CN118102182A - 发声装置和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种发声装置以及电子设备。发声装置包括换能器以及反射件,所述反射件与所述换能器间隔设置;所述反射件具有反射面,所述反射面用于反射所述换能器产生的第一声波,所述反射面还用于改变反射后的第一声波的传播方向,或者改变反射后的第一声波的能量,反射后的第一声波调制形成第二声波。上述发声装置体积较小,且低频声压级较高。
Description
技术领域
本申请涉及音频技术领域,特别涉及一种发声装置和电子设备。
背景技术
微型扬声器在当前众多消费电子产品中应用广泛,为广大消费者提供了音频娱乐,增强了音频体验。
在声波传播的物理学教导上,在人类可听频率范围(一般为20Hz至20kHz)内,传统扬声器驱动振膜振动所产生的声压可表示为其中Sd为振膜的表面积,A为振膜的加速度。也就是说,声压P正比于振膜的表面积Sd与振膜的加速度A的乘积。此外,振膜的位移D与振膜的加速度A的关系可表示为A=-w2D,其中w为声波的角频率。传统扬声器驱动振膜振动所引起的空气推动量V=D*Sd。因此,声压可重写为/>即声压与空气推动量V成正比,与角频率w的平方呈正比。
举例而言,在传统的电动力学扬声器中,其线圈和磁铁用于产生振膜的驱动力,1kHz的声音是由其振膜于一定的表面积以1kHz振动所产生的,而100Hz的声音也是由振膜以100Hz振动所产生的。若两个频率的声压级(soundpressure level,SPL)相同,则100Hz所需的空气推动量为1kHz所需空气推动量的100倍。换句话说,若两个频率的空气推动量相同,则100Hz声压级比1kHz声压级小40dB。
传统的电动力学扬声器中,振膜在共振频率以前的低频区间内位移一致,空气推动量一致,因此,随着观测频率增加一倍,声压级增加12dB。换句话说,随着观测频率降低一倍,声压级降低12dB。举例而言,若一传统扬声器在某一测试条件下,400Hz的声压级为90dB,则在相同测试条件下,200Hz声压级为78dB。因此传统扬声器有明显的低频下潜特性,低频跌落达到-12dB,斜率大,导致扬声器的低频声压级不足。
为了增加扬声器的低频声压级,提升音频体验,需要增加振膜的位移D或者振膜的表面积A,而增加振膜的表面积A会增加扬声器的横向空间,增加振膜的位移D会增加扬声器的纵向空间。这两种方式均会增加扬声器的空间需求,导致扬声器体积过大,无法堆叠到体积较小的电子产品中。因此,扬声器如何在有限体积下,提升低频声压级是业界亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供一种发声装置及应用该发声装置的电子设备,发声装置的体积较小,且形成的可听声的低频声压级较高。
第一方面,本申请提供一种发声装置。发声装置包括换能器以及反射件,所述反射件与所述换能器间隔设置。所述反射件具有反射面,所述反射面用于反射所述换能器产生的第一声波,所述反射面还用于改变反射后的第一声波的传播方向,或者改变反射后的第一声波的能量,反射后的第一声波调制形成第二声波。
可以理解的是,由于发声装置不再采用传统扬声器结构,而是一方面设置换能器向外部发出第一声波,另一方面,通过设置所述反射面既用于反射所述换能器产生的第一声波,又用于改变反射后的第一声波的传播方向,或者改变反射后的第一声波的能量。此时,空间中的至少一个位置的声压幅度发生变化,第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在一些实施方式中,换能器可以向外部发出超声波。此时,由于超声波具有一定的指向性,且在反射面反射所述换能器产生的第一声波的同时,又改变反射后的第一声波的传播方向,或者改变反射后的第一声波的能量,从而使得空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化。这样,超声波能够在空间中发生调制,以形成第二声波,第二声波可以包括可听声。
可以理解的是,相较于传统的扬声器产生相同声压级的声音,本实施方式的换能器的振动构件的振动位移小于传统的扬声器的振膜的振动位移。
可以理解的是,发声装置可以通过超声换能器的振动构件的小位移振动,即可获得高声压级的可听声,发声装置的低频频响不存在或基本不存在跌落特性,发声装置的低频跌落明显低于12dB,发声装置能够在小体积的情况下,具有较高的低频声压级。小体积的发声装置在有空间要求的场景中具有更广泛的适用性。另外,发声装置可以适用在有限体积的背腔下,依然可实现强劲的低频性能。
另外,通过第一声波的调制所形成的可听声可以具有声波指向性。因此,发声装置可以适合一些私密场景。发声装置播放声音可以朝向特定方向或特定用户。例如,隐私通话场景,当用户打电话时,不希望他人听到我们打电话的下行声音时,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到。再例如,音乐独享场景,周边存在其他人休息,用户想进行影音娱乐时,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到,不打扰周边的人。
在一种可能实现的方式中,所述发声装置包括驱动装置,所述驱动装置用于驱动所述换能器或者所述反射件,所述反射面相对所述换能器做连续转动、往复转动或者往复平移的周期运动。
可以理解的是,通过设置反射面相对所述换能器做连续转动、往复转动或者往复平移的周期运动,从而第一声波经反射面反射后,反射后的第一声波的传播方向发生改变。此时,反射后的第一声波的声压幅度发生周期变化。这样在空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化,第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在一种可能实现的方式中,所述反射面相对所述换能器做往复平移时,所述换能器的中心与所述反射面之间的垂直距离发生变化。
在一种可能实现的方式中,所述驱动装置包括第一电机,所述第一电机的第一输出轴连接所述反射件,用于驱动所述反射件做往复转动或连续转动。
在一种可能实现的方式中,所述反射件做往复转动时,所述反射件的转动角度为θ,其中,所述θ满足:-45°≤θ≤45°。
可以理解的是,当反射件在-45°≤θ≤45°内转动时,发声装置产生的可听声能够在保证具有好的线性度的同时,还可以保证具有很高的能量。
在一种可能实现的方式中,所述驱动装置包括第一悬臂和第二悬臂,所述第一悬臂的活动端连接所述反射件的第一侧,所述第二悬臂的活动端连接所述反射件的第二侧;所述第一悬臂的活动端和所述第二悬臂的活动端做往复振动,其中,在同一段时间内,所述第一悬臂的活动端与所述第二悬臂的活动端的振动方向相反。
可以理解的是,通过第一悬臂的活动端带动所述反射件的第一侧做往复振动,第二悬臂的活动端带动所述反射件的第二侧做往复振动,且在同一段时间内,所述第一悬臂的活动端与所述第二悬臂的活动端的振动方向相反,从而使得反射件可以绕着虚拟转轴做往复转动的周期运动。
可以理解的是,通过第一悬臂的活动端带动所述反射件的第一侧做往复振动,第二悬臂的活动端带动所述反射件的第二侧做往复振动,可以实现反射件较高频率的做往复转动。
在一种可能实现的方式中,所述驱动装置包括伸缩臂,所述伸缩臂连接所述反射件,所述伸缩臂通过伸长和缩短来驱动所述反射件做往复平移运动。
可以理解的是,通过伸缩臂通过伸长和缩短来驱动所述反射件做往复平移运动,可以实现反射件较高频率的做往复平移运动。
在一种可能实现的方式中,所述发声装置还包括底座,所述换能器设置在所述底座上;所述驱动装置用于驱动所述底座,以带动所述换能器相对所述反射面做连续转动、往复转动或者往复平移。
可以理解的是,通过设置换能器相对所述反射面做连续转动、往复转动或者往复平移,从而第一声波经反射面反射后,反射后的第一声波的传播方向发生改变。此时,反射后的第一声波的声压幅度发生周期变化。反射后的第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在一种可能实现的方式中,所述发声装置还包括控制电路,所述控制电路电连接所述换能器和所述驱动装置;所述控制电路用于产生第一控制信号和第二控制信号,所述第一控制信号被配置为驱动所述换能器的振动构件振动,以产生第一声波,所述第二控制信号被配置为控制所述驱动装置驱动所述换能器或者所述反射件,以使所述反射件相对所述换能器做周期运动。以驱动装置驱动所述反射件相对所述换能器做周期运动为例进行描述。
在一种可能实现的方式中,所述第一控制信号的频率包括第一频率f1,所述第一频率f1为单频或者宽频;所述第二控制信号的频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
可以理解的是,通过一方面设置换能器在第一控制信号驱动下产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置反射件在第二控制信号的控制下以第二频率f2做周期运动。此时,在空间中的至少一个位置所接收到的声压幅度发生变化,第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。这样,可以通过设置第一频率f1和第二频率f2的大小,从而使得第二声波中的一种声波的频率落在超声波的范围内,另一种声波的频率落在可听声的频率范围内。由于超声波可以自动被人耳过滤,此时用户就可以听到空间中的一种声波,且该声波为可听声。
在一种可能实现的方式中,所述第二声波的至少部分包括可听声,且所述第一频率f1和所述第二频率f2满足:20Hz≤|f1-f2|≤20kHz。这样,发声装置的第二声波包括可听声,也即发声装置能够发出可听声。
在一种可能实现的方式中,所述第二声波的频率包括|f1-f2|和|f1+f2|。
在一种可能实现的方式中,所述第一频率f1和所述第二频率f2还满足:f1≥20kHz,f2≥20kHz。
可以理解的是,通过将f1和f2均设置为超声波频率,从而保证|f1+f2|一定能够落在超声波范围内,进而保证空间中频率为|f1+f2|的声波不能够被人类所听到。
另外,由于f1≥20kHz,换能器可以向外部发出超声波。超声波具有一定的指向性。超声波在经反射面反射后,空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化。这样,超声波能够在空间中发生调制,以形成第二声波,第二声波可以包括可听声。这样,发声装置可以通过换能器的振动构件的小位移振动,即可获得高声压级的可听声,发声装置的低频频响不存在或基本不存在跌落特性,发声装置的低频跌落明显低于12dB,发声装置能够在小体积的情况下,具有较高的低频声压级。小体积的发声装置在有空间要求的场景中具有更广泛的适用性。另外,发声装置可以适用在有限体积的背腔下,依然可实现强劲的低频性能。
另外,通过具有指向性的第一声波调制形成的可听声,其具有声波指向性。因此,发声装置可以适合一些私密场景。发声装置播放声音可以朝向特定方向或特定用户。例如,隐私通话场景,当用户打电话时,不希望他人听到我们打电话的下行声音时,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到。再例如,音乐独享场景,周边存在其他人休息,用户想进行影音娱乐时,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到,不打扰周边的人。
在一种可能实现的方式中,所述第一频率f1和所述第二频率f2还满足:|f1+f2|≥20kHz。
可以理解的是,第二声波可以包括两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。通过设置所述第一频率f1和所述第二频率f2还满足:|f1+f2|≥20kHz,可以使得频率|f1+f2|的声波可以落在超声波的频率范围内。这样,空间中频率|f1+f2|的声波就可以不能够被人类所听到。
在一种可能实现的方式中,所述换能器的振动构件的振动频率包括第一频率f1,所述第一频率f1为单频或者宽频;所述反射件的运动频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,或者所述换能器的运动频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
可以理解的是,通过一方面设置换能器产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置反射件以第二频率f2做周期运动。此时,在空间中的至少一个位置所接收到的声压幅度发生变化,第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。这样,可以通过设置第一频率f1和第二频率f2的大小,从而使得第二声波中的一种声波的频率落在超声波的范围内,另一种声波的频率落在可听声的频率范围内。由于超声波可以自动被人耳过滤,此时用户就可以听到空间中的一种声波,且该声波为可听声。
或者,通过一方面设置换能器产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置换能器以第二频率f2做周期运动。此时,在空间中的至少一个位置所接收到的声压幅度发生变化,第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。这样,可以通过设置第一频率f1和第二频率f2的大小,从而使得第二声波中的一种声波的频率落在超声波的范围内,另一种声波的频率落在可听声的频率范围内。由于超声波可以自动被人耳过滤,此时用户就可以听到空间中的一种声波,且该声波为可听声。
在一种可能实现的方式中,所述第二声波的频率包括|f1-f2|和|f1+f2|。
在一种可能实现的方式中,所述第二声波的至少部分包括可听声,且所述第一频率f1和所述第二频率f2满足:20Hz≤|f1-f2|≤20kHz。这样,发声装置的第二声波包括可听声,也即发声装置能够发出可听声。
在一种可能实现的方式中,所述反射面的反射系数为R,所述R的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
可以理解的是,通过设置反射件的反射面的反射系数R的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,从而在第一声波入射至反射件时,反射后的第一声波的能量发生改变,并做周期性变化。此时,反射后的第一声波的声波幅度发生周期变化。这样在空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化,第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在一种可能实现的方式中,所述反射件包括盆架、磁路系统、振动构件以及音圈,所述盆架包括依次连接的外周缘、中部及内周缘,所述磁路系统位于所述盆架的内侧且固定于所述盆架的内周缘,所述振动构件的外周缘固定于所述盆架的外周缘,所述振动构件的中部与所述磁路系统相对设置,所述音圈的一端固定于所述振动构件的内周缘,另一端位于所述磁路系统的磁间隙,所述振动构件的远离所述音圈的表面构成所述反射面;所述发声装置包括开关,所述开关电连接所述音圈的输入端和输出端,所述开关用于周期性地闭合和打开所述音圈的输入端和输出端之间的回路。
可以理解的是,通过开关周期性地闭合和打开所述音圈的输入端和输出端之间的回路,从而改变反射面的阻抗Z2,以使反射面的反射系数R的变化包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
在一种可能实现的方式中,所述反射件具有声学亥姆霍兹共鸣器,所述声学亥姆霍兹共鸣器包括第一腔体和第二腔体,所述第二腔体连通所述第一腔体,所述第一腔体的腔壁和所述第二腔体的腔壁构成所述反射面;所述发声装置还包括尺寸调节机构,所述尺寸调节机构设置在所述第二腔体内,所述尺寸调节机构用于周期性地改变所述第二腔体的体积,或者所述尺寸调节机构设置在所述第一腔体内,所述尺寸调节机构用于周期性地改变所述第一腔体的体积。
可以理解的是,通过所述尺寸调节机构周期性地改变所述第二腔体的体积,或者所述尺寸调节机构周期性地改变所述第一腔体的体积,从而改变反射面的阻抗Z2,以使反射面的反射系数R的变化包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
在一种可能实现的方式中,所述反射面的有效面积的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,所述反射面的有效面积为所述反射面与第一声波的接触面积。
可以理解的是,通过设置所述反射面的有效面积的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,从而在第一声波入射至反射件时,反射后的第一声波的能量发生改变,并做周期性变化。此时,反射后的第一声波的声波幅度发生周期变化。这样在空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化,第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在一种可能实现的方式中,所述发声装置还包括外壳,所述外壳设有出音孔,所述出音孔连通所述外壳的内腔与外部空间;所述换能器以及所述反射件均设置在所述外壳的内腔。
可以理解的是,外壳可以用于与电子设备的其他部分提供隔离、连接和固定。此外,通过外壳将所述换能器以及所述反射件封装为一个整体结构,发声装置的整体性好,从而有利于适配发声装置在整机的应用,也即方便其布置到电子设备中。
在一种可能实现的方式中,所述发声装置还包括吸音件,所述吸音件设置在所述外壳的内表面,且与所述出音孔错开设置。
可以理解的是,通过在外壳的内表面设置吸音件,吸音件可以吸收传播至外壳内表面的声波,从而降低声波在外壳内的反射,进而降低可听声的失真。
在一种可能实现的方式中,所述外壳设有声波引导结构,所述声波引导结构与所述出音孔间隔设置,所述声波引导结构将所述外壳的内腔连通至所述外壳的外部空间。
可以理解的是,声波引导结构可以用于将外壳的内腔声波导出到外壳的外部空间。这样,声波引导结构可以用以实现外壳的内腔和外壳的外部之间的气压平衡,从而使得换能器能够顺畅振动,进而在第一控制信号的驱动下形成失真程度小的声波。
在一种可能实现的方式中,所述声波引导结构为开孔和/或管道结构;
所述声波引导结构的最小宽度大于粘滞层厚度dμ,其中,粘滞层厚度dμ满足:
其中,f1为所述第一声波的频率。
在一种可能实现的方式中,所述发声装置还包括调节机构,所述调节机构具有第一出声孔,所述第一出声孔的大小能够变大或者变小;所述调节机构设置在所述外壳上,所述调节机构的第一出声孔连通所述外壳的出音孔。
可以理解的是,当调节机构的第一出声孔的大小变大时,可听声传导的通道的面积较大,这样可听声不容易在第一出声孔处发声衍射。因此,传导至外壳的可听声的指向性不容易发生变化。当调节机构的第一出声孔的大小变小时,可听声传导的通道的面积较小,这样可听声容易在第一出声孔处发声衍射。因此,传导至外壳的可听声的指向性容易发生变化。
可以理解的是,当需要低频指向性时,将第一出声孔的面积增大。此处适合的场景可以为发声装置播放声音朝向特定方向或特定用户。例如,隐私通话场景,当用户打电话时,不希望他人听到我们打电话的下行声音时,调节第一出声孔的孔径变大,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到。再例如,音乐独享场景,周边存在其他人休息,用户想进行影音娱乐时,调节第一出声孔的孔径变大,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到,不打扰周边的人。
在一种可能实现的方式中,所述发声装置还包括前腔滤波器,所述前腔滤波器固定在所述外壳上,所述前腔滤波器的第二出声孔连通所述外壳的出音孔;所述第二出声孔的孔壁为变截面结构或者所述第二出声孔具有亥姆霍兹共鸣器。
可以理解的是,发声装置可以产生至少两种声波频率,例如|f1+f2|和|f1-f2|。其中,可以通过前腔滤波器过滤掉空间中不要的声波频率,以剩下一种频率的声波。例如,可以通过过滤掉频率|f1+f2|的声波,以保留|f1-f2|的声波;或者过滤掉频率|f1-f2|的声波,以保留|f1+f2|的声波。
在一种可能实现的方式中,所述换能器的振动构件发射第一声波的相位满足:
其中,r为所述振动构件上的任一点与所述振动构件的中心之间的距离,λ为所述振动构件发射第一声波对应的波长,f为所述振动构件发射声波对应的焦距。
可以理解的是,当振动构件发射声波的相位满足上述关系式时,可以使得振动构件发射声波的相位实现聚焦,从而增强振动构件的出射声波指向性,进而提高可听声的声压级。
在一种可能实现的方式中,所述换能器还可以包括声波指向件,所述声波指向件设置在所述换能器的振动构件上;所述声波指向件的发射面的形状为锥状。
可以理解的是,声波指向件用于对换能器产生的第一声波的辐射方向进行限制,以增强振膜的出射声波指向性,从而提高可听声的声压级。另外,锥状的发射面能够将第一声波的指向性收窄到60°左右,较大程度地增强振膜的出射声波指向性。
第二方面,本申请提供一种电子设备。电子设备可以发出可听声,且可听声具有较高的声压级。
附图说明
图1是本申请实施例提供的电子设备的部分结构示意图;
图2是本申请实施例提供的发声装置在一些实施例中的示意框图;
图3是图2所示的发声装置的发声组件在一种实施方式的结构示意图;
图4是图3所示的换能器在A-A线处的一种实施方式的部分剖面示意图;
图5是图4所示的换能器发出的声波在一种实施方式的示意图;
图6是图3所示发声装置的发声原理的示意图一;
图7是图3所示发声装置发出的声波的能量分布以及换能器发出的第一声波主瓣的能量分布的示意图;
图8是图2所示的发声装置的发声组件在另一种实施方式的结构示意图;
图9是图2所示的发声装置的发声组件在另一种实施方式的结构示意图;
图10是图9所示发声装置的发声原理的示意图一;
图11是图9所示发声装置的发声原理的示意图二;
图12是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的剖面示意图;
图13是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的剖面示意图;
图14是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的结构示意图;
图15是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的剖面示意图;
图16是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的结构示意图;
图17是图16所示的发声组件在B-B线处的一种实施方式的部分剖面图;
图18是本申请实施例提供的超声换能器在一些实施例中的结构示意图;
图19是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的剖面示意图;
图20是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的剖面示意图;
图21是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的剖面示意图;
图22是图21所示的底座、换能器以及驱动装置在一种实施方式的结构示意图;
图23是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的结构示意图;
图24是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的结构示意图;
图25是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的结构示意图;
图26是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的结构示意图;
图27是图2所示的发声装置的发声组件在再一种实施方式的结构示意图;
图28是图27所示的反射件在一种实施方式的结构示意图;
图29是图28所示的音圈与调节电路的连接示意图;
图30是图27所示的反射件在另一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行描述。其中,在本申请实施例的描述中,除非另有说明,“/”表示或的意思,例如,A/B可以表示A或B;文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况,另外,在本申请实施例的描述中,“多个”是指两个或多于两个。
以下,术语“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的,而不能理解为暗示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例中所提到的方位用语,例如,“上”、“下”、“内”、“外”、“侧”、“顶”、“底”等,仅是参考附图的方向,因此,使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本申请实施例,而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请实施例的限制。
在本申请实施例的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置在……上”应做广义理解,例如,“连接”可以是可拆卸地连接,也可以是不可拆卸地连接;可以是直接连接,也可以通过中间媒介间接连接。其中,“固定连接”可以是彼此连接且连接后的相对位置关系不变。“转动连接”可以是彼此连接且连接后能够相对转动。“滑动连接”可以是彼此连接且连接后能够相对滑动。其中,“电连接”是指彼此之间可以导通电信号。
本申请实施例提供一种发声装置以及一种应用该发声装置的电子设备。发声装置采用不同于传统扬声器的发声方法,一方面设置换能器在第一控制信号驱动下产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置反射面不仅用于反射所述换能器产生的第一声波,还用于改变反射后的第一声波的传播方向,或者改变反射后的第一声波的能量。这样,第一声波被反射面反射后,在空间中某一位置的声压幅度发声变化。第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。其中第一频率f1可以为单频或者宽频。第二频率f2可以为单频或者宽频。另外,反射面改变反射后的第一声波的传播方向可以包括通过改变反射面与换能器的相对位置、或者改变反射面与换能器之间的距离、或者改变反射面的反射系数等。另外,可听声的频率可以低于发声装置的换能器的振动频率。本申请的发声装置可以在小体积的基础上具有较高的低频声压级。另外,发声装置发出的可听声可以具有声音指向性,可以满足一些需要私密性通话的需求,从而较大程度地提高用户体验性。其中,电子设备可以为手机、平板、助听器、智能穿戴设备等需要通过发声装置输出音频的电子设备。智能穿戴设备可以是智能手表、增强现实(augmented reality,AR)眼镜、AR头盔或虚拟现实(virtual reality,VR)眼镜等。其中,发声装置还可以是耳机、播放器等可以输出可听声的设备。另外,发声装置还可以应用于全屋、智能家居、汽车等领域中,用作音频设备或音频设备中的一部分。
图1是本申请实施例提供的电子设备1的部分结构示意图。图1所示实施例的电子设备1以手机为例进行阐述。
如图1所示,电子设备1包括发声装置100、壳体200以及屏幕300。由于发声装置100为电子设备1的内部器件,图1通过虚线示意性地给出发声装置100。可以理解的是,图1以及下文相关附图仅示意性的示出了电子设备1包括的一些部件,这些部件的实际形状、实际大小、实际位置和实际构造不受图1以及下文各附图限定。此外,当电子设备1为一些其他形态的设备时,电子设备1也可以不包括壳体200以及屏幕300。
其中,屏幕300安装在壳体200上。屏幕300可以与壳体200围成电子设备1的内腔。发声装置100可以安装于电子设备1的内腔。壳体200具有出音口201。出音口201连通电子设备1的内腔与电子设备1的外部空间。此时,发声装置100发出的声音可以经出音口201传出电子设备1的外部。可以理解的是,出音口201的形状不仅限于图1所示意的圆柱孔。出音口201的形状也可以为异形孔。出音口201也不仅限于图1所示意的五个。
图2是本申请实施例提供的发声装置100在一些实施例中的示意框图。
请参阅图2,发声装置100可以包括发声组件20(也称为发声单元、发声模块等)、信号处理电路30以及控制电路40。在其他实施方式中,发声装置100还可以包括更多或更少的部件,例如,在一些实施例中,发声装置100也可以包括用于放置发声组件20、信号处理电路30以及控制电路40的外壳。这样,可以通过外壳保护发声组件20、信号处理电路30以及控制电路40。再例如,在一些实施例中,发声装置100还可以包括微机电系统(microelectromechanical system,MEMS)扬声器、动铁扬声器和动圈扬声器中的至少一种。此时,发声装置100可以具有多发声单元的功能。此时,发声装置100可以承担某特定频带的发声。在其他实施例中,发声装置100可作为独立单元发声,承担全频带发声。
在一种实施方式中,信号处理电路30用于将音频信号转为电信号。信号处理电路30可以包括用于进行信号处理的芯片和相关链路,例如,系统级芯片(system on chip,SOC)、中央处理器(central processing unit,CPU)等。其中,音频信号可以由音源输出。其中,音频信号可以是数字信号或模拟信号。音频信号为模拟信号时,音频信号可以由模数转换电路转换为数字信号,模数转换电路可以为信号处理电路30的一部分,或者为独立于信号处理电路30的另一电路,本申请实施例对此不作严格限定。
另外,控制电路40电连接发声组件20与信号处理电路30。其中,控制电路40可以包括功率放大芯片及相关链路等电路结构。另外,控制电路40可以用于依据电信号形成控制信号,并将控制信号给到发声组件20。其中,控制信号可以具有预设电压和预设功率等信息。发声组件20用于依据控制信号发出第一声波,第一声波在空间中发生调制,以形成第二声波。其中第二声波可以包括可听声(可听声的频率在20Hz-20kHz的范围内)。关于第一声波经过调制,以形成可听声的原理,下文将结合相关附图具体介绍。这里不再赘述。
可以理解的是,发声装置100可以为模块化组件,其信号处理电路30和控制电路40可以集成于发声装置100的电路组件中,电路组件通常可以包括一个或多个电路板以及一个或多个芯片及其匹配元件。或者,在一些实施例中,发声装置100应用于电子设备1中时,发声装置100的信号处理电路30和/或控制电路40也可以固定于或集成于电子设备1的其他部件中,本申请实施例对此不作严格限定。
图3是图2所示的发声装置100的发声组件20在一种实施方式的结构示意图。
如图3所示,发声装置100的发声组件20包括换能器22、驱动装置23以及反射件90。为了便于描述,定义反射件90在未发生周期运动时,垂直于反射面93的方向为Z轴方向。反射面93的长度方向为Y轴方向。垂直于Z轴方向和X轴方向为Y轴方向。在其他实施方式中,坐标系也可以根据具体需求灵活设置。
图4是图3所示的换能器22在A-A线处的一种实施方式的部分剖面示意图。
请参阅图4,并结合图3所示,换能器22包括振动构件222和支撑件221。振动构件222固定于支撑件221。振动构件222用于在控制信号的驱动下往复振动,以形成第一声波。第一声波可以是超声波(频率大于20kHz的声波),第一声波也可以是可听声的声波,或者其他频段的声波。当第一声波是超声波,换能器22可以称为超声换能器(ultrasonictransducer)。第一声波也可以是可听声的声波。此时,换能器22可以称为可听声换能器。
可以理解的是,换能器22可以采用压电式驱动的振动构件,也可以采用磁电式驱动的振动构件。另外,换能器22可以采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)工艺制造的换能器,也可以采用其他结构的换能器(例如动圈换能器或者动铁换能器)。关于换能器22的结构,本申请不做具体地限定。
如图3和图4所示,反射件90具有反射面93。示例性地,反射面93可以是平面、曲面等。
另外,反射件90与换能器22间隔设置。反射件90的反射面93朝向换能器22的振动构件222,以方便对换能器22发出的第一声波进行反射。
其中,反射面93朝向换能器22的振动构件222的预设角度为θc。可以理解的是,预设角度θc也称为反射面93的初始角度。示例性地,振动构件222具有第一中轴线G1。反射面93具有第二中轴线G2。第一中轴线G1与第二中轴线G2之间的夹角即为反射面93朝向换能器22的振动构件222的预设角度θc。可以理解的是,图3中通过虚线示意性给出第一中轴线G1和第二中轴线G2。
可以理解的是,在反射件90与换能器22的装配过程中,预设角度θc可以根据需求灵活设置。示例性地,θc满足:0°<θ<90°。
如图3和图4所示,反射件90可以相对换能器22做周期运动。此时,反射面93也可以相对换能器22做周期运动。其中,周期运动可以包括往复转动、连续转动或者往复平移。图3通过实线和虚线来示意反射件90运动至两个不同状态下的结构示意图。另外,在其他实施方式中,周期运动也可以包括往复转动与往复平移叠加后的运动,或者连续转动与往复平移连续转动或者往复平移。
可以理解的是,当反射面93相对换能器22做往复转动或者连续转动时,反射面93朝向换能器22的振动构件222的角度θ发生变化。其中,反射件90相对换能器22转动的角度为Δθ。此时,在反射件90相对换能器22转动过程中,反射面93朝向换能器22的振动构件222的角度γ满足:γ=γc+Δγ。
可以理解的是,当反射面93相对换能器22做往复转动时,Δθ满足:-Δθ1≤Δθ≤Δθ2。其中,0°<Δθ1<360°,0°<Δθ2<360°。这样,由于预设角度θc为固定值,Δθ满足:-Δθ1≤Δθ≤Δθ2,其中,0°<Δθ1<360°,0°<Δθ2<360°,因此反射面93朝向换能器22的振动构件222的角度θ也发生往复变化。
示例性地,Δθ1和Δθ2均等于45°。此时,Δθ满足:-45°≤Δθ≤45°。例如,Δθ可以为-45°、-30°、-10°、0°、10°、30°或者45°。可以理解的是,定义当反射面93沿顺时针的方向转动时,反射面93转动的角度Δθ为正值,也即大于0°。当反射面93沿逆时针的方向转动时,反射面93转动的角度Δθ为负值,也即小于0°。
示例性地,Δθ1和Δθ2均等于30°。此时,Δθ满足:-30°≤Δθ≤30°。例如,Δθ可以为-30°、-10°、0°、10°或者30°。
示例性地,Δθ1和Δθ2均等于10°。此时,Δθ满足:-10°≤Δθ≤10°。例如,Δθ可以为-10°、-5°、0°、5°或者10°。在其他实施方式中,Δθ也可以在其他的范围内。
可以理解的是,当反射面93相对换能器22做连续转动时,Δθ满足:-360°≤Δθ≤360°。这样,由于预设角度θc为固定值,Δθ满足:-360°≤Δθ≤360°,因此反射面93朝向换能器22的振动构件222的角度θ发生连续变化。
可以理解的是,当反射面93相对换能器22做往复平移时,反射面93朝向换能器22的振动构件222的角度θ不发生变化,也即θ满足:θ=θc。
如图3所示,驱动装置23连接反射件90。驱动装置23用于驱动反射件90相对换能器22做周期运动,以使反射面93也相对换能器22做周期运动。其中,驱动装置23可以是压电驱动力的驱动装置、电磁驱动力的驱动装置、静电驱动力的驱动装置或者磁致伸缩驱动力的驱动装置等。
可以理解的是,驱动装置23可以是振动式的驱动装置,也可以是转动式的驱动装置(也可以称为旋转式的驱动装置),也可以是平移式的驱动装置。不同结构的驱动装置23可以用于驱动反射件90做不同的周期运动。
例如,振动式的驱动装置可以是驱动装置的悬臂上下往复振动。振动式的驱动装置可以用于驱动反射件90做往复转动。
再例如,转动式的驱动装置可以是驱动装置的输出轴可以在一定角度内往复转动,也可以360°连续转动。转动式的驱动装置可以用于驱动反射件90做往复转动或者连续转动。
再例如,平移式的驱动装置可以是驱动装置沿着一个方向往复移动。平移式的驱动装置可以用于驱动反射件90做往复平移。
可以理解的是,关于驱动装置23的结构,本申请不做具体地限定。下文结合相关附图具体介绍一种转动式的驱动装置23的结构,以用于驱动反射件90做往复转动。
如图3所示,在一种实施方式中,驱动装置23可以采用电磁驱动力的驱动装置。例如,驱动装置23为电机,也称为马达。在其他实施方式中,驱动装置23也可以是压电驱动力的电机。本申请不对电机的具体结构进行限定。
其中,驱动装置23包括第一电机25c。第一电机25c具有第一输出轴255。第一电机25c的第一输出轴255连接反射件90。可以理解的是,图3示意了第一输出轴255连接反射件90的中部,在其他实施方式中,第一输出轴255连接反射件90的位置不做具体地限定。例如第一输出轴255连接反射件90的两端。
另外,当第一电机25c通电时,第一输出轴255可以往复转动,也即第一电机25c的第一输出轴255可以在-γ至β的范围内往复转动,其中,0<γ<360°,0<β<360°。这样,驱动装置23可以用于驱动反射件90做往复转动。
示例性地,γ和β均等于45°。此时,第一输出轴255可以在-45°至45°的范围内往复转动。例如,第一输出轴255可以转动的角度为-45°、-30°、-10°、0°、10°、30°或者45°。这样,第一电机25c可以用于驱动反射面93在-45°至45°的范围内往复转动。可以理解的是,定义当第一输出轴255沿顺时针的方向转动时,第一输出轴255转动的角度为正值,也即大于0°。当第一输出轴255沿逆时针的方向转动时,第一输出轴255转动的角度为负值,也即小于0°。
示例性地,γ和β均等于30°。此时,第一输出轴255可以在-30°至30°的范围内往复转动。例如,第一输出轴255可以转动的角度为-30°、-25°、-10°、0°、10°、25°或者30°。这样,第一电机25c可以用于驱动反射面93在-30°至30°的范围内往复转动。
示例性地,γ和β均等于10°。此时,第一输出轴255可以在-10°至10°的范围内转动。例如,第一输出轴255可以转动的角度为-10°、-5°、-10°、0°、5°、8°或者10°。这样,第一电机25c可以用于驱动反射面93在-10°至10°的范围内往复转动。
如图3所示,第一电机25c的第一输出轴255可以直接连接反射件90。反射件90可以直接以第一输出轴255作为转轴。示例性地,第一输出轴255的延伸方向可以为X轴。此时,反射件90可以在Y-Z平面上往复转动。
在其他实施方式中,第一电机25c的第一输出轴255也可以通过齿轮组等传动机构与反射件90传动。
在其他实施方式中,驱动装置23还可以包括第二电机(图未示)。第二电机具有第二输出轴。第二电机的设置方式可以参阅第一电机的设置方式。第二电机可以配合第一电机共同驱动反射件90相对换能器22做周期运动。具体地这里不再赘述。
可以理解的是,当驱动装置23采用电机结构时,驱动装置23的输出轴也可以连续转动。此时,驱动装置23可以用于驱动反射件90相对换能器22做连续转动。
如图2和图3所示,控制电路40电连接换能器22和驱动装置23。控制电路40用于产生第一控制信号和第二控制信号。可以理解的是,第一控制信号可以包括一路或多路信号,第二控制信号可以包括一路或多路信号,第一控制信号与第二控制信号为不同的信号。
如图2至图4所示,第一控制信号耦合至换能器22,第一控制信号用于驱动换能器22的振动构件222往复振动,以使换能器22产生第一声波。可以理解的是,耦合可以是直接电连接,也可以是间接电连接。在一些实施方式中,第一控制信号的频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。示例性地,第一频率f1为单频,且第一频率f1可以大于或等于20kHz。其中,换能器22的振动构件222能够在第一控制信号的驱动下往复振动,振动构件222的振动频率可以大于或等于20kHz,也即振动构件222的振动频率为超声频率。这样第一声波为初始超声波。
可以理解的是,换能器22的振动构件222在振动的过程中,在不同的时刻或者不同的时间段内,换能器22的振动构件222的振动的速度可以不同,也可以相同。
如图2和图3所示,在一种实施方式中,第二控制信号耦合至驱动装置23。第二控制信号用于控制驱动装置23,以驱动反射件90相对换能器22做周期运动,从而使得反射面93相对换能器22做周期运动。在一些实施方式中,第二控制信号的频率包括第二频率f2,第二频率f2为单频或者宽频。示例性地,第二控制信号的第二频率f2可以大于或等于20kHz。此时,驱动装置23也能够驱动反射件90相对换能器22做周期运动,反射件90的周期运动的频率可以大于或等于20kHz,也即反射面93的周期运动的频率可以大于或等于20kHz。
可以理解的是,反射面93做周期运动的过程中,在不同的时刻或者不同的时间段内,反射面93运动的速度可以不同,也可以相同。
示例性地,以图3所示意的驱动装置23为例进行说明。第二控制信号用于控制第一电机25c的第一输出轴255做往复转动,以通过第一输出轴255带动反射件90做往复转动,从而使得反射面93相对换能器22做周期运动。
请再次参阅图3,当换能器22产生第一频率f1的第一声波时,第一声波传播至反射面93。反射件90用于对第一声波进行反射。
在一种实施方式中,第一声波在反射面93的投影均位于反射面93内。这样,第一声波的波束运动轨迹可以覆盖反射面93边缘。此时,反射面93可以对第一声波全部反射,可以进一步提高调制幅度。
可以理解的是,本实施方式一方面设置换能器22在第一控制信号驱动下产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置反射件90的反射面93在第二控制信号的控制下以第二频率f2做周期运动。当第一声波传播至反射面93时,利用周期运动的反射件90对第一声波进行反射,此时在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在一些实施方式中,反射件90在以大于或等于20kHz的频率做周期运动的同时,将超声波(频率大于或等于20kHz)进行反射。此时,由于超声波具有一定的指向性,其主瓣能量在辐射的过程中同步运动,使得空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化。这样,超声波能够在空间中发生调制,以形成第二声波。其中,第二声波可以包括可听声。
下文结合上文各个附图具体介绍发声装置100产生可听声的原理。
图5是图4所示的换能器22发出的声波在一种实施方式的示意图。
假设第一控制信号的频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。示例性地,第一控制信号V′包含项(1):
V1sin(2πf1t) (1)
其中,V1为常数。
如图5所示,换能器22在第一控制信号的驱动下以第一频率f1发出第一声波。此时,空间的第一声波s(t)包含项(2):
S0sin(2πf1t) (2)
其中,S0为常数。其中,由项(2)可知,换能器22的振动构件22的振动频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。
由图5可知,在项(2)中,每个时刻t均对应一个声压值s(t),且每个声压值s(t)均与幅度S0相关。例如,当t=t1时,s(t)包含S0sin(2πf1t1),也即刻t1对应一个声压值s(t1),且与幅度S0相关。再例如,当t=t2时,s(t)包含S0sin(2πf1t2),也即刻t2对应一个声压值s(t2),且与幅度S0相关。
另外,假设第二控制信号的频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。示例性地,第二控制信号V″包含项(3):
V2sin(2πf2t) (3)
其中,V2为常数。
图6是图3所示发声装置100的发声原理的示意图一。
如图6所示,当驱动装置23在第二控制信号的控制下以第二频率f2,来驱动反射件90相对换能器22做周期运动,反射面93也相对换能器22做周期运动。下文以反射面93做往复转动的周期运动为例进行描述。
其中,反射面93在第二控制信号的驱动下以第二频率fk做往复转动。此时,反射面93的转动角度Δθ包含项(4):
k1V2sin(2πf2t) (4)
其中,k1为常数。另外,由项(4)可知,反射面93的运动频率包括第二频率f2。第二频率f2为单频或者宽频。
如图6所示,在反射面93做往复转动的过程中,反射面93朝向换能器22的振动构件222的角度θ发生变化,其中θ满足:θ=θc+Δθ。当Δθ=0°时,反射面93未发生转动。当Δθ≠0°时,反射面93发生转动。另外,当Δθ≠0°时,反射面93转动了Δθ。而反射后的第一声波转动了2Δθ。
可以理解的是,图6通过类水滴型的实线示意了在Δθ=0°时第一声波主瓣的能量分布。其中反射前的第一声波用H1标示。反射后的第一声波用H2标示。
可以理解的是,图6通过类水滴型的虚线示意了在Δθ≠0°时,第一声波主瓣的能量分布。其中,在反射面93转动了Δθ后,由于换能器22的位置不变,因此反射前的第一声波的位置也不变,也即第一声波还是标示H1的第一声波。另外,由于反射面93转动了Δθ,反射后的第一声波转动了2Δθ,因此图6通过H3标示反射后的第一声波。
可以理解的是,假设在观察位置(图6通过打叉示意了该位置)观察第一声波。当Δθ=0°时,观察位置位于反射面93的正前方,且正对于第一声波的声压幅度1处(也即声压幅度的最大值处)。当反射面93转动Δθ≠0°角度时,在观察位置处,声压幅度从声压幅度1变成声压幅度2,声压幅度2小于声压幅度1。这样,当反射面93相对换能器22往复转动时,声压幅度在声压幅度1与声压幅度2之间往复变化。此时,声压值s(t)也发生往复变化,声压值s(t)被调制为s′(t)。
可以理解的是,在本实施方式中,观察位置是在Δθ=0°时,正对于声压幅度的最大值处。在其他实施方式中,观察位置可以灵活设置。例如,观察位置也可以是在Δθ=0°时,正对于第一声波主瓣的能量的边缘的任一位置,也即(图6中水滴型的边缘的任一位置)。当然,在其他实施方式中,观察位置也可以在Δθ≠0°时,正对于第一声波主瓣的能量的边缘的任一位置。
其中,反射面93形成频率为f2的往复转动,空间中的至少一个位置的声压幅度也随之变化,可以得出空间中声场s′(t)含项(5):
S1sin(2πf1t)sin(2πf2t) (5)
其中,S1为常数。
项(5)通过数学的积化和差公式可以转换为:
A cos[2π(f1+f2)t]+B cos[2π(f1-f2)t] (6)
其中,A和B均为常数。
另外,根据项(6)可以发现,换能器22发出的第一声波经调制后形成第二声波,第二声波可以包括至少两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。
在本实施方式中,一方面设置换能器22在第一控制信号驱动下产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置反射件90的反射面93在第二控制信号的控制下以第二频率f2做周期运动。利用周期运动的反射件90对第一声波进行反射,此时在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。其中,第二声波可以包括两种频率的声波。可以理解的是,这种调制方式也可以称为声压幅度调制。
可以理解的是,在项(6)中,S1的大小和反射面93的转动角度相关。其中,当反射面93的转动角度越大时,可听声的能量越高。当反射面93的转动角度越小时,可听声的线性度越好。在一种实施方式中,当反射面93在-45°≤θ≤45°内转动时,可听声能够在保证具有好的线性度的同时,还可以保证具有很高的能量。在一种实施方式中,当反射面93在-30°≤θ≤30°内转动时,可听声的线性度好,能量也较高。在一种实施方式中,当反射面93在-10°≤θ≤10°内转动时,可听声能够在保证具有较高的能量的同时,还可以具有很好的线性度。
可以理解的是,由上文可知,换能器22发出的第一声波经调制后形成第二声波,第二声波可以包括至少两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。因此,可以通过声波过滤技术过滤掉频率|f1+f2|的声波,以保留|f1-f2|的声波。或者,过滤掉频率|f1-f2|的声波,以保留|f1+f2|的声波。
在一些实施方式中,可以通过设置第一频率f1和第二频率f2的大小,从而使得第二声波中的一种声波的频率落在超声波的范围内,另一种声波的频率落在可听声的频率范围内。这样由于超声波可以自动被人耳过滤,此时用户就可以听到空间中的一种声波,且该声波为可听声。
可以理解的是,为了能够更简洁地确定|f1-f2|和|f1+f2|的频率的关系,进一步地简化这两个频率的表达式。具体地,定义f1=f0。f2=f0-Δ。这样,|f1+f2|=2f0-Δ。|f1-f2|=Δ。
在一种实施方式中,将Δ设置在20至48000的范围内,也即20≤Δ≤48000。例如,Δ可以为20、200、2000、24000或者48000等。这样,此时,|f1-f2|的频率在20Hz至48kHz的范围内。
在一种实施方式中,将Δ设置在20至24000的范围内,也即20≤Δ≤24000。例如,Δ可以为20、200、2000或者24000等。这样,此时,|f1-f2|的频率在20Hz至24kHz的范围内。
在一种实施方式中,将Δ设置在20至20000的范围内,也即20≤Δ≤20000。例如,Δ可以为20、200、2000或者20000等。这样,|f1-f2|的频率在20Hz至20kHz的范围内,也即频率为|f1-f2|的声波可以落在可听声的频率范围内。此时,第二声波的至少部分包括可听声。在其他实施方式中,Δ也可以采用其他的数值。
在一种实施方式中,将(2f0-Δ)设置在20000以上,也即(2f0-Δ)≥20kHz。例如,(2f0-Δ)可以为40kHz、50kHz或者80kHz等。这样,此时,频率|f1+f2|在20kHz以上,也即频率|f1+f2|的声波可以落在超声波的频率范围内。空间中频率|f1+f2|的声波就可以不能够被人类所听到。在其他实施方式中,(2f0-Δ)也可以采用其他的数值。
在一种实施方式中,f1和f2均为超声波频率,也即第一频率f1在20kHz以上,以及第二频率f2在20kHz以上。例如,f1=40kHz。f2=30kHz。可以理解的是,通过将f1和f2均设置为超声波频率,从而保证|f1+f2|一定能够落在超声波范围内,进而保证空间中频率为|f1+f2|的声波不能够被人类所听到。
图7是图3所示发声装置100发出的声波的能量分布以及换能器22发出的第一声波主瓣的能量分布的示意图。
如图7所示,图7通过“8”字形的虚线示意了反射后的第一声波主瓣的能量分布。图7通过“8”字型的实线示意了可听声的能量分布。
可以理解的是,在图3所示的坐标系下,换能器22向反射件的反射面93发射第一声波。其中第一声波可以位于第一象限(也即X轴正方向和Z轴正方向所围的区域)。此时,反射面93反射第一声波。反射后的第一声波可以位于第二象限(也即X轴负方向和Z轴正方向所围的区域)。由于反射后的第一声波具有指向性。反射后的第一声波主瓣可以在第二象限以及第四象限(也即X轴正方向和Z轴负方向所围的区域)具有能量分布。这样在第二象限与第四象限的声压级别较大。而调制形成的可听声主瓣可以在第一象限以及第三象限(也即X轴负方向和Z轴负方向所围的区域)具有能量分布。这样可听声在第一象限和第三象限的声压级较大。通过具有指向性的第一声波的调制所形成的可听声也具有声波指向性。因此,本实施方式的发声装置可以适合一些私密场景。发声装置100播放声音可以朝向特定方向或特定用户。例如,隐私通话场景,当用户打电话时,不希望他人听到我们打电话的下行声音时,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到。再例如,音乐独享场景,周边存在其他人休息,用户想进行影音娱乐时,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到,不打扰周边的人。
可以理解的是,由项(1)到项(6)的推导过程均可以看出换能器22在第一控制信号的驱动下以第一频率f1发出第一声波。对于可以产生音乐的音频信号时,音频信号为宽频信号,此时,第一声波s(t)包含项(7):
S0a(t)sin(2πf0t) (7)
其中a(t)为音乐信息,S0为声波幅度,f0为工作频率。
另外,由于反射面93以f0为工作频率转动,对声波进行了调制,因此,第二声波s′(t)包含项(8):
S1a(t)sin(2πf0t)sin(2πf0t) (8)
其中,S1为常数。
可以理解的是,关于项(8)的产生,也可以参阅项(1)至项(6)的推导过程。具体地这里不再赘述。
上文结合相关附图具体介绍了发声装置100的结构以及发声原理。可以理解的是,在本实施方式中,由于发声装置100不再采用传统扬声器结构,而是一方面设置换能器22在第一控制信号驱动下产生频率f1的第一声波,另一方面设置反射件90在第二控制信号控制下以频率f2做周期运动。此时,利用周期运动的反射件90对第一声波进行反射,此时在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。在一些实施方式中,反射件90在以大于或等于20kHz的频率做周期运动的同时,向外部反射超声波(频率大于或等于20kHz)。此时,由于超声波具有一定的指向性,其主瓣能量在辐射的过程中同步运动,使得空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化。这样,超声波能够在空间中发生调制,以形成第二声波,第二声波可以包括可听声。
在一些实施方式中,第一声波为超声波,也即换能器22为超声换能器。由换能器22的振动构件222的振动动作实现,可听声的频率低于第一声波的频率,因此可听声的频率低于振动构件222的振动频率。相较于传统的扬声器产生相同声压级的声音,本实施方式的换能器22的振动构件222的振动位移小于传统的扬声器的振膜的振动位移。
并且,发声装置100通过超声换能器22的振动构件222的小位移振动,即可获得高声压级的可听声,发声装置100的低频频响不存在或基本不存在跌落特性,发声装置100的低频跌落明显低于12dB,发声装置100能够在小体积的情况下,具有较高的低频声压级。小体积的发声装置100在有空间要求的场景中具有更广泛的适用性。
可以理解的是,本实施方式的发声装置100可以适用在有限体积的背腔下,依然可实现强劲的低频性能。
在一种实施方式中,将傅里叶变换应用于项(7),得到频域包括A(f-f0)+A(f+f0)项。其中A(f)是音乐的频谱。另外,在f0工作频率附近具有下边带(f-f0)和上边带(f+f0)的声波。因此在本实施方式中,可以在给换能器22的第一控制信号时,对第一控制信号进行滤波处理,以使得第一控制信号仅含有上边带或者下边带,以使对应边带的声波参与被调制。此时,第一控制信号的频域可以包括A(f-f0)项,或者包括A(f+f0)项。
此外,将傅里叶变换应用于项(8),得到频域包括A(f)+A(f-2f0)+A(f+2f0)项。由该项可知,项(8)具有音乐的频谱A(f)。
上文结合相关附图介绍了一种用于实现反射面93做往复转动的驱动装置23的结构,以及换能器22的发声原理。下文结合相关附图介绍几种用于实现反射面93做往复转动的驱动装置23的具体结构。
图8是图2所示的发声装置的发声组件在另一种实施方式的结构示意图。
如图8所示,在一种实施方式中,驱动装置23可以采用压电驱动力的驱动装置23。具体地,驱动装置23包括第一压电驱动机构25a以及第二压电驱动机构25b。
其中,第一压电驱动机构25a包括第一固定座251以及第一悬臂253。第一悬臂253的第一端固定连接第一固定座251。第一悬臂253的第二端相对第一固定座251伸出。可以理解的是,第一悬臂253的第一端相对第一固定座251为固定端。第一悬臂253的第二端相对第一固定座251为活动端。示例性地,第一悬臂253包括压电片(图未示)。当压电片通电时,压电片可以发生变形,第一悬臂253的第二端可以沿Z轴的方向往复振动。
另外,第二压电驱动机构25b包括第二固定座252以及第二悬臂254。第二悬臂254的第一端固定连接第二固定座252。第二悬臂254的第二端相对第二固定座252伸出。可以理解的是,第二悬臂254的第一端相对第二固定座252为固定端。第二悬臂254的第二端相对第二固定座252为活动端。示例性地,第二悬臂254也包括压电片(图未示)。当压电片通电时,压电片可以发生变形,第二悬臂254的第二端可以沿Z轴的方向往复振动。
在本实施方式中,在同一段时间内,第一悬臂253的振动方向与第二悬臂254的振动方向相反。例如,以二分之一周期为例进行描述。在(0,T/4)时,第一悬臂253沿Z轴的正方向振动,第二悬臂254沿Z轴的负方向振动。在(T/4,T/2)时,第一悬臂253沿Z轴的负方向振动,第二悬臂254沿Z轴的正方向振动。例如,当第一悬臂253的第二端沿Z轴正方向运动时,第二悬臂254的第二端沿Z轴负方向运动,第一悬臂253的第二端和第二悬臂254的第二端的振动方向相反,振动幅度可以相同。
如图8所示,反射件90位于第一压电驱动机构25a与第二压电驱动机构25b之间。第一悬臂253的第二端(也即活动端)连接反射件90的第一侧93a。第二悬臂254的第二端(也即活动端)连接反射件90的第二侧93b。示例性地,第一悬臂253的第二端(也即活动端)与第二悬臂254的第二端(也即活动端)均可以连接在反射件90的背面93c。反射件90的背面93c与反射面93背向设置。在一种实施方式中,反射件90也可以与驱动装置23构成模块化组件。具体地,反射件90可以与驱动装置23构成一体结构件,也即反射件90为驱动装置23的一个部件。
可以理解的是,由于在同一段时间内,第一悬臂253的振动方向与第二悬臂254的振动方向相反,反射件90的第一侧93a和反射件90的第二侧93b的运动方向也相反。例如,以二分之一周期为例进行描述。在(0,T/4)时,第一悬臂253带动反射件90的第一侧93a沿Z轴的正方向振动,第二悬臂254带动反射件90的第二侧93b沿Z轴的负方向振动。在(T/4,T/2)时,第一悬臂253带动反射件90的第一侧93a沿Z轴的负方向振动,第二悬臂254带动反射件90的第二侧93b沿Z轴的正方向振动。这样反射件90能够相对转轴G3(图8通过虚线示意性给出)转动。其中,第一悬臂233与反射件90的连接位置为第一位置。第二悬臂234与反射件90的连接位置为第二位置。转轴G3可以是经过第一位置和第二位置的中心的虚拟轴线。示例性地,在图8的坐标系下,转轴G3可以是平行于X轴,且可以经过底座21的中心的虚拟轴线。
可以理解的是,第一压电驱动机构25a和第二压电驱动机构25b可以根据反射件90的转动角度θ的范围来做相应地匹配。例如,可以通过设置第一悬臂253的第二端与第二悬臂254的第二端的振动距离,来匹配反射件90的转动角度Δθ的范围。
下文将结合相关附图再介绍一种用于实现反射面93做往复平移的驱动装置23的结构,以及换能器22的发声原理。
图9是图2所示的发声装置100的发声组件20在另一种实施方式的结构示意图。
与上文各个实施方式相同的技术内容不再赘述:如图9所示,反射件90与换能器22间隔设置。反射件90的反射面93朝向换能器22的振动构件222。为了便于描述,定义换能器22出音方向为Z轴方向。换能器22的高度方向为X轴方向。垂直于X轴和Z轴为Y轴。在其他实施方式中,坐标系也可以根据具体需求灵活设置。
其中,反射面93可以相对换能器22做往复平移。此时,振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D发生往复变化。其中,图9所示的实施方式以反射面93相对换能器22沿Z轴方向做往复平移为例进行描述。图9通过实线示意反射件90运动至第一状态。其中,在第一状态下,反射件90与换能器22之间的垂直距离D=d1。图9通过虚线示意反射件90运动至第二状态。其中,在第二状态下,反射件90与换能器22之间的垂直距离D=d2。其中,d2<d1。这样,相较于第一状态,在第二状态下,反射件90更靠近换能器22设置。
和虚线来示意反射件90运动至两个不同状态下的结构示意图。可以理解的是,当反射件90处于第一状态时,
示例性地,当反射面93相对换能器22做往复平移时,反射面93的移动位移为L。其中,L满足:-3mm≤L≤3mm。例如,L可以等于-3mm、-2mm、-1mm、0、1mm、2mm或者3mm。这样,反射面93可以在-3mm≤L≤3mm的范围内往复平移。可以理解的是,定义当反射面93沿靠近换能器22的方向(也即Z轴的负方向)平移时,L为正值,也即大于0。当反射面93沿远离换能器22的方向(也即Z轴的正方向)平移时,L为负值,也即小于0。
示例性地,当反射面93相对换能器22做往复平移时,反射面93的移动位移L也可以满足:-1mm≤L≤1mm。例如,L可以等于-1mm、-0.8mm、-0.5mm、0、0.3mm、0.8mm或者1mm。这样,反射面93可以在-1mm≤L≤1mm的范围内往复平移。在其他实施方式中,当反射面93相对换能器22做往复平移时,反射面93的移动位移L也可以在其他的范围内。具体地可以根据发声装置100的尺寸灵活设置。
如图9所示,驱动装置23连接反射件90。驱动装置23用于驱动反射件90相对换能器22做往复平移。
在一种实施方式中,驱动装置23包括伸缩机构25e。伸缩机构25e可以采用磁致伸缩驱动的机构,也可以采用电磁驱动、压电驱动、静电驱动等驱动方式的机构。
具体地,伸缩机构25e包括固定座257和伸缩臂258。伸缩臂258的第一端固定连接固定座257。伸缩臂258的第二端相对固定座257伸出。可以理解的是,伸缩臂258的第一端相对固定座257为固定端。伸缩臂258的第二端相对固定座257为活动端。示例性地,伸缩臂258可以包括压电片(图未示)。当压电片通电时,压电片可以发生变形(例如翘曲、弯曲或者拱起等方式),此时,伸缩臂258可以沿Z轴的方向往复伸缩运动。例如,伸缩臂258可以沿Z轴的正方向做缩短运动。伸缩臂258也可以沿Z轴的负方向做伸长运动。在其他实施方式中,伸缩臂258伸缩的方向可以是X-Y平面内的任一方向,也可以是Z轴方向。具体地本申请不做限定。
如图9所示,伸缩臂258的第二端(也即活动端)连接反射件90。这样,当伸缩臂258沿Z轴的方向往复平移运动时,伸缩臂258可以驱动反射件90沿Z轴的方向往复平移运动。例如,以一个周期为例进行描述。在(0,T/4)时,伸缩臂258可以驱动反射件90自初始位置沿Z轴的正方向平移运动至第一位置。在(T/4,T/2)时,伸缩臂258可以驱动反射件90自第一位置沿Z轴的负方向平移运动至初始位置。在(T/2,3T/4)时,伸缩臂258可以驱动反射件90自初始位置沿Z轴的负方向平移运动至第二位置。在(3T/4,T)时,伸缩臂258可以驱动反射件90自第二位置沿Z轴的正方向平移运动至初始位置。
可以理解的是,伸缩机构25e可以根据反射件90的平移距离的范围来做相应地匹配。例如,可以通过设置伸缩臂258的伸缩距离,来匹配反射件90的平移距离。例如,当反射件90的移动位移L需要满足:-3mm≤L≤3mm时,伸缩臂258的伸缩距离的范围也可以在-3mm至3mm的范围内。具体地这里不再赘述。
可以理解的是,本实施方式的发声装置100的发声原理与上文的发声原理大致相同,均是通过利用周期运动的反射面93,以使得空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化,从而对第一声波进行调制,以形成第二声波。第二声波可以包括可听声。其中,在本实施方式中,空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化的方式与上文声波幅度变化的方式不同。具体如下。
图10是图9所示发声装置100的发声原理的示意图一。
如图10所示,当驱动装置23在第二控制信号的控制下以第二频率f2,来驱动反射件90相对换能器22做往复平移,反射面93也相对换能器22做往复平移。
示例性地,驱动装置23驱动反射件90沿Z轴方向做往复平移,反射面93也沿Z轴方向做往复平移。此时,在反射面93做往复平移的过程中,振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D发生往复变化。可以理解的是,当反射面93的移动位移L=0时,振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D不变。当反射面93的移动位移L=L1(其中,L1>0,或者L1<0)时,反射面93靠近或者远离换能器22,振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D减小或者增大。
其中,图10通过类水滴型的实线示意了在L=0时第一声波主瓣的能量分布。其中平移前的第一声波用H1标示。平移后的第一声波用H2标示。
其中,图10通过类水滴型的虚线示意了在L=L1(其中,L1>0)时,第一声波主瓣的能量分布。其中,在反射面93平移了L1后,由于换能器22的位置不变,因此平移前的第一声波的位置也不变,也即第一声波还是标示H1的第一声波。另外,由于反射面93平移了L1后,因此图10通过H3标示平移后的第一声波。
可以理解的是,假设在观察位置(图10通过打叉示意了该位置)观察第一声波。当L=0时,观察位置位于反射面93的正前方,且正对于第一声波的声压幅度1处(也即声压的最大值处),也即声压幅度1。当反射面93的移动位移L=L1时,声压幅度从声压幅度1变成声压幅度2,声压幅度2小于声压幅度1。这样,当反射面93往复平移时,声压幅度也发生往复变化。可以理解的是,本实施方式不对观察位置做具体限定。
可以理解的是,反射面93形成频率为f2的往复平移,第一声波在经过反射面93发射后,空间中任意位置的声压幅度也随之变化,从而可以得出空间中声场s′(t)包括上文的项(7)可知,第一声波经调制后形成第二声波,第二声波可以包括两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。
可以理解的是,在本实施方式中,一方面设置换能器22在第一控制信号驱动下产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置反射面93在第二控制信号的控制下以第二频率f2做往复平移。此时利用往复平移的反射面93对第一声波进行调制,以形成第二声波。其中,第二声波可以包括可听声。
图11是图9所示发声装置100的发声原理的示意图二。
与图10所示意的实施方式相同的技术内容不再赘述:如图11所示,驱动装置23驱动反射件90沿X轴方向做往复平移,反射面93也沿X轴方向做往复平移。此时,在反射面93做往复平移的过程中,振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D发生往复变化。
可以理解的是,假设在观察位置(图11通过打叉示意了该位置)观察第一声波。当反射件90未沿X轴方向运动时,观察位置位于反射面93的正前方,且正对于第一声波的声压幅度1处(也即声压的最大值处),也即声压幅度1。当反射面93沿X轴方向移动L1时,声压幅度从声压幅度1变成声压幅度2,声压幅度2小于声压幅度1。这样,当反射面93往复平移时,声压幅度也发生往复变化。此时利用沿X轴方向往复平移的反射面93可以对第一声波进行调制,以形成第二声波。第二声波可以包括可听声。可以理解的是,本实施方式不对观察位置做具体限定。
可以理解的是,图10示意了通过反射件90沿Z轴方向做往复平移,以实现振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D发生往复变化。此时,利用沿Z轴方向往复平移的反射面93可以对第一声波进行调制,以形成第二声波。另外,图11示意了通过反射件90沿X轴方向做往复平移,以实现振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D发生往复变化。此时,利用沿X轴方向往复平移的反射面93也可以对第一声波进行调制,以形成第二声波。在本实施方式中,只要能够实现振动构件222的中心与反射面93之间的垂直距离D发生往复变化,反射件90做往复平移的方向不做具体地限定。
图12是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的剖面示意图。
如图12所示,在一种实施方式中,发声装置100还包括外壳50。外壳50具有出音孔51和内腔52。出音孔51连通外壳50的内腔52与外部空间。出音孔51可以位于外壳50的顶壁531。可以理解的是,换能器22发出的第一声波,经周期运动的反射件90的反射面93反射后,在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。例如在出音孔51所在的位置处,其声压幅度发声周期变化。因此出音孔51所在的位置的第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在其他实施方式中,出音孔51的位置不做具体的限定,例如也可以位于侧壁533或者底壁532。其中,侧壁533连接在顶壁531与底壁532之间。
其中,换能器22、驱动装置23以及反射件90均设置在外壳50的内腔52。换能器22、以及驱动装置23可以固定连接外壳50。反射件90可以活动连接外壳50。其中,反射件90可以直接活动连接外壳50,也可以通过驱动装置23活动连接外壳50。可以理解的是,信号处理电路30和控制电路40中的至少一者可以设置在外壳50的内腔52,或者信号处理电路30的一部分也可以设置在外壳50的内腔52,或者控制电路40的一部分也可以设置在外壳50的内腔52。
在一种实施方式中,反射件90包括背向设置的第一转轴94a和第二转轴94b。其中,第一转轴94a和第二转轴94b均转动连接外壳50的侧壁533。反射件90与顶壁531、底壁532均间隔设置,以避免反射件90在相对外壳50转动的过程中与顶壁531、底壁532发生干涉。
在一种实施方式中,换能器22可以固定连接在外壳50的侧壁533,以增高换能器22与外壳50的底壁532之间的高度。这样,换能器22的振动构件222的中心可以较大程度地靠近反射件90的中心。换能器22产生的第一声波可以大部分都传播在反射件90的反射面93上。
可以理解的是,外壳50可以为发声装置100的核心结构。外壳50可以用于与电子设备的其他部分提供隔离、连接和固定。此外,通过外壳50将换能器22、驱动装置23以及反射件90封装为一个整体结构,发声装置100的整体性好,从而有利于适配发声装置100在整机的应用,也即方便其布置到电子设备中。
另外,出音孔51一般为外壳50上的通孔结构,或者管道结构。出音孔51可以将发声装置100发出的声波传导至外壳50的外部空间,并传导至电子设备的出声孔的位置处,再通过电子设备的出音孔传导到电子设备的外部。
示例性地,外壳50可以为开放式的外壳,也可以除了出音孔51位置,其他位置均为封闭的结构。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
在本实施方式中,图12简单地示意了驱动装置23与反射板90的连接关系。关于驱动装置23与反射板90的连接关系不做具体地限定。在一种实施方式中,当图3的驱动装置23应用于图12所示的发声装置100时,第一电机25c可以固定在外壳50的侧壁533。第一电机25c的第一输出轴255可以连接在第一转轴94a或者第二转轴94b。此时,反射件90通过第一电机25c连接在外壳50的侧壁533。这样,第一电机25c驱动第一转轴94a转动。此时反射件90可以相对外壳50转动。可以理解的是,在本实施方式中,反射件90可以省去第一转轴94a。此时,第一电机25c的第一输出轴255直接连接反射件90。
图13是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的剖面示意图。
如图13所示,外壳50设有安装孔95。安装孔95连通外壳50的内腔52与外部空间。安装孔95与出音孔51错开设置。示例性地,出音孔51设置在外壳50的顶壁531。安装孔95设置在外壳50的侧壁533。
其中,反射件90转动连接安装孔95的孔壁。
示例性地,反射件90的第一转轴94a与第二转轴94b均转动连接安装孔95的孔壁。可以理解的是,当反射件90相对外壳50转动的过程中,反射件90的一部分位于外壳50的内腔52,一部分位于安装孔95内,一部分位于外壳50的外部空间。这样,一方面反射件90可以较大程度地利用安装孔95的空间,和外壳50的外部空间,有利于实现发声装置100的小型化设置,另一方面,反射件90可以较大程度地避开外壳50的内腔52的器件,从而避免反射件90在转动过程中与其他器件发生干涉。
图14是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的结构示意图。
如图14所示,在一种实施方式中,发声装置100还包括吸音件60。吸音件60可以是吸声材料(例如吸声棉)或者吸声结构(例如微穿孔板)等。
其中,吸音件60设置在外壳50的内表面,且与所述出音孔51错开设置。示例性地,吸音件60可以采用填充、贴附等方式连接在外壳50的内表面。另外,吸音件60可以覆盖外壳50的全部内表面,也可以覆盖外壳50的部分内表面。可以理解的是,由于换能器22、反射件90以及驱动装置23均设置在外壳50的内腔52,因此当吸音件60设置在外壳50的内表面时,换能器22、反射件90以及驱动装置23可以避开吸音件60,换能器22、反射件90以及驱动装置23也可以直接设置在吸音件60上。
可以理解的是,吸音件60的安装方式具有方式。示例性地,吸音件60可以为板状结构或层状结构。一些实施方式中,吸音件60可以固定于外壳50的底壁532,吸音件60覆盖底壁532的部分区域或全部区域。另一些方式中,吸音件60还可以固定于外壳50的侧壁533,以增加吸音件60的吸音面积。在其他一些实施例中,吸音件60也可以是较为立体的结构件,固定于换能器22的顶壁531。可以理解的是,吸音件60与振动构件222之间形成一定的间距,该间距对应的空间用作振动构件222的振动空间,以避免吸音件60对振动构件222的振动造成干扰。
可以理解的是,通过在外壳50的内腔52设置吸音件60,吸音件60可以吸收传播至外壳50内表面的声波,从而降低声波在外壳50内的反射,进而降低可听声的失真。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
图15是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的剖面示意图。
如图15所示,在一种实施方式中,外壳50设有声波引导结构70。声波引导结构70与出音孔51间隔设置。声波引导结构70可以将外壳50的内腔52连通至外壳50的外部空间。声波引导结构70可以是开孔或者管道等结构。
可以理解的是,声波引导结构70可以用于将外壳50的内腔52声波导到外壳50的外部空间。这样,声波引导结构70可以用以实现外壳50的内腔52和外壳50的外部之间的气压平衡,从而使得换能器22能够顺畅振动,进而在第一控制信号的驱动下形成失真程度小的声波。
在一种实施方式中,当发声装置100应用到电子设备时,声波引导结构70不与电子设备的出音孔连通,也即声波引导结构70不作为电子设备的主要出音通道。
在一种实施方式中,声波引导结构70的延伸方向与外壳50的出音孔51的延伸方向不同。例如,当出音孔51设置在外壳50的顶壁531。声波引导结构70可以设置在外壳50的侧壁533或者底壁532。这样,声波引导结构70可以远离出音孔51设置。
在一种实施方式中,声波引导结构70的延伸方向与外壳50的出音孔51的延伸方向相反或者垂直。例如,当出音孔51设置在外壳50的顶壁531。声波引导结构70可以设置在外壳50的侧壁533或者底壁532。
可以理解的是,关于声波引导结构70在外壳50的位置,本申请不做具体地限定。例如,声波引导结构70在外壳50的位置可以根据实际电子设备的结构进行设置。另外,声波引导结构70不仅限于图15所示意的两个。在其他实施方式中,声波引导结构70的数量不做限定。示例性地,声波引导结构70的数量可以视发声装置100的振动构件222辐射声压级和转动角度等因素决定。
在一种实施方式中,声波引导结构70的最小宽度大于粘滞层厚度dμ。其中,粘滞层厚度dμ满足:
其中,f1为换能器22发出第一声波的频率。
可以理解的是,声波引导结构70的最小宽度是指单个声波引导结构70的最窄的位置处的尺寸。例如,当声波引导结构70为开孔结构时,开孔的最小宽度是指单个开孔的最窄的位置处的尺寸。
在其他实施方式中,声波引导结构70的大小不做具体限定。例如,声波引导结构70的大小也可以视发声装置的振动构件222辐射声压级和转动角度等因素决定。
在一种实施方式中,发声装置100还可以设有阻尼网布(图未示),阻尼网布可以通过粘接等方式固定于外壳50,且覆盖声波引导结构70。阻尼网布透气,使得外壳50的内腔和外壳50的外部之间的气压平衡。此外,阻尼网布能够实现外壳50的内腔和外壳50的外部之间的气压平衡之间的声学隔离,使得外壳50的内腔中的声波不会泄露至外壳50的外部之间。其中,透气是指界面两侧的介质可以交换,声学隔离是指声音无法穿透。阻尼网布的数量、形状等与前泄孔相适配。在其他一些实施例中,发声装置100也可以不设置第二阻尼网布。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
图16是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的结构示意图。图17是图16所示的发声组件20在B-B线处的一种实施方式的部分剖面图。
如图16和图17所示,在一种实施方式中,发声装置100还包括调节机构80。调节机构80具有第一出声孔81。第一出声孔81的大小能够变大或者变小。
示例性地,调节机构80包括多个叶片。多个叶片共同围出第一出声孔81。通过控制多个叶片的运动,来调节第一出声孔81的孔径,从而实现第一出声孔81的大小的变大或者变小。
如图16和图17所示,调节机构80设置在外壳50上。调节机构80的第一出声孔81连通外壳50的出音孔51。此时,发声装置100产生的可听声可以通过外壳50的出音孔51以及调节机构80的第一出声孔81传出至发声装置100的外部。
可以理解的是,调节机构80的位置可以根据出音孔51的位置而定。例如当出音孔51设置在外壳50的顶壁531上时,调节机构80可以设置在外壳50的顶壁531。
可以理解的是,当调节机构80的第一出声孔81的大小变大时,可听声传导的通道的面积较大,这样可听声不容易在第一出声孔81处发声衍射。因此,传导至外壳50的可听声的指向性不容易发生变化。当调节机构80的第一出声孔81的大小变小时,可听声传导的通道的面积较小,这样可听声容易在第一出声孔81处发声衍射。因此,传导至外壳50的可听声的指向性容易发生变化。
可以理解的是,当需要低频指向性时,将第一出声孔81的面积增大。此处适合的场景可以为发声装置100播放声音朝向特定方向或特定用户。例如,隐私通话场景,当用户打电话时,不希望他人听到我们打电话的下行声音时,调节第一出声孔81的孔径变大,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到。再例如,音乐独享场景,周边存在其他人休息,用户想进行影音娱乐时,调节第一出声孔81的孔径变大,声音具有指向性,使得声音只朝向用户发射,周围的人听不到,不打扰周边的人。
当不需要低频指向性时,将第一出声孔81面积变小。此处适合的场景可以为发声装置100播放声音朝向多个方向的用户。例如,当用户周边的人想一起听声音时,可以将第一出声孔81调节变小,可听声无指向性,用户周边的人都可以听到声音。
在其他实施方式中,调节机构80还可以为移动遮挡件。移动遮挡件可以选择性遮挡出音孔51,或者改变遮挡出音孔51的大小,从而改变出音孔51的大小。具体地,本申请不对调节机构80的具体结构进行限定。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
图18是本申请实施例提供的超声换能器22在一些实施例中的结构示意图。
如图18所示,一些实施例中,换能器22可以为压电超声换能器。换能器22包括支撑件221和振动构件222,振动构件222包括振膜2221及压电片2222,振膜2221的周缘固定于支撑件221,压电片2222固定于振膜2221上。示例性地,压电片2222包括一个压电材料层,此时超声换能器22为压电单晶超声换能器22。其中,压电材料层可以采用锆钛酸铅压电陶瓷(lead zirconate titanate piezoelectric ceramics,简称为PZT)等压电材料。压电片2222可以通过胶层2223粘接在振膜2221上。其中,压电片2222可以位于振膜2221的上表面或下表面,本申请实施例对此不作严格限定。振膜2221可以采用铝等材料。在本实施例中,由于压电片2222的高Q值特性,超声换能器22具有较高的能量转换效率。其中,Q值叫做品质因数,高Q值意味着低的声波能量损耗(其衰减率则与频率平方成正比)。
其中,通过调整超声换能器22的材料和几何尺寸,能够调整超声换能器22的振动构件222的共振频率,使得共振频率位于期望的频率范围内。示例性的,设计振动构件222的共振频率为40kHz,以适用于需要形成中低频的可听声的发声装置100。以压电片2222采用圆片形结构进行示例说明,压电材料为PZT-5H,极化方向为压电片2222的厚度方向,对压电片2222的上下表面施加电压,压电片2222的半径为4mm,厚度为0.8mm。振膜2221的材料为铝,厚度为0.2mm。此时,振动构件222的共振频率为40kHz或接近40kHz。
在一些实施方式中,通过减小压电片2222的面积,和/或增加压电片2222的厚度,和/或增加振膜2221材料的厚度,和/或增加振膜2221材料的硬度,可以提升振动构件222的共振频率,以使共振频率匹配期望的初始超声波的频率。具体方案可以依据实际需求进行设计,此处不进行赘述。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
如图18所示,在一些实施方式中,将振动构件222发射声波的相位进行聚焦设置。例如,振动构件222发射声波的相位满足:
其中,r为所述振动构件222上的任一点与所述振动构件222的中心之间的距离,λ为振动构件222发射第一声波对应的波长,f为振动构件222发射声波对应的焦距。
可以理解的是,当振动构件222发射声波的相位满足上述关系式时,可以使得振动构件222发射声波的相位实现聚焦,从而增强振膜2221的出射声波指向性,进而提高可听声的声压级。
可以理解的是,振动构件222发射声波的相位的聚焦设置具有多种方案。在一种实施方式中,可以通过设置振动构件222的形状(例如,振动构件222的表面可以设置成与凸透镜的表面类似的形状,或者与菲涅尔透镜的表面类型的形状),以实现振动构件222发射声波的相位/>的聚焦设计。在其他实施方式中,也可以在振动构件222的表面设置聚焦结构(例如下文的声波指向件91),聚焦结构也可以实现振动构件222发射声波的相位/>的聚焦设计。
如图18所示,在一些实施方式中,换能器22还可以包括声波指向件91,声波指向件91位于振动构件222的上方,声波指向件91用于对超声换能器22产生的超声波的辐射方向进行限制,以增强振膜2221的出射声波指向性,从而提高可听声的声压级。其中,声波指向件91可以包括发射面。发射面的形状为锥状。锥状的发射面能够将初始超声波的指向性收窄到60°左右,较大程度地增强振膜2221的出射声波指向性。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
图19是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的剖面示意图。图20是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的剖面示意图。
如图19和图20所示,在一些实施方式中,发声装置100还包括前腔滤波器92。前腔滤波器92具有第二出声孔921。前腔滤波器92固定在外壳50上,且第二出声孔921连通外壳50的出音孔51。在一些实施方式中,前腔滤波器92可以通过粘胶等方式固定在外壳50上。在一些实施方式中,前腔滤波器92也可以与外壳50形成一体成型结构件。
在本实施方式中,前腔滤波器92可以用于过滤非目标声波。换言之,非目标声波不能够通过前腔滤波器92。目标声波可以通过前腔滤波器92。
可以理解的是,换能器22在第一控制信号的驱动下以f1的频率发出第一声波。此外,反射件90在第二控制信号驱动下以f2的频率做周期运动。此时,空间中声场发生改变,产生调制,形成可听声。其中空间中声场包括两种声波频率,分别为|f1+f2|和|f1-f2|。其中,可以过滤掉空间中两种频率声波的一种,以剩下一种频率的声波。例如,通过过滤掉频率|f1+f2|的声波,以保留|f1-f2|的声波。此时,目标声波频率为|f1-f2|。而非目标声波频率为|f1+f2|。在本实施方式中,前腔滤波器92可以用于过滤非目标声波,也即频率|f1+f2|的声波,并且通过频率为|f1-f2|的声波。
在一种实施方式中,非目标声波为高频声波。目标声波为低频声波。换言之,前腔滤波器92可以用于过滤高频声波,以使低频声波通过前腔滤波器92。例如,以f1=40kHz,f2=41kHz为例进行说明。前腔滤波器92可以用于通过频率为|f1-f2|=1kHz的声波,并过滤掉频率为|f1+f2|=41kHz的声波。换言之,高频声波(41kHz)可以在前腔滤波器92内因为热粘滞等作用耗散掉。此时,高频声波(41kHz)无法传播至发声装置100的外部。
下文结合相关附图介绍几种前腔滤波器92的具体结构。
如图19所示,前腔滤波器92为变截面管管道。换言之,前腔滤波器92的第二出声孔921的孔壁具有凹凸结构。这样,前腔滤波器92可以用于过滤高频声波,并使低频声波通过。
下文结合相关附图介绍几种前腔滤波器92的具体结构。
如图19所示,前腔滤波器92为变截面管管道。前腔滤波器92的第二出声孔921包括多个窄区域9211和多个宽区域9212。多个窄区域9211和多个宽区域9212交替排布。此时,前腔滤波器92的第二出声孔921的孔壁大致呈凹凸结构。可以理解的是,窄区域9211的宽度小于宽区域9212的宽度。每个窄区域9211的宽度可以不用严格地都相等。每个宽区域9212的宽度可以不用严格地都相等。
如图19所示,宽区域9212的宽度L1在0.1mm至50mm的范围内。另外,相邻两个窄区域9211之间的距离L2(也即宽区域9212的高度)在0.1mm以上。可以理解的是,前腔滤波器92过滤的声波频率与宽区域9212的宽度L1、相邻两个窄区域9211之间的距离L2均相关。以f1=40kHz,f2=41kHz为例进行说明,需要滤除|f1+f2|=41kHz的声波,其对应的在空气中的波长λ0=8.4mm,若宽区域9212的宽度L1可设置为2.5mm,相邻两个窄区域9211之间的距离L2设置为2mm,可实现41kHz的声波在通过第二出声孔921后声压级下降20dB以上。
如图20所示,前腔滤波器92为声学亥姆霍兹共鸣器。此时,前腔滤波器92具有谐振腔922。谐振腔922连通第二出声孔921。这样,前腔滤波器92可以用于过滤高频声波,并使低频声波通过。可以理解的是,谐振腔922不仅限于图20所示意的一个,谐振腔922的数量可以为多个。多个谐振腔922的尺寸可以存在差异。
其中,谐振腔922包括第一腔体9221和第二腔体9222。第一腔体9221的截面宽度小于第二腔体9222的截面宽度。第一腔体9221连通第二出声孔921。
示例性地,第一腔体9221的特征长度大于0.01mm,第二腔体9222的特征长度在0.1mm至50mm范围内。可以理解的是,第一腔体9221的特征长度是指第一腔体9221中最远两个点之间的距离。例如,第一腔体9221呈球型,第一腔体9221的特征长度为球的直径。再例如,第一腔体9221呈圆柱型,第一腔体9221的特征长度为圆柱的高,等等。另外,第二腔体9222的特征长度是指第二腔体9222中最远两个点之间的距离。第二腔体9222的特征长度的举例可以参阅第一腔体9221的特征长度的举例。这里不再赘述。
可以理解的是,前腔滤波器92过滤的声波频率与第一腔体9221的特征长度、第二腔体9222的特征长度均相关。以f1=40kHz,f2=41kHz为例进行说明,需要滤除|f1+f2|=41kHz的声波,其对应的在空气中的波长λ0=8.4mm,若第二出声孔921直径为1mm,则第一腔体9221的特征长度可分别设置为0.5mm,第二腔体9222的特征长度可设置为4.5mm,这样可实现41kHz的声波在通过第二出声孔921后声压级下降20dB以上。
在其他实施方式中,前腔滤波器92也可以采用其他的管道或者腔体结构。该管道或腔体可以满足管道共振透射等原理。这样,前腔滤波器92可以用于过滤高频声波,并使低频声波通过。
在其他实施方式中,前腔滤波器92也可以采用其他的低通结构或者带阻结构。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。例如,本实施方式与图16和图17的实施方式相结合时,调节机构80可以位于前腔滤波器92的顶壁。调节机构80的第一出声孔81与前腔滤波器92的第二出声孔921连通。具体地这里不再赘述。
上文结合相关附图具体介绍了发声装置100。下文将示意性给出一些可以发射超声波的换能器22。下文的换能器22均称为超声换能器。
在一些实施例中,超声换能器也可以采用聚偏氟乙烯(polyvinylidenedifluoride,PVDF)压电薄膜超声换能器。超声换能器的振动构件为聚偏氟乙烯压电薄膜,聚偏氟乙烯压电薄膜可以通过简单的约束方式,实现在弯曲表面或者平面上进行超声波发射,且频率较高,振动构件的共振频率一般在1MHz至100MHz的范围内。此时,超声换能器的振动构件能够较为容易地获得400kHz以上的共振频率。当然,在其他一些实施例中,超声换能器的振动构件的共振频率也可以有其他共振频率,例如小于400kHz。
在另一些实施例中,超声换能器也可以采用微机械超声换能器(micromachinedultrasonic transducer,MUT)。例如,超声换能器可以采用电容式微机械超声换能器(capacitive micromechanical ultrasonic transducer,cMUT)或者压电式微机械超声换能器(piezoelectric micro mechanical ultrasonic transducer,pMUT)。本实施例超声换能器的振动构件的共振频率通常较高,例如可以大于或等于400kHz。当然,在其他一些实施例中,超声换能器的振动构件的共振频率也可以小于400kHz。
其中,电容式微机械超声换能器和压电式微机械超声换能器均为采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)工艺制造的微型超声换能器。电容式微机械超声换能器一般是通过在硅衬底上形成空腔,空腔顶面为振膜材料,如氮化物等,并通过电极材料施加信号,进而实现超声波发射。压电式微机械超声换能器一般是通过在硅衬底上叠加压电类材料,如锆钛酸铅压电陶瓷等,同样通过电极施加信号后会因为逆压电效应而产生超声波。这两类基于MEMS工艺的超声换能器可以方便地实现阵列化设计,有利于提高振动构件形成的初始超声波的声压级,从而提高发声装置100形成的调制超声波的声压级,使得可听声的声压级较高。
可以理解的是,除了前文实施例,超声换能器也可以有其他实现结构,本申请实施例对此不作严格限定。
可以理解的是,上文的发声装置100是通过一方面设置换能器22在第一控制信号驱动下产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置反射件90的反射面93在第二控制信号的控制下以第二频率f2做周期运动。此时利用周期运动的反射面93对第一声波进行调制,以形成第二声波。其中第二声波可以包括可听声。下文将结合相关附图再介绍几种发声装置100及其发声原理。其中,下文是通过设置换能器22在以第二频率f2做周期运动的同时,并向外部发出第一频率f1的第一声波。此时,第一声波经反射面93反射,反射后的第一声波的声压幅度发生周期变化。反射后的第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。可以理解的是,这两个实施方式均是通过改变反射后的第一声波的传播方向,来使得反射后的第一声波调制形成第二声波。另外,下文的实施方式与上文的实施方式不同的是,下文的换能器22做周期运动,反射件90的不做周期运动。可以理解的是,本实施方式与上文各个实施方式相同的技术内容不再赘述。
图21是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的剖面示意图。
如图21所示,发声装置100的发声组件20包括底座21、换能器22、驱动装置23以及反射件90。其中,换能器22以及反射件90的结构可以参阅上文各个实施方式的换能器22以及反射件90的结构。这里不再赘述。
为了便于描述,定义在换能器22未发生周期运动时,垂直于换能器22的振动构件222的所在平面的方向为Z轴。换能器22的宽度方向为X轴。垂直于X轴和Z轴为Y轴。在其他实施方式中,坐标系也可以根据具体需求灵活设置。
其中,底座21可以是一种平台结构。底座21包括背向设置的第一面211和第二面212,即第一面211和第二面212背靠背设置。第一面211和第二面212均可以呈平面。另外,底座21的形状不仅限于图21所示意的圆盘结构。可以理解的是,关于底座21具体结构不申请不做具体地限定。
如图21所示,换能器22固定在底座21上。换能器22发出的第一声波可以经第一面211的所在一侧发出。
如图21所示,驱动装置23连接底座21。驱动装置23用于驱动底座21做周期运动,从而通过底座21带动换能器22做周期运动。周期运动包括往复转动、连续转动或者往复平移。可以理解的是,图21通过实线和虚线示意出了底座21和换能器22在不同状态下的结构示意图。另外,在其他实施方式中,周期运动也可以包括往复转动与往复平移叠加后的运动,或者连续转动与往复平移连续转动或者往复平移。
在其他实施方式中,发声装置100也可以不包括底座21。此时,驱动装置23直接连接换能器22。
下文结合相关附图介绍一种驱动装置23的具体结构。
图22是图21所示的底座21、换能器22以及驱动装置23在一种实施方式的结构示意图。
如图22所示,在一种实施方式中,驱动装置23可以采用压电驱动力的驱动装置23。具体地,驱动装置23包括第一压电驱动机构23a以及第二压电驱动机构23b。
其中,第一压电驱动机构23a包括第一固定座231以及第一悬臂233。第一悬臂233的第一端固定连接第一固定座231。第一悬臂233的第二端相对第一固定座231伸出。可以理解的是,第一悬臂233的第一端相对第一固定座231为固定端。第一悬臂233的第二端相对第一固定座231为活动端。示例性地,第一悬臂233包括压电片(图未示)。当压电片通电时,压电片可以发生变形,第一悬臂233的第二端可以沿Z轴的方向往复振动。
可以理解的是,为了便于描述,定义换能器22的出音方向为Z轴的方向。第一悬臂233的长度方向为X轴。垂直于X轴和Z轴为Y轴。可以理解的是,坐标系也可以根据具体需求灵活设置。具体地本申请不做限定。
另外,第二压电驱动机构23b包括第二固定座232以及第二悬臂234。第二悬臂234的第一端固定连接第二固定座232。第二悬臂234的第二端相对第二固定座232伸出。可以理解的是,第二悬臂234的第一端相对第二固定座232为固定端。第二悬臂234的第二端相对第二固定座232为活动端。示例性地,第二悬臂234也包括压电片(图未示)。当压电片通电时,压电片可以发生变形,第二悬臂234的第二端可以沿Z轴的方向往复振动。
在本实施方式中,在同一段时间内,第一悬臂233的振动方向与第二悬臂234的振动方向相反。例如,以二分之一周期为例进行描述。在(0,T/4)时,第一悬臂233沿Z轴的正方向振动,第二悬臂234沿Z轴的负方向振动。在(T/4,T/2)时,第一悬臂233沿Z轴的负方向振动,第二悬臂234沿Z轴的正方向振动。例如,当第一悬臂233的第二端沿Z轴正方向运动时,第二悬臂234的第二端沿Z轴负方向运动,第一悬臂233的第二端和第二悬臂234的第二端的振动方向相反。
如图22所示,底座21位于第一压电驱动机构23a与第二压电驱动机构23b之间。第一悬臂233的第二端(也即活动端)连接底座21的第一侧213。第二悬臂234的第二端(也即活动端)连接底座21的第二侧214。示例性地,第一悬臂233的第二端(也即活动端)与第二悬臂234的第二端(也即活动端)均可以连接在底座21的第二面212。
在一种实施方式中,底座21也可以与驱动装置23构成模块化组件。具体地,底座21可以与驱动装置23构成一体结构件,也即底座21为驱动装置23的一个部件。
可以理解的是,由于在同一段时间内,第一悬臂233的振动方向与第二悬臂234的振动方向相反,底座21的第一侧213和底座21的第二侧214的运动方向也相反。例如,以二分之一周期为例进行描述。在(0,T/4)时,第一悬臂233带动底座21的第一侧213沿Z轴的正方向振动,第二悬臂234带动底座21的第二侧214沿Z轴的负方向振动。在(T/4,T/2)时,第一悬臂233带动底座21的第一侧213沿Z轴的负方向振动,第二悬臂234带动底座21的第二侧214沿Z轴的正方向振动。这样底座21能够相对转轴G1(图22通过虚线示意性给出)转动。其中,第一悬臂233与底座21的连接位置为第一位置。第二悬臂234与底座21的连接位置为第二位置。转轴G1可以是经过第一位置和第二位置的中心的虚拟轴线。示例性地,在图22的坐标系下,转轴G1可以是平行于Y轴,且可以经过底座21的中心的虚拟轴线。
在一种实施方式中,底座21带动换能器22转动的角度为θ,其中θ满足:-45°≤θ≤45°,也即底座21可以带动换能器22在-45°≤θ≤45°内转动。例如,θ可以等于-45°、-30°、-20°、-10°、10°、20°、30°或者45°。示例性地,结合图22所示,θ<0°可以是当第一悬臂233带动底座21的第一侧213沿Z轴的正方向振动,第二悬臂234带动底座21的第二侧214沿Z轴的负方向振动时,底座21逆时针在X-Z平面转过的角度。θ>0°可以是当第一悬臂233带动底座21的第一侧213沿Z轴的负方向振动,第二悬臂234带动底座21的第二侧214沿Z轴的正方向振动时,底座21顺时针在X-Z平面转过的角度。θ=0°可以是当第一悬臂233没有带动底座21的第一侧213沿Z轴振动,第二悬臂234也没有带动底座21的第二侧214沿Z轴振动时,底座21没有相对X-Z平面转动。
在一种实施方式中,底座21带动换能器22转动的角度为θ,其中θ满足:-30°≤θ≤30°,也即底座21可以带动换能器22在-30°≤θ≤30°内转动。例如,θ可以等于-30°、-20°、-10°、10°、20°或者30°。
在一种实施方式中,底座21带动换能器22转动的角度为θ,其中θ满足:-10°≤θ≤10°,也即底座21可以带动换能器22在-10°≤θ≤10°内转动。例如,θ可以等于-10°、-5°、5°、8°或者10°等。在其他实施方式中,θ也可以满足其他的范围。
在一种实施方式中,底座21也可以与驱动装置23构成模块化组件。具体地,底座21可以与驱动装置23构成一体结构件,也即底座21为驱动装置23的一个部件。
如图21和图22所示,第一控制信号耦合至换能器22,第一控制信号用于驱动换能器22的振动构件222往复振动,以使换能器22产生第一声波。可以理解的是,耦合可以是直接电连接,也可以是间接电连接。在一些实施方式中,第一控制信号的频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。示例性地,第一频率f1为单频,且第一频率f1可以大于或等于20kHz。其中,换能器22的振动构件222能够在第一控制信号的驱动下往复振动,振动构件222的振动频率可以大于或等于20kHz,也即振动构件222的振动频率为超声频率。这样第一声波为初始超声波。
可以理解的是,换能器22的振动构件222在振动的过程中,在不同的时刻或者不同的时间段内,换能器22的振动构件222的振动的速度可以不同,也可以相同。
另外,第二控制信号耦合至驱动装置23。第二控制信号用于控制驱动装置23,以驱动底座21带动换能器22做周期运动。在一些实施方式中,第二控制信号的频率包括第二频率f2,第二频率f2为单频或者宽频。示例性地,第二控制信号的第二频率f2可以大于或等于20kHz。此时,驱动装置23也能够驱动底座21带动换能器22做周期运动,底座21与换能器22的周期运动的频率可以大于或等于20kHz。
可以理解的是,周期运动包括往复转动、连续转动或者往复平移。其中,底座21带动换能器22做周期运动的过程中,在不同的时刻或者不同的时间段内,底座21带动换能器22运动的速度可以不同,也可以相同。
其中不同结构的驱动装置可以对应不同的周期运动。例如,以图22所示意的驱动装置23为例进行说明。示例性地,第二控制信号被配置为控制所述第一悬臂233的活动端和所述第二悬臂234的活动端往复振动。第一悬臂233的活动端和所述第二悬臂234的活动端驱动底座21带动换能器22做往复转动。这样,图22所示意的驱动装置23可以实现底座21做往复转动的周期运动。关于驱动装置23用于实现底座21做连续转动和往复移动的周期运动,下文将结合相关附图具体介绍,这里不再赘述。
如图21所示,换能器22在以第二频率f2做周期运动的同时,并向外部发出第一频率f1的第一声波。当第一声波传播至反射面93时,反射面93对第一声波进行反射,此时在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。可听声的频率可以低于第一声波的频率。
在一些实施方式中,换能器22在以大于或等于20kHz的频率做周期运动的同时,向外部发出超声波(频率大于或等于20kHz)。此时,由于超声波具有一定的指向性,其主瓣能量在运动的过程中同步运动,这样,在经过反射面93反射后,使得空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化。反射后的超声波能够在空间中发生调制,以形成第二声波。
下文结合上文各个附图具体介绍发声装置100产生可听声的原理。
假设第一控制信号的频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。示例性地,第一控制信号V′包含项(9):
V1sin(2πf1t) (9)
其中,V1为常数。
如图5所示,换能器22在第一控制信号的驱动下以第一频率f1发出第一声波。此时,空间的第一声波s(t)包含项(10):
S0sin(2πf1t) (10)
其中,S0为常数。其中,由项(10)可知,换能器22的振动构件22的振动频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。
由图5可知,在项(10)中,每个时刻t均对应一个声压值s(t),且每个声压值s(t)均与幅度S0相关。例如,当t=t1时,s(t)包含S0sin(2πf1t1),也即刻t1对应一个声压值s(t1),且与幅度S0相关。再例如,当t=t2时,s(t)包含S0sin(2πf1t2),也即刻t2对应一个声压值s(t2),且与幅度S0相关。
另外,假设第二控制信号的频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。示例性地,第二控制信号V″包含项(11):
V2sin(2πf2t) (11)
其中,V2为常数。
如图21所示,当驱动装置23在第二控制信号的控制下以第二频率f2,来驱动底座21带动换能器22做周期运动。下文以底座21带动换能器22做往复转动的周期运动为例进行描述。
其中,底座21在第二控制信号的驱动下以第二频率f2带动换能器22做往复转动。此时,换能器22的转动角度Δθ包含项(12):
k1V2sin(2πf2t)(12)
其中,k1为常数。另外,由项(12)可知,换能器22的运动频率包括第二频率f2。第二频率f2为单频或者宽频。
如图21所示,在底座21带动换能器22做往复转动的过程中,反射面93朝向换能器22的振动构件222的角度θ发生变化,其中θ满足:θ=θc+Δθ。其中,θc为反射面93朝向换能器22的振动构件222的预设角度。Δθ为换能器22的转动角度。关于θc的定义与上个各个实施方式的θc定义相同。这里不再赘述。
可以理解的是,当Δθ=0°时,换能器22未发生转动。当Δθ≠0°时,换能器22发生转动。
其中,图21通过类水滴型的实线示意了在Δθ=0°时第一声波主瓣的能量分布。反射前的第一声波用H1标示。反射后的第一声波用H2标示。
其中,图21通过类水滴型的虚线示意了在Δθ≠0°时,第一声波主瓣的能量分布。其中,反射前的第一声波用H3标示。反射后的第一声波用H4标示。
可以理解的是,假设在观察位置(图21通过打叉示意了该位置)观察第一声波。当Δθ=0°时,观察位置位于反射面93的正前方,且正对于第一声波的声压幅度1处(也即声压幅度的最大值处)。当反射面93转动Δθ≠0°角度时,在观察位置处,声压幅度从声压幅度1变成声压幅度2,声压幅度2小于声压幅度1。这样,当底座21带动换能器22做往复转动的过程中,声压幅度在声压幅度1与声压幅度2之间往复变化。此时,声压值s(t)也发生往复变化,声压值s(t)被调制为s′(t)。
可以理解的是,在本实施方式中,观察位置是在Δθ=0°时,正对于声压幅度的最大值处。在其他实施方式中,观察位置可以灵活设置。例如,观察位置也可以是在Δθ=0°时,正对于第一声波主瓣的能量的边缘的任一位置,也即(图21中水滴型的边缘的任一位置)。当然,在其他实施方式中,观察位置也可以在Δθ≠0°时,正对于第一声波主瓣的能量的边缘的任一位置。
其中,换能器22在底座21的带动下,形成频率为f2的往复转动,空间中的至少一个位置的声压幅度也随之变化,可以得出空间中声场s′(t)含项(13):
S1sin(2πf1t)sin(2πf2t) (13)
其中,S1为常数。
项(13)通过数学的积化和差公式可以转换为:
A cos[2π(f1+f2)t]+B cos[2π(f1-f2)t] (14)
其中,A和B均为常数。
另外,根据项(14)可以发现,换能器22发出的第一声波经调制后形成第二声波,第二声波可以包括至少两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。
可以理解的是,关于两种频率|f1+f2|和|f1-f2|的设置可以参阅上文各个实施方式对两种频率的设置。具体地这里不再赘述。此外,当音频信号为宽频信号,第一声波s(t)也可以被调制成第二声波s′(t),其中,第二声波s′(t)包含项(15):
S1a(t)sin(2πf0t)sin(2πf0t) (15)
其中,S1为常数。
可以理解的是,关于项(15)的产生,也可以上文各个实施方式的推导过程。具体地这里不再赘述。
下文将结合相关附图再介绍一种用于实现换能器22做往复平移的发声装置100的结构,以及换能器22的发声原理。可以理解的是,本实施方式与上文各个实施方式相同的技术内容不再赘述。
上文结合相关附图介绍了换能器22的发声原理。下文将结合相关附图具体介绍几种驱动底座21周期运动的驱动装置23的结构。
图23是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的结构示意图。
如图23所示,在一种实施方式中,驱动装置23可以采用电磁驱动力的驱动装置23。例如,驱动装置23为电机,也称为马达。在其他实施方式中,驱动装置23也可以是压电驱动力的电机。具体地本申请不对电机进行限定。
其中,驱动装置23包括第一电机23c和第二电机23d。第一电机23c具有第一输出轴235。当第一电机23c通电时,第一输出轴235可以发生转动。第二电机23d具有第二输出轴236。当第二电机23d通电时,第二输出轴236可以发生转动。
在本实施方式中,底座21位于第一电机23c和第二电机23d之间。第一电机23c的第一输出轴235连接底座21的第一侧213。第二电机23d的第二输出轴236连接底座21的第二侧214。示例性地,第一电机23c的第一输出轴235可以通过齿轮等传动机构或者联动机构与底座21的第一侧213传动或者联动。第二电机23d的第二输出轴236也可以通过齿轮等结构与底座21的第二侧214传动或者联动。
示例性地,在同一段时间内,第一电机23c的第一输出轴235的转动方向与第二电机23d的第二输出轴236的转动方向相同。此时,在同一段时间内,底座21的第一侧213和底座21的第二侧214的转动方向相同。例如,以二分之一周期为例进行描述。在(0,T/4)时,第一电机23c的第一输出轴235带动底座21的第一侧213沿X轴的顺时针方向转动,第二电机23d的第二输出轴236带动底座21的第二侧214沿X轴的顺时针方向转动。在(T/4,T/2)时,第一电机23c的第一输出轴235带动底座21的第一侧213沿X轴的逆时针方向转动,第二电机23d的第二输出轴236带动底座21的第二侧214沿X轴的逆时针方向转动。这样底座21能够相对虚拟转轴转动。虚拟转轴可以为第一输出轴235的延长线、或者第二输出轴236的延长线、或者第一输出轴235与第二输出轴236的连线。
可以理解的是,为了便于描述,定义换能器22的出音方向为Z轴方向。第一输出轴235的长度方向为X轴。垂直于X轴和Z轴为Y轴。可以理解的是,本实施方式的坐标系也可以根据具体需求灵活设置。
示例性地,第一电机23c的第一输出轴235与第二电机23d的第二输出轴236平行设置。这样第一电机23c和第二电机23d可以同步地驱动底座21往复转动或者连续转动。
在一种实施方式中,第一电机23c的第一输出轴235与第二电机23d的第二输出轴236可以用于驱动底座21做往复转动。
在一种实施方式中,底座21带动换能器22转动的角度为θ,其中θ满足:-45°≤θ≤45°。例如,θ可以等于-45°、-20°、-10°、10°、20°或者45°。这样,底座21可以在-45°至45°的范围内转动。
在一种实施方式中,底座21带动换能器22转动的角度为θ,其中θ满足:-30°≤θ≤30°。例如,θ可以等于-30°、-20°、-10°、10°、20°或者30°。这样,底座21可以在-30°至30°的范围内转动。
在一种实施方式中,底座21带动换能器22转动的角度为θ,其中θ也可以满足:-10°≤θ≤10°。例如,θ可以等于-10°、-5°、5°、8°或者10°等。这样,底座21可以在-10°至10°的范围内转动。
在其他实施方式中,θ也可以在其他的范围内。例如在0°至120°的范围内、0°至150°的范围内、0°至200°的范围内、0°至240°的范围内、0°至300°的范围内、或者0°至330°的范围内。具体地本申请不做限定。
可以理解的是,第一电机23c和第二电机23d能够在第二控制信号下往复转动,此时,第一电机23c和第二电机23d也能够驱动底座21带动换能器22往复转动。在一种实施方式中,底座21与换能器22的往复运动的频率可以大于或等于20kHz。另外,换能器22的振动构件222能够在第一控制信号的驱动下振动。在一种实施方式中,振动构件222的振动频率大于或等于20kHz,也即振动构件222的振动频率为超声频率,第一声波为初始超声波。这样,换能器22在以一定频率做往复转动的同时,向外部发出第一声波。当第一声波传播至反射面93时,反射面93对第一声波进行反射,此时在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
在一种实施方式中,第一电机23c的第一输出轴235的延长方向、第二电机23d的第二输出轴236的延长方向均可以穿过底座21的中心位置。这样,底座21在转动过程中稳定性高。在其他实施方式中,第一电机23c的第一输出轴235与底座21的连接位置、第二电机23d的第二输出轴236与底座21的连接位置均不作具体的限定。
在本实施方式中,第一电机23c、第二电机23d与底座21沿X轴方向排布。在其他实施方式中,第一电机23c、第二电机23d与底座21也可以沿Z轴方向排布。此时,第一电机23c的第一输出轴235可以连接底座21的第一面211。第二电机23d的第二输出轴236可以连接底座21的第二面212。可以理解的是,第一电机23c的第一输出轴235可以垂直于底座21的第一面211,也可以与底座21的第一面211呈锐角设置。第二电机23d的第二输出轴236可以垂直于底座21的第二面212,也可以与底座21的第二面212呈锐角设置。
在一种实施方式中,第一电机23c的第一输出轴235与第二电机23d的第二输出轴236可以用于驱动底座21做连续转动。此时,底座21带动换能器22转动的角度θ在0°至360°的范围内。此时,底座21带动换能器22在360°内连续转动。
可以理解的是,第一电机23c和第二电机23d能够在第二控制信号下连续转动,此时,第一电机23c和第二电机23d也能够驱动底座21带动换能器22连续转动。在一种实施方式中,底座21与换能器22的连续运动的频率可以大于或等于20kHz。另外,换能器22的振动构件222能够在第一控制信号的驱动下振动。振动构件222的振动频率大于或等于20kHz,也即振动构件222的振动频率为超声频率,第一声波为初始超声波。这样,换能器22在以一定频率做连续转动的同时,向外部发出第一声波。当第一声波传播至反射面93时,反射面93对第一声波进行反射,此时在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
图24是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的结构示意图。
与上文各个实施方式相同的技术内容不再赘述:如图24所示,驱动装置23连接底座21。驱动装置23用于驱动底座21做往复平移,从而通过底座21带动换能器22做往复平移。可以理解的是,关于驱动装置23用于实现底座21做往复移动的周期运动,可以结合上文的图9所示意的伸缩机构25e的实施方式,具体地这里不再赘述。
为了便于描述,定义在换能器22未发生周期运动时,垂直于换能器22的振动构件222的所在平面的方向为Z轴。换能器22的宽度方向为X轴。垂直于X轴和Z轴为Y轴。在其他实施方式中,坐标系也可以根据具体需求灵活设置。
其中,当底座21带动换能器22做往复平移时,换能器22可以相对反射面93做往复平移。此时,换能器22在反射面93的投影位置发生往复变化。其中,图24所示的实施方式以换能器22在反射面93沿X轴方向做往复平移为例进行描述。图24通过实线和虚线来示意换能器22运动至两个不同状态下的结构示意图。其中,图24通过实线示意换能器22运动至第一状态。图24通过虚线示意换能器22运动至第二状态。相较于第一状态,换能器22在第二状态下,换能器22反射件90更靠近反射件90的底部设置。可以理解的是,在本实施方式中只要能够实现换能器22在反射面93的投影位置发生往复变化,换能器22做往复平移的方向不做具体地限定。
示例性地,当底座21带动换能器22做往复平移时,底座21的移动位移为L,也即换能器22的移动位移为L。其中,L满足:-3mm≤L≤3mm。例如,L可以等于-3mm、-2mm、-1mm、0、1mm、2mm或者3mm。这样,底座21可以在-3mm≤L≤3mm的范围内往复平移。可以理解的是,定义当底座21沿X轴的正方向平移时,L为正值,也即大于0。当反射面93沿X轴的负方向平移时,L为负值,也即小于0。
示例性地,当底座21带动换能器22做往复平移时,底座21的移动位移L也可以满足:-1mm≤L≤1mm。例如,L可以等于-1mm、-0.8mm、-0.5mm、0、0.3mm、0.8mm或者1mm。这样,底座21可以在-1mm≤L≤1mm的范围内往复平移。在其他实施方式中,当底座21带动换能器22做往复平移时,底座21的移动位移L也可以在其他的范围内。
如图24所示,换能器22在以第二频率f2做往复平移的同时,并向外部发出第一频率f1的第一声波。当第一声波传播至反射面93时,反射面93对第一声波进行反射,此时在空间中某一位置的声压幅度发声周期变化。第一声波调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。可听声的频率可以低于第一声波的频率。
在一些实施方式中,换能器22在以大于或等于20kHz的频率做往复平移的同时,向外部发出超声波(频率大于或等于20kHz)。此时,由于超声波具有一定的指向性,其主瓣能量在运动的过程中同步运动,这样,在经过反射面93反射后,使得空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化。反射后的超声波能够在空间中发生调制,以形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
关于本实施方式的调制原理,与图21所示意的实施方式的声音调制原理大致相同。相同的技术内容这里不再赘述,其中在本实施方式中,空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化的方式与图21所示意的实施方式的声波幅度变化的方式不同。
如图24所示,当驱动装置23在第二控制信号的控制下以第二频率f2,来驱动底座21带动换能器22做往复平移。示例性地,驱动装置23驱动底座21带动换能器22沿X轴方向做往复平移。此时,换能器22可以相对反射面93做往复平移。此时,换能器22在反射面93的位置发生往复变化。
可以理解的是,当换能器22的移动位移L=0时,换能器22没有发生移动,换能器22在反射面93的投影位置没有发生变化。当换能器22的移动位移L=L1(其中,L1>0,或者L1<0)时,换能器22在反射面93的投影位置发生变化。
其中,图24通过类水滴型的实线示意了在L=0时第一声波主瓣的能量分布。反射前的第一声波用H1标示。反射后的第一声波用H2标示。
其中,图24通过类水滴型的虚线示意了在L=L1(其中,L1>0,或者L1<0)时,第一声波主瓣的能量分布。其中,反射前的第一声波用H3标示。反射后的第一声波用H4标示。
可以理解的是,假设在观察位置(图24通过打叉示意了该位置)观察第一声波。当L=0时,观察位置位于反射面93的正前方,且正对于第一声波的声压幅度1处(也即声压幅度的最大值处)。当换能器22平移L1(其中,L1>0,或者L1<0)时,在观察位置处,声压幅度从声压幅度1变成声压幅度2,声压幅度2小于声压幅度1。这样,当底座21带动换能器22做往复平移的过程中,声压幅度在声压幅度1与声压幅度2之间往复变化。此时,声压值s(t)也发生往复变化,声压值s(t)被调制为s′(t)。
可以理解的是,在本实施方式中,观察位置是L=0时,正对于声压幅度的最大值处。在其他实施方式中,观察位置可以灵活设置。例如,观察位置也可以是在L=L1时,正对于第一声波主瓣的能量的边缘的任一位置,也即(图21中水滴型的边缘的任一位置)。当然,在其他实施方式中,观察位置也可以在L=L1时,正对于第一声波主瓣的能量的边缘的任一位置。
可以理解的是,换能器22形成频率为f2的往复平移,第一声波在经过反射面93发射后,空间中任意位置的声压幅度也随之变化,可以得出空间中声场s′(t)包括上文的项(14)。此时,根据项(14)可知,第一声波经调制后形成第二声波,第二声波可以包括两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。
图25是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的结构示意图。
如图25所示,在一种实施方式中,底座21设有容置空间215。容置空间215可以是凹槽结构也可以通孔结构。以容置空间215是凹槽结构为例进行描述。容置空间215在底座21的第一面211形成开口。换能器22的至少部分位于容置空间215内。这样,换能器22与底座21在厚度方向具有重叠的区域,从而有利于实现发声装置100在厚度方向上的薄型化设置。
在一种实施方式中,换能器22的顶面可以与底座21的第一面211平齐,或者换能器22的顶面低于底座21的第一面211。这样,可以较大程度地降低发声装置100在厚度方向上的尺寸。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
图26是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的结构示意图。
如图26所示,在一种实施方式中,底座21设有容置空间215。容置空间215可以是凹槽结构,也可以通孔结构。以容置空间215是通孔结构为例进行描述。容置空间215在底座21的第一面211和第二面212形成开口。
在本实施方式中,振动构件222通过连接件223连接于容置空间215的壁面。连接件223可以是杆状结构,也可以是悬臂结构。连接件223也可以是通过在底座21上开设凹槽所形成的连接臂结构。具体地,本申请不对连接件223做具体地限定。
可以理解的是,相较于上文的各个实施方式的换能器22,本实施方式的换能器22没有包括支撑件221。本实施方式的换能器22可以与底座21可以形成一体成型结构。这样本实施方式的换能器22可以节省支撑件221的结构,从而使得换能器22与底座21排布得更加紧凑,发生装置100的结构更加简单。
示例性地,换能器22可以与底座21可以通过MEMS工艺实现一体成型结构。
可以理解的是,本实施方式的结构特征可以与上文各个实施方式的发声装置100相互组合。具体地这里不再赘述。
可以理解的是,上文的发声装置是通过设置换能器在以第二频率f2做周期运动的同时,并向外部发出第一频率f1的第一声波。此时,第一声波经反射面反射,反射后的第一声波的声压幅度发生周期变化。反射后的第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。下文将结合相关附图再介绍几种发声装置100及其发声原理。其中,下文是通过设置反射件的反射面的反射系数R的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,从而在第一声波入射至反射件时,反射后的第一声波的能量发生改变,并做周期性变化。此时,反射后的第一声波的声波幅度发生周期变化。这样在空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化,第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。可以理解的是,本实施方式与上文各个实施方式相同的技术内容不再赘述。
图27是图2所示的发声装置100的发声组件20在再一种实施方式的结构示意图。
与上文各个实施方式相同的技术内容不再赘述:如图27所示,发声装置100的发声组件20包括换能器22以及反射件90。其中,换能器22的结构可以参阅上文各个实施方式的换能器22的结构。具体地这里不再赘述。
为了便于描述,定义垂直于换能器22的振动构件222的所在平面的方向为Z轴。换能器22的宽度方向为X轴。在其他实施方式中,坐标系也可以根据具体需求灵活设置。
如图27所示,反射件90具有反射面93。示例性地,反射面93可以是平面、曲面等。另外,反射件90与换能器22间隔设置。反射件90的反射面93朝向换能器22的振动构件222,以方便对换能器22发出的第一声波进行反射。
在一种实施方式中,第一控制信号耦合至换能器22,第一控制信号用于驱动换能器22的振动构件222往复振动,以使换能器22产生第一声波。可以理解的是,耦合可以是直接电连接,也可以是间接电连接。在一些实施方式中,第一控制信号的频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。示例性地,第一频率f1为单频,且第一频率f1可以大于或等于20kHz。其中,换能器22的振动构件222能够在第一控制信号的驱动下往复振动,振动构件222的振动频率可以大于或等于20kHz,也即振动构件222的振动频率为超声频率。这样第一声波为初始超声波。
可以理解的是,换能器22的振动构件222在振动的过程中,在不同的时刻或者不同的时间段内,换能器22的振动构件222的振动的速度可以不同,也可以相同。
在一种实施方式中,第二控制信号耦合至反射件90。第二控制信号用于控制反射件90,从而使得反射面93的反射系数发生周期变化。在一些实施方式中,第二控制信号的频率包括第二频率f2,第二频率f2为单频或者宽频。示例性地,第二控制信号的第二频率f2可以大于或等于20kHz。
可以理解的是,反射面93的反射系数发生周期变化的过程中,在不同的时刻或者不同的时间段内,反射面93的反射系数的变化速度可以不同,也可以相同。
可以理解的是,本实施方式一方面设置换能器22在第一控制信号驱动下产生第一频率f1的第一声波,另一方面设置的反射面93的反射系数在第二控制信号的控制下以第二频率f2做周期变化。当第一声波传播至反射面93时,利用周期变化的反射系数的反射面93对第一声波进行反射,此时,反射后的第一声波的声波幅度发生周期变化。这样在空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化,第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。
下文结合上文各个附图具体介绍发声装置100产生可听声的原理。
假设第一控制信号的频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。示例性地,第一控制信号V′可以包含项(16):
V1sin(2πf1t)(16)
其中,V1为常数。
换能器22在第一控制信号的驱动下以第一频率f1发出第一声波。图27通过类水滴型的实线示意了反射前的第一声波主瓣的能量分布。其中反射前的第一声波用H1标示。此时,空间的第一声波s(t)可以包含项(17):
S0sin(2πf1t)(17)
其中,S0为常数。其中,由项(17)可知,换能器22的振动构件22的振动频率包括第一频率f1。第一频率f1为单频或者宽频。
另外,假设第二控制信号的频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。示例性地,第二控制信号V″可以包含项(18):
V2sin(2πf2t)(18)
其中,V2为常数。
其中,反射面93的反射系数R在第二控制信号的驱动下以第二频率f2做周期变化。此时,反射系数R可以包含项(19):
k1sin(2πf2t)(19)
其中,k1为常数。由项(19)可知,反射系数R的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
这样,在经过反射面93反射后,形成第二声波。图27通过类水滴型的虚线示意了反射后的第二声波主瓣的能量分布。其中反射后的第二声波用H2标示。此时,空间的声波s′(t)可以包含项(20):
s′(t)=RS0sin(2πf1t) (20)
此时,由项(19)和项(20)可得,空间的声波s′(t)可以包含项(21):
S1sin(2πf2t)sin(2πf1t) (21)
其中,S1为常数。
项(21)通过数学的积化和差公式可以转换为:
A cos[2π(f1+f2)t]+B cos[2π(f1-f2)t] (22)
其中,A和B均为常数。
另外,根据项(22)可以发现,换能器22发出的第一声波经调制后形成第二声波,第二声波可以包括至少两种频率的声波,其频率分别为|f1+f2|和|f1-f2|。
可以理解的是,关于两种频率|f1+f2|和|f1-f2|的设置可以参阅上文各个实施方式对两种频率的设置。具体地这里不再赘述。此外,当音频信号为宽频信号,第一声波s(t)也可以被调制成第二声波s′(t),其中,第二声波s′(t)可以包含项(23):
S1a(t)sin(2πf0t)sin(2πf0t) (23)
其中,S1为常数。
可以理解的是,关于式(23)的产生,也可以上文各个实施方式的推导过程。具体地这里不再赘述。
下文结合相关附图,具体介绍两种可以使得反射面93的反射系数R可以做周期变化的实施方式。
可以理解的是,反射系数R是和反射件90的反射面93的结构相关的参数。具体如下:
其中,Z1是第一声波所在传播介质的阻抗,在这里为空气阻抗。Z2是反射面93的阻抗。
在本实施方式中,通过改变反射面93的阻抗Z2,以使反射面93的反射系数R的变化包含项(19)。具体可以通过以下方式进行改变。
图28是图27所示的反射件90在一种实施方式的结构示意图。图29是图28所示的音圈与调节电路的连接示意图。
如图28和图29所示,在一种实施方式中,反射件90包括盆架951、磁路系统952、振动构件953以及音圈954。其中,磁路系统952可以采用传统的磁路系统。具体地这里不再赘述。
其中,盆架951呈环状。盆架951包括依次连接的外周缘、中部及内周缘。磁路系统952位于盆架951的内侧且固定于盆架951的内周缘。
其中,振动构件953的外周缘固定于盆架951的外周缘。振动构件953的中部与磁路系统952相对设置。
其中,音圈954的一端固定于振动构件953的内周缘,另一端位于磁路系统952的磁间隙S。当振动构件953发生振动时,振动构件953可以带动音圈954在磁路系统952的磁间隙S内运动,从而产生电流。
可以理解的是,所述振动构件953的远离所述音圈954的表面可以构成图27所示意的反射面93。
另外,在本实施方式中,反射面93的阻抗Z2是与音圈954在磁路系统952的磁间隙S内的损耗是相关的。因此,通过改变音圈954在磁路系统952的磁间隙S内的损耗,可以改变反射面93的阻抗Z2。
如图28和图29所示,在一种实施方式中,发声装置100还包括调节电路96。调节电路96包括开关961。开关961通过导线电连接在音圈954的输入端9541和输出端9542。第二控制信号耦合至开关961。第二控制信号用于控制开关961闭合和打开,从而用于控制音圈954的输入端9541和输出端9542可以导通和断开。换言之,开关961可以用于周期性地闭合和打开所述音圈954的输入端9541和输出端9542之间的回路。这样,当音圈954导通,则音圈954在磁路系统952的磁间隙S内切割磁感线,形成感应电流并被损耗掉,反之当音圈954断开,则音圈954在磁路系统952的磁间隙S内停止切割磁感线,则不会出现损耗。
图30是图27所示的反射件90在另一种实施方式的结构示意图。
如图30所示,在一种实施方式中,反射件90具有共振腔96。其中,共振腔96的腔壁构成图27所示的反射面93。
其中,共振腔96包括第一腔体961和第二腔体962。第二腔体962连通第一腔体961。第一腔体961的截面宽度小于第二腔体962的截面宽度。
示例性地,共振腔96可以为声学亥姆霍兹共鸣器。
可以理解的是,当换能器22产生第一声波时,第一声波经第一腔体961进入第二腔体962,随后反射出来。声学亥姆霍兹共鸣器可视为反射面93。其中,反射面93的阻抗Z2是和第一腔体和第二腔体的体积相关的。这样,阻抗Z2是和第一腔体961的截面积、第二腔体962的截面积、第一腔体961的长度以及第二腔体962的长度相关的。在本实施方式中,以改变第二腔体962的长度来改变反射面93的阻抗Z2。为例进行描述。其他改变方式可以参阅本实施方式的改变方式。具体地这里不再赘述。
如图30所示,发声装置100还包括尺寸调节机构97。尺寸调节机构97设置在第二腔体962内。尺寸调节机构97可以用于周期性地调节第二腔体962的体积。例如尺寸调节机构97可以用于周期性地调节第二腔体962的长度。
示例性地,尺寸调节机构97可以包括活塞和推进器。活塞连接在第二腔体962的腔壁。推进器用于驱动活塞运动。当活塞沿靠近第一腔体961的方向运动时,第二腔体962的长度减小。当活塞沿远离第一腔体961的方向运动时,第二腔体962的长度增大。
在其他实施方式中,尺寸调节机构97也可以设置在第一腔体961内。尺寸调节机构97可以用于周期性地调节第一腔体961的体积。例如尺寸调节机构97可以用于周期性地调节第一腔体961的长度。
上文具体介绍了两种改变反射面93的阻抗Z2的具体实施方式。关于改变反射面93的阻抗Z2的方案本申请不做具体地限定。
上文是通过设置反射件的反射面的反射系数R的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,从而在第一声波入射至反射件时,反射后的第一声波的能量发生改变,并做周期性变化。此时,反射后的第一声波的声波幅度发生周期变化。这样在空间中的至少一个位置的声波幅度产生变化,第一声波可以调制形成第二声波。第二声波可以包括可听声。可以理解的是,在其他实施方式中,也可以采用其他的实施方式,来实现反射面93用于改变反射后的第一声波的能量,从而使得反射后的第一声波调制形成第二声波。
与上文相同的技术内容不再赘述:在本实施方式中,通过设置反射面93的有效面积的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,从而实现反射面93用于改变反射后的第一声波的能量,进而使得反射后的第一声波调制形成第二声波。其中,反射面93的有效面积为反射面93与第一声波的接触面积。
例如,在图3和图8所示意的实施方式中,反射件90在相对换能器22做往复转动的过程中,反射面93的有效面积可以发生变化。示例性地,随着反射件90的转动角度的增大,反射面93与第一声波的接触面积减小。随着反射件90的转动角度的减小,反射面93与第一声波的接触面积增大。再例如,在图9所示意的实施方式中,反射件90在相对换能器22做往复平移的过程中,反射面93的有效面积可以发生变化。示例性地,随着反射件90沿着Y轴方向的位移增大,反射面93与第一声波的接触面积减小。随着反射件90沿着Y轴方向的位移减小,反射面93与第一声波的接触面积增大。再例如,在图21所示意的实施方式中,换能器22在相对反射件90做往复转动的过程中,反射面93的有效面积可以发生变化。示例性地,随着换能器22的转动角度的增大,反射面93与第一声波的接触面积减小。随着换能器22的转动角度的减小,反射面93与第一声波的接触面积增大。再例如,在图24所示意的实施方式中,换能器22在相对反射件90做往复平移的过程中,反射面93的有效面积可以发生变化。示例性地,随着换能器22沿着X轴方向的位移增大,反射面93与第一声波的接触面积减小。随着换能器22沿着X轴方向的位移减小,反射面93与第一声波的接触面积增大。
可以理解的是,关于实现反射面93的有效面积的变化频率包括第二频率f2的具体实施方式,本申请不做具体地限定。
可以理解的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合,不同实施例中的特征任意组合也在本申请的保护范围内,也就是说,上述描述的多个实施例还可根据实际需要任意组合。
可以理解的是,上述所有附图均为本申请示例性的图示,并不代表产品实际大小。且附图中部件之间的尺寸比例关系也不作为对本申请实际产品的限定。
以上,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内;在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (28)
1.一种发声装置(100),其特征在于,包括换能器(22)以及反射件(90),所述反射件(90)与所述换能器(22)间隔设置;
所述反射件(90)具有反射面(93),所述反射面(93)用于反射所述换能器(22)产生的第一声波,所述反射面(93)还用于改变反射后的第一声波的传播方向,或者改变反射后的第一声波的能量,反射后的第一声波调制形成第二声波。
2.根据权利要求1所述的发声装置(100),其特征在于,所述发声装置(100)包括驱动装置(25),所述驱动装置(23)用于驱动所述换能器(22)或者所述反射件(90),所述反射面(93)相对所述换能器(22)做连续转动、往复转动或者往复平移的周期运动。
3.根据权利要求2所述的发声装置(100),其特征在于,所述反射面(93)相对所述换能器(22)做往复平移时,所述换能器(22)的中心与所述反射面(93)之间的垂直距离发生变化。
4.根据权利要求2所述的发声装置(100),其特征在于,所述驱动装置(23)包括第一电机(25c),所述第一电机(25c)的第一输出轴(255)连接所述反射件(90),用于驱动所述反射件(90)做往复转动或连续转动。
5.根据权利要求4所述的发声装置(100),其特征在于,所述反射件(90)做往复转动时,所述反射件(90)的转动角度为θ,其中,所述θ满足:-45°≤θ≤45°。
6.根据权利要求2所述的发声装置(100),其特征在于,所述驱动装置(23)包括第一悬臂(253)和第二悬臂(254),所述第一悬臂(253)的活动端连接所述反射件(90)的第一侧(93a),所述第二悬臂(234)的活动端连接所述反射件(90)的第二侧(93b);
所述第一悬臂(253)的活动端和所述第二悬臂(254)的活动端做往复振动,其中,在同一段时间内,所述第一悬臂(253)的活动端与所述第二悬臂(254)的活动端的振动方向相反。
7.根据权利要求2或3所述的发声装置(100),其特征在于,所述驱动装置(23)包括伸缩臂(258),所述伸缩臂(258)连接所述反射件(90),所述伸缩臂(258)通过伸长和缩短来驱动所述反射件(90)做往复平移运动。
8.根据权利要求2所述的发声装置(100),其特征在于,所述发声装置(100)还包括底座(21),所述换能器(22)设置在所述底座(21)上;
所述驱动装置(23)用于驱动所述底座(21)带动所述换能器(22)相对所述反射面(93)做连续转动、往复转动或者往复平移。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的发声装置(100),其特征在于,所述发声装置(100)还包括控制电路(40),所述控制电路(40)电连接所述换能器(22)和所述驱动装置(23);
所述控制电路(40)用于产生第一控制信号和第二控制信号,所述第一控制信号被配置为驱动所述换能器(22)的振动构件(222)振动,产生第一声波,所述第二控制信号被配置为控制所述驱动装置(23)驱动所述换能器(22)或者所述反射件(90),所述反射件(90)相对所述换能器(22)做连续转动、往复转动或者往复平移的周期运动。
10.根据权利要求9所述的发声装置(100),其特征在于,所述第一控制信号的频率包括第一频率f1,所述第一频率f1为单频或者宽频;
所述第二控制信号的频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
11.根据权利要求10所述的发声装置(100),其特征在于,所述第二声波的至少部分包括可听声,且所述第一频率f1和所述第二频率f2满足:20Hz≤|f1-f2|≤20kHz。
12.根据权利要求10所述的发声装置(100),其特征在于,所述第二声波的频率包括|f1-f2|和|f1+f2|。
13.根据权利要求12所述的发声装置(100),其特征在于,所述第一频率f1和所述第二频率f2还满足:f1≥20kHz,f2≥20kHz。
14.根据权利要求12或13所述的发声装置(100),其特征在于,所述第一频率f1和所述第二频率f2还满足:|f1+f2|≥20kHz。
15.根据权利要求2至8中任一项所述的发声装置(100),其特征在于,所述换能器(22)的振动构件(222)的振动频率包括第一频率f1,所述第一频率f1为单频或者宽频;
所述反射件(90)的运动频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,或者所述换能器(22)的运动频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频;
所述第二声波的频率包括|f1-f2|和|f1+f2|;
所述第二声波的至少部分包括可听声,且所述第一频率f1和所述第二频率f2满足:20Hz≤|f1-f2|≤20kHz。
16.根据权利要求1所述的发声装置(100),其特征在于,所述反射面(93)的反射系数为R,所述R的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频。
17.根据权利要求16所述的发声装置(100),其特征在于,所述反射件(90)包括盆架(951)、磁路系统(952)、振动构件(953)以及音圈(954),所述盆架(951)包括依次连接的外周缘、中部及内周缘,所述磁路系统(952)位于所述盆架(951)的内侧且固定于所述盆架(951)的内周缘,所述振动构件(953)的外周缘固定于所述盆架(951)的外周缘,所述振动构件(953)的中部与所述磁路系统(952)相对设置,所述音圈(954)的一端固定于所述振动构件(953)的内周缘,另一端位于所述磁路系统(952)的磁间隙(S),所述振动构件(953)的远离所述音圈(954)的表面构成所述反射面(93);
所述发声装置(100)包括开关(961),所述开关(961)电连接所述音圈(954)的输入端(9541)和输出端(9542),所述开关(961)用于周期性地闭合和打开所述音圈(954)的输入端(9541)和输出端(9542)之间的回路。
18.根据权利要求16所述的发声装置(100),其特征在于,所述反射件(90)具有声学亥姆霍兹共鸣器(96),所述声学亥姆霍兹共鸣器(96)包括第一腔体(961)和第二腔体(962),所述第二腔体(962)连通所述第一腔体(961),所述第一腔体(961)的腔壁和所述第二腔体(962)的腔壁构成所述反射面(93);
所述发声装置(100)还包括尺寸调节机构(97),所述尺寸调节机构(97)设置在所述第二腔体(962)内,所述尺寸调节机构(97)用于周期性地改变所述第二腔体(962)的体积,或者所述尺寸调节机构(97)设置在所述第一腔体(961)内,所述尺寸调节机构(97)用于周期性地改变所述第一腔体(961)的体积。
19.根据权利要求1所述的发声装置(100),其特征在于,所述反射面(93)的有效面积的变化频率包括第二频率f2,所述第二频率f2为单频或者宽频,所述反射面(93)的有效面积为所述反射面(93)与第一声波的接触面积。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的发声装置(100),其特征在于,所述发声装置(100)还包括外壳(50),所述外壳(50)设有出音孔(51),所述出音孔(51)连通所述外壳(50)的内腔(52)与外部空间;
所述换能器(22)以及所述反射件(90)均设置在所述外壳(50)的内腔(52)。
21.根据权利要求20所述的发声装置(100),其特征在于,所述发声装置(100)还包括吸音件(60),所述吸音件(60)设置在所述外壳(50)的内表面,且与所述出音孔(51)错开设置。
22.根据权利要求20所述的发声装置(100),其特征在于,所述外壳(50)设有声波引导结构(70),所述声波引导结构(70)与所述出音孔(51)间隔设置,所述声波引导结构(70)将所述外壳(50)的内腔(52)连通至所述外壳(50)的外部空间。
23.根据权利要求22所述的发声装置(100),其特征在于,所述声波引导结构(70)为开孔和/或管道结构;
所述声波引导结构(70)的最小宽度大于粘滞层厚度dμ,其中,粘滞层厚度dμ满足:
其中,f1为所述第一声波的频率。
24.根据权利要求20所述的发声装置(100),其特征在于,所述发声装置(100)还包括调节机构(80),所述调节机构(80)具有第一出声孔(81),所述第一出声孔(81)的大小能够变大或者变小;
所述调节机构(80)设置在所述外壳(50)上,所述调节机构(80)的第一出声孔(81)连通所述外壳(50)的出音孔(51)。
25.根据权利要求20所述的发声装置(100),其特征在于,所述发声装置(100)还包括前腔滤波器(92),所述前腔滤波器(92)固定在所述外壳(50)上,所述前腔滤波器(92)的第二出声孔(921)连通所述外壳(50)的出音孔(51);
所述第二出声孔(921)的孔壁为变截面结构或者所述第二出声孔(921)具有亥姆霍兹共鸣器。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的发声装置(100),其特征在于,所述换能器(22)的振动构件(222)发射第一声波的相位满足:
其中,r为所述振动构件(222)上的任一点与所述振动构件(222)的中心之间的距离,λ为所述振动构件(222)发射第一声波对应的波长,f为所述振动构件(222)发射声波对应的焦距。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的发声装置(100),其特征在于,所述换能器(22)包括声波指向件(91),所述声波指向件(91)设置在所述换能器(22)的振动构件(222)上;
所述声波指向件(91)的发射面的形状为锥状。
28.一种电子设备,其特征在于,包括权利要求1至27中任一项所述的发声装置(100)。
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