CN1339237A - 带有泵致动器的发音器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种发音器,用于通过声音吸收消除干涉并用于再现信号、讲话和音乐。该声音优选地通过微型和纳米机械气泵(12)产生,该气泵的输出流量被致动器(16)根据所需的声音信号控制,并通过声道(11)输出;辅助通道(11′)作用在封闭的缓冲容积(15)上。至于传统的扩音器壳体,缓冲容积(15)的功能是在声道(11)和通道(11′)的无效偶极之外形成单极辐射器。在气泵(12)具有高压力比的情况下,所需的缓冲容积相应地小。产生声音的容积流量在声道(11)内通过微机械的流量表(18)测量,并可以根据理想值和实际值的比较而予以调节。最后,具有高流动阻力的孔(19)在缓冲容积(15)平衡气压波动和漂移误差。

Description

带有泵致动器的发音器

                   技术领域

本发明的主题是一种用于通过吸音装置消除干涉的发音器，用于再现讲话及音乐，并用于声音报警及信息信号。

                  背景技术

对于所述应用领域的传统的方案是带有其的多个特定形式的电动扩音器。尤其是在低频范围内，这种技术的问题是由于大气中空气的弹性刚度而需要较大的结构容积。用低音反射扬声器，实现了共鸣弹性减小，并通过它减小了所包含的容积，尽管以频响和相位响应恶化为代价。特别是电动扩音器的移动使用的缺点在于它们效率较差，且相关的负载周期(loading cycle)短。其他的解决方案利用气动能量作为致动器。例如，带有旋转中断器板的船的警报非常适于再现响亮且深远的声音混合音，但只用于重复的信号。也存在空气调制装置，在它们中，压缩的空气流通过电动致动阀调制。为了确保带有较低谐波失真因子的较好再现，调制比必须保持尽可能地小，即，声学上不起作用的恒定气流部分相对振动分量尽可能高。这就以相同的比例恶化了声音效率。几乎2倍的进一步的损失由下述事实产生，阀的调制不仅向外界空间发出有用的声音，而且在空气管道中产生输出声音的回声。以这种方式，损害了工作气压的恒定值，并因此恶化了谐波失真因子。

                      发明内容

本发明的目的是提供一种发音器，用于声音吸收(sound absorption)、讲话、音乐和音频信号的再现，其具有较小的结构容积，并具有较好的不失真的振幅响应和相位响应以及较高水平的效率。

根据本发明的主要特征，公知的用于空气、气体或流体的精密、微型及纳米机械泵用于发音器的致动。得益于它们较小的尺寸，它们具有很短的反应时间并因此能够传递产生声音信号所需的输出流q(t)和输出加速度dq/dt＝q°(t)(q和q°的单位是m³/s和m³/s²，t是时间)。而传统的扩音器用较大的薄膜面积和较小的振动振幅而工作，通过泵可以获得相同的输出加速度(q°)及由此的声音辐射，但以非常小的声音辐射开口面积。结果，声音辐射开口的尺寸比声音波长要小，因此，可以创建具有全方向特性的音频单极辐射器，而不会带来扩音器的频谱方向特性和相位失真的麻烦。在自由场(freefield)的条件下，输出加速度q°在距离r处的注入点产生的声压为p(r，t，-r/c)＝pq°(t)/4πr。如果发音器在横截面积A的一维通道内工作，声压公知为p(r，t，-r/c)＝pcq(t)/A。对于二维或一般形状的几何体，为类似的条件。(c为音速，p为在传播介质例如空气中的密度，r/c为声音传播时间)。

例如在G，Gerlach和W.Dotzel，C.hauser Verlag1997年发表的书“微系统技术基础”中包含了微型及纳米机械泵的概要。在那也概述了其他微型及纳米机械元件的发展状况，尤其是，阀、电机、振荡器、流量、压力和温度传感器。

根据本发明另外的特征，具有较大输出压力的泵用于操纵发音器。通过串联多个泵，可以进一步增大压差。压差越高，单极辐射器工作所需的缓冲容积越小。与薄膜扩音器所需的腔相比较，压力增大可以用于显著地减小操纵容积。结果，缓冲容积和空气导管与所发射的声波波长相比较小，并从而只存在声抗，而没有阻力。因此，声音输出不会向后辐射，并因此不会损害效率和再现。

根据本发明的另一特征，使用具有压和吸操作的双向泵。这就不需要空气调制装置所需的静止气流(blind airflow)，以及其相关的功率损失。此外，双向有助于恢复储存在缓冲容积内的正和负压力能量，从而，进一步增加了效率，及移动装置的工作耐久性。

根据本发明的另一特征，来自泵的发音输出气流直接利用流量表或间接利用缓冲容积内的压力和温度传感器测得，并基于理想值/真实值的比较加以重新调整。所需的传感器也是微系统技术公知的。

根据本发明的另一特征，使用在相同频率振荡的泵和阀，它们的振荡频率与要被辐射的可用的声音频率相比要高。该频率比越高，声音信号可以越精确地再现。输出流的大小和信号的控制是通过泵和阀之间的相位和/或振幅调整而实现的。如此，可以使用带有压电致动器的板簧或被相位可调整电机及转动或往复阀驱动的活塞泵。

为了减小循环泵直接在声源工作而产生的周期性的固有的噪声，使用了在时钟循环上偏置180°的双泵。这使奇数值的噪声谐波被抵销。以四极排列的两个双泵超过偶极抵销。即使用在时钟循环上偏置120°的三个单独的泵，也可实现四极抵销及有用的声音再现气流的理想平顺。周期性的固有的噪声也可以通过声音吸收衰减来消除。其他的次级装置是吸收材料，λ/4及亥姆霍兹谐振器以及声音过滤器以及消除高频固有噪声而不阻碍有用声音的网络。

对于中频范围，也对于高频范围，容积问题变得不重要。也得益于小体积的通过量，来自纳米技术领域的气泵就足够了。另外，带有频分网络的传统的高频扩音器也是有可能的。

根据本发明的其他特征涉及其他应用。例如，泵出的气流可以被用于冷却电子元件，或用于空气过滤和去湿。在很多情况下，现有的结构容积可用作缓冲容积。例如，在带有讲话再现的计时器中，在表面和观察窗之间的显示容积可以被利用。在其他情况下，其可以是控制电路之上的任意形状的容积。

                  附图说明

本发明的主题将借助于若干示例加以说明。附图为：

图1到6是具有缓冲容积并由泵致动的发音器，其容积流量可以被控制；

图7和8是具有缓冲容积并由恒输出泵致动且容积流量由阀控制的发音器；

图9到12是具有缓冲容积和振荡泵输出，并具有振荡阀的发音器；

图13是在缓冲容积中具有动能存储的发音器；

图14是双极形式的发音器(立体声工作)；

图15到17是泵和阀的固有噪声的减小；

图18是音孔(sound aperture)的结构。

                   具体实施方式

在说明书中将用到以下的标识。(X为附图号)X0为发音器；X1为音孔、声道；X2、X3、X4为泵单元、泵致动器、泵元件；X5为缓冲容积；X6、X7为调制单元、阀、阀元件；X8为用于流量、压力和/或温度测量的传感器；X9为声音网络、保护膜、其他元件。

图1示出发音器10的基本结构，其包括气泵12和缓冲容积15。气泵12的空气通过量-输出加速度q°(t)被一体的泵控制器16根据所需的声音信号p(t)控制，并在紧急时通过声道11作为一单极声源。只要所辐射的声音的波长比声道11的直径大，其就能用。通过多个这种单极点辐射器，可以以公知的方式合成线、面及体辐射器。微型和纳米技术中存在具有足够高的工作频率的泵系统，该泵也是双向的并适于压缩和吸取操作。另一泵口11′在缓冲容积15内开口。在声学上，这与传统扩音器中的腔功能相同。另外，在声道11内具有流量传感器18，经过它可以测得输出流量或输出加速度并调整为目标值。对于间接流量测量，也可以采用在缓冲容积15内定位一压力传感器。也为此目的，微系统技术已经尝试并测试准备使用的测量系统。为了平衡气压波动和气泵12及流量传感器18的漂移误差，在缓冲容积15内具有较高流动阻力的孔19。

对于图2内的发音器20，带有泵控制器26和泵介质24的泵22由薄膜21和23密封。泵的介质24可以是空气、气体或液体。与图1中的开口环相反，按需要提供了完全的气密封，例如，在与计时器一体的扩音器中。薄膜21的体积变化在此用作声音发射器并由容积控制泵22致动。缓冲容积25也作为均衡装置。其为球形，以便以最小的壁厚确保足够的体积刚度。

以正和负流量的体积控制-即，以压缩和吸取操作-减少了可能用的泵系统的数量，因此，图3描述了带有两个相同泵32和32′的发音器30，这两个泵彼此相反取向，具有相反的输出方向。(压缩)泵32将空气从缓冲容积35经由开口31供给到外界空间，而反过来吸取通过开口31′经由(吸取)泵32′在缓冲容积35内发生。对于声音辐射是决定性的开口31和31′的净流量可以通过压力传感器38间接调节，其测量在缓冲容积35内的压力。为了增大压力差，两个或多个(压缩)泵32和(吸取)泵32′一个接一个连接。压力的加倍使得缓冲容积减半。根据图4的发音器40由多个压缩泵42和相同数量的吸取泵42′构成。它们在分配给它们的音孔41和缓冲容积45之间连接。压缩和吸取泵42和42′被设定为连续工作工况。发出的声音、产生的输出流量在此只通过开或关的压缩和吸取泵42和42′的数量来控制。由于微型和纳米机械元件的制造成本和时间基本上与它们的数量无关，用多个小泵代替一个泵可能是优选的。通过减小尺寸，吸取和压缩泵42、42′的反应和起动时间减少。为了覆盖较大的动力范围，优选地采用两种或多种泵尺寸。这种分级方式也很好地适于对于低频和高频声音辐射的不同输出流量。

根据图5的具有缓冲容积55和压力传感器58的发音器50利用鞭毛泵(flagella pump)原理致动。该原理实质上是用在Mastigophora或鞭毛虫推进中。为此目的，多个用于机械横波的波导管52安装在音孔51的通道内。在波导管52的端部具有振荡激励器54和54′。振动激励器54在波导管52内以比要被辐射的声音频率高得多的频率产生弯曲或振动激励波，该波向音孔51传播。该波与周围介质-例如空气或液体-的相互作用在介质上施加力，并从而产生向音孔51的流动。通过振动激励器的输出，可以控制产生声音的输出流量。以相同方式，在相反方向指向的输出流量由振动激励器54′控制。从鞭毛虫推动的原理已知的是可获得的相互作用力，由此输出空气或液体量大，弯曲波的速度越小，波导管52的固有损失越销。由金属和纤维加强(fibre-reinfored)的塑料制成的薄壁带和导线满足这些需求。总地来说，当通过波导管52时，波还未完全消逝。如从消振技术所得知的(AVC为主动振动控制)，振动激励器54和54′可以作为相互主动振动吸收器。

在图6中，发音器60由缓冲容积65，带有输出开口61的压缩泵62、以及带有吸入开口61′的吸取泵62′构成。泵62和62′-例如Roots鼓风机型-通过差动齿轮64由一个电机63致动。同样，在泵轴上定位有控制(制动)电机66和66′。如果它们产生不同的转矩，那么-如由汽车差速器所得知的-泵62和62′的转速及由此的输出容量可以被具体地调节。

根据图7和8的示例示出了由恒定输出泵致动的发音器70和80，其中产生声音的气流的控制用阀来实现。在图7中，泵72将空气从负压容积75′中抽出而进入正压容积75中。控制阀76经过开口71将空气释放到外界空间以被辐射出去。以类似的方式，空气经由泵76′通过开口71′抽出。泵72的输出量取决于要被辐射的声音输出，并调节到该值。为了具有用于突然容积增大的裕量，适宜的是有一定程度的储存。然而，在图8中，只有一个带有恒定输出泵82以及转阀86和86′的缓冲容积85。通过阀86的设定角，流到外界的空气与在缓冲容积85内的空气的比可以调节，与经由转阀86′吸入的流量的情况类似。流到外界的净空气量给出了声音特征。为了在初级的双极辐射器之外实现更高效的声音单极辐射器，空气流的变化通过缓冲容积85再次平衡。音孔81和81′在腔内容积89之后，具有音孔81″的该容积89包括低通滤波器，并抑制发音器80的高频固有声音。

图9到12中的示例具有比要被辐射的声音频率高的时钟频率的计时泵(clocked pump)及阀。在图9中，泵活塞92和振荡阀96和97以相同频率振荡。用虚线示出的位置代表在相反振幅位置的泵活塞92和振荡阀96和97。为了避免反作用力-不希望的静力(blind force)-这三个元件92、96和97都调整为相同的共振频率，尽管对于它们的相位和振幅可以彼此相关地调节。这种类型的调节例如可以通过致动器实现。在图9中的元件92、96和97的平面结构下，压电致动器是适宜的。由于相互间的相位位置，在开口91处的声音的有效输出流量可以对于方向和大小而调节。基于要被辐射的声音输出的输出流量通过泵活塞92的振动振幅来调节。在动力变化较大的情况下，一定的输出过量是适宜的。取代用压电致动器的振动致动，泵活塞92和转阀96、97可以设计为转阀形式(见图11)，并由相位可控电机致动。为了再次获得单极辐射，提供了缓冲容积95。如果音孔91和91′在两个声音上分隔的空间内工作，这可以省略。这例如发生在若发音器90构建在通道壁上，而音孔91和91′之一在通道空间内开口，一个向外侧空间开口的情况下。

在图10中，发音器100的缓冲容积105被设计为λ/2共鸣器。通过振荡活塞102，产生驻波。振荡阀106的固有频率被调谐到λ/2谐振。利用振荡活塞102和振荡阀106的相位长度和振幅，容积流量也可以在孔101处对于方向和量值加以控制。

在图11中，两个λ/2驻波由振荡活塞112触发而在容积115和115′内产生，它们相位差180°。因此，在孔111和111′处，总是存在相反的声压。由电机117以等于λ/2振荡的频率触发的阀板116具有开口，并在径向相对它们的侧面封闭。在正压力下可接近音孔111的相位，空气输出到外侧；在负压的相位，发生吸取作用。然而，在中间相位，在开口111和111′不产生气流。在此，有用的产生声音的气流的相位和振幅也关于方向和大小加以控制。

根据图12的示例是类似于根据图10的一维实施例的二维情况。两个正交振荡活塞122和122′撞到二维缓冲容积125上并在水平和垂直方向激励λ/2振荡。两个振荡阀126和126′调谐到振荡活塞122和122′的频率。通过它们的相位，如在一维情况中一样，可以控制来自开口121和121′的产生声音的空气流。

图13中的缓冲容积135不仅存储压能，而且存储动能。为此目的，在缓冲容积135中的空气被基本恒定转动的转子132转动。在缓冲容积的周围，布置有阀门136。空气在位置136′输出到外侧，而在相对的位置136″，根据空气喷射泵的原理，旋转运动将空气从外侧吸入。该原理可以推知，在待机状态的第二缓冲容积也被附着(attached)。

图14示出按需要的，例如再现立体声或实现声音偶极的两极形式的发音器140。为此目的，两个独立的泵致动器142和142′设置有相关的扩音器孔141和141′。每个单元可以根据图1到12之一而设计。取代单独的缓冲，在此只设置了一个公共缓冲容积145。在极端情况下，其可以简化成连接管。在多极扩音器系统中，用于所有的单独极，公共的缓冲容积也是优选地。相同的原理应用到用于方向性声音辐射的阵列布置中。在缓冲容积145内的驻波用声音吸收器149减震。

根据图15到17的实施例涉及消除泵和阀的周期性的及其他固有声音的装置。在图15中，由破坏性干涉造成的抵销由于在时钟周期差180°的泵和阀将两个开口151和151′联系在一起而发生。这种结构将单极辐射器转换为不太有效的偶极。带有四极特性的四单元布置使周期性噪声进一步减小。而有用的声音不受影响。在图16中，音孔通道161填充有声音吸收纤维材料169。来自高频工作的泵和阀的不期望的声音比低频有用的声音受到更强烈的减震。同时，吸灰可用纤维材料169实现。最后，在图17中，在此，扩音器通道171设置有亥姆霍兹共振器179。以这种方式，可以吸收或缓冲周期频率及其谐波，而不影响有用的声音。从而，也使扩音器通道171的声音上有用的容积流量平稳。

在图18中，声道181是横截面扩张的。该扩口被设计为空气动力学的扩散器并用于较大的输出流-即，以较大的流速-以确保双向压力平衡，而没有产生损失的扩散。通过通道分层-在此未示出-即使用较短的通道长度，也可以维持邻接的无旋涡的流动。在一般情况下，作为扩散器的声道181的结构不满足声音喇叭的需求。而可以加上一个喇叭。最后，声道181设置有防止灰尘和不期望的接触的保护隔栅。

Claims (9)

1.一种发音器，用于吸收声音并用于从次声波到超声波范围内再现信号、讲话和音乐，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)发音器具有泵系统，其包括泵和调制装置、缓冲容积和音孔；

b)泵系统布置在缓冲容积和音孔之间，并通过音孔输出调制的流体容积流量；

c)流体容积流量的直流分量为零；

d)传感器以较高的瞬时分辨率记录下泵系统、在缓冲容积内的流体、流体容积流量或发射的声压的物理数据，并将数据传送到控制或调节泵系统的控制单元；

e)泵系统的泵频率大于或等于有用声音的调制频率；

f)调制的流体容积流量在缓冲容积内产生压力变化，并在音孔产生声音单极辐射；

i)通过传递到周围的脉冲以及单极辐射，调制的流体容积流量也产生偶极辐射以及方向性声音辐射的结果。

2.如权利要求1所述的发音器，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)至于泵，使用了从精密、微型或纳米技术中公知的泵之一，或在图中示出的泵；

b)泵属于活塞、薄膜、旋转泵或其他已知类型的泵，或是通风机、压缩机、鼓风机、涡轮或鞭毛泵；

c)泵包括在缓冲容积内的柔性的、主动可操纵的壁；

d)泵通过回转、振荡或旋转部件和/或通过公知的机械波导管产生容积排量和/或压力升高；

e)泵具有固定的供给方向，或泵可以反向并具有吸取和压缩工况；

f)泵提供模拟或数字的流体容积流量；

g)泵和/或调制装置的致动用电机、压电元件、机械、液力或气动致动器或其他公知的致动器实现；

h)泵系统或泵系统的致动器由流体本身或由散热器冷却。

3.如权利要求1和2中至少一个所述的发音器，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)缓冲容积具有带至少一个开口的压阻壳体，其中安装泵系统或其的部件；

b)至于缓冲容积，可以使用通道、环形通道或螺旋、盘形、盒形、或球形中空空间或已经存在的中空空间；

c)经由可移动的分隔壁或振动元件，多个缓冲容积被声音上或振动连接并/或偶连；

d)在缓冲容积内的驻波由公知的被动吸收器和/或主动声音缓冲装置而缓冲；

e)取代构造于缓冲容积内，泵系统内置于壁内或连接到较大的流体容积内；

f)在缓冲容积内，能量通过流体流量或通过元件的反作用弯曲以及通过流体的压力暂时储存能量。

4.如权利要求1到3中至少一个所述的发音器，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)其具有至少一个音孔；

b)发音器的音孔和/或其他孔用薄膜密封；

c)在音孔处，安装空气动力学扩散器；

d)为了缓冲泵系统的周期性的或固有的声音，使用了主动或被动声音缓冲或共振器；

e)在音孔前和后设置了反作用元件(亥姆霍兹或λ/4共振器)或用于声音放大或过滤的声音网络；

f)声音喇叭安装在音孔处；

g)音孔具有作为灰尘和接触防护的隔栅或网。

5.如权利要求1到4中至少一个所述的发音器，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)调制装置包括至少一个阀或其他公知装置用于流体调制，它们与泵为一体或为单独的；

b)泵本身或调制装置通过泵频率的变化、可变的泵行程、通过单独泵或通道的开或关、调制装置和泵或多个泵之间的周期、振幅或相位的关系，经由缓冲容积内的驻波或经由警报机构或这些的组合而调制流体容积流量；

c)阀通过振幅、频率或相位控制调制流体容积流量，或多个阀通过单独阀的开和关调制流体容积流量；

d)在带有一个供给方向的泵中，流体的容积流量由泵前和后的两个阀根据要获得的流体容积流量调制或通过分别出或入缓冲容积的流动偏转而被导引；

f)被动调制这样发生，即整个泵系统或其部件，或在缓冲容积中或在音孔中的流体经历自然振荡；

g)泵系统的频率相关功能和/或在泵系统压缩中的损失或非线性与控制信号的适宜处理一起考虑；

h)根据Tartini效应，两个泵以几乎相同频率在高频下工作并产生低频有用的声音辐射；

i)具有相同或相反方向的两个或多个泵系统或其部件电或机械连接，以便通过影响连接获得图6所示的调制；

6.如权利要求1到5中至少一个所述的发音器，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)传感器位于音孔上或音孔内，在泵系统内或在缓冲容积内，并记录流体容积流量的压力、温度、流体容积流量、流体容积流量的速度及/或泵外侧的声压或流体容积流量的其他可变特性或泵系统的运行；

b)如果泵的工况是公知的且/或在发音器的声音保真度没有更大的要求，系统不需要传感器。

7.如权利要求1到6中至少一个所述的发音器，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)泵系统具有一个或相同或分级的大小、形式、泵频率及冲程的多个泵；

b)多个孔或多个发音器形成一维、二维或三维声音阵列，或轴向辐射式直线或双极布置，从而以其本身已知的方式，通过振幅、频率和/或相位调节，可以实现任何理想的方向特性；

c)泵系统、泵或其零件串联或并联；

d)发音器定位在管道内、围绕管道或在管道上，从而声音辐射通过在管道内的音孔发生。

8.如权利要求1到7中至少一个所述的发音器，其特征在于，具有一个或多个以下特征：

a)泵系统自身起作用，而不需控制，只具有一个能量供给，并通过自然振荡或其他自动系统调制；

b)泵系统具有控制系统或调节器，从而其通过传感器信号将声音辐射或泵系统的其他物理变量、流体流量或缓冲容积作为控制或调节变量；

c)为了平衡气压变化和漂移偏差，缓冲容积具有一附加的具有较大流动阻力的开口。

9.如权利要求1到8中至少一个所述的发音器，其特征在于，其具有一个或多个以下特征：

a)发音器与诸如手表、移动电话、遥控器、钢笔、护目镜、珠宝、银行卡、键盘、屏幕、指环、玩具、家庭用品、助听器及其他元件成为一体，从而未利用的或特殊设计的封闭容积被用作缓冲容积；

b)发音器与现有的扩音器系统成为一体或改善它们；

c)发音器连接到移动或转动元件上；

d)发音器根据声音吸收技术的原理通过破坏性干涉而用于抵销噪声。

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