每单位体积的空气吸附摩尔比为40.6mol/m³·atm。

2.根据权利要求1所述的微型扬声器箱体，其中，所述空气与应用于所述箱体的空气吸附剂的体积之比满足

$V_a>\frac{{\mathrm{DV}}_n\mathrm{\Δ}PRT}{P_0},$

其中，V_a是被所述空气占据的体积，V_n是被所述吸附剂占据的体积，D是基于所述压力变化的每单位体积的空气吸附摩尔数，R是气体常数，T是温度，P₀是初始压力，△P是压力变化。

3.根据权利要求2所述的微型扬声器箱体，其中，所述箱体的压力变化考虑所述扬声器的有效振膜面积以及所述振膜的机械最大允许振幅，并且所述箱体的压力变化的最大值满足

${\left(\mathrm{\Δ}P\right)}_{max}=-\frac{P_0{S}_d{X}_{mech}}{V_{cc}},$

其中，△P是压力变化，P₀是初始压力，S_d是设置在所述微型扬声器中的振膜的面积，X_mech是设置在所述微型扬声器中的振膜的机械最大振幅，以及V_cc是设置有所述微型扬声器的箱体中的共振空间的体积。

4.根据权利要求2或3所述的微型扬声器箱体，其中，当所述微型扬声器的有效振膜面积等于或大于1.2cm²并且所述最大允许振幅为0.4mm时，V_a/V_n等于或大于0.1。