CN110072169A - 骨传导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种骨传导装置，所述骨传导装置中的金属材料组件全部或者部分为非晶合金，所述非晶合金为锆基非晶合金、稀土基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金中的一种或者多种。本发明中的骨传导装置传递出的声音音质更佳，在其中的非晶合金变形过程中实现的变形量可以传导不同的音质效果，在音质方面有更强的实现空间，从而可以通过改变使佩戴者获得更好的音质水平，重底音和高音等等其他常规材料需要通过更高的变形力才能获得的音效和音质使用特定体系的非晶合金既能够获得，无需改变整体结构设计。

Description

骨传导装置
技术领域
本发明属于新材料领域，具体涉及一种骨传导装置。
背景技术
听觉系统是人类接收外界信号的重要感觉器官。正常情况下，由声源振动产生的声波，经两条途径传入内耳：其一，通过外耳道、鼓膜和由三块听小骨组成的听骨链传递至内耳，即声波的空气传导，该方式为正常听觉的主要传导途径；其二，直接通过颅骨传递至内耳，即骨传导，该方式在正常的生理状态下作用甚微。
骨传导方式传递声音的主要途径是声音经颅骨使耳蜗壁发生振动，主要传导模式有以下两种：
其一，压缩骨导（Compression Bone Conduction），是指振动经颅骨传到耳蜗，使耳蜗壁随着声波疏密相的变化膨大与缩小，从而使体积可压缩性很小的内耳淋巴液向蜗窗和前庭窗移动。因前庭阶和鼓阶中的淋巴液之比为5:3，且蜗窗膜的活动性大于镫骨板，所欲在声波疏相骨壁被压缩时，前庭阶中淋巴液流向鼓阶，基底膜下移；声波疏相骨壁膨大时，淋巴液回流，基底膜上移。由此反复较低引起基底膜振动，有效地刺激了内耳螺旋器；
其二，移动式骨导（Expansion Bone Conduction），是指声波作用于颅骨时，整个头颅包括耳蜗均在振动。因为淋巴液存在惰性，所以当耳蜗壁移位时，内耳淋巴液的唯一总是稍落后于前者，并且呈反向运动，从而引起基底膜振动，刺激内耳螺旋器。
现有技术中，骨传导技术集中应用于骨传导助听器、骨传导麦克风、骨传导手机、骨传导耳机等骨传导装置中，尤其是骨传导耳机，近年来在民用领域得到了一定的推广。在近年来的调查中，许多研究机构发现传统入耳式耳机的使用对使用人群听力造成持续性的损伤，尤其是长期使用入耳式耳机的人群听力受损情况更加严重，使用骨传导技术的耳机由于声音传导的方式不同，不会对耳朵造成损伤，是现有入耳式耳机的良好替代物。随着骨传导技术应用领域逐渐扩大，针对骨传导技术的研究也越来越深入以及细分，例如针对骨传导扬声器结构、分布应用等的研究在耳机、眼镜等领域已然具有一定的基础。随着骨传导产品的推广应用，相关技术会得到更进一步的研究开发。
由于骨传导技术民用化并未大范围进行推广，故市场上现有骨传导装置往往停留在“能够使用”的阶段，即能够保证使用即可，虽然有一些企业针对其使用品质也进行长期的研发，但是能够商用转化的技术主要集中于骨传导装置的结构设计和新产品的开发上，并未有跳跃式的发展。骨传导装置中的常用材料为橡胶、塑料及常规的金属材料或者其他的复合材料等通用性材料，上述通用性材料性能有限，应用于骨传导装置中难以产生优良的声学效果，使骨传导装置在声学效果上与其他现有装置差距甚远，尤其是骨传导装置传递的声音中，更具饱和度的频段缺失，造成声音单调，使用效果欠佳，难以冲击更高端的发声器市场，这样的缺陷是无法通过结构设计的方法来改善的。
发明内容
骨传导装置中金属材料的部分对声波的传导起到了非常关键的作用，现有技术中骨传导装置中的金属材料通常优选采用钢铁材质。选择钢铁材质一方面是因为钢铁材料便宜易得，而且加工工艺成熟，成型性能也非常优异，另一方面钢铁材质坚硬，使用寿命长，相比起塑胶材料能够耐受更严苛的使用环境。但是在实际使用过程中发现，钢铁材料由于防锈抗蚀性能着实一般，尤其是骨传导装置在使用过程中接触人体皮肤部分（长期被汗水、油脂侵蚀的环境）非常容易生锈，而且由于密度高以及本身的特性，在音质传导上难以让人满意，尤其是为了追求更好的音质，从而将传导声音的传振片等部件设计的更加长、体积更大。传振片在振子发生震动时根据振子释放的频率传导不同的振幅，钢铁材料由于自身弹性极限的限制并且弹性模量较高，往往在需要传振片达到较大的力时才能产生所需要的变形量，这使得骨传导装置的电池容量和电控能力都需要增强，才能达到预期的音质效果，增加了能源的消耗（更高音质需要更大的电池），使骨传导装置的重量居高不下，不仅增加了加工成本，而且使得骨传导装置整体结构变得笨重，与当下流行的轻薄化电子产品的趋势背道而驰，自然无法在消费者市场上立足。
尽管钢铁材料具有非常明显的缺点，但是由于现有技术中被研究可能用于替代的材料综合性能还不如钢铁材料，尤其是涉及到轻量化的设计中，本领域技术人员考虑到轻薄设计的要求，是不会选用密度比钢铁材料更高的材料进行替换，而密度低于钢铁材料的一些材料（如特殊塑料、镁合金、铝合金）从音质传导上又无法达到要求，所以钢铁材料仍旧是骨传导装置上金属部件的首选。
本发明从骨传导装置声音的原理出发，提供了一种提升传导声音音质、降低整体结构厚度的骨传导装置。
本发明中的骨传导装置中的金属材料组件全部或者部分为非晶合金。现有技术中惯性思维摒弃使用密度大的合金材料替换钢铁材料（不锈钢等），但是从实际制造情况出发，非晶合金的弹性极限大，在其变形过程中实现的变形量可以传导不同的音质效果，在音质方面有更强的实现空间，从而可以通过改变使佩戴者获得更好的音质水平，重底音和高音等等其他常规材料需要通过更高的变形力才能获得的音效和音质使用特定体系的非晶合金既能够获得，无需改变整体结构设计。同时，非晶合金比强度高，尽管密度大，但是对于普通骨传导装置来说，非晶合金材料厚度减薄至不锈钢材料的80%及以下时，其强度等物理性能仍旧强于不锈钢材料，在轻薄化的设计中完全符合各项要求。
进一步地，本发明中的骨传导装置可以根据不同的音效和音质的分布来设计不同尺寸和形状的非晶合金发声装置，即可以实现在同一款骨传导装置中区分低音、高音和中音部分，从而使传递的声音更为饱满、音质更高。非晶合金材料的应用降低了装置的整体重量，从而间接降低了所需电池容量和控制电机的重量，使骨传导装置整体轻薄化，在增加了不同音质音色的全面性、使装置的音色音质更加完美的同时，未降低该装置的便携性和可佩戴性，也没有降低续航能力。
进一步地，所述非晶合金为锆基非晶合金、稀土基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金中的一种或者多种。若是与皮肤接触，镍基非晶合金、含Be的非晶合金体系应避免使用，防止使用者皮肤过敏。
进一步地，所述骨传导装置为压电式骨传导装置，所述骨传导装置中的金属材料组件为压电振子中的金属基板、与人体相接处的传导材料、保护压电振子的壳体结构中的一种或者多种；
所述骨传导装置中的金属材料组件中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的30%；
由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的15-60%。
进一步地，所述骨传导装置为电磁式骨传导装置，所述骨传导装置中的金属材料组件为骨传导振子、骨传导振子固定结构、与人体相接处的传导材料、保护骨传导振子的壳体结构中的一种或者多种。
所述骨传导装置中的金属材料组件中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的30%；
由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的15-60%。
进一步地，所述骨传导装置中的金属材料组件非晶合金或者包含非晶合金的结构的弹性极限为1.7-3.6%，维氏硬度为350-900HV，抗拉强度为1200-3000MPa，屈服强度为800-1500MPa，表面粗糙度Ra小于0.01μm。
进一步地，所述骨传导装置为压电式骨传导装置或者电磁式骨传导装置，所述骨传导装置中的金属材料组件为内部或者外部的骨架结构、外部壳体结构或者连接结构中的一种或者多种。
进一步地，所述骨传导装置中的金属材料组件中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的10%；由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的20-80%；所述非晶合金最大形成能力大于2mm。
进一步地，所述骨传导装置中的金属材料组件非晶合金或者包含非晶合金的结构的弹性极限为2.0-3.6%，维氏硬度为350-900HV，抗拉强度为1800-3000MPa，屈服强度为800-1500MPa。
进一步地，所述非晶合金为锆基非晶合金，其成分组成为(Zr，Hf)aAlbCuc(Sn，Mg)d(Y，Ag)e，其中a、b、c、d、e每个独立地表示原子百分比，55≤a≤72、6≤b≤17、16≤c≤24、0≤d≤5、0.2≤e≤1；所述非晶合金为钛基非晶合金，其成分组成为(Ti，Zr)aCub Sn c(Si，Al，B)d，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，50≤a≤65、20≤b≤35、7≤c≤20、1≤d≤6，其中Ti原子百分比高于40%。
本发明中所述骨传导装置为骨传导耳机、骨传导麦克风或者骨传导眼镜。
本发明具有以下优点：
1、本发明中的骨传导装置传递出的声音音质更佳，在其中的非晶合金变形过程中实现的变形量可以传导不同的音质效果，在音质方面有更强的实现空间，从而可以通过改变使佩戴者获得更好的音质水平，重底音和高音等等其他常规材料需要通过更高的变形力才能获得的音效和音质使用特定体系的非晶合金既能够获得，无需改变整体结构设计。
2.本发明中的骨传导装置根据不同的骨传导原理利用非晶合金进行替换原有金属材料，在压电式骨传导装置和电磁式骨传导装置中，通过设置非晶合金材料的占比以及特性降低了装置的整体重量，从而间接降低了所需电池容量和控制电机的重量，使骨传导装置整体轻薄化，在增加了不同音质音色的全面性、使装置的音色音质更加完美的同时，未降低该装置的便携性和可佩戴性，也没有降低续航能力。
附图说明
图1为本发明中压电式骨传导装置的压电振子结构示意图；
图2为本发明中压电式骨传导装置的简易结构示意图；
图3为本发明中电磁是骨传导装置的简易结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1 压电式骨传导装置
压电式骨传导装置是利用压电陶瓷的逆压电效应进行发声传导的装置，用具有音频的电信号直接驱动压电振子，通过压电振子的机械变形来产生振动，振动经颅骨传到耳蜗，从而感受到声音。压电振子是压电式骨传导装置中的最重要的核心结构，应用压电振子的骨传导装置一般具有1KHz或者是更高的谐振频率，因此压电式骨传导装置的低频区域的发生容易再现不充分，如何使低频区域充分进行传导是压电式骨传导装置的研究重点。
压电振子中一般使用压电陶瓷，但是由于压电陶瓷片本身硬且脆，而且能够产生的位移或者力非常小（振动的振幅非常小），所以压电陶瓷片一般不作为驱动原件直接使用，而是与具有弹性的金属基板粘结在一起制成复合结构使用，该复合结构即压电振子。现有技术中往往使用不锈钢或者是纯铜片与压电陶瓷复合，但是制成的压电振子传导低频区域效果差、声音再现不充分（低频是声音的基础）。
在本实施例的压电式骨传导装置中，如附图1所示，压电陶瓷101与非晶合金基板102组成压电振子。非晶合金基板102可全部采用非晶合金材料制成或者部分采用非晶合金材料制成，部分采用非晶合金材料的，其中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的10%，优选大于或者等于整体金属材料组件的30%。
由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的15-60%即可满足使用要求，既能满足强度、硬度、耐蚀性的要求，又能够达到减薄的效果。在本实施例中的压电振子中，采用锆基非晶合金材料制成的基板102比纯铜片基板厚度减薄20%，且强度更高、弹性模量更低，无需过大的振动即可传递声音，能够实现低音频段的有效传递。
如附图2所示，为压电式骨传导装置的简易结构示意图。压电振子202设有保护壳体结构201，同时与传导柱203相连，通过传导柱203将声音传递给人体204。在该结构中，传导柱203、保护壳体结构201同样可全部采用非晶合金材料制成或者部分采用非晶合金材料制成，部分采用非晶合金材料的，其中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的10%，优选大于或者等于整体金属材料组件的30%。对于作为保护结构的壳体201来说，非晶合金材料的厚度可适当增加，优选为相同结构普通晶态合金材料厚度的50-60%即可满足使用要求，而作为传导结构的传导柱，厚度则以不同设计为准，一般优选为相同结构普通晶态合金材料厚度的30-60%即可满足使用要求。
实施例2 电磁式骨传导装置
电磁式骨传导装置原理与压电式类似，不同之处在于其骨传导振子为磁体复合结构。
如附图3所示为电磁是骨传导装置的简易结构示意图。骨传导装置主要包括骨传导振子304、设于骨传导振子两侧的固定结构302、保护前壳体301、保护后壳体303，其中保护前后壳体任一可作为与人体相接处的传导材料，效果同实施例1中的传导柱203。
上述结构均可全部采用非晶合金材料制成或者部分采用非晶合金材料制成，部分采用非晶合金材料的，其中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的10%，优选大于或者等于整体金属材料组件的30%。对于作为保护结构的壳体301、303来说，非晶合金材料的厚度可适当增加，优选为相同结构普通晶态合金材料厚度的50-60%即可满足使用要求，若设某一侧为接触侧，厚度则以接触侧的要求设计为准，一般优选为相同结构普通晶态合金材料厚度的30-60%即可满足使用要求（更薄）。
实施例1和2中，非晶合金制成发声的合金组件进行应用，故骨传导装置中的金属材料组件非晶合金或者包含非晶合金的结构的弹性极限选取为1.8-3.5%，维氏硬度选取为350-900HV，抗拉强度选取为1200-3000MPa，屈服强度选取为800-1500MPa，表面粗糙度Ra小于0.01μm为宜。其中，弹性极限优选2.2%以上，维氏硬度选取450-600HV，抗拉强度选取1800-2300MPa，屈服强度选取900-1200MPa为宜，可兼顾非晶合金的制造难度、制备成本以及机械性能，既要防止性能不符合要求，也需防止性能过剩带来的成本上的提升。
实施例3
在压电式骨传导装置或者电磁式骨传导装置中，其内部或者外部的骨架结构、外部壳体结构或者连接结构中的一种或者多种由非晶合金或者部分由非晶合金制成，如后戴式骨传导耳机（整体结构）中部的连接部、保护两侧传声组件的外壳体和内壳体等，这些仅作为结构制件的组件中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的10%即可满足需求，根据使用要求的可提升非晶态占比，最高可达90%（过高的非晶态含量对非晶合金制造工艺提出更高的要求，制备成本飙升）。由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的20-80%，优选为相同结构普通晶态合金材料厚度的40-60%，非晶合金最大形成能力大于2mm即可具有实用性，可利用压铸、浇铸等普通铸造工艺对其进行加工制造。
对于上述结构制件，非晶合金或者包含非晶合金的结构的弹性极限选取为1.8-3.2%，维氏硬度选取为350-900HV，抗拉强度选取为1800-3000MPa，屈服强度选取为800-1500MPa。其中，弹性极限优选2.5%以上，维氏硬度选取450-600HV，抗拉强度选取1800-2300MPa，屈服强度选取1000-1200MPa为宜，可兼顾非晶合金的制造难度、制备成本以及机械性能，既要防止性能不符合要求，也需防止性能过剩带来的成本上的提升。
在本发明中，适合选择的非晶合金体系包括锆基非晶合金、稀土基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金中的一种或者多种，从生物相容性、制备工艺难度以及成本上，进一步优选采用锆基非晶合金或者钛基非晶合金。
经本发明发明人针对骨传导装置的特性进行研究，非晶合金为锆基非晶合金，其成分组成为(Zr，Hf)aAlbCuc(Sn，Mg)d(Y，Ag)e，其中a、b、c、d、e每个独立地表示原子百分比，55≤a≤72、6≤b≤17、16≤c≤24、0≤d≤5、0.2≤e≤1；
非晶合金为钛基非晶合金，其成分组成为(Ti，Zr)aCub Sn c(Si，Al，B)d，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，50≤a≤65、20≤b≤35、7≤c≤20、1≤d≤6，其中Ti原子百分比高于40%；
上述两种非晶合金体系为上佳选择。
适用的非晶合金组成如：
Zr62.4Hf2.7Al12Cu20Sn1Mg1.2YAg0.8
Zr65.7Hf2.5Al11Cu18Sn1Mg1Ag0.8
Zr70.1Hf1.4Al10Cu16.2Sn1Mg1Ag0.3
Zr64.3Hf1.8Al13.2Cu17SnMg3Y0.3Ag0.4
Ti58Zr2Cu25Sn10Si0.8Al4B0.2
Ti54Zr4Cu30Sn7Si1Al4
Ti59.3Zr2Cu25Sn11Al2B0.7
Ti62.5Zr0.5Cu25Sn8Si1Al2.7B0.3
上述非晶合金应用于骨传导装置，如骨传导耳机、骨传导麦克风或者骨传导眼镜中不仅力学性能卓越、声音传导性能高，而且具有杀菌性能，可有效抑制细菌的滋生，同时生物相容性好，适合对金属敏感的人群使用。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置中的金属材料组件全部或者部分为非晶合金。
2.如权利要求1所述骨传导装置，其特征在于：所述非晶合金为锆基非晶合金、稀土基非晶合金、铜基非晶合金、钛基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金中的一种或者多种。
3.如权利要求1所述骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置为压电式骨传导装置，所述骨传导装置中的金属材料组件为压电振子中的金属基板、与人体相接处的传导材料、保护压电振子的壳体结构中的一种或者多种；
所述骨传导装置中的金属材料组件中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的30%；
由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的15-60%。
4.如权利要求1所述骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置为电磁式骨传导装置，所述骨传导装置中的金属材料组件为骨传导振子、骨传导振子固定结构、与人体相接处的传导材料、保护骨传导振子的壳体结构中的一种或者多种；
所述骨传导装置中的金属材料组件中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的30%；
由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的15-60%。
5.如权利要求3-4任一所述骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置中的金属材料组件非晶合金或者包含非晶合金的结构的弹性极限为1.8-3.5%，维氏硬度为350-900HV，抗拉强度为1200-3000MPa，屈服强度为800-1500MPa，表面粗糙度Ra小于0.01μm。
6.如权利要求1所述骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置为压电式骨传导装置或者电磁式骨传导装置，所述骨传导装置中的金属材料组件为内部或者外部的骨架结构、外部壳体结构或者连接结构中的一种或者多种。
7.如权利要求6所述骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置中的金属材料组件中非晶态合金按照体积的占比，大于或者等于整体金属材料组件的10%；由非晶合金制成的金属材料组件厚度为相同结构普通晶态合金材料厚度的20-80%；所述非晶合金最大形成能力大于2mm。
8.如权利要求7所述骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置中的金属材料组件非晶合金或者包含非晶合金的结构的弹性极限为1.8-3.2%，维氏硬度为350-900HV，抗拉强度为1800-3000MPa，屈服强度为800-1500MPa。
9.如权利要求1所述骨传导装置，其特征在于：所述非晶合金为锆基非晶合金，其成分组成为(Zr，Hf)aAlbCuc(Sn，Mg)d(Y，Ag)e，其中a、b、c、d、e每个独立地表示原子百分比，55≤a≤72、6≤b≤17、16≤c≤24、0≤d≤5、0.2≤e≤1；所述非晶合金为钛基非晶合金，其成分组成为(Ti，Zr)aCub Sn c(Si，Al，B)d，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，50≤a≤65、20≤b≤35、7≤c≤20、1≤d≤6，其中Ti原子百分比高于40%。
10.如权利要求1-9任一所述骨传导装置，其特征在于：所述骨传导装置为骨传导耳机、骨传导麦克风或者骨传导眼镜。
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