TW577238B - Method of improving the modal resonance frequency distribution of a panel for a panel-form distributed resonant mode bending wave acoustic device - Google Patents

Description

577218 —-一 m鴆修」匕 I 月 ^ 五、發明説明（ 本發明係關於分散式共振模式的聲音裝置，特別是但不 限於分散式共振模式擴音器（下文中簡稱v，dm擴音器"）。 _背景拮i 此類擴音器包含一可支援曲波的聲音輻射器及一固定於 :聲音輻射器的轉換器’該轉換器係用於激發該聲音輕射 器中的曲波以產生一聲音輸出，例如在w〇97/〇9842(本文予 以參考引用）中的說明。 依據該專利文件，該聲音輻射器的整體特性經過選擇之 後，可將該共振曲波模式實質均勻地分布於頻率中。換言 之，該聲音輻射器的整體特性或參數，例如尺寸、厚度、 形狀、材料等，經過選擇之後，可消除由於模式的「聚 束」或群聚所引起的頻率響應峰值如表1所示 模式Να Hz l，l 59.312 2,0 70.800 0,2 131.67 2,1 140.53 1，2 171.78 3,0 207.51 3，1 269.09 模式No. Hz 2,2 286.57 0,3 361.85 4,〇 401.35 1，3 405.89 3,2 441.36 4,1 463.00 2,3 527.4 模式No. 4，—2 5,0 3,3 〇,4 5,1 1,4 2,4 Hz 645.68 666.56 691.21 723.41 736.44 759.65 874.00 模式No. 5,2 4,3 ~6β Hz 917.19 920.66 1013.8 。因此’該共振曲波模式的分佈結果實質上會呈現出最小 程度的群聚和間隔不均。對於矩形面板及等向性彎曲剛度 -4- O:\80\80163-921125.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 來π ’該專利文件會特別確認、有用㈣面尺寸縱橫比，例 如 1.134 : 1 〇 該轉換器的位置經過選擇之後，可實質均勻地耦合至該 共振曲波模式，特別是輕合至低頻共振曲波模式。所以， 〆轉換可此會處於振動方面的主動共振反節點數量相當 冋仁是，相反的，共振節點數量相當低的位置。在一矩 幵/的f月；兄下，適當的特殊位置是在距轴向3、梢或$/1 3的 地方。 W097/G9842中所教授的分析方法，不僅係關於轉換器 構件的較佳位置，而且係關於確認實際位置的能力，在該 位置中，應、言亥運用任何選擇性的阻尼以解決任何特殊的非 預期頻率。WO99/02G12同樣揭示在局部的位置中，使用 質量。兩種揭示都能解決某些顯著的頻率問題（大於「突出 外面的」平均振幅比），從而扭曲對應擴音器的整體頻率響 應。 WOOO/22877揭示的係，質量的選擇性局部位置5，例如 2至12公克的範圍β ’固定至一曲波面板以最佳調整該耦 合共振’使得整體響應適於修整。該技術在擴展該總成的 低頻範圍方面具有特別的優勢。 US 5,615，275說明的係一種擴音器，其包含一固定於一 訊框的平面隔膜，其後表面與一揚聲器音圈耦合，使得該 音圈如同-活塞’擠壓該隔膜的後表面，引起該隔膜的充 分振動，目而有效的生成聲音。質量係彈性地固定於該隔 膜之上，以便改善其頻率響應特性、數量、大小及根據經 O:\80\80163-921125.doc -5- 驗決定的任何特別隔臈中 係在特定頻率下， 搰確位置。该重量的作用 本發明專門針對分散隔膜的未受控制運動。 類裝置的共振模式分佈的:=式裝置，、其目標為改Μ 中可看出，增加共 k上述的助97舰42 的運用，將能改盖…：：的—致性，彳鞏固此類裝置 型考慮或必須配頻㈣應。“於各種造 討論的較佳面板尺::、二空間安置-面板，而使得上面所 双八才無法實規味 t 本木便可能特別適用。 因而，本發明包含一 音裝置中的面板的模式 以下步驟： 種用於改善一分散式共振模曲波聲 共振頻率分佈的方法，該方法包含 (a)分析該面板的模式共振頻率分佈，· 間隔的模式 ㈨確認-相對於鄰近的模式共振頻率為非均勾 共振頻率； 呈現反節點行為的位 ⑷確認該面板上，於該模式共振頻率 置；及 (d)在該位置改變對曲波振動的局部阻抗。 在特別的模式共振頻率中，改變該面板上，對應於一反 節點的-個或多個位置的局部阻抗，造成該特別‘振模式 的頻率偏移。本發明利用這種作用在頻譜中重新^位經由 分析確認的一個或多個共振頻率，其相對於鄰近的模式共 振頻率為非均勻間隔。依照此種方式，總體上可改善該^ 置的权式共振頻率分佈的一致性。 O:\80\80163-921125.doc -6 - 此類局部阻抗變化也可在該頻譜範圍内的適當位置產生 額外的共振模式，有助於模式共振頻率分佈的整體—致性。 局部機械阻抗zm可以下式表示·· zm = jco·質量+阻尼+硬度/」·ω 並且可能是阻尼、質量或硬度的任何單—組合或此同电 合。顯而易見的’此類對曲波振動的阻抗主要係作用於該 面板的垂直方向中。 ^ 有利的是’會確認出除了在該模式共振頻率呈現出反節 點行為之外’亦會在鄰近該模式共振頻率的第二共 中呈現出節點行為的位置。 、本方法也包含確認複數個相對於個別鄰近模式共振頻率 為非均勻間隔的模式共振頻率，確認在該面板中，於個別 的模式共振頻率中呈現反節點行為的複數個位置，並改變 在該複數個位置中其中一個或多個位置中對曲波 部阻抗。 本方法進-步包含反覆地改變該局部阻抗的步驟，以改 善該面板的模式共振頻率分佈，或者其可能包括下面牛 驟：透料種方式改變該局部阻抗，量測個別模式共振頻 :分佈的-致性’並於其中插入局部阻抗變化的較佳值。 量測步驟包含計算該模式頻率的最小平方中央差。 特定言之’該插人步驟包含仙對應—模式共振頻率八 佈的局部阻抗變化值，優於對應—具等向性材料特性及田 佳縱橫比的矩形面板的局部阻抗變化值。或者，1可= 含透過各種方纽變該局部阻抗的步驟，量測個別模=

〇.\80\80163-921125.doc 7 N 577238 __ 補充 A7 Γ-----~-______ B7 五、發明説明（5 ) 振頻率刀佈的變化，並於其中插入局部阻抗變化的最佳值。 關於改變局部阻抗的步驟，其可能包含改變在該位置的 面板質i ’㈣方便地透過一具一則生的構件及/或具 阻尼的構件，在該面板上黏接分離質量。特定言之，該分 離質量可透過一彈性泡沫構件黏接至該面板上。 改變局部阻抗的步驟亦可能包含改變該位置處的面板硬 度或阻尼。 圖式簡單說明 現在將參照附圖，透過範例說明本發明，其中； 圖1Α為一分散式共振模式擴音器之示意圖； 圖1Β呈現的係圖1Α中該面板的模式共振頻率分佈； 圖1C為一理想狀態圖，呈現（4，〇)模式的節點線； 圖1D為一理想狀態圖，呈現（1，3)模式的節點線； 圖2和3呈現的係連續應用本發明的方法後，圖丨a中該 面板的模式共振頻率分佈； 圖4呈現的係在圖丨中加入fea模型時，對四種分離質量 (m)值的成本函數（L)值； 圖5呈現的係依據圖4最佳化的面板的模式共振頻率分佈； 圖6 A-D為圖1A中面板的「驅動圖」； 圖7 A和7B分別呈現一依據本發明的另一具體實施例改善 的面板之剖視圖’及模式共振頻率分佈結果； 圖8 A和8B是圖7 A的替代配置的剖視圖；及 圖9是本發明進一步實施模式的示意圖形。 圖式詳細說曰q O:\80\80163-921125.doc · δ - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 裝《 訂

線 577238 ' : c'. !…/ > 二 b

圖1A是一分散式共振模擴音器！的示意圖，此種擴音器 可從前述WO97/09842中瞭解，其包含一透過一懸浮液3將 固定於一訊框4的面板2，該面板會載送一激發物5。這種 配置是熟知的技藝’因而不需進—步討論。對於本範例， 我們通常假設等向性材料的特性，四周零硬度的懸浮液， 三維尺寸為288 X 216 X 2 _ (對應於一面板縱橫比133 :

!)。同樣，該面板不同於W〇97/09842中說明的該較佳縱橫 比 1 · 1 3 4 : 1 〇 依據本發明的方法，為改善這樣一擴音器的該模式頻率 刀佈，首先必須分析該面板的模式頻率分佈。圖ib透過垂 線7呈現圖1A中該面板在頻譜範圍内的模式頻率分佈，由 熟知的有限元素分析（FEA)技術確認。另外，模式共振頻 訂

線 率分佈採用技藝中熟知的經驗法量測。對應的前24種模式 的頻率值見表1。 此後，有必要確認至少一種相對於鄰近的模式頻率非均 勻間隔的模式共振頻率。在圖情況下，這可從6〇〇赫兹 和800赫茲時分佈的巨大差異及4〇〇赫茲和92〇赫茲時的聚 束模式明顯看出。 雲於在約4〇〇赫茲時的非均勻間隔模式，例如，透過降 低401赫茲（線8所示）時的（4，0)模式頻率來減少在該頻率 的聚束模式，而不降低線9所示的405赫茲的（1，3)模式。 k後’確認在面板上以感興趣的模式共振頻率（本例中 為401赫兹）呈現反節點行為之位置。圖ic也是透過有限元 素分析得到的一理想狀態圖，呈現頻率401赫茲時（4，〇)模 O:\80\80163-921125.doc - 9 - 本紙張尺度適财®料榡準(CNS) Μ規格(2夢撕公爱) 577238 五、發明説明（ 式的節點線20 〇可w初丛 解為，反節點行為區域介於岸 22所示的模式線φ , %以虛線 部阻尸癸… 發明也就是在這種位置，局 几x文匕。可發現到，上述確認步驟也可透過盆它 方式進行，例如，對一砷 〆、 的雷射分析。 a驗面板進行物9/56497中熟知 較佳：疋’在該頻譜範圍内的鄰近模式，如405赫茲的 (3 ’ 1)模式下’這種阻抗變化的影響可透過選擇阻抗變化 的位置，使其除了在該共振模式頻率呈現出反節點行為之 外，亦會在鄰近該共振模式頻率的第二共振頻率中呈 節點特性，而減到最小。圖1〇呈現鄰近〇，3)模式的節點 線，與圖1<：相比，顯然位於X軸的約1/4和Y軸的1/2處（即 距直角72χ 108毫米處）的點（圖中十字A)將與（4,〇) 而不與（1，3)模式耦合。 依據本發明的最後步驟，會改變在該位置a對曲波振動 的局部阻抗。為實現降低上述感興趣的4〇1赫兹模式共振 頻率的目的’有利的係，透過改變該位置的面板質量，特 別疋如圖1A所示，藉由在6位置處，該面板表面黏接一分 離質量以增加該面板的質量’便可改變該位置對曲波振動 的阻抗。 實際增加的質量量可透過反覆地改變局部阻抗來確認， 以改善該面板的模式共振頻率分佈：在本例中，試驗二 個4.3公克的質量，代表該面板總質量43公克的任一 。 圖2的有限疋素分析模擬中呈現該前24種模式的分佈結 果。仔細分析結果表明，質量補償過度，從該模式下降超 O:\80\80163-921125.doc _ 1〇 _ G張尺度適财國國家標準(CNS) A4規格(21GX撕公董 五、發明説明（8 O:\80\80163-921125.doc t紙張尺度適用中國國家蘇^NS) A4規格(2l“^y 出必要值而拉平頻率分佈可看 ^ 有出。因此，用一本所旦 (.15g)重復分析，該前24種模式 貝里 看出這最終配置有效地分離4〇 中了 ,, 、 聊鉍的（4，〇)和（3，1、煜 式’改善了頻率分佈的整體一致性。 、 模式頻率分佈的一致性也可 主一 、尸汁明的成本函數，來 表不，此為W099/56497中所說 木 i 』 禋方法（這裏僅你务 考）。在本例中，一致性由桓夕 "士 性由杈式共振頻率的最小平方中央差 L值量測，即： T兴差 Ης::^γ^ 其中fm，為第m(〇<= m<== Μ)個模式的頻率。 圖4呈現的係當各種分離質量數量（m表示公克）加到圖1 的有限疋素分析模式中時，成本函數(L)的值23。對該些值 進订插值法計算’例如對該模式共振頻率值24進行二次方 :線24計算，假設知叫、處的最佳值為25 ,便可得出 取小成本函數值約為44。圖5呈現的係此最佳配置的前Μ 種模式的頻譜範圍内之分佈情況。 {疋從圖4可清楚看出，任何大於〇而小於3 ·4公克的 未修改的面板(質量=〇)的一致性更好。此外， 貝f值、4在G.8公克和ι·9公克之間會得出—個低於从斗的l 如圖1A所不的這種未更改的矩形面板，其具有相同的 靶圍和材料、等向性材料特性及上述的「理想」縱樺比 1.134 : 1 〇 本^月不限於單一的模式，也預見了相對於各相鄰模式 -11 -

共振頻率非均勾間隔的複數個模式共振頻率㈣認。進一 步考慮圖1B及表1所列的模式，可看出也出現共振模式的 非均勾間隔，如圖1B的符號B-G所示。顯然這也可透過減 小131赫兹的（〇 ’ 2)模式、361赫兹的⑺，3)模式、術赫兹 的(4，〇)模式、645赫兹的(4，2)模式、m赫兹的(2，4)模 式及917赫茲的（5，2)模式的頻率來補償。 利用有限，素力析確認該面板上呈現於該些模式共振頻 率下呈現反節點行為的位置（依據本發明的第三步驟），將 會生成圖6A的「驅動圖」’圖中平均振幅的連續增大值係 由連續較淡的陰影表示。具有最大振幅（即反節點行為）的 面板區域，同時在上面列出的6個共振頻率下激發時，如 26所示。在該些複數位置中的其中一個或多個位置中，必

須改變對曲波振動的局部阻抗，例如依據本發明 增加局部阻抗。 W ,在區域26中，選擇特殊位置很枝，在這些位置，可， 對6個共振頻率中討論的每一個的響應都{「平滑」，㈢ 均勾一致，從而保留/增強響應該裝置的整體頻率；滑性即 這些區域由圖0B中零陰影的區域28表示。 ⑺。 或者另外，局部阻抗變化可限制在前述的那些區 了在確認的頻率，這裏實皙卜力古 〇σ 除 、表果貝上，又有額外的反節點行 6 C疋其它頻率的一驅動圖，^ ^ ^ ^ ^ ’、、、回 口 Τ汉即點仃為的連續下 度由陰影的逐漸加深表示。 ^ ,"一〜义ν 4久即點行為 準。但是，採用一類似於上述的圖6D中突出區域結 O:\80\80163-921125.doc 「平滑」標準，對於所有的掇斗、二 “、、▲ 百的核式而不是其中感興趣的6種 模式，以逐漸變淡的陰影對庫連綠 T應逑續增強的響應一致性。 目測比較圖6B和6D，可吾ψ、未、 J有出透過改變圖6B和6D中所示 一位置A (相對坐標χ = 〇.45，ν=η μ、 y-〇.4〇)的阻抗，整體的頻率 分佈-致性及頻率位準得到最佳改善，另—個相對坐伊 X=〇.18和”.41的位置B也獲得最佳改善。注意，這歧： 對坐標中的每一個可由\和^軸 々y早由夂或由兩者共同反映出來。 圖7 A是依據本發明另一個呈濟 w /、骽貝施例的一面板剖視圖， 其中透過具有一致性之構株彡强士 稱仵（弹力泡沫焊墊42)，施加質量 及硬度，以增加局部阻抗，兮播丛 机鑌構件將1·29公克的分離質量 4 4黏接至該面板4 〇。 由於基礎面板與圖1Α具體實施例用的面板相同，在4〇1 赫兹的非均㈣隔模式共振頻率及在面板上呈現該模式共 振頻率下反節點行為的對應位置也保持相同。依據本發 明，質量及襯墊置於該面板位置。 關於該質量和襯墊代表的局部阻抗的最佳化，接近最佳 化的較好的第一步驟可使用帛一個具體實施例中的質量值 及最佳化襯墊硬度實現，硬度最佳化採用反覆地或基於有 關質量的上述最佳化過程的「成本函數」&完成。在本例 中，分析介於10 N/mm和1〇〇 N/mm間的彈簧硬度以找出最 佳值’結果為26.3 N/mm。 在圖9B所示的模式分佈結果中，略高的硬度在7〇〇赫兹 分成兩個模式，但卻在8〇〇赫茲造成較大的差值。更進一 步的優點是，在較高的頻率，質量會對頻率響應有一反作 O:\80\80163-921125.doc -13- 25 577通 五、發明説明（11 用’硬度會使質量從面板解耦合。 圖8A所不的係透過改變該位置的面板硬度，改變局部阻 抗的實例。與圖7A中在面板上黏接一質量不同的係，會將 固疋於面板的致性構件（泡珠嬋墊42)固接在該擴音器（圖 i所示的4)的訊框上，例如透過—跨越該訊框後部的塵杆 46來連接。或者，8B所示，可透過固定於一導料槽 (圖中未示）的擴展48再延伸至-訊框的背部後面的方式固 接。 圖9是另一個具體實施例的圖形表示，呈現一面板％， 其除了質篁50和彈黃52外還有一阻尼器54。實際中這種阻 尼將是前面具體實施例中的任何彈性泡沫焊墊固有的，可 因選擇使用不同的泡珠焊塾而不同。採用上面概述的方法 並以前面具體實施例中確認的質量和硬度值為基礎，可方 便地實現阻尼值的最佳化。特定言之，阻尼可用於平衡由 别面具體貫施例中的方法獲得的再分佈模式的能量分佈。 本發明僅採用一些實例說明，可進行不背離本發明範圍 的各種修改。 例如，前面的具體實施例都詳細說明了增加選定位置的 局部阻抗的步驟。當然，對於一簡單面板而言，實施這種 方式（透過簡單的黏接質量等）相當容易。但是，如果透過 減少局部阻抗，例如，透過局部移除及/或取代面板材料， 以最佳實現頻率分佈一致性進行改善時，便可能會出現狀 況。 而且’本發明不限於相對構件平面的垂直振動運動：亦 O:\80\80163-921125.doc _ 14 _ 訂 線 57碰25 、 A7 B7 五、發明説明（12 ) 可使用與該構件的旋轉自由度相耦合的黏接裝置。這種黏 接裝置的例子包括扭簧和具大量慣性的黏接裝置。 不同於擴音器（即麥克風）的聲音裝置也都屬於本發明的 範圍。但是，除了由一傳感器取代任一激發物，上面概述 的擴音器具體實施例的差異通常是最小的。 參考代碼 1 共振模擴音器 2 面板 3 懸浮液 4 訊框 5 激發物 6 分離質量 7 垂直線 8 表示401赫茲下（4,0)模式的垂直線 9 表示405赫茲下（1，3)模式的垂直線 20 (4,0)模式的節點線 22 反節點行為區域 23 成本函數值 24 二次方曲線 25 最佳點 26 反節點行為區域 28 平滑頻率響應區域 40 面板 O:\80\80163-921125.doc - 15 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 577238 A7 B7 五 發明説明（13 ) 42 彈性泡沫焊墊 44 分離質量 46 壓杆 48 擴展 50 質量 52 彈簧 54 阻尼器 56 面板 -16- O:\80\80163-921125.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

Claims (1)

1. :由面板形成的分散式共振模曲波聲音裝 反拉式/、振頻率分佈的方法’該方法包含以. ⑷分析該面板的模式共振頻率分佈； . (b)確認-相料鄰近㈣ 式共振頻率； 胃 + MW㈣的模 ⑷置確=面板上於該模式共振頻率呈現反節點行為的位 二文變該位置處該面板對於曲波振動的局部阻抗。 .如申請專利㈣第〗項之方法，其中會確認 模式共振頻率呈银Φ f Μ ’、了在η亥 頻= 點行為之外亦會在鄰近該模式 3 :: 第一共振頻率中呈現出節點行為的位置。 3 ·如申請專利範圍第1項之 個別鄰近n 料複㈣相對於 確切在i 隔㈣式共振頻率， 板t於個別的模式共振頻率中呈現 相減個位置，並改變在該複數個位置 多個位置中對曲波振動的局部阻抗。 $ 4. 二申請專利範圍第丨項之方法，包含反覆地改變該局部 步驟，以改善該面板的模式共振頻率分佈。 5. 專利範圍第1項之方法，包含下面步驟：透過各 種方法改變該局部阻抗量測個別模式共振頻率分佈的一 致性，並於其中插人局部阻抗變化的較佳值。 範圍第5項之方法，其中該量測步驟包含計 ^杈式頻率的最小平方中央差。 O:\80\80163-921125.doc 7.如申請專利範圍第5項之方法，其中該插入步驟包含確 認對應一模式共振頻率分佈的局部阻抗變化值優於對應 一具等向性材料特性及最佳縱橫比的矩形面板的局部阻 抗變化值。 8.如申請專利範圍第5項之方法，包含下面步驟：透過各 種方法改變該局部阻抗量測個別模式共振頻率分佈的變 化’並於其中插入局部阻抗變化的最佳值。 9 ·如申咕專利範圍第5項之方法，包含確認複數個相對於 個別鄰近模式共振頻率為非均勻間隔的模式共振頻率， 確〜在4面板中於個別的模式共振頻率中呈現反節點行 為的複數個位置，並改變在該複數個位置中其中一個或 多個位置中對曲波振動的局部阻抗。 10.如申請專利範圍第5項之方法，其中改變局部阻抗的步 驟包含改變該位置的面板質量。 如申請專利範圍第1G項之方法’其中改變局部阻抗的步 驟包含在該面板黏接一分離質量。 12·如申凊專利範圍第丨丨項之方法，其中改變局部阻抗的步 =包含透過一具一致性的構件，在該面板黏接該分離質 13’如中請專利範圍第12項之方法’其中改變局部阻抗的步 匕S透過具阻尼的構件，在該面板黏接該分離質量。 14·如申請專利範圍第13項之方法，其中改變局部阻抗的步 驟包含透過一彈性泡沫構件，在該面板黏接該分離質量。 15+ + 專利範圍第1G項之方法’包含4認複數個相對於 個別郇近杈式共振頻率為非均勻間隔的模式共振頻率， 〇:\_oi_21125d〇c 、 577238 補充I 申請專利範園 ㈣在該面板中於個別的模式共振頻率中呈現反節點行 為的複數個位置，並改變在該複數個位置中其中一個或 多個位置中對曲波振動的局部阻抗。 16.如申請專利範圍第1G項之方法，進—步包含反覆地改變 該局部阻抗的步驟，以改善該面板的模式共振頻率分佈。 17·如申咕專利範圍第5項之方法，其中改變局部阻抗的步 驟包含改變該位置的面板硬度。 18·如申請專利範圍第5項之方法 驟包含改變該位置的面板阻尼 19·如申請專利範圍第1項之方法 驟包含改變該位置的面板質量 20·如申請專利範圍第1項之方法 驟包含改變該位置的面板硬度 21·如申請專利範圍第1項之方法 驟包含改變該位置的面板阻尼 其中改變局部阻抗的步 其中改變局部阻抗的步 其中改變局部阻抗的步 其中改變局部阻抗的 步 O:\80\80163-921125.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) -3-