CN1839659A - 机电力换能器 - Google Patents
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Abstract
一种机电力换能器，其包括：多个共振元件；低刚度构件，其耦接于至少两个相邻共振元件的相邻表面之间；及短柱构件，其支撑所述共振元件，且将所述换能器耦接至力将施加的位置处。一种机电力换能器，其包括：板状共振元件，所述元件在所述换能器的工作频率范围内具有频率分布模式；及短柱构件，其将该换能器耦接至力将施加的位置处，且支撑及设置所述共振元件而使整体非弯曲模式被引入该共振元件。
Description
技术领域
本发明涉及机电力换能器、致动器、激发器及类似装置，更特别但不限定地涉及声音装置中所使用的这类元件，例如扬声器及麦克风。
背景技术
本发明特别但不限定地涉及授予本申请人的国际专利申请案WO01/54450中所说明的这类机电力换能器，其中包括在该换能器的工作频率范围内具有频率分布模式(a frequence distribution of modes)的一或多个共振元件或梁。这类换能器称作“分布模式致动器”或简称DMA。
发明内容
本发明目的是提供一种换能器，其阻尼会造成模式的Q值降低并且减少模式间的剧烈抵消，以此获得增加的声压平滑性。
本发明另一目的是增大换能器的坚固性，例如在摔落或碰撞测试期间降低故障机会。
本发明另一目的是降低一个致动器或换能器(例如DMA换能器)的第一共振模式频率。
一方面，本发明公开一种换能器，其中一低刚度层插于多个共振元件的相邻表面之间且与其接合。我们已经发现当元件表面改变尺寸以及该阻尼层随元件伸展时，简单地增加一阻尼层至共振元件或梁的一个表面将获得不良的阻尼性能。然而，在该阻尼层的另一侧使用一高度抗尺寸变化的挠性参考层(例如箔片)会获得阻尼的改良，因为这种情况下阻尼层在变化元件表面尺寸及非伸展箔片间受到剪力(shear)。如果参考层能在阻尼表面相反的一面改变尺寸，阻尼效应将加倍。此效应是通过将该阻尼层粘着于相邻元件面之间得到。
本发明另一方面是一DMA换能器，其中不同平面的DMA模式被引入该音频频带中。
附图说明
本发明利用附图范例概略加以说明，其中：
图1是本发明机电力换能器的第一实施例的侧视图；
图2a是一机电力换能器的部分侧视图；
图2b是本发明机电力换能器的第一实施例的侧视图；
图3是比较一单梁换能器及图1所述的换能器的阻断力的曲线图；
图4是比较一未阻尼双梁DMA、一1/2阻尼DMA(即利用共振元件间所接合的阻尼材料覆盖该共振元件长度的一半)及一完全阻尼双梁的DMA换能器；
图5是一单梁致动器的侧视图；
图6是本发明机电力换能器的第二实施例的侧视图；
图7是比较不同条件下的阻断力的曲线图；
图8a是比较不同条件下的声压力的曲线图；
图8b是图6中所示换能器安装在板壁(panel)边缘的透视图；及
图9是比较在不同的挠性短柱情况下的阻断力的曲线图。
具体实施方式
图1表示WO01/54450公开的双梁换能器，其内容与本申请案结合。换能器1包括第一压电梁2，在其背面通过位于接近该双梁中心位置且具有刚性短柱(stub)4形式的连接装置安装第二压电梁3。各梁是一双压电晶片。
通过位于接近该第一梁中心位置且具有刚性短柱6形式的耦接装置，将换能器1安装在构件5，例如一弯曲波扬声器板壁，例如，一分布模式扬声器(DML)。
在本发明中，一泡沫塑料制成的低刚度层接合于所述梁2、3的相邻表面之间。该接合层可大致覆盖整个相邻的表面或是非连续性，例如，以阻尼特定模式。
下文陈述一种适合的泡沫阻尼材料的一些参数：
“Poron”慢回弹的泡沫聚氨脂塑料。
型号：4790-92-25041-04S
厚度：1.05mm(我们已经成功试验过1.0mm的厚度)
密度：400kg/m3
在1kHz时的压缩E(泡沫压缩时的杨式模量)＝2MPa
量测阻力R约8×105Ns/m3。这些数值是当压缩而非剪切时量测的机械阻力的“实”部值。剪切的数值现不可得。
使用较薄的泡沫(0.6mm)也能获得良好的结果。较厚的泡沫(例如厚达1.5mm)预期可获得此种材料的良好结果。我们建议厚度限制在0.3及2.0mm之间。
密度(孤立于E和R)被认为是不相关的，其能以100的倍数改变且具较少效应。E很重要，但剪切的发生使得E的重要性难以确认。我们建议E以4的倍数增加将会增强梁的刚度，因此要避免。E的降低将具有较小的效应，这是因为，通过添加泡沫，该系统刚度不会受到太大的影响。R的数值很重要。降低R被认为是以线性方式影响阻尼的。我们建议不要以超过例如4的倍数降低。增加R虽能达到目的但影响其它参数。
图2表示接合多梁换能器的一个表面或二个表面的效果。图2a表示阻尼层7仅接合一个梁2的情况。当另一梁3相对于梁2移动时，其在阻尼层的上表面上方滑动，因此不会变形及增加阻尼至弯曲的共振。然而，在图2b中，该阻尼层接合两个梁，因此受到梁3相对于梁2相对移动所产生的剪切。正是该剪切施加阻尼。
梁长度不需相同，但如果相同则具有最大阻尼效应。图3表示量测得到的两个梁间所增加的阻尼层对一中心安装所述的换能器的阻断力(blocked force)的效果。所有模式的Q值降低并且自然频率未加以改变，这意谓具有极低的接合材料7的刚度。当发生换能器内部抵消时，例如在不相似长度的梁共振之间，增加阻尼层将增加输出。
图4表示在36毫米/34毫米的梁长度的DMA换能器表面间增加的阻尼对声压的模拟效应。换能器基本共振的输出稍微降低，但在3-4kHz区域内输出广泛的增加。这就是换能器内部抵消的区域。声压响应也比较平滑。
摔落测试故障率可期望降低。当撞击时大部分的能量将会在激发器中在它的基本共振出现。因为阻尼降低此共振的Q值，瞬间最大位移将减小，这导致梁的应力减小。此应力降低被认为能改良摔落测试的可靠性。此外，通过本发明，能降低换能器的固有高度(built height)。
用以将上述种类所述的换能器耦接至其负载的短柱在所有3个直角座标轴都是刚性的，而旋转刚度通常被忽略并假设相当的高。在短柱位于梁长度一半位置的情况下，对梁的基本共振，将在短柱处产生0旋转。如果在半长度梁的端部重复这个0旋转的边界条件，该基本共振(fundamental)将在与该全长度梁的相同频率发生，且力是一半的力。这是悬臂条件，参阅图5。图5是表示一悬臂梁(即一极大程度偏置的短柱)的基本模型的图。该位移形状表示纯弯曲的运动。
然而，通过使短柱的旋转刚度由高至低地降低，该梁的f0下降且变得与该梁弯曲运动无关且更像刚体，参阅图6。图6是一梁耦接至具有挠性短柱以容许该梁旋转的板壁的模型图，该模型表示梁存在一定的弯曲及旋转移动。在一旋转刚度0的极限情况中，该模式降至0Hz且成一刚体模式。参考标号9表示该板壁5后侧的一截留空气层，在模拟中其与板壁耦接且影响板壁的共振模组(modal set)，且参考标号10表示移动电话主体，其包括一个由板壁5及换能器1形成的扬声器。所要注意的是，该梁2的偏转被夸大，以便可显见。
通过选择旋转挠性(compliance)，该梁的f0可低于中心安装且长度为其两倍的梁的f0，FE分析已经用以表示此效应，参阅图7。图7是由条件3所产生的模拟阻断力的曲线图：一个中心安装的36毫米梁，一具有位于一端的刚度短柱的半长度梁，具有位于一端的挠性短柱的半长度梁。刚性短柱可提高该梁的刚度，这略有效降低其长度。
一实心短柱将在3个平移及旋转轴中具有相同刚度。经适当地设置短柱的横截面形状，能在6个不同轴产生不同的刚度。这将使得在不同轴的模式在不同频率下产生。如果负载阻抗不对称，与除了正交该梁表面以外的其它方向的移动相关的模式能耦接至板壁，藉以增加模式密度，参阅图8。图8a是模拟得到的通过改变短柱刚度产生的对声压的效应的曲线图。图8b是一具有板壁5以及安装在单梁段的挠性短柱6上的一附接换能器的板壁状扬声器的透视图，并且表示面内移动的DMA。在图8所示的面内模式的情况下，如果围绕着正交于该板壁的平面的轴8的旋转刚度被忽略，此模式不存在。在此情况下，该第一模式部分地起因于围绕沿该梁的短缘的轴的刚度，第二模式是起因于围绕正交于该梁的轴的刚度。围绕沿该梁长度移动的轴的最后的旋转轴将产生一模式。
一个在不同轴具有不同刚度的短柱形状的范例是I截面，参阅图9。图9是可变的垂直杆长度对聚碳酸脂的I截面的短柱的阻断力的模拟效应的曲线图。该短柱的内杆1毫米宽且总共的宽度是3毫米，图上指示出杆长。
当从纯弯曲运动至部分平移运动来改变基本共振，梁中的应力在基本共振时将降低。因为在碰撞期间基本共振将接收大部分的能量，而大部分变型在短柱中发生，因而该梁更易免于损坏。
虽然单梁段的短柱已经加以说明，许多其它的短柱横截面也能使用，例如梯形、圆柱形等等。
Claims (20)
1.一种机电力换能器，其包括：
多个共振元件；
低刚度构件，所述低刚度构件耦接于至少两个相邻共振元件的相邻表面之间；及
短柱构件，所述短柱构件支撑所述共振元件，并且用于将所述换能器耦接至力将施加的位置处。
2.如权利要求1所述的换能器，其中，该低刚度构件是泡沫塑料。
3.如权利要求2所述的换能器，其中，该泡沫塑料具有慢回弹特性。
4.如权利要求1-3中任一项所述的换能器，其中，该低刚度构件具有接合至所述共振元件的整个或大致一部分的相邻表面的层的形式。
5.如前述任一项权利要求所述的换能器，其中，所述共振元件是梁状的。
6.如前述任一项权利要求所述的换能器，其中，所述短柱是低刚度的，由此使整体非弯曲模式被引入所述共振元件。
7.如权利要求6所述的换能器，其中，所述整体非弯曲模式处于所述工作频率范围内。
8.如前述任一项权利要求所述的换能器，其中，所述共振元件的参数选择为用以加强所述元件在所述工作频率范围内的模式分布，其中，所述参数是由纵横比、弯曲刚度的各向同性、厚度及几何形状的各向同性所组成的组中选出。
9.如前述任一项权利要求所述的换能器，其中，至少一个共振元件是有源的，例如，由压电材料制成。
10.如前述任一项权利要求所述的换能器，其中，所述低刚度构件大致耦接于整个相邻表面之间。
11.一种机电力换能器，其包括：
板状共振元件，所述板状共振元件在所述换能器的工作频率范围内具有频率分布模式；及
短柱构件，所述短柱构件用于将所述换能器耦接至力将施加的位置处，并且所述短柱构件支撑及设置所述共振元件而使整体非弯曲模式被引入所述共振元件。
12.如权利要求11所述的换能器，其中，所述整体非弯曲模式处于所述工作频率范围内。
13.如权利要求11或12所述的换能器，其中，所述短柱是低刚度的。
14.如权利要求11-13中任一项所述的换能器，其中，所述短柱的横截面形状是非圆形。
15.如权利要求14所述的换能器，其中，所述短柱的横截面是I截面形状。
16.如权利要求11-15中任一项所述的换能器，其中，所述共振元件的参数选择为用以加强所述元件在所述工作频率范围的模式分布，其中，所述参数是由纵横比、弯曲刚度的各向同性、厚度及几何形状的各向同性所组成的组中选出。
17.如权利要求11-16中任一项所述的换能器，其中，所述换能器包括在所述工作频率范围内具有频率分布模式的多个共振元件。
18.如权利要求11-17中任一项所述的换能器，其中，所述或至少一个共振元件是有源的，例如，由压电材料制成。
19.如前述任一项权利要求的机电力换能器，其中，所述共振元件在所述换能器的工作频率范围内具有频率分布模式。
20.一种扬声器，包括如前述任一项权利要求所述的换能器及所述换能器耦接其上的弯曲波板壁状声辐射器。
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