CN108810758A - 一种薄膜式声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换能器领域，尤其涉及一种薄膜式声波换能器。该薄膜式声波换能器包括磁组件和振动膜总成；磁组件由永久磁铁或电磁铁组成，用于产生磁场；振动膜总成包括驱动导体、柔性薄膜、回路导体和刚性支架；驱动导体嵌入在柔性薄膜中组成振动膜；回路导体固定在刚性支架上；各驱动子导体和回路子导线依次首尾连接组成线圈，驱动导体布置在磁组件产生的磁场中。该声波换能器还包括腔体封闭组件，与振动膜一起封闭出一个腔体，可克服换能器在低频时的声短路，具有良好的低频特性。通过在单一磁场中布置多条驱动导体，有效地提高了磁场的空间利用率，利用较小的磁铁和较小的空间，即可获得足够的功率，既降低了成本，又减小了换能器的尺寸。

Description

一种薄膜式声波换能器

技术领域

本发明涉及换能器领域，尤其涉及一种薄膜式声波换能器。

背景技术

现有的大量使用的音圈/振动膜结构的电动式声波换能器，由于音圈和振动膜分离，导致从音圈上获得的电磁力不能均匀、高效和及时地传递到振动膜上以驱动声介质运动，具体表现到产品的特性上，就是这类产品的频率特性不平坦，尤其是高频特性很难做好。

现有的薄膜式电动声波换能器，例如铝带式、屏风式声波换能器，音圈和振动膜合一，彻底解决了所获得电磁力的传递问题。但现有的实施方案基本上都是采用的单匝结构，驱动振动膜的通电导体的长度短，对磁场的利用率低、阻抗匹配困难。包括一种屏风式换能器，虽然采用了多条导线，但多条导线分布在不同的磁场中，采用两个方向的磁场从在两个方向通电的驱动导体上获得一个方向的驱动力，虽然减小了回路导体的利用，但该方案中的振动膜上的磁场分布不连续，甚至存在零点，无法布置足够密度的驱动导体，在一个单一磁场中还是单匝驱动。正是这些原因，导致现有的电动薄膜式声波换能器的应用，局限在一些细分领域，例如铝带式高音扬声器和昂贵的屏风式平面扬声器，未得到普遍应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种磁场利用率高、换能效率高的薄膜式声波换能器。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种薄膜式声波换能器，包括磁组件和振动膜总成；所述磁组件由永久磁铁或电磁铁组成，用于产生磁场；所述振动膜总成包括驱动导体、柔性薄膜、回路导体和刚性支架；所述驱动导体由多条驱动子导体组成，所述驱动子导体由细导线或长条状导电薄膜构成，各所述驱动子导体相互平行地嵌入在所述柔性薄膜中；所述驱动导体和所述柔性薄膜组成振动膜；所述回路导体由多条回路子导线构成，各所述回路子导线固定在所述刚性支架上；通过所述回路子导线将各所述驱动子导体的尾端和下一条所述驱动子导体的首端连接在一起；依次首尾连接的各所述驱动子导体和所述回路子导线一起组成线圈；依次连接的各所述驱动子导体中，第一条驱动子导体的首端和最后一条驱动子导体的尾端构成所述线圈的电气端口；通过所述电气端口对所述线圈通电，各所述相互平行地嵌在所述柔性薄膜中的驱动子导体在同一时刻流过的电流方向相同；所述驱动导体布置在所述磁组件产生的磁场中；将所述声波换能器做声波发生器使用时，通过向所述电气端口通电，电流流过所述驱动导体，使通电的处于磁场中的所述驱动导体在电磁力的作用下运动并带动所述柔性薄膜运动，进一步推动声介质运动；将所述声波换能器作为声波接收器使用时，所述柔性薄膜在声介质的推动下运动，带动所述驱动导体运动并切割所述磁场的磁力线产生感生电动势，所述感生电动势通过所述电气端口输出。

进一步的，各所述驱动子导体的长度方向与所述磁组件产生的磁场的磁力线方向垂直；各所述驱动子导体沿着所述磁组件产生的磁场的磁力线方向依次排列布置。

进一步的，所述柔性薄膜由厚度小于50微米的材料构成，所述驱动子导体由截面积小于0.1平方毫米的细导线或导电薄膜构成。

进一步的，所述回路导体单位长度的电阻率小于所述驱动导体单位长度电阻率的二分之一。

进一步的，所述回路导体布置在所述驱动导体和柔性薄膜设计运动范围之外尽量靠近所述驱动导体的位置。

进一步的，各所述驱动子导体以弯曲的路径布置在所述磁组件产生的磁场中。

进一步的，所述刚性支架包括刚性边框和多条刚性横梁；所述回路导体固定在所述刚性支架的刚性边框和/或刚性横梁上；所述多条刚性横梁垂直于所述回路导体布置；所述刚性横梁固定在所述刚性边框上；所述回路导体和所述刚性边框和/或刚性横梁组成网状，网孔用于声介质的流动。

进一步的，所述磁组件至少包括两个相对布置的异性磁极，分别布置在所述振动膜总成的两侧。

进一步的，所述振动膜总成独立制作，具体步骤为：将所述驱动导体嵌在所述柔性薄膜中；所述回路导体固定连接在所述刚性支架上；所述驱动导体和所述回路导体通过焊接、压接等方式进行固定连接。

进一步的，该薄膜式声波换能器还包括腔体封闭组件；所述腔体封闭组件和所述振动膜一起，封闭出一个腔体；所述腔体将空间分割为腔体内部和腔体外部两部分；所述振动膜的两个面分别落在所述腔体内部和所述腔体外部。

进一步的，该薄膜式声波换能器还包括阻尼泄流板；所述阻尼泄流板是所述腔体封闭组件的一部分；所述阻尼泄流板用于平衡所述腔体内部和所述腔体外部的流体压力；当所述腔体内部的流体压力高于所述腔体外部的流体压力时，所述腔体内部的流体通过所述阻尼泄流板流向所述腔体外部；当所述腔体内部的流体压力低于所述腔体外部的流体压力时，所述腔体外部的流体通过所述阻尼泄流板流向所述腔体内部。

进一步的，所述腔体内部还包括至少一块阻尼泄流板，将所述腔体分隔成多个小腔体，所述振动膜因为运动带来的所述腔体内部的流体压力波动通过至少一块阻尼泄流板、多个小腔体逐级缓冲削减。

进一步的，所述阻尼泄流板由具有众多细小孔洞的刚性或弹性材料构成。

一种应用于上述薄膜式声波换能器的振动膜装置，包括上述振动膜总成。

一种测井仪器，所述测井仪器利用了上述薄膜式声波换能器。

本发明的一种薄膜式声波换能器，具有以下有益效果：

1、通过在单一磁场中布置多条驱动导体，有效地提高了磁场的空间利用率，利用较小的磁铁和较小的空间，即可获得足够的功率，既降低了成本，又减小了换能器的尺寸；

2、将回路导体固定在刚性支架上，可以有效地抑制回路导体辐射有害声波；

3、将柔性薄膜做薄，将驱动导体做细、做薄，可以提高换能器的换能效率；

4、增加回路导体的直径，降低其电阻，可以有效地降低回路导体额外消耗的能量；

5、将回路导体布置在尽量靠近驱动导体的位置，可以有效地减小换能器的电感，改善换能器高频特性；

6、腔体封闭组件的设置，将振动膜正反两面封闭到两个空间，即腔体内部空间和腔体外部空间，使振动膜正反两面的声波不会因为相互抵消而削弱，这种抵消效应在低频时会比较突出，所以此措施克服了换能器在低频时的“声短路”，使换能器在低频时也有很好的表现；

7、将振动膜总成独立制作，既简化了生产工艺，降低了生产成本，又使维修和保养变得简单；

8、通过阻尼泄流板，使得腔体封闭组件在小体积时仍然能获得好的低频特性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的薄膜式声波换能器结构主视图；

图2为本发明的薄膜式声波换能器的第一个实施例结构A-A剖视图；

图3为本发明的薄膜式声波换能器的第一个实施例结构B-B剖视图；

图4为本发明的薄膜式声波换能器的第一个实施例结构C-C剖视图；

图5为本发明的薄膜式声波换能器的第二个实施例结构截面示意图；

图6为本发明的薄膜式声波换能器中振动膜总成结构主视图；

图7为本发明的薄膜式声波换能器中振动膜总成结构后视图；

图8为本发明的薄膜式声波换能器中振动膜总成结构D-D剖视图；

图中，1-磁组件，2-振动膜总成，21-驱动导体，22-柔性薄膜，23-回路导体，24-刚性支架，241-刚性边框，242-刚性横梁，3-腔体，4-阻尼泄流板，5-导磁框架,6-腔体封闭组件。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的一种薄膜式声波换能器的第一个实施例，如图1至图4所示，包括磁组件1和振动膜总成2；磁组件1由永久磁铁或电磁铁组成，用于产生磁场；振动膜总成2包括驱动导体21、柔性薄膜22、回路导体23和刚性支架24；驱动导体21由多条驱动子导体组成，驱动子导体由细导线或长条状导电薄膜构成，各驱动子导体相互平行地嵌入在柔性薄膜22中，驱动导体21和柔性薄膜22组成振动膜。这里所说的平行指的是大致平行，并非严格要求；“嵌入”可以是被全面包覆，也可以部分露出，甚至嵌入体将被嵌入体分割成几个部分，同时，嵌入后，被嵌入体的功能特性不发生根本性的改变，嵌入体在空间尺度上至少在一个维度，给人的感觉显著地小，但并不意味着嵌入体的实际尺寸和重量要比被嵌入体小。

回路导体23由多条回路子导线构成，各回路子导线固定在刚性支架24上，有效地抑制了回路导体23辐射有害声波；通过回路子导线将各驱动子导体的尾端和下一条驱动子导体的首端连接在一起；依次首尾连接的各驱动子导体和回路子导线一起组成线圈；依次连接的各驱动子导体中，第一条驱动子导体的首端和最后一条驱动子导体的尾端构成线圈的电气端口；通过电气端口对线圈通电，不考虑电场的延迟，由于各驱动子导体之间通过回路子导线首尾连接，使得各相互平行地嵌在柔性薄膜中的驱动子导体在同一时刻流过的电流方向相同；驱动导体21布置在磁组件1产生的磁场中。通过在单一磁场中布置多条驱动导体21，有效地提高了磁场的空间利用率，利用较小的磁铁和较小的空间，即可获得足够的功率，既降低了成本，又减小了换能器的尺寸。

将声波换能器做声波发生器使用时，通过向电气端口通电，电流流过驱动导体21，使通电的处于磁场中的驱动导体21在电磁力的作用下运动并带动柔性薄膜22运动，进一步推动声介质运动；将声波换能器作为声波接收器使用时，柔性薄膜22在声介质的推动下运动，带动驱动导体21运动并切割磁场的磁力线产生感生电动势，感生电动势通过电气端口输出。

具体的，各驱动子导体的长度方向与磁组件产生的磁场的磁力线方向垂直；需注意的是，这里所说的“垂直”并非严格要求，同时满足垂直的路径也有很多条，可以是直线、圆弧线、折线和蛇形线等，优选的，满足垂直的路径为类似蛇形线，此时可使振动膜形成波浪状，既增加了驱动导体的长度，使其在同样的磁场强度和同样的电流下获得更大的驱动力，又降低了振动膜的刚性，使振动膜易于运动。

具体的，各驱动子导体沿着磁组件1产生的磁场的磁力线方向依次排列布置；这里所说的“沿着”并非严格要求，仅是宏观性的要求，由于各驱动子导体嵌在柔性薄膜22上，优选的，柔性薄膜22以一定的波浪状延伸布置，使薄膜在这个维度也容易拉伸展开，使薄膜更容易运动。

具体的，柔性薄膜由厚度小于50微米的材料构成，优选的，柔性薄膜的厚度为12.5微米，原则上说，柔性薄膜越薄效果越好，而12.5微米条件下既保证了柔性薄膜的薄度又确保了柔性薄膜具有一定的强度，可提高换能器的换能效率。驱动子导体由截面积小于0.1平方毫米的细导线或导电薄膜构成。

具体的，回路导体23单位长度的电阻率小于驱动导体21单位长度电阻率的二分之一。回路导体23电阻率的调节通过将回路导线做粗实现，增加回路导体的直径，减小功率在回路导体上的损耗，可以降低对功放驱动功率的要求，使之在同样的驱动能力下获得更大的音量。

具体的，回路导体23布置在驱动导体21和柔性薄膜22设计运动范围之外尽量靠近驱动导体21的位置，可有效的减小换能器的电感，改善换能器的高频特性。这项措施突破了高频声波发生器由于电感不能做得足够低而无法做大功率的关键瓶颈，对于高频、甚至专用的超声波换能器意义重大。所谓设计运动范围，是指我们在设计声波传感器时，根据传感器的应用频率范围、应用功率范围，计算出的振动膜最大的运动范围。传感器的工作频率越低，同样辐射功率下的运动幅度越大。而在高频、甚至超声频段，振动膜需要的振动幅度是很小的，恰恰是这种情况下，我们更需要更小的传感器电感，这样我们就可以通过将回路布置在和驱动导体足够近的地方，把传感器的电感做得很低，以制作大功率的超声传感器。

需要特别说明的是，本发明所提供的声波换能器，各线圈处于单一磁场，通过回路导体实现线圈的闭合,其中回路导体在磁场中也会受力，但通过其它措施控制其辐射声波，这是本发明和其它类似实施方案的一个重要区别。所谓单一磁场，可以设想，如果驱动导体无限细，我们可以在任意两根驱动导体之间，等距地插入任意多的驱动导体，同样用回流导体对其进行连接，当对线圈通电时，每根通电导体受到的电磁力都从柔性薄膜的一面指向另外一面的。这样，在实际布置驱动导体时，我们就具备了最大的灵活性以控制布线的疏密和均匀度。在单一磁场中布置一块大的振动膜，降低振动膜的刚性也更容易。所谓单一磁场，并不排斥在一个系统中采用多个这种换能器组合，组合的系统中包括非单一的磁场。文中关于各驱动导体沿磁力线依次布置，就描述的本发明对应的是单一磁场。

具体的，各驱动子导体以弯曲的路径布置在磁组件产生的磁场中，在保证驱动子导体长度方向垂直于磁组件产生的磁场的磁力线方向的基础上，弯曲的路径适度的增加了驱动子导体通过磁场的路径长度，提高了磁场的利用率，同时也更有利于柔性薄膜运动；相应的，制作振动膜总成时，要保证各驱动子导体和与其相应的柔性薄膜具有足够的长度，保证其可以进行相应程度的弯曲。

具体的，如图7所示，刚性支架24包括刚性边框241和多条刚性横梁242；回路导体23固定在刚性支架24的刚性边框241和/或刚性横梁242上，为了保证回路导体23与驱动导体21之间的连接，优选的，柔性薄膜22也固定在刚性边框24上，使之与刚性边框24及分别缠绕其中的驱动导体21和回路导体23共同构成振动膜总成2；多条刚性横梁242垂直于回路导体23布置，使得刚性横梁242和回路导体23之间构成横竖支撑的网状结构，具有更好的刚性，也可更好地约束回路导体；刚性横梁242固定在刚性边框241上；回路导体23和刚性边框241和/或刚性横梁242组成网状，网孔用于声介质的流动。

具体的，磁组件至少包括两个相对布置的异性磁极，分别布置在振动膜总成的两侧。异性磁极相对布置是基本的优化特征，此时可获得最大的磁力作用，但这并不是硬性要求，只是其他情况下的效果相对较差。

具体的，振动膜总成1独立制作，具体步骤为：将驱动导体21嵌在柔性薄膜22中；回路导体23固定连接在刚性支架24上；驱动导体21和回路导体23通过焊接、压接等方式进行固定连接。薄膜式声波换流器中的振动膜总成可独立制作，其中振动膜和支撑架部分也可分开制作再组合，简化了工艺，同时批量化的生产极大地降低了生产成本，保证效果，并使得维修和保养变得简单。

具体的，该薄膜式声波换能器还包括腔体封闭组件6；腔体封闭组件6和振动膜一起，封闭出一个腔体3；腔体3将空间分割为腔体内部和腔体外部两部分；振动膜的两个面分别落在腔体内部和腔体外部。腔体封闭组件6的设置，使得形成了封闭的腔体，可以克服换能器在低频时的“声短路”，改善换能器在低频时的特性。更具体的，腔体3可通过现有的磁铁1、刚性支架24等实现，磁铁周围设置有导磁回路框架5，磁铁1吸附在导磁框架5上，振动膜总成2位于导磁框架5内部，其中振动膜部分靠近导磁框架5外部，刚性支架24部分靠近导磁框架5内部，使得导磁框架5、腔体封闭组件和刚性支架24构成封闭的腔体。该包括振动膜部分的腔体相当于组成音箱结构，使其低频特性得到了大幅提高，在现有的改善了换能器高频特性的基础上，使之成为一个全频换能器，高音和低音效果都很好，频率特性平坦，失真也小，可达到HIFI级别。

具体的，如图3和图4所示，该薄膜式声波换能器还包括阻尼泄流板4；阻尼泄流板4是腔体封闭组件的一部分；阻尼泄流板4用于平衡腔体内部和腔体外部的流体压力；当腔体内部的流体压力高于腔体外部的流体压力时，腔体内部的流体通过阻尼泄流板流向腔体外部；当腔体内部的流体压力低于腔体外部的流体压力时，腔体外部的流体通过阻尼泄流板流向腔体内部。

具体的，如图1、图2和图5所示，本发明薄膜式声波换能器的第二个实施例，腔体内部还包括至少一块阻尼泄流板，将腔体分隔成多个小腔体，振动膜因为运动带来的腔体内部的流体压力波动通过至少一块阻尼泄流板、多个小腔体逐级缓冲削减。

具体的，阻尼泄流板由具有众多细小孔洞的刚性或弹性材料构成。更具体的，阻尼泄流板材质可以由布、海绵、泡沫合金等构成，也可以是带有众多细小孔洞的刚性板构成。腔体内外流体间的流动即通过阻尼泄流板上众多细小孔洞实现。

如图6至图8所示，本发明的薄膜式声波换能器的第三个实施例，一种应用于薄膜式声波换能器的振动膜装置，包括上述实施例中提到的振动膜总成2。

本发明的薄膜式声波换能器的第四个实施例，一种测井仪器，该测井仪器利用了上述实施例中提到的薄膜式声波换能器。该薄膜式声波换能器不管是作为测井仪器的发射器还是作为接收器使用，都具有极宽的频带，尤其适用于作为宽带测量传感器使用，特别是在偏重高频时，回路电极靠近驱动导体布置，可以获得很大的功率。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (15)

1.一种薄膜式声波换能器，其特征在于，包括磁组件和振动膜总成；

所述磁组件由永久磁铁或电磁铁组成，用于产生磁场；

所述振动膜总成包括驱动导体、柔性薄膜、回路导体和刚性支架；

所述驱动导体由多条驱动子导体组成，所述驱动子导体由细导线或长条状导电薄膜构成，各所述驱动子导体相互平行地嵌入在所述柔性薄膜中；所述驱动导体和所述柔性薄膜组成振动膜；

所述回路导体由多条回路子导线构成，各所述回路子导线固定在所述刚性支架上；

通过所述回路子导线将各所述驱动子导体的尾端和下一条所述驱动子导体的首端连接在一起；

依次首尾连接的各所述驱动子导体和所述回路子导线一起组成线圈；

依次连接的各所述驱动子导体中，第一条驱动子导体的首端和最后一条驱动子导体的尾端构成所述线圈的电气端口；

通过所述电气端口对所述线圈通电，各所述相互平行地嵌在所述柔性薄膜中的驱动子导体在同一时刻流过的电流方向相同；

所述驱动导体布置在所述磁组件产生的磁场中；

将所述声波换能器做声波发生器使用时，通过向所述电气端口通电，电流流过所述驱动导体，使通电的处于磁场中的所述驱动导体在电磁力的作用下运动并带动所述柔性薄膜运动，进一步推动声介质运动；

将所述声波换能器作为声波接收器使用时，所述柔性薄膜在声介质的推动下运动，带动所述驱动导体运动并切割所述磁场的磁力线产生感生电动势，所述感生电动势通过所述电气端口输出。

2.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，各所述驱动子导体的长度方向与所述磁组件产生的磁场的磁力线方向垂直；各所述驱动子导体沿着所述磁组件产生的磁场的磁力线方向依次排列布置。

3.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述柔性薄膜由厚度小于50微米的材料构成，所述驱动子导体由截面积小于0.1平方毫米的细导线或导电薄膜构成。

4.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述回路导体单位长度的电阻率小于所述驱动导体单位长度电阻率的二分之一。

5.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述回路导体布置在所述驱动导体和柔性薄膜设计运动范围之外尽量靠近所述驱动导体的位置。

6.根据权利要求2所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，各所述驱动子导体以弯曲的路径布置在所述磁组件产生的磁场中。

7.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述刚性支架包括刚性边框和多条刚性横梁；

所述回路导体固定在所述刚性支架的刚性边框和/或刚性横梁上；

所述多条刚性横梁垂直于所述回路导体布置；

所述刚性横梁固定在所述刚性边框上；

所述回路导体和所述刚性边框和/或刚性横梁组成网状，网孔用于声介质的流动。

8.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述磁组件至少包括两个相对布置的异性磁极，分别布置在所述振动膜总成的两侧。

9.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述振动膜总成独立制作，具体步骤为：将所述驱动导体嵌在所述柔性薄膜中；所述回路导体固定连接在所述刚性支架上；所述驱动导体和所述回路导体通过焊接、压接等方式进行固定连接。

10.根据权利要求1所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，还包括腔体封闭组件；

所述腔体封闭组件和所述振动膜一起，封闭出一个腔体；

所述腔体将空间分割为腔体内部和腔体外部两部分；

所述振动膜的两个面分别落在所述腔体内部和所述腔体外部。

11.根据权利要求10所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，还包括阻尼泄流板；

所述阻尼泄流板是所述腔体封闭组件的一部分；

所述阻尼泄流板用于平衡所述腔体内部和所述腔体外部的流体压力；

当所述腔体内部的流体压力高于所述腔体外部的流体压力时，所述腔体内部的流体通过所述阻尼泄流板流向所述腔体外部；

当所述腔体内部的流体压力低于所述腔体外部的流体压力时，所述腔体外部的流体通过所述阻尼泄流板流向所述腔体内部。

12.根据权利要求11所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述腔体内部还包括至少一块阻尼泄流板，将所述腔体分隔成多个小腔体，所述振动膜因为运动带来的所述腔体内部的流体压力波动通过至少一块阻尼泄流板、多个小腔体逐级缓冲削减。

13.根据权利要求11或12所述的薄膜式声波换能器，其特征在于，所述阻尼泄流板由具有众多细小孔洞的刚性或弹性材料构成。

14.一种应用于权利要求1-13所述的薄膜式声波换能器的振动膜装置，其特征在于，包括权利要求1-13任一项所述的振动膜总成。

15.一种测井仪器，其特征在于，所述测井仪器利用了权利要求1-13任一项所述的薄膜式声波换能器。