CN111866698A - 振膜和发声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种振膜和发声装置。其中,所述振膜包括至少一层弹性体层,所述弹性体层是采用橡胶混炼胶制作而成,所述橡胶混炼胶包括丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶,所述丁腈橡胶和所述氢化丁腈橡胶中均含有丙烯腈嵌段,按质量百分比计,所述丙烯腈嵌段的含量范围为20%‑80%。本发明的技术方案能够提高振膜的综合性能,具有优异的力学强度、耐寒性能、回弹性能及较高的阻尼性能。

Description

振膜和发声装置
技术领域
本发明涉及发声装置技术领域,特别涉及一种振膜和发声装置。
背景技术
相关技术中,扬声器振膜多采用高模量的塑料膜层(PEEK、PAR、PEI、PI等)、柔软的热塑性聚氨酯弹性体(TPU)以及阻尼胶膜(丙烯酸胶、硅胶等)复合的结构。但是,上述振膜的综合性能较差,比如高模量的塑料膜层在高频率环境下较难承受大的机械振动,从而出现破膜现象;热塑性树脂耐热耐寒性不佳,在高温下发生塑性形变,在低温下发脆。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种振膜和发声装置,旨在提高振膜的综合性能,使其具有优异的力学强度、耐寒性能、回弹性能及较高的阻尼性能。
为实现上述目的,本发明提出的振膜,包括至少一层弹性体层,所述弹性体层是采用橡胶混炼胶制作而成,所述橡胶混炼胶包括丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶,所述丁腈橡胶和所述氢化丁腈橡胶中均含有丙烯腈嵌段,按质量百分比计,所述丙烯腈嵌段的含量范围为20%-80%。
在一实施例中,所述丁腈橡胶和所述氢化丁腈橡胶的质量比不小于1。在一实施例中,所述橡胶混炼胶还包括填料,按质量百分比计,所述填料在所述橡胶混炼胶中的含量为5%-60%。
在一实施例中,所述填料的粒径范围为10nm-10μm;
和/或,所述填料选用炭黑、白炭黑、碳酸钙、硫酸钡、蒙脱土、云母中的至少一种。
在一实施例中,所述橡胶混炼胶还包括硫化剂,按质量百分比计,所述硫化剂在所述橡胶混炼胶中的含量为0.5%-5%。
在一实施例中,所述硫化剂包括主交联剂和助交联剂,所述主交联剂的硫化体系为硫磺硫化体系、过氧化物硫化体系中的至少一种,所述助交联剂为三聚三烯丙基异氰酸酯、多马来酰亚胺中的至少一种。
在一实施例中,所述振膜的拉伸强度范围为4MPa-25MPa。
在一实施例中,所述振膜的撕裂强度范围为15N/mm至100N/mm。在一实施例中,所述振膜的使用温度范围为-80℃至180℃。
在一实施例中,所述振膜的阻尼因子大于0.15。
在一实施例中,所述振膜的密度范围为0.9g/cm3至1.2g/cm3
在一实施例中,所述振膜为单层膜,所述单层膜是由所述橡胶混炼胶制作而成;或者,所述振膜为复合膜层,所述复合膜层中至少一层膜是由所述橡胶混炼胶制作而成。
本发明还提出了一种发声装置,包括磁路系统和振动系统,所述振动系统包括振膜,所述振膜包括至少一层弹性体层,所述弹性体层是采用橡胶混炼胶制作而成,所述橡胶混炼胶包括丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶,所述丁腈橡胶和所述氢化丁腈橡胶中均含有丙烯腈嵌段,按质量百分比计,所述丙烯腈嵌段的含量范围为20%-80%。
本发明的技术方案,振膜采用至少一层弹性体层,弹性体层是采用橡胶混炼胶制作而成,橡胶混炼胶包括丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶。则振膜可以表现出较好的综合性能,具有优异的力学强度、耐寒性能、回弹性能及较高的阻尼性能。且振膜能在高温和低温的极端条件下正常使用,不容易出现破膜现象,使用寿命要长于常用振膜材料,具有更优良的可靠性。应用该振膜的发声装置能够应用于极其恶劣环境中,同时其声学性能保持良好状态。并且合理调节其中的丙烯腈嵌段的含量,使丙烯腈嵌段的质量含量范围为20%-80%,这样制备得到的振膜同时兼顾优异的耐寒性能、力学强度及回弹性能。
附图说明
为了更清楚地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地介绍,显而易见地,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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的振膜于高温前后的共振频率F0的对比曲线示意图;
图2为常规振膜于高温前后的共振频率F0的对比曲线示意图;
图3为本发明的一个实施例的扬声器振膜与常规振膜的总谐波失真测试曲线。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种振膜,应用于发声装置,比如扬声器。
在本发明的一实施例中。振膜包括至少一层弹性体层,弹性体层是采用橡胶混炼胶制作而成,橡胶混炼胶包括丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶,所述丁腈橡胶和所述氢化丁腈橡胶中均含有丙烯腈嵌段,按质量百分比计,丙烯腈嵌段的含量范围为20%-80%。
丁腈橡胶是由丙烯腈与丁二烯聚合而成,其分子式中含有丙烯腈嵌段和丁二烯嵌段,丁二烯嵌段在材料基体中提供韧性,使得丁腈橡胶具有较好的耐低温性能,而丙烯腈嵌段的腈基为强极性基团,具有较高的电负性,能够与硫化剂中的原子形成氢键,限制了分子链的活动,并且丙烯腈含量越高,这种交替结构单元越多,故随着丙烯腈嵌段的含量升高,丁腈橡胶的玻璃化转变温度和拉伸强度逐渐升高。
氢化丁腈橡胶是由丁腈橡胶经加氢处理而得到的一种高度饱和的特种弹性体,其具有优异的耐热氧老化性能。氢化丁腈橡胶的分子结构中也含有丙烯腈嵌段。
可以理解的,腈基为强极性基团,具有较高的电负性,随着丙烯腈嵌段含量的增加,腈基的极性增强,链柔顺性降低,链间相互作用力增大,玻璃化转变温度越高,分子链内双键含量降低,饱和程度增加,其耐油性、气密性提高、相对密度增大、硫化速度加快,拉伸强度性能提高,而加工性和耐寒性下降、回弹性能下降。耐寒性差制备成的振膜在低温极端环境中容易变硬变脆,增加破膜风险。故要合理控制丙烯腈嵌段的含量,使得制备的振膜同时兼顾优异的玻璃化转变温度、拉伸强度、密度及回弹性能。
参照表1,表1为丙烯腈嵌段的含量对振膜性能的影响。从表1中可以看出,随着丙烯腈嵌段含量的增加,玻璃化转变温度升高,拉伸强度升高,密度也相对增大,但是回弹率逐渐降低,尤其是在丙烯腈嵌段的含量大于80%时,其回弹率急剧下降。为了保证其同时兼顾优异的玻璃化转变温度、拉伸强度、密度及回弹性能,按质量百分比计,丙烯腈嵌段的含量范围为20%-80%,比如,丙烯腈嵌段的含量范围为20%、30%、40%、50%、60%、70%或80%。
表1 丙烯腈嵌段的含量对振膜性能的影响
丙烯腈嵌段含量(wt%) 5 20 50 80 85
玻璃化转变温度(℃) -35.1 -31.1 -23.5 -17.1 -15.6
拉伸强度(MPa) 22.5 28.3 32.9 35 40.4
密度(g/cm3) 0.91 0.96 1.11 1.19 1.35
回弹率(%) 88 85 81 78 62
因此,可以理解的,振膜采用至少一层弹性体层,弹性体层是采用橡胶混炼胶制作而成,橡胶混炼胶包括丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶。则振膜可以表现出较好的综合性能,具有优异的力学强度、耐寒性能、回弹性能及较高的阻尼性能。且振膜能在高温和低温的极端条件下正常使用,不容易出现破膜现象,使用寿命要长于常用振膜材料,具有更优良的可靠性。应用该振膜的发声装置能够应用于极其恶劣环境中,同时其声学性能保持良好状态。并且合理调节其中的丙烯腈嵌段的含量,使丙烯腈嵌段的质量含量范围为20%-80%,这样制备得到的同时兼顾优异的耐寒性能、力学强度及回弹性能。
在配制橡胶混炼胶时,由于氢化丁腈橡胶的价格较高,可选的实施例中,丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶质量比不小于1,这样可以在一定程度上降低橡胶混炼胶的成本,从而降低振膜的制作成本。
进一步地,橡胶混炼胶还包括填料,按质量百分比计,填料在橡胶混炼胶中的含量为5%-60%。
填料通常为无机填料,填料的表面具有能够发生取代、还原、氧化等反应的氢、羧基、内酯基、自由基、醌基等基团。将填料混合入橡胶混炼胶中后,会导致橡胶混炼胶分子链之间的内摩擦和空间位阻增大,内损耗上升,导致材料的阻尼性能提高。
以炭黑为例,炭黑是一种无定形结构,粒子通过相互之间的物理化学结合构成聚集体。炭黑的一次结构由聚集体构成,同时聚集体之间存在范德华力或氢键,能够聚集成空间网络结构,也就是炭黑的二次结构。炭黑表面具有能够发生取代、还原、氧化反应等的氢、羧基、内酯基、自由基、醌基等基团,当将其加入橡胶混炼胶中,由于炭黑表面与橡胶混炼胶界面之间的强相互作用,材料受力时,分子链比较容易在碳黑表面上滑动,但不易和碳黑脱离,橡胶混炼胶与碳黑构成了一种能够滑动的强固的键,力学强度增大。
需要说明的是,在加入填料补强剂时,需要合理控制填料补强剂的加入量,使其阻尼合适,抑制振膜偏振,音质好失真低,力学性能优越,满足声学性能及可靠性条件。可选地,按质量百分比计,填料补强剂在橡胶混炼胶中的含量范围为5%至60%,比如填料补强剂在橡胶混炼胶中的含量为5%、10%、20%、25%、35%、45%、55%或60%。
参照表2,表2为炭黑添加量对材料力学性能的影响。从表中可以看出,当炭黑份数为0.5时,材料力学强度和断裂伸长率均较小,这是由于炭黑量较少,其在基体中分散不均匀,难以起到补强效果;随着炭黑添加份数增加,补强增强,丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶的力学强度增大,而断裂伸长率逐渐减小;当炭黑份数为90份时,其断裂伸长率急剧降低,当制成振膜后,在长期使用中存在破膜风险。
表2 炭黑添加量对材料力学性能的影响
炭黑添加量(wt%) 0.5 5 10 60 90
断裂伸长率(%) 220 441 505 340 152
拉伸强度(MPa) 5.1 15.2 19.6 25.9 35.7
阻尼因子 0.15 0.19 0.21 0.33 0.36
需要说明的是,炭黑填充橡胶的滞后远远大于纯橡胶,事实上炭黑填充量越大其滞后越大,胶料滞后性与填充量的平方成正比。扬声器振膜的阻尼性提高,振动系统在振动过程中可抑制偏振现象的能力强,振动一致性良好。常用的工程塑料膜层的阻尼低,其阻尼因子一般小于0.01,阻尼性较小。在炭黑填充量过大的情况下,胶料滞后性大于最佳填充量胶料,而且补强作用降低,高阻尼性能会使材料发热量增大,在高频下这种现象特别显著。
本发明加入填料的橡胶混炼胶处于高弹态,分子链易于运动,分子间摩擦力大,具有较好的阻尼性能,其室温下阻尼因子大于0.15,优异的阻尼性能,可以使得振膜具有更低的阻抗。扬声器振膜的阻尼性能提高,振动系统在振动过程中可抑制偏振现象的能力强,振动一致性良好。
在选用炭黑作为填料补强剂时,要选用适宜的填料粒径,使其具有较好的表面活性,较高的表面能,进而补强性能较好。可选地,填料的粒径范围为10nm-10μm。该粒径的炭黑颗粒比表面积达到最优,炭黑的比表面积是指单位质量炭黑粒子表面积的总和。炭黑的表面积包括外表面积(光滑表面积)和内表面积(空隙内表面积),炭黑的总表面积是外表面积和内表面积的总和。炭黑的比表面积和粒径大小成反比,即粒径小的炭黑比表面积大,粒径大的炭黑比表面积小。
可以理解的,炭黑对橡胶的补强是通过其聚集体表面与橡胶分子链的结合。炭黑表面与橡胶分子链的结合有两种限制,一种是炭黑聚集体的微孔,橡胶分子链不能进入这些孔内,二是炭黑聚集体表面粗糙,橡胶分子链接触不到粗糙表面的凹面。炭黑作为补强剂,必须与橡胶分子链相结合才能起到补强作用,这一结合是依赖于炭黑的表面来完成的,补强作用的大小,也就取决于结合的程度、表面的大小。炭黑粒子越小,单位质量炭黑所具有的表面积越大,对橡胶的补强作用越大。但是比表面积增加对未硫化胶加工性能产生很大的影响,使其填充容量减少,混入时间增加,分散能力下降,脱辊性增加,黏度增大,压出光滑程度提高,而焦烧时间、压出收缩率、压出速率减小。颗粒尺寸较大,比表面积小,表面活性、表面能较小,对橡胶的补强不够。
炭黑粒子越小,微晶尺寸越小,微晶的边缘、晶格缺陷和不饱和电荷越多,也就是表面活性点和高能部位越多,表面能越高。表面活性大的炭黑,其补强作用大,这是因为表面活性大的炭黑表面上的活性点多,在炼胶与硫化过程中与橡胶分子反应形成的网络结构数量多,这种炭黑与橡胶形成的网络结构,赋予硫化胶强度。
但是若炭黑的表面活性太大,混炼时生成的结合橡胶数较多,从而使胶料的门尼粘度提高,压出时口型膨胀率和半成品收缩率加大,压出速率减慢。且粒径过小,会因粒子间聚凝力大,易结团,导致混炼时分散困难,并使可塑性下降,压出性能变坏。
表3 炭黑粒径与比表面积、撕裂强度、100%定伸模量及产品F0的关系
炭黑粒径/nm 1 10 4000 10000 12000
比表面积/(m2/g) 3500 2980 1500 1300 800
撕裂强度/(N/mm) 85 60 50 35 10
100%定伸模量/(MPa) 1.71 1.62 1.19 1.1 0.8
共振频率F0 730 680 590 580 550
该粒径范围的炭黑粒子满足未硫化胶的加工性能,分散能力好,脱辊性能佳,且其比表面积较大,促使炭黑粒子与橡胶结合紧密,补强增强。参照表3,表3是相同添加量下不同尺寸的填料对混炼胶撕裂强度、100%定伸模量及产品共振频率F0的影响。从表3中可以看出,填料尺寸越小补强越好,撕裂强度和100%定伸模量越高,相应的产品共振频率F0越高,尺寸越大补强越差,撕裂强度和100%定伸模量越低,相应的产品共振频率F0越低,共振频率F0虽然低,但撕裂强度较差,大功率的震动过程中容易破膜。
需要说明的是,在选用填料作为补强剂时,填料可选用炭黑、白炭黑、碳酸钙、硫酸钡、蒙脱土、云母中的至少一种。
进一步地,橡胶混炼胶还包括硫化剂,按质量百分比计,硫化剂在所述橡胶混炼胶中的含量为0.5%-5%。
在加入该含量的硫化剂下,橡胶混炼胶的综合性能较佳,具有较好的加工性能、力学性能、耐油性能及耐热老化性能。
表4 硫化剂用量对材料玻璃化转变温度和断裂伸长率的影响
硫化剂含量(wt%) 0.1 0.5 1 5 15
玻璃化转变温度(℃) -35.8 -32.5 -28.2 -25.1 -15.8
断裂伸长率(%) 387 378 319 267 168
表5为不同含量硫化剂的硫化数据
硫化剂含量(wt%) TS2/s T90/s
0.1 29.75 203.90
0.5 22.91 94.60
1 18.36 48.97
5 16.56 29.12
15 10.11 20.36
其中,TS2/s表征焦烧时间,T90/s表征橡胶硫化90%所用的时间。
参照表4和表5,表4为硫化剂用量对材料玻璃化转变温度和断裂伸长率的影响,表5为不同含量硫化剂的硫化数据。从表中可以看出,硫化剂的含量较低时,材料的有效交联密度较低,材料的力学强度较差,在制备成振膜,长久使用过程中容易变形,并且材料的硫化速率较慢,严重限制了生产效率,导致生产成本增加;随着硫化剂用量增大,胶料的焦烧时间缩短,硫化速度加快,材料的交联密度增大,硫化胶的定伸应力、硬度、回弹性、定负荷条件下的耐疲劳龟裂性提高,拉断伸长率下降,永久变形和动态生热减小,分子链运动受限制,玻璃化转变温度增大。但是交联密度过高,会加重交联键分布的不均匀性,导致应力分布不均匀。
可选地,硫化剂包括主交联剂和助交联剂,主交联剂的硫化体系为硫磺硫化体系、过氧化物硫化体系中的至少一种,助交联剂为三聚三烯丙基异氰酸酯、多马来酰亚胺中的至少一种。
这里主交联剂用于使橡胶混炼胶的分子产生自由基,助交联剂用于与橡胶混炼胶中的自由基发生自由基聚合。主交联剂可选用硫磺硫化体系、过氧化物硫化体系中的一种或两种混合,其中,过氧化物硫化体系可选用过氧化二异丙苯(DCP)或2,5-二甲基-2,5(二叔丁过氧基)己烷其中一种或者两种,助交联剂选用三聚三烯丙基异氰酸酯TAIC、多马来酰亚胺(PAPI)的中一种或者两种。
本发明振膜的密度与填料补强剂的含量有关,一般地,填料补强剂的含量越多其密度就越大,当弹性体层中橡胶混炼胶的密度较低时,其填料含量较低,所制备的振膜力学性能较差,容易出现塌陷、破膜等可靠性问题;当密度较大时,所制备的振膜在相同厚度下,质量远高于普通常规振膜,但会导致其Fr中频性能低。故要选择适宜的弹性体密度,以使得制备得到的振膜兼顾优异的力学性能和中频性能。可选地,本发明振膜的密度范围为0.9g/cm3至1.20g/cm3
本发明振膜的拉伸强度范围为4MPa-25MPa,振膜的撕裂强度范围为15N/mm至100N/mm。
本发明振膜在应用于发声装置使用过程中,不易出现破膜等可靠性问题。
本发明的振膜可以在高温和低温的极端条件下正常使用,振膜的使用温度范围为-80℃至180℃,同时兼顾振膜震动所需的强度、回弹性和阻尼性能。
将本发明实施例的振膜和常规振膜均放置于100℃存储96h,并对其共振频率F0进行测试,其测试结果参照图1和图2所示,由图1和图2对比可以看出,本发明实施例的扬声器振膜在100℃下存储96h后,相对于常规振膜,其共振频率F0保持稳定,常规振膜在高温存储后,其共振频率F0略有降低,这是由于常规振膜在高温后产生塑性形变且易老化导致。这也说明本发明振膜在高温后仍可以保持性能一致性。
同时,将本发明实施例的振膜和常规振膜均放置于100℃存储96h后,应用于扬声器后,分别对其总谐波失真(THD)进行测试,其测试结果参照图3所示,从图3中可以看出,本发明实施例的扬声器振膜在100℃存储96h后,相对于常规振膜具有更低的THD(总谐波失真),并且无尖峰等。这表明,本发明实施例的扬声器振膜高温存储之后仍然具有优异的回弹性,振膜在振动过程中,摇摆振动少,音质和听音稳定性更好。
在本发明的一实施例中,振膜为单层膜,单层膜是采用橡胶混炼胶制作而成。在本实施例中,振膜为单层膜结构,即为单层弹性体层,是采用如前所述的橡胶混炼胶制作而成。
在本发明的一实施例中,振膜为复合膜层,所述复合膜层中至少一层膜是采用橡胶混炼胶制作而成。
复合振膜可以包括两层、三层、四层或五层膜层,其中一层为采用橡胶混炼胶制作而成的弹性体层,其他复合层可以为热塑性弹性体层和/或工程塑料层,其中,热塑性弹性体层中的热塑性弹性体选自热塑性聚酯弹性体、热塑性聚氨酯弹性体、热塑性聚酰胺弹性体、及有机硅弹性体的至少一种;工程塑料层的工程塑料选自聚醚醚酮、聚芳酯、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯及聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种。
本发明还提出一种发声装置,发声装置包括磁路系统和振动系统,所述振动系统包括振膜,振膜的具体结构可参照上述实施例,由于发声装置采用了前述所有实施例的全部技术方案,因此至少具有前述实施例的技术方案所带来的所有有益效果,在此不再一一赘述。
本发明的振膜可以为折环振膜或者平板振膜,振膜设置在发声装置主体上,振膜被配置为能够被驱动振动,通过振动进而产生声音。发声装置主体中可以配置有线圈、磁路系统等部件,通过电磁感应驱动振膜振动。本发明提供的发声装置具有较好的发声效果和良好的耐用性。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种振膜,其特征在于,所述振膜包括至少一层弹性体层,所述弹性体层是采用橡胶混炼胶制作而成,所述橡胶混炼胶包括丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶,所述丁腈橡胶和所述氢化丁腈橡胶中均含有丙烯腈嵌段,按质量百分比计,所述丙烯腈嵌段的含量范围为20%-80%。
2.如权利要求1所述的振膜,其特征在于,所述丁腈橡胶和所述氢化丁腈橡胶的质量比不小于1。
3.如权利要求1所述的振膜,其特征在于,所述橡胶混炼胶还包括填料,按质量百分比计,所述填料在所述橡胶混炼胶中的含量为5%-60%。
4.如权利要求3所述的振膜,其特征在于,所述填料的粒径范围为10nm-10μm;
和/或,所述填料选用炭黑、白炭黑、碳酸钙、硫酸钡、蒙脱土、云母中的至少一种。
5.如权利要求1所述的振膜,其特征在于,所述橡胶混炼胶还包括硫化剂,按质量百分比计,所述硫化剂在所述橡胶混炼胶中的含量为0.5%-5%。
6.如权利要求5所述的振膜,其特征在于,所述硫化剂包括主交联剂和助交联剂,所述主交联剂的硫化体系为硫磺硫化体系、过氧化物硫化体系中的至少一种,所述助交联剂为三聚三烯丙基异氰酸酯、多马来酰亚胺中的至少一种。
7.如权利要求1至6中任一项所述的振膜,其特征在于,所述振膜的拉伸强度范围为4MPa-25MPa。
8.如权利要求1至6中任一项所述的振膜,其特征在于,所述振膜的撕裂强度范围为15N/mm至100N/mm。
9.如权利要求1至6中任一项所述的振膜,其特征在于,所述振膜的使用温度范围为-80℃至180℃。
10.如权利要求1至6中任一项所述的振膜,其特征在于,所述振膜的阻尼因子大于0.15。
11.如权利要求1至6中任一项所述的振膜,其特征在于,所述振膜的密度范围为0.9g/cm3至1.2g/cm3
12.如权利要求1至6中任一项所述的振膜,其特征在于,所述振膜为单层膜,所述单层膜是由所述橡胶混炼胶制作而成;
或者,所述振膜为复合膜层,所述复合膜层中至少一层膜是由所述橡胶混炼胶制作而成。
13.一种发声装置,其特征在于,包括磁路系统和振动系统,所述振动系统包括如权利要求1至12中任一项所述的振膜。
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