CN107852549A - 电摇摆模式阻尼器 - Google Patents

Abstract

电声换能器涉及用于移动装置的新型音频换能器，特别地在移动电话、平板电脑、游戏装置、笔记本电脑或类似装置中使用的微型扬声器，其包括两个8字形线圈，以无源地补偿滚振，或者利用检测线圈(9)和每个轴的阻尼线圈(12)来有源地检测和补偿振膜沿与振膜的活塞式移动的轴垂直的两个轴的摇摆模式。可以使用放大器来放大检测信号以便增加阻尼效果。电摇摆模式补偿取代了目前发展水平的阻尼机构，阻尼机构是基于在振膜的移动部件中添加的阻尼材料。由于独立于环境条件，电阻尼优于现有阻尼技术。

Description

电摇摆模式阻尼器

技术领域

本发明涉及用于将电音频信号转换成声信号的音频换能器。本发明还涉及针对高声输出而优化的并且位于移动装置(如移动电话、平板电脑、游戏装置、笔记本电脑或类似装置)的小体积内的微型扬声器。由于这些移动装置内的物理体积非常有限，并且由于音频换能器必须与具有矩形形状的其它模块一起装配到移动装置的壳体中，因而微型扬声器很通常被构造成具有矩形形状因子。

背景技术

当使扬声器的性能最大化以输出高声压时，重要的参数是振膜的活塞式移动。扬声器的机械系统的不对称导致振膜的不对称移动或滚振(tumbling)。这会降低声压输出功率，并且可能导致扬声器机械系统的剧烈摩擦和嗡嗡声甚至损坏。以前尝试解决滚振振膜的这种问题是基于阻尼振膜材料。然而，这种阻尼的效率很大程度上取决于环境条件。本文所述的发明提供了通过电装置来为滚振振膜提供阻尼，并因此处于与环境条件无关的宽范围内。

因为常见的振膜设计不能防止系统滚振，所以使用阻尼振膜材料是最有效且最廉价的解决方案。然而，振膜材料必须满足许多要求，包括具有以下特性：1)稳定、频率独立的刚度和阻尼；2)抗机械长期应力的稳定性；以及3)成本低并且加工能力好。

当满足所有这些要求时，实际的材料总要加以妥协，从而导致输出声压更多或更少失真。所得到的总谐波失真(THD)是用于评估振膜性能的一种方法。

通过电装置克服滚振需要一种方法来检测和/或测量扬声器在操作期间的阻尼。这样做的一种方法是包括在驱动振膜的音圈的整个高度上缠绕传感器线圈。扬声器的磁路系统的磁通量将根据线圈相对于磁路系统的实际位置而在两个线圈中感应出电压。在单线圈传感器中，由于旋转中心倾向于通过线圈的重心，因而由滚振力而引起的感应电压将抵消。因此不能检测振膜的滚振。

发明内容

本发明的目的是解决滚振问题，而不需要使用针对振膜材料的额外机械要求。一种用于移动装置的新型音频换能器，特别地在移动电话、平板电脑、游戏装置、笔记本电脑或类似装置中使用的微型扬声器，该音频换能器包括两个8字形检测线圈，其用于检测所述振膜沿与所述振膜的活塞式移动的轴垂直的两个轴的滚振。可以使用阻尼线圈馈送来自检测线圈的检测信号电阻尼振膜的滚振。可以使用放大器来放大检测信号并增加阻尼效果。利用对滚振振膜的这种电阻尼，可以实现以下优点：不需要向振膜添加阻尼材料，并且在宽范围内的阻尼独立于环境条件。

根据阅读下列描述和权利要求书，并且根据审查附图，本发明的前述和其它方面、特征、细节、用途、以及优点将变得清楚。

附图说明

在附图中和附属权利要求书中指出了本发明进一步的实施方式。现在根据附图对本发明进行详细说明。在图中：

图1示出了现有技术的矩形微型扬声器的一些相关部分的立体图。

图2示出了图1的扬声器的一部分的两个截面图。

图3示出了根据本发明一方面的矩形微型扬声器的一些相关部分的立体图，其具有8字形的检测线圈。

图4示出了图3的微型扬声器的检测线圈的一部分的特写图。

图5示出了根据本发明一方面的矩形微型扬声器的一些相关部分的俯视图和两个截面图，其具有两个8字形的检测线圈。

图6示出了标记有几何尺寸的、图5的微型扬声器的俯视图。

图7a示出了根据本发明一方面的具有形成为双层柔性电路的两个8字形的检测线圈的矩形微型扬声器。

图7b示出了根据本发明一方面的矩形微型扬声器上的优化有最大化的横截面积的8字形检测线圈。

图8示出了根据本发明一方面的用于矩形微型扬声器的两个8字形线圈的立体图。

图9示出了根据本发明一方面的用于矩形微型扬声器的检测线圈和阻尼线圈的立体图。

图10a仅示出了根据本发明一方面的用于矩形微型扬声器的阻尼线圈。

图10b示出了根据本发明一方面的用于矩形微型扬声器的检测线圈和阻尼线圈。

图11示出了根据本发明一方面的具有图10b的检测线圈和阻尼线圈的矩形微型扬声器的一些相关部分的立体图。

图12示出了根据本发明一方面的包括用于放大矩形微型扬声器的检测线圈中的检测信号的场效应晶体管的电路。

图13是根据本发明一方面的矩形微型扬声器的阻尼线圈中所得到的电流的模拟图。

具体实施方式

在此，针对各种装置，描述了各种实施方式。阐述了许多具体细节以提供对如说明书中描述并在附图中例示的实施方式的总体结构、功能，制造以及使用的彻底理解。然而，本领域技术人员应当明白，可以在没有这种具体细节的情况下具体实践这些实施方式。在其它情况下，公知操作、组件，以及部件未加以详细描述，以使不搞混说明书中描述的实施方式。本领域普通技术人员应当明白，本文描述和例示的实施方式是非限制例，因此可以清楚，本文所公开的特定结构和功能细节可以是代表性的，而不必限制实施方式的范围，其范围仅由所附权利要求来限定。

贯穿本说明书针对“各种实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”或“一实施方式”等的引用意指结合该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，贯穿本说明书处处出现的短语“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”，“在一个实施方式”或“在一实施方式中”等不必都指同一实施方式。而且，该特定特征、结构，或特性可以按任何合适的方式在一个或更多个实施方式中组合。因此，结合一个实施方式例示或描述的该特定特征、结构，或特性可以在无限制的情况下，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，假定这种组合不是不合逻辑或非功能性的。

图1和图2示出了现有技术的矩形微型扬声器1的一些相关部分的视图。图1示出了立体图，而图2示出了两个截面图。扬声器1包括音圈2，其具有用于将电信号馈送到音圈2中的引线(未示出)。当微型扬声器1被组装时，音圈2例如利用胶粘剂固定至振膜3。微型扬声器1的振膜3典型地由一层或多层材料(如酮醚(PEEK)和/或丙烯酸酯和/或热塑性弹性体(TEP)和/或聚醚酰亚胺(PEI))制成。组装的微型扬声器1还可以包括用于加强振膜3的球顶(未示出)。

现有技术的扬声器1还包括具有设置在扬声器1的中心的磁体5的磁路系统。该磁路系统还包括导磁装置，该导磁装置包括固定至磁体5的导磁片6和磁钢(pot)7。导磁装置将磁体5的磁场引导并聚焦在磁体5与磁钢7的侧面之间的磁间隙8中。音圈2设置在磁间隙8中。

图2中的两个截面图示出了音圈2和振膜3的移动。在下面的截面图中，示出了具有完美机械系统的微型扬声器1。音圈2的活塞式移动引起振膜3沿Z轴方向的移动。上面的截面图示出了微型扬声器1的真实机械系统的不对称性，其导致振膜3的不对称移动或滚振。振膜3的滚振沿着X轴和Y轴两者发生。出于本公开的目的，轴X、Y以及Z被定义为在振膜3的宽度和长度尺寸的中间相交。这个定义也适用于环形以及矩形换能器设计。

滚振检测

尽管在动态扬声器中获得的力产生振膜3沿着轴Z垂直于振膜3的表面移动，但沿轴X和轴Y的小的力分量是不可避免的。这些分量导致振膜3滚振，在振膜3以旋转方式移动的情况下，不产生声音流动。检测振膜滚振可以被分成两个部分-沿轴X和轴Y二者的检测。对于矩形换能器，振膜滚振的两个组成部分可以称作长度和宽度滚振模式。

微型扬声器1的性能优化通常涉及通过最小化磁体5与磁钢7之间的磁间隙8来最大化磁力。音圈2的滚振移动使得音圈2周期性地接触磁体5或磁钢7，从而导致嗡嗡声或摩擦，这可能会导致任何组件的损坏。

因此，必需找到一种利用根据图3所示的本发明的第一实施方式的扬声器10的检测线圈9来电检测滚振的方法。对于具有单个音圈的扬声器，像现有技术的扬声器1一样，旋转中心被发现在音圈的重心内，并且因滚振移动而导致的感应电压被抵消。在单个线圈系统的阻抗曲线中没能找到滚振模式的电足迹。因此，检测线圈9按具有如图3和4所示的转折点11的8字形状形成。

环绕轴X的任何旋转运动在8字形检测线圈9中感应出电压，但由沿着轴Z的活塞式移动感应的电压被抵消。因为滚振包括沿着轴X和Y的两个滚振模式，所以需要两个检测线圈9A和9B来检测沿着轴线X的滚振并且检测沿着轴Y的滚振，如可以从图5看到的。

无源滚振阻尼

在音圈2中感应的电压降低了可作为谐振周围的典型换能器阻抗峰值测量的、在音圈2的端子上实际发现的电压。这个原理也可以应用于滚振模式。遗憾的是，不可能将音圈2在某种意义上形成得作为音圈工作而另外同时作为8字形线圈工作。因此，需要分离的8字形线圈9A和9B来无源地抑制这些摇摆(rocking)模式。对于无源滚振阻尼，8字形检测线圈9A和9B同样充任阻尼线圈。为了实现适当的摇摆模式阻尼，必须找到附加质量与所达到的阻尼之间的折衷方案。

阻尼估计

图6示出了图5的标记有几何尺寸的8字形阻尼线圈9A和9B的俯视图，以计算感应到8字形线圈9A和9B中的电压。线圈9A中感应的电压可以表达为：

U＝vB2(L-2d)N (1)

其中：

U感应电压

v在磁通量密度场B内达到的速度

L-2d每侧B场中的有效长度

N绕组数量

一个绕组的长度可以表达为：

8字形线圈9A的电阻可以表达为：

其中：

ρ_e特定电阻(Ωm)

N绕组数量

A所有导线横截面的总和

8字形检测线圈9A的质量可以表达为：

m＝ρAL_R+N·G (4)

其中：

ρ体积质量密度

G每绕组的隔离清漆和粘合胶的质量

有利的是，优化可以抑制8字形检测线圈9A中的滚振的力，同时向扬声器的移动部分添加尽可能少的质量。因此，一个好的措施是计算力与质量的比：

其中：

I线圈内的电流

应注意到，在方程(5)中，“I”用感应电压除以电阻代替。

该计算还可以简化为：

上面的方程都适用于8字形线圈9A，但是也可以通过在每个方程中交换尺寸L和W来用于8字形线圈9B。

对于N＝1，达到每质量的最大力，所有其它参数或多或少地限制于设计特定边界。这导致单个线圈设置，其中电阻率(由此质量)越低，电阻尼力就越高。图7a中可以看到一个示例，其是具有在层13内发现的导电区域和在层14内发现的导电区域的双层柔性电路，以形成8字形线圈9A和9B。

图7b示出了具有最大横截面积的无源8字形线圈9A和9B的优化形式，以有助于形成为柔性电路的球顶17的机械刚度。

有源滚振阻尼

在特定情况下，上面的无源解决方案不足以抑制振膜3的滚振。具体来说，这种情形在以下情况发生：

·B杂散场不够强，因为检测线圈9的位置(参见方程6，二次依存)不在磁间隙8内；或者

·声学系统不允许有额外的质量(性能也按二次方式取决于检测线圈9的横截面，参见方程6)。

图8示出了由柔性电路形成的两个8字形线圈9和12。在彼此顶部上需要两个相同线圈，其中线圈12充当阻尼线圈并且馈送来自8字形检测线圈9的放大信号。

在这种情况下，在检测线圈9中感应的电压需要通过简单放大器放大。在检测线圈9与阻尼线圈12之间的电耦合中发现与上面说明的无源设置不同。从阻尼线圈12到检测线圈9的任何反馈都将导致不稳定。

已经为这种设置模拟了耦合因子，并且结果如下：

耦合因子	音圈2	检测线圈9	阻尼线圈12
				音圈2	1	0.02	0.0057
检测线圈9	0.02	1	0.78
				阻尼线圈12	0.0057	0.78	1

基于这个结果，变得清楚的是，检测线圈9和阻尼线圈12非常强地耦合，并且与放大器的连接将导致不稳定。因此，需要检测线圈9的设计，该检测线圈9满足B场内部的8字形特性，并尽可能多地与阻尼线圈12电去耦。

线圈之间的耦合机制可以从简单的导体设置中看出，其中导体的H场由下式给出：

其中：

H磁场强度

I电流

r到导体的距离

因子1/r负责导体邻域的强耦合，而8字形线圈不补偿这种1/r依存。

因为如可以从图9看出在导体邻域实现了具有相反取向的两个线圈区域，所以将检测线圈9的取向翻转几次确保了更好的去耦。应注意到，在位于检测线圈9下方的8字形线圈12中发现了阻尼电流。阻尼线圈12不必像检测线圈9那样翻转几次。

图10a仅示出了阻尼线圈12，其中耦合效应通过不同的线圈形状被进一步最小化。图10b示出了在阻尼线圈12的顶部上分成12个子区的检测线圈9。

利用检测线圈9的12个子区域15以及扬声器16的简单的8字形阻尼线圈12的设置(如图10a、图10b和图11所示)产生以下耦合因子：

耦合因子	音圈2	检测线圈9	阻尼线圈12
				音圈2	1	0.00059342	0.0063617
检测线圈9	0.00059342	1	0.021203
				阻尼线圈12	0.0063617	0.021203	1

通过检测线圈9中的24个子区可以获得进一步的改进，这产生以下耦合因子：

耦合因子	音圈2	检测线圈9	阻尼线圈12
				音圈2	1	0.0003153	0.0063209
检测线圈9	0.0003153	1	0.0039647
				阻尼线圈12	0.0063209	0.0039647	1

如从该耦合因子可以看出，音圈2或阻尼线圈12几乎没有耦合到检测线圈9，这意味着，针对不稳定性，40dB(因子100)的放大倍率仍具有10dB的安全裕量。

针对放大器的要求

上述计算表明，来自检测线圈9的信号需要被放大以便驱动8字形阻尼线圈12。目前发展水平的放大器解决方案是具有外部电源的运算放大器。尽管这种运算放大器可以放置在柔性电路上，但放大器的分离电源需要额外的电线。利用放大器的这种解决方案可能会增加扬声器的成本，但根据扬声器的使用领域可能不是必需的。对振膜系统的听不见的移动进行抑制是必不可少的，所以放大信号的质量只能通过所获得的阻尼来评估。即使音圈2的驱动信号与预期的滚振之间几乎没有相关性，当振幅高时滚振也会导致严重的问题。

如果低质量放大和阻尼相关的边界条件与信号本身结合，则简单的场效应晶体管(FET)解决方案可以充当放大器，如图12所示。阻尼线圈12中对600Hz的输入信号和1780Hz的滚振频率的电流模拟表明，FET将在高驱动电平(1V以上)下正常工作，但电源电压低至0.3V的原型已经在研制中。

图13在原理上示出了阻尼线圈12中的阻尼信号的所得电流I_D。如可以在音圈2的扬声器信号的负周期期间看出，检测线圈9调制阻尼线圈12的电流I_D，以便抑制振膜3的滚振移动。

检测线圈的布置

目前发展水平的换能器振膜可以通过包围刚性球顶的软折环来特征化。目前发展水平的球顶是在两个薄板(优选为像铝一样的轻质刚性材料)之间堆叠的基体夹层结构。

检测线圈9可以通过类似于印刷电路或柔性电路的结构或其它类似技术来安装，并且可以充当夹层结构的外板，以最小化附加质量。

提出的解决方案的优点

如上所述的振膜的无源滚振阻尼实现了滚振的电阻尼，而与频率、温度、湿度以及老化无关。8字形线圈9和12的横截面积与可实现的阻尼力直接相关，因此可以被优化以尽可能少地影响声学性能(共振、灵敏度)。阻尼线圈12的设置可以被包括在实现为柔性电路以接触音圈2的目前发展水平的音圈定心支片(spider)中，其同样充当一个额外的悬挂和导线回路。

有源滚振阻尼系统可以实现与将电源电压用于放大器而不添加质量的差异相同的特征。放大器可以放置在用作音圈定心支片、导线回路连接以及滚振阻尼系统的柔性电路上。

目前的超低电源电压组件开发将允许越来越多的使用音圈信号本身来为阻尼电路提供能量。

本发明不限于上述实施方式和示例性工作示例。进一步的开发、修改以及组合也处于专利权利要求的范围内，并且被置于根据上述公开的本领域技术人员拥有之下。因此，本文描述和例示的技术和结构应被理解成例示性和示例性的，而非对本发明范围进行限制。本发明的范围由所附权利要求书限定，包括在提交本申请时的已知等同物和不可预见的等同物。

Claims (12)

1.一种电声换能器，该电声换能器包括：

磁钢；

永磁体，该永磁体设置在所述磁钢内；

导磁片，该导磁片固定在所述磁体上；

音圈，该音圈围绕所述永磁体设置，并且被配置成在所述磁钢与所述永磁体之间的空间中移动；

振膜，该振膜与所述音圈粘接，并且被配置成随着所述音圈的移动而移动；以及

滚振检测线圈，该滚振检测线圈以机械方式连接至所述音圈，并且被配置成随着所述音圈移动；

其中，所述滚振检测线圈被配置成，使得所述音圈围绕横向于所述振膜的移动方向的第一轴的任何旋转运动在所述滚振检测线圈中感应出电压。

2.根据权利要求1所述的电声换能器，其中，所述音圈具有大致矩形形状，该矩形形状具有长度和宽度，所述长度大于所述宽度，并且其中，所述第一轴平行于所述音圈的所述长度。

3.根据权利要求2所述的电声换能器，其中，所述滚振检测线圈跨越所述音圈的所述宽度，并且按8字形状形成，从而形成两个大致相等的子区，每一子区跨越所述音圈的所述宽度的大约一半。

4.根据权利要求2所述的电声换能器，其中，所述滚振检测线圈是第一滚振检测线圈，所述电声换能器还包括第二滚振检测线圈，其中，所述第二滚振检测线圈被配置成，使得所述音圈围绕与所述第一轴垂直并且与所述音圈的所述宽度平行的第二轴的任何旋转运动在所述第二滚振检测线圈中感应出电压。

5.根据权利要求4所述的电声换能器，其中，所述第一滚振检测线圈跨越所述音圈的所述宽度并且按8字形状形成，并且所述第二滚振检测线圈跨越所述音圈的所述长度并且也按8字形状形成。

6.根据权利要求5所述的电声换能器，其中，所述第一滚振检测线圈和所述第二滚振检测线圈由单个柔性电路上的导电路径形成。

7.根据权利要求2所述的电声换能器，其中，所述滚振检测线圈跨越所述音圈的所述宽度，并且被配置成使得所述滚振检测线圈的取向横跨所述音圈的所述宽度反转至少一次。

8.根据权利要求7所述的电声换能器，其中，所述滚振检测线圈的所述取向按大致均匀间隔横跨所述音圈的所述宽度反转三次，从而在所述滚振检测线圈内创建四个大致相等的子区。

9.根据权利要求7所述的电声换能器，其中，所述滚振检测线圈的所述取向按大致均匀间隔横跨所述音圈的所述宽度反转至少两次，从而创建数量比反转所述滚振检测线圈的所述取向的次数多一的均匀子区。

10.根据权利要求1所述的电声换能器，所述电声换能器还包括阻尼线圈，所述阻尼线圈具有与所述滚振检测线圈大致相同的外形，所述阻尼线圈和滚振检测线圈相对于所述音圈按堆叠构造来设置。

11.根据权利要求10所述的电声换能器，所述电声换能器还包括放大器，该放大器被配置成接收表示在所述滚振检测线圈中感应的电压的信号，放大所接收的信号，并且将所放大的信号传送至所述阻尼线圈。

12.根据权利要求10所述的电声换能器，其中，所述阻尼线圈按字母I的形状形成。