CN1552170A - 扬声器 - Google Patents

Abstract

一共振弯曲波扬声器，包括：一形式为梁的面板形状的声辐射器；一振动换能器，安装在所述梁上的一位置以施加一弯曲波能量，在辐射器中同时从所述辐射器的纵向及所述辐射器的横向激励低频模式；及安装所述辐射器上以允许纵向及横向激励低频模式的装置。另一方面，本发明为设计上述扬声器的方法，包括：通过从所述梁的物理参数获得所述梁中的共振模式的一模型而决定在所述梁上放置所述振动换能器的位置；使用所述模型计算作为频率函数的从所述换能器到所述梁的机械输入功率；计算所述机械输入功率的平滑度的值及选择平滑度值达到理想值的所述振动换能器的位置。

Description

扬声器

技术领域

本发明涉及面板扬声器，更特别地，涉及依靠生成弯曲波而产生一声学响应的扬声器。

背景技术

在国际专利申请案号WO 97/09842中说明了分布模式扬声器(Distributed mode loudspeakers；DML)，它依靠在一面板或平板中产生共振弯曲波模式。分布模式扬声器表现出宽的方向性，可以产生50Hz到20kHz的声学响应。WO 97/09842介绍了各向同性材料的纵横比(Lx/Ly)为1.13∶1及14∶1的面板或平板的优选实施例，其中所述各向同性材料可在所述扬声器的低频区域产生高密度模式。

根据特定方向的弯曲硬度或刚性(B)及相同方向的所述面板的长度并按照以下的公式1，可以表示沿着一矩形面板的其中一条正交轴的最低频率(f₀)(假定一厚度均匀的各向同性材料及一均匀的面板)。

${\left(f_0\right)}^2\∝\frac{B}{l^4}$ 公式(1)

其中 f₀：基本频率(Hz)

     B：弯曲硬度(Nm)

     l：面板的长度

公式1预测了在一面板或平板的两个方向上的基本或最低频率，当然，也可预测一特定面板的较高模态频率。所有平板或面板都表现出大量的弯曲模式，每个模式都在一特定的频率上工作并显示一相应的独特模式形状。出现所述模式的频率可以通过考虑系统的本征值，如系统的物理尺寸，面板的机械特性及边界条件来加以预测。

以根据WO 97/09842设计的一平板为例，表1表示了在自由-自由情况下一平板的模态频率，所述面板尺寸为150mm×131mm，由Euro CompositesS.A.公司制造的公知为声学88-2mm(Acoustic 88-2mm)材料制成(各向异性比为1.2)。Acoustic 88-2mm的特性请参照表2。

	0	1	2	3	4	5	6	7	8
										0	0	0	427	1177	2307	3813	5696	7955	10591
1	0	272	698	1434	2544	4036	5909	8161	10792
										2	510	752	1304	2101	3214	4694	6551	8789	11408
3	1407	1628	2220	3075	4213	5696	7545	9770	12374
										4	2758	2959	3540	4409	5555	7033	8868	11076	13661
5	4558	4747	5310	6172	7309	8772	10584	12765	15323
										6	6809	6989	7535	8382	9502	10942	12724	14870	17391
7	9511	9684	10215	11046	12147	13560	15309	17414	19891
										8	12662	12830	13350	14166	15248	16635	18349	20412	22841

表1：自由-自由情况下150mm×131mm平板的模态频率

面板指定	面板说明	区域重量(kgm-2)	在x方向的弯曲刚性Bx(Nm)	在y方向的弯曲刚性By(Nm)
					Acoustic88-2mm	浸渍纸皮包覆2mm厚蜂窝纸芯材料	0.403	3.42	2.84

表2：面板材料特性

根据用于说明在表1中使用的一特定模式形状的标记，所用的标记考虑到了一特定模式的节点线。一节点线为对特定频率没有位移的一部分模式。对于一特定模式形状的标记，相对所述面板的两正交轴，对与一特定轴相交的节点线的数量进行计数。

从表1中可以清楚地看到所述面板的频率响应将由所述面板两个方向上所产生的模式控制。例如，如果低于1kHz，便会激励以下模式：(1，1)、(2，0)、(0，2)、(2，1)、(1，2)。

在本系统中，两方向上的模式几乎同等程度地作用在频率小于1kHz时的“模态填充”或模式分布。通过纵横比或面板的其它物理参数，有可能设计出在低频下具有密集的模态结构，但也可通过激励装置在面板中产生(promote)所有这些模式。因此，激励力的位置对于决定激励哪个模式至关重要，激励器的位置安排最好可允许最多或所有要求的低频模式。

无论面板的纵横比如何，均可通过分析而预测一组模态频率。对于根据WO 97/09842设计的分布模式扬声器，会对一特定频率范围内的模态频率进行计算，并通过调整所述面板的纵横比，同时考虑面板的机械特性而实现这些频率的交错。一般而言，分布模式扬声器的高频性能不需要同等程度的模式交错，因为高频模式的数量远大于低频模式。因此，在一所涉及的范围内设计一面板的模态密度时，要考虑低频模态频率。

对于各向同性材料，WO 97/09842讨论了在多个优选中的两种纵横比(1.13∶1 & 1.41∶1)，并且可在低频条件下用于获取良好的模态分布。然而，如果面板在两方向x和y(称为Bx和By)上的硬度不同，很明显会影响所述模态频率。为了达到良好的模态分布，WO 97/09842中同样说明了对这样的材料应考虑的一组新的纵横比。

对于很多DML产品而言，空间限制及审美要求可能表示梁状高纵横比面板是有用的。例如，对于在电视机中的应用，电视机前方框架有限的可用空间表明需要使用细长的或高纵横比的面板，以达到最大频宽和模态密度。

随着纵横比的增加，系统中各模式间的关系与一简单的矩形平板相比在上频率方面会发生变化，所述分布倾向于由较长尺寸的模式来控制。表3显示了面板的模态频率，所述面板与表1中面板的面积相同，但纵横比为50∶1，且使用各向异性程度很高的材料，且材料中较硬方向被布置成与梁宽交叉。

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
												0	0	0	5	13	25	42	62	87	116	149	186
1	0	1681	3414	5065	6635	8189	9734	11274	12810	14343	15876
												2	82605	82676	82895	83243	83696	84262	84937	85718	86603	87589	88672

表3：自由-自由情况下990mm×20mm平板的模态频率，使较硬方向横跨梁宽。

在说明中已选择使用术语“扭转模式”表示那些未与长轴正交的交叉模式。

从表3可以清楚地看到(0，n)长度模式控制了低频性能。这就是WO00/78090中所说明的情形。(1，n)或扭转模式以1.68kHz的频率开始，同时作为正交、宽度或横向模式的(2，n)模式具有一最低频率82.6kHz。这些较后模式组中没有一个对所述梁的低频性能有帮助，因此对于决定合适的激励器位置不重要的。通过在一个方向的特别产生的模式，可产生一表现独特特征的声学装置。

发明内容

本发明提供一种共振弯曲波扬声器，包括一梁状面板形的声辐射器及一换能器，所述换能器置于所述辐射器上的能够在所述辐射器中同时以所述辐射器的纵向及所述辐射器的横向激励低频模式的位置，以及安装所述辐射器以容许在所述辐射器中纵向及横向激励低频的装置。

所述梁的纵横比至少为5∶1，并小于50∶1。

所述梁可以是在x及y方向的弯曲硬度比介于5∶1到1∶5间的各向异性材料。

所述梁的物理参数及换能器在所述梁上的位置，能使所述梁的纵向及横向的模式在频率方面交错，以产生一平滑的低频响应。

所述安装装置可约束所述梁的短边。所述安装装置可安装在所述梁上对所述辐射器的模态分布影响最小的区域中。

所述或每个振动换能器的驱动位置可包括图5到16中定义为“等级1”及“等级2”的区域。

所述安装装置可为相对侧的所述梁提供非对称边缘或边界条件。

所述安装装置可包括一柔顺性的带子/薄膜悬挂物或柔软的低模数的泡沫塑料的悬挂，所述悬挂使用在所述梁的长边，衰减所述低频模式以平滑所述频率响应。

所述梁具有的纵横比及机械特性使其机械阻抗作为频率的根的函数增加。

所述振动换能器可以是电动的，在低频下的机械阻抗可与激励器参数产生相互作用，从而产生一扬声器，所述扬声器在所述低频区域中的所述模式的频率可通过所述激励器的存在来改变。

本发明的另一方面为设计上述的共振弯曲波扬声器的方法，包括：通过从所述梁的物理参数获得所述梁中的共振模式的一模型，决定在所述梁上安装所述振动换能器的位置；使用所述模型计算从所述换能器到所述梁的机械输入功率作为频率函数；计算所述机械输入功率的平滑度的值以及选择具有一个理想值的平滑度值的所述振动换能器的位置。

所述机械输入功率的平滑度的值可以是所述输入功率偏离平均输入功率定值的均方差的值。所述定值可以是直线(即水平的)，其适合于排除任何趋势(如随着频率增加)的平均输入功率。因此，对于所述定值，没有频率的变化。当在所述梁上一个点上施加一定点力时，可计算出所述机械输入功率。

附图说明

通过示例的方式，由附图图示性地说明本发明，其中：

图1所示的是一梁状高纵横比分布模式面板的节点线图；

图2所示的是纵横比位于18∶1到50∶1范围内的面板的一四分之一驱动图；

图3所示的是纵横比位于12∶1到18∶1范围内的面板的一四分之一驱动图；

图4所示的是纵横比位于7∶1到12∶1范围内的面板的一四分之一驱动图；

图5所示的是纵横比位于5∶1到7∶1范围内的面板的一四分之一驱动图；

图6所示的是纵横比位于18∶1到50∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有简易支承短边及自由的长边；

图7所示的是纵横比位于12∶1到18∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有简易支承短边及自由的长边；

图8所示的是纵横比介于7∶1到12∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有简易支承短边及自由的长边；

图9所示的是纵横比介于5∶1到7∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有简易支承短边及自由的长边；

图10所示的是纵横比介于18∶1到50∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有夹紧的短边及自由的长边；

图11所示的是纵横比介于12∶1到18∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有夹紧的短边及自由的长边；

图12所示的是纵横比介于7∶1到12∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有夹紧的短边及自由的长边；

图13所示的是纵横比介于5∶1到7∶1范围内的面板的一四分之一驱动图，其具有夹紧的短边及自由的长边；

图14所示的是一测量的梁阻抗与理论梁阻抗的曲线图；

图15所示的是一关键的激励器参数与测量的梁阻抗的曲线图；

图16所示的是一模拟的轴上声压与频率的曲线图；

图17a所示的是一模拟的驱动点速度与频率的曲线图；

图17b所示的是一模拟的驱动点速度与频率的曲线图；

图18所示的是一显示不同激励器位置的面板图；

图19所示的是一驱动点速度与频率的曲线图；

图20所示的是扬声器的一第一实施例的平面图；

图21所示的是一图20的激励器处于两不同位置的扬声器的轴上声压曲线图；

图22所示的是扬声器的一第二实施例的平面图；

图23所示的是一图22的激励器处于两不同位置的扬声器的轴上声压曲线图；

图24所示的是扬声器的一第三实施例的平面图；

图25所示的是在两不同条件下图24的扬声器的轴上声压曲线图；

图26所示的是扬声器的一第四实施例的平面图；

图27所示的是在两不同位置的图24的扬声器的一轴上声压曲线图；

图28所示的是一显示屏或监视器的正面图，在所述屏的相对侧具有梁状面板扬声器；

图29所示的是图28的实施例的一扬声器面板的背面图；

图30所示的是空间平均声压位与图28及29的一扬声器频率的曲线图，以及

图31所示的是增加了低音扬声器的图28到30的一扬声器的响应曲线图。

具体实施方式

本发明应用在很多可用作分布模式扬声器的高纵横比面板中。使用此类高纵横比设计一扬声器时，需要考虑所述梁的几个特征。本发明具有以下的三个方面，每个方面都会依次说明：

1.由激励器位置及纵横比激励梁模式

2.悬挂物对梁的声学性能的影响

3.激励器与梁间的相互作用

根据这些特征的一般说明，下面将考虑多个显示这些特征的实施例。

1.由激励器位置及纵横比激励梁模式

本发明的一要素是使用激励器及悬挂位置控制一高纵横比扬声器系统的声学输出。对于一纵横比大约为12∶1的各向同性面板，所述模态频率显示于表4中：

模式编号	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
													0	0	0	40	110	216	357	534	745	992	1275	1592	1945
1	0	273	555	829	1097	1375	1666	1974	2302	2652	3027	3428
													2	5473	5501	5588	5723	5897	6112	6365	6655	6981	7341	7734	8160

模式编号	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
												0	2333	2757	3216	3710	4239	4804	5404	6039	6709	7415	8156
1	3856	4314	4802	5321	5871	6453	7068	7717	8399	9114	9864
												2	8618	9108	9630	10183	10768	11384	12033	12712	13424	14169	14945

表4：自由-自由情况下Acoustic 88-2mm做成的490mm×40mm平板的模态频率

从图4可以清楚地看到大多数低频模式为所述(0，n)及(1，n)组频率。因此，使这两组模式交错以在所述系统低频下获得最佳模态密度是重要的。所述第一(2，n)正交，横向模式发生在5.5kHz处，因此与为产生低频模式放置所述激励器无关。

为了激励所述梁中有用的模态频率(0，n)及(1，n)，相应地放置所述激励器是重要的。对于(1，2)模式，图1中显示了基本模式形状，包括平行于较短梁尺寸并沿着所述梁位置在三分之一及三分之二的节点线A以及沿着所述梁的长轴延伸的节点线B。为了在一高纵横比面板中支持所述特定模式，所述激励器应远离所述节点线。以上显示的所述节点线B对于所述面板中所有的(1，n)模式是共用的，因此所述激励器应远离所述节点线，放置在如A处以支持这些模式。所述(0，n)组的模式的节点线都平行于所述较短尺寸，布置所述激励器时也应将这些节点线考虑进去。

因此，作为一般的规律，对于任何纵横比介于5∶1到大约50∶1间的面板，应激励所述(1，n)并使其与(0，n)模式交错以产生最佳模态密度并因此产生所述系统的最平滑低频响应。所述激励器的优选位置不同于在WO 97/09842指定的范例，如4/9，3/7等。本发明适用很多材料类型。在低频下使用这些扭转交叉模式以与所述(0，n)长度模式交错也不同于已有技术的方法。

当纵横比增加时，所述优选激励器位置倾向于放置在更加远离纵轴处。

对于任何系统，可以根据一特定的频率范围上的面板的物理尺寸、边界条件及机械特性计算所述面板或梁的输入功率。通过在模态频率上使用统计分析，能够产生一驱动图(类似于节点线图)，为能够给出所述驱动点位置的图。这些图可称为“平滑度”驱动图。

总之，决定所述激励器在所述面板上的位置的方法为以激励器的位置为对象的性能系统评估。详细地，建立所述系统的一分析模型，作为所述高纵横比面板的自然模式的重叠，这根据所述面板的几何形状及其组成而完成。然后所述模型用于当在一个点上施加一定点力时，计算作为频率函数的机械输入功率。然后，根据一适于所述作为频率函数的输入功率的直线的均方差计算一用于得出该函数的平滑度值的最佳函数。然后根据作为频率函数的最佳的输入功率的平滑度找出最佳驱动点。

以上出现的驱动图表示上述优化过程的结果，根据纵横比的范围分组。在所述图中的概述的区域已显示为平滑度增加的3区域，所述平滑度通常为整个纵横比范围的性能特征。

此处，其被分成三个分别的等级，如表5所示。图2到5显示了一组驱动图，其中已指定这些区域的纵横比。每个等级对特定系统给出的交错等级的相对程度。这些驱动图，并不按比例，因为对于所述面板的两正交轴的边界条件相互对称，所以只显示了所述面板的四分之一。

等级	说明
		1	高度模式交错
2	中级交错
		3	低级交错

表5：放置激励器的面板区域的最佳等级

对于某些应用，因为设计者可能会选择所述梁中特定模式激励的较大的控制，所述“等级1”交错位置可能不相关。注意到高度交错的目标与支持所述梁中可能最低的频率不同非常重要的。对于某些应用，这可能是更重要的要求，并且设计者可能会选择一些使交错及频宽达到某种平衡的参数。

如以上提及的，大多数扬声器的系统需要对面板提供某种形式的机械支承，因此所述面板的框架是固定的并且是稳定的。确保面板中的振动或模式没有大量地传播到所述框架从而引起不必要的振动及声音也是重要的。软泡沫塑料或高柔顺性材料经常用于此目的，因为其能够有效地吸收这些振动，并且不会增加所述扬声器系统的更多质量的或额外的硬度。但是有用的是，考虑悬挂及其位置的影响以确保对所述面板的模态分布上的影响是很好的甚至是有利。用于定位一激励器的最佳位置的驱动图也可用于协助找出一合适的悬挂或安装材料的位置。较好的支承位置在涉及的特定频率范围的节点线处。因此，对于所有的驱动图(图2到5)，等级3区域是悬挂或安装的优选位置，用于控制与所述系统的模态频率的相互作用。

在本部分内，多个驱动图将视为对很多纵横比都是有效的。显而易见，纵横比对最佳驱动位置具有重大影响，因此产生了多个通用的驱动图，其包括从5∶1到35∶1的纵横比。应指出，这些驱动图上的区域可以有±10％的容许误差以协调所述激励器。这是因为这些驱动图应用于纵横比的范围，如部分1中讨论，所述面板的各向异性比会对所述面板中的模式及最佳激励器位置产生重大的影响。因此，显示驱动图时考虑各向异性是重要的。对于在所述部分中所有的驱动图(图2到5)，其在两个方向中的任意一个上的各向异性都高达7∶1。

在一特定面板中，设计者会根据选择的参数分析一特定的驱动图。

图2显示了这些通用驱动图其中的一个，其中纵横比范围为18∶1到50∶1的自由-自由面板的区域已如表5那样分开，由Acoustic 88-2mm制成，并符合自由-自由边缘条件。图2只使用面板的四分之一，因为这足以显示在所有的边上都具有相同边界条件的梁的结果。如先所述，可以清楚地看出良好的位置(等级1)朝向所述面板的长边，也朝向短边。实际上，因为邻近短边的区域是一适合限定尺寸的激励器的狭窄区域，较难驱动。因此，优选地是，邻近所述长边的较大区域用于最实际的解决方案。

现在也考虑很多不同纵横比范围的情况：

图3显示了一自由-自由条件下，面板纵横比范围为12∶1≥AR＜18∶1的通用驱动图，其中显示了多个不同的最佳驱动位置。与图2一样，邻近所述短边的等级1区域不是一实际的解决方案。存在两分离的“等级1”区域并显示一延伸的“等级3”区域。

图4显示了在自由-自由条件下，面板纵横比为7∶1≥AR＜12∶1的面板的另一驱动图，其显示了很多与图3相似之处。与图3相比，“等级1”区域延伸穿过所述面板的一较大区段，但是也有一较大的“等级3”区域。

图5显示所示的是一自由-自由条件下，面板纵横比范围为5∶1≥AR＜7∶1的面板的驱动图。与较高纵横比相比，所述面板的长边的中点变得没用(从等级1降级到等级2).

对于所有的驱动图(图2到5)，一共同的特征是所述梁的长边的中心轴不是一最佳驱动位置(即“等级1”)，并且优选的悬挂位置朝向所述长边的端部。最佳或“等级1”驱动位置倾向于朝向所述梁的长边。这支持这样的事实，即在低频下优化模式交错时需要考虑(1，n)模式。

2.悬挂对梁声学性能的影响

在部分1中介绍了使用驱动图定位所述激励器及悬挂的位置从而优化一自由面板的有效模态密度。但是，在实际中，大多数使用极高纵横比面板的应用会涉及支承所述面板的边界条件及一挡板，所述挡板隔离面板前方辐射与后方辐射，即消除抵消问题及连带的低频衰减。

因此，在本部分中，包含边界条件对机械特性(模态频率)及声学性能产生的某些影响。首先广泛地说明各种边界条件及其对给出的面板机械/声学特性的影响。

自由边边界条件

自由边缘条件是没有在边缘上施加任何力并且没有连接到任何形式的支承。此条件可产生一特定面板的最低组模式，但因为需要分离前方及后方辐射及需要支承所述面板，如前所述没有实际的可能。

夹紧的边界条件

夹紧的边缘条件为那些在任何方向都没有出现梁的位移或旋转的情况。实际上，一真实夹紧的边缘条件很难达到，尤其是在高频下。通过固定边，激励振动区域限于所述面板的中心区域。

简易支承边界条件

此边缘条件为除旋转外没有其它运动。在实际中，所述边界条件同样难以产生，因为任何在面板边缘的旋转通常伴有所述面板的正交位移。柔顺性悬挂边缘条件/复合阻抗边缘端

厚度小于100微米及杨氏模数(Young′s modulus)小于4GPa的柔顺性薄膜或带子可用于在面板周围支承面板。此类边缘端的影响介于自由-自由边缘条件及简易支承边缘条件间。与自由-自由条件的模态频率相比，此端将较低模态频率偏移到较高频率。在以后的部分中会说明使用此边缘端方法的一实施例。

不同的边缘条件对梁的影响

短边缘条件

纵横比大于5∶1的梁的大多数的面板模式都平行于长边。对于所述梁中的(0，n)模式，短端的边缘条件不会有重大的影响，但是对于(1，n)模态频率的百分比改变会较大。但是，所述两组模式的交错对于低频性能是重要的。

显而易见，通过简易支承或夹紧所述梁的短端，所述驱动图与自由-自由情况相比会改变。图6到9显示了对于前一部分详细说明的相同的纵横比范围，长边保持自由，而短边得到简单支承的情况。图10到13显示了关于很多纵横比的长边自由而短边夹紧的情况。

对于所有图6到13显示的驱动图，会有一个区域，它直接邻近所述夹紧或简易支承的边，由于它邻近一固定的边，所以很清楚，不适合作为一驱动位置。比较图6到13中显示的夹紧的或简易支承边界条件的相同纵横比范围，可以清楚地看到某些共同的特征。

对一梁使用不对称边缘条件也可用于改变一高纵横比扬声器的声学性能。通过使用不同的边缘条件，可建立一非对称模态系统。由此而得到的所述系统的驱动图也会显示一非对称图样。从具有相同的纵横比范围但短边分别具有自由，简易支承及夹紧边缘条件的图2、3、6及10中可以清楚地看到与长边平行的中心轴不是一等级1区域。不过，如果将一柔顺性边缘端应用在所述系统的一侧，所述驱动图的非对称性会导致此时所述中心轴变成所述扬声器的一改良的驱动点。必须配置所述面板的两个相反侧的特性，从而解决模态分布的位移或影响低频性能。

长边缘条件

沿着所述梁的长边的简易支承或夹紧的边都会对模式频率产生有害的影响。所述模式会偏移到较高频率，从而导致对低频性能的限制。不过，一非常柔软的泡沫塑料悬挂或一柔顺性的胶带/薄膜都容许长边处有一定的位移，并能沿着长边应用到一梁上，而不会严重危害所述扬声器的频宽。如前所述，这也有助于使后方辐射与前方辐射隔离。

在以下的实施例中，会考虑在一高纵横比面板上使用一柔顺性边缘条件的实施例。

在边缘吸收的能量

一梁的边缘端具有巨大的能量吸收能力，这也可用于影响一系统的模态或模态密度。放置于一梁周围的软泡沫塑料或柔顺性带/薄膜可用于吸收一特定频率的能量从而响应所述边界的反射能量。这些形式的边缘端具有一相关的硬度、质量及阻尼(阻力)，都会影响所述系统的模态频率，这可通过对边缘的机械阻抗的分析而模型化。

梁的机械阻抗

因此对一细梁的复合机械阻抗定义为(“结构声音(Structure-BomeSound)”，“Kramer，Heckl及Ungar”第317页，)：

         Z_m＝2m′c_B(1+j)                            (11)

其中  m′为梁的每个单元长度的质量(kgm^-1)

      C_B为弯曲波速度(ms^-1)

因此所述机械阻抗的模数是

$\left|Z_m\right|=2\sqrt{2}{m}^{\′}{c}_B-----\left(12\right)$

从公式(11)及(12)可以看出一梁的机械阻抗会作为ofω的方根的函数而上升。这影响所述激励器在其驱动点所受到的阻抗。

为了分析当一激励器安装在梁上时的相关的激励器/梁参数，考虑一特定的具有一NEC 13mm电动激励器的Acoustic 88-2mm(在纸蜂窝外覆以纸皮面)的梁(600mm×33mm)的范例。图14所示的是测量的阻抗(dB)与频率(Hz)的对比。

从图14可以清楚地看到，在低频下所述激励器会受到比高频下小的阻抗。为了分析所述激励器参数对由此而产生的声学响应的影响，如图15所示，直接在图14上标绘某些基本的激励器参数。

图15显示了所述梁的测量的机械阻抗，其与用一条线表示的理论分析结果相比非常好。平板Zm标绘为一常数，测量值在高频下趋向于所述限制。但是，值得注意的是，由于所述激励器的音圈对局部变硬的影响而使测量的梁Zm大于理论的平板Zm。这会令如图15所示的测量的Zm增加。

激励器柔顺性，Cms

图15中也标绘了所述激励器的柔顺性(激励器的悬挂)。其梯度与低频下机械阻抗的测量倾斜相一致。

图16显示了对于对图15所示的梁-激励器结合体改变激励器相对于轴上声压的柔顺性而产生影响的模拟。对于梁中开始的四个模式，改变所述激励器悬挂柔顺性会对模态频率及振幅产生较大影响。增加所述激励器柔顺性，即，使其比较软，已经导致模式的向下偏移，使其频率衰减，但增加其振幅。相反地，降低所述激励器悬挂柔顺性会导致振幅降低及模态频率增加。通过调整柔顺性而改变模态频率的影响对于从50Hz到大约300Hz的频率范围有效。从图16可以清楚地看到随着梁阻抗增加在较高频率处所述悬挂柔顺性变得不那么显著。

图17a及17b分别显示了相同的试验方案，不过此次是分别测量10-100Hz及100Hz-1kHz间的所述激励器的驱动点速度。这反映了与图16中相同的趋势。激励器柔顺性的改变会对低于500Hz的模态频率产生重大的影响。

激励器悬挂质量，Mms

所述激励器的质量会决定所述系统的频率响应开始“衰减”的频率。对于相同的面板区域，一梁的频率衰减比一具有相同区域的面板的低。

激励器位置

将一激励器放置于一简单的平板时，所述两元件可看作是离散的，运两者的相互作用对所述模态频率的影响最小。不过，对于一梁，在低频时的较低机械阻抗会增加与低频模式的相互作用。图18所示的是沿着所述梁的长度具有很多不同的激励器位置的梁B的图。图19所示的是在其中三个位置的驱动点测量的速度。显而易见，所述激励器的位置对所述梁中低频模式有影响。

总之，图15表示低频时的激励器参数对一梁的机械性能的影响比一平板的机械性能的影响大。

示例

为了解说本发明的原理，现在考虑很多表现本发明的特征的特定实施例。以下的图显示了这些实施例的设计/方案及其声学响应。

实施例1

图20表示扬声器40的第一实施例，体现使用所述驱动图决定所述面板的低频模式交错的最佳激励器位置的优点。

一梁状面板41，由Acoustic 88-2mm制成，具有与较长边相平行的材料的较硬方向，尺寸为490mm×40mm(纵横比为12.25∶1)，通过将所述面板的末端粘接到一刚性框架42而对所述短端进行简易支承。通过一单条状的柔顺自粘性PVC坚固地粘接到所述框架及所述面板材料自身而支承所述梁的长边。在位置BA及BI中的一个位置上，将一单动圈振动激励器粘接到所述面板上，其中所述激励器的后端，即其磁体组件，坚实地连接到固定在所述框架42上的铝部件(未显示)上。

根据图3中显示的驱动图选择所述激励器位置。如图3所示，位置BI位于等级2区域，而位置BA位于等级1区域。图21显示了所述扬声器在所述两激励器区域的声学输出。对于位置BA的声输入在150Hz到2kHz间较平滑，因为用于位置BI的声学输出，在接近200Hz处没有吸出。虽然位置BA的模态平滑度改良了，但是BI的低频限制较低。如前所述，这是根据模态密度或平滑度而不是频宽来放置所述激励器的结果。设计者可对这些因素作一较佳的平衡。

实施例2

图22所示的是扬声器40的第二优选实施例，体现使用所述驱动图决定所述面板的低频模式交错的良好激励器位置的优点。

一梁状面板41，由Acoustic 88-2mm制成，具有与较长边相平行的材料的较硬方向，尺寸为600mm×33mm(纵横比为18.2∶1)，具有所有的边缘为自由条件下的构造于尺寸为800mm×800mm的挡板43。所述梁的前表面与所述挡板的前表面“齐平”放置。在所述梁的整个周边区域，所述面板边及所述挡板间保持1mm的间隙。一单动圈振动激励器在如图22所示的位置AD及AI中的一个位置上粘接到所述面板，其中所述激励器的后端，即其磁体组件，连接到固定在所述挡板43上的一铝部件上，未被显示。根据图2的驱动图选择所述激励器位置。图2的位置AD显示了激励器位置位于等级1区域内，而图2中的位置AI位于等级2区域内。所述驱动图是关于在自由-自由条件下所述特定纵横比的面板。

对所述扬声器方案，在半无回声条件下实现所述轴上声压，图23中显示了测量值。与位置AI的声学响应相比，位置AD的声学响应从150Hz到2kHz是平滑的。两面板的低频限制非常相似。

实施例3

图24表现扬声器40的第三实施例，其中体现使用所述驱动图定位所述悬挂位置以使其对低频下的模态分布的影响减到最小的优点。

所述实施例包括一Acoustic 88-2mm的梁41(尺寸为490mm×40mm)，所有的边都处于自由条件下。两片PVC的柔顺泡沫塑料44(尺寸为10mm×5mm×5mm)位于所述梁的同一端作为激励器，这些泡沫塑料悬挂的位置来自驱动图(图6)，因此所述悬挂位于所述面板上的等级3区域中。这样，悬挂对所述系统的低频模式的影响会减到最小。一个19mm的电动激励器位于AD，测量具有及不具有泡沫塑料悬挂的系统的轴上声压。所述泡沫塑料悬挂粘接到刚性支承框架42上，所述激励器也连接到所述刚性支承框架。图25中显示了具有及不具有泡沫塑料悬挂的声学测量值。

对于自由的情况，将激励器位于位置AD(等级1区域)，所述声学响应在200Hz到2kHz间是平滑的，如所希望的一样。系统安装泡沫塑料悬挂垫并不会大幅改变此频率范围间的模态分布。只有在自由条件下产生在110Hz的低频模式的频率才变高，因此其与下一模式可以较近地进行交错。因此，在这种情况下，通过遵照所述驱动图提供的指导安装泡沫塑料悬挂不会对频率响应产生不利影响。

实施例4

图26是扬声器40的第四实施例，体现一在梁状面板41周围放置了一连续边缘端45的系统的声学特性。

本实施例显示了使用一柔顺边缘端45对一高纵横比面板的声学响应产生的影响。在这种情况下，建立使用直径为25mm的电动激励器46驱动的纵横比为12.25∶1(490mm×40mm)的面板，并使所有的边为自由的。使用图6中的驱动图考虑将激励器放置在等级2位置。如前所述，所述系统建立在尺寸为800mm×800mm的挡板43上，所述面板前端与所述挡板表面齐平。与以前一样，所述激励器刚性地连接到所述框架42。

测量所述系统的轴上声压并显示于图27中。接近2kHz处的吸出是一绕射效果，并且部分是由于由前到后的抵消。如果所述激励器已放置于面板表面上的等级1区域而不是等级2区域，所述频率响应便不会是那么密集的模态。这导致低频下模态的低密度。

然后通过增加一柔顺边缘端而修正所述系统。这包括一50微米厚的热塑性薄膜，其通过所述面板周围一25微米厚的自粘性胶带而粘接到所述面板及挡板。薄膜的密度大约为110kgm^-3，所述拉伸扬氏模数大约为0.2-0.3Gpa。在薄膜上不施加张力，因此所述面板边缘能够位移。

图27显示了所述边缘端对所述系统的声学响应的影响。所述高频响应没有受到很大的影响但在低频下改变的程度最大。由100Hz到1kHz，随着在低频下最大变化的程度，所述输出也被增加。在低频下所述面板的单独模式已变宽，因此现在所述频率响应显得更平滑。附加所述悬挂材料给已扩大这些模态频率的所述系统增加了一定程度的阻尼。

图28到31表示一极高纵横比面板扬声器40的实际实施例，作为一平面监视器或显示屏47，其可能是一框架或机箱48中的液晶显示器(LCD)的附带扬声器。从美学的角度而言，此应用的要求使高纵横比解决方案比低纵横比分布模式扬声器或传统的圆锥形扬声器优越。

扬声器规格如下：

面板尺寸：298mm×34mm×2mm

面板材料：Honipan HHM-RTY-2mm-即随机纺丝聚乙烯(Tyvek(TM)

          覆在PMI(polymethylacrylimide)泡沫塑料(Rohacell(TM))

          核芯板上

面板特性 弯曲硬度(B)＝0.40Nm

                  区域密度(  )＝0.33kgm^-3

激励器：          19mm，额定值8Ω，Tianle.

面板安装泡沫塑料：厚5mm的PVC软泡沫塑料双面带(Miers 101A)，-双面

                  为聚丙烯胶层(Tessa(TM))的双面胶带

激励器连接：      通过具有2×层0.8mm密封微孔聚乙烯泡沫塑料的双面

                  胶带(MACTAC(TM))将磁杯连接到底盘

激励器/面板粘接： 3M双面粘合剂胶装盘。外直径：30mm，内直

                  径：20mm(3M-9473粘合剂，即双面聚丙烯粘胶)

激励器位置：      从后方观察，相对于较低的左侧角落12mm、124mm。

图29是一平面显示屏47的总的视图，在相对的两个面上具有梁状面板形式的扬声器40。图29从后方显示了所述扬声器面板41，同时指示了所述激励器的位置49及所述悬挂区域44的位置。

悬挂位置的选择由两个参数决定。首先所述面板每端的两个32mm长的泡沫塑料支承44被布置在所述区域的节点线的附近，以在大多数频率范围内提供一相对自由面板的好的近似。因此容许使用自由边界条件下产生的驱动图。其次，选择沿着所述面板每个长边的悬挂以控制所述面板的低频偏移。这也具有使所述面板静态结构稳定的优点，同时增加所述装置的稳定性。

所述面板安装于一框架中(未显示)以被安装到所述LCD监视器47的机箱48中。带有所述面板的所述框架的外罩为后方半开型。这产生良好的低频性能，防止某种低频性能的陡然衰减，而这种情况在使用全封闭扬声器单元时就可能会出现。

扬声器的性能显示于图30中，其显示了在1S输入驱动时所述监视器屏幕47的空间平均声压水平0.5m。轨迹线已平滑地进入到第三个八度。

两卫星扬声器40产生的声压水平(sound pressure level；SPL)可由单一低音扬声器(未显示)增大以提供低频输出。这可结合激励等同的两个高纵横比面板输出与所述低音扬声器的交叉。图31显示了达到的最终频率响应，表明平滑度及高品质的最终结果。数据已在第三个八度上的平滑处理，并表现出与一任意的dB参考等级相关。

所述实施例的关键特征包括：

高纵横比面板1∶8.8

激励器离开对称中心轴放置以同时激励(0，n)及(1，n)模式。

自由边界条件

如图4(7∶1＞AR＞12∶1)所示，放置在等级1区域的附近的激励器给出了所述应用的机械限制，其受所用的激励器的尺寸限制。所述激励器的位置对应于0.17Lx、0.71Ly，在驱动图中使用了相同的定位规则。额外的泡沫塑料支承控制低频偏移，并提供结构的稳定性。

Claims (13)

1.一种共振弯曲波扬声器，包括：一形式为梁的面板形状的声辐射器；一振动换能器，安装在所述梁上的一位置以施加一弯曲波能量，在辐射器中同时从所述辐射器的纵向及所述辐射器的横向激励低频模式；及安装所述辐射器上以允许纵向及横向低频模式的激励装置。

2.如权利要求1所述的扬声器，其中所述梁的纵横比至少为5∶1，并小于50∶1。

3.如权利要求1或2所述的扬声器，其中所述梁由在x及y方向的弯曲硬度比介于5∶1到1∶5间的各向异性材料制成。

4.如权利要求1到3中的任意一项所述的扬声器，其中所述梁的物理参数及所述梁上换能器的位置设置成使所述梁中的纵向及横向模式在频率上交错，从而产生一平滑的低频响应。

5.如上述任一项权利要求所述的扬声器，其中所述安装装置约束所述梁的短边。

6.如上述任一项权利要求所述的扬声器，其中所述安装装置被安装到所述梁上的对所述辐射器的模态分布影响最小的区域中。

7.如上述任一项权利要求所述的扬声器，其中所述安装装置为所述梁的相对的边提供非对称的边缘或边界条件。

8.如上述任一项权利要求所述的扬声器，其中所述安装装置包括一柔顺性带或薄膜或一低模数软泡沫沫塑料的悬挂，所述悬挂使用在所述梁的长边，衰减所述低频模式以平滑所述频率响应。

9.如上述任一项权利要求所述的扬声器，其中所述振动换能器是电动的，且其中所述梁在低频下的机械阻抗与激励器参数产生交互作用，从而建立一这样的扬声器，即所述低频区域中的模式的频率可通过所述激励器的存在来改变。

10.设计一如上述任一项权利要求所述的共振弯曲波扬声器的方法，包括：通过从所述梁的物理参数获得所述梁中的共振模式的一模型而决定在所述梁上放置所述振动换能器的位置；使用所述模型计算作为频率函数的从所述换能器到所述梁的机械输入功率；计算所述机械输入功率的平滑度的值及选择平滑度值达到理想值的所述振动换能器的位置。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述机械输入功率的平滑度的值就是所述输入功率偏离一平均输入功率定值的均方差。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中当在所述梁上一个点上施加一定点力时，计算出所述机械输入功率。

13.如权利要求10到12中任一项所述的方法，其中选择优化平滑度值的所述振动换能器的位置。

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