CN1394457A

CN1394457A - 转换器

Info

Publication number: CN1394457A
Application number: CN01803394A
Authority: CN
Inventors: 尼尔·哈里斯; 格雷厄姆·班克; 马丁·科洛姆斯
Original assignee: New Transducers Ltd
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2003-01-29
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: PE20011072A1; KR20020070509A; UY26553A1; US7684576B2; BR0107714A; US20010033669A1; HUP0204160A2; HK1046614B; KR100777888B1; EP1250827B1; EP1250827A2; CA2395022A1; NZ519383A; HUP0204160A3; TW511391B; DE60100886D1; TR200302018T4; DE60100886T2; US20070086616A1; JP2003520540A

Abstract

一种转换器(14)用于产生能够激发一声音辐射器，例如是一种产生一声音输出的面板(12)。该转换器(14)具有一所要的运行频率范围，并包括一谐振元件，其具有一分布模式，其为在该工作频率范围中的模型。该转换器(14)的参数可以调整来改善该谐振元件的模式。一扬声器(10)或一麦克风可使用该转换器。

Description

转换器

技术领域

本发明涉及转换器，致动器或激发器，特别是，但不限于用于例如扬声器及麦克风的声音装置的转换器。

背景技术

一些转换器，激发器或致动器机构已被开发用来施加一力量于一结构上，例如一扬声器的声音辐射器。这些转换器机构有不同的形式，例如移动式线圈，移动式磁铁，压电或磁致伸缩形式。基本上，使用线圈及磁铁形式转换器的电动力扬声器会消耗其99％的输入能量发热，然而一压电转换器的消耗仅有1％。因此，压电式转换器因为其高效率而受欢迎。

举例而言，对于压电式转换器有一些问题，其本质上非常的坚硬，例如相较于铜箔，因此其很难与一声音辐射器匹配，特别是与空气不匹配。增加该转换器的硬度使其基本谐振模式移到一较高的频率。因此这种压电式转换器可以视为具有两种工作范围。该第一工作范围是低于该转换器的基本谐振。此是随着频率而增加速率的“硬度受控”范围，而该输出响应通常需要均等化(equalisation)。此可造成可用效率的损失。该第二范围为超过该硬度范围的谐振范围，其通常可因为该谐振非常剧烈而不被采用。

再者，一般原理是要压抑转换器中的谐振，因此压电式转换器通常仅用在其频率范围低于或等于转换器的基本谐振。其中压电式转换器用于高过该基本谐振频率时，其必须施加阻尼来抑制谐振波峰。

压电式转换器有关的问题是类似出现在包括其它“智慧型”材料的转换器，也就是磁致伸缩式，电致伸缩式，及电介体形式材料。

由Shinsei公司的专利EP 0993 231A可以知道，其提供一声音产生装置，其中一声音振动板的驱动装置配置在一扬声器架构及该声音振动板之间。该驱动装置包括一对压电式振动板，其配置成相隔某个距离而彼此相对。该压电振动板的外部周边是由一环状隔离器而彼此连接。当一驱动信号施加于该压电振动板，该压电振动板重复地经历弯曲运动，其中该中心交替地在相反方向弯曲。此时，该压电振动板的收缩方向通常彼此相反。

由Shinsei公司的专利EP 0881 856A可以知道，其提供一声音压电振动器，及使用该振动器的扬声器，其中一弹性体的振动控制部分附着于一压电振动板的周边。该振动控制部分的形状使得通过该压电振动板中心的轴之间的距离，其垂直于连接该压电振动板到该振动控制部分的重心的一直线，而该振动控制装置的重心线沿着该轴而变化，或使得每个该振动控制部分片段的重量是由平行于一直线的多个直线所分割，该直线连接该压电振动板的中心到该振动控制部分的重心，其会沿着垂直于该直线的轴来变化，并穿过该压电振动板的中心。

Murata制造公司的美国专利4,593,160中，揭示一种压电式扬声器，其包括一压电振动器来以一弯曲模式振动，其由一支撑构件支撑在其纵向中间位置，由此在该支撑构件的两侧上的压电振动器的第一及第二部分即分别以一悬臂束方式支撑。该压电振动器连接在靠近于其两个端点的部分，并通过导线形成的耦合构件的隔膜进行，因此该压电振动器的弯曲振动即传递到该隔膜，并因此而驱动该隔膜。该支撑构件关于该压电振动器的位置选择使得该第一部分的谐振频率小于该第二部分的谐振频率，而该第二部分的主要谐振频率(f1)的选择使得其大致上位于该第一部分的该第一谐振频率(F1)及该第二谐振频率(F2)在对数座标上的中心值。

Sanyo电子公司的美国专利4,401,857中，揭示一种压电式锥形扩音机，其具有一多重结构，其中多个压电元件及扬声器隔膜分别与其耦合，其以同轴或多重轴来配置。一缓冲元件置于一隔膜与另外一个之间，所以每个元件即与另一个元件的振动相隔离。

Altec公司的美国专利4,481,663，其中揭示一种网路，其用以将声音信号的电子来源匹配于一高频扬声器的压电陶瓷驱动器。该网路包括一带通滤波器网路的所有元件，但由于在该滤波器的输出阶段有一电感器与一电容器的平行组合，其可由一自动变压器或自动电感器所取代，其可变换该压电陶瓷转换器的输入阻抗到一同等的平行电容及电阻，其配合该自动变压器的电感，而供应该滤波器的负载电阻，并取代由该带通网路的输出阶段所省略的电容及电感。一额外的分流电阻可以放置在该自动变压器的输出之上，以获得在该自动变压器输入处所需要的有效负载电阻。

Sawafuji的英国专利申请案GB 2,166,022A中，揭示一种压电扬声器，其包括多个压电振动元件，其每个皆包括压电振动板，及经过一粘弹性层而连接到接近其重心点的重量，并具有该振动力量，其设计成由该外部边缘所取出，其是通过连接器彼此连接在其周边端点，该端点之一是直接地在其周边边缘连接到一锥形声音辐射器，藉此主要在一高频部分产生一振动力量，而其相邻其余的元件则产生一振动力，用于分担该锥形声音辐射器补充能量的中频及低频部分。

发明内容

本发明的目的即在于提供一改善的转换器。

根据本发明，提供一电动机械力量转换器，例如可施加一力量来激发一声音辐射器来产生一声音输出，该转换器具有一想要的工作频率范围，其包括一谐振元件，其具有在该工作频率范围内的一种频率模式分布，以及在该谐振元件上的耦合装置，其用以将该转换器安装在该力量要施加的地方。因此，该转换器可以视为所要形式的转换器。该耦合装置可以附着在该谐振元件上，其位置可有利于耦合该谐振元件的形式活动到该位置。

该谐振元件可为被动的，并可由连接装置耦合到一主动转换器元件，其可为一移动线圈，一移动磁铁，一压电，一磁滞伸缩或一电介体的装置。该连接装置可以附着在该谐振元件上，其位置可利于改善该谐振元件中的模式活动(modal activity)。该被动谐振元件可以做为对于该主动元件的一将近低损耗，阻抗式的机械式负载，并可改善该主动元件的功率传输及该主动元件与要施加力量于其上的隔膜的机械性配合。因此，原则上该被动谐振元件可以做为一短期谐振储存。该被动谐振元件可以具有较低的固有谐振频率，所以其模式行为在一范围中可足够地紧密，该范围即执行该主动元件的负载及匹配。一主动元件设计上与一谐振构件紧密耦合的效果是能够在该频率范围内更均匀地结合由该转换器所产生的力量。此可通过交互耦合及控制极限的Q值来获得，而其结果为一较平滑的频率响应，其可能比简单的压电装置要佳。

另外，该谐振元件可以是主动的，并可为压电式，磁致伸缩或一电介体装置。该压电主动元件可以是预压的，例如在美国专利56832841中所提出，或者可为电气式预压或偏压。

该主动元件可为一双重形式，一具有一中心涡轮叶，或基板，或一单一形式。该主动元件可以固定于一背衬片或填隙片，其可为一薄的金属片，其厚度可类似于该主动元件的厚度。该背衬片较佳地是大于该主动元件。该背衬片的直径或宽度为该主动元件直径或宽度的两倍，三倍或是四倍大。该背衬片的参数可以调整来改善该转换器的模式密度(modal density)。该背衬片参数及该主动元件的参数可以共同工作来改善模式密度。

该谐振元件可为贯穿的，以不会辐射不需要的声音，另外，该谐振元件可具有一声音孔，其小到可以缓和其声音辐射。该谐振元件可因此而在声音上大致为不主动的。另外，该谐振构件可助于该组件的动作。

该耦合装置的尺寸很小，也就是可以类似于在该工作频率范围中的波长。此可改善来自其中的声音耦合。此也可降低较高的频率孔洞效应；而且可能降低由该耦合的弧所造成的高频耦合或弯曲波。另外，该谐振构件的区域可以选择来选择性地限制较高的频率耦合，例如可提供一滤波功能。

该谐振元件的参数，例如长宽比，弯曲刚性的等向性，厚度及几何的等向性等，可以选择来改善在该工作频率范围中该谐振元件的模式分布。例如使用限元法或模型化的电脑模拟分析，可以用来选取参数。

该分布可以通过保证接近所涉及的最低工作频率的该主动元件的第一模式来改善。该分布也可通过保证一满足的，例如在该工作频率范围中高的模式密度来改善。该模式密度较佳地是使该主动元件足够于提供一有效的主要平均力量，其频率大致是恒定的。良好的能量传递可有利于模式谐振的平滑化。

相反地，现有技术的转换器包括智慧型材料，其设计来在低于现有技术转换器的基本谐振之下来工作，其输出可随着频率降低而下降。此可增加该输入电压，使得其保持输出频率的恒定。

另外，或额外地，该模式的分布可通过分布该谐振弯曲波形模式成为在频率上大致均匀而可改善，也就是将该模式的成群或集束造成频率响应的峰值平滑化。因此这种转换器即所熟知的分布模式转换器或DMT。

通过分布模式，该谐振元件的通常主要的高振幅谐振可以降低，因此也可以降低该谐振元件的峰值振幅。因此，可降低该转换器潜在的失效性，而工作寿命将可明显地延长。再者，来自一位移形式的转换器的均匀响应的可能性，可以减低对电力的需求，而降低了该驱动系统的成本。

该转换器可包括多个谐振元件，其每个皆具有一模式分布，该谐振元件的模式是在该工作频率范围内做交错地配置，因此而改善了作为一整体装置的该转换器中的模式分布。该谐振元件较佳地是具有不同的基本频率，因此例如该谐振元件的负载，几何，或弯曲刚性可以是不同的。

该谐振元件可以任何简便的方式通过连接装置来耦合在一起，例如在该元件之间通常为坚硬的短棒上。该共鸣元件较佳地是耦合在耦合点上，其可改善该转换器的模式及/或加强施加力量所在位置的耦合。该连接装置的参数可以选择来改善该谐振元件的模式分布。

该谐振元件可以配置成一堆叠。该耦合点可以是轴向对准的。该谐振装置可以是被动，或主动，或被动及主动装置的组合，以形成一复合的转换器。

该谐振元件可以是板状的，或也可由平面弯曲。一板状谐振元件可以形成有沟槽或不连续点，以形成一多重谐振系统。该谐振元件的形状可为束，梯形，过度椭圆形，或通常为碟形。另外，该谐振元件可以是长方形，或是沿着短对称轴的轴心而弯曲出长方形的平面。这种平面长条几何形的转换器，是由美国专利5,632,841所提出。

该谐振元件可以是沿着两个大致垂直的轴的模式，其每个轴皆具有一相关的基本频率。该两个基本频率的比例可以调整来得到最佳的模式分布。如为9∶7(～1.286∶1)。

例如：这种模式转换器的配置可以为以下任何一种：一平面压电碟片；至少两个或较佳地是至少三个平面压电碟片的组合；两个重合的压电束；多重重合压电束的组合；一弯曲的压电板；多重弯曲压电板或两个重合弯曲压电束的组合。

在每个谐振元件的交错模式分布，可由最佳化该谐振元件的频率比例也就是每个谐振元件的每个基本谐振频率的比例来改善。因此，每个谐振元件相对于彼此的参数可以改变来改善该转换器的整体模式分布。

当使用两个束形式的主动谐振元件时，该两个束的频率比例(即基本频率比例)为1.27∶1。对于具有三个束的转换器，该频率比例可为1.315∶1.147∶1。对于包括两个碟片的转换器，该频率比例可为1.1±0.02比1，来最佳化高阶模式密度，或为3.2比1，以最佳化低阶模式密度。对于包括三个碟片的转换器，该频率比例可为3.03∶1.63∶1，或可为8.19∶3.20∶1。

该转换器可为一惯性电气机械式力量转换器。该转换器可以耦合到一声音辐射器，以激发该声音辐射器产生一声音输出。

因此，根据本发明的第二方面，其提供包括了以上定义的一声音辐射器与一模式转换器的扬声器，该转换器通过耦合装置耦合到该声音辐射器来激发该声音辐射器来产生一声音输出。该耦合装置的参数可以选择来改善在该工作频率范围中该谐振元件的模式分布。该耦合装置可以是遗留的，例如一受控制的粘着层。

该耦合装置可以相对于该声音辐射器非对称地放置，所以该转换器可以非对称地耦合到该声音辐射器。该非对称性可数种方式达到，例如通过调整在该声音辐射器上的转换器相对于该声音辐射器或该转换器中对称轴的位置或方向实现。

该耦合装置可以形成一附着线。另外，该耦合装置可形成附着的一个点或小的局部区域，其中该附着区域相对于该谐振元件的尺寸为比较小的。该耦合装置的形式可以是一短棒，并具有一较小的直径，例如3到4mm。该耦合装置的重量可以较低。

该耦合装置可包括该谐振元件与该声音辐射器之间超过一个以上的耦合点。该耦合装置可包括附着点及/或线的组合。举例而言，其可使用附着的两个点或小的局部区域，一个位于靠近中心，一个则位于该主动元件的边缘。此对于板状的转换器十分有用，其通常为坚硬的，并具有较高的固有谐振频率。

另外，也可仅提供一单一耦合点。此好处在于，在一多重谐振元件阵列中，所有该谐振元件的输出皆经由该单一谐振元件来加总，所以其不需要对该输出由负载例如一扬声器的辐射器的加总。由此，这种加总可存在于一谐振面板辐射器，而无法用于一活塞式隔膜型式。

该耦合装置可以选择来位于该谐振元件上一反节点(anti-node)的地方，其可选择来传送一频率恒定的平均力量。该耦合装置可以位于远离该谐振元件的中心处。

该附着线的位置及/或方向可以选择来最佳化该谐振元件的模式密度。该附着线较佳地是不会与该谐振元件的对称线重合。举例而言，对于一长方形谐振元件，该附着线可以偏离该谐振元件的短对称轴(或中心线)。该附着线的方向可以不平行于该声音辐射器的对称轴。

该谐振元件的形状可以选择来提供一偏心的附着线，其通常位于该谐振元件的重心处。此具体实施例的好处在于该转换器是附着在其重心处，因此其没有惯性不平衡。此可由一非对称型状的谐振元件来达到，其形状可为一不规则四边形或梯形。

对于一包括一束形或通常为长方形的谐振元件的转换器，其附着线可以扩展穿过该谐振元件的宽度。该谐振元件的面积相对于该声音辐射器而言，是比较小的。

该转换器可用来驱动任何的结构，因此该扬声器可以是在其工作频率中至少部分的所要的活塞式，或可以是一弯曲波扬声器。该声音辐射器的参数可以选择来改善在该工作频率范围中该谐振元件的模式分布。

该扬声器可以是一谐振弯曲波模式扬声器，其具有一声音辐射器及一转换器，其固定在用以激发谐振弯曲波模式的声音辐射器。这种扬声器是公开在国际专利申请WO 97/09842及其它专利申请及出版品中，其可称之为一分散式模式扬声器。

该声音辐射器可为一平板形式。该平板可以为平坦的，且是轻量的。该声音辐射器的材料可为各向同性性或各向异性的。

该声音辐射器的性质可以选择来将该谐振弯曲波形模式以大致平均的频率来分布，也就是将该模式的“组群”或“集束”所造成的频率响应的峰值平滑化。特别是，该声音辐射器的性质可以选择来将该较低频率谐振弯曲波模式以大致平均的频率来分布。该较低频率谐振弯曲波模式较佳地是为该声音辐射器的10到20个最低频率谐振弯曲波形模式。

该转换器位置可以选择来大致平均地耦合于该声音辐射器中的谐振弯曲波形模式，特别是耦合于较低频率谐振弯曲波形模式。换言之，该转换器可以安装在一位置，在此该声音辐射器中振动的主动谐振反节点的数目较高，谐振节点的数目相对较低。其可使用任何这样的位置，但最方便的位置是沿着该声音辐射器的每个长度及宽度轴的38％到62％之间的靠近中心的位置，但是是偏心状态。特定或较佳的位置是在该沿着该轴距离的3/7，4/9或5/13的位置上；较佳地是该长度轴与宽度轴有不同的比例。较佳的是一各向同性面板的4/9长度，3/7宽度，其具有长宽比为1∶1.13或1∶1.41。

该工作频率范围可以为相当广的频率范围，其可位于该声音范围及/或超音波范围内。其也可用于声纳的应用，声音测距及成像，其中一较宽频率及/或较高的可能功率，对其分布的模式转换器工作本质上相当有用。因此，其工作范围也可达到大于由一单一转换器的主要且固有的谐振所定义的范围。

该工作频率范围的较低频率较佳地是在一预定的较低限制之上，其大致为该转换器的基本谐振。

举例而言，对于一束状的主动谐振元件，该力量可来自于该束的中心，并可符合于其所附着的该声音辐射器中的模式形状。依此方式，该动作及反应可以共同来产生一恒定的频率输出。通过连接该谐振元件与位于该谐振元件的反节点处的该声音辐射器，该谐振元件的第一响应可以成为一低阻抗。由此方式，该声音辐射器必须放大该谐振元件的谐振。

根据本发明的一第三具体实施例，其提供一包括一构件的麦克风，该构件能够支持声音输入及一如上定义的，耦合于该构件的模式转换器，以响应进入的声音能量来提供一电输出。

根据本发明的一第四具体实施例，其提供一骨传导听觉辅助器，其包括了如上定义的模式致动器。

根据本发明的一第五具体实施例，其提出一种制作包括如上定义的一谐振声音辐射器及一模式转换器的扬声器的方法，其中包括分析该谐振元件及该声音辐射器的机械阻抗的步骤，选择及/或调整该辐射器及/或该元件的参数，来取得该谐振元件及/或该辐射器的所需要的模式，并取得该元件和该辐射器之间的一所需要的功率传递。

根据本发明的一第六实施例，其提出一种制作包括如上定义的一谐振声音辐射器及一转换器的扬声器的方法，其包括分析及/或比较一给定模式致动声音系统的速率及力量的变化的步骤，及选择速率及力量数值的组合来达到一选定的功率传递。

附图说明

本发明由所附图面中的范例来做图形化的解说，其中：

图1所示为根据本发明所实施的一平板形式的扬声器的架构图；

图1a为垂直于图1的线A-A的截面；

图2所示为根据本发明的一转换器的参数化模型的平面架构图；

图2a为垂直于图2的转换器的附着线的截面图；

图3所示为图2的转换器的成本对于悬置长度(％L)的图形；

图4所示为图2的转换器的成本对于长宽比的图形，其安装在其长度上的44％；

图5所示为图1的一平板形式扬声器的频率响应的FEA模拟的图形，其安装在沿着其长度的44％及50％；

图6a及6b所示为根据本发明的另一方面的一转换器的平面架构图；

图7所示为图6a及6b的该转换器的成本函数对于AR及TR的图形；

图8所示为一单一压电式束形转换器的频率响应；

图9所示为根据本发明的具体实施例，一双重束转换器的侧视图；

图10所示为图8及图9的转换器频率响应；

图11a到11c所示分别为一双重束转换器，一三束式转换器及一三碟式转换器的成本相对于α(频率比例)；

图11d所示为根据本发明另一方面的一三碟式转换器的成本相对于半径的比例；

图12a所示为根据本发明另一方面的多重元件转换器的侧视图；

图12b为图12a的转换器的平面图；

图13为包括两平板的转换器的成本函数相对于长宽比的关系图；

图14为安装在一面板上三个不同厚度的转换器的频率响应(声压(dB)相对于频率(Hz))的关系图；

图15为根据本发明安装在三个不同面板上的转换器的频率响应(声压(dB)相对于频率(Hz))的关系图；

图16所示为力量，速度及功率相对于不同负载的关系图；

图17所示为根据本发明安装在加上或未加入阻尼质量的面板上的转换器的频率响应；

图18为根据图17的转换器的侧视图；

图19为根据本发明另一方面的转换器的侧视图；

图20为图19的转换器的平面图；

图21a及21b分别为根据本发明另一方面的转换器的侧视及平面图；

图22为根据本发明另一方面的转换器的侧视图；

图23为根据本发明另一方面的包覆式转换器的侧视图；

图24为根据本发明而安装在一活塞式扬声器的圆锥上的转换器的侧视图；及

图25a及25b分别为根据本发明另一方面的转换器的侧视及平面图；

具体实施方式

图1所示为一面板形式的扬声器10，其包括一谐振面板12形式的声音辐射器，及安装在该面板12上的一转换器14，用以激发面板12中的弯曲波振动，例如在专利WO 97/09842中所提出。在WO 97/09842中所提出的谐振弯曲波面板扬声器即为熟知的DM或DML扬声器。该转换器14安装在耦合装置16上的该面板上的偏离中心位置，位置是在该面板长度的4/9，及该面板宽度的3/7。此为根据WO 97/09842中最佳化的位置来施加一力量到面板上。

该转换器14为一预应力的压电致动器，该形式是在美国专利5632841所提出(国际专利申请编号WO 96/31333)，其由PAR Technologies公司制造，商标为NASDRIV。因此，该转换器14为一主动谐振元件。

如图1及1a所示，该转换器14为一非平面曲度的长方形。该转换器14的曲率代表该耦合装置16的形式为一附着线。因此，该转换器14仅是沿着线A-A而附着于该面板12。该转换器中心安装，也就是该附着线是位于该转换器长度的中间，其沿着该转换器的短对称轴。该附着线的方向是非对称的，大约是该面板长边的120℃，因此，该附着线并不平行于该面板的对称轴。

该附着线的方向角θ，可利用两个“缺陷量测值”将一中央安装的转换器模型化来选择，以找出最佳化的角度。举例而言，该响应的对数(dB)大小的标准差为一粗糙度的量测值。这种优点/缺陷的圆形是在本申请人的国际申请编号WO 99/41839中讨论到。

对于模型化，该面板尺寸设定在524.0mm乘462.0mm，为了简化模型，该面板材料的选择是为了该面板尺寸的最佳化。该模型化的结果显示，对于一中心安装的转换器，角度改变180°有影响，而该扬声器的效能并不会对角度过份敏感。但是，大约是90°到120°角则有改善，因为其在两种方法中都相当地好。因此，该转换器14必须指向该面板12长边最多到30°。

当该转换器安装在沿着穿过中心的短轴的附着线的面板上时，该转换器的两个臂的响应频率是重合的。

一具有主动谐振元件形式的转换器的参数化模型即示于图2。在该模型中，该主动谐振元件的宽度(W)对长度(L)比例，以及沿着该转换器的该附着点16的位置(x)皆可改变。该主动谐振元件为长方形，长度为76mm。图2a所示为沿着一非中心的附着线来安装在一面板12上的该模型化转换器14。

该分析结果示于图3及4。图3所示为最佳化的悬置点是沿着该谐振元件的长度的43％到44％的附着线：该成本函数(或“缺陷”量测值)在此值时为最小化；此是对应于在该长度的4/9处的附着点的估计。另外，电脑模型显示此附着点对于转换器的一宽度范围内皆属有效。沿着该谐振元件长度的33％到34％的第二悬置点也是适当的。

图4所示为一谐振元件沿着其长度44％处的成本(或均方根中心比例)相对于长宽比(AR＝W/2L)的关系图。最佳化的长宽比为1.06±0.01比1，因为该成本函数在此值之下为最小化的。

如前所述，该附着点到该面板12的最佳角度θ可由一最佳化的转换器来决定，意即一具有长宽比1.06∶1，及使用模型化在44％的附着点。转换器的较长部分朝下指向0角度的方向。在此修正范例中，该附着线16的旋转可以有更为明显的效果，因为该附着位置不再是对称的。其较佳的是具有约270°，即朝向左方的较长的末端。

完整来说，该转换器附着在其长度的44％及50％的频率响应的量测值示于图5。图中所示线20中44％的偏移，提供了一稍微更加强的低音，而使得其在高频时，比在线22中所示安装在中间的转换器具有稍微增多的涟波。

似乎该偏移驱动器所增加的模式密度由一附着位置所造成的惯性不平衡中和，其不再是位于该长方形转换器的重心。因此，进行试验来研究是否该固有的不平衡可能被改善，而不会丧失改善的模式。

图6a及6b所示为第二个范例，即一谐振元件形式中一非对称形状的转换器18，其具有一梯形的横截面。梯形的形状是由两个参数来控制，AR(长宽比)及TR(锥度比)。AR及TR决定一第三参数，λ，以满足一些限制，例如在该线两侧相等的重量。

相等重量(或相等面积)的限制等式如下：

{&Integral;}_{0}^{λ} (1 + 2 TR (\frac{1}{2} - ξ)) dξ = {&Integral;}_{λ}^{1} (1 + 2 TR (\frac{1}{2} - ξ)) dξ

上式可立即求解出TR或λ，做为依赖变数，而得到：

TR = \frac{1 - 2 λ}{2 λ (1 - λ)}

或

λ = \frac{1 + TR - \sqrt{1 + {TR}^{2}}}{2 TR} \approx \frac{1}{2} - \frac{TR}{4}

该等式可立即得到平衡的惯性力矩，或是使总和惯性力矩最小化。

对于相等惯性力矩(或相等的面积二次力矩)的限制式如下：

{&Integral;}_{0}^{λ} (1 + 2 TR (\frac{1}{2} - ξ)) {(λ - ξ)}^{2} dξ = {&Integral;}_{λ}^{1} (1 + 2 TR (\frac{1}{2} - ξ)) {(ξ - λ)}^{2} dξ

TR = \frac{(λ^{2} - λ + 1) (2 λ - 1)}{2 λ^{4} - {4 λ}^{3} + 2 λ - 1}

或

λ \approx \frac{1}{2} - \frac{TR}{8}

最小总和惯性力矩的限制式为

\frac{d}{dλ} ({&Integral;}_{0}^{1} (1 + 2 TR (\frac{1}{2} - ξ)) {(λ - ξ)}^{2} dξ) = 0

TR＝3-6λ或

λ \approx \frac{1}{2} - \frac{TR}{6}

一成本函数(“缺陷”量测值)是以AR在0.9到1.25的范围，TR在0.1到0.5的范围，而λ限于相等重量之下，执行40次FEA的结果所画出的。该结果列于下表，并绘制于图7，其所示为成本函数与AR及TR的关系。

tr	λ	0.9	0.95	1	1.05	1.1	1.15	1.2	1.25
tr	λ	0.9	0.95	1	1.05	1.1	1.15	1.2	1.25	0.1	47.51％	2.24％	2.16％	2.16％	2.24％	2.31％	2.19％	2.22％	2.34％
0.2	45.05％	1.59％	1.61％	1.56％	1.57％	1.50％	1.53％	1.66％	1.85％	0.1	47.51％	2.24％	2.16％	2.16％	2.24％	2.31％	2.19％	2.22％	2.34％
0.2	45.05％	1.59％	1.61％	1.56％	1.57％	1.50％	1.53％	1.66％	1.85％	0.3	42.66％	1.47％	1.30％	1.18％	1.21％	1.23％	1.29％	1.43％	1.59％
0.4	40.37％	1.32％	1.23％	1.24％	1.29％	1.25％	1.29％	1.38％	1.50％	0.3	42.66％	1.47％	1.30％	1.18％	1.21％	1.23％	1.29％	1.43％	1.59％
0.4	40.37％	1.32％	1.23％	1.24％	1.29％	1.25％	1.29％	1.38％	1.50％	0.5	38.20％	1.48％	1.44％	1.48％	1.54％	1.56％	1.58％	1.60％	1.76％

图7及表列结果显示出在AR＝1及TR＝3，λ大约在43％时，有一最佳化的形状(在图7中标示在点28)。因此一梯形转换器的好处在于该转换器可以沿着一附着线来安装，其位于其重心位置，但不是在对称线上。因此这种转换器将具有改善的模式分布，其不会具有惯性的不平衡。

因此，该最佳化的梯形转换器的模型可以应用到前述相同的面板模型，以便找出最佳的方向。因此，如前所述，该面板尺寸会设定在524.0mm乘462.0mm，而该面板材料可选择来使该面板尺寸最佳化。先前所使用的两种比较方法再次选择270°到300°做为最佳化的方向角。

另一种使得转换器的模式最佳化的方式是使用包括两个主动元件的转换器，例如两个重合的压电束。一束具有一组模式，由一基本模式开始，其由该束的几何形状及材料特性所定义。该模式可相当广地分布，并使用在谐振以上的转换器来限制一扬声器的保真度。因此，即选择一第二束，其具有与该第一束的模式分布在频率上交错的一模式分布。

通过交错该分布，该转换器的整体输出可以最佳化。最佳化的条件可选择来适用于目前的工作。例如，如果两个束转换器的通过带宽仅是最高到第二阶模式，其不敏感于最佳化该前10个模式的交错，因为此会影响前3或4个模式的最佳化。

考虑一范例中，第一压电双变体(bimorph)，长度36mm，宽度12mm，整体厚度350微米，其基本弯曲谐振约在960Hz。

在表1中表示该第一模式。

表1

编号	频率(Hz)
编号	频率(Hz)	1	957
2	2460	1	957
2	2460	3	5169
4	8530	3	5169

第一转换器安装在一小面板上，该频率响应则绘制于图8。在830Hz及3880Hz处有很强的输出38，其磁角40在1.6kHz及7.15kHz。该响应频率低于预期，可能是因为很难来准确地预估该压电材料的机械性质。

该响应具有过多地可使用的宽磁角，因为其有需要来在该磁角40附近的区域来加强该输出。因此，具有一互补频率组合的束，也就是产生一组具有峰值的频率响应，其中该第一转换器的磁角为理想化的。

一较短的压电元件将具有一较高的基本谐振。这种28mm长度的束的模式示于下表2：

表2

编号	频率(Hz)
编号	频率(Hz)	1	1584
2	4361	1	1584
2	4361	3	8531
4	14062	3	8531

该两个束可以结合来形成一双重束转换器42，如图9所示。该转换器42包括一第一压电束43，其背面通过一短棒48形式的连接装置与一第二压电束51连接，该短棒位于两个束的中心处。每个束皆为一双重模式。该第一束43包括两个不同压电材料的叠层44，46，该第二束51包括两个叠层50，52。每个压电材料叠层的支撑方向是由箭头49所示。每个叠层44，50皆具有在该双重模式中与其它叠层46，52的相反支撑方向(poling direction)。

该第一压电束44，46安装在一结构54之上，例如一弯曲波扬声器面板，其通过位于该第一束的中心处的一短棒56形式的耦合装置安装。该束可以使用在一DML面板的任一侧上，而可能是在不同的位置。

通过在其中心处安装该第一束，仅有该偶数阶的模式可产生输出。通过定位于该第一束之后的第二束，并通过一短棒中心耦合两束，其两者皆可视为来驱动相同轴向对准或重合的位置。

当元件结合在一起，该模式的分布结果并不是该分开频率组合的总和，因为每个元件皆修正了另一模式。在图10中的频率显示出一具有单一束60的转换器，及包括两个一起使用的束62的转换器之间的不同。该两个束的设计使得其个别的模式分布交错来改善该转换器的整体模式。该两个束加在一起来在所涉及的频率范围中产生一可使用的输出。局部狭窄的磁角的发生，是因为该压电束交错在其个别偶数阶模式处。

该第二束使用该两个束的基本谐振比例来选择。如果该材料及厚度是相同的，该频率比例即正好是长度比例的平方。如果该较高的f0(基本频率)是简单地位于另一较大的束的f0及f1之间的中间点，该较小束的f3及该较低束的f4为重合的。

图11a所示为两个束的成本函数相对于频率比例的关系图，其所示为理想比例为1.27∶1，也就是其中该成本函数在点58处最小化。此比例相等于WO 97/09482中所提出的“黄金”长宽比(f02∶f20的比例)。

该改善一转换器的模式的方法可通过使用在该转换器中三个压电束来扩展。图11b所示为该三个束的一成本函数相对于频率比例的关系图。该理想化的比例为1.315∶1.147∶1。

结合主动元件例如束的方法，可以扩展来使用压电碟片。使用两个碟片，该两个碟片的尺寸比例依据考虑的模式数量而定。对于高阶模式密度，约1.1±0.02比1的基本频率比例可以得到良好的结果。对于低阶模式密度(即该前几个或前5个模式)，一种约3.2∶1的基本频率比例即是良好的。该第一沟槽即位于该较大碟片的第二及第三模式之间。

因为在每个碟片的第一及第二半径模式之间有大沟槽，最佳地是以三个，而不是两个碟片来达到交错。当加入一第三碟片到该双重碟片转换器时，明显的第一目的是要插入该沟槽在先前范例的较大碟片的第二及第三模式之间。但是，几何级数显示此不是唯一的答案。在图11c中使用基本频率f0，α.f0及α².f0，及绘制均方根(α，α²)，其存在有两个α的主要最佳值。该值约为1.72及2.90，在该图中的两个最小值65，后者的值即对应于该明显沟槽填充方法。

通过使用f0，α.f0及β.f0，使得缩放率是自由的，并使用以上的α值做为种子值，其可得到稍微较佳的最佳值。该参数配对(α，β)为(1.63，3.03)及(3.20，8.19)。这些最佳值皆相当地浅，表示参数值的变化在10％或甚至20％，皆是可接受的。

另一种用来决定要结合的不同碟片的方式，是要将成本视为该三个碟片的半径比例的函数。图11d所示为FEA分析的结果，其绘出三个不同的成本函数相对于半径比例。在图11d中，该三个碟片是耦合在一起，虽然其可注意到分析隔离中的三个碟片会产生类似的结果。

该三个成本函数为RSCD(中心差异总和的比例)，SRCD(中心差异的比例总和)，及SCR(中心比例的总和)，其分别如线64，66及68所示。对于一组模式频率f₀，f₁，f₂，…f_N，这些函数定义如下：

RSCD(R sum CD)：

RSCD = \frac{\frac{1}{N - 1} Σ_{n = 1}^{N - 1} {(f_{n + 1} + f_{n - 1} - {2 f}_{n})}^{2}}{f_{0}}

CR：

SCR = \frac{1}{N - 1} Σ_{n = 1}^{N - 1} (\frac{f_{n + 1} \cdot f_{n - 1}}{{(f_{n})}^{2}})

SCRD(sum RCD)

SRCD = \frac{1}{N - 1} Σ_{n = 1}^{N - 1} {(\frac{f_{n + 1} + f_{n - 1} - {2 f}_{n}}{f_{n}})}^{2}

该最佳化半径比例，也就是使该成本函数最小化的比例，在图11d中所有的三条线皆为1.3。因为该半径比例的平方等于该频率比例，对于这些同样材料及厚度的碟片，1.3^*1.3＝1.69的结果，与解析解的1.67相当地符合。

另外或额外地，被动元件可以加入该转换器中来改善其整体模式。该主动及被动元件可以配置成一串链。图12a及12b所示为一多重碟片转换器70，其包括两个主动压电元件72，其堆叠有两个被动谐振元件74，例如薄的金属板，所以该主动及被动元件的模式是交错的。该元件是由短棒78形式的连接装置所连接，其位于每个主动及被动元件的中心。该元件配置成共心。每个元件具有不同的尺寸，而最小及最大的碟片即分别位于该堆叠的顶部及底部。该转换器70安装在一负载装置76之上，例如一面板，其由一短棒78形式的耦合装置安装，其位于最大碟片的第一被动装置的中心。

该改善转换器的模式的方法可以扩展到包括两个压电板形式的主动元件的转换器。两个板尺寸(1乘α)及(α乘α²)是耦合在点(3/7，4/9)处。图13所示为成本函数相对于长宽比(α)的图形，及α的最佳值75为1.14。因此该频率比例约为1.3∶1(1.14×1.14＝1.2996)。

此外，或做为另一选择的改变该转换器的模式特性，该物件如面板(其上安装该转换器)的参数可以改变来符合该转换器的模式。举例而言，考虑一转换器，其以一主动谐振元件的形式来安装于一面板上，图14及15所示为该频率响应分别如何随着该转换器的厚度及面板的厚度来改变。该主动元件的形式为一压电束。图14具有三个频率响应84，86，88，分别用于一177微米，一200微米及一150微米的束。图15具有三个频率响应90，92，94，其分别为1.1mm，0.8mm及1.5mm厚度的面板。

图14及15所示为一1.1mm面板的频率响应，其可符合一177微米厚度束的频率响应。因此，一1.1mm面板的模式可符合于一177微米束的模式。

虽然该转换器为模型的，其可对任何负载或面板阻抗来估计一主要力量及速率。在当该力量及该速率的乘积在最大值时的得到最大的机械功率。该转换器可以用来驱动任何负载，该最佳的负载数值可通过绘制该速率170，该力量172及该机械功率174相对于负载阻抗的图而发现到，即示于图16。当该负载阻抗大约为12Ns/m时，即发生最大功率176；对于一较低的负载阻抗，该速率可增加，而力量则降低，对于较高的负载阻抗，该速率将会降低，而力量则增加。

图17所示为加入小的质量104在该压电转换器106的末端处的结果，其具有如图18所示的耦合装置105。在图17中，其所示分别为没有质量的一转换器，一具有两个0.67g重量的束，及具有两个2g重量的转换器的频率响应108，110及112。一具有2g重量的束理想上可以匹配，因为该频率响应110在该中等范围(1kHz到5kHz)中的变化，要比无重量或0.67g重量的频率响应108，112要来得小。

在图19及20中，该转换器114为一惯性电动力移动线圈激发器，例如在WO 97/09842中所提出的，其具有一语音线圈而形成一模式平板118形式的一主动元件115及一被动谐振元件。该主动元件115安装在该模式板118上，并偏离该模式板的中心。该模式板118由一耦合器120安装在该面板116。该耦合器与该主动元件的轴Z相对准，但不是与垂直于该面板116平面的轴相对准。因此，该转换器并不重合于该垂直轴Z。该主动元件是通过电导线122而连接到一电信号输入。

如图20所示，该模式板118被穿透来由此降低该声音辐射。该主动元件位于该模式平板118的偏心位置，例如在该最佳安装位置，即(3/7，4/9)。再者，该转换器114偏心安装在该面板116，也例如在该最佳安装位置，即(3/7，4/9)。因此，该转换器114并未重合于任一个该垂直轴X，Y，其位于该面板116的平面上。

图21a及21b所示为一转换器124，其包括一主动压电谐振元件，其由一短棒形式的耦合装置126安装到一面板128。该转换器124及该面板128皆具有宽度对长度比例为1∶1.13。该耦合装置126并不对准于该转换器或该面板的任何一轴130，X，Y，Z。另外，该耦合装置的位置是为在相对于该转换器124及该面板128偏心而最佳的位置。

图22所示为一束形式的主动压电谐振元件的转换器132。该转换器132由短棒形式的两个耦合装置来耦合到一面板134。一短棒位于朝向该束的末端138，及另一短棒则位于朝向该束的中心。

图23所示为一转换器140，其包括两个谐振元件142，143，其由连接装置144所耦合，以及一外壳148，其包围了该连接装置144及该谐振元件142。因此该转换器则可防止振动及冲击。该外壳由一低机械阻抗橡胶，或类似的聚合物所制成，以不会阻碍该转换器工作。如果该聚合物为防水的，该转换器140可制成为防水的。

该上部谐振元件142大于该下部谐振元件143，其通过短棒形式的耦合装置来耦合于一面板145。该短棒即位于该较低谐振元件143的中心。每个主动元件的功率耦合150由该外壳扩展出来，以允许负载装置(未示出)有较佳的声音附着性。

图24所示为根据本发明施加一力量到一活塞式扬声器的隔膜的转换器152。该隔膜的形状为一圆锥154，其尖端即该转换器安装的地方。该圆锥154由一弹力终端158的一隔板156所支撑。

图25a及25b所示为一平板状主动谐振元件的形式的转换器160。该谐振元件是配合沟槽162的形式，其可定义出指部164，因此而形成一多重谐振系统。该谐振元件安装在一面板168之上，其通过一短棒166形式的耦合装置安装。

本发明可以视为一分散模式面板的倒数，例如WO 97/09842中所提出的，其中该转换器设计成一分散模式物件。再者，来自该转换器的力量即由一点取出，其通常作为该分散式模式驱动点(如最佳化位置(3/7，4/9)。

产业应用

因此本发明提供一具有改善的效能，及使用该装置的一扬声器或麦克风。

Claims

1.一种具有一所需要的工作频率范围的电子机械式力量转换器，其包括：一谐振元件，该元件具有在该工作频率范围中的频率模式分布；及在该谐振元件上的耦合装置，其用以将该转换器安装在力量施加的地方。

2.如权利要求1的转换器，其中该耦合装置附着于该谐振元件的位置利于该谐振元件在该位置的模式活动的耦合。

3.如权利要求1或2的转换器，其中该谐振元件为被动，而该转换器包括连接装置，用以将该谐振元件耦合到一主动转换器元件。

4.如权利要求3的转换器，其中该连接装置附着于该谐振元件的位置利于改善该谐振装置中的模式活动。

5.如权利要求3或4的转换器，其中该主动元件是由包括移动线圈、移动磁铁、压电、磁致伸缩、电致伸缩及永久极化电介体装置组成的群组中选取。

6.如权利要求3-5中任一项所述的转换器，其中该谐振元件为穿孔的。

7.如权利要求1或2的转换器，其中该谐振元件为主动的。

8.如前述任一权利要求的转换器，其中该谐振元件具有一声音孔洞，其为一小洞来调节来自其中的声音辐射。

9.如权利要求7或8的转换器，其中该主动元件是由包括压电、磁致伸缩、电致伸缩及永久极性电介体装置所组成的群组中选取。

10.如权利要求9的转换器，其中该主动元件为一预应力的压电装置。

11.如权利要求5，9和10中任一项的转换器，其中该主动元件为一压电装置，其安装在一板状的基板上，其中该基板的宽度至少为该压电装置宽度的两倍。

12.如前述任一权利要求的转换器，其中该谐振元件为沿着大致垂直的两轴的模型。

13.如前述任一权利要求的转换器，其中该耦合装置的尺寸相当于或小于在该工作频率范围中的波形的波长。

14.如前述任一权利要求的转换器，其中在该工作频率范围中，该耦合的谐振元件具有一模式密度，其可使该主动元件足以提供一有效的平均力量，而大致保持频率恒定。

15.如前述任一权利要求的转换器，其中该谐振元件的参数被选择来改善在该工作频率范围中的模式分布。

16.如权利要求15的转换器，其中该参数自包括长宽比、弯曲刚性的等向性、厚度及几何的等向性所组成的群组中选取出来。

17.如前述任一权利要求的转换器，其中该谐振元件为板状。

18.如权利要求17的转换器，其中该谐振元件形成有沟槽或不连续点，以形成一多重谐振系统。

19.如前述任一权利要求的转换器，其中该谐振元件或每个谐振元件通常为一束的形状。

20.如权利要求1-18中任一项的转换器，其中该谐振元件或每个谐振元件通常为一碟片的形状。

21.如权利要求17或19的转换器，其中该谐振元件通常为一长方形。

22.如权利要求1-18中任一项的转换器，其中该谐振元件为梯形。

23.如权利要求19或21的转换器，其中该谐振元件为弯曲出一平面。

24.如前述任一权利要求的转换器，其中，其包括多个谐振元件，每个皆具有一分布模式，该谐振元件的分布模式可以配置成在该工作频率范围中交错，以及连接装置，其用以将该谐振元件耦合在一起。

25.如引用权利要求19时的权利要求24的转换器，其中，包括两个束，其具有频率比例1.27∶1。

26.如引用权利要求19时的权利要求24的转换器，其中，其包括三个束，其具有频率比例1.315∶1.147∶1。

27.如引用权利要求20时的权利要求24的转换器，其中，其包括两个碟片，该两碟片具有频率比例1.1±0.02比1。

28.如引用权利要求20时的权利要求24的转换器，其中，其包括两个碟片，其具有频率比例3.2∶1。

29.如权利要求24的转换器，其中该多个谐振元件为碟片状，并包括至少三个这种碟片元件。

30.如权利要求29的转换器，其中该三个碟片元件具有一频率比例为3.03∶1.63∶1或8.19∶3.20∶1。

31.如前述任一权利要求的惯性电子机械力量转换器。

32.一种扬声器，其包括前述任一权利要求的一转换器及一声音辐射器，该转换器耦合于该声音辐射器来激发该声音辐射器产生一声音输出。

33.如权利要求32的扬声器，其中该耦合装置的参数被选择来控制在该工作频率范围中该谐振元件的模式分布。

34.如权利要求32或33的扬声器，其中该耦合装置是非对称地相对于该声音辐射器放置。

35.如权利要求32-34中任一项的扬声器，其中该耦合装置形成一附着线。

36.如权利要求35的扬声器，其中该附着线并未与该谐振元件的对称线相重合。

37.如权利要求35或36的扬声器，其中该附着线并不平行于该声音辐射器的一对称轴。

38.如权利要求32-37中任一项的扬声器，其中该谐振元件的形状被选择来供应一偏心的附着线，其通常位于该元件的重心。

39.如权利要求32-38中任一项的扬声器，其中该转换器的形状为梯形。

40.如权利要求32或33的扬声器，其中该耦合装置形成一小的局部区域或一个附着点。

41.如权利要求32-40中任一项的扬声器，其中该耦合装置位于离开该谐振元件的中心位置设置。

42.如权利要求41的扬声器，其中该耦合装置位于该谐振元件的一反节点。

43.如权利要求40-42中任一项的扬声器，其中该耦合装置在该谐振元件与该声音辐射器之间包括超过一个以上的耦合点。

44.如权利要求32-43中任一项的扬声器，其中该声音辐射器是在至少其工作频率范围的一部分内为所想要的活塞式。

45.如权利要求32-44中任一项的扬声器，其中该声音辐射器能够支持弯曲波振动，而该转换器激发在该声音辐射器中的弯曲波振动来产生一声音输出。

46.如权利要求45的扬声器，其中该声音辐射器支持谐振弯曲波模式，而该转换器激发该谐振弯曲波模式。

47.如权利要求46的扬声器，其中该声音辐射器的参数被选择来改善在该工作频率范围中该谐振元件的模式分布。

48.如权利要求46或47的扬声器，其中该声音辐射器的参数及该谐振元件的参数被共同选择来改善在该工作频率范围中该谐振元件的模式分布。

49.如权利要求32-48中任一项的扬声器，其中该谐振元件的区域相对于该声音辐射器的区域而言，是比较小的。

50一种制作包括一谐振声音辐射器及一如权利要求1-31中任一项的转换器的扬声器的方法，其包括以下步骤：分析该谐振元件及该声音辐射器的机械阻抗，选择及/或调整该辐射器及/或该元件的参数来达到该谐振元件及/或该辐射器所需要的模式，并达到在该元件与该辐射器之间所需要的功率传递。

51.一种制作包括一谐振声音辐射器及一如权利要求1-31中任一项的转换器的扬声器的方法，其包括以下步骤：分析及/或比较一给定模式致动声音系统的速率及力量变化，并选择速率及力量值的组合来达到一选择的功率传递。

52.一种麦克风，其包括能够支持声音输入的构件，及如权利要求1到31中任何一项的转换器，该转换器耦合于该构件来响应进入的声音能量而提供一电输出。