TWI468030B - 聲音轉換器中之點激勵配置 - Google Patents

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TWI468030B
TWI468030B TW96136687A TW96136687A TWI468030B TW I468030 B TWI468030 B TW I468030B TW 96136687 A TW96136687 A TW 96136687A TW 96136687 A TW96136687 A TW 96136687A TW I468030 B TWI468030 B TW I468030B
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Description

聲音轉換器中之點激勵配置
本發明係關於一聲音轉換器中的一隔膜之一葉片。
對於本發明之一態樣，一方法支援一聲音轉換器之一激勵。藉由驅動一隔膜之一葉片來激勵該聲音轉換器。針對高階模態成分來決定一葉片之複數個節點區域，其對應於共振頻率並具有大於一之階。識別至少兩個高階模態成分之一交叉區域。使用該交叉區域來定位一激勵點，其中隨後藉由一機械源於該激勵點激勵該葉片。
對於本發明之另一態樣，在決定該等高階模態成分時決定針對二階模態成分與三階模態成分之節點區域。可決定額外模態成分。
對於本發明之另一態樣，例如藉由加強該葉片之一部分來改變該等節點區域之至少一者。
對於本發明之另一態樣，一聲音轉換器之一隔膜包括一框架、至少一鉸鏈及一葉片。該葉片藉由該至少一鉸鏈連接至該框架並藉由一信號源於一激勵點受到激勵來產生一聲響信號。該激勵點位於至少兩個高階模態成分之一交叉區域內。
對於本發明之另一態樣，該至少一鉸鏈包括藉由一槽區域分離的兩個鉸鏈。
圖1顯示依據本發明之一具體實施例的於一激勵點受到激勵的一聲音轉換器之隔膜100。隔膜100包括葉片101，其係透過鉸鏈105與107連接至框架103。鉸鏈105與107係藉由槽區域111分離。葉片101係藉由間隙區域109從框架103分離。在本發明之一具體實施例中，藉由一Mylar之薄膜覆蓋槽區域111與間隙區域109。該Mylar膜從葉片101的前面密封後面。否則，可能藉由葉片101之另一側上之一負壓力抵消一側上產生之一正壓力。而且，該Mylar膜可為葉片101提供額外的勁度。
在本發明之一具體實施例中，葉片101係由具有長度L＝6.76 mm、寬度3.86 mm及厚度0.002英吋之鋁1100－H19構成。(如圖1所示，葉片101之長度不包括鉸鏈區段105與107。然而若包括鉸鏈區段105與107，則可將0.254 mm添加至該長度。)
功能上，葉片101之目的係使空氣(或流體)移位以便產生一聲響信號。葉片101係具有各向同性材料特性之一連續結構，並因而通常不作為一集總系統。若吾人在設計具有多個驅動器(各係預期重製一較窄頻帶)之一耳機，則其可能基於該等驅動器之集總等效物來最佳化該系統。然而，對於一單一寬頻驅動器，其必須折衷該等集總(低頻率)特徵以獲得一高頻控制度。此方法等同於瞭解動態驅動器組件之機械性能。
藉由適當地將激勵點113定位於驅動葉片101，可改良一聲音轉換器之高頻率響應。對於線性動態偏移，可將葉片101之位移在數學上表示為模態成分之加權和，其中加權常數(模態參與因數)係頻率與負載的函數而該等模態係材料特性、幾何形狀及邊界條件的函數。每一模態成分具有一相關聯共振頻率並可能或可能不對淨位移有貢獻(藉由在該葉片表面上的模態之整合決定)。基本模態為懸臂葉片響應貢獻最大淨位移。因此，需要延伸該基本模態成分在整個頻率範圍中的影響。不幸的係，一給定懸臂葉片可能具有許多低於20 kHz的模態成分。儘管該位移係所有模態成分之一疊置，但當於一單一模態共振頻率激勵一結構時，所得位移將僅由該模態組成(其餘模態之加權常數都為零)。此觀察意味著，除了於該基本共振頻率以外，於低於20 kHz之模態共振頻率之各模態共振頻率，該葉片位移由一單一模態貢獻組成並因此將不具有來自該基本模態之一貢獻。然而，此僅在激勵不發生於一節點區域(該結構上於對應共振頻率不經歷一模態位移之一位置)時係真的。
如將說明，當該葉片101係於激勵點113激勵時，其中所有高階模態成分皆具有通過激勵點113之一相關聯節點區域(其可以係理想化為一節點線)，該等高階模態成分將不對所得葉片位移有貢獻。(一高階模態成分具有大於一之階。該基本模態成分具有一之階。)高階模態成分之貢獻通常係不合需要的，因為所得位移部分抵消歸因於該基本模態成分的位移。可藉由仔細選擇激勵點113的位置來顯著減低高階模態成分的影響。此外，將激勵施加至該葉片上的任一位置(除該鉸鏈節點以外)將激勵該基本模態成分。以其基本模態振動，整個葉片同相移動。
在圖1所示的範例性具體實施例中，兩個最低偶階模態(二與四)共用一節點區域，其從鉸鏈105與107至自由端之尖端穿過葉片101之中間。該等二與四階模態成分具有異相振動的相等部分並因此整合為零而不對該淨位移有貢獻。然而，此等模態成分之激勵可能於該等兩個共振頻率引起一響應上之陡降。
其餘低於20 kHz的奇階(第三)模態成分導致該葉片之自由端異相振動並將整合為一比該基本模態小的淨位移。在該範例性具體實施例中，該第三模態之第二節點線(第一節點線處於鉸鏈端)的位置係距離該鉸鏈大致0.66 x L之一距離，其中L係該葉片長度。因為沿中心線之此點係藉由模態形狀加以定義，故激勵點113的位置係材料特性、幾何形狀及邊界條件之一函數。於距離該鉸鏈0.66 L的沿該中心線之一點對懸臂葉片301施加點力來激勵該基本模態，但不激勵其餘三個低於20 kHz的模態。此遠在當於該葉片自由端(即與自該等鉸鏈相距L)施加該點力時可獲得的頻率之上延伸該基本模態之影響。因此，在高階模態成分之影響變得顯著之前，該隔膜300係橫跨一更寬的頻寬受到控制。
該基本振動模態透過該等三個低於20 kHz的其餘模態貢獻之減低的隔離。隔離係藉由在該等三個不合需要的模態形狀之節點線的交叉處配置該點力激勵來實現。特定位置將取決於幾何形狀與材料特性，但可使用此技術針對各種組態來決定。可使用電腦模擬(有限元素分析)來決定該等節點線的位置並因而預測最佳激勵點。
可將該葉片位移(以二維模型化)表達為： 其中η係於位置(ε,ζ)之葉片位移，αj 係屬於頻率與負載之函數的一模態加權因數，而ψj (ε,ζ)係針對j階模態成分之模態位移。該模態位移係該等邊界條件之函數並定義通常所謂的模態形狀。於一特定點(ε,ζ)之葉片位移η係於點(ε,ζ)之模態位移乘以加權因數之和，其可以係實數或複數。在理想(無損)材料中，於f＝fj (對應於第j共振頻率)激勵該結構將僅激勵j階模態成分(即η＝αj ψj )，假定該激勵點不位於一節點區域上。(一節點區域(可稱為一節點線)針對該對應模態成分識別具有本質上零的位移之一區域。)在真實材料中，內部損失(結構阻尼)引入模態阻尼，其導致該等模態成分ψ1 與ψj (η＝α1 ψ1 ＋αj ψj )之和的一響應，假定該激勵點不位於該等模態成分之節點區域(例如圖4所示)內。若針對一模態成分之位移在葉片101上整合為零，該模態成分不對該葉片響應有貢獻(無流體或空氣位移)。
對於該範例性具體實施例，激勵點113位於距離鉸鏈105與107大致4.43 mm(即0.66 L)處。儘管理論計算與模擬結果提供激勵點113之一大致位置，但由一原型之實驗結果可表明該位置應由於該原型偏離一理想模型而加以調整。例如，理論結果取決於該葉片之模型化。
圖2顯示依據本發明之一具體實施例的聲音轉換器200。隔膜201(對應於圖1所示之隔膜100)係藉由驅動接針203於驅動接針附著點205進行驅動(激勵)。進而，驅動接針203係藉由簧片207結合一電樞結構(包含磁體209與線圈211)進行驅動，其係藉由來自電子電路(未顯示)之一電信號(通常在一聲頻範圍內)來激勵。在該具體實施例中，驅動接針附著點205係模型化為一葉片之表面上的一單一點(對應於圖1所示之激勵點113)。
圖3A至3D顯示具有間隙區域309的隔膜300之葉片301(對應於圖1所示的具有間隙區域109的隔膜100之葉片101)之位移分析。如前所述，對於一範例性具體實施例，葉片301具有長度L＝6.76 mm與寬度W＝3.86 mm。在模擬351、353、355及357中，由有限元素分析(FEA)來決定該等位移。使用FEA，葉片301之一電腦模型係使用排列成稱為一網之一格柵的選定點(常稱為節點)構造而成。在該等模擬中，使用鈦等級1之材料特性來模型化葉片301，不過替代性模擬可使用鋁1100－H19之材料特性。
對於本發明之一具體實施例，使用沿葉片301之長度定位的兩個肋來模型化葉片301。該等肋通常升高葉片301之共振頻率。通常需要升高該等共振頻率，因為該等高階模態成分之效應係減低。然而，添加肋亦增加葉片301的勁度並因此傾向於減低葉片301的聲響響應。應注意，圖3A至3D中顯示的模態結構與該激勵點無關。
圖3A顯示模擬351，其中依據本發明之一具體實施例於一基本模態(對應於等式1中之j＝1)激勵葉片301。對應共振頻率(f1 )大致等於786 Hz。如圖3A所示，葉片之位移量係使用不同陰影顯示，其中區域越暗位移越少。(在一黑色區域內，位移大致為零。因而，該等黑色區域係節點區域。)因此，節點區域391(基本模態成分)對應於一大致為零的位移。
圖3B顯示模擬353，其中依據本發明之一具體實施例於一二階模態(對應於等式1中之j＝2)激勵葉片301。對應共振頻率(f2 )大致等於3690 Hz。節點區域393(二階模態成分)具有一大致為零的位移。
圖3C顯示模擬355，其中依據本發明之一具體實施例於一三階模態(對應於j＝3)激勵葉片301。對應共振頻率(f3 )大致等於11400 Hz。節點區域395(三階模態成分)具有一大致為零的位移。
圖3D顯示模擬357，其中依據本發明之一具體實施例於一四階模態(對應於j＝4)激勵葉片301。對應共振頻率(f4 )大致等於16600 Hz。節點區域397(四階模態成分)具有一大致為零的位移。
儘管圖3A至3D顯示針對第一四個模態成分之模擬，可使用有限元素分析來決定針對大於四之階(即j>4)的模態成分。然而，由於人耳的限制，典型聲音應用通常僅考量少於20 kHz的頻率。
圖4描述葉片101的不同節點區域，其中依據本發明之一具體實施例每一節點區域與複數個模態成分之一者相關聯。應注意，圖4僅描述不同的節點區域。圖3A至D顯示針對一範例性具體實施例的模擬節點區域。節點區域401、403、405及407分別對應於節點區域391、393、395及397。具有大於一之階的模態成分係稱為高階模態成分。
該等偶階模態成分具有對稱於葉片101之中心線451的節點區域。因為該激勵點113通常位於中心線451上，故該偶階模態成分未係激勵。(然而，本發明之具體實施例致能激勵點113係以中心線451不對稱地定位於區域453內，如將說明。)小量的不對稱負載將激勵該等偶階模態成分；不過正與負位移之幾乎相等的貢獻導致一淨位移，其對於葉片101之總體位移響應小到可以忽略。
藉由該等高階模態區域之交叉決定一交叉區域453。如圖4所示，交叉區域453對應於節點區域403、405及407之交叉。若激勵點113位於交叉區域453內，則歸因於該等高階模態成分之位移係減低並可在葉片101之位移分析中係忽略。因此，本質上藉由基本激勵(如圖3A所示)決定葉片101之激勵。在該範例性具體實施例中，激勵點113大致位於沿中心線451並距離該等鉸鏈105與107為0.66 L(其中L係葉片101之長度)處。
儘管可如上所述使用有限元素分析來分析葉片101，但可使用其他方法來決定激勵點113的位置。例如，忽略葉片101之聲響反應負載，可使用圖6中模型化之分析近似得到該葉片位移，如將說明。而且，可針對不同模態成分測量葉片101之位移以便決定交叉區域。測量該位移以決定激勵點113之配置係經驗上的且通常較為耗時。此外，當改變葉片101(例如改變該葉片形狀或添加肋)時，必須重複測量。
圖5顯示依據本發明之一具體實施例之測量的耳機響應500。頻率響應501顯示針對葉片301之響應，其中該激勵點大致位於葉片301之端(即x＝0.90 L)，而頻率響應503顯示該激勵點位於大致x＝0.66 L處的響應。測量的耳機響應500表明當該激勵點位於交叉區域453內時該頻率響應係延伸。特定言之，依據以上說明來自該三階模態成分之貢獻係實質上減低。
圖6顯示依據本發明之一具體實施例的葉片601之模型化。對於本發明之一具體實施例，可分析葉片601以便決定一激勵點的位置來減低高階模態成分，例如該三階模態成分。葉片601係模型化為具有長度L、恆定寬度b及恆定厚度h之一懸臂橫樑。葉片601(如模型化為一懸臂橫樑)具有藉由以下等式給出之一模態形狀：Ψ j (x )＝C (λ j x )－γ j D (λ j x ) (等式2)
決定該懸臂橫樑之自然頻率的特徵等式係藉由以下等式獲得：cosh(λ j L )×cos(λ j L )＋1＝0 (等式3)
該等模態加權因數係由以下等式決定： 其中q(x)係與x成函數關係的力，E係該材料之楊氏模數(Young's Modulus)，I係面積矩，ρ係材料密度而A係斷面面積。應注意，αj 係ω之一函數，但係一常數，因為其並非位置x之一函數。因為該懸臂橫樑具有寬度b與厚度h之一恆定矩形斷面，故該面積矩I係藉由以下等式給出：
因此，模態共振頻率ωj 係藉由以下等式給出：
為定位減低一高階模態成分之一激勵點，可改變x，其中q(x)係施加於沿該懸臂橫樑之一單一點x'之一力，使得αj 本質上為零以便消除第j模態成分之貢獻。若該激勵點位於該葉片之中心線，則該等偶階模態成分之位移貢獻本質上為零。在此一情況下，該三階模態成分具有該等高階模態成分之最大效應。因此，沿該葉片之長度改變該激勵點之位置以便減低α3 (該三階模態成分之模態加權因數)。圖7顯示依據本發明之一具體實施例的於7400 Hz測量之一第一葉片原型(未顯示)的葉片速度曲線圖701。(該葉片速度係以mm/秒並與沿該葉片之位置成函數關係進行測量。)x軸僅顯示測量點的數目。為轉換成一實際距離I，需要獲得掃描解析度(每一公尺點之數目)。對於該第一葉片原型，該激勵點位於該葉片之端(x＝0.90 L)附近，其中該鉸鏈位於該x軸上的點112。觀察到來自該三階模態成分之貢獻少於來自該基本(一)階模態成分之貢獻。來自該三階模態成分之貢獻隨激勵頻率增加直至該激勵頻率等於該第三共振頻率f3 ，其大致等於11400 Hz。
圖8顯示依據本發明之一具體實施例的於7400 Hz測量之一第二葉片原型(未顯示)的葉片速度曲線圖801。該激勵點位於距離該隔膜之鉸鏈位置大致0.66 L處。與葉片速度曲線圖701相比較，來自該三階模態成分之位移貢獻可以忽略，而該葉片之移動係藉由該基本模態形狀來控制。圖7與8所示的實驗結果表明遠離該葉片端配置該激勵(如上所述)實質上減低來自該等高階模態成分之貢獻並因此改良一聲響器件之頻率響應。
儘管已相對於包括實施本發明之目前較佳模態的特定範例來說明本發明，熟習此項技術者將明白存在上述系統及技術的許多變更與置換，其處於如隨附申請專利範圍中所提出的本發明之精神與範疇內。
100．．．隔膜
101．．．葉片
103．．．框架
105．．．鉸鏈(區段)
107．．．鉸鏈(區段)
109．．．間隙區域
111．．．槽區域
113．．．激勵點
200．．．聲音轉換器
201．．．隔膜
203．．．驅動接針
205．．．驅動接針附著點
207．．．簧片
209．．．磁體
211．．．線圈
300．．．隔膜
301．．．葉片
309．．．間隙區域
351．．．模擬
353．．．模擬
355．．．模擬
357．．．模擬
391．．．節點區域
393．．．節點區域
395．．．節點區域
397．．．節點區域
401．．．節點區域
403．．．節點區域
405．．．節點區域
407．．．節點區域
451．．．中心線
453．．．交叉區域
601．．．葉片
圖1顯示依據本發明之一具體實施例的於一激勵點受到激勵的一聲音轉換器之隔膜；圖2顯示依據本發明之一具體實施例的聲音轉換器；圖3A係依據本發明之一具體實施例的於一基本模態受到激勵的一隔膜之葉片；圖3B係依據本發明之一具體實施例的於一二階模態受到激勵的一隔膜之葉片；圖3C係依據本發明之一具體實施例的於一三階模態受到激勵的一隔膜之葉片；圖3D係依據本發明之一具體實施例的於一四階模態受到激勵的一隔膜之葉片；圖4描述一葉片的不同節點區域，其中依據本發明之一具體實施例每一節點區域與複數個模態成分之一者相關聯；圖5顯示依據本發明之一具體實施例之測量的耳機響應；圖6顯示依據本發明之一具體實施例的一葉片之模型化；圖7顯示依據本發明之一具體實施例的一原型之測量的葉片速度；以及圖8顯示依據本發明之一具體實施例的一原型之測量的葉片速度。
100．．．隔膜
101．．．葉片
103．．．框架
105．．．鉸鏈(區段)
107．．．鉸鏈(區段)
109．．．間隙區域
111．．．槽區域
113．．．激勵點

Claims (20)

  1. 一種用於激勵一聲音轉換器的方法，其包含：(a)決定一葉片之複數個節點區域，每一節點區域與複數個高階模態成分之一者相關聯，該高階模態成分具有大於一之一階；(b)識別用於至少兩個高階模態成分之節點區域之一空間交叉區域，其中每一節點區域之特徵在於一實質上為零之位移，其用於該至少兩個高階模態成分之一對應模態成分；(c)在該空間交叉區域內定位一激勵點；以及(d)藉由一信號源於該激勵點激勵該葉片以產生一聲響信號。
  2. 如請求項1之方法，其中(a)包含：(a)(i)決定一二階模態成分與一三階模態成分；以及其中該等至少兩個高階模態成分包含該二階模態成分與該三階模態成分。
  3. 如請求項2之方法，其中該至少兩個高階模態成分進一步包含另一模態成分。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包含：(e)改變該複數個節點區域之至少一者。
  5. 如請求項4之方法，其中(e)包含：(e)(i)加強該葉片之一部分。
  6. 如請求項1之方法，其中(a)包含：(a)(i)使用有限元素分析來分析該葉片。
  7. 如請求項1之方法，其中(a)包含：(a)(i)將該葉片模型化為一懸臂。
  8. 如請求項1之方法，其中(a)包含：(a)(i)於一激勵頻率激勵該葉片；(a)(ii)獲得沿著一空間維度針對該葉片之一速度曲線圖；以及(a)(iii)於一不同頻率重複(a)(i)至(a)(ii)。
  9. 一種受激勵以在一聲音轉換器中產生一聲響信號的隔膜，其包含：一框架；至少一鉸鏈；以及一葉片，其藉由該至少一鉸鏈連接至該框架，該葉片係藉由一信號源於一激勵點受到激勵以產生該聲響信號，該激勵點係位於用於至少兩個高階模態成分之節點區域之一空間交叉區域內，其中每一節點區域之特徵在於一實質上為零之位移，其用於該至少兩個高階模態成分之一對應模態成分。
  10. 如請求項9之隔膜，其中該至少一鉸鏈包括藉由一槽區域分離的兩個鉸鏈。
  11. 如請求項9之隔膜，其中該葉片包括一加強的部分。
  12. 如請求項11之隔膜，其中該加強的部分包含一肋結構。
  13. 如請求項9之隔膜，其中該節點區域之該空間交叉區域包括一二階模態成分與一三階模態成分。
  14. 如請求項13之隔膜，其中該節點區域之該空間交叉區域 包括另一高階模態成分。
  15. 如請求項9之隔膜，其中該激勵點係沿該葉片之一中心線並距離該至少一鉸鏈大致0.66L處定位且其中L係該葉片之一長度。
  16. 如請求項9之隔膜，其進一步包含從該框架分離該葉片之一間隙區域。
  17. 如請求項16之隔膜，其中該間隙區域係藉由一材料薄片覆蓋。
  18. 一種提供一聲響信號的聲音轉換器，其包含：一激勵單元，其係藉由一電信號驅動；一鏈結，其係藉由該激勵單元激勵以產生一移動；以及一隔膜，其係於一激勵點耦合至該鏈結並藉由該鏈結在該鏈結移動時來激勵，該隔膜包括：一框架；至少一鉸鏈；以及一葉片，其藉由該至少一鉸鏈連接至該框架，該葉片係藉由該鏈結於該激勵點受到激勵以產生該聲響信號，該激勵點係位於用於至少兩個高階模態成分之節點區域之一空間交叉區域內，其中每一節點區域之特徵在於一實質上為零之位移，其用於該至少兩個高階模態成分之一對應模態成分。
  19. 如請求項18之聲音轉換器，其中節點區域之該空間交叉區域包括一二階模態成分與一三階模態成分。
  20. 如請求項19之聲音轉換器，其中節點區域之該空間交叉區域包括另一高階模態成分。
TW96136687A 2006-09-29 2007-09-29 聲音轉換器中之點激勵配置 TWI468030B (zh)

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