CN1161000C - 机-声分频网络及其变换器 - Google Patents

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Abstract

通过加入磁性阻尼元件(106)，一种通常提供非线性硬化弹簧响应的张紧衔铁往复式脉冲变换器(100)适于提供非线性软化弹簧响应。可使用两个或多个张紧衔铁往复式脉冲变换器(100)来产生机声分频网络(700)，当这两个张紧衔铁往复式脉冲变换器(100)中的至少一个适于提供非线性软化弹簧响应时，该机声分频网络(700)产生宽频响应。该机声分频网络(700)允许多个张紧衔铁往复式脉冲变换器(100)按照一个信号输出同时工作。当机声分频网络(700)被封闭在外壳(812)中时，该机声分频网络(700)可起传递音频输出的耳机的作用。

Description

机-声分频网络及其变换器
技术领域
本发明涉及电磁变换器，更具体地说涉及利用非线性硬化弹簧和软化弹簧张紧衔铁往复式脉冲变换器的机声分频网络。
背景技术
扬声器系统利用低频(低音)、中频和高频(高音)扬声器来提供再现具有很宽频率范围的音频节目内容所需的宽广的工作频率范围。这种扬声器系统常常依靠分频网络把音频节目内容分离成低频、中频和高频分量，以便由低频、中频和高频扬声器最佳地再现。这种分频网络通常较为复杂，并增大了扬声器系统的费用。
为了向便携式射频接收器提供收听能力，常常依赖于耳机。这种耳机中通常使用压电变换器提供呈现该音频节目内容所需的频率响应。从而，不存在单独处理音频节目内容的低频、中频和高频分量的装置，常常导致从耳机获得的是不太完美的宽频响应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够低频响应的变换器，该变换器可与具有中频和高频响应的其它变换器耦合，而不需要分频网络来提供宽广的工作频率范围。
根据本发明的一个方面，提供了一种张紧衔铁往复式脉冲变换器，包括：电磁激励器，用于响应输入信号，实现交变电磁场；与所述电磁激励器耦合，并包括基本平行的上、下平面悬挂部件的衔铁，所述基本平行的上、下平面悬挂部件均包含围绕平面环形区域内的中心平面区域规则布置的多个独立的平面非线性弹簧件；运动质量块，支承围绕所述运动质量块规则布置的多个永磁铁，并且在所述中心平面区域附近悬挂在所述基本平行的上、下平面悬挂部件之间，所述多个永磁体与所述交变电磁场耦合，以便响应交变电磁场，交替地移动所述运动质量块；与和所述多个永磁体相对的所述平面环形区域相连的多个磁阻尼元件，其中每个磁阻尼元件与一个永磁体相互作用，从而提供非线性软化弹簧响应。
根据本发明的另一个方面，提供了一种机声分频网络，包括：共享一个信号输入的第一以及至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器，其中所述第一及至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器中的至少一个提供非线性软化弹簧响应；共鸣板；及基座，包括：安装所述第一及至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器的平台，和与所述平台结合、并与所述共鸣板耦合的底座，所述底座使由所述第一和至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器产生的触觉能与所述共鸣板耦合，以便产生声能。
附图说明
图1是适于在根据本发明的机声分频网络里使用的张紧衔铁往复式惯性变换器的正顶视图，
图2是沿图1的张紧衔铁往复式惯性变换器的2-2截面的横截面图，
图3是在图1的张紧衔铁往复式惯性变换器中使用的独立平面非线性弹簧件的顶视图，
图4是在图1的张紧衔铁往复式惯性变换器中使用的平面非线性复式弹簧件的顶视图，
图5描绘了当图1的利用非线性，硬化弹簧型共振系统的张紧衔铁往复式惯性变换器作为变换器被激励时，随频率而变的脉冲输出，
图6描绘了当图1的利用非线性，软化弹簧型共振系统的张紧衔铁往复式惯性变换器作为变换器被激励时，随频率而变的脉冲输出，
图7和8是根据本发明的机声分频网络的正顶视图和前侧视图，
图9是根据本发明的机声分频网络的电气方框图，
图10和图11是根据本发明第二实施例的机声分频网络的正顶视图和前侧视图。
具体实施方式
图1是张紧衔铁往复式惯性变换器100的正顶视图，该变换器提供供根据本发明的机声分频网络里使用的非线性软化弹簧响应。图1中所示的是起底盘作用的线圈架102，底盘封闭电磁线圈104(图2)，电磁线圈104起电磁激励器作用，以便响应输入信号实现交变电磁场，从而对运动质量块116产生运动，下面将对此详细说明。利用塑性材料，例如充填30％玻璃的液晶聚合物，使用常规的双注射注模(doubleshot injection molding)技术制造线圈架102，除了为电磁线圈104提供电线接头的端子126之外，塑性材料完全封闭线圈104。应理解对于线圈架102，也可使用其它塑性材料，以及其它构型，例如支承线圈的绕线管，浸渍环氧树脂材料以提供结构刚度的开式绕线线圈。线圈架102在平面环形区域108周围形成其上支承两个平面悬挂部件110的两个平面环形支承面130(图2)，还包括用于利用打桩方法，例如假定使用加热或超声波，把平面悬挂部件110定位并固定到线圈架102上的8个连续模塑凸起部132。上、下平面悬挂部件110基本上相互平行，并且如1994年7月5日发布的McKee等的美国专利No.5327129“Stabilized Electromagnetic Resonant Armature Tactile Vibrator”中描述的那样，用于稳定磁性运动质量块的运动，该专利被转让给本发明的受让方。
如同下面所述，上、下平面悬挂部件110均包含4个独立的平面非线性弹簧件112，这4个弹簧件被规则地布置在平面中心区域114的周围，平面中心区114用于最好也通过利用打桩方法，设置并把运动质量块116固定在两个平面悬挂部件110上。平面非线性弹簧件112最好由例如下面的图3中所示的，及如1996年6月4日发布的Mooney等的美国专利No.5524061“Dual Mode Transducer”中显示和描述的具有圆形外圆周和椭圆形内圆周的一对弹簧件形成，该美国专利被转让给本发明的受让方。平面悬挂部件110最好由薄钢板制成，例如SandvikTM7C27M02铬钼马氏体不锈钢，或者17-7PH热处理CH900沉淀硬化不锈钢。也可利用其它抗磁材料。最好借助化学蚀刻或加工技术形成平面悬挂部件。利用Zamak 3锌压铸用合金，使用常规的压铸技术制造运动质量块116，不过也可使用其它材料。
张紧衔铁往复式惯性变换器100的部件的布置是这样的，以致运动质量块116可沿垂直于两个平面悬挂部件110的平面的方向上下移动，该移动受独立的平面非线性弹簧件112响应该移动而提供的回复力限制。这样形成运动质量块116，以便存在在运动质量块116的极限偏移过程中，允许运动质量块116贯穿并围绕独立的平面非线性弹簧件112延伸的成形通道118，从而和没有成形通道118的情况相比，为张紧衔铁往复式惯性变换器100提供更大的质量/体积比。举例来说，运动质量块116包括围绕在运动质量块116的圆周规则布置的4个快速极化永磁体120。这4个快速极化永磁体120与电磁线圈104磁耦合，以便电磁线圈产生的电磁场交替地移动运动质量块116，通过平面非线性弹簧件112和底盘，或者线圈架102，运动质量块116的运动被转换成沿平行于运动质量块116的轴142的方向产生的动能，并且如下所述，当与共鸣板耦合时，产生声能。
利用最大能量积为28-33，并具有N-S径向取向，从而产生8K-11K奥斯特矫顽力的钐钴磁钢制造这4个快速极化永磁体120，不可也可利用其它磁性材料，例如AlnicoTM，同时，按照产生的声能数量，发生相应的性能变化。
图1中所示的另一细节包括沿垂直于线圈架102的各个表面(上下表面)的方向伸出的4个径向伸出部分122，用于挤压啮合上平面悬挂部件110的平面环形区域108。在利用位于每个伸出部分122两侧的凸起部132把平面悬挂部件110固定到线圈架102的表面上之后，伸出部分122对平面环形区域108预加负载。利用热能或超声波能量对凸起部132打桩，以便把平面悬挂部件110固定在线圈架102的平面环形区域108上。预加负载的目的是在张紧衔铁往复式脉冲变换器100的工作过程中，防止可听闻的(高频)寄生振动。
参考图2，该图是沿图1的张紧衔铁往复式惯性变换器的2-2截面的横截面图，图中表示了空隙124。空隙124围绕运动质量块116(局部表示)，从而允许运动质量块沿垂直于两个平面悬挂部件110的平面的方向移动。当张紧衔铁往复式脉冲变换器100位于或者被封闭在由诸如铜或铜铍合金之类的抗磁材料，或者诸如注压热塑材料之类的非磁性材料制成的壳体中时，借助把壳体(图中未表示)立桩到线圈架102上的伸出部分128，可利用张紧衔铁往复式脉冲变换器。
如上所述的张紧衔铁往复式惯性变换器100提供例如Mooney等的美国专利No.5524061中描述的非线性硬化弹簧响应，并提供高于该装置的基本工作频率的工作频率范围。在工作频率范围低于装置的基本工作频率，例如提供超低频或超低音响应所需的工作频率的情况下，如下所述，上述提供非线性硬化弹簧响应的张紧衔铁往复式惯性变换器100可适于提供非线性软化弹簧响应。
通过加入磁阻尼元件106(图1中表示了所使用的8个磁阻尼元件中的4个)，可改变上述张紧衔铁往复式惯性变换器的非线性硬化弹簧响应特征，从而提供非线性软化弹簧响应，所述磁阻尼元件布置在各个快速极化永磁体120的附近。磁阻尼元件106最好由不易于磁化的薄金属板，例如熟铁形成。最好这样形成磁阻尼元件106，以便与4个快速极化永磁体120的表面几何形状相一致，并绕过伸出部分122，从而可利用粘结剂把磁阻尼元件106固定在平面非线性弹簧件112的表面上，平面非线性弹簧112被固定在线圈架102的上下表面上。
通常由张紧衔铁往复式惯性变换器100提供的非线性硬化弹簧响应由平面非线性弹簧件112控制，并产生张紧衔铁往复式惯性变换器100的基本工作频率。借助磁阻尼元件106的加入，获得非性线软化弹簧响应，通过改变磁阻尼元件106的厚度，以及通过调节磁阻尼元件106到4个快速极化永磁体120的距离，例如通过减小4个快速极化永磁体120与磁阻尼元件106表面之间的空隙124，可调节非线性软化弹簧响应的幅度。提供非线性软化弹簧响应的张紧衔铁往复式惯性变换器100的响应在下面表示于图6中。
参考图3，图中表示的是上面描述的可用在根据本发明的张紧衔铁往复式惯性变换器100中的平面非线性弹簧件112的顶视图。该平面非线性弹簧件112由一对弹簧件形成，该对弹簧件具有在其中点逐渐缩减为最小对向宽度X的最大对向宽度2X，最大对向宽度与中央平面区域耦合，并与平面环形区域耦合。平面非线性弹簧件112具有平面，基本上圆形的弹簧件，在一个实施例中，该弹簧件具有圆形内径304及椭圆形外径306，如图3中所示；在另一个实施例中，该弹簧件具有椭圆形内径304和圆形外径306。也可利用逐渐缩减弹簧件的宽度，提供非线性硬化弹簧响应的其它弹簧件几何形状。
参见图4，该图是也可用在张紧衔铁往复式脉冲变换器100中的平面非线性弹簧件112的顶视图。平面非线性弹簧件112包括关于邻接的平面中心区114对称连接的一对并置平面组合梁402和404。并置平面组合梁402和404还与平面环形区域108相连。并置的平面组合梁402和404分别包括两个独立的同心弓形梁，内梁402A和404A，及外梁402B和404B，每个梁都具有相同，或者大体上恒定的弹簧刚性系数(K)。如1996年8月13日公布的Holden等的美国专利No.5546069“Taut Armature Reciprocating Impulse Transducer”中描述的那样，通过在梁的功能梁长度范围内，和外梁宽度成比例地降低内梁宽度，获得大体恒定的弹簧刚性系数，上述专利被转让给本发明的受让人，并作为参考包含于此。
并置的平面组合梁402和404通过倒角区域，或者半径大于外梁402B和404B的平均宽度的圆角416和圆角418与平面中心区域114及与平面环形区域108相连。圆角416和圆角418显著降低在并置平面组合梁402和404与平面中心区域114和与平面环形区域108的接合处产生的应力。
图5是描绘提供非线性硬化弹簧响应的张紧衔铁往复式脉冲变换器的随输入频率而变的脉冲输出频率的曲线图500。张紧衔铁往复式脉冲变换器可被在提供下脉冲输出502的第一驱动频率和提供上脉冲输出504的第二驱动频率之间工作的扫描输入频率驱动，以提供触觉报警装置，Holden等的美国专利No.5546069和Mooney等的美国专利No.5524061所述的那样。继续把输入频率扫描到更高的驱动频率，将产生脉冲输出506，该脉冲输出506是不稳定的，将导致跳变到脉冲输出510。
张紧衔铁往复式脉冲变换器100还可起声变换器的作用，再现，例如音乐演出，这种情况下，只有高于工作状态510的那些脉冲频率才是所希望的。但是，要认识到对于听众来说，在导致张紧衔铁往复式脉冲变换器在工作状态502和504之间工作的音乐演出的再现过程中，产生的任何瞬时脉冲响应大都难以察觉，并且将以触觉响应，而不是声响应的形式被感觉出。
图6是描绘提供如上所述的非线性软化弹簧响应的张紧衔铁往复式脉冲变换器100的随输入频率而变的脉冲输出频率的曲线图600。和提供非线性硬化弹簧响应的张紧衔铁往复式脉冲变换器不同，随着在工作状态602和604之间扫描输入频率的降低，提供非线性软化弹簧响应的张紧衔铁往复式脉冲变换器产生逐渐增大的脉冲响应。如上所述，在本发明中，非线性软化弹簧响应是由于4个快速极化永磁体120和磁阻尼元件106的相互作用的结果。随着运动质量块116的位移量的增大，4个快速极化永磁体120和磁阻尼元件106间的相互作用程度也逐渐增大，直到获得不稳定的脉冲输出606时为止，此时，将得到脉冲输出610。
图7是根据本发明的机声分频网络700的正视图。机声分频网络700最好包括考虑到频率响应特征而选择的3个张紧衔铁往复式脉冲变换器，以便为例如由音频源708提供的音乐节目提供低频，中频和高频响应。以下面将描述的一种方式组合低频，中频和高频响应，产生宽频范围(高保真度)变换器。将认识到通过使用考虑到频率响应特征而选择的，以便为音乐节目提供低频和高频响应的两个张紧衔铁往复式脉冲变换器，可获得满意的宽频范围变换器，根据下面的说明，这一点将是显而易见的。
下表1中提供了机声分频网络700中使用的张紧衔铁往复式脉冲变换器的特征：
参考号数    响应    功能    衔铁类型
702         软化    低频    单非线性软化弹簧
704         硬化    中频    单非线性硬化弹簧
706         硬化    高频    复合非线性硬化弹簧或
                            多个单非线性硬化弹簧
                           表1
张紧衔铁往复式脉冲变换器702提供软化弹簧响应，并利用具有如图3中所示的单平面非线性弹簧112的上下平面悬挂部件110，并结合磁阻尼元件106，为音乐节目提供低频响应。提供硬化弹簧响应的张紧衔铁往复式脉冲变换器704也利用具有如图3中所示的单平面非线性弹簧112的上下平面悬挂部件110，为音乐节目提供中频响应。张紧衔铁往复式脉冲变换器706利用具有如图4中所示的复合平面非线性弹簧的上下平面悬挂部件110，为音乐节目提供高频响应。
虽然张紧衔铁往复式脉冲变换器100表示的是只使用单个上平面悬挂部件和单个下平面悬挂部件，但是张紧衔铁往复式脉冲变换器706也可使用多个上下平面悬挂部件110，例如两个上平面悬挂部件和两个下平面悬挂部件，每个悬挂部件具有如图3中所示的单平面非线性弹簧112，以便为音乐节目提供高频响应。机声分频网络700可与音频放大器的输出相连，并且不需要如当在扬声器系统中连接低音，中音和高音扬声器时那样使用电分频网络。
图8是根据本发明的机声分频网络700的前侧视图800，图9是根据本发明的机声分频网络的电气方框图。机声分频网络700包括共鸣板802，共鸣板802可与使用者的耳朵配合，如图中所示由耳机提供共鸣板802。如图8中所示，三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706通过包含平台801的基座与共鸣板802耦合，平台801提供三个独立的平台部分804，806和808，所形成的每个平台部分分别为三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706之一提供台座。这三个平台部分804，806和808与图8中所示的底座810结合，底座810使三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706产生的触觉能(tactile energy)同共鸣板802耦合，以便当使用者戴上耳机时，产生声能。三个平台部分804，806和808围绕轴814彼此间隔，例如120°(360°/N，其中N是平台支承的非线性脉冲变换器的数目)距离，轴814从中心贯穿底座810和共鸣板802。底座810最好在平台801和共鸣板802的附近形成，并可利用常规的注模技术和热固性塑料材料制造。底座810及三个平台部分804，806和808有效地混合由三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706产生的低音，中音和高音响应；并且由于底座810的尺寸显著小于共鸣板802，从而使共鸣板802的刚度降至最低，导致使共鸣板802能够产生的低频响应达到最大，从而使共鸣板802能够更如实地再现三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706的低音，中音和高音响应。机声分频网络700可被封闭在外壳812中，以提供耳机，耳机具有诸如使共鸣板802与使用者的耳朵耦合的头带之类的构造。在本领域中，众所周知头带适于和耳机一起使用。两个机声分频网络可连接在头带上，该头带于是提供耳机组，从而当机声分频网络与立体声音频源耦合时，提供立体声声音。
如图10和11中所示，还可利用矩形张紧衔铁往复式脉冲变换器，例如Holden等的美国专利No.5546069“Taut Armature ResonantImpulse Transducer”中描述的矩形张紧衔铁往复式脉冲变换器实现根据本发明的机声分频网络。当利用矩形张紧衔铁往复式脉冲变换器时，三个变换器中的至少一个变换器包括产生非线性软化弹簧响应的磁阻尼元件。如图所示，机声分频网络1000包括可以耳机的耳状罩碗的形式形成的共鸣板1002。三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706通过包括平台1010的基座与共鸣板1002结合，平台1010为三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706提供台座。平台1010与图11中所示的底座1012结合，底座1012使三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706产生的声能与共鸣板1002耦合。平台1010绕轴1014固定在共鸣板1002上，轴1014从中心贯穿底座1012和共鸣板1002。底座1012最好在平台1010和共鸣板1002的附近形成，并可利用常规的注模技术和热固性塑料材料制造。如上所述，底座1012及平台1010有效地混合三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706的低音，中音和高音响应；并且由于底座1012的尺寸显著小于共鸣板1002，从而使共鸣板1002的刚度降至最低，导致使共鸣板1002的低频响应达到最大，从而使共鸣板1002能够更如实地再现三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706的低音，中音和高音响应。三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706平台1010上的位置可以互换。
应注意机声分频网络700和机声分频网络1000中使用的三个张紧衔铁往复式脉冲变换器702，704和706在很宽的频率范围内产生触觉能，触觉能在共鸣板内被转化为声能。由于产生触觉能，因此可根据乳突骨作用直接放置共鸣板，以便利用“骨传导”作用，通过感官刺激产生声音。
总之，上面已描述了虽然通常提供非线线性硬化弹簧响应，但是可被改变，从而提供非线性软化弹簧响应的张紧衔铁往复式脉冲变换器。两个或多个张紧衔铁往复式脉冲变换器可用于产生机声分频网络，当这两个张紧衔铁往复式脉冲变换器中的至少一个提供非线性软化弹簧响应时，该机声分频网络按照本发明工作。机声分频网络允许多个张紧衔铁往复式脉冲变换器按照一个信号输入同时工作，以提供具有很宽频率响应的变换器。当机声分频网络被封闭在壳体中时，该机声分频网络可起传递音频输出，例如音乐节目的耳机的作用。

Claims (7)

1.一种张紧衔铁往复式脉冲变换器，包括：
电磁激励器，用于响应输入信号而实现交变电磁场；
与所述电磁激励器耦合、并包括基本平行的上、下平面悬挂部件的衔铁，所述基本平行的上、下平面悬挂部件均包含围绕平面环形区域内的中心平面区域规则布置的多个独立的平面非线性弹簧件；
运动质量块，支承围绕所述运动质量块规则布置的多个永磁铁，并且在所述中心平面区域附近悬挂在所述基本平行的上、下平面悬挂部件之间，所述多个永磁体与所述交变电磁场耦合，以便响应交变电磁场，交替地移动所述运动质量块；
与和所述多个永磁体相对的所述平面环形区域相连的多个磁阻尼元件，其中每个磁阻尼元件与一个永磁体相互作用，从而提供非线性软化弹簧响应。
2.按照权利要求1所述的张紧衔铁往复式脉冲变换器，其中所述多个独立的平面非线性弹簧件中的每一个均由具有在其中点逐渐缩减为最小对向宽度的最大对向宽度的一对弹簧件构成，所述最大对向宽度与所述中心平面区域，以及与所述平面环形区域结合。
3.按照权利要求2所述的张紧衔铁往复式脉冲变换器，其中所述多个独立的平面非线性弹簧件产生非线性硬化弹簧响应。
4.一种机声分频网络，包括：
共享一个信号输入的第一以及至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器，其中所述第一及至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器中的至少一个提供非线性软化弹簧响应；
共鸣板；及
基座，包括：
安装所述第一及至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器的平台，和
与所述平台耦合、并与所述共鸣板耦合的底座，所述底座使由所述第一和至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器产生的触觉能与所述共鸣板耦合，以便产生声能；
所述张紧衔铁往复式脉冲变换器，包括：
电磁激励器，用于响应输入信号而实现交变电磁场；
与所述电磁激励器耦合、并包括基本平行的上、下平面悬挂部件的衔铁，所述基本平行的上、下平面悬挂部件均包含围绕平面环形区域内的中心平面区域规则布置的多个独立的平面非线性弹簧件；
运动质量块，支承围绕所述运动质量块规则布置的多个永磁铁，并且在所述中心平面区域附近悬挂在所述基本平行的上、下平面悬挂部件之间，所述多个永磁体与所述交变电磁场耦合，以便响应交变电磁场，交替地移动所述运动质量块；
与和所述多个永磁体相对的所述平面环形区域相连的多个磁阻尼元件，其中每个磁阻尼元件与一个永磁体相互作用，从而提供非线性软化弹簧响应。
5.按照权利要求4所述的机声分频网络，其中当所述信号输入与音频信号耦合时，提供非线性软化弹簧响应的所述至少一个张紧衔铁往复式脉冲变换器产生低频响应。
6.按照权利要求4所述的机声分频网络，其中所述平台包含安装所述第一张紧衔铁往复式脉冲变换器的第一平台部分，以及安装所述至少第二张紧衔铁往复式脉冲变换器的至少一个第二平台部分。
7.按照权利要求6所述的机声分频网络，其中所述平台部分被设置成彼此间隔360°/N，其中N是所述平台支承的张紧衔铁往复式脉冲变换器的数目。
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