CN1338884A - 转换器 - Google Patents

Abstract

由一个单片或多片压电陶瓷片(2)及一个膜(3)构成的转换器,其特征在于膜(3)由衰减声音振动的材料实现。

Description

转换器

本发明涉及一种转换器，或者说，一种用来重现和/或记录声音的元件，尤指扬声器或麦克风。

为简明起见，在此后的叙述中将只涉及用于重现声音的转换器，或者说声音重现装置。然而，这样的转换器不仅涉及重现装置，而且还涉及记录装置。

更为特别地，本发明涉及一种类型的压电重现装置，其使用一种由载体及附着于载体之上的压电陶瓷片构成的振动膜。

在比利时专利NO.09700309中，描述了对前面提及类型的转换器的一些改进，其改进在于：在离振动膜很近的地方放置一个壁，从而获得对由振动膜所产生的声音振动的衰减效果。

在比利时专利NO.09700934中，同样描述了对前述类型转换器的一些改进。其改进实质上在于：振动膜具有一个含有金属微粒的衰减层。

对于迄今已知的压电重现元件，振动膜的载体总是由一个金属片构成。

尽管由前所述专利中所描述的重现元件能带来很好的效果，但是，本发明的申请者发现，通过用由合成材料，聚合物或类似物等声音衰减材料制成的膜来代替上面提到的金属膜，能获得更加优良的效果。

为了更好地展示本发明的特性，以下将通过附图对基于本发明对几个元件实施例进行描述。其中：

图1示出在正方形金属膜中的振动模式；

图2示出在矩形金属膜中的振动模式；

图3示出在圆形金属膜中的振动模式；

图4示出现有的金属膜压电转换器的频率再现曲线图；

图5示出在一个电动扬声器上的1KHz正弦波的频谱测量曲线图；

图6示出与图5类似的图，但是对在金属膜上放置一个压电陶瓷片的测量；

图7示出基于本发明的一种转换器的简图；

图8示出一个带有负载的压电片的电路图；

图9示出一个粘附于复合材料板上的压电片的电路图；

图10和图11示出基于本发明的重现元件的图解实施例；

图12和图13示出基于图10和图11转换器的函数曲线；

图14至图19示出转换器的各种不同形式；

图20示出一种基于本发明转换器上1KHz的谐波内容图；

图21示出基于本发明的一种转换器的频率特性；

图22示出基于本发明的一种转换器在悬挂状况下的截面图；

图23以更大尺度示出了图22中F23所指的部分；

图24示出在图23中由箭头F24方向看到的情况；

图25和图26示出基于本发明的一种转换器的膜中的衰减电路图；

图27是与图23相似的示图；

图28以更大尺度示出了在图27中F28所指的部分；

图29示出基于本发明的一种与一个前板接合在一起的转换器的截面图；

图30示出了在图29中由箭头F30方向所看到的情况；

图31示出根据图29前板的频率滤波功能的电路图；

图32示出一种具有一个两部分陶瓷片的转换器；

图33示出基于本发明的转换器的一个特殊实施例的截面图；

图34以更大尺如出了在图33中F34所指的部分；

图35示出基于本发明转换器的另一种可能形式的实施例的顶视图；

图36示出在图35中根据线XXXVI-XXXVI切割的截面图；

图37示出基于图35的转换器的频率特性图；

图38示出图22的一个变体；

图39所示与图37类似，不过是具有圆筒形聚合物膜和圆筒形陶瓷片的转换器的频率特性图；

图40示出如图32所示转换器的频率特性图；

图41和图42示出基于本发明的置于一个特别或已有的外壳，如蜂窝电话的外壳中的转换器的截面图；

图43示出一种基于本发明的转换器，由起膜作用的蜂窝电话的外壳及其中的压电陶瓷片构成；

图44示出基于本发明的转换器的另外一种变体。

在前面提及的比利时专利NO.09700309中指出：压电陶瓷片和通过挠性胶附着于其周线上的金属膜的结合会对最低谐振频率产生很强的影响。

实际上，正如所知：一个由如粘于黄铜膜之上的压电陶瓷片构成的转换器，其谐振频率由下式决定： $\mathrm{fr}=\frac{t}{s}\sqrt{\frac{y}{d(1-r^2)}}$ 其中：

t＝膜的厚度

s＝膜的表面积

y＝杨氏模量

r＝泊松比当在边缘处将这样的膜悬挂时，公式变为： $\mathrm{fr}=k\·\frac{t}{s}\sqrt{\frac{y}{d(1-r^2)}}$ 其中，K为装配因数。悬挂的边缘宽度和胶的粘度是影响谐振频率的因素。谐振频率公式从而变成： $\mathrm{fr}=\frac{b.v.t}{D_4.S}\sqrt{\frac{y}{d(1-r^2)}}\·\frac{1}{G}$ 其中： $\frac{1}{G}=1$

b＝用来涂胶的支撑边缘的宽度

D4＝不被支撑的膜的直径

V＝胶的粘度膜与前壁表面的距离增加了膜的视重量谐振频率从而变为： $\mathrm{fr}=\frac{b.v.t}{D_4.S}\sqrt{\frac{y}{d(S_1/D_1)(1-r^2)}}\·\frac{1}{G}$ 其中： $\frac{1}{G}=1$

S1＝自由移动部分的表面积

D1＝膜的移动部分与壁的距离

由于这样的结构和悬挂，频率可在100Hz到20Khz的范围内被重现。

为了衰减发生在金属膜里的谐振峰，在比利时专利NO.09700934中提出了一个解决方案。其方案在于：在膜上提供一个如象硅酮或掺有金属粉末的弹性橡胶这样的挠性胶层。其能够降低谐振频率，同时还可衰减谐振峰并把谐振峰转移到另一个频率上去。

上述专利描述了一种压电陶瓷扬声器，其构成包括一个压电陶瓷片，粘附于金属膜之上，例如，用黄铜制成。

这种组合的缺点为频率重现不平坦及会产生强烈的基于频率内容的谐波失真，从而使对音乐及话音的重现质量不足。

为了避免这些缺点，本发明涉及到一种压电重现元件，其中压电陶瓷片被粘附于一种膜之上。此膜由相对柔性的材料，尤其是衰减声音振动的材料，如合成材料，再具体如聚合物等材料制成。

上面提到的压电陶瓷片最好是通过硬胶粘附于膜之上，而使整个单元可在其周线边缘处粘附于合适的如合成材料制成的悬挂结构中。

这种结构具有平坦的频率特性，其品质可绰绰有余地满足工业应用中语音及话音的重现，带有在100Hz至20KHz之间平均3％的低谐波失真。

以下的理论阐述解释了这种改进。

由金属制成的膜有自然谐振它会根据施加的振动频率分化为不同的振动区域。也就是所谓的振动模式。

在分别对应于图1、2和3的正方形、矩形和圆形膜中，它们的振动模式是基频的倍频和谐波。

当压电陶瓷片粘附于这种金属膜上时，会产生新的振动模式。除了谐振声压的基频外，这种结构的声音重现还有若干基于由金属膜和压电陶瓷片构成的转换器振动模式的谐振具有这种转换器的压电扬声器从而会产生如图4所示的选择性频率重现。

在该图中，能清楚看到，在300Hz、1500Hz、2500Hz、3000Hz、5600Hz、7000Hz、8500Hz、9000Hz和15KHz处有较强的重现。其中300Hz是置入外壳中的整个转换器的自谐振频率。其它的频率峰是系统谐振频率的谐波或者是谐波与转换器振动模式的总和。频率最小值是转换器的反谐振点与在那些频率点上的谐波之和。

当进行在一个电动扬声器上的1KHz正弦波的频谱测量时，得到如图5所示的其在1KHz上的基波和在2KHz、3KHz、6KHz、7KHz上的高次谐波。

当在置于金属膜上的压电陶瓷片上进行同样的测量时，得到加于其上的1KHz基频和2KHz、3KHz、4KHz、5KHz高次谐波的频谱重观。但另外还得到500Hz、250Hz低次谐波的重现，并且除此之外，还有源自于转换器模式的复合谐振振动的重现，如在图6中清晰示出的1300Hz、1600Hz、2500Hz、3500Hz。

粘附于金属膜之上的压电陶瓷片因此在不同频率作用下以不同振幅振动。一个扬声器必须在一个及相同的声压下重现所有频率。为了达到此目的，谐波的影响必须同振动模式一起被消除，这可通过大大降低振动系统的自然谐振频率来实现，从而使高次谐波在听觉范围内只有很小的振幅。

谐振频率的计算公式为： $\mathrm{fr}=\frac{t}{s}\sqrt{\frac{y}{d(1-r_2)}}$

其中，fr可通过使用由较低y(杨氏)模量材料制造的膜来降低。

Y模量(Mpa)

黄  铜    62.000

镍        200.000

尼  龙    2.7000

高弹体    5.000

泊松比

黄  铜    0.36

尼  龙    0.38

密度d(kg/m³)

黄  铜    8.5

镍        8.9

尼  龙    0.9

高弹体    0.95

当使用聚合物时，y/d(1-r²)将变小3至4倍。因而一个200Hz的谐振频率会降向±60Hz。

正如所知，当具有足够大的弹性阻力时，在板中不会有自谐振发生。在图7中示出了一种基于本发明的转换器1，其包括一个粘附于合成材料，如聚合物板3之上的压电陶瓷片2。换句话说，就是一种将交流电流转换成声波的变换器。在此图中，空气振动由4标出。

图8中示出了一个带负载的压电片的等效电路，其中各标示元件具有如下含义：

C0＝带负载转换器的电容

R0＝转换器的介质损耗

[2II(C0＋C1)tanδ]^-1

R1＝转换器的机械损耗

C1＝压电材料的刚性

L1＝压电材料的质量

图9示出了一个粘附于聚合物板上的压电片的等效电路，其中除在图8中已标注过的以外，标示元件具有如下含义：

C2＝聚合物板的刚性

L2＝聚合物板的质量

R2＝胶层和聚合物板中的机械损耗

当电路没有调谐到满足谐振条件的频率上时，谐振不会发生。聚合物板的并联负载，无论是刚性或质量，和压电片的固体附着物阻止谐振条件。

C2＝聚合物的y2，为10³MPa

C1＝陶瓷的y1，为10⁵MPa

为了达到并联谐振(Frp)条件，

Frp＝L1+L2并且C0必须满足以下条件： $\mathrm{Frp}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\Π}(L1+L2)\mathrm{CO}}}$ Frp为高阻性。为了达到串联谐振Frs条件，

Frs＝L1并且C1+C2必须满足以下条件： $\mathrm{Frs}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\ΠL}1(C1+C2)}}$

Frs为低阻性。

在谐振条件中聚合物板的影响是很大的：

-R1和R2为决定谐振电路品质并将防止选择性谐振条件发生的串联阻抗。

-C1和C2为系统的刚性(硬度)

聚合物对刚性的影响是非常大的：

C1＝陶瓷的y＝300.000Mpa

C2＝聚合物的y＝2.700Mpa

-L1和L2为系统的总质量，其中的质量

L1＝3kgr/mⁿ陶瓷

L2的质量＝0.9kgr/mⁿ聚合物

因此，为了使自谐振发生在一定频率，聚合物板上的负载和作用于其上的影响很高。所以，不会发生由谐波和复合频率信号引发的谐振。

振动系统的支撑或者悬挂必须满足一定的条件。

1)悬挂部分内的振动必须被足够衰减并不在板中折射。

2)悬挂部分必须具有足够的刚性，从而在弯曲时保持板的平坦。

3)从聚合物膜中心到压电陶瓷片与聚合物膜周线之间的距离差的函数曲线必须为正或负，并且在一个至少为90°的角度上该函数曲线须为递增或者递减且为不连续。这样，膜的边缘与陶瓷材料之间覆盖的距离就不是一个常量，且具有同心节点图的驻波也不会发生，从而消除了谐振。

在图10和图11中，示出了基于本发明的转换器1的两个实施例。其中转换器包括一个压电陶瓷片2和一个由合成材料制成的膜3。

这些图中：

LM＝合成材料膜的长度

R＝陶瓷片的半径

α＝90°

SC＝陶瓷片的表面积

SM＝膜的表面积

图10中转换器1的函数曲线由图12示出，且图11中转换器1的函数曲线由图13示出。由图看出，如果LM＞R，则函数F为(LM-R)超过α＝90°。

该函数为递增和递减，正且不连续。

在图11的例子中，LM＞LCmax。

图14到图19示出了基于本发明的转换器1的实施例的几种，其中在图17、18和19中，陶瓷片是由几个部分组成的，其被紧密粘附在由合成材料制成的它们的载体上并且电气互连。

从这些图变得清楚，陶瓷片可以有任何形状。

前面已讨论过图6中示出基于比利时专利申请NO.09700309和NO.09700934的转换器的谐波内容。同样的1KHz信号示于图20中，它是通过在聚合物板上压电陶瓷片的组合，其中1KHz的无杂重现清晰可见，带有其2KHz、3KHz、4KHz、5KHz、6KHz和7KHz的自然谐波。其它峰没有出现或能被忽略。

使用典型噪声发生器测量的相同陶瓷/聚合物结构的频率特性在图21中示出。与具有近似相同表面积和1KHz相同谐波重现的电动转换器的比较在图5中示出。

由电动转换器表示的1KHz正弦波的谐波内容与聚合物之上粘附压电陶瓷片这一组合是相同且无杂的。

图22示出了基于本发明的转换器1，其包括一个陶瓷片2及一个合成材料膜3，如聚合物膜。其中这一转换器1由挠性胶6粘附于一个悬挂结构5内。

结构5可以由多种材料制成，如合成材料、聚合物、木材、复合材料等，只要是衰减材料即可。

为了衰减由膜3边缘传导的结构5中产生的振动能量并同时减小膜边缘的刚性，且允许由于陶瓷片2的伸缩力更灵活的移动，在膜3的边缘及整个周线上有若干槽7。

这样一来，得到：

-悬挂结构5内的振动可被衰减，

-膜3的幅移增大，

-并且，由于纵向的衰减作用，避免或大大减少了特定和自发的谐振

在图25和图26中示出了粘附于悬挂结构5中在聚合物膜3周线上的槽7的电路图。

其中：

R＝膜3中的损耗和衰减

R＝R1+R2+R3

C＝膜3的刚性

C＝C1+C2+C3

L＝膜3的质量

L＝L1+L2+L3

更进一步，标 $R=\frac{1}{\mathrm{SP}1}+\frac{1}{\mathrm{SP}2}+\frac{1}{\mathrm{SP}3}$

C＝yp(SP1+SP2+SP3)

L＝gp(SP1+SP2+SP3)

其中：

gp＝聚合物的比重

yp＝聚合物膜材料的杨氏弹性模量E

SA＝空气截面

SP＝膜材料截面

基于本发明的转换器1可具有如图29所示的前板8，其板显示若干开口9。

通过使用厚度为T并具有合适数目直径为D的开口的这种前板，可能实现一个无功(电抗性)声音滤波器，其可以折射适量的能量。

以此，开口9表面具有一个功能作为每长度单位电容，而壁厚T具有一个功能作为每长度单位电感。见图29和图30。

由此，得到以下(见图31)：

L＝fwLdx $C=\frac{1}{\mathrm{fwLdx}}$

L tot＝nL2IIr

C tot＝IIr²n

其中：

r＝开口9的半径

n＝开口9的数目

结构5必须有强衰减功能。

如果我们采用，例如，由象桃木这样的珍贵木材制成的2cm宽3cm厚的结构5，并且由聚丙烯制成及在周线上有槽7的膜3，而在前部有一个前板8形状的厚2mm的滤波器，其中有厚2mm的若干开口。

在聚丙烯膜3上，其两个片2被紧密粘附在一起并相互电气连接。

图32中示出了这种重现元件的结构。

以此，频率分析特性显示2％的总谐波失真及平均每米74dB的重现声压，见图20。频率重现在图21中示出。

在另一种结构中，一个直径为5cm的圆陶瓷片被粘附于一个矩形的合成材料，如聚丙烯膜3之上，其末端向下折且末端被折回并从而安装在载体的表面之上(见图33)。

在聚丙烯膜平坦部分的末端，有一个深度达到膜3厚度90％的槽7。

一种选择是提供达到100％的所述槽以形成一个空气槽并把产生的矩形部分通过胶带10与周线粘接，如同图35和36所示。

图37示出了这种结构的频率重现图。由此可注意到来自边缘悬挂的折射谐波几乎完全消失，而且由于矩形和圆形周线的功能差异，没有产生膜3和陶瓷2组合的自然谐振。

图38示出了另一实例，其中膜3的周线通过硅胶11被框入U形直径且以合成材料实现的结构5中。

当工业应用成本重要时，结构的简化是首要的并且频率重现可以变化至±20dB，于是在圆形聚合物膜3上粘附一个圆形陶瓷片2并在边缘处用硅胶11或其它挠性胶粘附在一个圆形结构5之中，对实现非常好的音乐和话音重现已经足够了。在图39中看到对于一个直径为125mm的圆桶形聚合物膜3和一个直径为100mm的圆桶形陶瓷片2的频率重现测量的最终结果。

这种转换器对不同频率的频率失真为3.5％，其对工业目的来说是很可接受的。见图40测量。

在某一实施例中，基于本发明的转换器1也可以被置于一个开放的壁上，换言之，一个壁有开口，而其中转换器通过膜3粘附于所述壁上。这种运用具有如图40中测量曲线所示的50Hz至20KHz，±5Db的频率重现，其中聚丙烯制成的膜的尺寸为300×420mm，陶瓷片2的直径为100mm及开口直径为260mm。

这一最后提出的转换器的失真测量，见图43，显示了1.5％互调失真。这样的转换器也许会具有，例如，最大5mm的厚度并包括，例如，两个直径为0.5mm的电连接器。

在图41和42中，示出了在已有外壳中的这种应用。

在一项非常特别的应用中，装置的外壳由合成材料制成，如聚碳酸酯。压电陶瓷片2能被直接附着在所述外壳上，其在此例中会特别想到蜂窝电话、电话或者类似装置的外壳，如图43中所示。在此例中，外壳可以说构成了膜3，其中最好在陶瓷片2的位置提供一个开口13。

在另一种实施例中，见图44，膜3可由一块覆有或不覆有一个金属层14的聚合物薄膜来构成。其上有一个连接器15并通过热真空技术成形，之后将压电陶瓷片2粘附于聚合物薄膜的金属侧上。这后者可以包括一种聚合物、高弹体或聚酯的混合物。

金属层14可以是，例如，银、金、金属或其它电导体，其与转换器的一个连接器15相接触。由于陶瓷片被粘附于这一金属层之上并形成接触，所以实现与陶瓷片的无线接触，而且膜能够在没有本地负载阻碍的情况下移动。

显然，本发明决不限于前面所述并由附图示出的例子；相反，基于本发明的转换器可以各种形式和尺寸实现，而不超出本发明的范围。

Claims (20)

1.一种由一个单片或多片的压电陶瓷片(2)及一个膜(3)构成的转换器，其特征在于：膜(3)由衰减声振动的材料实现。

2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于：膜(3)由软性材料实现。

3.如权利要求1所述的转换器，其特征在于：膜(3)由合成材料实现。

4.如权利要求1所述的转换器，其特征在于：膜由聚合物构成。

5.如权利要求1所述的转换器，其特征在于：膜由高弹体构成。

6.如权利要求1所述的转换器，其特征在于：膜由聚丙烯构成。

7.如权利要求1所述的转换器，其特征在于：膜由复合材料构成。

8.以上任何一个权利要求所述的转换器，其特征在于：压电陶瓷片(2)由硬胶粘附于膜(3)之上。

9.以上任何一个权利要求所述的转换器，其特征在于：在膜(3)之上有一个金属层(14)。

10.以上任何权利要求所述的转换器，其特征在于：膜(3)具有一条或多条周线槽(7)。

11.如权利要求10所述的转换器，其特征在于：一个或多个槽(7)位于与陶瓷片所粘附侧面的相对面。

12.如权利要求10所述的转换器，其特征在于：一个或若干槽(7)的深度为膜(3)厚度的90％。

13.如权利要求10所述的转换器，其特征在于：一个或若干槽(7)在膜(3)的整个厚度上延伸，由此形成的膜的部分由胶带(10)或类似物相互连接。

14.以上任何一个权利要求所述的转换器，其特征在于：膜(3)在其周线边缘通过一种挠性胶(6)连接到一个结构、一种装置的外壳或类似物。

15.如权利要求1至13中的任何一个权利要求所述的转换器，其特征在于：它由用合成材料制成的一种装置的外壳构成。其上粘附着压电陶瓷片(2)。

16.如权利要求15所述的转换器，其特征在于：外壳壁在压电陶瓷片(2)的位置有开口(13)。

17.如权利要求13所述的转换器，其特征在于：悬挂结构(5)由一种衰减声音振动的材料实现。

18.如权利要求14所述的转换器，其特征在于：悬挂结构(5)具有L形截面。

19.如权利要求14所述的转换器，其特征在于：悬挂结构(5)具有U形截面。

20.以上任何一个权利要求所述的转换器，其特征在于：在转换器的前部有一个由具有圆形开口(9)的板(8)构成的频率滤波器。

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