CN110972036B - 具有与有源隔膜空间集成的无源隔膜的声学换能器 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及具有与有源隔膜空间集成的无源隔膜的声学换能器。本发明提供了一种声学换能器，该声学换能器包括无源隔膜和有源隔膜。该有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件，并且该无源隔膜被配置成与由该有源隔膜的偏移引起的压力改变声学耦合。该有源隔膜具有外周边和内周边，其中该无源隔膜的该外周边上的X‑Y(水平)点在公共正交Z坐标上方重合于有该源隔膜的至少该外周边上的X‑Y点之上或之内，使得该无源隔膜投影一形状，该形状落在该有源隔膜的区域之上或之内。在一些情况下，该有源隔膜的内周边可限定用于该有源隔膜的界定区域，该无源隔膜具有外周边，该外周边在该界定区域的该内周边之上或之内轴向地、叠加地重合。

Description

具有与有源隔膜空间集成的无源隔膜的声学换能器
技术领域
本专利申请和相关的主题(统称为“公开”)一般涉及声学换能器及相关的方法和系统，并且更具体地，但不限于与主动驱动的隔膜结合的结合无源辐射器或隔膜的电声换能器。
背景技术
一般来讲，声学信号构成穿过载体介质(诸如例如气体、液体或固体) 传播的振动。声学换能器继而是被配置成将输入声学信号转换为另一种形式的信号(例如电信号)的设备，反之亦然。因此，呈扬声器形式的电声换能器可将输入信号(例如，电磁信号)转换为发射的声学信号，而呈麦克风形式的声学换能器可被配置成将输入声学信号转换为另一种形式(例如，电磁信号)。
电子设备可包括一个或多个电声换能器以发出声音。考虑到尺寸约束，一些电子设备结合了被配置为所谓的“微型扬声器”的电声换能器。微型扬声器的示例包括在耳机、头戴式耳机、智能电话或其他类似的紧凑电子设备(诸如例如，可穿戴电子设备、便携式计时装置、或平板电脑、笔记本电脑或膝上型电脑)内发现的扬声器换能器。微型扬声器的工作原理类似于，但未必相同于更大的电声换能器。
很多可商购获得的电子设备具有小于常规的声学腔和声学辐射器的特征长度标度。因此，假定其具有不兼容的尺寸差异，很多电子设备未结合常规的声学辐射器和声学腔。作为进一步的结果，一些电子设备不向用户提供与更常规，尽管更大的扬声器相同的音频体验。
发明内容
本文公开的主题克服了现有技术中的许多问题，并且解决了前述或其他需求中的一个或多个前述或其他需要。在一些方面，本公开整体涉及声学换能器，其中无源隔膜以紧凑形式与有源隔膜空间集成，而基本上不损害声学属性。同时还公开了相关的方法和系统。
所公开的声学换能器的一些配置组合或集成了常规发现分布在单独的系统部件或模块之间或之中的属性和结构。此类配置可消除一种或多种常规的部件，同时保持常规由已消除的部件提供的一种或多种功能，从而提供某些优点，包括部件的更紧凑布置。声学换能器的示例包括扬声器换能器和麦克风换能器。
值得注意的是，所公开的声学换能器与结合在先前声学模块中的声学换能器形成鲜明对比。这些先前的声学模块结合了声学换能器，其中有源换能器12与无源辐射器13分离，例如，如图1A所示。因此，所公开的声学换能器消除对分离的无源辐射器的需要，同时保持了现有声学换能器的无源辐射器(隔膜)功能和声学能力。如本文所述，声学隔膜可允许所公开的声学换能器和结合这些声学换能器的模块在面积或体积约束的应用中基本上满足或超过声学目标，而先前仅通过声学模块可实现无源辐射器能力，这些声学模块具有相对较大体积的分离的有源隔膜和无源隔膜。
根据一个方面，声学换能器包括底座和有源隔膜，该有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件并且从底座悬挂，使得有源隔膜可沿着偏移轴线进行往复运动。底座还包括独立于有源隔膜从底座悬挂的无源隔膜，使得无源隔膜被配置成与由有源隔膜的偏移引起的压力改变声学耦合。有源隔膜限定外周边和内周边，并且无源隔膜限定外周边，其中无源隔膜的外周边的至少一部分在相对于偏移轴线正交取向的平面上的投影与平面上的有源隔膜的外周边的投影的至少一个区重合或定位在至少一个区内。
在前述和其他实施方案中，有源隔膜的内周边可限定用于有源隔膜的界定区域，并且无源隔膜具有外周边，该外周边在界定区域的内周边之上或之内轴向地、叠加地重合。
在前述和其他实施方案中，界定区域可以是包括有源隔膜中的孔的完全界定区域。
在前述和其他实施方案中，无源隔膜可与有源隔膜共面。
在前述和其他实施方案中，无源隔膜可与有源隔膜轴向偏离。
在前述和其他实施方案中，在预定使用期间，无源隔膜与有源隔膜轴向偏离不超过无源隔膜的峰值到峰值偏移或无源隔膜的零到峰值偏移。
在前述和其他实施方案中，无源隔膜可被配置成在约100Hz至约 400Hz的频率范围内与有源隔膜声学耦合。
在前述和其他实施方案中，音圈可与有源隔膜耦合，使得有源隔膜和线圈能够彼此一致地移动。
在前述和其他实施方案中，磁体可邻近音圈定位，以便使得磁体的磁场与对应于穿过音圈的电流的磁通量进行相互作用。
在前述和其他实施方案中，磁体可包括内磁体和外磁体，其中音圈定位在内磁体与外磁体之间，并且被配置成相对于内磁体在最远侧位置与最近侧位置之间进行来回活塞移动。
在前述和其他实施方案中，内磁体可包括开口，并且无源隔膜可设置在开口上方。
根据另一个方面，声学换能器模块包括声学换能器，该声学换能器具有有源隔膜和无源隔膜，该有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件，该无源隔膜不以机电方式耦合到电动驱动器。换句话讲，该无源隔膜以机电方式独立于电驱动元件。无源隔膜被配置成与由有源隔膜引起的压力改变声学耦合。换句话讲，该无源隔膜被配置成通过由有源隔膜的移动引起的压力改变而通过往复式偏移来驱动。有源隔膜具有外周边和内周边。内周边限定有源隔膜中的孔。无源隔膜具有外周边，该外周边在有源隔膜的内周边之上或之内至少部分地轴向地、叠加地重合。声学换能器可移动地安装到底座。
在前述和其他实施方案中，有源隔膜可具有环状配置。无源隔膜同心地设置在环内，其中无源隔膜的外周边具有邻近有源隔膜的内周边设置的其外周边。无源隔膜独立于有源隔膜的驱动元件，并且不机械地、可移动地耦合到有源隔膜。
在前述和其他实施方案中，有源隔膜可具有椭圆形配置，并且无源隔膜可具有带有同心匹配配置的外周边。
在前述和其他实施方案中，模块可被设置在外壳中，例如，扬声器或麦克风的外壳中。
根据又一个方面，一种制造声学换能器的方法包括：提供以机电方式耦合到电驱动元件的有源隔膜；以及提供无源隔膜，该无源隔膜不以机电方式耦合到电动驱动器。无源隔膜被配置成与由有源隔膜引起的压力改变声学耦合。有源隔膜可具有外周边和内周边，无源隔膜的外周边上的X-Y (水平)点在公共正交Z坐标上方重合于有源隔膜的至少外周边上的X-Y 点之上或之内，使得无源隔膜投影一形状，该形状落在有源隔膜的区域之上或之内。
通过以下参照附图进行的详细描述，前述和其他特征和优点将变得更加明显。
附图说明
参见附图，其中在所有视图和本说明书中，类似的数字指代类似部件，通过示例的方式而不是限制的方式说明了本发明所公开的原理的各方面。
图1A示意性地示出了结合声学换能器的声学模块的横截面图，该声学换能器具有有源换能器和分离的无源换能器，这是现有技术的代表。
图1B示意性地示出了像图1A中的有源换能器的有源换能器的横截面图。
图2示意性地示出了结合声学换能器的声学模块的横截面图，该声学换能器具有有源隔膜和体现本文所公开的所选择的原理的空间集成无源隔膜。
图3示出了像图2中所示的声学模块的声学模块的平面图。
图4示意性地示出了体现本文所公开的所选择的原理的有源隔膜和空间集成无源隔膜的所选择的实施方案的布置的横截面图。
图5示意性地示出了体现本文所公开的所选择的原理的有源隔膜和空间集成无源隔膜的另一个替代实施方案的布置的横截面图。
图6示意性地示出了体现本文所公开的所选择的原理的有源隔膜和空间集成无源隔膜的另一个替代实施方案的布置的横截面图。
图7为曲线图，示出了与常规的声学换能器相比的体现本文所公开的所选择的原理的声学换能器的预期声学输出的建模。
图8示出了框图，示出了音频器械的各方面。
具体实施方式
以下参照具体实施方案对有关声学换能器的各种原理、以及相关的方法和系统进行描述。例如，所公开的主题的某些方面涉及声学换能器，这些声学换能器包括有源隔膜和无源隔膜，该无源隔膜以空间紧凑的方式与有源隔膜集成。如本文所用，“有源隔膜”是具有相关联的电驱动元件 (即，隔膜和驱动元件之间存在机械耦合)的隔膜。如本文所用，“无源隔膜”或“无源辐射器”是不以机电方式耦合到电驱动元件并由其驱动的隔膜。相反，无源驱动器由有源驱动器引起的压力改变或振动驱动，从而该无源驱动器声学耦合到有源隔膜。
因此，具有不同于本文所述那些具体示例的属性的声学换能器、模块和系统(以及相关联的技术)可以体现一个或多个本发明公开的原理，并且可以用于本文未详细描述的应用中。因此，此类替代实施方案也可落入本公开的范围内。
I.概述
一般来讲，所公开的声学换能器包括有源隔膜和空间集成无源隔膜。有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件。
在简单的术语中，无源隔膜在有源隔膜的平面上的投影限定一形状，该形状落在有源隔膜的平面之上或之内。为了详细说明空间关系，有源隔膜具有外周边和内周边，而无源隔膜具有外周边。无源隔膜的外周边上的 X-Y(水平)点在公共正交Z坐标上方重合于有源隔膜的至少外周边上的X- Y点之上或之内。
作为许多可能的示例中的一个示例，如图2至图3所示，前述原理提供了包括具有外周边和内周边的有源隔膜的声学换能器，该内周边限定了有源隔膜中的界定区域。无源隔膜具有外周边，该外周边在有源隔膜的内周边之上或之内重叠地重合。对新型声学换能器的更详细的描述遵循声学换能器的一般特征的详细描述。
根据下文详细讨论的一个方面，声学换能器包括底座和有源隔膜，该有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件并且从底座悬挂，使得有源隔膜可沿着偏移轴线进行往复运动。底座还包括独立于有源隔膜从底座悬挂的无源隔膜，使得无源隔膜被配置成与由有源隔膜的偏移引起的压力改变声学耦合。有源隔膜限定外周边和内周边，并且无源隔膜限定外周边，其中无源隔膜的外周边的至少一部分在相对于偏移轴线正交取向的平面上的投影与平面上的有源隔膜的外周边的投影的至少一个区重合或定位在至少一个区内。
II.对电声换能器的一般介绍
扬声器可通过振动或移动声学隔膜来在载体介质中发射声学信号，以引起或以其他方式引起载体介质中的压力变化或其他振动。例如，被布置为直接辐射器的电磁扬声器可通过使相应的时间变化电流穿过线圈(在本领域中有时称为“音圈”)来引起线圈(例如，包绕例如线轴的铜包铝形成的导线)中的时间变化磁通量。线圈可邻近一个或多个磁体(例如，具有固定磁体的永久磁体或具有可变磁场的电磁体)定位。在从线圈和所述一个或多个磁体的磁场发出的磁通量之间的合力可以促使线圈运动，在一些实施方案中优选为活塞运动。
线圈继而可以直接或间接地与声学隔膜耦合，该声学隔膜被配置成在隔膜对应于例如线圈的活塞移动而移动时，在周围载体介质中引起压力变化。隔膜可以是刚性或半刚性的，并且通常重量较轻以减小惯性效应，并且允许声学隔膜振动或以其他方式在周围或相邻载体介质中引起压力变化或其他振动。通常，隔膜为膜或薄片材料。该隔膜可具有各种形状，例如，平面的或多轴的，诸如凹形或凸形。隔膜材料通常由支撑件或框架支撑在其周边边缘上，其中在隔膜和框架中间具有悬架系统。隔膜从边缘居中跨越到机械耦合的线圈或线轴。线圈和/或线轴可以向膜或片材料提供结构稳定性的度量，以在隔膜中主要保持活塞移动。
合适的隔膜悬架系统通常向隔膜提供恢复力，以将线圈保持在期望的位置和/或取向。悬架允许受控轴向(例如，活塞)运动，同时在很大程度上阻止可使得线圈撞击另一个马达部件的侧向运动或倾斜，或者否则会引起变形或机械低效率，从而导致换能器的性能下降。
质量中程和低隔膜可由纸、纸复合材料和层压材料、塑性材料(诸如例如聚丙烯)或矿物/纤维填充的聚丙烯制成。此类材料具有高强度/重量比。用于隔膜的其他材料包括聚醚醚酮(PEEK)聚碳酸酯(PC)、聚酯薄膜(PET)、玻璃纤维、碳纤维、钛、铝、铝镁合金、镍、钨和铍。锥体/围绕组件的理想行为是线性度或“活塞”运动的延伸范围，其特征在于：i)锥体材料的最小声学破裂；ii)锥体中的最小驻波图案；和iii)围绕件力挠曲曲线的线性度。锥体硬度/阻尼加上围绕件的线性度/阻尼在将音圈信号波形准确地再现为声学信号方面起重要作用。
隔膜围绕件可为经树脂处理的布料、经树脂处理的非织造材料、聚合物泡沫、或重叠注塑到隔膜主体上的热塑性弹性体。理想的围绕件具有线性的力挠曲曲线，该力挠曲曲线具有足够的阻尼以完全地吸收来自锥体/围绕件界面的振动传输、以及“韧性”以承受长期振动诱导的疲劳。有时，隔膜和外围绕件是单片的，例如，在单个或集成的模塑工艺例如共模塑或重叠模塑工艺中模制。
图1A示出了具有外壳2的代表性扬声器壳体1，该壳体具有包括有源隔膜12的电声换能器10。壳体还包括无源隔膜13。无源隔膜13在空间上与壳体1中的有源隔膜12机械地分离。壳体1为密封的(例如，与移植壳体相反)壳体。
如图1所示的无源辐射器系统使用容纳在壳体内的空气来激发谐振，该谐振允许扬声器系统产生具有较低输入功率的深间距(例如，低音声线)。无源辐射器以其质量所确定的频率与壳体中空气的跳动结合而谐振。谐振频率可通过使无源辐射器的质量变化(例如，通过将重量添加到无源隔膜，有时也在本领域中称为“锥体”)而调谐到特定壳体。由有源驱动锥12的移动引起的内部气压变化使无源辐射器锥体13移动。这种谐振同时减小了低音扬声器必须移动以在谐振频率处和周围递送所选择的响度而穿过的偏移距离。无源辐射器的锥体的重量可大约等于将在所选择的谐振频率下在波导内谐振的空气的质量。
随着空间在电子设备中越来越受约束，存在较少的足够尺寸的有源换能器的空间，同时也具有单独的无源辐射器，如图1所示。因此，与具有有源换能器和无源辐射器且不能满足所期望的声学性能目标的扬声器相比，空间约束扬声器可具有降低的性能。
仍参见图1A至图1B，扬声器或外壳2包括有源隔膜12和无源隔膜 13。有源隔膜12耦合到电驱动元件(例如，音圈和磁体组件)，并且无源隔膜13具有类似的构造，但不附接到音圈或连接到电路或功率放大器。
将大致讨论有源换能器10，然后将呈现修改形式。用于特征部的参考标号的相同或串行版本(例如，12、112、212)表示相同、类似或相似的特征部。
参见图1B，电声换能器(本文中也称为“有源换能器”)10可具有与电驱动元件14物理耦合的声学辐射器(例如，隔膜)12。声学辐射器限定第一主表面12a和相背对的主表面12b，两者均延伸进入并离开该页面，如图 1B所描绘。
扬声器中最广泛地用于将电流转换为声波的驱动元件是上文所讨论的基于线圈/磁体的动态或电动驱动器。其他形式的驱动装置包括：静电驱动器、压电驱动器、平面磁性驱动器、海尔式空气运动驱动器和离子驱动器等等。
参照附图，使用了线圈/磁体基座驱动元件作为代表性驱动元件。驱动元件14可包括与例如导电细丝的一个或多个绕组组合的线轴或其他构件。在一个方面，驱动元件形成为层合构造，其中每个层具有对应的绕组。在另一方面，驱动元件不包括线轴，而是由长丝的层合绕组形成。驱动元件 14可具有环形或细长形状以产生横截面，如本领域已知的那样。导电线(例如，铜包铝)有时被称为“音圈线”。此类线轴在本领域中有时被称为“音圈形成器”或“前者”，并且一个或多个绕组在本领域中有时被称为“音圈”或“线圈”。
音圈形成器(或当省略前者时的音圈)可物理地附接(例如，粘结)到声学隔膜12的主表面12b。例如，音圈14的第一端可化学地或通过其他方式物理地粘结到声学隔膜12的第二主表面12b。粘结部可提供用于将机械力和机械稳定性传输到隔膜12的平台。此类机械力可通过在音圈和周围磁体之间的电磁相互作用来产生。
例如，驱动元件14可定位在一个或多个永久磁体16a、16b(例如， NdFeB磁体)之间的间隙中，使得构件14浸没在由一个或多个磁体产生的静态磁场中。电流可穿过线圈并引起对应的磁场。来自线圈的感应磁场可与磁体16a、16b的静态磁场进行相互作用，以促使线圈，并因此促使驱动元件14所附接到的隔膜12移动。
当电流在强度和方向上变化时，促使电驱动元件14的磁力的量值可在量值和方向上变化，因此使得电驱动元件例如作为活塞进行往复运动。此类往复运动由覆盖驱动元件14的双端箭头所描绘。此外，位于驱动元件14 和声学隔膜12之间的物理连接件或机械连接件13可向隔膜传递驱动元件的往复式活塞移动。当相应电流或电压电位例如在可听到的频率下交替变化时，音圈14(和隔膜12)能够移动，例如，进行活塞式往复运动，并辐射声音。
换能器模块10具有框架17和悬架系统15，该悬架系统将声学隔膜12 与框架支撑地耦合在一起。隔膜12可以是硬(或刚性)和轻质的。理想地，隔膜12呈现出完美的活塞运动。隔膜(有时称为锥体或圆顶，例如，对应于其所选择的形状)可由铝、纸、塑料、复合材料或提供高硬度、低质量并可在制造期间适当成形的其他材料形成。
悬架系统15通常在来自驱动的音圈构件14和一个或多个磁体16a、 16b的磁场的相互作用驱动的偏移之后，向隔膜12提供恢复力。此类恢复力可使隔膜12返回到中间位置，例如，如图1B所示。悬架系统15可将音圈保持在相对于一个或多个磁体16a、16b的期望的位置范围内。例如，悬架15可提供沿横向于隔膜12的偏移轴线Z的受控轴向运动(例如，活塞运动)，同时在很大程度上阻止侧向运动或倾斜，该侧向运动或倾斜可使得驱动元件14撞击其他马达部件，诸如例如一个或多个磁体16a、16b或附接于磁体中的一个磁体的构件。如本文所用，对“磁体”的引用是指磁体或磁体组件。磁体组件继而可包括与例如另一个构件或涂层物理耦合的磁体。例如，可将钢板或其他磁性导体附接于磁体以形成磁体组件。
可选择悬架15的弹性度量(例如，取决于位置的硬度)以匹配马达系统(例如，音圈和磁体16a、16b)的力与挠曲特性。示例的悬架系统15包括从隔膜12的外周边15a向外延伸的围绕件。该围绕构件可由聚氨酯泡沫材料、硅酮材料或其他柔韧材料形成。在一些情况下，可通过施加到模制件或模具中的材料的热和压力来将围绕件压缩成期望的形状。
位于驱动元件14和隔膜12之间的连接件9可涉及将驱动元件的边缘 14a附接到第二主表面12b，例如，由第二主表面12b限定的平坦区。然而，此类粘结可相对弱，这在很大程度上是由于位于驱动元件的边缘14a 和隔膜的第二主表面12b之间的相对小的接触区域。因此，可形成倒角9a 以加强连接件9。
然而，除了从动元件14和隔膜12之外，倒角9a占据有限的体积，并且许多商业上期望的电子设备相当小。因此，其他部件(例如，永久磁体 16a)可互补地形成轮廓，以便在隔膜12的偏移期间防止倒角9a与磁体16a 之间的干扰。如图1B所示，磁体16a的顶表面18具有与倒角9a对应形成轮廓的斜面18a，以便在“向下”隔膜偏移期间防止倒角与磁体16a的干扰。在一些情况下，形成此类斜面18a可通过机加工或其他加工来实现。
换能器10具有框架(或底座)17和包括从底座17悬挂相应隔膜12的围绕件15的悬架系统。例如，围绕件15可与相应隔膜12、22的周边区15a 重叠并与其连接。换能器10可限定由隔膜12b的主表面部分地界定的后区 19A。类似地，每个换能器10可向由第一主表面113A部分地界定的周围前区19B发出声音。一些电子设备将此类微型扬声器与适于改善辐射声音的一个或多个开口区声学耦合，如声学腔的性质那样。
音圈14可具有对应于隔膜12的主表面的形状的横截面形状。例如，在从上方(或下方)在平面图中观察时，隔膜可具有基本圆形、直线、卵形、跑道或其他形状。类似地，音圈(或音圈形成器)可具有基本圆形、直线、卵形、跑道或其他横截面形状。在其他情况下，在从上方(或下方)在平面图中观察时，音圈形成器的横截面形状可不同于隔膜的形状。
一般来讲，非圆形微型扬声器隔膜的直径或长轴可测量例如介于约 3mm和约75mm之间，诸如介于约15mm和约65mm之间，例如介于约 20mm和约50mm之间。非圆形微型扬声器隔膜的短轴可测量例如介于约 1mm和约70mm之间，诸如介于约3mm和约65mm之间，例如介于约 10mm和约50mm之间。用于此类微型扬声器的线圈可沿纵向轴线测量介于约0.5mm和约3mm之间(例如，介于约1.0mm和约1.5mm之间)。
声学隔膜不需要是轴对称的。例如，一些隔膜具有矩形或正方形的周边，并且本领域的普通技术人员应当理解，其他形状的声学隔膜仍然是可能的。类似地，与对应有源隔膜的外周边相比，无源隔膜的外周边可具有类似或不同的形状。
III.具有有源驱动器和空间集成无源驱动器的声学换能器
根据本文所公开的一个方面，无源隔膜可叠加，即，投影在有源隔膜的平面上，使得相对于不轴向叠加的单独的有源换能器和无源换能器，可节省空间。
图1A中的隔膜12、13不是轴向叠加的。在该示例中，有源隔膜12的 Z坐标与无源隔膜13不具有公共X-Y坐标。因此，无源隔膜不位于有源隔膜之上或之内的投影的平面中。通过将无源隔膜的外周边上的X-Y(水平)点在公共正交Z坐标上方重合于有源隔膜的至少外周边上的X-Y点之上或之内，可实现空间节省。
描述有源隔膜和无源隔膜的关系的另一种方式是对齐，使得当有源隔膜的水平(X-Y)表面是无源隔膜的投影落在的水平面上时，无源隔膜的投影可将无源隔膜的全部或部分形状放置在有源隔膜的区域之上或之内。更详细地讨论的图3中示出了这种情况的一个可能的非限制性示例。在该示例中，可以看出无源隔膜113叠加在有源隔膜112的外周边内。
图2至图3示出了此类声学换能器110的一个可能的示例，其中有源隔膜112和无源隔膜113/213具有此类关系。有源隔膜112具有外周边OP1 和内周边IP，内周边限定有源隔膜中的界定区域。作为替代布置的无源隔膜213或113具有外周边OP2，该外周边在有源隔膜的内周边之上或之内或在界定区域的一部分内重叠地重合。在该示例中，平坦圆形无源隔膜113 或213同心地设置在有源隔膜112的平坦圆形内周边中。换句话讲，当计数图2中的互连围绕件15时，当Z为零(即，隔膜为共面的)时，无源隔膜的外周边的X-Y坐标与有源隔膜的内周边匹配或重合。(图3为图2的换能器的示意图，其省略了某些细节，像围绕件15。)尽管平坦隔膜在X-Y平面中示出，但一个或两个隔膜也可在Z平面中轴向投影。例如，任何隔膜均可具有锥体形状(例如，图5)或其他已知形状。
参见图3的示例，如果无源辐射器的外周边OP2的X-Y坐标位于由有源驱动器的内周边IP的X-Y坐标限定的边界之上或之内，则无源隔膜可叠加在此类边界之上或之内。换句话讲，坐标与相同平面内或轴向偏离平面内的边界重叠地重合或位于该边界之内。虽然该示例公开了实施方案，在该实施方案中，无源隔膜的外周边与有源隔膜的内周边IP同心，如以上更广泛的描述和其他地方所描绘的，也可通过将无源隔膜完全地或部分地布置在有源隔膜的外周边OP1之上或之内而实现显著的优点。
根据上述内容，可以理解，无源辐射器可在平面投影中完全地或部分地叠加在有源隔膜上方。另外，在图2和图4中，有源隔膜和无源隔膜可被布置成完全地共面的，无源隔膜113(图2)或轴向偏离的，如在框架组件217上的有源隔膜212和无源隔膜213的布置中示意性地看出。在这些示例中，无源隔膜沿着偏移轴线Z相对于有源隔膜向下设置。有源隔膜耦合到围绕件15A和15B。通过将无源隔膜113或213设置在其自身的围绕件 15C上，该无源隔膜机械地独立于围绕件15A和15B，并因此使有源隔膜的机电驱动元件(未示出)不驱动无源隔膜。
在预定使用期间，无源隔膜沿Z轴的偏移距离可不同于有源隔膜112 的偏移距离。当设计系统时，期望防止无源辐射器干扰(例如，撞击)覆盖换能器的盖板、格栅或其他结构。为了提供设计的紧凑性而不妨碍无源隔膜的操作，无源隔膜可在静态条件下与有源隔膜向下轴向偏离。例如，由无源隔膜(例如，隔膜面积乘以偏移距离)移位的体积与由有源隔膜移位的体积成比例(例如，隔膜面积乘以偏移距离)，但具体的比例常数可随着频率而变化。在系统谐振频率(低频)下，无源隔膜的体积位移更大。在共振时，在高频中，无源隔膜不会行进很多，并且有源驱动器以高频为主。因此，可考虑预期使用条件(例如，谐振)下的预期偏移来确定轴向偏离。
在其他方面，有源隔膜和无源隔膜可为部分地共面的和部分地轴向偏离的，如图5中锥形有源隔膜312和锥形无源隔膜313的布置中示意性地看出。有源隔膜312和无源隔膜313设置在框架组件317上。有源隔膜耦合到围绕件15A和15B。通过将无源隔膜313设置在其自身的围绕件15C 上，该无源隔膜机械地独立于围绕件15A和15B，并因此使有源隔膜的机电驱动元件(部分地示出为磁体316A、316B)不驱动无源隔膜。
根据紧凑设计的目标，在其他实施方案中，对于给定水平面(X-Y坐标)，在预定使用期间，无源隔膜与有源隔膜不轴向偏离超过无源隔膜的峰值到峰值偏移或无源隔膜的零到峰值偏移。
在一些实施方案中，有源隔膜具有可整体地或部分地接纳无源隔膜的界定区域。如图3至图5所示或所描绘，有源隔膜112、212、312具有在给定正交平面中完全地界定无源直径的孔。虽然孔可以是圆形的，但该孔可具有任何其他期望的闭环形状，包括椭圆形、多边形、不规则闭环等。
在其他实施方案中，无源隔膜可由有源隔膜部分地界定。例如，有源隔膜可具有接纳无源辐射器的至少一部分的开口侧，如在有源隔膜412和无源隔膜413的布置中示意性地看出(图6)。在该示例中，有源隔膜具有C 形状，而无源隔膜具有椭圆形形状。椭圆形具有外周边OP，该OP具有与有源隔膜的内周边IP互补的形状，使得沿内周边IP存在部分叠加和部分同心布置。在其他实施方案中，无源辐射器的尺寸和形状可被设定成使得该无源辐射器具有适配在有源隔膜的部分孔(由周边IP限定)内但不延伸超过开口的外周边OP，如通过参见用于无源隔膜413的替代外周边OP'看出。在一些实施方案中，部分界定是其中有源隔膜界定给定公共水平面的无源直径的面积的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或 90％。
根据本文所公开的原理，应当理解，本公开提供了显著的优点，特别是对于其中在产品内部可用的空间受到约束而不损害音圈的长度的小型音频器械，因为磁隙可沿着有源隔膜112的较大外周边设置或在该较大外周边内设置。
有源隔膜与无源隔膜的相对表区域可变化。在一些实施方案中，有源隔膜的面积与无源隔膜的面积的比率可为0.5至2、或0.7至1.5、或0.8至 1.25。
现在参见图2中的声学换能器110，磁体116a、116b均为环形的或以其他方式开孔的。磁体116A与磁体116B同心。驱动构件114的音圈114a 设置在位于磁体116A、116B之间的空间中，并且在该空间中进行活塞移动，即，沿着偏移轴线Z，图1B和图2所示。相比之下，图1至图2的换能器具有居中在隔膜12下方的实心磁体16B。通过将无源隔膜113居中在磁体116A的开口上方或之中，无源隔膜的第二主表面113B可通过暴露两个第二主表面的空气质量与有源隔膜112的第二主表面112B声学耦合，从而提供用于引起无源隔膜中的振动的空间。同样，无源隔膜113可行进到磁体的表面水平以下，以用于更大范围的活塞移动。无源隔膜113的此类声学耦合、振动空间和/或移动将受到像图1B示出的实心内磁体的实心内磁体的限制。
为了允许换能器110中的压力均衡，框架组件117可包括设置在框架组件的所选择的元件中的通气孔32，以声学方式将暴露于有源隔膜112的第二主表面112B的空气质量与暴露于无源隔膜113的第二主表面113B的空气质量耦合。框架组件117可由支撑隔膜和换能器110的其他部件的一个或多个元件制成。
换能器110具有框架(或底座)117和悬架系统，该悬架系统包括从底座 117悬挂相应隔膜112、113的围绕件15。例如，围绕件15可与相应隔膜 112、113的周边区重叠并与该周边区连接。换能器110可限定由隔膜 112、113的主表面112B、113B部分地界定的后区。类似地，换能器110 可向由相应第一主表面112a、113a部分地界定的周围前区发出声音。一些电子设备将此类微型扬声器与适于改善辐射声音的一个或多个开口区声学耦合，如声学腔的性质那样。
更具体地讲，在换能器110的围绕件处，有源隔膜112具有分别沿循有源隔膜的外周边和内周边的相邻外围绕件15A和内围绕件15B。同样，无源隔膜113具有沿循无源隔膜的外周边的围绕件15C。无源隔膜围绕件同心地邻近有源隔膜的围绕件15B。然而，围绕件15B和15C可彼此机械地隔离，使得围绕件15B不直接驱动围绕件15C。这允许独立于有源隔膜的驱动元件来操作有源隔膜和无源隔膜。换句话讲，在某些方面，本公开设想了无源隔膜，该无源隔膜独立于有源隔膜从底座或外壳悬挂，使得无源隔膜被配置成与由有源隔膜的偏移引起的压力改变声学耦合。同样，无源隔膜可例如沿有源隔膜在其进行来回往复运动时限定的偏移轴线与有源隔膜轴向偏离。
本文所公开的声学换能器可包括被配置成在一定频率范围内与有源隔膜声学耦合的无源隔膜。在一些实施方案中，这些无源隔膜在约100Hz至约400Hz，例如，介于约70Hz和约500Hz之间的频带上声学耦合。图7示出了此类耦合在曲线图中的有益效果，该曲线图示出了如图2至图3所示的封闭有源/无源隔膜换能器的建模的频率响应曲线，其中将给定组合区域的有源隔膜和集成无源隔膜与具有相同组合区域但不具有无源辐射器的标准有源隔膜进行比较。
在图7中，X轴以对数标度显示频率，而Y轴显示声压水平。从建模的频率响应中可以看出，有源-无源系统从约100Hz至约400Hz输出更多的能量，通常由带括号的区域70(其为所期望的低频带)来描绘，而不是标准隔膜。两个系统具有相同或相当的后体积和相同的有效辐射面积。这指示具有叠加的有源隔膜和无源隔膜的所公开的换能器可被调谐以在所选择的频带之上提供改善的输出而基本上不损害其他所需输出频带之上的输出(如图7中的带括号区域71所描绘)，同时不需要与如图1A所描绘的布置的传统有源-无源系统一样多的例如侧向空间。
声学换能器可定位在声学模块1中。声学模块1可以是独立的装置，如例如就传统书架式扬声器或智能扬声器而言。另选地，该声学模块1可在更小的便携式设备的包装件诸如例如智能电话内构成限定区。在又其他替代实施方案中，声学模块可构成智能手表、入耳式耳机、贴耳式耳机或包耳式耳机的一部分。
并且，尽管未在附图中示出，扬声器换能器和/或声能外壳可包括其他电路(例如，专用集成电路(ASIC))或电气设备(例如，电容器、电感器和/或放大器)以调节和/或驱动电信号穿过音圈。此类电路可构成本文所述的计算环境的一部分或音频器械。
现在参见图8，通过参照音频器械的具体示例来描述结合所公开的电声换能器的电子设备。电子设备仅代表能够结合所公开的电声换能器的一类可能的计算环境，如本文所述。然而，结合特定音频器械130简单描述了电子设备，以例示结合并受益于所公开的电声换能器的系统的示例。
如图8所示，音频器械130或其他电子设备在其最基本形式中可包括处理器134、存储器135和扬声器或其他电声换能器137、以及相关联的电路(例如，信号总线，为清楚起见从图8将其省略)。存储器135可存储指令，这些指令在由处理器134执行时使得音频器械130中的电路驱动电声换能器137在所选择的频率带宽之上发出声音。此外，如本领域已知的，音频器械130可具有邻近电声换能器定位的移植声学室。
图8中示意性地示出的音频器械130还包括通信连接件136，用于与另一个计算环境建立通信。同样，音频器械130包括音频采集模块131，该音频采集模块具有将入射声音转换为电信号的麦克风换能器132、以及调节 (例如，采样、过滤和/或以其他方式调节)麦克风发射的电信号的信号调节模块133。此外，存储器135可存储其他指令，这些指令在由处理器执行时使得音频器械130执行类似于一般计算环境，诸如分布式计算环境、网络连接计算环境和独立计算环境，的多种任务中的任何任务。
音频器械可采取适于与各种附件设备一起使用的便携式媒体设备的形式。
附件设备可采取可穿戴设备的形式，诸如例如智能手表、入耳式耳塞、贴耳式耳机和包耳式耳机。附件设备可包括如本文所述的一个或多个电声换能器。
IV.其他示例性实施方案
尽管如此，除了上文详细描述的实施方案之外的实施方案是基于本文所公开的原理以及本文描述的相应装置的配置中任何伴随的改变来设想的。例如，上文结合任何特定示例描述的原理可以与结合本文所述的另一示例描述的原理相结合。
此外，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离所公开的原理的情况下，本文所公开的示例性实施方案可适于各种配置和/或用途。本领域的普通技术人员也应当理解，应用本文所公开的原理可能提供各种各样的具有有源隔膜和集成无源隔膜的声学换能器以及相关的系统。例如，尽管出于示例性目的，上文对具有磁体和音圈的电动换能器进行了一些详细描述，但本发明公开的与具有有源隔膜和集成无源隔膜的声学换能器相关的原理可应用于多种换能器类型和配置。这种换能器的若干具体但非排他性的示例包括平板换能器(如上由电动致动器驱动，或通过静电致动器驱动)、多单元隔膜换能器和压电换能器。此外，本领域的普通技术人员应当理解，在附图中描述或示出的每个特定实施方案的各方面可以被完全省略，或者被实现为不同实施方案的一部分，而不脱离所公开的相关原理。
方向和其他相关参考(例如，向上、向下、顶部、底部、左、右、向后、向前等)可用于帮助讨论本文的附图和原理，但并非旨在进行限制。例如，可使用诸如“向上”、“向下”、“上部”、“下部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”等某些术语。这些术语在适用的情况下被用于在处理相对关系时提供一些明确描述，特别是相对于所示实施方案。然而，这样的术语并非旨在暗示绝对的关系、位置和/或取向。例如，相对于物体，“上”表面可以简单地通过翻转物体而变成“下”表面。尽管如此，但它仍是相同表面，而且物体保持不变。如本文所用，“和/或”意指“和”或“或”，以及“和”和“或”。此外，出于所有目的，本文引用的所有专利和非专利文献都据此全文以引用方式并入。
相应地，该详细描述不应被理解为限制性意义，并且在审查本公开之后，本领域的普通技术人员将认识到各种各样的声学换能器以及可使用本文所述的各种概念设计的相关方法和系统。
对所公开实施方案的先前描述被提供以使得本领域的技术人员能够制备或使用所公开的创新。对于本领域的技术人员而言，对这些实施方案的各种修改将是显而易见的，并且可以将本文所定义的一般原理应用于其他实施方案，而不脱离本公开的实质或范围。因此，要求保护的本发明并非旨在受限于本文所示的实施方案，而是旨在使得全部范围与语言权利要求书一致，其中对单数形式的元素的引用(例如，通过使用冠词“a”或“an”)并非旨在意味着“一个和仅一个”，而是指“一个或多个”，除非被具体指出。本领域的普通技术人员已知或稍后悉知的贯穿本公开描述的各种实施方案的特征和方法措施的所有结构和功能等同物旨在被本文所述并要求权利保护的特征所涵盖。此外，本文所公开的任何内容并非旨在提供给公众，而与该公开是否明确地被陈述在权利要求中无关。除非表述明确陈述短语“用于...的装置”或“用于...的步骤”，否则权利要求表述不应根据35USC 112(f)进行理解。
因此，鉴于可应用所公开的原理的许多可能的实施方案，我保留权利要求如本领域的普通技术人员所理解的本文所述的特征和技术的任意和所有组合包括例如在以下权利要求的范围和实质内的所有那些。

Claims (20)

1.一种声学换能器，包括：
底座；
有源隔膜，所述有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件并且从所述底座悬挂，使得所述有源隔膜能够沿着偏移轴线进行往复运动；
无源隔膜，所述无源隔膜独立于所述有源隔膜从所述底座悬挂，使得所述无源隔膜被配置成与由所述有源隔膜的偏移引起的压力改变声学耦合；和
内部悬挂构件和外部悬挂构件；
其中所述有源隔膜限定外周边和内周边，并且所述无源隔膜限定外周边，其中所述无源隔膜的所述外周边的至少一部分在相对于所述偏移轴线正交取向的平面上的投影与所述平面上的所述有源隔膜的所述外周边的投影的至少一个区重合或定位在所述至少一个区内，其中所述内部悬挂构件将所述有源隔膜的所述内周边与所述底座耦合，并且所述外部悬挂构件将所述有源隔膜的所述外周边与所述底座耦合。
2.根据权利要求1所述的声学换能器，其中所述有源隔膜的所述内周边限定所述有源隔膜的界定区域，其中所述无源隔膜具有外周边，所述外周边在所述界定区域的内周边之上或之内轴向地、叠加地重合。
3.根据权利要求2所述的声学换能器，其中所述界定区域为由所述有源隔膜中的孔限定的完全界定区域。
4.根据权利要求1所述的声学换能器，其中所述无源隔膜与所述有源隔膜共面。
5.根据权利要求1所述的声学换能器，其中所述无源隔膜沿着所述偏移轴线与所述有源隔膜偏离。
6.根据权利要求1所述的声学换能器，其中在预定使用期间，所述无源隔膜与所述有源隔膜向下轴向偏离不超过所述无源隔膜的峰值到峰值偏移或所述无源隔膜的零到峰值偏移。
7.根据权利要求1所述的声学换能器，其中所述无源隔膜被配置成在约100Hz至约400Hz的频率范围内与所述有源隔膜声学耦合。
8.根据权利要求1所述的声学换能器，其中所述电驱动元件包括与所述有源隔膜耦合的音圈，使得所述有源隔膜和所述音圈能够彼此一致地移动。
9.根据权利要求8所述的声学换能器，其中所述电驱动元件包括磁体，所述磁体邻近所述音圈被定位，以便使得所述磁体的磁场与对应于穿过所述音圈的电流的磁通量进行相互作用。
10.根据权利要求9所述的声学换能器，其中所述磁体包括内磁体和外磁体，其中所述音圈被定位在所述内磁体与所述外磁体之间，并且被配置成相对于所述内磁体在最远侧位置与最近侧位置之间进行来回活塞移动。
11.根据权利要求10所述的声学换能器，其中所述内磁体限定开口，并且所述无源隔膜设置在所述开口上方。
12.一种声学换能器模块，包括：
声学换能器，所述声学换能器包括有源隔膜和无源隔膜，所述有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件，所述无源隔膜以机电方式独立于所述电驱动元件，所述无源隔膜被配置成通过由所述有源隔膜的移动引起的压力改变而通过往复式偏移来被驱动；
所述有源隔膜具有外周边和内周边，所述内周边限定所述有源隔膜中的孔，其中所述无源隔膜具有外周边，所述外周边在所述有源隔膜的所述外周边之上或之内至少部分地轴向地、叠加地重合；
第一底座区域和第二底座区域；和
内部悬挂构件和外部悬挂构件，所述内部悬挂构件可移动地将所述有源隔膜的所述内周边与所述第一底座区域耦合，所述外部悬挂构件可移动地将所述有源隔膜的所述外周边与所述第二底座区域耦合。
13.根据权利要求12所述的声学换能器模块，其中所述无源隔膜的所述外周边在所述有源隔膜的所述内周边之上或之内轴向地、叠加地重合。
14.根据权利要求12所述的声学换能器模块，其中所述无源隔膜被配置成在约100Hz至约400Hz的频率范围内与所述有源隔膜声学耦合。
15.根据权利要求12所述的声学换能器模块，其中所述无源隔膜与所述有源隔膜轴向偏离，并且所述有源隔膜的面积与所述无源隔膜的面积的比率为0.5至2。
16.根据权利要求12所述的声学换能器模块，其中所述有源隔膜具有环状配置，并且所述无源隔膜的所述外周边邻近所述有源隔膜的所述内周边设置。
17.根据权利要求12所述的声学换能器模块，还包括外壳，所述外壳限定密封的声学壳体，其中所述壳体内的空气将所述无源隔膜与所述有源隔膜声学耦合，使得通过所述有源隔膜的移动引起的所述壳体中的压力改变通过相应的偏移驱动所述无源隔膜。
18.一种制造声学换能器的方法，包括：
提供有源隔膜，所述有源隔膜以机电方式耦合到电驱动元件并且从底座悬挂，使得所述有源隔膜能够沿着偏移轴线进行往复运动，其中所述底座限定第一底座区域和第二底座区域；
提供无源隔膜，所述无源隔膜与所述电驱动元件独立，所述无源隔膜被配置成通过由所述有源隔膜的往复运动引起的压力改变与所述有源隔膜声学耦合；以及
其中所述有源隔膜具有外周边和内周边，并且所述无源隔膜具有外周边，其中所述无源隔膜的所述外周边在横向于所述偏移轴线的平面上的投影位于所述有源隔膜的所述外周边在所述平面上的投影之上或之内；
使用第一悬挂构件，将所述有源隔膜的所述内周边从所述第一底座区域悬挂；和
使用第二悬挂构件，将所述有源隔膜的所述外周边从所述第二底座区域悬挂。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述有源隔膜的所述内周边限定所述有源隔膜的界定区域，所述无源隔膜具有外周边，所述外周边在所述界定区域的所述内周边之上或之内轴向地、叠加地重合。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述界定区域为包括所述有源隔膜中的孔的完全界定区域。
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