CN1298621A - 定位挠曲波换能器装置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种针对声音操作根据构件中挠曲波作用的共振模式确定设置与构件操作相关的挠曲波换能器装置的有利位置的方法和设备,该方法包括在所述构件中声音相关的挠曲波作用的探查性激励,以及与这样的激励挠曲波作用和相应的所述声音作用相关的可测量效应的系统性评估,其效应随着面分布在所述相关构件上的挠曲波换能器位置而改变。探查性激励是通过将声音能量施加到所述相关构件上以便诱发所述声音相关的挠曲波作用,面分布在所述相关构件上可选择地操作相关的挠曲波换能器装置响应该挠曲波作用,和所述可测量效应是关于来自所述换能器装置的信号的,或者通过面分布在所述相关构件上可选择地操作相关的挠曲波换能器装置来诱发所述声音相关的挠曲波作用。

Description

定位挠曲波换能器装置 的方法和设备

发明领域

本发明涉及在典型面板型构件中根据挠曲波作用实现声音操作。

发明背景

对于说明依赖于涉及振动共振模式的挠曲波(bending wave)作用的相关面板型音响设备的揭示性专利，请参阅国际专利申请WO 97/09842号。该专利说明了包括具体面板型构件的形状和挠曲刚度在内的参数的选择，以最优化或至少改善该具体面板型构件的声学行为，无论其是整体还是部分是声音操作的，尤其利用挠曲波振动的共振模式的有利分布；并且还进一步说明了挠曲波换能器装置，尤其是振动激励器，在扬声器之类有源音响设备的共振面板构件中或上的有利定位。

总的来说，国际专利申请WO 97/09842中的说明可容易地用于设计包括扬声器共振模式挠曲波作用有源音响设备的决定论计算，尤其是在可作为整体进行操作的面板型构件是诸如基本上长方形之类相当简单易于分析的形状/几何结构的情况下；和在可作为整体进行操作的面板构件的挠曲刚度为基本上各向同性或与形状有关的各向异性，如沿着诸如长度和宽度的主轴方向分解成基本不变的常数的的情况下。New Transducers有限公司提交的、包括PCT/GB98/00621和新PCT申请的、主张GB 9807316.6优先权的其它专利申请公开了其它设计策略、以及最优换能器位置和/或面板几何结构的适当变化和挠曲刚度和/或质量的分布。

但是，在面板型构件的几何结构相对复杂和/或迄今为止通常认为不适合于共振模式挠曲波声音作用，也许甚至具有厚度和/或非平面挠曲部分的局部变化；和/或要不就是构件的挠曲刚度严重各向异性的情况下；和/或在只有一个部件将具有或可以具有声音效果的情况下，决定论分析/计算可以变得更加困难和/或更加费时，甚至在实际上是行不通的。这样的情况通常出现在一些面板型构件特别适合于某些其它用途，但具有能够有挠曲波作用的材料结构，和/或在这方面可作可接受修改，包括用这样的材料结构作总体或局部可接受的替换，但最佳的或令人满意的换能器位置仍是未知的和并非显而易见的。

此外，还存在这样的情况，上述决定论分布模式原理建立了带有适当激励的面板结构的有利设计的可行性，并使得能够进行这种设计，以通过挠曲波作用在很宽的声音带宽上进行操作，如，频率宽达8个八度音，和在可测幅度极限之间。

但是，许多音频和声音应用既不需要这样宽的操作带宽，事实上也不能从这样宽的操作带宽得到好处；和/或可以不需要达到对频率的最佳恒定度的最佳功率响应。例如，在车辆环境中，包括用于诸如门、仪表板、车顶内衬板和搁架板等之类内装组件的基本满意声音激励。的确，在交通环境中，声音再现设备的位置、它们与使用者的物理关系、车辆内部的特殊音响效果、和车辆内生成的声音输出功率的所需/可接受分布等皆可表示为来自作为声音再现器的一个或多个面板的可用、甚至较佳的频率响应，该频率响应故意不是平坦的、例如随着频率而逐渐下降。其它例子出现在其它环境中，包括诸如家具、或广告牌或告示板之类显示装置那样通常被认为具有建筑特性的东西的内置面板或外覆盖面。面向公众播放的扬声器制品和/或组合的显示装置当然完全可以较不均匀的和范围较窄的频率范围来进行足够的工作。对于诸如告示面板或覆盖面构件之类，好的话音清晰度几乎不需要超过3个八度音的频率带宽，如500kHz至4kHz。

发明概述

本发明的目的在于利用和/或根据有利位置的可选的和系统性经验的确定结果实现分布模式声音操作，其中有利位置用作一个或多个换能器装置在选定或给定构件中或上的位置，具体是振动激励器，该构件无论是什么几何结构，但需要具有能够产生基于共振模式的声有效显著挠曲波振动的材料结构。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种针对声音操作根据构件中挠曲波作用的共振模式确定设置与构件操作相关的挠曲波换能器装置的有利位置的方法，该方法包括在所述构件中声音相关的挠曲波作用的探查性激励，以及对随着面分布在所述相关构件上的挠曲波换能器位置而变化的与这样的激励挠曲波作用和相应所述声音作用相关的可测量效应的系统性评估。

这样的探查性激励可以将声能施加到所述相关构件，以诱发所述声音相关的挠曲波作用，如包括面分布在所述相关构件上、可选择性操作相关的挠曲波换能器装置以便响应所述声音相关的挠曲波作用。

或者，这样的探查性激励可以通过面分布在所述相关构件上、可选择操作相关的挠曲波换能器装置，以便诱发所述声音相关的挠曲波作用。所述系统性评估可以是关于所述相关构件的声音输出的，利用作为所述声音输出的参数的所述可测量效应，并且可以就功率值和/或就频率值根据单点/轴或多点/轴测量所述声音输出，其中对于多点/轴测量可以对测量结果进行空间平均。

或者，所述系统性评估也可以是，事实上一般是，针对在所述换能器装置中用于所述探查性激励的信号的，包括到此的输入信号，使用的所述可测量效应涉及所述信号的参数；和可以通过分析输入信号功率以及至少可以推断从所述换能器装置馈入所述构件的功率，所述可测量参数是关于所述信号输入功率和/或所述馈入功率的。

所述系统性评估还可以容易地和有利地包括对所述挠曲波换能器装置与所述相关构件之间的不同面分布操作关联关系比较所述可测量效应，以便有助于选择所述有利位置。

所要求的所述挠曲波换能器装置与所述相关构件的操作关联关系涉及与所述声音相关的挠曲波作用有关的、具有所要求的效果的接触点的临时和可变位置；如所述挠曲波换能器装置使在所述相关构件的表面上滑过期间的所述有效触点至少作为有希望成为所述设置位置的第一选择，和/或所述挠曲波换能器装置至少在选择所述位置的后阶段有选择地固定在所述相关构件上。

所述探查性激励可以至少涉及所谓砰砰(pink)噪声、音乐和话音信号之一，在许多情况下三者皆有。

可测量效应的可替换系统性评估，即，与所述构件的声音输出相关的除外，包括构件本身的系统性评估，如，通常在挠曲波作用的激励的位置上诸如机械阻抗之类的可测量效应；和/或机械功率，通常根据声功率如在PCT/GB99/XXXXXXX中所一般建立的那样保持有用关系的机械输入功率；和/或牵涉激励的速度；和/或挠曲波在构件中的平均速度，尽管这往往可以通过激光表面振动扫描系统之类涉及诸如扫描波速或速度探针的相当昂贵设备最容易测得。实际上，在激励换能器装置上利用信号分析尤为有利，比方说，特别是在评估给定所用激励换能器装置的参数的知识就能计算出功率和波速/速度的相关机械阻抗方面。

但是，对各种方法将给出具体的描述，这些方法包括利用压电阻抗头直接测量阻抗；根据在位于构件的对面与激励换能器装置对齐的第二换能器装置的末端上的电压进行有效的挠曲波速度评估；和与利用所用挠曲波换能器装置的集总参数模型化(1umped-parameter modelling)一起激光测量构件中的波速。

此外，所述构件可以与其自身参数，例如挠曲刚度相关地进行探查，如可以利用间距激励和传感换能器装置所进行的那样，包括利用其中之一可以是位置固定的另一个位置是可变的两个可变间距激励换能器装置；和/或对于回声，如可以利用在构件的两对面上对齐的上述两个激励换能器装置所进行的那样；但评估是相对时间响应而不是机械阻抗，时间响应是频率响应的付里叶(Fourier)变换，和最后的脉冲响应用于画出构件中作为时间函数的能量；和/或关于构件的重合频率，因而关于构件的定向效应，可以涉及根据，比方说，利用用于波速/速度的扫描激光系统获得的构件中的振动模式的图像，确定作为频率函数的构件的挠曲波振动波长。这样的探查是关于构件能够改变的特定值的，通常调整预定声音有效区或子区的有效挠曲刚度或品质因子Q表示的结构变化。

频率响应的另一种确定方式当然可以总是通过针对频率值评估来自构件的声音输出来实现，正如可以在无回声条件下所进行的那样，以免与室内的回声效应相混淆。

可由本文的方法探查的其它特征包括激励换能器装置尺寸之类的相关参数，以避免比如与激励换能器装置的挠曲波振动波长相关的尺寸相关联的侵入性共振，尤其在它们是可比的并出现所谓“孔隙”效应的情况下，并且可以利用激光扫描成像进行评估。

附图简述

现在结合附图描述本发明的具体实施方式，在附图中：

图1显示了汽车内部门板10的探查；

图2显示了有关另一个车门内装面板的可能有用子区1的表示；

图3A和3B指示扫描的自动协调；

图4A和4B给出用于激励器阻抗分析的理想化图形表示；

图5A和5B涉及应用到特定面板构件的均衡；

图6是关于带有游移(roving)挠曲波传感换能器的、通过声功率激励的面板构件的轮廓图；

图7是用于直接测量机械阻抗的轮廓图；

图8A、8B和8C是机械阻抗、衍生功率和激励速度分别随频率变化的相关图形表示；

图9A和9B分别是机械阻抗和机械功率的均方偏差倒数的局部图表，用于表示最可行驱动位置；

图10A和10B是关于好的和坏的激励位置的机械功率的图形表示；

图11是利用一对相对放置的激励和传感换能器装置的轮廓图；

图12是考虑了激励换能器参数的集总电等效电路；

图13是利用激光速度扫描系统的阻抗的图形表示；

图14是与图11相关的机械阻抗的图形表示；

图15A和15B是利用激光扫描系统挠曲波波长和速度随频率变化的图形表示，以表示重合频率；

图16是通过激光扫描获得的一个频率的振动模式图；

图17A和17B是关于输入到标准MLSSA系统的构件激励和麦克风或传感换能器的轮廓图；

图18A、18B、18C和18D是瀑布型和Schroeder(斯科特)特性，以及衰减率(damping ratio)和Q-因子表示的示例性图；

图19是支架示意图，以利于使用间距换能器装置进行评估；和

图20是从中可以计算出挠曲刚度的所得图形表示。

图示实施例描述

在图1中，车门面板10具有复杂形状，包括至少在11A、11B、11C、11D和11E上的顶部非平面挠曲部分和在12上的储物装置。中央区15也可以有各种类型的内凹(intrusion)，但多半代表用于分布模式扬声器操作的合理目标区。一种变型是可以含有顶部较小区16，至少如果足够平坦的话(尽管弧形面板在我们其它专利申请中已有使用)。

为了说明的目的，通过比如强调或形象化圆形、椭圆形和长方形形状的方式，形象化包括在目标区15或16中的一个可能子区或几个子区是有用的。这样的子区可以标记出来，但熟练的操作人员可以容易地想像出来。然后，几何中心或焦点之类的位置皆可弃之不用，它们常常在这些子区的直线或曲线上。想像子区的边缘位置也不是可能的候选者。的确，可容易地对偏离在我们上述PCT和其它申请中出现的中心/焦点和边缘的种类进行估计；并且，作为一种经常使用的预选，利用比如从音频源24选择的砰砰噪声，激励换能器20以游移方式应用于此。

来自面板10的声音结果容易地由麦克风26上的拾音头进行连续分析，并且馈送到编程分析器30，编程分析器30可以被编程成指示至少在一系列阈值基上的品质。一旦定位了一些有希望的位置，就可以利用声音耦合双面胶带粘住激励换能器20，并进行进一步探查，包括话音和常用音乐音频信号的选择。

分析器30可以方便地不选择只对少数几个共振频率有显著耦合的位置；并且有利地指示对共振模式频率有效地具有相对中性耦合的位置，包括最好与仅由一个、两个或几个频率的任何显著支配无关。这样的中性位置，经常是区域型的，典型地具有带状特性，并由于具有与即使不是大多数也是许多个、甚至至少接近全部的共振模式频率(至少根据组合用于两个或更多个位置)的可能耦合，被发现相对更有希望。

图2显示了另一种车门内装面板构件210和子区215，用阴影线显示的子区215作为有希望在某个位置找到对激励换能器安装有效的区域。可以理解，无论与门有关与否的车辆内装部件(例如，行李搁板、座位背部或甚至仪表板)大致上可具有对分布模式扬声器并不理想的材料组合(以及几何结构)通常较重。但是，有用的声音振动经常是可以达到的，和有用的分布模式操作的区域通过可以利用本文的系统性过程加以识别。比用于专门设计的分布模式面板扬声器构件更不均匀的频率特性促使以相当直截了当的方式进行电和/或机械均衡调整，包括考虑到车辆内的频率特征。

图3A可以被看成是表示系统性协调扫描方案的，如基本上后随的X，Y正交坐标值用作连续的线扫描，尽管在实际中，仅针对，与相关面板构件上的开始参考位置有关的、总是要知道的游移换能器的位置就足够了。图3B显示了面板构件310、激励器320和位置驱动器330，位置驱动器330可以是电机驱动臂的和步进电机型的以覆盖图3A所示的X，Y区域，通常在适当的微型计算机控制器331的控制之下。

图3B实际上是基于电动的、移动线圈型的激励换能器320的电输入阻抗的分析的。那么，这样的阻抗贡献特性包括与较小元件一起的驱动器线圈的电阻和电感，它依赖于对于任何瞬时换能器位置由被换能器320激励的面板构件310的模态振动行为。因此，图3B指示了处在331上、从332通过驱动器放大器333用于换能器驱动的微计算机控制器；并且在335上从电阻334取样用于在336上进行信号调整，以利用电流/电压比去除静态激励器线圈的贡献和留下动态模态振动成分，并获取关于模态特性和密度的信息，也可以参见图4A中的平滑化激励器阻抗/频率和图4B中的放大动态模态分布。差的模态分布对应于不均匀的振动行为和较大的阻抗变化，使得较小的阻抗变化代表更均匀的模态密度和分布，因此可被视为品质的量度，尤其是如所指示的那样在可编程微型计算机控制器331的控制下在337上衍生的。根据有用的输出，可以使全部或适当预选的数据变得可用，对于例如分布模式带宽/品质指示和最优激励器坐标，请分别参照333和进一步参照339A、339B。

图5A和5B涉及应用到具有诸如车辆内装性质的面板构件的均衡，P线表示声级随频率的变化，E线大体上表示补偿均衡；简单串联的两级R-C均衡器电路540A、540B用于这样的面板构件和并联的两个激励器换能器520A、520B。

一般来说，在相关面板型构件具有由除激励换能器之外的装置在其中诱发的挠曲波振动的情况下，如同应用于换能器中用于传感目的的信号一样，相似的考虑也应用于系统性评估。根据传感信号的最佳位置对应于应该为最佳结果放置激励换能器的地方。图6显示了产生足以激励面板型构件的主要声音功率的示意性系统，参见声音信号源624和声音输出装置625，后者可以是众所周知的传统锥型(比如说，但没有必要是单个中段单元)，和与面板构件610相关的、到分析器630的游移传感挠曲波振动换能器620，面板构件610再次可以是车辆内部内装面板或要探查的任何其它面板型构件(如上方所示)，因此，仅作局部显示，而在某些预先有希望子区(阴影线)之外的范围则略去不画。

现在，不管面板型构件的用途，就针对面板型构件本身和/或针对激励和/或传感换能器装置的信号，考虑其它有用的可测量效应的系统性评估。

图7显示了关于根据标准机械工程技术测量机械阻抗的阻抗头系统的形式的示意图。两个压电换能器721和722与带有相关力传送和定向轴724和传感针225的振动施加器或振动器723一起显示在图中。换能器之一721用于通过传感针725测量施加的力，另一个换能器722用作加速计，以测量相关面板构件的运动。力/速度的转移函数T(ω)与机械阻抗有关。来自换能器721和722的输出与充电有关，并由典型高阻抗充电放大器726调节，该放大器726用于转换成电压以馈送到付里叶变换分析器730，它可以是独立使用的，或者是PC一体系统型的，并且典型地具有双频道性质，产生转移函数T(ω)的量度作为力F(ω)与加速计A(ω)所指示的速度的比值。

可以就来自传感针725的惯性力的贡献容易地对力量值F(ω)加以校正，基本上通过相减给出来自构件的真力TF(ω)=F(ω)-M·A(ω)，此处，M是传感针的质量。速度V(ω)可以利用角频率进行缩放从加速度A(ω)导出，如V(ω)=A(ω)/iω，和构件的机械阻抗将是Zm(ω)

Zm(ω)=iω{T(ω)-M}，即，仅从转移函数T(ω)的测量和针质量M的知识就可以容易地导出。

可以体会到，传感针质量M有效地在可测量频率值上设定一个上限；随着传感针的惯性力接近到与构件的感兴趣力不相上下，从合力中提取真力变得越来越困难和越来越不精确。因此，要为这种系统性评估的实施有用地设置频率上限，比如说根据这样的惯性力F(I)不超过构件感兴趣力(Fm)的两倍，致使实际频率上限表示成2.Zm/M。还可以体会到，机械阻抗在构件的特定共振挠曲波模式频率上可以变得很小，尤其对于低所损耗的所述构件，并且最好应该考虑到对在构件共振模式之间该构件机械阻抗的峰值的所得测量灵敏度，和由此限制在Zm的最小值上。

图8A显示了关于面板构件感兴趣部分的模量机械阻抗的示例性测量，感兴趣部分通常是位于面板构件中间的平坦区域，比如说，如图2的阴影所示。图8B和8C分别显示了相应机械输入功率和激励位置速度，它们是根据图8A的测量结果以及有关激励换能器参数的知识导出的。它们都有相似的变化特性，因此，在确定最佳或满意的激励换能器位置时同样有用，通常通过在构件感兴趣部分，比如说图2的阴影区上系统地改变测试位置的方法。在对这样的位置用过相对较粗的网格之后，再对相对有希望的粗网格位置使用较细的网格。最好，对测量的或导出的机械阻抗进行第三八度音光滑，然后拟合成参考值或平坦线，比如说利用在所需频率范围，例如200Hz至5kHz上均方偏差的倒数作为满意效果的量度。为了方便起见，图9A只代表性地显示了相对于实际长方形面板构件的四分之一面板图，比如说概念性地用于与探查有关的上述过程以辨认这种可能位置，但坐标边界不应该被认为一定对应于面板构件可能感兴趣的所有可用部分(它可能不是真正的长方形)。最亮区域被看成是最有希望成为激励换能器位置的；与中间相关联但接近偏心之处令人满意地与为专门目的的整个有效声音面板构件建立的实验和理论分析的主体相一致。这可由图9B的相似图形得到强化，此图是根据对机械功率的系统性评估并且也被拟合成直线而得到的。可以体会到，变化是要根据频率和根据拟合直线所使用或所要求的函数预计的；的确，通过利用这种有利于特定应用，例如上面讨论的车内环境，而建立的随频率变化的函数可以容易地得到精细处理。

图10A和10B给出了关于激励换能器装置的好的和坏的位置的机械输入功率结果的表示，并且主要用作本文说明的系统性评估的指南。

当然，面板构件的运动仅微弱地传递到激励换能器装置的电部件，从而表示换能器装置阻抗对面板构件中的感测波速的低灵敏度的情况，实际上在面板构件的运动最大时在激励换能器电阻中是最明显的。由此可得，确定面板构件的机械阻抗的精确度应该通过更灵敏地测量面板构件中的激励器速度得到改善，正如激光扫描系统所使用的(尽管相当昂贵)。然后，可以克服这种波速/速度对施加到面板型构件的力的弱反馈，和整个网络的精确确定是利用力之间的相互关系实现的，该相互关系涉及(iωMmmV)/B1加上波速/速度与[(R+iωL)ω²MmmMms]/(B1)²的乘积减去波速速度与iω(Mms+Mmm){1+[(R+iωL)/(B1)²].[Rms+1/iωCms]}的乘积与1+[(R+iωL)/(B1)²].[Rms+1/iωCms+iωMmm]的比值。然后，力与波速/速度的比值最精确地给出面板构件的阻抗。图13显示了关于特定车门面板的最后机械阻抗。

图11涉及利用一对换能器装置111和112进行既格外便宜又高效的探查，这对换能器装置111和112对齐地有效耦合在面板型构件113的两侧。一个换能器装置111用于构件113中的挠曲波激励，参见来自源116的激励信号输入线115；另一个换能器装置112用于感测最后挠曲波激励，参见与付里叶转换分析装置118的连线117。在传感换能器装置112的末端上的电压直接与面板构件113(参见下文)中的激励器速度有关，和波速/速度结果还可以用于文本的其它地方，比如说，特别是在与激励换能器装置的阻抗有关的如下方式中。

标准惯性振动激励换能器对于机械部分可由质块、弹簧和阻尼器件的集总参数网络，和对于电贡献可由电感器、电容器和电阻的集总参数网络来精确表示和模型化，形成图12所示的综合集总参数等效电路。在图12中，R和L是音圈电阻和电感，B1是电-机械转换因子，Mmm和Mms是磁杯(magnetcup)和音圈的质量，和Cms和Rms表示音圈悬挂的声容抗(compliance)和电阻，Zm是关于相关面板构件的感兴趣机械阻抗。

上面所涉及的速度关系是(V/B1){(iωMms+Rms+I/iω(ms)/iωMmm}，并通过测量关于激励换能器装置的电压和电流，易于求解图12的等效电路，因而有效地得知此换能器装置的阻抗。这种方法对如面板构件的阻抗两端的电压所表示的、施加到面板构件的力进行好的近似计算是非常有效的。

有意思的是，图14所示的关于同一面板但没有作这种校正的机械阻抗证明了后者的有效性，正如可以从图13和14的非常接近的相似性所明显看出的。

激光扫描系统的使用可以进一步或者以另一种方式用于确定面板构件中挠曲波振动的波长，通过成像面板构件中挠曲波振动模式的方法，通常是在任一时间根据每个激励频率进行。这样依次成像的结果表示作为频率的函数的挠曲波速度和波长，参见图15A和15B，请注意，为了符合空气中的波速为343m/s。特别有用的结果是辨别符合频率，对于图15A和15B尤其在大约15kHz的频率上。图16给出了在5kHz上面板构件振动的例子，从图可以看出，该图形从激励位置开始基本上呈圆形，并且其本身还表示了面板的声音有效区足够大和存在有效合理的阻尼，使得不产生与所激励的振动发生明显干扰的边界反射。因此，可以非常容易地从图16得知波长。如果成像图形更加复杂，对于不同区域边界条件和较低激励频率情况很可能就是如此，那么，可以对同一所得图像进行一组视在波长测量，然后求平均，或者可以对复数据图像进行空间付里叶变换。

至于激励换能器装置的尺寸，另一个要求当然与声音操作的所需频率范围有关，例如，对于在直到10kHz的范围内的操作，换能器尺寸在其面线度中必须小于28mm。

可以对通过系统性评估进行探查有用的另一个因素是关于相关面板构件的阻尼特性，因而与Q-因子有关；并且同样可通过对回声时间数据进行探查来实现。图17A和17B显示了可用于配合标准MLSSA信号处理的两种系统设置。图17A显示了带有从放大器173馈送的可变位置激励换能器172的面板构件171，和用于至少单轴传感来自面板构件171中挠曲波作用的声音输出的麦克风174，以及通过前置放大装置176的馈送MLSSA系统175。可以体会到，麦克风可以是线或矩阵阵列以用于平面和/或多轴传感和评估声音输出。图17B显示了进一步通过位于面板构件171的另一面与激励换能器172对齐的换能器177的交替传感，以免需要使用如一般用于图17A所示的那样的无回声室。另外，对于Q-因子测量，传感换能器还可以位于除与驱动换能器精确对齐的位置之外的其它点上。

MLSSA系统的标准操作能力对测量振动面板构件171的脉冲响应和估算阻尼和Q-因子是有效的，通常使用所谓的瀑布图和/或操作的Schroeder过滤图模式，前者作为能量/时间/频率函数，易于提供要为特定能量衰减(比如说到特定的水平或特定的百分比)监视的循环次数(N)的指示，后者是关于在Schroeder过滤中心将对应的所选频率上的能量衰减的；此过程提供了给定衰减，通常为60dB，的精确计算。

这个系统性评估计算的一个例子涉及衰减率(D)，尤其是它的对数减量(d=2πD)作为挠曲波振动在面板构件中衰减有多快的量度，并利用等式d=1/N·1n(Xi/Xn)，此处，Xi是振动的第一检测振幅，和Xa是在第N循环上的振幅；并进一步涉及Q-因子值，Q-因子作为共振时的位移振幅与关于相同施加力的静态位移之间的比值，并与衰减率有关，Q=1/2D。事实上，用于从系统响应到施加力确定的上述要求，正如从在无回声条件下测量的或由激光扫描直接测量的脉冲或频率响应中得到的，可以通过使用传感换能器装置177进行标准MLSSA处理来取代。

对于意欲用于除通过挠曲波作用进行声音操作之外其它一些目的的面板构件而言，尤其是只在其中的某些子区域位置上，挠曲刚度可能难以得知；因此，能够进行计算是有益的，尤其利用依赖于激励挠曲波作用的系统评价的技术。这样做的好处来源于面板构件中在给定频率上的波长与该面板构件的表面密度和材料挠曲刚度之间的相关性，如B(f,λ,μ)=(f²·λ2/4·π²)·μ；并依赖于计算出发生相消叠加的两个激励挠曲波换能器装置之间的间距，这对应于相关频率的半波长。

图19显示了支架(jig)191的轮廓，借此挠曲波换能器可变地与相关面板构件相关联。圆圈(1-6和A)表示的位置是用于换能器的，传感换能器在位置A上和激励换能器在其它两个位置，尤其在位置6上和在位置1-5之一上。位置6与位置1-5之间的不同间距使得挠曲刚度(B)在不同频率上被计算出来。涉及的探查方法包括，当只有位置6上的激励换能器如面板构件转移函数所表示的那样得到激励时首先测量传感面板构件挠曲波作用，并显示面板构件中挠曲波作用的激励共振模式；其次利用受激励的两个激励换能器的测量传感换能器输出，两个激励换能器最好并联地电连接以降低惯性效应，并且由于不同的激励共振模式和利用叠加效应作为倍增因子将产生略为不同的面板构件转移函数。以dB为尺度从第二结果减去第一结果来降低面板构件转移函数的效应，相对下降(dip)可在相消或抵消叠加区内观察到。

图20显示了一个示例性结果，对于相距19mm的激励换能器和μ为1.05千克每平方米的面板构件，揭示了在15kHz上的下降，因此波长(λ)为2.19mm和频率(f)为15kHz；由此计算的面板构件挠曲刚度为12.48牛顿·米。

本发明有效地提供了使任何面板型构件可起到扩散声幅射器作用的方法，如果这样是可行的并且是基于挠曲波振动的共振模式的分布的话，但是此目的是通过本文的系统性评估方法按经验实现的。这种方法可以由任何人以不希望或不能够利用我们的决定论数学方法的和求解提供好的预测结果的任何理由用于简单面板形状，并且为复杂形状提供解决方案，如果没有既昂贵又复杂的有限元分析(FEA)这些复杂形状是难以用数学方法决定论地实现的，有限元分析(FEA)需要庞大的数据准备和处理能力，包括可用计算能力。整个处理过程要自动化的可能性是很大的(和具有很大的实用价值)，尤其是用于某种误差减少方案中，以达到对于给定面板型构件的最佳激励换能器位置。

下面说明计算，如同上述PCT/GB99/XXXXX中的那样，用于通过测量阻抗和频率响应进一步评估最后目标的品质。

更具体地说，关于声音面板构件的固有共振模式的频率扩展可以利用中心差分分析法容易地得到研究，即： $\mathrm{SEE}\left(A\right):=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{last}\left(A\right)-3}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{last}\left(A\right)-1}{\mathrm{\Σ}}}{(A_{n+1}+A_{n-1}-{2.A}_n)}^2}$

其中，A_n是按递增顺序的共振模式频率(本征值)。

关于研究共振模式频率的扩展的适当改进可以包括考虑根据某些特性，比如说涉及对称性的性质的有用子群。例如，对于大体上长方形的声音面板构件，并且至少与正交束简化有关，SEE值可以对于这样的子群单独地和可由加权求和集体地与共振模式的奇-奇、偶-偶、奇-偶和偶-奇子群相关，即：

固有共振模式的频率值和它们的分布或扩展取决于相关面板构件的材料/结构和几何/配置；并且表示对声音装置应用的适用性，为此确立扩展/分布的均匀度是特别有利的。当然，在这个阶段还没有考虑到换能器的位置。

对于已知的共振模式，挠曲波振动的频率和相应形状也可以被模型化，针对任何特定的换能器位置都可以研究其机械导纳(admittance)，即： $\mathrm{Zm}=\frac{{\mathrm{\μ}.m}^2}{j.\mathrm{\ω}\[\underset{p}{\mathrm{\Σ}}\underset{q}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{Z(p,\mathrm{\ξ}0)}{C_p}\right)}^2\·{\left(\frac{Z(q,\mathrm{\η}0)}{C_q}\right)}^2\·\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pq}}^2-{\mathrm{\ω}}^2}]}$ $\mathrm{Ym}\left(\mathrm{\ω}\right)=j.\mathrm{\ω}\[\underset{p}{\mathrm{\Σ}}\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\frac{Y_{p,q}}{\[{\left(\mathrm{\ω}{m}_{p,q}\right)}^2-{\mathrm{\ω}}^2]+2j,\mathrm{\ζ}.{\mathrm{\ωm}}_{p,q}\·\mathrm{\ω}}]$

其中Y_p,q是在相关换能器位置上模式形状的振幅平方，并表示衰减量值。绘出log-log(对数-对数)图可以便于求出最平滑的响应，或者可以在指定范围上研究均方根偏差，比如说，可以求下式的极小值： $\mathrm{\σ}(\mathrm{\α},\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}):=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{sx}}\·\[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_i\·{\left(\log \left(\right|\mathrm{Ym}(x_i,\mathrm{\α},\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}|))\right)}^2]}$ 或 $\mathrm{\σ}(\mathrm{\α},\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}):=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{sx}}\·[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_i\·{\left(W_i\log \left(\right|\mathrm{Ym}(x_i,\mathrm{\α},\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}|)\right)}^2]}$

它表示加权函数的应用。

其中共振模式频率是已知的，但相应振动形状则未知(或者还没有被模型化和通过选择加以考虑)，固有机械阻抗的探查可以利用如下公式进行： $\mathrm{Ym}\′\left(\mathrm{\ω}\right)=j.\mathrm{\ω}\left[\underset{p}{\mathrm{\Σ}}\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\frac{Y_{p,q}}{[{\left(\mathrm{\ω}{m}_{p,q}\right)}^2-{\mathrm{\ω}}^2]+2j.\mathrm{\ζ}.{\mathrm{\ωm}}_{p,q}.\mathrm{\ω}}\right]$ $\mathrm{\σ}\′(\mathrm{\α},\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}):=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{sx}}\·\[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_i\·{\left(W_i\log \left(\right|\mathrm{Ym}\′(x.,\mathrm{\α},\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}))\right)}^2]}$

通过设定Y_p,q为1，则无需根据任何特定换能器位置就可以对其进行计算。其结果将不如用于考虑了换能器位置之后的机械导纳那么精确，并且比上述对机械导纳的探查更为缓慢。

Claims (50)

1．一种针对声音操作根据构件中挠曲波作用的共振模式确定设置与构件操作相关的挠曲波换能器装置的有利位置的方法，该方法包括在所述构件中声音相关的挠曲波作用的探查性激励，以及与这样的激励挠曲波作用和相应的所述声音作用相关的可测量效应的系统性评估，其效应随着面分布在所述相关构件上的挠曲波换能器位置而改变。

2．根据权利要求1所述的方法，其中所述探查性激励是通过将声能施加到所述相关构件上以便诱发所述声音相关的挠曲波作用。

3．根据权利要求2所述的方法，其中所述系统性评价涉及面分布在所述相关构件上可选择地操作相关的挠曲波换能器装置以便响应所述声音相关的挠曲波作用，所述可测量效应是关于来自所述换能器装置的信号的。

4．根据权利要求1所述的方法，其中所述探查性激励是利用面分布在所述相关构件上可选择地操作相关的挠曲波换能器装置以便诱发所述声音相关的挠曲波作用。

5．根据权利要求4所述的方法，其中所述系统性评估是关于所述相关构件的声音输出的，被使用的所述可测量效应作为所述声音输出的参数。

6．根据权利要求5所述的方法，其中所述声音输出是就声强根据单点/轴进行测量的。

7．根据权利要求5或6所述的方法，其中所述声音输出是就频率值根据单点/轴进行测量的。

8．根据权利要求5、6、或7所述的方法，其中所述声音输出是就功率根据多点/轴进行测量的。

9．根据权利要求5至8任何一项所述的方法，其中所述声音输出是就频率值根据多点/轴进行测量的。

10．根据权利要求8或9所述的方法，其中所述多点/轴测量是经过空间平均化的。

11．根据权利要求4所述的方法，其中所述系统性评估是关于给用于所述探查性激励的所述换能器装置的输入信号的，其利用涉及所述输入信号的参数的可测量效应。

12．根据权利要求11所述的方法，其中所述输入信号的所述系统性评估是通过分析输入信号功率和至少通过推断从所述换能器装置馈入所述构件的功率的，所述可测量参数是关于所述信号输入功率和/或所述馈入功率的。

13．根据权利要求4所述的方法，其中所述系统性评估是关于来自响应诱发挠曲波作用的传感装置的信号的。

14．根据权利要求13所述的方法，其中所述传感装置包括与所述构件相关联的另一个挠曲波换能器装置。

15．根据权利要求14所述的方法，其中所述另一个换能器装置是与第一次提及的换能器装置对齐地相关联的，两个对齐换能器装置与面板型所述构件的两侧操作相关。

16．根据权利要求3至15的任何一项所述的方法，其中所述系统性评估进一步包括对所述挠曲波换能器装置与所述相关构件之间的不同面分布操作相关性比较所述可测量效应，以便有助于选择所述有利位置。

17．根据权利要求3至16的任何一项所述的方法，其中所要求的所述挠曲波换能器装置与所述相关构件的操作相关性涉及与所述声音相关的挠曲波作用有关的、具有所要求的效果的接触点的临时和可变位置。

18．根据权利要求17所述的方法，其中所述挠曲波换能器装置使在在所述相关构件的表面上滑过期间的所述有效触点至少作为有希望作为所述设置位置的第一选择。

19．根据权利要求17或18所述的方法，其中所述挠曲波换能器装置至少在选择所述位置的后阶段有选择地固定在所述相关构件上。

20．根据前述权利要求的任何一项所述的方法，其中所述探查性激励至少涉及所谓砰砰噪声、音乐和话音信号之一。

21．根据权利要求1所述的方法，其中所述系统性评估是通过来自压电阻抗头装置的信号的方法和与该信号相关。

22．根据权利要求21所述的方法，其中阻抗头装置包括带有接自振动施加装置的力传送装置和传感针装置以装设在所述构件上的两个压电换能器，压电换能器之一通过所述针装置响应以提供表示施加到所述构件的力的信号，和另一个压电换能器起加速计的作用以提供表示所述构件通过挠曲波作用作振动运动的信号，来自压电换能器的信号是根据力和速度值进行处理的。

23．根据权利要求22所述的方法，其中所述信号的处理包括有关来自传感针装置的惯性力的贡献的校正。

24．根据权利要求22或23所述的方法，其中所述处理装置导出所述构件的机械阻抗的量值。

25．根据权利要求22、23或24所述的方法，其中所述处理装置导出所述挠曲波振动的机械功率的量值。

26．根据权利要求22至25的任何一项所述的方法，其中所述系统评估高达由机械阻抗除以针装置质量所得值的两倍定义的频率极限。

27．根据权利要求1至26的任何一项所述的方法，其中所述系统性评估包括与所述换能器装置的参数相关的信号处理。

28．根据权利要求1至27的任何一项所述的方法，其中所述系统性评估包括与用于所述换能器装置的集总电等效电路相关的信号处理。

29．根据权利要求1至28的任何一项所述的方法，其中所述系统性评估包括在挠曲波激励中来自所述构件的激光扫描的信号的使用。

30．根据权利要求29所述的方法，其中激光扫描信号的处理提供了对所述构件中挠曲波振动的波速/速度的量值。

31．根据权利要求29或30所述的方法，其中激光扫描信号的处理提供了对所述构件中挠曲波振动的波长的量值。

32．根据权利要求29、30或31所述的方法，其中激光扫描信号的处理提供了对关于所述构件的符合频率的辨认。

33．根据权利要求1所述的方法，其中所述系统性评估包括对在挠曲波振动中关于所述构件的阻尼和/或Q-因子的探查。

34．根据权利要求33所述的方法，其中所述系统性评估包括对在所述构件中有关挠曲波振动的回声时间数据的探查。

35．根据权利要求34所述的方法，其中所述系统性评估包括在挠曲波振动中利用应用于所述构件的声音输出的MLSSA技术对信号进行处理。

36．根据权利要求33、34或35所述的方法，其中所述系统性评估包括要产生所谓瀑布图和/或Schroeder过滤图的信号处理。

37．根据权利要求33至36任何一项所述的方法，其中所述系统性评估包括与挠曲波振动能量的特定衰减有关的信号的处理。

38．根据权利要求37所述的方法，其中所述处理是针对与约为60dB的能量衰减相对应的循环次数。

39．根据权利要求33至38的任何一顶所述的方法，其中所述系统性评估包括与衰减率的对数减量有关的信号处理。

40．根据前述权利要求任何一项所述的方法，其中所述系统性评估包括在其有关声音挠曲波作用的感兴趣区上确定所述构件的挠曲刚度。

41．根据权利要求40所述的方法，其中挠曲波刚度确定涉及在给定频率和表面密度上与所述构件中挠曲波振动的波长之间的关系。

42．根据权利要求40或41所述的方法，其中所述构件受到两个换能器装置激励进入挠曲波作用状态，为此要探查实际的或有效的可变表面间距以找出存在相消叠加的和相应于相关频率的半波长的间距。

43．根据权利要求42所述的方法，其中所述两个换能器装置是通过彼此并联的电连接激励的。

44．根据权利要求42或43所述的方法，其中另外的挠曲波换能器装置与两个挠曲波换能器装置隔开设置，并用于传感目的以提供表示所述构件中挠曲波振动的信号。

45．根据权利要求44所述的方法，其中两个换能器装置之一处在距另外的换能器装置固定的间距上，和两个换能器装置的另一个处在可变间距上。

46．根据权利要求45所述的方法，其中所述系统性评估包括只有所述一个换能器装置受到激励的第一传感和导出转移函数，两个换能器装置都受到激励的第二传感和导出转移函数，以dB为尺度从所述第二传感的结果减去所述第一传感的结果，并观察表示相消叠加频率的相对下降。

47．根据权利要求1至46任何一项所述的方法，其中系统性评估包括通过依次位于在构件的所选子区内的多个候选位置上的换能器施加的声能。

48．根据权利要求1至47任何一项所述的方法，其中构件是不规则形状、厚度和/或刚度。

49．一种制造含有面板构件和至少一个挠曲波换能器的扬声器的方法，包括利用根据前述任何一项权利要求的方法确定有利位置，提供面板构件，提供至少一个挠曲波换能器，和将至少一个换能器粘附在所确定的有利位置的至少一个上。

50．一种设置并适于操作以实现根据前述任何一项权利要求的方法的设备。

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