CN203942644U

CN203942644U - 声换能器

Info

Publication number: CN203942644U
Application number: CN201420350890.4U
Authority: CN
Inventors: 克里斯托弗·大卫·弗农; 李卫明
Original assignee: Sontia Logic Ltd
Current assignee: Sontia Logic Ltd
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2024-06-26
Also published as: GB2515518A; US20150003662A1; US9173022B2; GB2515518B; GB201311326D0

Abstract

本实用新型公开的声换能器(104)能够被配置作为扬声器或者麦克风。该声换能器包括磁系统(401)和隔膜(303)，所述隔膜(303)上布置有导电元件(402)。所述导电元件具有用于产生平行于所述磁系统的力的第一外导电部分(405)和第二外导电部分(407)，所述导电元件还具有用于产生垂直于所述磁系统的力的中央导电部分(406)。以此方式，施加于所述导电元件的音频信号能够通过阳极和阴极输入端子(202，203)引发所述隔膜的振动。

Description

声换能器

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年6月26日提出的英国专利申请号1311326.1的优先权，在本文中通过引用完全包含该申请的全部公开内容。

技术领域

本实用新型涉及声换能器，并且特别地、但并非专门地涉及扬声器。

背景技术

扬声器和麦克风能够被视为典型的声换能器，分别将电能转换为某种形式的机械振动，或者相反。

扬声器的设计通常被划分为两类：例如电动式扬声器的设计，其采用锥体来支撑作用在永磁体上的音圈；及例如静电式和电磁平板式扬声器的设计，其通过薄膜传递电信号，电信号接下来作用在超高压定子或电磁铁上从而产生振动。

存在类似的麦克风设计，它们的功能与扬声器相反。

电动式扬声器设计的问题在于，由于通过电流流经音圈产生的磁场因与永磁铁的固定场发生相互作用而产生了反电动式(back-EMF，其中EMF为electromotive force的缩写)。这使得扬声器在电气工作时远离了纯阻抗，导致声音再现的非线性和失真。

薄膜型扬声器的问题在于它们在平面形式内的振荡，并且因此它们所展现出的辐射方向图具备高度方向性，特别是在高频时。另外，它们需要将用于产生磁场的部件置于薄膜两侧从而产生均匀磁场，这提高了成本和复杂度。

实用新型内容

根据本实用新型的一个方面，提供了一种声换能器，该声换能器包括磁系统和隔膜，所述隔膜上布置有导电元件，其中所述导电元件包括：第一外导电部分和第二外导电部分，用于产生平行于所述磁系统的力，及中央导电部分，用于产生垂直于所述磁系统的力，其中施加于所述导电元件上的音频信号引发所述隔膜的振动。

附图说明

图1示出了一种声音再现设备，包括两个扬声器；

图2为声音再现设备的横截面视图，示出了其中的部件；

图3示出了扬声器之一，其为本实用新型的实施例；

图4是图3中扬声器的横截面视图，示出了其中的部件，包括磁系统和隔膜，隔膜上布置有导电元件；

图5A和5B示出了位于扬声器内的磁系统的磁场特征；

图6示出了形成图5A和5B中所示磁系统的永磁体的构造；

图7示出了图6中所示磁系统的磁场的场力线；

图8A和8B示出了扬声器的隔膜和导电元件；

图9A、9B、10A和10B示出了扬声器的工作原理；

图11A和11B示出了扬声器中所采用的隔膜的第二个实施例，具有延长的导电元件；

图12示出了隔膜的第三个实施例，具有进一步延长的导电元件；

图13是图12中所示第三个隔膜实施例的等轴侧视图；以及

图14示出了本实用新型的实施例，其中扬声器内部的音量在工作期间并不改变。

具体实施方式

图1：

图1示出了一种声音再现设备101。该再现设备包括数字音频输入插口102，该数字音频输入插口102被配置为用于接收来自于便携设备103的数字音频输入信号，这通常在被称为基座(dock)的结构中进行。

在内部，声音再现设备101包括数字信号处理系统、放大器和一个或者多个声换能器。包括在声音再现设备101内的声换能器根据本实用新型的原理构造，并且在此实施例中被构造为一对立体声扬声器，在图中示出为(左)扬声器104和(右)扬声器105。

应当意识到根据本实用新型的原理构造的声换能器，例如扬声器驱动器，能够被用于广泛的设备，例如一对立体声耳机、条形音箱、电视机、笔记本电脑和台式机。

图2：

图2示出了声音再现设备101的横截面视图，其中扬声器104可见。

扬声器104被示出，并且被连接至集成式数字信号处理系统和放大器201，该集成式数字信号处理系统和放大器201接收、处理和放大来自于便携设备103的数字音频。在本实施例中，扬声器104将集成式数字信号处理系统和放大器201通过阳极端子202和阴极端子203传递来的电能转换成机械振动从而产生可听声音。

图3：

图3示出了扬声器104的立体图。

扬声器104具有外壳301，该外壳301的前表面被限定为挡板302。隔膜303被安装在挡板302内，并且如图所见，隔膜303在尺寸上是长形的，形成了矩形表面。隔膜的边缘通过可变形围绕物304安装在挡板302内。

可变形围绕物304，在本实施例中，与电动式扬声器中所采用的锥体围绕物在结构上基本相同，并且同样允许隔膜303相对挡板302运动。在本实施例中，可变形围绕物由橡胶形成(在图中以阴影线示出)。在可选实施例中，可变形围绕物能够由聚酯泡沫塑料形成，或者能够由涂覆树脂的织物根据扬声器104的尺寸构造。

从图3中所示的实施例中可见，隔膜303包括四个条带305、306、307和308，这些条带例如可通过胶水直接附接至挡板302。条带305和306位于隔膜上部较长的边缘上，同时条带307和308位于隔膜下部较长的边缘上。与仅采用可变形围绕物304所实现的方式相比，四个条带首先起到将隔膜303更加稳固地定位到挡板上的作用，因此可将隔膜303基本保持定位在挡板中央的位置。另外，四个条带还起到允许隔膜303围绕基本固定的点转动的作用，此特征将结合图14进行进一步描述。

图4：

图4示出了扬声器104的从上到下的横截面视图，该图示意性地示出了扬声器104的内部部件。

在外壳301内具有磁系统401。磁系统401的结构将结合示出磁系统401的磁场的图5A和5B，及示出磁系统401的部件部分的图6和图7进行描述。

隔膜303，通过可变形围绕物304安装在挡板302内，具有布置在其上的导电元件402。导电元件402通过阳极电缆403和阴极电缆404分别连接至阳极端子202和阴极端子203，从而允许施加音频电信号。

导电元件402包括两个外导电部分和一个中央导电部分，其中，两个外导电部分为第一部分405和第三部分407，一个中央导电部分为第二导电部分406。导电元件402的详细结构将结合图8A和8B进行进一步描述。

当音频电信号被施加到导电元件402上时，电流通过三个部分405至407传递。以此方式，在所述各部分与磁系统401的磁场之间产生了电磁相互作用，这产生了表现为平行于邻近第一部分405和第三部分407的磁系统的方向，和垂直于邻近第二部分406的磁系统的方向的洛伦兹力。这导致隔膜的振动从而引发空气的压缩和稀疏并且因此产生声音。此过程将结合图9A至10B进行进一步描述。

图5A和图5B：

图5A和图5B示出了磁系统401的等轴侧视图，图中示出了磁系统401的磁场特征。

图5A示出了磁系统401的磁场的三个部分的场向量。场向量501垂直于并且方向远离磁系统401的前表面，场向量502平行于磁系统401的前表面同时远离场向量501，并且场向量503垂直于并且朝向磁系统401的前表面。

图5B示出了具有图5A中所示场向量的空间的点。具有指向场向量501的方向的磁场向量的空间区域被定义为第一轨迹511。第二轨迹512具有指向与场向量502的方向相同的方向的场向量，并且第三轨迹513具有指向与场向量503的方向相同的方向的场向量。

因此，我们能够说磁场与包括具有垂直于并且远离磁系统的场向量的第一轨迹511、具有方向平行于磁系统的场的第二轨迹512和具有方向垂直于并且朝向磁系统的场向量的第三轨迹513的磁系统401相关。

在本实施例中磁系统401由多个永磁体构造，其结构将结合图6和7进行进一步描述。可选择地，一个或者多个电磁铁能够根据需要被采用。

图6：

图6示出了能够产生图5B中所示的具有三个轨迹的磁场的磁系统401的一种实施结构。

磁系统401被示意性示出，其包括五个永磁体601、602、603、604和605。永磁体的磁化方向通过各自上标示的箭头表示。因此，可见磁系统401具有空间旋转的磁化模式(spatially rotating pattern of magnetisation)。更特别地，在磁系统401中所采用的磁体结构被称为海尔贝克阵列(Halbacharray)。图7示出了海尔贝克阵列的网状磁场。

图7：

由于磁系统401内的旋转的磁化模式，永磁体601至605中的每一个的磁通量在阵列上方的区域701内加强，而在阵列下方的区域702内基本消失。区域701内的场的强度相当于单独使用各永磁体所能产生的场的强度的两倍，同时很少的漏磁场残存在区域702内。

在本实施例中，所有的永磁体具有相同的尺寸，从而尽可能地获得均匀的磁场。在可选实施例中，永磁体602和604被制造的比永磁体601、603和605更宽，从而加宽磁场的第一轨迹511和第三轨迹513。

应当注意到永磁体的旋转的磁化模式能够无限持续。事实上，提供的永磁体越多，网状磁场越均匀。然而，应当注意到海尔贝克阵列的应用仅是本实用新型的一个特定实施例。任何能够提供结合图5A和5B进行的先前描述的三个轨迹的磁系统的结构都可以被采用。

图8A和图8B：

图8A和图8B更详细地示出了隔膜303。

图8A示出了隔膜303的正面，该隔膜303包括布置在此第一表面上的导电元件402。导电元件402包括第一端子801和第二端子802从而允许实现电连接。

在此实施例中，隔膜303是柔性印制电路板，且导电元件402已经被印制在其上，能够采用PTF(聚合物厚膜，polymer thick film)制造技术。可选择地，隔膜303可包括例如是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate)的膜片，且导电元件402可以说是胶合在隔膜膜片上的铜箔或者银箔。

假设一种方案其中电池被连接在第一端子801和第二端子802之间使得电流从第一端子向第二端子流动。电流将在导电元件的第一部分405中以箭头805的方向流动，在导电元件的第二部分406中以箭头806的方向(与箭头805方向相反)流动，并且在导电元件的第三部分407中以箭头807的方向流动(与箭头805的方向相同)。

进一步假设此方案，假设将电池的两极对调，因此电流将从第二端子802向第一端子801流动，此时在导电元件402的第一、第二和第三部分中的电流方向将相反。

如图所示，导电元件形成了基本为直角的S形，从而实现了此种电流流动。可供选择的结构例如是能够采用三个单独的导电元件，且三个单独的导电元件通过合适的电气连接形成此种平行的电流流动。

图8B是安装在磁系统401前面的静止位置处的隔膜303的等轴侧视图。如先前结合图5A和图5B所描述的，磁场的三个轨迹(511、512和513)被定义为场区，位于场区内的场向量(501、502和503)各自具有特定的方向。

从图8B可见导电元件402的三个部分别与磁系统的磁场的三个轨迹重合，也就是第一部分405被第一轨迹511所包围，第二部分406被第二轨迹512所包围，并且第三部分407被第三轨迹513所包围。因此，流经第一部分405和第三部分407并因此而流经第一轨迹511和第三轨迹513的电流的方向，与流经第二部分406并因此而流经第二轨迹512的电流的方向相反。

由图可见，隔膜303的静止位置在远离磁系统的方向上具有稍微弯曲或者弧形轮廓。对于此静止位置的支持在实践中能够通过对用于支撑扬声器中的隔膜的外壳、挡板和可变形围绕物进行合适地造型而实现。与此静止位置相关的优点将根据图9A至10B详细描述。

图9A和图9B：

图9A和图9B是磁系统和隔膜的俯视图和仰视图，并且示出了通过导电元件402传递电流作用在隔膜303上的效果。

如先前结合图8B所描述的，导电元件402的三个部分405、406和407对应与磁系统401的磁场的三个轨迹511、512和513相重合。通过结合洛伦兹力法则和电流定义，给出施加到平直、静止的金属线上的力F为：

F＝Il×B (等式1)

在此I是传统的电流，l是一个向量，它的大小为金属线的长度并且方向沿着金属线，B是磁场。

因此，如图9A所示出的，隔膜303前面的空气的压缩通过流经导电元件402的电流的一个极性实现，即从第一端子801流向第二端子802。电流的方向采用进和出平面的向量的标准符号表示。因此，相对于图中的平面，电流正在向下流经第一部分405和第三部分407，同时向上流经第二部分406。

电流以此方式流经导电元件402的三个部分，每一个分别被磁系统401的磁场的轨迹包围，结果是洛伦兹力被施加到导电元件上。因此，导电元件的第一部分405受到洛伦兹力F₄₀₅，导电元件的第二部分406受到洛伦兹力F₄₀₆，并且导电元件的第三部分407受到洛伦兹力F₄₀₇。通过观察等式1及其向量乘积的内涵，能够理解力F₄₀₅和F₄₀₇的方向彼此朝向并平行于磁系统401，因此导电元件402的第一部分405和第三部分407朝着彼此拉近，同时力F₄₀₆的方向垂直于并且远离磁系统401。这导致导电元件402，并且因此导致隔膜303，在电流从第一端子801流向第二端子802的条件下朝着更大的弧度变形。

现在参考图9B，隔膜303前面的空气的稀疏是通过反转电流的极性实现的，即电流从第二端子902流向第一端子901。如图所示，电流向上流经第一部分405和第三部分407，同时向下流经第二部分406。因此，在此电流工作条件下，洛伦兹力的方向产生了反转：力F₄₀₅和F₄₀₇现在可见方向相互远离并且平行于磁系统401，因此导电元件的第一部分405和第三部分407相互推离，同时力F₄₀₆的方向垂直于并且朝向磁系统401。

假设施加具有正和负半周期的音频信号至导电元件402，并且提供与电源的合适的电连接，可见隔膜303将在负半周期内产生从它的静止位置变形为如图9A所示的一般弧形状态，同时在正半周期内，它将变形为如图9B所示的一般平面状态。这是通过它具有先前结合图8B所描述的静止位置实现的。

隔膜在如图9A和9B中所示的弧形状态和平面状态之间振动的优势在于获得了宽的声音扩散角，因此改进了所获得的声音场。另外，仅需要在隔膜的一侧设置磁体，而非平面磁体设计中的情况。

图10A和图10B：

图10A和图10B示出了隔膜303和磁系统401的等轴侧视图，显示了隔膜303由于作用在导电元件402上的洛伦兹力F₄₀₅、F₄₀₆和F₄₀₇而变形，如先前结合图9A和9B所分别描述的。

图11：

在本实用新型的一个可选实施例中，导电元件延长至隔膜的另一侧。因此，适用于取代隔膜303的隔膜1101，在图11A和图11B中被示出包括延长的导电元件1102。

图11A示出了隔膜1101的第一表面上的导电元件1102的结构。

在此表面上，导电元件1102具有与导电元件402基本相同的结构，其中特征在于三个部分(第一部分1103、第二部分1104和第三部分1105)，当隔膜1101被磁系统401的磁场包围时将与第一轨迹511、第二轨迹512和第三轨迹513分别重合。在此表面上，导电元件1102包括第一端子1106以便于电连接。

另外，导电元件1102延长至隔膜1101的第二表面上，如图11B所示出的。导电元件1102的延长实际上或者是通过在导电材料连接至隔膜之前将导电材料折叠到隔膜的任一侧来实现的，或者是通过跨越连接实现的。在隔膜1101的此表面上，导电元件1102形成了直角Z形，并且因此形成了另外的部分，即导电元件的第四部分1107。第四部分1107将沿着第二部分1104，与磁场的第二轨迹512重合。这具有使在任一时间流经第二轨迹512的电流总量加倍的效果，因为电流是以相同的方向流经第二部分1104和第四部分1107。这导致在该位置施加到导电元件1102上的洛伦兹力(图9A和图9B中的力F₄₀₆)加倍。另外，在此表面上，导电元件1102包括第二端子1108，同样便于电气连接。

以与导电元件402相同的方式，导电元件1102被印制到隔膜1101上，或者采用粘合剂附接至隔膜1101上。

图12：

图12示出了第二个可供选择的隔膜1201，其中导电元件的延长，以结合图11描述的方式，被重复多次。隔膜1201因此具有布置在其上的导电体1202，并且适用于取代隔膜303。

图12中所示出的方案纯粹是为了帮助理解，并且以将隔膜分割成两半并且平铺的方式示出。

导电元件1202包括S形部分1203S，其实际上位于隔膜1201的第一表面上。S形部分1203S由导电元件1202的一组S形部分构成。另外，Z形部分1203Z由导电元件1202的一组Z形部分构成，Z形部分1203Z被连接至S形部分1203S。Z形部分1203Z实际上位于隔膜1201的第二表面上。

导电元件1202由第一直角S形部分1204构成，与图11A中所示出的类似，并且其包括第一端子1205。第一直角S形部分1204被连接至第一直角Z形部分1206，与图11B中示出的类似。

然而，取代第一Z形部分1206在此点终结的是，第一Z形部分1206的末端被定位使得允许电气连接至第二S形部分1207。连接至第二S形部分1207的是第二直角Z形部分1208，同样地，第二直角Z形部分1208的末端被定位使得允许电气连接至第三S形部分1209。最终，第三直角S形部分1209被连接至第三直角Z形部分1210，该第三直角Z形部分1210由第二端子1211终结。

因此，实现了位于磁系统401的磁场的三个轨迹中的每一个内的载流材料的总量超过导电元件1102所能提供的三倍。这使得施加到导电元件1202上的洛伦兹力具有三倍的强度。当然，导电元件的直角S形和Z形部分的重复次数并非限制于三个，在此可以根据设计需要和应用采用任何次数的重复。

图13：

图13示出了位于磁系统401附近的隔膜1201和导电元件1202(包括S形部分1203S和Z形部分1203Z)的爆炸等轴侧视图。事实上，导电元件1202当然能够被连接至隔膜1201。

重要的是需要注意，虽然在此所描述的本实用新型的实施例参考，例如磁系统401为海尔贝克阵列，及导电元件402为直角S形，但当然也可以采用其它结构。本实用新型涵盖使得在隔膜的外部分上引发产生平行于磁系统的力，及在隔膜的中央部分引发产生垂直于磁系统的力，从而引起隔膜响应施加到导电元件上的音频信号的振动的任何磁系统、隔膜和相关的导电元件的结构。

图14：

如先前结合图4所描述的，在本实施例中，其中安装有隔膜303(或者可选择地隔膜1101或者1201)和磁系统的外壳301能够被封闭。图14示出了此结构及其所带来的优点。

扬声器303在图中以横截面示出。出于简化视图的目的，阳极电缆403和阴极电缆404在附图中被省略但在事实上当然存在并且对应连接在端子202和801和端子203和802之间。在工作中，隔膜303将以先前结合图9A至图10B所描述的方式变形。这将引起可变形围绕物304的变形，即它将运动并且伸缩。

图14中以虚线示例性地示出了隔膜303和可变形围绕物304相对各自的静止状态303A和304A进行偏移的状态。这些偏移在所施加的音频信号的正和负半周期内实现。因此，隔膜和可变形围绕物在负半周期内的状态，引发空气压缩，分别以303B和304B示出。隔膜和可变形围绕物在正半周期内的状态，引发空气的稀疏，分别以303C和304C示出。

如先前参考图4所描述的，隔膜303包括四个定位条带。这些提供了枢转点，以使隔膜能够围绕枢转点发生变形。图14中以1401和1402示出了这些枢转点。准确选择这些枢转点可以使得当隔膜通过导电元件传递音频信号获得能量时外壳内部的总音量保持不变，保证了外壳301能够被封闭并且因此产生等容(不变音量)过程，这降低了空气进入或者离开外壳从而导致失真的趋势。

本领域普通技术人员应当认识到，虽然本实用新型在此所描述的实施例主要涉及扬声器的应用，其原理同样适用于麦克风设计。

Claims

1.一种声换能器，包括磁系统和隔膜，所述隔膜上布置有导电元件，其特征在于：所述导电元件包括：

第一外导电部分和第二外导电部分，用于产生平行于所述磁系统的力；以及，

中央导电部分，用于产生垂直于所述磁系统的力；

其中施加于所述导电元件上的音频信号引发所述隔膜的振动。

2.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于：

磁场具有场向量垂直于并且远离所述磁系统方向的第一轨迹，场向量平行于所述磁系统方向的第二轨迹，及场向量垂直于并且朝向所述磁系统方向的第三轨迹；

所述第一外导电部分被布置为与所述第一轨迹重合，所述中央导电部分被布置为与所述第二轨迹重合，及所述第二外导电部分被布置为与所述第三轨迹重合；以及，

当所述导电元件所载电流以一个方向流经所述磁场的第一轨迹和第三轨迹时，所述导电元件所载电流以相反的方向流经所述磁场的第二轨迹。

3.根据权利要求2所述的声换能器，其特征在于：所述磁系统具有空间旋转的磁化模式。

4.根据权利要求3所述的声换能器，其特征在于：所述磁系统为海尔贝克阵列。

5.根据权利要求4所述的声换能器，其特征在于：洛伦兹力引发所述隔膜在音频信号的负半周期内的一般弧形状态，与在音频信号的正半周期内的一般平面状态之间振动。

6.根据权利要求5所述的声换能器，其特征在于：所述隔膜在静止时具有一个方向上的一般弧形轮廓。

7.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于：所述导电元件仅布置在所述隔膜的一侧。

8.根据权利要求7所述的声换能器，其特征在于：所述导电元件具有基本呈直角S形的形状，以形成所述第一外导电部分、第二外导电部分和中央导电部分。

9.根据权利要求8所述的声换能器，其特征在于：所述导电元件延长至所述隔膜的第二表面，并且在所述第二表面上具有基本呈直角Z形的形状，以形成与所述磁场的所述第二轨迹重合的第二中央导电部分。

10.根据权利要求9所述的声换能器，其特征在于：所述导电元件在所述隔膜的第一表面上形成至少一个另外的基本呈直角S形的形状，及在所述隔膜的第二表面上形成至少一个另外的基本呈直角Z形的形状。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的声换能器，其特征在于：所述隔膜为柔性印制电路板。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的声换能器，被配置作为扬声器工作。

13.根据权利要求12所述的声换能器，进一步包括具有前挡板的外壳，所述隔膜的边缘通过可变形围绕物安装到所述前挡板内。

14.根据权利要求13所述的声换能器，其特征在于：所述外壳被封闭，并且其中所述外壳内的空气总量在所述隔膜振动时恒定不变，从而形成等容过程。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的扬声器驱动器，形成以下之一的一部分：

一对耳机；

条形音箱；

电视机；

便携式计算机。