CN1358400A - 平板式驱动器 - Google Patents
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Abstract
支持弯曲波的面板1及覆盖一大部分面板表面的一转换器3制成一扬声器。至少一约束器,例如一箝位器或一质量,固定于面板。每一约束器减少面板的一小面积的可动性。转换器的激励作用激励面板中弯曲波。各约束器阻碍简单行动,及激励产生多个弯曲波。各约束器能约束面板被激励而产生良好分布的谐波弯曲波模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种弯曲波面板扬声器，及驱动此一扬声器的一种方法。
背景技术
本申请人“New Transducers Ltd”的WO 97/09842揭示弯曲波扬声器，如图1所示扬声器。一般言之，弯曲波扬声器包括一面板1，具有在一或多个分立地点或小区域的耦合于面板1的至少一激励器3。激励器的位置选择成驱动分布谐振弯曲波模式而使面板发声。
具有分立激励器的现有技术装置具有在某些用途难以决定激励器的较佳位置的困难，例如WO 97 09842所教导。例如，扬声器可能需安装于原有设备中，如果有另一部分介入其中，所需转换器位置可能找不到。另外，在使用一透明面板的转换器扬声器中，可能难以放置一激励器于无大侵扰的较佳位置，这是因为极难使传统激励器透明。
因此，希望事实上不需要在较佳位置安装激励器，而能获得优选激励器位置的效果。
同样为本申请人但优先日期在本申请后的WO 00/02417揭示利用透明板及耦合于面板的一激励器的布置。建议激励器可包括于面板上的一压电或驻极体(electret)，但未讨论此一装置的具体实例。
说明一种透明扁平扬声器的另一申请案为Hitachi Ltd的GB 2052919。此申请案说明具有在一面上的一压电层的透明压电扬声器。如GB 2052919所说明，此一装置的问题为扬声器仅在一狭小频率带操作。虽然在GB2052919中，通过选择扬声器面板的椭圆形而获得一定改善，但效果仍不明显。前述最佳效果具有1KHz至的3KHz以外的小声音输出，一极狭小带。
GB 2052919揭示基体上仅一模式被激励，不似其中以不同频率工作的多个模式被激励的WO 97/09842的装置。然而，利用谐振弯曲波模式的一频率范围的良好声音输出使激励器激励分散于频率中的数个谐振模式。
因此，这种扬声器除用于最基本应用外的实用外，需改善其性能。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供包括能支持弯曲波且具有相对面的弯曲波扬声器，一转换器延伸至面板的一面的大部分并耦合于面板表面，及至少一约束器，其耦合于面板的至少一个分立的小区域，约束面板运动，故运动转换器材料，而激励面板的多个谐振弯曲波模式。
不放置转换器于一预定位置，转换器布置于面板区的一充分大部分上，及在一或多个约束位置约束面板。面板表面的大部分可为至少60％，优选75％或甚至大于面板面积90％。部分愈大，转换器愈大及因而输出功愈大。当转换器材料仅提供一单位输入的小动作时，此点特别实用，正如压电材料常发生的那样。
所述大部分优选基本上为面板的全部表面，及小区域可远较面板面积为小。
每一小区域可不大于面板面积的10％，优选不大于1％。此外，每一小区域可具有不大于面板宽度20％的直线尺寸，优选不大于10％及进一步优选不大于4％。过大约束器可导致极难弯曲，而极难驱动一面板。
面板可为特别适于支持在预定操作频率范围中的谐振弯曲波的材料。
如前文所述，申请人相信GB 2052919中产生不良效果的问题为压电激励器未激励一良好谐振弯曲波模式分布。
根据本发明的扬声器，提供一局部化约束器，通过延伸在面板表面上的一转换器，容许合理或良好的多个谐振弯曲波模式的激励。
转换器可包括延伸于面板的一面的大部分上的转换器材料片，其耦合于面板表面。
一转换器可加于面板的相对面，此一方式称为“耦联”构型。进一步，转换器可包括延伸于面板相对面的大部分至第一转换器的一片转换器材料。
耦联构型提供多项另外优点。首先，板被夹置于二转换器片之间，这些片能配置成顶部片收缩及底部片膨胀以提供板一真实弯曲应力，而非加于仅一片转换器材料的装置所发生的线性应力(称为单变体)。
此外，面板及转换器片本身构成一单位的整体单位，实现谐波弯曲波模式的良好分布。
约束器可为固定于面板的一质量，例如埋置于面板内的一个面。
约束器亦可为一刚性耦合件，在面板的一小区域耦合于面板，以基本阻碍小区域的运动。
约束器位置可选择成使所约束面板的谐振弯曲波模式，尤其在操作频率范围下端的部分间隔开以获得一所需声音效果。事实上，约束器的位置及参数可选择成使声音输出最优化。
约束器的位置可通过数学或数字方法决定，或甚至通过系统实验得到。
约束器可置于安装一传统式小激励器于一自由面板的适宜位置。不是在一分立位置驱动一自由面板，而是该面板经其表面的一大部分被驱动，而在对于一局部转换器的适于驱动位置“钉住”(pinned)。因此，根据本发明的扬声器具有一局部化约束器，与一传统式分立模式扬声器相反。
某些具体实例中，约束器可位于离开边缘处，亦即离开面板边缘宽度至少约20％，宽度是指依与面板长度成直交的方向通过面板的宽度。各约束器可位于不对称位置。如果面板为具有一或多个对称轴线的对称形式时，约束器可离开一或所有对称轴线，例如离开距离为面板宽度的至少3％，优选至少5％。
此一约束器位置并非总可能。因此，各约束器可位于面板边缘，或至少位于不超过自边缘到面板的20％的距离处。这在面板的中心区为透明时特别重要。
该或每一转换器材料片可夹置于一对电极之间而制成一转换器膜片。电极可位于一转换器膜片的任一侧，电极可为透明的。一种适宜透明电极材料为氧化铟锡(indium tin oxide)。
一转换器膜片可粘附覆盖面板的一或两面。该对电极中的一电极可覆盖面板的一面的大部分，及机械式耦合转换器材料于面板。
转换器材料在施加电时可形状改变。因此，材料可为压电材料，例如锆酸钛酸铅镧(lead lanthanum zircouite titanate)(PLZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。
某些具体实例中，面板及压电材料可透明。此一情况在与透明面板合用时特别适用。
面板可悬吊或以其他方法支持，使得支持件尽可能小地影响谐振模式。
另一种方式，面板可被各约束器支持，或面板可如传统式支持在弯曲波面板的一框架上。后一情况中，各约束器可具有在预定位置限制面板运动的功能。
另一方面，制造具有相对面的一弯曲波扬声器的一方法中，包括：
决定一面板的形状，尺寸，及特性；
选择加于面板的一面的一选定大面积上的一片转换器材料的特性；
选择至少一小区域的位置及至少加于面板的至少一小区域的一约束器的参数，以使面板提供实用声音作用；及
施加所选择转换器材料于面板的一面的大部分，利用所选约束器参数施加所选面板约束器于所选小区域，从而由面板制造一扬声器。
附图说明
为进一步明了本发明，本发明的具体实施例将参照附图加以说明。
图1显示一传统式弯曲波面板扬声器。
图2显示根据本发明的一扬声器顶视图。
图3显示根据本发明的一具体实例的一扬声器的侧面图。
图4显示根据本发明的另一具体实例的一扬声器的顶视图。
图5显示制造根据本发明的扬声器的一方法的一流程图。
图6显示本发明的另一种具体实例的一面板的侧面图。
图7显示根据图6的具体实例的扬声器的声音输出。
图8显示根据图6的具体实例的扬声器的终端阻抗。
具体实施方式
如图2所示，根据本发明的扬声器包括一面板1，具有相对的顶部23及底部25。面板无须平坦，但可制成具有特殊用途所需的形式。
一转换器层3提供于面板的一面的相当大部分上。信号连接器9提供扬声器输入，一般为一电信号形式。
可为一箝住器或一质量的至少一约束器施加于所示C1-C6位置之一。为使面板受到质量负荷，一质量固定或耦合于面板；为将面板箝定，面板局部耦合于一刚性支架。
现将简单讨论约束器的位置选择。根据本发明的方法某种意义上是以分散模式的一传统方法的相反方式实现，传统方式如WO 97/09842所述。不在一选定点驱动面板，而是在面板表面的一大部分驱动面板，及在一或多个分立位置“钉住”。
约束器位置的一良好开始点为WO 97/09842中的较佳驱动位置。因此，适宜约束器位置一般与多数较低频率节点线间隔分开，及这些间隔在正常状况下自对称轴及边缘分开。
约束器处于自面板边缘到面板宽度至少10％的距离的例如C1及C4位置可为适宜。所选择位置亦可位于与长方形边缘平行及通过面板中点的面板宽度的至少5％。
如果一约束器位置在面板内部不可行时，可使用约束器位置如C2、C3、C5或C6。
设计一面板时，可使用如图5的图解的下述方法。
首先，决定一面板的形状，尺寸及参数(步骤51)；这些步骤为应用配置扬声器的领域等其他因素所决定。
然后，进行选择转换器材料(步骤53)。然后选择其上施加转换器材料的面积，面积尽可能大而增大声音输出。
现有面板不易产生可接受的声音效果。为解决此一问题，至少一小区域的位置及至少一加于面板的约束器的参数加以选择(步骤55)。此步骤可通过计算实施，例如有限元素分析或系统实验。
约束器参数及位置可加以选择，以产生可使用的均匀声音输出。一优化实用例图示于New Transducers的WO 99/41939中并包含于本说明供参考。
其中面板需透明的实施例提供一约束器或箝住器于面板内部可能不适用，因约束器箝位器可能干扰作为整体的扬声器的透明性。此等情况下，宜将面板箝位于环绕面板边缘的一或多个分立的位置。适宜位置为揭示于NewTransducers Ltd的WO 99/37121中的适宜边缘驱动位置，及揭示于NewTransducers Ltd的WO 99/52324中适宜箝位器位置。二文件均包含于本文中供参考。环绕沿一边缘长度的距离0.38至0.50的位置可特别适宜。
箝位器特别适于提供在或接近边缘的约束器位置的约束器。愈接近面板中心时，可较便利通过添加质量而提供约束器。然而，此等选择可加以变化而适于任何特定设计。
当已选定适宜约束器位置及型式后，制成具有加于一面的大部分上的所选转换器材料的一面板的扬声器。所选各约束器利用所选约束器参数在各选定小区域加于面板。
例如，本发明的一具体实例将参照图3加以说明。具有相对顶部及底部表面(19，21)的面板1具有加于面板1的顶部面19的中心区的锆酸钛酸铅镧(PLZT)的压电转换器层3。压电层3夹置于顶部与底部电极5、7之间并与电输入线9连接。底部电极5覆盖面板的中心区，占面板面积的大部分并耦合转换器层3于面板1。
面板安装于连接于面板的底部面21的外部的一软弹性耦合件17上的一框架13中。
为在位置C4(图2)装载质量于面板上，质量11在该位置固定于面板。为在位置C6(图2)装设箝定物，面板在该位置被刚性耦合件15刚性耦合于框架13，在其他处使用弹性架17。
现参照图4说明一转换器的另一种具体实例。一轻重量多媒体(multimedia)扬声器具有重量10g及宽高比即长度与宽度比1.3∶1比例的长方形的面板1。10g重约束器质量11在面板距一端的长度位置的4/9及面板距边缘的宽度的3/7的位置固定于面板的后面，亦即与轴线23成间隔。基本上面板的全部前面被如前述一压电极夹心结构3、5、7覆盖。电极夹心结构与面板边缘横向间隔。面板支持于一泡沫支架15上。
现说明另一较佳具体实例，参照图6至8。此具体实例中，提供有二压电层，分别位于面板2每一面上。因此面板为一耦联。
长方形面板1为150mm长及135mm宽的酒石酸钠盐(Rohacell)制成1mm厚。二商业用具有制造商提供的电极的聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride)(PVDF)薄膜片连接于面板，分别位于面板两面，故面板被夹置。所用薄膜是Pennwalt corporation，of Norristown，PA，USA制造，及以“KynarPiezo Film sample type SO28K”出售。薄膜包括被银电极夹置的一聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)片。每片PVDF覆盖四方形电极1的面积的约90％，不覆盖边缘。所用胶粘剂为热塑性聚氨酯胶粘剂“Puro H-25g”。
所用薄膜略为各向异性，当一电压施加时，在一方向亦即运动方向弯曲大于与运动方向成直交的方向的弯曲。顶部及底部薄膜均与面板长边缘平行的运动方向对齐。
用作约束器的1.2g质量11在面板长度方向距板一端的3/7及距面板一边缘的宽度的4/9位置加于面板。为比较起见，面板质量为7g。质量尺寸小，因此仅覆盖面板面积1％的小面积。
利用量计或各部件的已知特性，得到各种面板特性的下列估计。面板弯曲刚度及压电层估计为0.9Nm，每单位面积1.78kg/m2，及机械阻抗10.12Ns/m。相合频率，亦即声音在空气中与在面板中的速度匹配时的频率，估计为26.7KHz。基本频率为约120Hz。
上薄膜61及下薄膜63的电极5，7平行电连接。
进行一项实验测得声音压力水平薄膜为扬声器在所连接平行电极20V输入和0.5m时所产生的频率的函数。效果示于图7。扬声器产生一实用和均匀的一宽频率范围的频率响应。应注意试验中不使用转换器而使所获声音输出指示良好效率。
如前文所述，所用薄膜各向异性表示面板的某些低频率共振模式不受强烈激励。此举产生图7中所见低于约1.5KHz的功率降落。如果此点为一问题，薄膜对可安装于面板的每一面，每对薄膜具有成正交活性方向。如此，能使用四个薄膜。
图8显示二压电薄膜的电阻抗。如图中所示，阻抗在较低频率较高，此点是压电转换器的特性。
本发明不限于上述各具体实例，及在不脱离本发明的原则下可进行各种变化。例如，任何响应电信号的转换器材料的任何适宜转换器材料均可使用，包括前述PLZT或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)(PVDF)。事实上，转换器可为一微引动器阵列，覆盖面板表面的一大部分。
电极可为任何适宜导电材料制成，例如银，导电性聚合物，铜或类似物。电极可为转换器电极，例如由氧化铟锡(ITO)制成。
位置的精细调谐及约束器型式均可能，可通过计算正确位置或系统分析结果而得出。
一物质可通过各种固定装置固定于面板，例如胶粘剂、胶粘剂带、一螺钉或螺母，或如已知的替代性固定物。
一质量可在面板内埋置，例如一心体及表皮结构物的心体中。一质量亦可固定于一或二面，或接近中心或在周边。
“箝位器”一词并非限制于一传统式箝位器，固定面板的一局部区的任何固定装置均可使用。例如，其包括一刚性耦合元件可将面板上一点或面板夹置于箝位器元件之间的一部分刚性连接于一刚性框架。框架本身可制成将面板一部分箝位的形状。本领域技术人员可使用将面板箝位的其他方法，亦即基本上防止面板的一区域的运动。
能支持弯曲波的面板材料9及其尺寸与形状亦可视需要而变化。
Claims (20)
1.一种弯曲波扬声器，包括：
一面板，能支持弯曲波及具有相对面；
一转换器，延伸于一面板的一较大部分上并耦合于其上；
至少一约束器，耦合于面板的至少一分立的小区域而限制面板的运动，故转换器材料的运动能激励面板的多个谐振弯曲模式。
2.如权利要求1所述的弯曲波扬声器，其中转换器包括延伸并耦合于面板面的大部分的一片转换器材料。
3.如权利要求2的弯曲波扬声器，其中该片转换器材料夹置于一对电极之间。
4.如权利要求3的弯曲波扬声器，其中该对电极的一电极覆盖面板的一面的大部分，及将转换器材料机械式耦合于面板。
5.如权利要求2-4任一项所述的弯曲波扬声器，其中转换器材料为一压电材料。
6.如权利要求5的弯曲波扬声器，其中压电材料为透明的。
7.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中至少一约束器为一质量。
8.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中至少一约束器为耦合于面板的一小区域的一刚性耦合件，以基本上阻碍面板的该小区域的运动。
9.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中面板区域的大部分为至少75％。
10.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中每一小区域直线尺寸不大于面板宽度的20％。
11.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中每一小区域的面积不大于面板面积的1％。
12.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中安装相对的转换器于面板面积的所述大部分上，分别位于面板的相反面。
13.如权利要求12的弯曲波扬声器，其中转换器包括夹置于一对导电电极之间的一片转换器材料。
14.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中该至少一约束器位于距面板边缘至少达面板宽度的20％的位置。
15.如前述任一权利要求所述4的弯曲波扬声器，其中面板具有至少一对称轴线，该至少一约束器与此对称轴线间隔距离为面板宽度的至少4％。
16.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中面板被约束器支持。
17.如前述任一权利要求所述的弯曲波扬声器，其中受至少一约束器约束的面板的谐振弯曲波模式在其频率中大致均匀分布。
18.一种制造具有包括相对面的面板的一弯曲波扬声器的方法，包括：
决定一面板的形状，尺寸及特性；
选择加于面板一面的选定大部分上的一片转换器材料；
选择至少一小区域的位置，及加于面板的所述至少一小区域的至少一约束器的参数，故面板提供有效声音作用；及
施加所选转换器材料于面板一面的该大部分上，用所选约束器参数在所选小区域建立所选面板约束器，用这样获得的面板制造扬声器。
19.如权利要求18的方法，其中包括选择该至少一个约束器的位置和参数，以便弯曲波扬声器在一预定操作频率范围内声音输出大致均匀。
20.如权利要求18或19的方法，其中包括选择该至少一约束器的位置及参数，面板在一预定操作频率范围的谐振弯曲波模式的传播大致均匀。
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