CN107409260A - 超声波模式下的电动换能器 - Google Patents

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CN107409260A CN201680008750.0A CN201680008750A CN107409260A CN 107409260 A CN107409260 A CN 107409260A CN 201680008750 A CN201680008750 A CN 201680008750A CN 107409260 A CN107409260 A CN 107409260A
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Abstract

公开了一种具有线圈、振膜和板的电动换能器，其中，所述换能器适于产生在人类可听见的声学范围和超声波范围内的声压级，使得该换能器可用作扬声器和超声波接近传感器。所述换能器可以适于产生在20kHz至70kHz之间的高于约88dB的声压级。此外，所述换能器可以适于产生在20kHz至70kHz之间的约90dB至95dB之间的声压级。所述板可以包括诸如圆顶部分或一组肋的结构刚度增加特征，其可以增加在超声波范围内的所产生的声压级。所述换能器还可以包括前谐振器，所述前谐振器可用于进一步调谐和/或增加在超声波范围的所产生的声压级。

Description

超声波模式下的电动换能器
技术领域
本发明涉及电动(electrodynamic)换能器，特别是用作扬声器并能够在可听声频范围和超声波频率范围内进行声音传输的换能器。本发明还涉及一种接近传感器系统，该系统利用能够在可听声频范围和超声波频率范围内进行声音传输的扬声器和能够接收语音信号和超声波频率信号的麦克风。本发明还涉及包含这种接近传感器的移动电话。
背景技术
尽管移动电话的尺寸已经变得更小和/或更薄，但是对于更多的特征和能力的需求却在增加。然而，所有新的特征和能力所需的部件(component)在电话壳体内需要越来越多的空间。业界希望收缩各种部件所需空间的尺寸。在某些情况下，两个或更多个部件的功能已经组合成一个部件以减小所需的空间。
接近感测技术在各种不同的行业中是流行的，并且现在在移动电话中经常用于各种功能。例如，可以使用接近传感器来检测电话何时接近用户的耳朵。当电话处于该位置时，可以关闭显示屏幕以降低功耗并禁用触摸屏以避免脸颊的无意的触碰。接近传感器还用于检测电话附近的运动或移动，因此当用户的手接近电话时，电话可以唤醒并且显示用户界面。这使得设备在不使用时能够在低功率、待机状态下工作，然后在接近时唤醒到活动状态，缩短唤醒时间。
存在几种类型的接近传感器，包括感应传感器、电容式光电传感器或光电和超声波传感器。一般来说，出于接近检测目的，光电原理是最广泛使用的，而电容式则是第二广泛使用的。超声波主要用于精确的范围检测，并且不用于简单的接近检测。
超声波传感器通常包括可以发射超出人类听觉的上限范围(通常高于20千赫兹)的声波的换能器，以及在波从目标反弹之后检测波的回波的麦克风。传感器然后基于发送信号和接收回波所花费的时间来确定传感器与目标之间的距离。
在希望在移动电话中进行接近检测的典型情况下，需要将接近传感器安装在设备中。然而，鉴于上述移动电话壳体内的空间限制以及不断增加的对更小和更少部件的渴望，提供一种用于将接近感测功能添加到设备的方法和系统将是有益的，其中不需要附加设备或部件。
美国专利No.6,542,436公开了一种用于检测对象是否在设备附近的单个扬声器-单个麦克风检测布置。已经在设备中发现的音频换能器用于实现检测功能。对于接近感测功能，产生用于驱动设备的输出声换能器的测量信号，并且监视该设备的输入声换能器以检测测量信号。该布置基于检测到的测量信号的改变来确定目标是否在设备附近。
然而，所公开的系统利用人类听觉的音频范围内的测量信号。当通过空气传播时，超声波声音比可听见的声音衰减得更快，允许进行更精确的距离测量。因此，超声波优选用于接近检测目的。因此，需要一种使用在移动电话中发现的标准电动式扬声器和麦克风的超声波接近传感器。
发明内容
本发明的一个方面提供一种能够作为用于移动电话中的扬声器和超声波信号发射器的电动换能器。因此，移动电话扬声器可以用于产生人类可听见的声波以及用于产生超声波。可以实现超声波范围内的高的声压级(SPL)。例如，为了增强高频(高于约20kHz)的频率响应，电动换能器的振膜包括软悬架区域和固定在其上的刚性板。刚性板还可以包括结构刚度增加元件，诸如圆顶部分或肋。因此，为了在超声波范围内实现所需的SPL，可以修改电动换能器的以下结构参数：板结构/几何形状(包括任何结构刚度增加元件，诸如圆顶部分或肋)、板材、板到振膜粘附力、线圈到振膜粘附力、和/或包括具有附加谐振器的振膜。
此外，电动换能器的优化的机械整合可以通过包括也可以是移动设备的一部分的前谐振器和/或后谐振器来进一步增强超声波性能。前谐振器和/或后谐振器可以被设计成增加振幅和Q因子，以实现电动换能器的辐射特性的最终调谐，并且实现电动换能器的频率特性的最终调谐。
因此，可以在振膜上方的一个组合区域中实现多个超声波调谐谐振器与专用于人类可听见的音频范围的谐振器的组合。
只要换能器的热限制没有超程(over travel)，这样的电动换能器就可以使用远高于常用音频信号的峰值电压。这意味着可以使用高峰值因子来在短时间内产生在超声波范围内的高声压级。
因此，如本文所述，移动电话扬声器也可以用作用于接近感测的超声波换能器。
因此，本发明的一个方面涉及一种电动换能器，该电动换能器包括线圈、振膜和板，其中，该电动换能器适于产生在人类可听见的声学范围和超声波范围内的声压级。
本发明的另一方面涉及一种电动换能器，该电动换能器可以适于产生在20kHz到70kHz之间的高于约88dB的声压级。
本发明的另一方面涉及一种电动换能器，该电动换能器可以适于产生在20kHz到70kHz之间的介于约90dB到95dB之间的声压级。
本发明的另一方面涉及一种电动换能器，其中，板包括结构刚度增加特征，诸如圆顶部分或一组肋。
本发明的另一方面涉及一种电动换能器，该电动换能器还包括具有延伸穿过谐振器的一个或多个孔的前谐振器，其中该前谐振器适于增加电动换能器在超声波范围内的声压级。
本发明的另一方面涉及一种包括线圈、板和振膜的电动换能器。板包括结构刚度增加特征，并且振膜包括开口(aperture)，所述板位于该开口内。振膜和板部分重叠，并且振膜和板在部分重叠处彼此粘合。电动换能器适于产生在人类可听见的声学范围和超声波范围内的声压级。
在下面的描述和附图中，这种电动换能器的更多细节和优点将变得显而易见。
附图说明
从下面的详细描述、所附的权利要求和附图中，本发明的这些方面和其它方面、特征、细节、应用、和优点将变得更加显而易见，其中，附图例示出了根据本发明的示例性实施方式的特征，并且其中：
图1示出了根据本发明的第一实施方式的电动换能器的立体剖视图；
图2示出了图1的电动换能器的剖视图；
图3示出了图1的电动换能器的剖视图；
图4示出了根据本发明的第二实施方式的电动换能器的剖视图；
图5示出了根据本发明的第一实施方式的在人体可听见的声学范围内的电动换能器的频率响应；
图6示出了根据本发明的第一实施方式的在超声波范围内的电动换能器的频率响应；
图7示出了根据本发明的第三实施方式的电动换能器的立体剖视图；
图8示出了图7的电动换能器的剖视图；
图9a至图9d示出了根据本发明的第三实施方式的具有椭圆形圆顶部分的板的立体图、顶视图和剖视图；
图10a至图10d示出了根据本发明的第三实施方式的具有环形圆顶部分的板的立体图、顶视图和剖视图；
图11a至图11c示出了根据本发明的第三实施方式的具有纵向肋的板的立体图、顶视图和剖视图；
图12a至图12c示出了根据本发明的第三实施方式的具有横向肋的板的立体图、顶视图和剖视图；
图13示出了根据本发明的第四实施方式的电动换能器的剖视图；
图14示出了根据本发明的各种实施方式的固定到电动换能器的前谐振器的立体剖视图；
图15a示出了根据本发明的各种实施方式的在没有前谐振器的情况下电动换能器在超声波范围内的频率响应；
图15b示出了根据本发明的各种实施方式的在具有前谐振器的情况下电动换能器在超声波范围内的频率响应；
图16示出了根据本发明的第一实施方式、第二实施方式、第三实施方式和第四实施方式的电动换能器的剖视图；
图17示出了根据本发明的第五实施方式的电动换能器的剖视图；
图18示出了与根据本发明的第一实施方式至第四实施方式中任一实施方式的电动换能器的理论频率响应相比的根据本发明第五实施方式的电动换能器的理论频率响应；以及
图19示出了现有技术的高保真扬声器的剖视图。
相同的附图标记表示几个视图中的相同或等同的部件。
具体实施方式
本文描述了不同装置的不同实施方式。阐述了许多具体细节以提供对在说明书中描述并在附图中例示出的实施方式的整体结构、功能、制造和使用的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些实施方式。在其它情况下，没有详细描述公知的操作、部件和元件，以免模糊说明书中所描述的实施方式。本领域普通技术人员将理解，本文所描述和例示出的实施方式是非限制性示例，并因此可以理解，本文所公开的特定结构和功能细节可以是代表性的，并且不必限制实施方式的范围，实施方式的范围仅由所附权利要求限定。
在整个说明书中对“各种实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”或“实施方式”等的提及意味着结合实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，，语句“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在实施方式中”等在整个说明书中的多个地方的出现不一定都指代相同的实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或更多个实施方式中。因此，结合一个实施方式例示出或描述的特定特征、结构或特性可以全部或部分地与一个或更多个其它实施方式的特征、结构或特性相结合，而没有限制，只要这种组合不是不合逻辑的或不是非正常运转的即可。
必须注意的是，如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个(a)”，“一个(an)”和“所述”包括复数对象，除非内容另有明确规定。
说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等(如果有的话)用于区分相似的元件，且不一定用于描述特定的顺序或时间次序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，使得本文所述的本发明的实施方式例如能够以除了本文所例示出的或以其它方式描述的顺序以外的顺序操作。此外，术语“包括”、“具有”及其任何变体旨在涵盖非排他性的包括，使得包括元件列表的过程、方法、制品或装置不一定限于那些元素，而可以包括未明确列出的或对于这种过程、方法、制品或装置固有的其它元素。
说明书和权利要求书中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“在…上”、“在…下”等(如果有的话)用于描述目的，而不一定用于描述永久的相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，使得本文所述的本发明的实施方式例如能够沿除本文所例示出的或以其它方式描述的方向(orientation)之外的其它方向操作。
说明书和权利要求书中所使用的表示测量等的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“大约”修饰。
本文所描述的是电动换能器，该电动换能器可以是专门设计用于要求高质量语音传输的移动电话和智能电话的高端微型扬声器。电动换能器是能够进行超声波频带传输的扬声器，其可以为客户提供使用扬声器和MEMS麦克风解决方案的设计可行性，以实现接近传感器和手势控制应用，而无需附加的专用超声波换能器或传感器。当用于接近传感器功能时，与其它接近传感器相比，超声波具有明显的优点，因为其感测能力不受被感测目标的表面的颜色或材料的影响。
在各种实施方式中，电动换能器可以包括但不限于以下特征：(1)高灵敏度(71dB/W/m)；(2)20kHz到50kHz之间的超声波能力；(3)电动换能器的后部上的附加防尘网；(4)针对扩展范围优化的6kHz峰值，无附加谐振器；(5)用于拾取和放置组件(assembly)的弹簧触点；(6)用于最小总谐波失真(THD)、Q因子以及翻转(tumble)的复合振膜；以及(7)所有指定的声学和电气参数的100％在线测量。
电动换能器被设计成将电模拟信号转换为可听见的声波和超声波。输入信号被馈送到磁场中的线圈中，所述线圈附着在振膜上。通过电磁力的原理，根据输入信号的内容移动振膜。
图1和图2分别示出了包括超声波模式的电动换能器或微型扬声器10的相关部分(part)的立体图和剖视图。扬声器10包括振膜12、用于加强振膜12的板14以及线圈20。在人类可听见的声学范围和超声波声学范围两者内驱动线圈20的电信号通过引线(未示出)馈送到线圈20中。扬声器10包括磁体系统50，在组装的扬声器10中，线圈20布置在该磁体系统中。扬声器10还包括用于将振膜12与磁体系统50组装和对齐的盆架(basket)或振膜载体60。在各种实施方式中，盆架或振膜载体60可以包括底部载体部分60a和顶部载体部分60b。如本领域已知的，磁体系统50可以包括底板50a、一组(a population of)磁体，诸如围绕中心磁体50c的周边磁体50b，每个磁体都具有顶板50d、50e。线圈20装配到磁体系统50的气隙中，并且能够根据通过引线馈送到线圈20中的电信号在气隙内上下平移。
振膜12、板14和线圈20以这种构造组装在组件叠层(组件叠层)11中，以允许在可听范围和超声波范围内从扬声器10发出声波。如将示出和描述的，可以利用组件叠层的各种构造。
参照图3的图，描述了组件叠层11的第一构造。从组件叠层11的底部到顶部，线圈20使用线圈固定材料或粘合剂20g被粘附到振膜12上。使用粘合剂20g来确保线圈20适当地粘附到振膜12上。此外，粘合剂20g相对于线圈20的位置是重要的。例如，胶的轮廓的厚度和宽度对扬声器在超声波范围内的输出具有影响。粘合剂20g的特性用于扬声器10的最终声学调谐。粘合剂20g可以是本领域已知的胶水、胶带或其它粘合剂。在各种实施方式中，例如，粘合剂20g可以是诸如紫外线(UV)和光固化丙烯酸粘合剂之类的胶水。合适的胶水例如包括但不限于由DELO Adhesives生产的DELO-UB4086或AD492粘合剂。在其它实施方式中，例如，粘合剂20g可以包括双面胶带。例如，合适的双面胶带为由tesa SE生产的具有20μm的厚度以及由4.5μm的丙烯酸层、8μm的PET层和4.5μm的丙烯酸层组成的合成物的68559透明双面自粘胶带。其它合适的双面粘合剂例如包括但不限于由tesa SE生产的68556和由3M生产的6653或9019。双面粘合剂的总厚度和组成用于调整扬声器10的最终声学行为。在其它实施方式中，例如，粘合剂20g可以包括热活化膜，诸如由tesaSE生产的HAF 58471。
在组件叠层11上继续向上并且继续参照图3，振膜12可以由一层或更多层材料构成。在各种实施方式中，例如，振膜12可以是单一材料(mono-material)或单层，诸如热塑性弹性体(TPE)。在其它实施方式中，例如，振膜12可以是具有一层聚醚醚酮(PEEK)和一层热塑性聚氨酯(TPU)的双层层压体，其中PEEK材料是相对于较软的TPU材料的硬质材料(即，硬质-软质材料的层)。在其它实施方式中，例如，振膜12可以是具有多芳基化合物(PAR)的第一层(例如由LOFO High Tech Film GmbH以商标名称出售)、丙烯酸酯的第二层、以及PAR的第三层的三层层压体，其中，PAR材料是相对于较软的丙烯酸酯材料的硬质材料(即，硬质-软质-硬质材料的层)。除此之外，本领域已知的其它合适的材料也可用于振膜12。
然后，使用板固定材料或粘合剂14g将振膜12粘附到板14上。使用粘合剂14g来确保板14适当地粘附到振膜12上。粘合剂14g的特性用于扬声器10的最终声学调谐。粘合剂14g可以是本领域已知的胶水、胶带或其它粘合剂。在各种实施方式中，例如，粘合剂14g可以是诸如紫外线(UV)和光固化丙烯酸粘合剂之类的胶水。合适的胶水例如包括但不限于由DELO Adhesives生产的DELO-UB4086或AD492粘合剂。在其它实施方式中，例如，粘合剂14g可以包括双面胶带。例如，合适的双面胶带是由tesa SE生产的具有20μm的厚度以及由4.5μm的丙烯酸层、8μm的PET层和4.5μm的丙烯酸层组成的合成物的68559透明双面自粘胶带。例如，其它合适的双面粘合剂包括但不限于由tesa SE生产的68556和由3M生产的6653或9019。双面粘合剂的总厚度和组成用于调整扬声器10的最终声学行为。在其它实施方式中，例如，粘合剂14g可以包括热活化膜，诸如由tesa SE生产的HAF58471。因此，在各种实施方式中，粘合剂14g和粘合剂20g可以相同但不要求相同。
组件叠层11的顶部是板14。如上所述，板14加强振膜12，增加其谐振频率并且增加扬声器10在超声波范围内的频率响应。这使得扬声器10能够在超声波范围内提供有用的输出。板14可以由一层或更多层材料构成。在各种实施方式中，例如，板14可以由单一材料或单层刚性材料(包括但不限于聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、铍、铝或本领域已知的其它刚性塑料或金属)制成。材料的选择可以基于材料的刚度以及人类可听见的声学范围和超声波范围内的期望的频率响应来进行。在其它实施方式中，例如，板14可以是多层层压体，诸如包含PEN层和铝层或泡沫层和铝层的层压体。这种泡沫可以是PMI泡沫(如来自Evonik公司的Rohacell)，但也可以是任何其它合适的泡沫。在其它实施方式中，例如，板14可以是三层层压体，诸如具有铝的第一层、泡沫的第二层以及铝的第三层，使得泡沫夹在铝层之间。在结合了铝层和泡沫层的这样的实施方式中，可以使用粘合剂来帮助在铝层和泡沫层之间获得足够的粘附力。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，也可以使用铝以外的材料，包括但不限于铍、其它金属或其它塑料。在其它实施方式中，例如，板14可以是不对称的三层层压体，例如具有PAR的第一层、丙烯酸酯的第二层以及PEN的第三层，其中，第一层的厚度为约10μm，第二层的厚度为约20μm，第三层的厚度为约20μm。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用除了PAR、丙烯酸酯或PEN之外的材料。
然后将该组件叠层11组装到扬声器10中，并且具有如图5中所示的在人类可听见的声学范围内的频率响应以及如图6所示的在超声波范围内的频率响应。从图5中可以看出，扬声器10的示例提供了从约400Hz到约4000Hz的大约95dB的几乎均匀的频率响应，并且在相同范围内具有最小的总谐波失真(THD)。从图6中可以看出，扬声器10的示例进一步提供了在20kHz至30kHz(超声波范围内)之间的90dB至95dB之间的频率响应或声压级。因此，扬声器10进一步提供在20kHz至30kHz之间高于约88dB的频率响应或声压级。为了产生超声波范围内的频率响应，执行以下测试：(96h)6Vp(141mW)；信号：对数(log)正弦扫频20kHz-48kHz，50ms，150ms静音，9dB总峰值。扬声器10可以发射目标级之间的声压级，如下面表1中所示：
用于本公开的扬声器110中的组件叠层111的另一实施方式在图4中例示出并在下面进行描述。组件叠层111和扬声器110中的一个或更多个的一些特征分别与组件叠层11和扬声器10中的一个或更多个的一些特征是彼此共同的，并且因此，在一个实施方式中对这些特征的描述应被理解为适用于其它实施方式。此外，一个实施方式的特定特性和方面可以与另一实施方式的特定特性和方面组合使用或替代另一实施方式的特性和方面。
具体地，扬声器110的组件叠层111包括振膜12、板14和线圈20。组件叠层11的振膜12、板14、线圈20和粘合剂20g、14g可以与组件叠层111的振膜12、板14、线圈20和粘合剂20g、14g相同。因此，组件叠层111和组件叠层11之间的差异在于叠层的布置。从组件叠层111的底部到顶部，线圈20使用线圈固定材料或粘合剂20g粘附到板14上。使用板固定材料或粘合剂14g将板14粘附到振膜12上。因此，组件叠层111和组件叠层11之间的主要结构差异在于：(1)在组件叠层111中，板14在振膜12下面而不是如在组件叠层11中在振膜12上面；以及(2)在组件叠层111中，线圈20被粘附到板14而不是如在组件叠层11中被粘附到振膜12。通过将板14粘附到线圈20，与组件叠层11相比，组件叠层111的刚度可以增加，这可以增加超声波范围内的频率响应。在某些情况下可能需要这种增加的刚度和增加的频率响应。
本公开的扬声器210和用于其中的组件叠层211的另一实施方式在图7和图8中例示出，并在下面进行描述。组件叠层211和扬声器210中的一个或更多个的一些特征分别与组件叠层11和扬声器10中的一个或更多个的一些特征是彼此共同的，并且因此，在一个实施方式中对这些特征的描述应被理解为适用于其它实施方式。此外，一个实施方式的特性和方面可以与另一实施方式的特性和方面组合使用或替代另一实施方式的特定特性和方面。
图7和图8示出了包括超声波模式的电动换能器或微型扬声器210的相关部件的视图。扬声器210包括振膜212、板214以及线圈20。在人类可听见的声学范围以及超声波声学范围内驱动线圈20的电信号通过引线(未示出)馈送到线圈20中。扬声器210包括磁体系统50，在组装的扬声器210中，线圈20布置在该磁体系统中。扬声器210还包括用于将振膜212与磁体系统50组装和对齐的盆架或振膜载体60。在各种实施方式中，盆架或振膜载体60可以包括底部载体部分60a和顶部载体部分60b。如相对于图1中的实施方式所描述的，磁体系统50包括基板以及一组磁体和板。线圈20装配到磁体系统50的气隙中，并且能够根据通过引线馈送到线圈20中的电信号在气隙内上下平移。
振膜212、板214和线圈20以这种构造组装在组件叠层211中，以允许在可听范围和超声波范围内从扬声器210发出声波。如将示出和描述的，可以利用组件叠层的各种构造。
参照图8，描述了组件叠层211的第一构造。如上所述，从组件叠层211的底部到顶部，线圈20使用线圈固定材料或粘合剂20g粘附到板214上。如上所述，使用板固定材料或粘合剂14g将板214粘附到振膜212上。
振膜212与振膜12相同，除了振膜212在振膜212的中心部分中包括切口、孔或开口212h。开口212h可以是与线圈20大致相同的形状并且尺寸略小于线圈20的内部。因此，不同于组件叠层11和111，其中振膜12与板14共同延伸并完全叠覆或从下面覆盖(underlap)板214，组件叠层211的板214和振膜212仅部分重叠。如图7和图8所示，板214位于开口212h内，并且部分地与振膜212重叠。振膜212在部分重叠部分处粘附到板214。
像振膜12一样，振膜212可以由一层或更多层材料构成。在各种实施方式中，例如，振膜212可以是单一材料或单层，诸如热塑性弹性体(TPE)。在其它实施方式中，例如，振膜212可以是具有一层聚醚醚酮(PEEK)和一层热塑性聚氨酯(TPU)的双层层压体，其中PEEK材料是相对于较软的TPU材料的硬质材料(即，硬质-软质材料的层)。在其它实施方式中，例如，振膜212可以是具有多芳基化合物(PAR)的第一层(例如由LOFO High Tech Film GmbH以商标名称出售)、丙烯酸酯的第二层、以及PAR的第三层的三层层压体，其中，PAR材料是相对于较软的丙烯酸酯材料的硬质材料(即，硬质-软质-硬质材料的层)。除此之外，本领域已知的其它合适的材料也可用于振膜212。
继续参照图7和图8，与组件叠层11和111的板14不同，与平板14相比，板214包括用于增加板214的结构刚度的附加特征。这种结构刚度增加元件可以包括例如圆顶部分216。圆顶部分216增加了板214的结构硬度，并且与板14相比也提高了板214的固有频率。也就是说，平板14具有比具有圆顶部分216的板214低得多的固有频率。利用这种增加的固有频率，与扬声器10相比，扬声器210在超声波范围内的频率响应可以被放大。这是因为板214的固有频率(fn)(或更高阶谐振频率或模式)可以在超声波范围内。因此，当输入到线圈20中的电信号使振膜212以超声波范围内的频率(fus)振荡时，该频率(fus)可以等于或基本上等于板214的固有频率(fn)或者更高阶谐振频率或模式，这导致板214的振动的振幅或位移增加。
虽然板214可以包括圆顶部分216以增加固有频率，但是可以将多种另选的结构刚度增加元件结合到板214中以增加其固有频率并改善超声波范围内的频率响应。例如，如图9a至9d所示，在各种实施方式中，板214a可以包括椭球形圆顶部分216a。在其它实施方式中，例如，如图10a至图10d所示，板214b可以包括环形圆顶部分216b。在其它实施方式中，例如，如图11a至图11c所示，板214c可以包括沿着板214c的长度平行延伸的一组纵向肋218l。在其它实施方式中，例如，如图12a至图12c所示，板214d可以包括与板214d的长度正交地延伸的一组横向肋218t。这些结构设计中的每一个都增加了板214的固有频率，并有助于改善扬声器210在超声波范围内的频率响应。
与上述板14一样，板214可以由一层或更多层材料构成。在各种实施方式中，例如，板214可以由单一材料或单层刚性材料(包括但不限于聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、铍、铝或本领域已知的其它刚性塑料或金属)制成。材料的选择可以基于材料的刚度以及人类可听见的声学范围和超声波范围内的期望的频率响应来进行。在其它实施方式中，例如，板214可以是双层层压体，诸如包含PEN层和铝层或泡沫层和铝层的层压体。这种泡沫可以是PMI泡沫(如来自Evonik公司的Rohacell)，但也可以是任何其它合适的泡沫。在其它实施方式中，例如，板214可以是三层层压体，诸如具有铝的第一层、泡沫的第二层以及铝的第三层，使得泡沫夹在铝层之间。在结合了铝层和泡沫层的实施方式中，可以使用粘合剂来帮助在铝层和泡沫层之间获得足够的粘附力。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，也可以使用铝以外的材料，包括但不限于铍、其它金属或其它塑料。在其它实施方式中，例如，板214可以是不对称的三层层压体，例如具有PAR的第一层、丙烯酸酯的第二层以及PEN的第三层，其中第一层的厚度为约10μm，第二层的厚度为约20μm，第三层的厚度为约20μm。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用除了PAR、丙烯酸酯或PEN之外的材料。
本公开的扬声器310和用于其中的组件叠层311的另一实施方式在图13中例示出，并在下面进行描述。组件叠层311和扬声器310中的一个或更多个的一些特征分别与组件叠层211和扬声器210中的一个或更多个的一些特征是彼此共同的，并且因此，在一个实施方式中对这些特征的描述应被理解为适用于其它实施方式。此外，一个实施方式的特定特性和方面可以与另一实施方式的特定特性和方面组合使用或替代另一实施方式的特定特性和方面。
具体地，扬声器310的组件叠层311包括振膜212、板214和线圈20。组件叠层311的振膜212、板214、线圈20和粘合剂20g、14g可以与组件叠层211的振膜212、板214、线圈20和粘合剂20g、14g相同。因此，组件叠层311和组件叠层211之间的差异在于叠层的布置。从组件叠层311的底部到顶部，线圈20使用线圈固定材料或粘合剂20g粘附到振膜212上。使用板固定材料或粘合剂14g将板214粘附到振膜212上。因此，组件叠层311和组件叠层211之间的主要结构差异在于：(1)在组件叠层311中，板214在振膜212上面而不是如在组件叠层211中在振膜212下面；以及(2)在组件叠层311中，线圈20被粘附到振膜212而不是如在组件叠层211中被粘附到板214。
现在参照图14，描述了可以与上述扬声器10、110、210、310中的任何一个一起使用的前谐振器62。在各种实施例中，当扬声器10、110、210、310安装在最终产品中时，前谐振器62可以固定到扬声器10、110、210、310的顶部载体部分60b上。前谐振器62是微调扬声器10、110、210、310中的主要参数，并且位于振膜12、112、212、312的上面。前谐振器62包括面板63，该面板63具有延伸通过其的一组孔64。孔64的数量、形状、尺寸和位置可以基于扬声器10、110、210、310的期望的最终调谐或声学性能来选择和/或改变。例如，在各种实施例中，前谐振器62可以仅包括1个孔或10个孔，或者这之间的任何数量的孔。在各种实施例中，前谐振器62可以包括多于10个的孔。图14表示具有三(3)个圆孔64的前谐振器62的横截面，其中仅示出一个孔和半个孔。虽然示出了圆形孔64，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它孔形状，包括但不限于三角形、正方形、矩形、长圆形(ovular)、五边形、六边形、八边形等。
在图15a和图15b的SPL曲线图中例示出了对扬声器10、110、210、310上的前谐振器62的最终调谐或声学性能的影响。图15a表示没有前谐振器62的扬声器10、110、210、310。可以看出，扬声器10、110、210、310本身在超声波范围内的频率响应或声压级(SPL)中显示出相当平滑的提升。图15b表示具有前谐振器62并且在最终产品中具有包括前体积(未示出)的壳体的扬声器10、110、210、310。这被称为优化的基本领域，其是振膜前面的区域，其包括前体积以及前谐振器62到外界的孔64和/或狭缝。如图15b所示，扬声器10、110、210、310的谐振峰值被调谐到位于超声波范围内。频率响应或SPL随着包括前谐振器62而在超声波范围内增加。例如，如图15b所示，在谐振频率约为55kHz处的SPL在约79dB至80dB之间。因此，在该峰值处的谐振峰值和SPL的最终调谐可以由前谐振器62和/或扬声器10、110、210、310的最终封装来控制。
本公开的扬声器410和用于其中的组件叠层411的另一实施方式在图17中例示出，并在下面进行描述。组件叠层411和扬声器410中的一个或更多个的一些特征分别与组件叠层11、111、211和311以及扬声器10、110、210和310中的一个或更多个的一些特征是彼此共同的，并且因此，在一个实施方式中对这些特征的描述应被理解为适用于其它实施方式。此外，一个实施方式的特性和方面可以与另一实施方式的特性和方面组合使用或替代另一实施方式的特定特性和方面。
具体地，扬声器410的组件叠层411包括振膜412、板414和线圈20。组件叠层411的振膜412、板414、线圈20和粘合剂(未示出)可以与组件叠层11、111、211、311的振膜12、212、板14、214、线圈20和粘合剂20g、14g相同。而组件叠层11、111、211、311可以被认为是单自由度(1-DOF)弹簧质点系统(spring-mass system)(见图16)，组件叠层411是双自由度(2-DOF)弹簧质点系统。也就是说，组件叠层411包括两个弹簧(S1、S2)和两个质点(M1、M2)。振膜412包括第一弹簧和第二弹簧(S1、S2)，其中第一弹簧S1位于盆架60与线圈20之间，并且第二弹簧S2位于线圈20的内部。线圈20和振膜412的非弹簧部分包括第一质点M1和板414，并且附接到板414的振膜412的非弹簧部分包括第二质点M2。第一弹簧S1具有第一弹簧常数k1，并且第二弹簧S2具有第二弹簧常数k2。
因此，组件叠层411将具有两个主要模式或谐振频率。第一模式或谐振频率是第一质点M1和第二质点M2彼此同相移动的地方。第二较高模式或谐振频率是第一质点M1和第二质点M2彼此异相移动的地方。与1-DOF频率响应相比，可以选择质点和弹簧常数以如图18所示在超声波范围内实现增加的频率响应。2-DOF组件叠层411的模拟频率响应被示出为在较高频率处具有增加的响应(参见虚线)，而对于1-DOF组件叠层11、111、211、311的模拟频率响应则以实线示出。在许多方面，第二质点M2和第二弹簧S2的作用就像典型的现有技术的高保真扬声器的筒(whizzer)(如图19所示)，用以增加较高的频率的频率响应。
应当理解，在各种实施方式中，例如，组件叠层411的板414可以具有如上关于板214所述的圆顶部分。这可以进一步有助于增加组件叠层411在超声波范围内的频率响应。
虽然描述了可以产生人类可听见的声学范围和超声波范围内的声压级的电动换能器，但是应当理解，本文所述的电动换能器可以在任何类型的声学设备中实现，其中，术语“声学设备”尤其表示能够产生用于发射到环境的声音和/或用于检测环境中存在的声音的任何设备。这样的声学设备尤其包括能够基于电信号产生声波(反之亦然)的任何机电换能器、电动式扬声器或压电式换能器。例如，由本文所述的振膜前驱体产生的振膜可以用在扬声器和麦克风中。
最后，应当注意，本发明不限于上述实施方式和示例性工作示例。根据上述公开，进一步的开发、修改和组合也在专利权利要求的范围内并且处于本领域技术人员的掌握之中。因此，本文描述和例示出的技术和结构应被理解为是示意性的和示例性的，并且不限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求(包括在提交本申请时已知的等同物和不可预见的等同物)来限定。

Claims (20)

1.一种电动换能器，所述电动换能器包括：
线圈；
振膜；以及
板，其中，所述电动换能器适于产生在人类可听见的声学范围和超声波范围内的声压级。
2.根据权利要求1所述的电动换能器，其中，所述电动换能器适于产生在20kHz至70kHz之间的高于约88dB的声压级。
3.根据权利要求1所述的电动换能器，其中，所述电动换能器适于产生在20kHz至70kHz之间的约90dB至95dB之间的声压级。
4.根据权利要求1所述的电动换能器，其中，所述线圈粘附到所述振膜，并且所述振膜粘附到所述板。
5.根据权利要求4所述的电动换能器，其中，所述电动换能器还包括：
用于将所述线圈粘附到所述振膜的线圈固定材料；以及
用于将所述振膜粘附到所述板的板固定材料。
6.根据权利要求5所述的电动换能器，其中，所述线圈固定材料是胶水、双面胶带或热活化膜。
7.根据权利要求5所述的电动换能器，其中，所述板固定材料是胶水、双面胶带或热活化膜。
8.根据权利要求1所述的电动换能器，其中，所述线圈粘附到所述板，并且所述板粘附到所述振膜。
9.根据权利要求8所述的电动换能器，其中，所述电动换能器还包括：
用于将所述线圈粘附到所述板的线圈固定材料；以及
用于将所述板粘附到所述振膜的板固定材料。
10.根据权利要求9所述的电动换能器，其中，所述线圈固定材料是胶水、双面胶带或热活化膜。
11.根据权利要求9所述的电动换能器，其中，所述板固定材料是胶水、双面胶带或热活化膜。
12.根据权利要求1所述的电动换能器，其中，所述板包括结构刚度增加特征。
13.根据权利要求12所述的电动换能器，其中，所述结构刚度增加特征包括圆顶部分或一组肋。
14.根据权利要求1所述的电动换能器，其中，所述电动换能器还包括前谐振器，所述前谐振器具有延伸通过所述谐振器的一个或多个孔，其中，所述前谐振器适于增加所述电动换能器在所述超声波范围内的所述声压级。
15.一种电动换能器，所述电动换能器包括：
线圈；
板，所述板包括结构刚度增加特征；以及
振膜，所述振膜包括开口，所述板位于所述开口内，并且其中，所述振膜和所述板部分重叠，并且其中，所述振膜和所述板在部分重叠处彼此粘合；
其中，所述电动换能器适于产生在人类可听见的声学范围和超声波范围内的声压级。
16.根据权利要求15所述的电动换能器，其中，所述结构刚度增加特征包括圆顶部分或一组肋。
17.根据权利要求15所述的电动换能器，其中，所述电动换能器适于产生在20kHz至70kHz之间的高于约88dB的声压级。
18.根据权利要求15所述的电动换能器，其中，所述电动换能器适于产生在20kHz至70kHz之间的约90dB至95dB之间的声压级。
19.根据权利要求15所述的电动换能器，其中，所述电动换能器还包括前谐振器，所述前谐振器具有延伸通过所述谐振器的一个或多个孔，其中，所述前谐振器适于增加所述电动换能器在所述超声波范围内的所述声压级。
20.一种电动换能器，所述电动换能器包括：
线圈；
板，所述板粘附到所述线圈，所述板包括结构刚度增加特征；以及
振膜，所述振膜包括开口，所述板位于所述开口内，并且其中，所述振膜部分地与所述板重叠，并且其中，所述振膜和所述板在部分重叠处彼此粘合；
其中，所述电动换能器适于产生在人类可听见的声学范围和超声波范围内的声压级。
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