CN114173261B - 一种超声波发声器、显示器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波发声器、显示器及电子设备，所述超声波发声器包括振动体和发声驱动器，发声驱动器包括多个设置于振动体上的振动单元，多个振动单元在振动体上阵列排布，每个振动单元与振动体之间设置有空气间隙，相邻两个振动单元的间距为2mm～100mm，且每个振动单元的大小为1mm～100mm；发声驱动器加载超声波信号，产生垂直于振动体方向的振动，带动振动器振动发声。本发明通过对发声驱动器的振动单元的排列方式、振动单元的大小、振动单元之间的间距、超声波信号的频率等进行调整，避免了分割振动带来的声音失真，且可以降低发声器整体的振动振幅，提高整个发声器的可靠性，不易出现折断或剥离。

Description

一种超声波发声器、显示器及电子设备

技术领域

本发明涉及超声波发声技术领域，具体涉及一种超声波发声器、显示器及电子设备。

背景技术

随着便携式消费类电子产品市场的发展，屏幕发声器由于带来了更大的屏占比，已经慢慢进入越来越多的人的视线，如手机、电脑、电视、相框、多媒体播放器等。

传统的屏幕发声是用一个振动器直接带动整个电子设备屏幕，继而通过屏幕振动实现发声的效果。但是，该方式必然会有很高的振幅，这会对整个屏幕发声器的可靠性要求很高，容易出现折断或剥离等失效情况。因此，本发明提出了一种新的方案来解决这一问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种超声波发声器、显示器及电子设备，其通过对振动单元的排列方式及驱动频率进行调整，实现屏幕发声在具有指向性高的同时又能减少分割振动，提高超声波发生器的使用可靠性。

为实现上述目的，一方面，本发明提出了一种超声波发声器，包括：

振动体，其具有相对的第一面和第二面；

发声驱动器，包括多个设置于振动体的第二面的振动单元，多个所述振动单元在第二面上阵列排布，每个所述振动单元与第二面之间设置有空气间隙，相邻两个振动单元的间距为2mm～100mm，且每个振动单元的大小为1mm～100mm；所述发声驱动器加载超声波信号，产生垂直于振动体方向的振动，带动所述振动器振动发声。

在一优选实施例中，所有所述振动单元发出的超声波信号的参数均相同或者均不同或者部分相同，通过调整振动单元发出的超声波信号的参数，使发声驱动器发出的声波方向可调或不可调，所述参数包括信号强度、发送时间、信号幅值和信号相位中的一种或两种以上的组合。

在一优选实施例中，所述阵列排布包括圆形阵列排布和矩形阵列排布中的一种或两种的组合。

在一优选实施例中，所述振动体的机械共振频率与加载的所述超声波信号的频率相同或相接近。

在一优选实施例中，所述超声波信号的频率为20kHz～200kHz以上。

在一优选实施例中，所述超声波发声器还包括与所述发声驱动器相连的信号发生器，所述信号发生器包括：

载波信号发声单元，用于发出超声波载波信号；

调制单元，与所述载波信号发声单元相连，用于接收所述超声波载波信号和音频信号，并将所述超声波载波信号和所述音频信号进行振幅调制，生成超声波调制信号；

信号调整单元，用于对所述超声波调制信号进行调整，发出调制了音频信号的所述超声波信号。

在一优选实施例中，每个所述振动单元包括第一振动部和第二振动部，所述第一振动部的一面设置于振动体的第二面上且与所述第二面之间设置有所述空气间隙，相对的另一面与所述第二振动部相贴合。

在一优选实施例中，每个所述第一振动部的外侧边缘与振动片的第二面相贴合，其他部位则与所述振动片的第二面之间则形成所述空气间隙，每个所述第二振动部全部与第一振动部相贴合。

在一优选实施例中，所述第一振动部的外侧边缘与振动片的第二面之间、所述第二振动部与第一振动部之间均通过胶粘接固定。

在一优选实施例中，所述第一振动部为金属片或压电陶瓷片，所述第二振动部为压电陶瓷片。

在一优选实施例中，所述空气间隙内填充有弹性填充物，所述弹性填充物包括胶。

另一方面，本发明提出了一种显示器，包括上述超声波发声器。

在一优选实施例中，所述振动体为屏幕。

在一优选实施例中，所述屏幕为LCD屏或OLED屏，所述LCD屏或OLED屏的材质为玻璃或塑料材质。

在一优选实施例中，所述屏幕的厚度为0.01mm～10mm，振幅在1um～20um之间。

再一方面，本发明提出了一种电子设备，其包括上述超声波发声器，或者，其包括上述的显示器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过对发声驱动器的振动单元的排列方式、振动单元的大小、振动单元之间的间距、超声波信号的频率等进行调整，避免了分割振动带来的声音失真，且可以降低发声器整体的振动振幅，提高整个发声器的可靠性，不易出现折断或剥离。

2、本发明通过加载20kHz以上的超声波信号进行振动发声，由于超声波指向性明显优于可听声，从而提高发声器的声音指向性。

附图说明：

图1、图2均为本发明中超声波发生器的分体结构示意图；

图3为本发明其中一实施例中振动体上振动单元(圆形)按矩形阵列排布的结构示意图；

图4为本发明其中一实施例中振动体上振动单元(方形)按矩形阵列排布的结构示意图；

图5为本发明其中一实施例中振动体上振动单元(正六边形)按矩形阵列排布的结构示意图；

图6为本发明其中一实施例中振动体上振动单元(圆形)按圆形阵列排布的结构示意图；

图7为本发明实施例中超声波发生器的剖视结构示意图；

图8为本发明其他实施例中超声波发生器的剖视结构示意图；

图9为本发明实施例中超声波发生器的电路框图；

图10为本发明实施例中四个振动单元的间距为6mm时的共振模态模拟结果图；

图11为图10中单个振动单元的共振模态模拟结果图；

图12为本发明实施例中振动单元的间距为7mm时的共振模态模拟结果图；

图13为本发明实施例中振动单元的间距为8mm时的共振模态模拟结果图；

图14为本发明其他实施例中超声波发生器的分体结构示意图；

图15为本发明又一实施例中超声波发生器的分体结构示意图。

附图标记为：1-振动体、11-第一面、12-第二面、2-支撑体、3-发声驱动器、31-振动单元、311-第一振动部、312-第二振动部、313-空气间隙、314-胶环、4-信号发生器、41-载波信号发声单元、42-调制单元、43-信号调整单元、431-信号放大单元、432-功率放大单元、433-滤波器、434-匹配电路。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1～图9所示，本发明所揭示的一种超声波发声器包括振动体1、支撑体2和位于振动体1和支撑体2之间的发声驱动器3，发声驱动器3通过加载超声波信号驱动振动体1振动，且超声波信号在空气传播中自解调产生可听声，从而实现振动体1定向发声。由于超声波信号的指向性明显优于可听声，所以可以提高振动体1发声的指向性。

结合图1、2和图7所示，振动体1具有相对的第一面11和第二面12，实施时，振动体1可以是屏幕，如可以是LCD屏或OLED屏等，材质可以是玻璃、塑料等。本发明对振动体1的形状、大小、尺寸等均不做限制，不同厚度和不同材质的屏幕会有不同的机械共振频率。优选地，振动体1一般设置为长方体状，厚度优选为0.01mm～10mm，振动幅度优选为1um～20um之间。

支撑体2用于对发声驱动器3进行振动支撑，实施时，支撑体2一般采用不易变形的刚性材质，如采用铁板作为支撑体2，具体可以是背板。本发明对支撑体2的尺寸、材质等也不做限制，只要能提供发声驱动器3工作所需的足够支撑力即可。优选地，支撑体2的大小与振动体1的大小相配合适应，如与振动体1的大小相同，当然也可与振动体1的大小不同。

发声驱动器3设置于振动体1和支撑体2之间，通过对发声驱动器3加载超声波信号，使发声驱动器3产生垂直于振动体1方向的振动，带动振动器振动发声。具体地，发声驱动器3包括多个振动单元31，多个振动单元31设置于振动体1的第二面12上，且在第二面12上阵列排布。本发明对振动单元31的形状不限，如可以是圆形、方形或正六边形等。每个振动单元31的尺寸也可以根据具体需要调整，如是圆形时，其直径优选为1mm～100mm，如是正方形时，其边长优选为1mm～100mm，如是正六边形时，其边长优选为0.5mm～9.5mm。多个振动单元的阵列排布方式可以是但不限于是圆形阵列排布方式和矩形阵列排布方式中的一种或者两种组合，其中，优选按圆形阵列排布方式，按圆形阵列排布方式时，相邻两个振动单元之间的间隔距离优选为2mm～20mm；如按矩形阵列排布方式时，相邻两个振动单元之间的间隔距离优选也为2mm～20mm。这里的间隔距离L为相邻两个振动单元的中心点之间的距离。

每个振动单元31包括第一振动部311和第二振动部312，其中，第一振动部311设置于振动体1的第二面12上，且与第二面12之间形成有空气间隙313。具体地，第二振动部312的外侧边缘一圈与振动体1的第二面12相贴合，除外侧边缘外的其他部位则与振动体1的第二面12之间形成空气间隙313。实施时，第二振动部312的外侧边缘与振动体1的第二面12之间可以采用但不限于采用胶粘固定贴合，也就是说，第二振动部312上涂胶的轨迹是环形的，形成胶环314，可使第二振动部312和振动体1之间预留有供空气流动的空气间隙313，该空气间隙313以提供振动体1振动所需的振动空间。其中，第二振动部312上涂胶的宽度也可以根据需要进行调整，本发明对此不做限制，优选胶环314的宽度为0.1mm～2mm，厚度为0.05mm～1mm。实施时，第一振动部311一般采用金属片，如铜片或其他导体材料片，在其他替换实施例中，也可以是压电陶瓷片。另外，在其他替换实施例中，空气间隙313内也可以填充弹性填充物，弹性填充物包括胶等。

第二振动部312与第一振动部311相贴合，其形状、大小与第一振动部311相对应。具体地，第二振动部312与第一振动部311通过胶粘完全贴合。实施时，第二振动部312一般是压电陶瓷片。第二振动部312与支撑体2之间通过柱状的胶体贴合。或者，也可以第一振动部311一面通过胶环314与与支撑体2相贴合，与支撑体2之间形成有空气间隙313，另一面与第二振动部312完全贴合，第二振动部312的另一面与振动体1之间通过柱状的胶相贴合。

优选地，当本发明中的超声波发声器的机械共振频率与加载的超声波信号频率相近时，可以发出更大的可听声。而超声波发声器的机械共振频率与振动体1的厚度、材质、振动单元31的排布方式和驱动频率(即超声波信号频率)等有关，而不同厚度和材质的振动体1会有不同的机械共振频率，所以相应的振动单元31的排列方式和驱动频率均需要做相应的调整，以使超声波发声器获得最大的发声效率。如在振动体1的厚度、材质、振动单元31的排布方式等固定的情况下，通过调整振动单元31之间的间距，将超声波发生器的一阶共振模态定在20kHz～200kHz附近，此时，若超声波信号频率为20kHz～200kHz，可以激发超声波发生器更大的振幅。

在另一替换实施例中，如图14所示，本发明所揭示的发声驱动器3＇包括多个振动单元31＇，多个振动单元31＇设置于振动体1的第二面12上，每个振动单元31＇在第二面12上沿第一方向延伸分布，定义这里的第一方向为振动体1的宽度方向，如X方向，且每个振动单元31＇在第一方向的延伸长度小于等于振动体1在第一方向上的宽度。多个振动单元31＇在第二面12上沿与第一方向相垂直的第二方向间隔排布，定义这里的第二方向为振动体1的长度方向，如Y方向。

本实施例中，每个振动单元31包括一片或多片压电陶瓷片，每片压电陶瓷片与第二面12相垂直设置，即每片压电陶瓷片在振动体1的第二面12上沿第三方向竖直设置，定义这里的第三方向为Z方向。多片压电陶瓷片在第二面12上沿上述第一方向相层叠设置。

本发明对每个压电陶瓷片的形状不限，优选为圆形的，在其他替换实施例中，也可以是多边形，如正六边形等。每个压电陶瓷片的尺寸也可以根据具体需要调整。相邻两个振动单元之间的间隔距离优选为2mm～20mm。

在又一实施例中，如图15所示，本发明所揭示的发声驱动器3＇＇包括多个振动单元31＇＇，多个振动单元31＇＇设置于振动体1的第二面12上，每个振动单元31＇在第二面12上沿上述第三方向(即Z方向)延伸分布，定义这里的第三方向为与振动体1相垂直的方向，且每个振动单元31＇的宽度小于等于振动体1在第一方向上的宽度。多个振动单元31＇在第二面12上沿上述第二方向(即Y方向)间隔排布。

在该实施例中，每个振动单元31＇＇同样包括一片或多片压电陶瓷片，每片压电陶瓷片与第二面12相平行设置，即每个振动单元31＇＇的多片压电陶瓷片在振动体1的第二面12上沿第三方向依次相层叠设置。相邻两个振动单元之间的间隔距离也优选为2mm～20mm。

优选地，所有振动单元31发出的超声波信号的参数均相同或者均不同或者部分相同，参数包括信号强度、发送时间，通过调整振动单元31发出的超声波信号的参数，使发声驱动器3发出的声波方向可调或不可调。具体地，如采用不同的相位差或者延迟时间差激励发声驱动器3的不同的振动单元，根据声波叠加原理实现发声驱动器3的声束偏转，从而使发声驱动器3发出的声波方向可调。又如，当所有振动单元31发出的超声波信号的时间相同时，发声驱动器3发出的声波朝固定方向发送。

本发明的超声波发声器还包括与发声驱动器3相连的信号发生器4，用于发出超声波信号给发声驱动器3，驱动发声驱动器3振动，发声驱动器3振动的同时带动振动体1振动，实现振动体1振动发声。实施时，信号发生器4优选包括载波信号发声单元41、调制单元42和信号调整单元43，其中，载波信号发声单元41用于发出超声波载波信号，信号频率可以从20kHz到200kHz。实施时，载波信号发声单元41可以采用MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，专用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)以及其它能实现此功能的器件或电路。调制单元42与载波信号发声单元41相连，用于接收超声波载波信号和音频信号，并将超声波载波信号和音频信号进行振幅调制，生成超声波调制信号。实施时，调制方式可采用AM(调幅)调制，调制算法可以包含但不限于：双边带调制、单边带调制、近似平方根调制、平方根截断双边带调制，其中，单边带调制法可以提升系统效率，调制方法可以采用但不限于：滤波法、移相法、移相滤波法等。信号调整单元43用于对超声波调制信号进行调整，发出调制了音频信号的超声波信号。具体地，信号调整单元43可包括信号放大单元431、功率放大单元432、滤波器433和匹配电路434，其中，信号放大单元431与调制单元42相连，用于将已调制的超声波调制信号的幅度进行放大，可以提升超声波调制信号的幅度。实施时，信号放大单元431可以使用比例放大器或其它可以实现相同功能的电路或器件。功率放大单元432与信号放大单元431相连，用于对超声波调制信号进行功率放大，实施时，功率放大单元432可以使用集成功放芯片或分离式元器件组成的H桥或半桥电路以及其它可以实现功率放大的电路或器件。滤波器433与功率放大单元432相连，用于对超声波调制信号进行滤波处理，实施时，滤波器433可以使用椭圆滤波器、切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器或其它能实现低通滤波功能的电路。匹配电路434与滤波器433相连，用于根据负载进行调整，使输出发声驱动器3所需的电压。实施时，匹配电路434可以使用但不限于使用串联电感、并联电感、LC或LC串联电容等方法实现。

下面以固定胶环314的宽度为0.5mm，胶环高度(即厚度)设置为0.1mm不变，振动体的厚度设置为0.1mm不变，仅改变相邻两个振动单元之间的间距，胶环的外/内径尺寸也相应发生改变，但胶环宽度不变，即改变单个振动单元的大小，对应的，相邻两个振动单元之间的间距也随之改变。下面以改变两个振动单元之间的间距从6mm～8mm，得到不同的共振模态模拟结果图。

如图10和图11所示，为一个振动体1上设置四个振动单元31，相邻两个振动单元31之间的间距sdriver设置为6mm，且加载的超声波信号的频率为50kHz～68kHz时，四个振动单元31基本处于同向振动状态，在共振频率(如67kHz)附近振幅达到最大，当频率超过68kHz(如达到69kHz)后，开始出现反向振动。

如图12所示，为一个振动体1上设置四个振动单元31，相邻两个振动单元31之间的间距sdriver设置为7mm，且加载的超声波信号的频率为30kHz～45kHz时，四个振动单元31基本处于同向振动状态，在共振频率(如44kHz)附近振幅达到最大，当频率超过45kHz(如达到49kHz)后，开始出现反向振动。

如图13所示，为一个振动体1上设置四个振动单元31，相邻两个振动单元31之间的间距sdriver设置为8mm，且加载的超声波信号的频率为25kHz～35kHz时，四个振动单元31基本处于同向振动状态，在共振频率(如32kHz)附近振幅达到最大，当频率超过35kHz(如达到38kHz)后，开始出现反向振动。

本发明还提出了一种显示器，其包括上文所述的超声波发生器，该超声波发生器可以作为显示屏的一部分。当超声波发生器作为显示器的一部分时，振动体可以是屏幕，屏幕的种类不限，例如可以是LCD显示器或者OLED显示器等，材质可以是玻璃或者塑料等。

本发明还提出了一种电子设备，其包括上文所述的超声波发生器或者上文所述的显示器。电子设备可以是但不限于是电脑、手机、电视等显示设备。

本发明的优点在于，1、本发明通过对发声驱动器3的振动单元31的排列方式、振动单元31的大小、振动单元31之间的间距、超声波信号的频率等进行调整，避免了分割振动带来的声音失真，且可以降低发声器整体的振动振幅，提高整个发声器的可靠性，不易出现折断或剥离。2、本发明通过加载20kHz以上的超声波信号进行振动发声，由于超声波指向性明显优于可听声，从而提高发声器的声音指向性。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (15)

1.一种超声波发声器，其特征在于，包括：

振动体，其具有相对的第一面和第二面；

发声驱动器，包括多个设置于振动体的第二面的振动单元，多个所述振动单元在第二面上阵列排布，每个所述振动单元与第二面之间设置有空气间隙，相邻两个振动单元的间距为2mm～100mm，且每个振动单元的大小为1mm～100mm；所述发声驱动器加载超声波信号，产生垂直于振动体方向的振动，带动所述振动器振动发声；

每个所述振动单元包括第一振动部和第二振动部，所述第一振动部的一面设置于振动体的第二面上且与所述第二面之间设置有所述空气间隙，相对的另一面与所述第二振动部相贴合。

2.如权利要求1所述的超声波发声器，其特征在于，所有所述振动单元发出的超声波信号的参数均相同或者均不同或者部分相同，通过调整振动单元发出的超声波信号的参数，使发声驱动器发出的声波方向可调或不可调，所述参数包括信号强度、发送时间、信号幅值和信号相位中的一种或两种以上的组合。

3.如权利要求1所述的超声波发声器，其特征在于，所述阵列排布包括圆形阵列排布和矩形阵列排布中的一种或两种的组合。

4.如权利要求1所述的超声波发声器，其特征在于，所述振动体的机械共振频率与加载的所述超声波信号的频率相同或相接近。

5.如权利要求1所述的超声波发声器，其特征在于，所述超声波信号的频率为20kHz～200kHz以上。

6.如权利要求5所述的超声波发声器，其特征在于，所述超声波发声器还包括与所述发声驱动器相连的信号发生器，所述信号发生器包括：

载波信号发声单元，用于发出超声波载波信号；

调制单元，与所述载波信号发声单元相连，用于接收所述超声波载波信号和音频信号，并将所述超声波载波信号和所述音频信号进行振幅调制，生成超声波调制信号；

信号调整单元，用于对所述超声波调制信号进行调整，发出调制了音频信号的所述超声波信号。

7.如权利要求1所述的超声波发声器，其特征在于，每个所述第一振动部的外侧边缘与振动片的第二面相贴合，其他部位则与所述振动片的第二面之间则形成所述空气间隙，每个所述第二振动部全部与第一振动部相贴合。

8.如权利要求7所述的超声波发声器，其特征在于，所述第一振动部的外侧边缘与振动片的第二面之间、所述第二振动部与第一振动部之间均通过胶粘接固定。

9.如权利要求1所述的超声波发声器，其特征在于，所述第一振动部为金属片或压电陶瓷片，所述第二振动部为压电陶瓷片。

10.如权利要求7所述的超声波发声器，其特征在于，所述空气间隙内填充有弹性填充物，所述弹性填充物包括胶。

11.一种显示器，其特征在于，包括上述权利要求1～10任意一项所述的超声波发声器。

12.如权利要求11所述的显示器，其特征在于，所述振动体为屏幕。

13.如权利要求12所述的显示器，其特征在于，所述屏幕为LCD屏或OLED屏，所述LCD屏或OLED屏的材质为玻璃或塑料材质。

14.如权利要求12或13所述的显示器，其特征在于，所述屏幕的厚度为0.01mm～10mm，振幅在1um～20um之间。

15.一种电子设备，其特征在于，其包括上述权利要求1～10任一项所述超声波发声器，或者，其包括如权利要求11～14所述的显示器。