CN112956212B - 用于振动结构的选择性模态控制的方法、系统和装置 - Google Patents

用于振动结构的选择性模态控制的方法、系统和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于选择性地控制弹性面板中的模态振动的方法、系统和装置，所述弹性面板具有分布于弹性面板的整个表面的多个力致动器，以激发/抑制包括在预定子集中的一个以上的振动的共振模态的响应。力致动器被布置为使得当致动器由共同源信号驱动时可以实现规定模态的激发/抑制。

Description

用于振动结构的选择性模态控制的方法、系统和装置
技术领域
本申请要求于2018年10月13日提交的序列号为62/745307的美国临时申请的优先权。上述申请的全部内容通过引用并入本文中。
本申请涉及一种结构控制系统，其中一个以上的力致动器用于激发或抑制结构振动和/或辐射的声音。
背景技术
多年来，力致动器(Force actuators)已经被用于激发/抑制结构中的一个以上的振动的共振模态的响应。模态激发/抑制技术可以采取多种形式。一种这样的形式是带反馈的有源振动控制，其中首先使用分布在结构上的多个传感器来估计结构对干扰(disturbance)的响应。传感器信号被发送到控制器，控制器解释传感器信号，然后作为响应，向分布在结构上的一个以上的力致动器发送单独的驱动信号，以减少或激发某些振动的共振模态的贡献。然后，控制器解释经由传感器的相应的结构响应，并根据需要调整驱动信号。
可替代地，如果已知结构的振动的共振模态和扰动，则可以在结构上布置力致动器的阵列，以对特定的模态子集给出规定的响应。例如，在开发使用模态交叉技术(modalcrossover technique)的平板扬声器时，如通过引用并入本文中的美国申请第15/753,679号所述，致动器阵列被配置为激励具有期望的声辐射特性的弯曲模态，例如简支矩形面板的最低弯曲模态，并且抑制具有非期望的声辐射特性的模态。
无论用于选择性模态控制的技术如何，施加于力致动器的驱动信号取决于致动器相对于每个振动的共振模态的节线的位置。对于给定的驱动信号，位于节线附近的致动器对特定模态施加相对较小的力，而位于波腹上的致动器对该模态施加最大的力。由于这些控制技术被设计为同时处理多个模态，因此应用于每个致动器的信号的相对振幅必须使用加权函数通过其相对于每个模态的节线的位置进行加权，以得到规定的振动响应。对于任意阵列布局，实现加权函数将需要大量额外的电子器件，这会增加制造成本并降低产品的可靠性。
因此，需要以更简单和更具成本效益的方式来克服生成没有不需要的失真的声音的挑战的装置、系统和方法。
发明内容
本申请的一个方案是一种用于辐射声音的装置，包括：面板，其中所述面板具有一个以上的振动共振模态；多个动态力致动器，其中所述多个动态力致动器位于面板上的确定为能够显著激发给定频率范围内的选定面板模态的位置处，同时使选定频率范围内所有其他模态的激发最小化，其中，当多个致动器向所述面板施加相等的力时，以显著的力(significant force)激发选定模态；以及共同信号源(common signal source)，其中所述源被连接到所述多个动态力致动器，并且其中多个力致动器中的每一个从所述共同信号源接收信号，并且进一步地，所述面板上的多个力致动器产生的动态力在选定的频带内从所述面板产生声辐射。通常，为了使从面板以选定的面板模态辐射的声音，选定的面板模态为面板的最低振动模态，在这种模态下，面板的所有的点都彼此同相地移动，即，除了边界之外，面板表面没有节线。
本申请的另一方案是一种控制声辐射的方法，包括：选择面板，其中所述面板具有一个以上的振动的共振模态；定位多个动态力致动器，其中，所述多个动态力致动器以阵列形式定位于面板上的优化位置处，以在给定频率范围内显著地激发选定的面板模态，同时使选定的频率范围内所有其他模态的激发最小化，其中，当所述多个致动器对面板施加相等的力时，以显著的力激发选定模态；经由模态交叉网络将共同信号源链接到所述多个动态力致动器；接收来自共同信号源的信号，其中所述信号由所述多个力致动器中的每一个接收；以及在所述面板上施加由所述多个力致动器产生的动态力，以从所述面板输出声辐射，其中所述声音在选定的频带内。
本申请的另一方案是一种通过本文描述的装置或系统辐射声音的方法，该方法可以由本文描述的各种实施例中的任一种组成，包括如下步骤：将本文描述的装置或系统定位于在移动结构的内部或外部；使用移动结构内部或外部的本申请的装置辐射声音。在某些实施例中，所述移动结构是运输车辆。在某些实施例中，所述移动结构是移动电子装置。在某些实施例中，所述移动结构是声辐射器。
本申请的另一方案是一种用于控制声辐射的系统，包括：本文描述的装置，其可由本文描述的各种实施例中的任一种组成；可编程计算机处理器，其中所述计算机处理器与本文描述的装置联网，并且进一步地其中所述计算机处理器控制由所述装置的所述共同信号源产生的所述信号。
存在各种实施例，其可以单独实现或与本申请的各个方案组合在一起实现；下面独立列出的实施例并非否定在实践本申请的各个方案时将任何特定的实施例与所列出的其他实施例进行组合。
在某些实施例中，所述装置具有扁平的面板，并且具有从由圆形、矩形或正方形组成的组中选择的形状。在某些实施例中，所述装置具有共同信号源，所述信号源是单级放大器(single amplifier)。
在某些实施例中，所述多个致动器被定位于所述结构上，以处理振动的共振模态的预定子集。在某些实施例中，所述多个致动器被定位以取消包含在所述规定子集中的一个以上的所述面板的振动的共振模态的激发。
在某些实施例中，所述多个致动器被定位为使得其位于节线上，或被布置于波腹区域，以使作用在选定的面板模态上的净力接近于零。在某些实施例中，所述规定的模态集合包括在规定的带宽内共振的全部所述面板模态。在某些实施例中，所述多个力致动器以选定的串联/并联配置进行接线，以产生目标总电阻抗。在某些实施例中，所述阵列与所述面板上的一个以上独立驱动的单个力致动器协同使用。
在某些实施例中，所述多个力致动器是电磁线圈驱动器。在某些实施例中，所述多个力致动器包括压电材料。在某些实施例中，所述多个动态力致动器以阵列形式定位于面板上的优化位置处，以在给定频率范围内仅显著地激发最低面板模态。在某些实施例中，模态交叉网络连接所述多个动态力致动器，并且其中所述共同信号源经由所述模态交叉网络连接到所述多个动态力致动器。
在某些实施例中，所述压电材料包括陶瓷。在某些实施例中，所述压电材料包含有机聚合物。在某些实施例中，所述有机聚合物包含聚偏二氟乙烯(PVDF)。在某些实施例中，所述信号选自由数字、模拟、部分数字和部分模拟信号组成的组。
在某些实施例中，所述信号是音频信号。在一些实施例中，所述信号包括选自语音、音乐和其他自然产生的声音或人工合成的声音中的一种以上的信息。
在某些实施例中，所述系统进一步包括数据接收器，其中所述数据接收器与所述可编程计算机处理器联网，并且其中经由所述数据接收器输入到所述系统的数据被进一步转换为由所述装置的所述共同信号源输出的所述信号。在某些实施例中，所述数据接收器是麦克风。在某些实施例中，所述数据接收器是移动电子装置或振动传感器。
附图说明
图1是具有多个力致动器的结构，多个力致动器被布置为在经由放大器由输入信号驱动时激发/抑制振动共振模态的集合；
图2示出了两种不同长宽比的面板结构，其布置有与独立驱动的单个致动器协同操作的12个力致动器的阵列；
图3是具有4个致动器的示例布局，其配置为激发矩形面板的(1,1)模态并抑制若干其他模态的激发；
图4是具有4个致动器的示例布局，其配置为激发矩形面板的(2,1)模态并抑制若干其他模态的激发；
图5是具有8个致动器的示例布局，其配置为激发矩形面板的(1,1)模态并抑制若干其他模态的激发；
图6是具有18个致动器的示例布局，其配置为激发矩形面板的(1,1)模态并抑制若干其他模态的激发；
图7示出了模拟面板上的4个致动器的优化位置。位置相对于归一化尺寸(normalized dimensions)示出；
图8示出了模拟面板上的8个致动器的优化位置。位置相对于归一化尺寸示出；
图9示出了模拟面板上的11个致动器的优化位置。位置相对于归一化尺寸示出；
图10示出了文本中描述的丙烯酸面板在由单个致动器和三种优化的布置激发下的平均表面速度和测振仪的图像；以及
图11示出了11个致动器串联连接的实验面板设置的照片。
虽然将结合示例性实施例对本公开进行详细描述，但其不受附图和所附权利要求书中示出的特定的实施例的限制。
具体实施方式
将详细参考本申请的某些方案和示例性实施例，其示出所附结构和附图中的示例。将结合示例性实施例来描述本申请的各个方案，包括方法、材料和示例，这种描述是非限制性的，并且本申请的范围旨在包括所有等同物、替代物和变型，或者是公知的，或者是并入于此的。除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。本领域技术人员将识别各种与本文所述的技术和材料类似或等效的技术和材料，其可在本申请的方案和实施例的实践中使用。本申请所描述的方案和实施例不限于所描述的方法和材料。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，除非内容另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代。
本文中范围可以表示为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一个特定值。当表示这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到其他特定值。类似地，当值被表示近似值时，通过使用先行词“大约”，将被理解为特定值形成另一个实施例。将进一步理解，各个范围的端点相对于另一端点是有效的，并且独立于其他端点。还应理解，本文公开了很多值，并且除了这些值本身之外，各个值在本文中也公开为“大约”该特定值。
本申请描述了一种用于结构的控制系统，其中一个以上的力致动器用于激发或抑制结构振动和/或辐射声音。特别地，本申请公开了一种将动态力致动器定位于平板上的系统和方法，使得当它们都在平板上提供相等的压力时，优选地，在给定的频率范围内仅显著地激发最低模态。
如果已知结构的振动的共振模态，则可以在结构上布置力致动器的阵列，以对特定的模态子集给出规定的响应。施加于力致动器的驱动信号取决于致动器相对于每个振动的共振模态的节线的位置。对于给定的驱动信号，位于节线附近的致动器对特定模态施加相对较小的力，而位于波腹上的致动器对该模态施加最大的力。
本文描述了一种用于确定致动器的布置的优化方法，以使其在由共同源驱动时显著地激发选定模态，同时抑制期望的结构模态子集中的其他模态。通过优化力致动器的布置，消除了对加权函数的需求以及与实现用于选择性模态激发的加权函数相关的额外的成本。
系统
图1示出了本文所描述的系统的特定实施例。结构(100)为弹性面板，具有布置于其上的多个力致动器(101)，当经由通过导线(104)与多个致动器联网的放大器(103)被输入信号(102)驱动时，多个力致动器(101)向面板施加压力以激发/抑制一组振动的共振模态。该系统还可以包括计算机网络，计算机网络包含计算机处理器(未示出)。普通技术人员将理解，这里所指的压力是每单位面积的力，并且多个力致动器在其与弹性面板的每个接触点处施加相等的压力(例如，每单位面积的力)。普通技术人员将理解，多个力致动器设计为以相等且一致的方式与面板完全接触，从而避免致动器与面板之间的接触面积的差异。确保致动器和面板之间的接触面积没有差异，避免了不同致动器对弹性面板施加不同的力。图2示出了一对图1的系统的工作实施例。
在本文的方法、装置和系统中使用的面板是弹性面板。面板可由包括但不限于部分或全部由铝、玻璃、木材、塑料、铁和有色金属、上述材料的组合等、以及其他具有弹性的材料制成。下文所述的一些实施例使用具有4、8和11个致动器的丙烯酸面板，其展示了致动器布置的成功操作。然而，普通技术人员将理解，本文所描述的方法、装置和系统不限于使用丙烯酸面板。
在本文所述的方法、装置或系统中，力致动器阵列激发弹性面板的弯曲振动。各个单个力致动器本身并不是一个扩声装置，也不会自行辐射可观的声能。然而，如本文所述，当力致动器被安装于弹性面板上时，弹性面板的弯曲振动被激发，这反过来引发振动弹性面板的声能辐射。如果单个力致动器由音频信号驱动，它将激发整个弹性面板，并且声音将由整个面板辐射。如果有人要使用弹性面板上安装的单个力致动器，弹性面板的高阶弯曲模态将不可避免地被激发。
阵列中的多个力致动器协同工作，以避免面板的高阶弯曲模态的激发。优选地，仅激发面板的最低阶弯曲模态并且避免激发其他弯曲模态，因为这可能导致声音失真。在明确地避免不需要的面板模态的激发的同时，将音频信号划分为频带并且控制力致动器信号以实现特定面板模态的受控激发的方式是通过“模态交叉”方法。
“模态交叉网络(modal crossover network)”的关键功能是使用力致动器阵列来控制激发振动板的哪些弯曲模态。在使用模态交叉网络的实施例中，不同频率范围的信号被发送到具有不同增益系数的单个力致动器，所述增益系数被选择用于激发弹性面板的特定振动模态，随后由弹性面板的整个表面辐射声音。发送到致动器阵列的信号被适当地缩放，以便多个致动器能够激发弹性面板的特定振动模态。例如，为了激发弹性面板的最低振动模态，越靠近面板中心的致动器应具有越高的增益系数，越靠近边界的致动器应采用越低的增益系数。
在某一实施例中，本文所述的方法、系统和设备可以在没有模态交叉网络的情况下使用。此外，尽管优选地在其最低弯曲模态下激发弹性面板，同时消除集合内所有其它模态的响应，但是本文所描述的方法、系统和装置并不限于该优选。
在其他实施例中，本文所述的方法、系统和装置可用于激发面板模态或多种模态的组合，而不是基本的振动的共振模态(例如，为了消除噪声)。普通技术人员能够理解如何调整本文所述的方法、系统和装置以单独地激发面板模态集合中的任意面板模态。本文所描述的方法、系统和装置不限于基本的振动的共振模态的激发，而是可以扩展到集合中的任意模态。
图3-图6示出了具有不同数量的致动器的示例布局，这些致动器被配置为激发矩形弹性面板的特定模态，并抑制若干其他模态的激发。特别是通过比较图3和图4，可以观察到面板上致动器相对于面板的节线的位置的变化导致不同面板模态的激发/抑制。在图3中，(1,1)模态以3.000Pa被激发，而所有其他模态被取消；在图4中，(2,1)模态以3.4641Pa被激发，而所有其他模态被取消。在图5中，虽然使用了8个力致动器，但是它们的定位使得只有(1,1)模态被激发，而所有其他模态被取消。在使用18个力致动器的图6中，可以观察到面板在(1,1)模态下受到最显著的激发，其他模态被取消(或非常轻微的激发)。
普通技术人员将理解，本文所述的方法、系统和装置不受限于面板的特定形状或尺寸。扁平弹性面板可以是圆形、方形、矩形等。优选地，与分布式扬声器形成对比，分布式扬声器的边缘通常被假定为自由式的或弹性支撑，平板具有简支边或固支边。
弹性面板的振动弹性性能(Vibroelastic behavior)
等式(1)用于描述尺寸为Lx×Ly的测力板的振动弹性性能[Cremer,L.,Heckl,M.和Peterson,B.,《结构声》,Springer,第3版,2005年]。面板上的外部施加的压力分布由p(x,y,t)表示，面板空间分布的平面外位移由u(x,y,t)表示。其中(x,y)是面板上的位置，t是指时间。符号
Figure BDA0003016034940000083
表示u(x,y,t)的二阶时间导数。D是被称为面板的“抗弯刚度”的量，ρ是面板材料的密度，h是面板厚度。
Figure BDA0003016034940000081
模态分解(Modal decomposition)
上述等式(1)的瑞利-里兹解将板的位移曲线认为是无限个正交振动模态的总和[Fuller，C.,Elliott，S.和Nelson，P.,振动的有源控制(Active Control of Vibration)，美联社(Associated Press)，1996年]，并且在下面的公式(2)中给出。模态的实际振型及其二阶谐振性受到面板边界条件的约束[Berry,A,Guyader,J.-L.,和Nicolas,J.,“具有任意边界条件的矩形挡板声辐射的通用公式(A General Formulation for the SoundRadiation from Rectangular,Baffled Plates with Arbitrary BoundaryConditions)”，美国声学学会会刊(J.Acoust.Soc.Am.)，88(6)，第2792-2802页,1999年；Fletcher,N.H.和Rossing,T.D.，《乐器物理》，Springer，第2版，1998年；Li,W.L.，“具有弹性旋转边缘约束的矩形板的振动声学分析(Vibroacoustic analysis of rectangularplates with elastic rotational edge restraints)”，美国声学学会会刊，120(2)，第769-779页，2006年]。模态振型函数将被称为Gr(x,y)，其中r为模态序号。各个模态的振幅由Ar表示。通常，二维结构使用两个模态指数，诸如m和n，但不失一般性，假设模态采用表示其共振频率的顺序的r作为序号。
Figure BDA0003016034940000082
为了确定Ar，外部施加的压力分布p(x,y,t)被认为由N个致动器元件组成，其尺寸相对于感兴趣的频率范围内的面板上的弯曲波长而言较小，以字母n为索引。小尺寸允许将来自各个驱动器的压力分布近似为δ(x-xn)δ(y-yn)，致动器位于(xn，yn)。每个致动器元件产生由fn表示的力，按系数4/LxLy进行缩放，以获得面板上的相应压力[Anderson，D.，Heilmann，M.C.，和Bocko，M.F.，“带电磁惯性激发器和外壳的平板扬声器模拟模型(Flat-Panel Loudspeaker Simulation Model with Electromagnetic Inertial Exciters andEnclosures)”，音频工程学会会刊(Journal Audio Eng.Soc.)，2017]。施加到任何给定模态的实际压力(Pr)取决于致动器的位置；例如，放置于给定模态节点的致动器将无法激发该模态。在其尺寸与模态的波长相比可忽略的致动器处于低频的情况下，驱动器-模态的“耦合因子”由Gr(xn，yn)给出，“耦合因子”根据位置缩放致动器在该模态上提供的压力。
在N个致动器对面板施加力的情况下，给定模态下的总压力Pr，即为该模态下每个致动器压力的总和。R个模态上各自的总压力以矩阵形式表示为：
Figure BDA0003016034940000091
在某些实施例中，当所有致动器提供相等的压力时，通过使高阶模态的压力与最低模态的压力的比值最小化来确定致动器的位置。
优化方法
本文描述了一种用于确定弹性面板表面上的力致动器的布置优化方法，使得它们都由单级放大器驱动，但在弹性面板中仅激发单个结构模态。此处的“优化”是指执行搜索以查找致动器位置，该位置使所选择被激发的模态上的力与未选择模态上的力总和的比值最大化。优选地，对于扬声器，激发其最低模态。
优选地，对于N个致动器的集合，除了阵列要激发的模态之外，N个最低模态应具有0(或接近0)的力。优选地，选定要激发的模态上的力至少比其他N种模态上的力大10倍。例如，在下面的表1中，最低模态具有远高于集合中的其他模态的力。驱动器配置(以及由此施加于各个模态上的相对的力)将根据所使用的致动器数量而变化。在下面的表1中，最低模态上的力随着致动器数量的增加而增大。注意，用户只能指定所使用的每个致动器在一个模态上的力。
参照下表1中的4个致动器情况，除最低模态之外，前4个模态的力均为0。在8个致动器的情况下，除最低模态之外，前8个模态的力均为0。对于11个致动器的情况也是如此。还可以观察到，除前4/8/11以外的某些模态也具有为0的力。这取决于所使用的驱动器的数量和面板的长宽比。优化致动器布局的对称性也可以抑制集合之外的模态。例如，在图3中，由于优化布局相对于该特定模态的节线的对称性，第5模态(2,2)具有为0的力(虽然只有4个致动器)。
然而，本文描述的优化方法通常可以适用于任何模态，而不仅仅是最低模态。必须对算法做出两个更改，以将其使用范围扩展到任何选定模态。第一个更改是，在等式(4)的列矩阵中Pl将等于0，而取决于选择了哪个模态，其他行中的力/压力将为非零。第二个更改是，等式(4)右侧的各项为1的列矩阵可能必须有一个以上-l，以补偿激发其他模态所需的相位变化。相位变化可以通过切换致动器的极性(其两端连接到+-信号)来实现，因此它们仍然可以被一个共同源激发。图4示出了一个实施例，其中第二最低模态为被激发模态，并且其他模态中的最低模态被最小化。此处的“最小化”并不意味着某个阈值水平，而是使不需要(非选择)模态的激发最小化。一个普通技术人员能够理解，选定模态的选择或实现适当相位变化的方法不限于此。
本文所述方法和系统的优选目标是使用提供相同力的致动器阵列仅激发最低面板模态。这意味着对上面的等式(3)进行配置，使其满足：
Figure BDA0003016034940000101
优化的目标是通过(xN,yN)确定致动器位置(x1,y1)，使得压力P1最大化，且压力P2到PR最小化。因此，优化用公式表示为
Figure BDA0003016034940000102
其中
0＜xi＜Lx且0＜yi＜Ly (6)
对于R没有明确的限制，R为可以使用N个致动器缩放到零激发压力的模态数。本文讨论的某些实施例使用R＝2N或两倍于致动器的模态数，类似于时间采样数据的奈奎斯特速率。
计算机系统
在某些实施例中，本文中的装置或系统可经由计算机系统进行控制和联网，计算机系统包括存储器、处理器和可选的辅助存储装置。在一些实施例中，计算机系统包括多个处理器，并且被配置为多个例如刀片式服务器，或其他已知的服务器配置。在特定的实施例中，计算机系统还包括输入装置、显示装置和输出装置。在一些实施例中，存储器包括RAM或类似类型的存储器。在特定的实施例中，存储器存储由处理器执行的一个以上应用程序。
在一些实施例中，辅助存储装置包括硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM或DVD驱动器，或其他类型的非易失性数据存储器。在特定的实施例中，处理器执行存储在存储器或辅助存储器中或从互联网或其他网络接收的应用程序。在一些实施例中，处理器的处理可以实现为软件，例如软件模块，以供计算机或其他机器执行。这些应用程序优选地包括可执行本文所述的功能和方法的可执行指令。应用程序优选地提供GUI，用户可以通过GUI查看应用程序并与之交互。在其它实施例中，系统包括远程访问以控制和/或查看系统。
使用方法
在某些实施例中，本文描述的装置和系统可用于连接来自装置的声音传输，这些装置包括但不限于移动电话、电子记事本、电子平板电脑、电子汽车仪表盘(例如，救护车或用于医疗相关目的的汽车中)、电子摩托车仪表板、电子腕带、电子领口、壁挂式屏幕、便携式监视器(如医疗设施中的轮式监视器)、电子发带、电子头盔、电子眼镜(如具有可向佩戴者实时显示信息的透镜的眼镜)、电子戒指、联网计算机(如个人计算机)、遥视技术(remoteviewing technology)(例如乡村医生客户端-患者通信装置)和一般的便携式电子装置。在一些实施例中，该装置可以是振动传感器(例如，压电或PVDF传感器)或加速度计。
通过下面的示例进一步说明了本申请，这些示例不应被解释为限制性的。本申请通篇引用的所有参考文献的内容，包括专利申请(如美国申请第15/255,366号、第15/778,797号和美国临时申请第62/745,324号、第62/745,314号)以及附图和表格通过引用并入本文。
示例
本文给出了在尺寸为Lx＝38cm、Ly＝28cm和h＝6mm的模拟的丙烯酸板上的致动器布置的结果。必须计算每个模态的共振频率(resonant frequency)，以便在执行优化例程时正确排列模态序号。假设为固支边，使用下面给出的经验公式计算具有指数r(对应于两个方向的序号mr和nr)的模态的共振频率[Mitchell，a.K.和Hazell，C.r.，“固定矩形板的简单频率公式(A Simple Frequency Formula for Clamped Rectangular Plates)”，声音与振动(J.Sound Vib.)，118(2)，第271-281页，1987年]：
Figure BDA0003016034940000121
其中
Figure BDA0003016034940000122
并且
Figure BDA0003016034940000123
对于丙烯酸，使用以下材料值：D＝8:2Pa m和ρ＝1180kg/m3。振型(Mode shapes)采取以下形式
Figure BDA0003016034940000124
使用MATLAB优化工具箱执行优化例程(参见例如www.mathworks.coin/products/optimization.hlml)。图7、图8和图9中示出了对于阵列中的N个致动器的几个值的致动器位置结果，其中示出了某些实施例，这些实施例在考虑到致动器的顺序并不重要后，通常代表全局最优。
下面的表1列出了假设图7、图8、图9中的三种驱动布局，当每个致动器在缩放后向面板提供1Pa的压力时，每个面板模态上的压力值。表中的模态是按增大的共振频率列出的。每种驱动布局都能够以相当大的压力激发(l；l)模态，而大多数其他模态则以很小或无压力的方式驱动。对于4个致动器，以大量的压力(significant amount of pressure)驱动的最低频率模态是(5；l)模态。对于8个致动器，主模态(the primary)以上的最低显著模态为(l；5)模态。对于11个致动器，(7；l)模态是显著激发的最低模态。
表1
Figure BDA0003016034940000131
图7、图8和图9中的三个最优的致动器阵列的实施例布置在具有与上述讨论中模拟的相同的参数的面板上。商用致动器增加了面板的重量和共振[Anderson，D.，Heilemann，M.C.和Bocko，M.F.，“带电磁惯性激发器和外壳的平板扬声器模拟模型(Flat-Panel Loudspeaker Simulation Model with Electromagnetic Inertial Exciters andEnclosures)”，音频工程学会会刊，2017]，并具有外半径为11mm且内半径为8:25mm的与面板的环形连接。这些特性将增加面板的共振，并轻微改变现有的共振，并且对应该被取消的模态施加少量压力。
面板的边缘用环氧树脂固定在重型木质框架上，模拟固支边界条件。虽然6mm的丙烯酸面板对制造有效的扬声器来说可能太重，但丙烯酸的各向同性、均质特性、其固有的高阻尼以及与致动器相比相对较大的重量使其对于实验验证很理想。如上所述，丙烯酸的使用不以任何方式限制本文公开的方法、系统或装置。
阵列中不同数量的致动器产生具有不同阻抗的模态；通常，不可能以串并联组合的方式将致动器链接起来，以提供与另一阵列相同的阻抗。对于具有4个致动器的布置，两组4Ω致动器的串联链被并联连接，以提供4Ω负载。对于8个致动器布置，两组4Ω致动器的串联链被并联放置，以提供8Ω阻抗。对于11个致动器的布置，将所有致动器都以串联连接，以提供44Ω的阻抗。具有11个致动器的实验装置的照片如图10所示。这个实验是使用扫描激光测振仪以在lm的距离、6:8mm的空间分辨率进行的。
图11所示为使用三种优化的致动器布局的每一个以及作为比较将单个致动器放置于归一化位置(0:37；0:7l)时的面板的平均表面速度。图11示出致动器布置能够成功地在宽频带上仅选择性地激发最低面板模态。对于每种布置都有(3；l)模态的轻微激发，在500Hz附近，可能是由于致动器为环状。由于[Anderson，D.，Heilemann，M.C.和Bocko，M.F.，“具有电磁惯性激发器和外壳的平板扬声器模拟模型(Flat-Panel LoudspeakerSimulation Model with Electromagnetic Inertial Exciters and Enclosures)”，音频工程学会会刊，2017]中预测的共振耦合，致动器布置之间的最低模态的共振频率并不一致。证明了激发器阵列在使用商用激发器在宽频带上仅激发最低面板模态方面是成功的。这些结果对于使用模态交叉网络实现平板扬声器具有实际作用。
尽管上面已经描述了各种实施例，但是应该理解，这些公开仅通过示例而非限制的方式而提出的。因此，主题的组合和方法的广度和范围不受上述任何示例性实施例的限制，而仅根据权利要求及其等同物来定义。
上述说明书的目的是教导本领域的普通技术人员如何实践本发明，而非旨在详细说明本发明的所有明显的修改和改变，这些修改和改变在技术人员阅读说明书时将是显而易见的。然而，其旨在使这些显而易见的修改和改变也包含在由以下权利要求书限定的本发明的范围内。除非上下文明确指出相反的情况，否则权利要求书旨在涵盖能够有效地实现其预期目的的任何组件以及以任何顺序实现的步骤。

Claims (50)

1.一种用于辐射声音的装置，包括：
面板，其中所述面板具有一个以上的振动的共振模态；
多个动态力致动器，其中所述多个动态力致动器以阵列形式定位于所述面板上的优化位置处，以激发所述面板的振动的选定模态，其中当所述多个动态力致动器向所述面板施加相等的力时，所述选定模态被激发，而不需要加权函数来激发振动的所述选定模态，且非选定模态被最小化，并且，其中最低面板模态是当所述多个动态力致动器向所述面板施加相等的力时激发的最低频率模态；以及
共同信号源，其中所述共同信号源被连接到所述多个动态力致动器，并且其中所述多个动态力致动器中的每一个从所述共同信号源接收信号，并且
所述面板上的所述多个动态力致动器产生的动态力在选定的频带内从所述面板产生声辐射。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述面板是扁平的，并且具有选自由圆形或矩形组成的组的形状。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述共同信号源是单级放大器。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个动态力致动器被定位于结构上以处理振动的共振模态的规定子集。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述多个动态力致动器被定位以取消包括在所述规定子集中的一个以上的所述面板的振动的共振模态的激发。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个动态力致动器被定位为使得其位于节线上，或被布置于波腹区域，以使作用在选定的面板模态上的净力接近于零。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中规定的模态集合包括在规定的带宽内共振的全部所述面板模态。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个动态力致动器以选定的串联/并联配置进行接线以产生目标总电阻抗。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述阵列与所述面板上的一个以上独立驱动的单个力致动器协同使用。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个动态力致动器是电磁线圈驱动器。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个动态力致动器包括压电材料。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述压电材料包括陶瓷。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述压电材料包括有机聚合物。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述有机聚合物包括聚偏二氟乙烯。
15.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述信号选自由数字、模拟、部分数字和部分模拟信号组成的组。
16.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述信号为音频信号。
17.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述信号包括选自语音、音乐和其他自然产生的声音或人工合成的声音中的一种以上的信息。
18.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个动态力致动器以阵列形式定位于所述面板上的优化位置处，以在给定频率范围内仅显著地激发所述最低面板模态。
19.根据权利要求1或2所述的装置，其中模态交叉网络连接所述多个动态力致动器，并且其中所述共同信号源经由所述模态交叉网络连接到所述多个动态力致动器。
20.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述选定模态为最低频率的面板模态。
21.根据权利要求2所述的装置，其中所述矩形为正方形。
22.一种用于控制声辐射的系统，包括：
根据权利要求1-21中任一项所述的装置；
可编程计算机处理器，其中所述计算机处理器与权利要求1-21中任一项所述的装置联网，并且
进一步地，其中所述计算机处理器控制由所述装置的所述共同信号源产生的所述信号。
23.根据权利要求22所述的系统，进一步包括数据接收器，其中所述数据接收器与所述可编程计算机处理器联网，并且
进一步地，其中经由所述数据接收器输入到所述系统中的数据被转换为由所述装置的所述共同信号源输出的所述信号。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述数据接收器为麦克风。
25.根据权利要求23所述的系统，其中所述数据接收器为移动电子装置或振动传感器。
26. 一种通过权利要求1-21中任一项所述的装置或权利要求22-25中任一项所述的系统辐射声音的方法，包括以下步骤：
将权利要求1-21中任一项所述的装置或权利要求22-25中任一项所述的系统定位于移动结构的内部或外部；以及
使用所述移动结构的内部或外部的权利要求22-25中任一项所述的系统的装置辐射声音。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述移动结构是运输车辆。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中所述移动结构为移动电子装置。
29.根据权利要求26或27所述的方法，其中所述移动结构为声辐射器。
30.一种控制声辐射的方法，包括以下步骤：
选择面板，其中所述面板具有一个以上的振动的共振模态；
定位多个动态力致动器，其中所述多个动态力致动器以阵列形式定位于所述面板上的优化位置处，以激发所述面板的振动的选定模态，其中当所述多个动态力致动器向所述面板施加相等的力时，所述选定模态被激发，而不需要加权函数来激发振动的所述选定模态，并且当所述多个动态力致动器向所述面板施加相等的力时，非选定模态被最小化；
经由模态交叉网络将共同信号源链接到所述多个动态力致动器；
接收来自所述共同信号源的信号，其中所述信号由所述多个动态力致动器中的每一个接收；以及
在所述面板上施加由所述多个动态力致动器产生的动态力，以从所述面板输出声辐射，
其中声音在选定的频带内。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述面板是扁平的，并且具有选自由圆形或矩形组成的组的形状。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述共同信号源是单级放大器。
33.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述多个动态力致动器被定位于结构上以处理所述面板的振动的共振模态的规定子集。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述多个动态力致动器被定位以取消包括在所述规定子集中的一个以上的振动的面板的共振模态的激发。
35.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述多个动态力致动器被定位为使得其位于节线上，或被布置在波腹区域，以使作用在选定的模态上的净力接近于零。
36.根据权利要求30或31所述的方法，其中规定的模态集包括在规定的带宽内共振的全部所述模态。
37.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述多个动态力致动器以选定的串联/并联配置进行接线以产生目标总电阻抗。
38.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述阵列与所述面板上的一个以上独立驱动的单个力致动器协同使用。
39.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述多个动态力致动器是电磁线圈驱动器。
40.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述多个动态力致动器包括压电材料。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述压电材料包括陶瓷。
42.根据权利要求40所述的方法，其中所述压电材料包括有机聚合物。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述有机聚合物包括聚偏二氟乙烯。
44.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述信号选自由数字、模拟、部分数字和部分模拟信号组成的组。
45.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述信号为音频信号。
46.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述信号包括选自语音、音乐和其他自然产生的声音或人工合成的声音中的一种以上的信息。
47.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述多个动态力致动器以阵列形式定位于所述面板上的优化位置处，以在给定频率范围内仅显著地激发最低面板模态。
48.根据权利要求30或31所述的方法，还包括将模态交叉网络连接到所述多个动态力致动器的步骤，其中所述共同信号源经由所述模态交叉网络连接到所述多个动态力致动器。
49.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述选定模态为最低频率的面板模态。
50.根据权利要求31所述的方法，其中所述矩形为正方形。
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