CN1853444A - 高效音频换能器 - Google Patents

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Abstract

一种响应电信号来产生声音的换能器(1)，该换能器(1)包括致动器(2)和振动表面(3)，致动器(2)具有磁体(4)和线圈(5)，所述振动表面例如是扬声器锥体。换能器和振动表面是机械耦合的。换能器(1)设计成基本在其共振频率(f0)工作的形式。这导致很高的换能器效率，这对于提供低音频频率是特别重要的。

Description

高效音频换能器
本发明涉及高效音频换能器(transducer)。更具体而言，本发明涉及一种响应电信号来产生声音的换能器，该换能器包括机械耦合的致动器和振动表面。这种换能器一般是公知的。例如，用于音频(立体声)系统的扬声器，一般具有由纸板或塑料制成的用作振动表面的锥体。常用扬声器的致动器包括一个磁体和一个线圈。磁体可以是固定的，而线圈与锥体机械耦合，反之亦然。
已知音频范围大约20Hz到20KHz。虽然中间范围(大约为1-10kHz)可以被常用扬声器可靠地重现，而较低或较高频率范围一般需要特殊的换能器。高保真度的音频系统一般包括用于重现高频音频范围的小换能器(“高频扬声器”)、用于呈现中间音频范围的中间尺寸的换能器(“通话盒”)以及用于低频范围的相对大的换能器(“低音扬声器”)。在合适的声级真实地再现最低音频频率(大约为20-100Hz)所需的换能器占据相当大的空间量。然而，对于小型音频装置的需求日益增长。很明显，大换能器和小音频设备的需求是矛盾的。
本发明的一个目的是克服现有技术的这些和其他问题，并提供一种声换能器，它结构紧凑且能在相对高的声级产生低频声音信号。
因此，本发明提供一种换能器，用于响应电信号产生声音，该换能器包括机械耦合的致动器和振动表面，致动器包括磁体和线圈，其中换能器设计成基本在其共振频率工作的形式。
通过在共振频率或其附近操作换能器，既便在相对低的音频频率使用相对小的换能器，也能获得很大的声音输出音量。本发明有效地利用了换能器的共振以产生声音，并在共振频率优化了换能器。这种优化可以以多种方式实现，例如，通过最大化换能器的输入灵敏度，使得最大灵敏度发生在共振频率。
输入灵敏度一般作为电压灵敏度(以Pa/V测量)测量，但也可使用效率(声输出功率与电输入功率的比率)。
一个优选实施例中，所述换能器具有等于磁通量和线圈长度乘积的耦合系数，一方面耦合系数的平方和另一方面换能器的电阻(electrical resistance)和力阻(mechanical resistance)的乘积的比率大于0.6而小于1.4。当满足该条件时，换能器的灵敏度在其共振频率或附近优化。
众所周知，上述耦合系数是线圈“功率”的指示。令人惊讶的是在力阻和电阻处于低值时，耦合系数的值很低因此小线圈和小磁体系统即可满足要求。
应当注意上述0.6和1.4的边界是近似的，满意的结果可以使用例如0.4或甚至0.2的比率获得。
在一个优选实施例中，上述比率大于0.9而小于1.1，优选地所述比率基本等于1。当耦合系数的平方与电阻和力阻乘积的比率基本等于1时，换能器在共振频率时具有最大效率。即使离开1有相对小的偏移，但效率仍然很高，并且可以在相对小的耦合系数和相对小的输入电压条件下获得高声音音量。
在第一实施例中，振动表面是扬声器锥体。即，该换能器与常用扬声器类似，但它的致动器具有不同的设计。
在第二实施例中，振动表面包括细长条。该实施例的优势在于所述细长条可以很平很窄。
在第三实施例中，振动表面包括相对于第二圆柱体部分可移动放置的第一圆柱体部分，所述第一和第二圆柱体部分至少是部分同心的。
本发明的换能器中，优选地所述线圈基本是固定的。这暗示着磁体是可移动放置的，以便驱动振动表面。基本固定的线圈的优势在于，与线圈相连的电导线也可以固定，不需要这些导线的绕曲，这样延长了换能器的服务寿命。因为仅需要相对弱的磁场(具有小的磁通量密度(B))，所以本发明的换能器中可以使用移动的磁体。然而，可以设想这样的实施例，其中磁体基本是固定的，线圈是可移动放置的。
本发明还提供一种包括如上所述换能器的音频系统。这种音频系统还可以包括放大器、调谐器、DVD播放器、显示(TV)屏，和/或其他部件。
本发明还提供一种用于驱动音频换能器的方法，该音频换能器包括机械耦合的致动器和振动表面，该方法包括为换能器提供音频输入信号的步骤，其中所述音频输入信号具有基本等于换能器共振频率的平均频率，其中所述换能器设计成基本在其共振频率工作的形式。在所述方法中，换能器可以具有一个耦合系数，所述耦合系数等于磁通量和线圈长度的乘积，所述耦合系数的平方与换能器电阻和力阻的乘积的比率大于0.6而小于1.4。在一个特别优选的实施例中，所述比率大于0.9小于1.1，优选地该比率基本等于1。
参考附图中阐述的示例性实施例，本发明将得到进一步解释，附图中：
图1示意性地示出了可以用于本发明换能器的电压灵敏度的图示。
图2示意性地以剖面图形式示出了根据本发明换能器的第一实施例。
图3示意性地以平面图形式示出了根据本发明换能器的第二实施例。
图4示意性地以部分剖面形式示出了根据本发明换能器的第三实施例。
图5示意性地示出了一个使用根据本发明换能器的系统的实施例。
图1中示意性地画出了一个音频换能器的电压灵敏度的图示。示出的换能器产生的声压级SPL(纵坐标)随着频率f(横坐标)变化，输入电压保持恒定。可以看出，声压级SPL以及灵敏度H(声压和输入电压的比率)在频率f0或其附近最大。根据本发明，频率f0是换能器的共振频率。
可以算术地表示，当电压灵敏度H定义为
H＝p/V
时，其中p是声压(输出)，V是电压(输入)，当满足
r＝(B1)2/(Rm×Re)＝1时，共振频率f0处的电压灵敏度最大，其中B1是耦合系数，即，换能器线圈中磁场密度B和线圈长度1的乘积，其中Rm和Re分别是悬梁的力阻和音圈(voice coil)的电阻。这是很值得注意的，因为它允许在相对低的耦合系数B1获得高灵敏度。当示例性的值Rm＝0.05kg/s，Re＝6Ω时，为获得高灵敏度、高效率和在某一输入电压的高音频输出音量，仅需要B1为0.5N/A。因此，根据本发明的换能器的磁体和线圈可以相对小。
因为共振频率f0和换能器的运动质量m是反比关系，可能通过调整运动质量m改变共振频率f0：当运动质量m增加时，共振频率f0减小。与常规换能器例如典型的扬声器相对照，增加运动质量不会导致效率减少。
上面讨论的比率r，即耦合系数的平方与力阻和电阻乘积的比率，优选地等于或基本等于1。不过，离开值1的相对小的偏移仍然可以保证满意或很满意的结果。例如，r值的范围大约从0.6到1.4可以产生好的结果，r值的范围从大约0.8到1.2可以产生更好的结果，r值的范围从0.9到1.1将产生非常好或极好的结果。
可以进一步数学上证明该比率r等于机械质量测量值(Qm)和电学质量测量值(Qe)的比率：
r＝Qm/Qe
当r＝1时，质量测量值具有相同的值：
Qm＝Qe
换句话说，当机械质量测量值等于电学质量测量值时获得最大换能器效率(r＝1)。质量测量值Qm和Qe是本领域技术人员熟知的量。
图2中以非限制性实例示出的换能器1包括致动器2和振动表面3。致动器2可以包括磁体4和线圈5。在示出的实例中，磁体4由放置在磁体固定器11上的一叠磁体元件组成。磁体4通过磁体固定器11机械地耦合到振动表面3，并可移动放置以便能够驱动振动表面3。因为磁体4能够移动，线圈5可以是固定的，由此能够使用固定的电导线(未示出)，该导线不经受线圈移动导致的磨损。不过，应当注意的是，这种结构不是必须的，根据本发明的换能器可以替代地具有固定的磁体和可移动的线圈。在示出的实例中，线圈5通过支撑环8固定到框架6。
振动表面3可以是常规扬声器的锥体或任何其他合适的表面，这在后面将有详细讨论。在示出的实例中，振动表面3是由环6a支撑的相对硬而平的盘，环6a是框架6的一部分。例如框架6可以由金属制成。振动表面本身可以由塑料、纸板或任何其他合适的材料制成。悬梁(柔性边)7形成振动表面3和环6a之间的过渡。弹性元件10定义了磁体固定器11的固定位置，并与环6b相接触，环6b也是框架6的一部分。
因为基本平的振动表面3，可能实现非常紧凑的换能器设计。
换能器具有耦合系数B1，它等于磁通量密度B和线圈长度1的乘积。如上所述，根据本发明，优选地该耦合系数的平方大约等于换能器的电阻Re和力阻Rm的乘积。当满足该条件时，换能器的电压灵敏度在换能器的共振频率优化。这意味着在共振频率可以获得每伏特最高的声压，导致最大的声压(声级)。这样，倘若共振频率f0足够低，低音频频率(例如20Hz到120Hz的范围)可以在相对高的声级产生。应当注意的是，这些声级可以由具有相对小的磁通量密度B和相对小的线圈长度1的换能器产生。因此本发明的换能器既经济又紧凑。
图3的实施例包括振动表面3，该振动表面由与柔性支架接触的细长金属条组成。具有与图2的柔性边7基本相同功能的支架放置在框架6中。至少一个磁体4固定到金属条3。支架7可以由橡胶、乳胶或其他合适材料制成。图3的换能器可能相对长而窄，因此特别适用于安装在例如电视机、计算机屏幕等这样的应用中。
图4的实施例包括内圆柱体3和外圆柱体6，它们相对可移动地放置。这类换能器在美国专利US 6,385,327中有更详细的描述。
图4的示例性实施例中，内圆柱体3可以相对于固定的外圆柱体6向上和向下移动，内圆柱体3的(顶)表面组成了振动表面。这种结构有时被称为“通风盒”。驱动线圈5可以安装在外圆柱体6中而磁体4安装在内圆柱体3中，或正好相反。弹簧10定义了内圆柱体3的固定位置。根据本发明，如上所述，换能器1在其共振频率f0优化。图4的实施例使得振动表面产生特别大的偏移。
除了图2、3和4的示例性实施例，它们通过作为换能器一部分的振动表面直接产生声音，还可以提供根据本发明的换能器，其通过使另一个物体振动间接产生声音。这种“振动器”可以安装在例如装置机壳或平台顶面这样的表面上，使用这些表面作为振动表面。
在图5中示例性地示出了本发明换能器的特别有优势的应用，其中换能器1是音频系统20的一部分。图5的系统20包括带通滤波器22、检测器23和乘法器24。滤波器22的通带对应于第一频率范围，例如低音频频率(大约为20Hz-120Hz)。这样滤波器22消除了该第一范围之外的所有频率。检测器23检测从滤波器22接收的信号。优选地检测器23本身是已知的峰值检测器，但也可以本身是已知的包络线检测器。在一个很经济的实施例中，检测器可以由二极管组成。
检测器23产生的信号代表第一范围内存在的组合信号的幅度。乘法器24将该信号和一个由发生器26产生的具有频率fG的信号相乘。优选地发生器频率fG等于换能器的共振频率f0。
乘法器14的输出信号具有频率fG，而它的幅度取决于包含在第一频率范围内的信号。注意包含在第一范围的任何信号将产生输出信号(频率等于fG)。
此外，图5的系统10包括放置在检测器23和乘法器24之间的低通滤波器25。该低通滤波器用于减少任何检测过程可能产生的不需要的频率。
换能器1是根据本发明的换能器，优选地在其共振频率f0驱动。这导致高声级。从上面的讨论可以清楚地看出，对于落在由带通滤波器22所定义范围内的所有音频信号，系统20在共振频率f0产生声音输出。这有可能将换能器的属性“调整”到低音频频率，以在合适的声级再现它们。
可选地，在系统20中可以在换能器1和发生器26之间存在控制路径28。该控制路径允许发生器26调整与换能器参数(例如(瞬态)阻抗)有关的频率f0，特别是因为f0可能因为例如产品参数中的温度变化和/或偏移而改变。
对于本领域技术人员很明显的是，换能器参数(例如(瞬态)阻抗)能够确定换能器的效率。因为换能器的效率一般随频率变化，频率的调整将允许效率最优化。为此，发生器可以引入小的(可能是随机的)频率变化，以确定当前值fG附近的各个频率处的效率。如果在任何这些值处，效率较大，则可以改变fG的值。很明显这种(可选)自动调谐特性还进一步增强了系统的效用。
上述讨论中假设仅使用单个频率f0。当然这不是必须的，应当理解如果换能器具有多个共振频率，则可以使用两个或更多的共振频率f0、f1等。此外或备选地，可以并联使用具有不同共振频率f0、f1等的两个或更多的换能器。
本发明基于以下观点：通过在共振频率驱动换能器，可以制备小音频换能器，以在相对低的频率产生相对高音量的声音。本发明还受益于下面的观点：在共振频率优化换能器的灵敏度极大地增强了所述换能器在所需频率处的性能。
本发明的换能器可以有利地应用在音频(立体声)系统中。这种系统一般包括音频源、放大器以及一个或多个换能器，例如所述音频源是DVD播放器和/或音频调谐器。
注意本文中使用的任何术语不应理解成限制本发明的范围。尤其是，“包括”一词不排除任何没有专门陈述的元件。单(电路)元件可以由多(电路)元件或它们的等效物代替。
本领域技术人员应当理解的是本发明不限于上述实施例，可以不偏离附加权利要求书中定义的本发明的范围做出很多修改和补充。

Claims (12)

1.一种换能器(1)，用于响应电信号来产生声音，该换能器包括机械耦合的致动器(2)和振动表面(3)，该致动器包括磁体(4)和线圈(5)，其中所述换能器设计成基本在其共振频率(f0)工作的形式。
2.根据权利要求1的换能器，其中致动器(2)具有耦合系数(B1)，它等于磁通量(B)和线圈长度(1)的乘积，其中耦合系数的平方((B1)2)与换能器的电阻(Re)和力阻(Rm)的乘积的比率(r)大于0.6小于1.4。
3.根据权利要求2的换能器，其中该比率(r)大于0.9小于1.1，优选地所述比率基本等于1。
4.根据权利要求1-3中任一项的换能器，其中振动表面(3)是扬声器锥体。
5.根据权利要求1-3中任一项的换能器，其中振动表面(3)包括细长条。
6.根据权利要求1-3中任一项的换能器，其中振动表面包括相对于第二圆柱体部分(6)可移动放置的第一圆柱体部分(3)，所述第一和第二圆柱体部分至少是部分同心的。
7.根据前面权利要求中任一项的换能器，其中线圈(5)是基本固定的。
8.根据前面权利要求中任一项的换能器，其中磁体(4)是基本固定的。
9.一种音频系统，包括根据前面权利要求中任一项的换能器(1)。
10.一种驱动音频换能器(1)的方法，该音频换能器包括机械耦合的致动器(2)和振动表面(3)，该方法包括提供音频输入信号到换能器的步骤，其中音频输入信号的平均频率(fG)基本等于换能器的共振频率(f0)，其中换能器(1)设计成基本在其共振频率(f0)工作的形式。
11.根据权利要求10的方法，其中换能器(1)具有耦合系数(B1)，它等于磁通量(B)和线圈长度(1)的乘积，其中耦合系数的平方((B1)2)与换能器的电阻(Re)和力阻(Rm)的乘积的比率(r)大于0.6小于1.4。
12.根据权利要求11的方法，其中该比率(r)大于0.9小于1.1，优选地该比率基本等于1。
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