CN1135903C - 压电扬声器 - Google Patents

Abstract

一种压电扬声器包括一个压电元件，一个振动膜，分别由框架牢固地支撑，压电元件连接并固定在振动膜的中心位置，振动元件在驱动力的作用下振动，并将振动传给振动膜，这样，振动膜在激励下就可以振动发声了。

Description

压电扬声器

本发明涉及压电扬声器，而且特别是应用于再现超高频声音的压电扬声器。

电动扬声器和压电扬声器作为传统的扬声器(高音喇叭)应用于再现高频声音的扬声设备中是已知的。

电动扬声器有一个驱动线圈固定在诸如一个位于磁路的磁场缝隙中的锥形振动膜上，扬声器将在磁场缝隙中的直流磁场产生的线圈电磁驱动力以机械振动的形式传给振动膜。这样，这个振动膜就可以将机械振动转化为发射的声音了。

电动扬声器的结构简单，便于制造。如果这种扬声器用作再现高频声音的扬声器，那么就基本能再现出20千赫的声音。因此，扬声器广泛地应用于各种设备中，包括必须在音频频段内实现高品质乐音音频信号的高保真扬声设备，汽车扬声器，以及便携式声音再现的扬声器设备中。

图5是一个普通的压电扬声器的主要部分横截面的示意图。在图5中，在压电扬声器P0中，用树脂或与之类似的材料制成的锥形振动薄膜100，其根部与圆盘形的压电单元101在大约中心的位置坚固地连接在一起。锥形振动薄膜100的四周坚固地与用一种金属或硬树脂做成的圆筒架102开放的一边的表面坚固地连接在一起，这样，通过其自身的弹力，压电单元101就弹性地固定好了。压电单元101是一个利用某种压电物质(如罗谢尔盐，钛酸钡)的压电效应产生容抗的压电振动器，其中，该元件的形状是圆盘形的，并具有双压电晶片元件形结构。

因此，当与外部输入终端的声音信号相对应的电压通过与压电元件101的输入终端相连接的外部输入终端E加载时，圆盘形的压电元件101就沿径向整个收缩或扩张。由于这种振动是在圆盘形的压电元件边界终止的，圆盘形的压电元件就是在轴向的方向上振动。这样，通过锥形振动膜支持的压电元件101的振动成为驱动锥形振动膜100的驱动源，声音就可以从锥形振动膜中发射出来。

这样，压电扬声器P0就与电动扬声器有相似的简单结构，易于制造，并能够再现高频声音。

应当指出的是，在压电扬声器P0中，由于压电单元101与锥形振动膜100一起振动，那么边界固定的锥形振动膜100的质量加上压电单元101的质量就是整个振动系统的质量。

在音源方面，为了给扬声器提供一个声音信号，考虑到从音源处录下一个录音信号，为了使用户能够欣赏到再现的音乐，需要生成一个从音频段20Hz到20KHz的理想可再现信号。其中，一张用于再现音乐的CD(光盘)，能够实现在上述音频频段内声音的再现功能，可制成平面的，以某种压缩形式实现的实际音源。

在实际情况中，生动的音乐演奏常包括了超过声音音频段的超高频率部分。因此，近年来人们相信如果想通过声音源或扬声器来高度完整地再现乐音的原始全貌，乐音中超过音频范围的部分也必须再现出来。

为实现这一目标，在声源方面，人们在考虑制出能够产生远超过音频段，甚至达到100KHz的光盘来再现音乐。结果是，既制出了能够很好地再现录音信号的光盘，又制出了能在扬声设备上的再现超高频乐音的高音喇叭。

为了应用上面描述过的电动扬声器来再现高频段(高音频)的乐音，必须通过提高上限频率(fH)将质量控制范围提高到超高频段的范围。频率上限由下式描述：fH＝(1/2π)×((1/m1+1/m2)Sh)1/2

其中“m1”是振动膜质量，“m2”是线圈质量，“Sh”是被称作振动膜锥底部边界的硬度，“Sh”由下式给出：

Sh＝πEhcos²θ/sinθ

其中“E”为杨氏模量，“h”是锥形底部的厚度，θ是锥形垂直角的半角宽。

从这一表达式可以看出，上限频率随振动膜或线圈质量的下降而增加。因此，当振动膜的缝隙减小，同时尽可能地增加锥形底部边界的硬度，尽量减小线圈质量。电动扬声器在高音频的再现范围就可以显著地扩展。

然而，需要指出的是，对于传统的电动扬声器而言，Sh，m1，m2的值是有限的，要实现将上限音频阈值提高到超高频段内，甚至达到在100kHz的频率附近，并实现音频的再现是非常困难的。

在电动扬声器中，振动膜以分立的模式振动，以发射出在上限音频或更高的频段上的声音。换句话说，振动膜的每个区域都是分立的振动区域，振动膜沿着圆周的方向以分立的方式振动，这样，只有圆锥底部附近的区域与线圈一起振动。这样，包含在振动系统中的振动膜的质量减少了相当的数量，这就提高了高频率音频的敏感度，再现音频中的高音频区域也有小幅度的增加。然而，在这种情况下，振动系统的质量还包括线圈的总质量，它对声音的发射不会有直接的帮助，敏感度也不会相应地提高，这样就导致了有效高音声压水平存在极限。

进一步讲，由于线圈的感应系数随着频率的升高而升高，上面讲到的电动扬声器在超高的音频频段无法给出足够的声压水平。

这样，在电动扬声器中，对于输入信号而言，在远高于音频频段的超高音频区域内增加线圈的感应系数将会增加输入阻抗。这种情况导致无法从外界获得大的驱动力，同时，减小包括振动膜和线圈在内的振动系统质量的极限(特别是线圈的质量)导致无法将上限音频提高到超高音频的区域。

作为电动扬声器的一个特殊例子，已知有一种整个表面驱动的方式，带式高音喇叭的一个金属箔的振动膜放在一个直流磁场中，通过该磁场产生直流电流作为电磁驱动。在本例中，振动膜也用作一个线圈，因此，振动系统的重量就可以减小了。另外，线圈的感应系数在超高音频区域内就不能增加，这样，再现的音频频段就可以达到超高音频频段的区域内，但是这就需要为振动膜提供一个宽缝隙的磁路。结果是，为了给振动膜提供一个有足够磁流密度的缝隙，以获得足够大的驱动力来驱动振动膜，就需要一个特别大的磁铁，这将导致高音喇叭设备非常昂贵。

与电动扬声器相对的是，上述的压电扬声器在振动系统中不用线圈，因此感应系数在超高音频的频段内不会升高。同时，由于在振动系统中没有线圈，在锥形底部垂直角θ的半角宽也就容易地相应减小了，因此，就这一方面来说，压电扬声器更适合在超高音频的区域内再现声音。然而，在扬声器的实际运行过程中，由于压电单元总是依靠弹力安装在振动的锥形振动膜的中，与电动扬声器类似，锥形振动膜的质量和压电单元质量的总和限制了上限音频的阈值。相应地，要实现将上限音频阈值提高到超高频段内，甚至达到在100kHz的频率附近实现音频的再现也是极端困难的。

本发明针对前文中提到的问题而进行创新的。本发明的目的之一就是制出一种结构简单，能在远超过音频频段的超高频段内高品质地再现声音的扬声设备。

依据本发明的一种压电扬声器有一个与振动膜相连接和固定的压电单元，压电单元的一个电极与一个框架相连接和固定，这样压电单元就相对该框架是可移动的。

依据本发明设计的另外一种扬声器有一个用框架支撑的可移动的振动膜，以及一个与振动膜中心部分相连接和固定的压电单元，从压电单元的边缘处伸出一个电极与框架相连接和固定。

在本发明的一个方面中，一对与该压电元件构成谐振电路的空心线圈与该框架的底部相连，同时，该压电元件的一个电极与所述的一对空心线圈之一相连以实现连接和固定。

进而，依据本发明设计的一个压电扬声器有一个框架；一个通过弹性部件与框架相连接，并由框架支撑的振动膜；一个与振动膜相连接和固定的压电元件，通过驱动该压电元件使振动膜振动，发出声音，其特征在于该压电元件有一个部分与框架连接和固定，这样框架就可以坚固地支撑该压电元件。

在本发明另一个方面中，一对与该压电元件构成谐振电路的空心线圈与该框架的底部相连，同时，该压电元件的一个电极与所述的一对空心线圈相连以实现连接和固定，这样，通过该空心线圈，该框架就可以坚固地支撑该压电元件。

在本发明的另一个方面中，所述的弹性元件用的是一种黏合剂。

在本发明的另一个方面中，该压电元件采用的是一种圆盘形双压电电晶片压电元件。

在本发明的另一个方面中，在该压电单元中，该振动膜连接并固定在圆盘的一个表面的大约中心的位置上，该圆盘的边界牢牢地固定在该框架上。

下面的描述及所附图清楚地描述了本发明的优点及其相关目标，其中：

图1是根据本发明的第一个实施方案制出的压电扬声器P1的结构示意图；

图2是一个电路图，显示一个压电元件101与一个空心线圈2的连接；

图3是一个图表，描述的是压电扬声器P1在超高频区域与传统的压电扬声器P0再现声压频率特征通过坐标轴的比较。

图4示出该装置的一个例子，其中在压电扬声器的压电元件连接和固定在一对空心线圈中的一个(附线圈)上。

图5是描述的是传统压力扬声器范例主要部分的截面示意图。

现在结合相关图表描述本发明的优先实施方案。

图1是根据本发明的第一实施方案制出的压力扬声器P1的结构示意图。应该注意到在图1中，压力扬声器P1各个元件与上面图5中显示的元件相同并有相同标号，因而这里不再详细描述了。

压力扬声器P1包括一个压电元件101，一个圆锥形振动膜1，一个空心线圈2，一个弹性部件3和一个框架102。

圆锥形振动膜1，即一个薄圆锥形的树脂振动膜，其边界通过弹性部件3在框架102的开放边的末端表面与框架102连接和固定。

圆锥形振动膜1的中心部位的圆锥底部的顶点基本上坚固地固定在压电元件101的一个表面的中心处。这样，压电元件101与位于圆锥形振动膜1中心的圆锥底部的顶点相连接和固定。在圆锥形振动膜1中，圆锥底部的顶点与压电元件101相连接使得中心轴X与压电元件101的一个表面相垂直。

圆锥形振动膜1在圆锥底部有一个极其小的半垂直角θ，因而上述顶点部分与压电元件101在一个非常小的面积上连接。与圆锥形振动膜1的边界相连接的弹性元件3，以及框架102开放边上的末端表面均由一种凝胶型树脂粘和剂(湿润剂)组成，这种粘和剂具有合适的弹性和湿润特征。

压电元件101的边界固定在具有大致圆柱形的固定空心线圈2的上部。空心线圈2的圆柱形底部固定在框架102的底部。

这样，框架102支撑着整个压电元件101，其中，空心线圈2坚固地支撑着压电元件101的边界，由弹性元件3连合圆锥形振动膜1的边界支撑着整个圆锥形振动膜。

图2是一个电路图，显示一个压电元件101与一个空心线圈2的连接。

如图2中所示，空心线圈部分2包括一对空心线圈，即一个原线圈和一个附线圈，它们以1比2的匝数比地呈同轴、圆柱状地缠绕并且是变压器耦合的(transformer-coupled)。基本线圈的两端均与外部输入终端相连。压电元件101又与附属性线圈的两端相连。在空心线圈部分2中，附属性线圈与压电元件101形成了一种谐振回路，并具有一定的谐振频率，如20kHz。

空心线圈部分2也是一个渐升变压器，副线圈的高阻抗在大约4到8欧姆的范围内与原线圈产生的压电扬声器P1定义的输入阻抗相匹配。应当指出，如在上文中描述的那样，为了让框架102牢固的支撑，压电元件101的边界牢固地与圆柱状的空心线圈部分2的上部连接。因此，压电元件101的电极可以通过一个短的引线与空心线圈连接，引线的阻抗损耗是很小的。

下面，描述压电扬声器P1的运行。

声音信号相对应的输入电压E加载到压电扬声器P1的外端口，该电压被加载在空心线圈2的原线圈一端，按照线圈的匝数比在线圈的副线圈激励起一个电压，驱动压电元件101。

基于驱动电压，整个压电物体在发射方向上伸展和收缩，使压电元件101在圆盘的中心轴方向上振动而边缘上的振动固定段由空心线圈部分2固定。结果是，位于圆锥底部，牢固地与压电元件101的一个表面的中心相连接的顶点部分，在振动的驱动下，将振动传给了振动膜1，振动膜1就发出了声音。

这种情况下，框架102通过空心线圈2牢固地支撑压电元件1的边缘，因此，在振动时，压电元件101的大部分质量由框架102支撑。因此，振动系统的质量减小了几乎等于矩形振动膜的质量。结果是，其上限频率阈值(fH)可以远高于传统的设备。而且，振动系统的质量几乎减小了压电元件101的质量，这样就可以提高声音压力水平。这样，再现频段的上限频率阈值可以扩展到100Hz附近。

另外，用来将锥形振动膜1固定在框架102的弹性部件3是有粘性的。因此，弹性部件3可以减小在振动膜1边界振动的反射，减少了在音频频段以上超高频段的振动的传播。结果是，在超高频段的区域内的实现高品质的声音再现而没有极限最大倾角。

而且，锥形振动膜1由有粘性的弹性部件3固定在框架102上，因此能够沿框架12中心轴X的方向获得合适的粘性支撑。这样，在振动驱动力的作用下，压电元件1的幅度可以按锥形振动膜1的振幅无局限地传输出去。结果是，压电扬声器P1在驱动压电元件101时没有幅值损耗，这样，灵敏度就有所提高，产生了一个高的声压水平。

图3描述的是压电扬声器P1在超高频区域与传统的压电扬声器P0的再现声压频率特征通过坐标轴的比较。在图3中，横坐标表示的是频率的对数坐标，纵坐标表示的是声压水平(dB)。图3中实线代表的是压电扬声器P1的特性，虚线代表的是压电扬声器P0的特性。

从图3中可以看出，在相同的信号输入下，压电扬声器P1的声压水平比压电扬声器P0的声压水平高，上限声音阈值一直达到100KHz附近。结果是，再现音频的上限阈值频率扩展到100KHz左右。

需要指出的是，在上面描述的实施方案中，空心线圈2的圆柱状上部分坚固地支撑着压电元件101的边界，线圈2牢固地与框架102的底部相连，这样，框架102通过空心线圈部分2坚固地支撑着整个压电元件101。然而，该发明并不仅局限与这样的装置。例如，空心线圈2可以连接固定在延伸到压电元件101的边界的一个电极上，这样，整个压电扬声器就通过空心线圈2坚固地固定在框架102上。

图4是一个装置实例的示图，其中依据本发明的压电扬声器的压电元件连接固定在空心线圈2中的一个线圈(附线圈)上。在这个例子中，压电元件101截面中心的一个电极(阴极)向外扩展，并且形成一个比另外两个阳极和压电物质直径大的直径。阴极边界固定在空心线圈2上。这样，这样，整个压电扬声器就通过空心线圈2坚固地固定在框架102上。

而且，根据本发明，压电元件101并不一定必须通过空心线圈2固定在框架102上，框架102可以直接牢固地支撑压电元件101的边界上。

这里描述了被认为是依据本发明的优选实施方案。应该理解的是从中可以有各种各样的改动，希望在附带的声明中涵盖了应用本发明的本质及其范围内的各种修改。

压电扬声器中的压电元件和振动膜都牢固地固定在一个框架上而连接并固定在振动膜的中心部分的压电元件在驱动力下产生振动，并传给振动膜，这样，就产生了一个发射声音的振动。振动系统的质量几乎减小了振动元件的质量，振动系统的质量几乎等于振动膜的质量。结果，声压水平有所提高，上限阈值扩展到超高频段的100KHz左右。因此，再现频段的上限阈值频率可扩展到100KHz附近。

Claims (8)

1.一种压电扬声器，其包括：

一个框架；

一个振动膜；

一个与振动膜连接并固定的压电元件，

其特征在于，还包括一对与所述压电元件形成谐振回路的空心线圈，

其中该空心线圈固定在所述框架底部，和所述压电元件的一个电极连接所述一对空心线圈中的其中一个以便用来连接和固定。

2.根据权利要求1的压电扬声器，其特征在于，所述压电元件通过它的电极相对于所述框架是可移动的。

3.根据权利要求1的压电扬声器，其特征在于，所述压电元件的电极从该压电元件的边缘处延伸以便连接并固定到所述空心线圈对。

4.根据权利要求1的压电扬声器，其特征在于，所述振动膜通过弹性部件连接到框架上并且得到框架的支撑。

5.根据权利要求1的压电扬声器，其特征在于，该压电元件连接并固定在振动膜中心部分。

6.根据权利要求1-5的压电扬声器，其特征在于，所述弹性部件是由粘和剂组成。

7.根据权利要求6的压电扬声器，其特征在于，所述压电元件是由一个圆盘形双压电晶片压电单元组成。

8.根据权利要求7的压电扬声器，其特征在于，所述压电元件是圆盘形的，所述振动膜连接并固定到圆盘表面大致中心的位置上，所述圆盘的边缘由所述框架牢固地支撑。

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