TW530518B - Bending wave loudspeaker - Google Patents

Description

530518 五、發明説明（1 ) 本發明關於彎曲波揚聲器，並 ^、 〃、 ⑦爲扁平面板揚聲器。 益藝背i 爲平面板揚聲器實爲最傳揾， 塞系統作業，#自炊& & 耳态，直到最近仍以活 尤忭i <一自然朋潰造成對所 別是’錐式揚聲器遭受不同之缺點，包括有限 其較高作業頻帶寬之聚束，此^括有限《帶寬及在 千面板μ器以利用隔膜之伸展式振動片知名， 寸，面-一… 作業。此情況下，自然尺 ^面貝！翁度及振動片張力主要決定面板中之模能之性 貝及範圍，雖然，多數材料同右 〜 供二一 Ρ # 枓口有（振動片阻尼有將模態降 _ t 一王又（釔勢。此型式之揚聲器有一些理想聲特性， 輕射圖案及合理之寬帶寬。但結構之性質i，此揚聲 备甚難製成相容之品質。 最近，’弓波揚聲咨已被發展出，如揭示於⑽之Ep 等人之Ep 〇847661之例，其依賴多模式或 分布模式作業。二情況下，特別是後者，稱爲魏，其實 際上，利用板共振再生聲輸出，以限定寬帶揚聲器之新型 式之基準，模態係由有限之板尺寸及續起之模式之建立造 成’係因爲板之尺寸，彎曲硬度，及材料之面質量密度。 已顯示此型揚聲器可展現理想之聲特性，此乃習知技藝所 無法達成者。在分布模式揚聲器時，較低頻率範圍在有些 十月/兄遭受稀疏模悲，至少限制揚聲器於其較低頻率作業時 之高傳眞度目的。 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 五、發明説明（2 ) 本么月之目的爲達到一更有效之利用彎波，以便在揚聲 m幸又低作業範圍聲音〈再生。本發明擬避免全面降低或至 作業範圍或至少較低作業頻率範圍，降低面板之模 曰T爲里心上，面板應視其本身爲無限尺寸，意即無能 量自邊界被反射而不論其有限實際尺寸。本發明之中心理 想爲，聲孔隙加在觀念上無限面板之負擔，導致在面板之 遠場中重合頻率之下及以上，可用之靜聲功率。 文件已指出，在彎平面波中作業之無限大面板，在其重 合頻率以下（面板中聲速到達其四週空氣（液體）之頻率），輻 射甚+，或不輻射聲能。爲克服此一限制，分布模式揚聲 器事實上施加一有限之機械孔隙於無限面板上（以其有限 尺寸及邊界條件），因此，建立一模態目的已達此一效應。 此孔隙 < 效應係給面板提供一零（箝位之邊緣）或無限大（自 由邊緣）之機械組抗，因此，鼓動反射以建立面板中之自然 共振行爲。 反之’本發明規定在面板邊界終止面板結構，以理想的 吸收入射之彎波能量。此舉等於一無限面板有一有限孔隙 於其上一樣。此點與習知技藝大不相同，及對模態目的之 對照。 本發明概述 根據本發明，備有一揚聲器，含一面板，其足夠堅固以 支撑琴曲波，面板有一邊界，一轉換器裝在面板上，以施 加一擴散行波形式之彎波能量於第一位置，以響應加在轉 換器之電信號，以使面板振動及輻射一聲輸出，揚聲器有 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格( χ 297公爱） 530518 A7

^率靶圍，自較低頻率伸展至較高頻率，面板有一硬度 才疋么、阿於較低頻率之重合頻率，及包含在第二位置在 面板上之及與面板有關之構構，以衰減面板中之行彎二， 以防止或至少緩和面板共振，衰減機構係一在無限 一聲孔隙方式作用。 裳減機構可包括在面板邊界之機械阻抗裝置，並與機械 =抗匹配以吸收到達面板邊界之彎波能量。衰減機構可位 j面板上或其中，以在其到達面板前，衰減彎曲波能量。 衰減機構與頻率有關。此頻率依存在可使彎曲波能量之較 高頻率，自面板邊界被反射。 機械阻柷機構可在圍繞全面板邊界延伸。 裝 哀減機構可含一預定之硬度或跨面板之結構機械阻抗輪 廓。 、訂

機械阻抗機構可增加彎曲波能量吸收，或跨面板邊界之 至少一邵份，增加彎曲波能量之轉移。 衰減機構可提供至少跨面板之一部份，一非均勻或改變 之機械阻抗輪廓。 衰減機構可提供在向面板邊界之衰減增加。 农減機構可提供向面板中心之衰減降低。 衰減機構可有一機械阻抗，其與在至少面板_部份與面 板框架間之一介面之機械阻抗匹配。 衰減機構可含一至少跨面板之一部份之厚度或密度變化。 衰減機構可含在面板上一表面或二表面之一層，及/或併 入面板内。 -6 - 530518 五 、發明説明（4 :曲波面板可含一終止，位於或在至少面板之一部份。 ，八？：：有一預定機械阻抗以實際上終止至少面板之-部 ^機械阻抗爲面板框架之-部份之機械阻抗。此終止可 有：預定機械電阻’以降低向面板邊界移動之彎曲波能量。 弟一位置可能位於面板中心。 ::明另一特性爲一麥可風，含一面板，其硬度足以支 撐言曲波，面板有-邊界，一轉換器裝在面板上以產生一 ^信號，以響應彎曲波能量，其形式爲面板中入射之聲輕 j造成=擴散行波，麥纽有—料範圍，自較低頻率延 至較鬲頻率，面板有一硬度提供一較低頻率爲高之重合 頻，m幾構於面板上或與面板有關，β衰減面板中 •仃波*曲波，以防止或至少緩和面板共振，衰減機械作 業方式係以在無限彎曲板中做爲一聲間隙。 由另-特性’本發明爲一含一面板之聲裝置，面板足夠 土硬以支撐彎曲波，面板有邊界，聲裝置之頻率範圍可自 底頻率延伸至南頻率，面板有一硬度可提供高於較低頻率 <重合頻率，及含一在面板上或與其有關之機構，以衰減 面板中之行波彎曲波’以防止或至少緩和面板共振，衰減 機構係以在無限彎曲板上作爲一聲間隙方式作用。 有一主要方法以達成本發明之目的。本發明之彎曲波目 的可用二技術之組合。 理想上面板系統應有一具有繞其邊界，用以終止面板之 機械阻抗之機械阻抗之結構。此舉可導致達邊界之彎曲波 能量之充份吸收。 本紙張尺s 0家料(CNS) Α4規格(21GX297^jy 530518 五、發明説明（5 二一万法馬面板内併入足夠及適當之阻尼’無論是固有 1:σ阻1材料於其表面或内部結構，以逐漸吸收自激勵 备射之會曲波能吾 m 里因此，當波到達邊界時，其將失去 大二數或所有能量，因此造成少或無反射。 實際上’以上二技術之組合可用以達成理想性能。二情 形下’阻尼結構可指定材料及/或結構予以特別設計，以與 頻率有關以達到特定之聲目帛，例如，如面 變成模態則甚爲理想。 、手 /艮據上述之二方法’阻尼可併入或在面板之四週，以實 質降低面板邊界之蠻曲、此A β 弓曲波n，或當彎曲到達面板邊界時 p奪低、。但以上_万法均不涉及併入阻尼而使面板之效率不 田的被危害。理想之阻尼可經由跨面板之預定硬度或結構 阻抗輪跨而達成，或併人邊緣終止之形式達成。 本1月之开/式中曲波面板備有一媒體，以便至少 在面板邊界之一部份，降低彎曲波能量之反射。 本發明另-彎曲波面板形式中，跨面板有一逐漸降低或 增加之阻尼或阻抗。 本1明另，形式之幫曲波面板中，跨面板之阻尼或阻抗 之增加實際爲線性。 本發明另-形式之彎曲波面板中，跨面板之阻尼之增加 或降低，爲非線性或指數。 本發明之另-形式，一彎曲波面板含一媒體，其對面板 中之彎曲波有一阻抗。 阻抗之參考包括電抗及/或電阻之參考 裝 •訂

530518 A7 B7 五、發明説明（7

圖14a爲反射係數之波幅圖； 圖14b爲反射係數之相位圖； 圖15a爲反射係數之波幅圖； 圖15b爲反射係數之相位圖； 圖16爲未處理及表面處理梁之阻尼因數對頻率之比較固 圖17爲應用一阻尼條之梁之阻尼因數圖； 圖1.8爲應用二阻尼條之梁之阻尼因數圖； 圖19爲應用三阻尼條之梁之阻尼因數圖； 圖20爲邊緣終止之彎曲波梁圖形； 圖21爲圖20之梁之反射因數波幅圖； •圖22a爲一試驗面板之後視圖； 圖2 2 b爲圖2 2 a之面板正視圖，顯示一阻尼條裝置· 圖23至26爲圖形顯示22a之面板在不同驅動點之驅 速度； 圖27爲一圖形，顯示圖22a之面板之聲壓力； 圖28a-f爲一梁終止器之不同構型； 圖29a-f爲圖形，顯示圖28a邊緣終止器構甸夕$如α 1丹土 <反射係數 波幅； _ 圖30a-c爲一梁之壓縮邊緣終止之不同構型，及 圖3 1a-c爲圖形，顯示圖30a_c之邊緣終止之不同構型之反 射係數波幅。 實施本發明之最佳模式 目珂有許多材料，其行爲如模數及損耗因數，可配合設 计與頻率及溫度無關或有關。在所述二法中，選擇適♦材 -10- ^張尺度適用中國國冢i準(CNS) A4規格---------- 530518

料及正確吸收因數，應相當容易以適合製造程序及成本。 ^緣終止可由許多方式達成’但在各計劃中，有用性 可應用逐漸阻尼執行-單線性函數或更理想之指數律而達 成。後者可提供以阻尼材料處理之—較小之面板面積。 模製阻尼材料於面板中以達成較佳順服與較少成本，亦 甚爲理想’如設計合乎注人模製程序。某情況下，較佳以 阻尼材料終止面板，其有一開放結構以防止不當輻射自其 射出。 能以頻率控制阻尼之材料，在構型面板之最佳性能以適 合應用，則最爲有用。例如，如面板能爲聲理由，頻率範 圍之一部份以DM方式作用則更爲理想。 内阻尼 内阻尼之意義爲阻尼加在遠離面板邊緣之面板上。此例 時，可應用不同方法以建造一面俺，以便增加需要之阻尼 。此一想法使彎曲波在到達面板之末端前，將其衰減，以 避免自邊緣反射。此方法可包括： a) 利用有高固有阻尼之單塊面板。 b) 在面板上加一層阻尼材料，面板可爲會合或單塊面板： 此層可爲單阻尼泡沫，或爲塗層。 c) 利用一阻尼層作爲製造面板之一層，即，一黏膠層或核 心材料，或 d) 在形成泡沫及共模造程序中，作爲加至基本材料之注入 模造程序中之一部份。 表面阻尼可應用不同之普通及密秘材料達成。材料之表 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) P里4度A重要參數，其應爲最小以達成最佳效率。 = 包括開放或閉合結構之聚合體料，纖維，pvc j '，自然或综合皮，紙基材料，液體材料之表面塗層等。 圖la-lh顯示施加不同厚度之阻尼層2在面曰 、〈具有均勻厚度之阻尼層。或者，除提供一或二阻尼層 於面板之一或二表面外，一或二阻尼層可併入面板本身: 結構中。或者，面板丨可由單塊或低損耗材料構成，如圖ld 所示’或由南4貝耗材料構成，如圖le所示。 内阻尼或結構阻尼可選擇適當之材料設計於面板中，例 如以面板之尺寸之阻尼應足夠以減低自邊界之彎曲波能量 反射至有用位準。爲使性能最隹，應避免過度阻尼。 例如，聚氨基甲酸酯較聚合酯以夾心結構，更可製成較 佳之自行阻尼泡沫核心。圖lj顯示具有聚氨基曱酸醋泡沐 核心3及面皮4之面板1。其他二種結構阻尼方法亦可適應， 其中之阻尼材料係注入核心S腔，以提供適當及良好之阻 尼以適於應用。圖lk顯示根據結構阻尼方法之自行面皮穿 出面板1，圖1 m則根據第二結構阻尼方法之具有蜂巢式核 心5及面皮（未示出）之面板1，阻尼泡沫6係注入其中。如注 入材料爲輕質及彈性，則面板之其它特性如硬度及面質量密 度，不會大幅改變，因爲面板阻尼之修改以配合設計需求。 邊緣阻尼可認爲是及模態爲質量彈簧及減震器系統。特 別是，邊緣阻尼可認爲是系列彈簧/減震器系統，其逐漸增 加其強度。彈簧/減震器系統可加在面板之邊緣，邊緣區域 530518 A7

^自=板之輕射爲最小之處。圖2a_2n顯示_機構，由 面板之邊緣區之輻射或反射可爲最小。 、根據彳法，當邊緣終止接近時，硬度應強。硬度庶 逐件方式增加，以避免突然之機械阻抗改變，及隨後:

裝 :。阻尼亦可以相同方式增加，彎曲波之波幅亦應在 k面板邊緣時，逐漸降低爲零。圖2^2』顯示面板1具有—、鲁 、彖阻尼6 ’其構成一機構，其可在波到達面板邊緣 降低彎曲波之波幅。…中之面板硬度以局部增加= 厚度，在面板邊緣區域7處增強。圖2〇1中，阻尼材料固定在 剛性框架8。圖2e-2g之實施例中，面板丨爲均勻厚度，當在 邊緣之之阻尼材料6爲錐形厚度。 根據另一方法，如圖2k_2m所示，面板之厚度及硬度在邊 緣部份降低，如9所示。此舉與表面阻尼結合，導致邊緣區 之·波速降低，其在吸收入射之彎曲波能量甚爲有效。入射 4彎曲波能量之吸收，如利用在頻率有效之阻尼材料則更 爲改進。 空中及地面運輸，即車輛之内部模造面板微調及結構， 可提供此技，術之有用應用。如圖3所示，汽車微調面板！ 〇 係以聲主動面板區11，由震動轉換器丨2激勵而構成，其性 能由利用阻尼6於主動區外之面板區而改進。此一技術在其 它應用亦甚爲有效，其結構之主動區功能爲一揚聲器電視 箱，電腦包封等。 圖4爲阻尼系統1 3略圖，此系統用於波束1 5之一末端或邊 緣14，其由箭頭16所指之轉換器激勵震動。但圖4之阻尼系 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 530518 A7 _ B7 五、發明説明（11 ) 統可用於一面板上。在阻尼系統中，彈簧，1 7代表硬度， 1 8代表阻尼或損耗。實際上，阻尼系統爲一分布結構。如 硬度及阻尼値跨面板爲可變的，及該値向面板之末端變化 較爲理想。 某些聚合體材料可設計爲具有所需硬度及阻尼特性，該 硬度及阻尼特性與頻率無關。此種於聚合體材料可用以配 合面板之行爲。例如，阻尼可在高頻率時降低，以期在此 等頻率時保留模態，其可適於特殊應用之輕射特性。圖5 爲某材料之硬度及阻尼特性之圖形，此特性可由設計控制 。此種材料可有利的用以達到面板揚聲器之特殊設計目標 。例如’如材料規定有，阻尼因數（a)，則阻尼將隨頻率增加 而降低’面板將在鬲頻率變爲模態。由於模在高頻率範圍 ’正#時相當密，及提供一擴散輻射，此可爲一理想設計 目標。 圖ό爲彎曲波跨一邊緣阻尼之面板向面板邊緣擴展之圖 形。自圖6可見’朝向面板邊緣之彎曲波仍有高能量位準， 但受到接近面板邊緣時，逐漸增加之限制或硬度損失。硬 度及電阻之增加造成阻尼或損耗，其以逐漸方式吸收彎曲 灰fi匕玄故操或^终能量自面板邊緣反射。邊緣阻尼可以 具有適當機械特性之材料，提供面板邊緣而達成，如圖2a_2j· 所不。或者’邊緣阻尼可構成一面板爲漸尖形或火燄形而 達成，如圖2a-2d中所示者。面板之漸尖邊緣可在面板之一 側或一側具有線性或指數輪廓。以此方法，面板硬度可增 加’硬度可增加彎曲波速度。硬度增加及對應之阻尼增加 -14-

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裝 ★

530518 五、發明説明（13 ) 自由層阻尼 現在：明關於應用自由層於一板上之背景理論。面板上 ，用，纟理十分有效，以提供面板—寬帶阻尼，如 明-貫施例以下所述。面板上使用泡朱條，可在特殊^ 產生能量吸收，此血卩I # # > _ + & 、率 /、阻尼層 <機械特性及尺寸有關， 如下。 〜 ?有機械特性及時間依存性之黏彈性材料，常用以液體 '至層或片狀直接加於面板上，以增加系統之阻尼特性 消除或降低不當之震動。當黏彈性層直接加在-震動板上 而無任何限制時，稱爲，自由層，，此層與便板表面以延伸/ 壓縮成平行作業。自由層在板之震動特性之效用，曾廣爲 研究及公布。阻尼處理係由混合損耗因數控制，如等幻： 等式1 A(H2] 其中 η s =系統阻尼因數 A : =系統常數 Η,: =基層厚度 Η2 : =自由層厚度 Ει : =自由層楊氏模數 ε2 : =自由層楊氏模數 η2 = =自由層阻尼因數 因此，每一單項中’系統損耗因數隨層厚度（與基層相對） 16 本紙張尺度制巾@ @家辟(CNS) A4規格(21〇^^^y

…自由層換數（與基層相對），及自由層阻尼而增加。但此 ，式不月匕〜孤所有構型。發現自由層阻尼方法爲•局部反應 士面板疋王由自由層處理所涵蓋時，效應與模態形狀或 項率無關，但可提供相當寬帶能量吸收。 仁㈤自由層僅加在面板之-特殊區域，將有與此層相 ?之自由層厚度，張力/壓縮中之模數，密度及自由層阻尼 相關i共振頻率。如以下之等式2所示： ί Γ

等式2 其中 fr =共振頻率（HZ) κ =張力/壓縮之有效硬度 Μ =自由層質量 自由層之有效度由以下等式3控制： K〇cJ~ 等式3 其中 E =張力/壓縮中之楊氏模數 A =自由層表面面積 t =自由層厚度 加在面板之全表面之自由層阻尼提供一寬帶阻尼，如等式 所述 條形或分立件之自由層可用於面板表面之特殊區域，以 -17-

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提供在控制位準及控制之頻率範圍下之能量吸。 邊緣吸收 邊緣吸收之目的爲吸收自一激勵器入射一邊緣之某些 全部能量。 激勵器發射之波按距離跨f曲波板擴展。在其到達面板 邊緣時，其曲率大幅降低，並接近爲—平面波。此近似平 面波在邊界之大部長度均爲有效，而距面板之角落之最遠 處最佳。 ' 當近似平面波變成一維時，即入射於平行邊界之平面波 ，可將問題簡化。此問題可認爲係一維（ID)波束，沿其傳 播之波，及在邊緣終止而解決。重要的是，實驗及隨後之 理論並非指分析被限制於梁相似之面板。 由阻抗終結之一 ID梁 考慮圖8説明之裝置： 此裝置爲爲一輸送線問題，含以下部份： (a) ID波導； (b) 波入射於邊緣； (c) 一終端m抗，及 (d) 邊緣之波反射。 如邊緣之邊界條件爲已知’此問題易於解決，條件爲· (a) 終端阻抗僅偶合至橫向速度，即不提供任何轉矩電阻 ，因而使邊緣之彎曲瞬間等於零，及 (b) 橫向剪力與邊緣之速度比値等終端阻抗。 此舉導致邊緣反射係數以下之結果： -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱)

R Ζτζ； + 1 由終端阻抗’ΖΒ爲梁之末端之機械阻抗，

Bk2 2ω (1 + ο CO, 由此等式得知以下各項： I 2端阻抗與終端阻抗之比値決定反射係數； •木阻抗與頻率有關，並與頻率之平方根成比例； 3. 梁阻抗在等加權中爲實數及反應性； 4. 反射係數多與頻率有關。 此等因數可協助工程師/設計波束終端。 例1 -純電阻阻尼 第一案中考慮一典型面板材料，其有一在邊緣之纯 阻尼；材料爲5 mm厚之聲66，其爲酚紙製混合物，有奪 房心’其材料參數如下： B =18.4 Nm =0.44 kgm'2

-19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(2l〇X297公爱) 530518 A7

五、發明説明（17 )

圖9爲施加電阻性阻尼之範圍之以頻率爲函數之反射係 數之振幅。此曲線説明純電阻阻尼之以下數點： 1 ·系統在施加之電阻位準增加時之頻率，吸收最大； 2·在此點之吸收與電阻無關，等於〇·41，及 3.最大吸收並非1〇〇%，但甚有用。 圖10爲梁終端阻抗之模數與加在梁終端之電阻性阻抗之 比較。其清楚顯示此二者相等時，吸收最大，此時係數爲 0·41 (41%) 〇 1 ·以純電阻性阻尼，最小反射係數爲〇.4 1，在梁終端阻抗 模數等於電阻性阻抗之値時發生。 2 ·反射係數之値之趨勢爲在此頻率之二側。 3 .反射之相位在頻率增加時，以-π至-π /2變化。 例2 :以一電阻及一順應終止 利用複合阻抗可有更大彈性，及用以終止一梁，例如在 一窄頻帶。爲使反射係數等於零，下列關係可被滿足： _ ^T1 ·

Re[Zr] = Ιηι[Ζβ] Im[Zr] = ~Re[25] 以具有順應及電阻性阻抗終止一梁，可實現此條件如圖 ，如圖1 1所示。圖Π a顯示（X)爲終端阻抗之實數部份與梁 阻抗之虛數部份，圖1 lb顯示（y)爲終端阻抗之虛數部份與 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐] ----------— 530518 A7 _____ B7 五、發明説明（18 ) 梁阻抗之負實數邵份。終止之參數爲： 機械電阻二40 Ns/m 順應二 4.8χ 10·6 N/m 以此選擇之參數，上述條件在82〇 HZ時可達成。計算後 之反射係數如圖1 2所示，此頻率時所望之零値。此條件下 之反射相位自7Γ至· 7T /2變化。 當電阻及順應値無法以方式匹配時，吸收小於最大。如 圖1 3所示，順應在最佳終止順應之上下變化。亦證明反射 係數之頻率及値由所選之順應決定。 分析指出： 1. 可利用複合阻抗之冗全終止邊緣。此可用具有電阻 及順應部份之阻抗達成。 2. 如邊緣已冗全終止，反射係數在頻率中變爲較小及較 窄。 3. 反射相位自7Γ至-7Γ /2變化。 4. 如終端之電阻與順應與邊緣在任何頻率均不匹配，仍 有最大吸收，但並不深，其頻率與強度與所選之値有 關。 ， 例3 :以電阻，順應及質量終止 增加質量供邊緣終端阻抗不致改變此一情勢。仍然可能 匹配邊緣之阻抗至一完美吸收，但考慮到終端阻抗之虛數 部份，順應及質量均應考慮在内。再者，當終端限抗自匹 配成不匹配時，吸收在頻率及深度移位。反射相位現在自 7Γ至-7Γ變化。 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 530518 A7 B7 五、發明説明（19 ) 當考慮到以實際阻尼泡沫終止一面板時，有效電阻，順 應及泡沫質量通常與頻率相關。但每一泡泳/面板材料顯示 之特性行爲及吸收位準可予以評估。 以複合阻抗，接近匹配標準終止 此案例下，系統被選爲Miers泡沫，其爲軟PVC閉合單元 泡末，5 mm厚終止聲66，5 mm厚。此系統之行爲如以順應 ，電阻性及質量組件之匹配終端，導致一尖銳之吸收，如 圖13，14a所示，相位自7Γ至-7Γ變彳匕。 以電終止 此例中，以一由碳纖維皮製成之梁，於一 5 mm厚AL蜂巢 心之上。此梁以综合聚合體阻尼器終止，其以高電阻 Sorbothane 3 0 '00’聞名。最後之吸收系數如圖1 5所示，顯 示一純電阻終端之特性相位及波幅變化。此爲接近〇. 4吸收 最小之波幅，相位變化與-7Γ至-7Γ /2相似。 在一典型彎波面板之模態行爲上之能量吸收處理之效應 此目的爲説明在以梁形式之特殊材料上，能量吸收之效 應，之後延伸此分析爲一全尺寸之面板。 選擇一低姐尼，高硬度之梁以説明能量吸收處理之效益 。利用環氧黏膠，將一碳纖維皮壘層在一鋁蜂巢心上。其 機械特性列於下表1中： 面板號 面板厚度 (mm) 板面密度 (kg m'2) 抗彎剛度 X方向(Nm) 抗彎剛度 Y方向(Nm) 材料損耗 因數 t μ D1 D2 η 丄 5.25 0.882 82.83 83.83 0.0025 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 530518 A7 B7 五、發明説明（2〇 ) 此種材料之梁於是接受下列處理，及此梁之特性分析如 下： 梁之邊緣處理之效應 填充聚合體之薄膜，含具有嵌入鉛粒之聚合體，跨加在 表1中梁（全表面。此系統之增加之阻尼因數與圖丨6之未處 理之梁阻尼因數比較。 自圖16可知，聚合體阻尼層爲系統增加可觀之阻尼自3〇〇 Hz至10 kHz。此頻率範圍中未處理之梁之平均阻尼値爲 0.003，而處理後，阻尼因數增加爲〇 〇194(因數6·5之增加）。 填充足聚合體層跨梁之全表面已增加阻尼之廣泛位準， 反射係數之量度未受加在面板之阻尼層而受影響。 低模數泡沫條 如上所述，加在面板上之填充聚合體層可產生一廣泛帶 阻尼效應。但如上述，亦可加一低模數泡沫材料條，其在 面板之某一特殊區域及特殊頻率吸收能量。 此情形下，低模數PVC泡沫，其爲優異之閉合單元，沿 表1中梁長度施加一寬5 mm之條。此泡沫條有一與厚度，壓 縮模數，材料阻尼及此條之密度相之共振頻率。圖17顯示以 低模數泡沫之單一條沿梁長度加在梁上（表丨）之阻尼因數。 圖17指出在3.3 kHz時，泡沫條之共振，其以將此頻率附 近之阻尼大幅改進。泡沫共振有效的增加了此裝置之能量 吸收。 別例中使用之一低模數泡 >朱條，係一條在另一條之上广 梁長度配置，泡沫之吸收頻率改變如圖丨8所示。

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’爲獲得最佳吸收，泡沫之有效硬度，如自由層之質量加 倍則應降低2因數，因而導致吸收頻率中之因數2之降低。 比較圖17及18，共振頻率之降低如自等式2及3所^之因 數2。 沿每一梁施加三個泡床條於梁上’吸收頻率保持相同， ，由於增加之阻尼，即增加之阻尼，峰値變爲更寬。圖19 顯示此效應。 以三泡沫條沿每一梁時，峰値阻尼因數約爲〇〇58，但吸 收頻率約爲3·3 kHz。此可與在單一泡沫條之3·3 kHz時，較 小峰値阻尼因數0.036比較。

Sorbothane邊緣終止 增加邊緣終止於面板之效益已如上充分對付。施加二聚 氣基甲酸醋’高機械耗順應聚合體Sorbothane 6條至表1之 梁15之邊緣，如圖20所示，能量吸收之有用程度即可達成 。條尺寸及梁端與框架8間之間隙可爲最佳，以吸收$ 〇 〇 Η z 以下之能量及6 kHz以上之能量，如圖2 1所示之一梁上邊緣 終止之反射係.數。 加至面板之阻尼處理 此段之目的在顯示上述之三處理之效應，即填充之聚合 體層，低模數泡沫條及表1中之面板模態行爲及聲性能之邊 緣處理。 圖22a顯示面板尺寸及用於此等振動中四個激勵器位置 。如以下所示之面板，單一電動力激勵器（25 mm直徑）被輪 流配置於以下説明之四個位置中，以測量驅動點速度及軸 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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上聲壓力。此等測量以上述之加 複。此等處理如下所述： mu處理丁以重 h %充（聚合體層加在全面板表面之丨側， 2. 低模數泡沫條(單層及雙層之3條加在面板之“則，成輻 條構土（條長= 560 mm)跨面板中點），見圖22b節 3. 如圖20詳述之沿面板之全周圍之___邊緣條件 驅動點速度測量 篡面板以不夂之力激勵時，面板中激勵之模態分布可 在驅動點之速度特性作最佳表現，速度之平滑度程度用以 展示面板中模式除去之成功。 自由面板及阻尼處力面板之驅動點速度如27_3〇所示。在 — 560 mmx 530 mm之扁中，每圖之激勵器位置摘要如下 (自底部左角測量，見圖26a): 圖23 面板驅動點（280 mm，265 mm) 圖 24 4/9 Lx，3/7 Ly位置（3 10 mm，300 mm) 圖25 面板邊緣中點，（280 mm，430 mm) 圖26 面板角落（460 mm，430 mm) 自圖23-26，不同阻尼處理在面板之模態行爲上之影響， 清晰可見。即激勵器位置之效應由阻尼處理而降低。自由 面板之尖銳，低阻尼（高Q)模式，已被阻尼處理大幅降低， 結果，在激勵器驅動點之速度，在頻率高至20 kHz時，相 當平滑及扁平。 軸上聲壓力測量 圖27顯示自由面板對阻尼處理面板激勵器位置1(面板中 _-25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐Γ A7 B7

530518 立、發明説明（ 點），之軸上聲壓力。 自圖27,可知在自由面板中之低阻尼模式，由於加面板 上之阻尼處理，其強度已大幅降低。 當圖23中足面板I模式行爲與圖27之面板之聲響廡比較 時，在聲響應中可見更多之振動。此係因爲衍射及輕射未 顯示於速度測量中。 a) 供能量吸收之自由層阻尼技術及邊緣阻尼處理之模式 ，爲面板材料及能量吸收處理顯示已實驗證實之有用 行爲。 b) 利用能量吸收處理後，面板之模態活動可大幅降低。 c) 單一面板模態之反射係數分析及系統阻尼因數可方便 面板行爲上，不同處理之效應之預測。 邊緣終止之形狀/形式中改變在反射係數上之效應 泡沫形狀足改變在反射係數（波幅及相位）及阻尼因數上 ，對碳纖維鋁蜂巢梁之效應如上所述，形狀在自由層上之 影響應予以檢討。 較低模數p v c泡 >末條以不同構型，跨梁之全寬度加在表1 之梁足末端，，如圖28a-28f所示。以圖28d_28f中之構型言， 泡泳之連續段或楔形加在梁上。以所有構型而言，梁爲^自 由構型，即無負載或壓縮加在邊緣條件。對應圖式29a_29f 顯示此等構型之反射係數。 圖28a中，低模數PVC泡沫之方塊條19加在梁之末端之二 面，以四，三，二，一條之獨立層加上，如圖示。 圖28b與圖28a之構型具有相同之條，但層爲不同安排， -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

裝 訂 t 530518 A7 __ _ B7 五、發明説明（〜) 24 7 基層及中間層爲四條，頂層爲二條，如圖示。 圖28c之構型與圖28b相似，但泡沫條之安排相反。 圖28d構型包含一相對之低模數PVC泡沫楔20,固定於梁 末端之反面。 圖28e構型與圖28d構型相似，但泡沫楔20之方向相反。 圖28f之構型與圖28d及28e相似，但其泡沫楔已由矩形低 模數PVC泡沫段2 1所取代。此構型中之泡沫段之體積相同 ，因此，其質量與泡沫楔與圖28d及28e構型中相同。 形狀在限制層之效應 以圖28a-28f構型使用之泡沫之連續楔及段而言，分析予 以重複，但另一壓縮經框架8加在泡沫段或楔上。 圖3 0a利用相同楔段20如圖28d構型所用者，但泡沫段由 原厚度28 mm壓縮至1 0 mm厚度。 圖3 0b之構型利用同一楔段20如圖28e—樣，但泡沫邊緣 由原來之28 mm壓縮至1 0 mm。 圖3 0c之構型利用相同之矩形段21，如圖28f—樣，但泡 沫邊緣自原來之14 mm壓縮爲1 0 mm。 甚爲清楚，，即邊緣終端之形狀及型式對邊界條件之能量 吸收特性有極大影響，自圖28a及28b構型之吸收特性之比 較可知，分立吸收器之高度影響吸收，其與此等段之共振 頻率有關’如前所述。圖2 8 a之構型有一以低頻率爲中心之 吸收低處，與圖28b不同，此因爲其有較大之泡沫高度，即 4段而非3段。 將泡沫段加以箝位及限制，與所有泡沫/梁構型之自由情

_______-27- }紙張尺度適财@ ®家標準(CNS) A4規格(21GX297公爱) 530518 A7 ------ -__B7 五、發明説明（25 ) ^ ' ：--- 況相比，可改變邊緣吸收特性。因此，邊緣阻抗由泡沐之 壓縮而大幅改變，此點亦影響吸收特性。 所有案例檢討後，所加之泡沐產生—高於2 k h z之寬帶能 量吸收之有用位準。此由反射係數在高於此頻率〇 6_〇 8間 變化之波幅顯示出。 本發明之揚聲器之優點可包括下列各點： 1·面板在其全作業範圍相等產生所;頻率，而不受低範 圍之稀疏模態影響，如DML情況—樣。 2·面板形狀及幾何結構在揚聲器之性能上無影響。與 DML不同，軸對稱驅動方法可爲激勵之較佳方法。事 實上，一圓形面板在中間被激勵，可提供有效答案， 及有跨全周圍之均勻終止。 3. 激勵器配置變爲不重要，在邊緣終止方法中，只要其 不置於太接近面板邊界。 4. 驅動點之機械阻抗爲常數及平滑，及無]〇1^1^揚聲器所 文之印象-已達理想無限尺寸面板行爲。 5·輻射特性及有效輻射區可以構型以適於適當之阻尼策 田各之選擇，即其頻率依存之強度。 6.低頻率輸出位準可以控制，以便將激勵$自面板中心 牙夕動以提供降低之LF功率，以適於應用。 8 ·她加阻尼至控制模態行爲降低性能之靈敏度至激勵器 位置，並可包括中央位置。 -28-

Claims (1)

1. 、2 ί#_9083號專利申請案 J丄1¾專利範圍替換本(92年2月） 請專利範圍 1· -種揚聲器，包含-面板，其Μ堅硬以支ix彎曲波 ，面板具有一邊界，一轉換器裝在面板上，以擴散行 波方式施加彎波能量，以響應加至轉換器之電信號， 以造成面板振動及輻射聲輸出，揚聲器之頻率範圍自 較低頻率延伸至較高頻率，面板有一硬度，可提供一 高於低頻率之重合頻率，及含一機構於面板上第二位 置或與其有關，以衰減面板中之行波彎波，以防止或 至少缓和面板共振β 2·如申請專利範圍第i項之揚聲器，其中之衰減機構包含 至少了面板邊界及匹配之面板機械阻抗，供到達面板 邊界之彎曲波能量之吸收。 3.如申請專利範圍第13戈2項之揚聲器，其中之衰減機構 位於面板上或其巾，以便在彎曲波到$面板邊界前’ 衰減彎曲波能量。 4·如申請專利範圍第15戈2項之揚聲器，其中之衰減機構 為頻率依存性。 5. 如申請專利範圍第4項之揚聲器’其中之頻率依存性為 ，彎曲波能量之較高頻率自面板之邊界反射。 6. 如申清專利知圍第2項之•靜哭，甘+、 币貝I刼聲器，其中之機械阻抗機構 繞全面板邊界延伸。 7. 如申請專利範圍第i項之揚聲器，其中之衰減機構包含 跨面板之一預定之硬度或結構機械阻抗輪廓。 8. 如申請專利範圍第2項之揚聲器’其中之機械阻抗機構 在至少面板邊界之一部份，增加彎曲波能量吸收，及

   裝 •線

   A8 B8 C8 D8 年、Γ日g止 範圍 ★曲波能量轉移。 9.如申請專利範圍第丨項之揚聲器，其中之衰減機構，跨 至少面板之一部份提供非均勻或改變之機械阻抗輪廓 10·如申請專利範圍第i項之揚聲器，其中之衰減機構向面 板之邊界，提供增加之衰減。 U·如申请專利範圍第1項之揚聲器，其中之衰減機構向面 板之中心提供一降低之衰減。 12·如申請專利範圍第1項之揚聲器，其中之衰減機構有一 機械阻抗，其實際上與在至少面板之一部份與面板之 框架間之介面之機械阻抗匹配。 13·如申請專利範圍第i項之揚聲器，其中之衰減機構包含 一跨至少面板之一部份之面板厚度或密度之變化。 K如申請專利範圍第i項之揚聲器，其中之衰減機構包含 面板一或二表面上之一層，及/或併入面板中。 15·如申請專利範圍第1項之揚聲器，其中彎曲波面板包含 一終止’備於或向面板之邊界之一部份處。 16·如申請專利範圍第15項之揚聲器，其中之終止有一預 定之阻抗’以實際上將面板之至少一部份之機械阻技 與面板框架之一部份之阻抗匹配。 17·如申請專利範圍第15或16項之揚聲器，其中之終止有 :預足之機械電阻，以降低向面板邊界移動之彎曲波能 量0 队如申請專利範圍第i項之揚聲器1中之第—位置為位 -2- 530518

   於面板中心。 19·種麥克風，包含一面板，其足夠堅硬以支汶彎曲波 二面板具有一邊界，一轉換器裝在面板上以產生一電 以響應由入射聲輕射造成之面板中擴散行波型 弋之弓曲波能量，麥克風有一頻率範圍，自較低頻率 至較回類率，面板有一硬度能提供一高於較低頻率之 f 5 y員率，及含一機構以裝在面板上或與其有關，以 衰減面板中之行波彎曲波，以防止或至少緩和面板共 振哀減機構以聲孔隙於一無限彎曲板上動作。 種聲裝置，包含一面板，其足夠堅硬以支汝彎曲波 面板有一邊界，此裝置有一頻率範圍，自較低頻率 延仲至較高頻率，面板有一硬度可提供一較低頻率為 问又重合頻率，及包含機構於面板上或與其有關，以 哀減面板中之行波彎曲波，以防止或至少緩和面板共 振’衰減機構在一無限板上以聲孔隙方式動作。 -3- 本纸張尺度適用中國國家標A4規格(21〇 X 297公釐)