TWI533714B

TWI533714B - 壓電電聲換能器

Info

Publication number: TWI533714B
Application number: TW103114152A
Authority: TW
Inventors: 林家欣; 許清淵; 邱佑宗; 陳春弟
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2016-05-11
Also published as: CN105007556A; US20150304779A1; US9473856B2; TW201541973A; CN105007556B

Description

壓電電聲換能器

本發明係關於一種換能器，詳而言之，係關於一種壓電電聲換能器。

壓電喇叭通常包括框架、藉由黏結物固定於框架上的振膜、以及貼附於振膜上的壓電元件，其設計原理為利用壓電元件機械能與電能之轉換特性，在交流電壓驅動下，使壓電元件產生形變，以驅動與其緊密連結一起的振膜對空氣壓縮而產生聲音。

音壓位準(Sound Pressure Level；SPL)和總諧波失真(Total Harmonic Distortion；THD)為壓電喇叭的重要特性，其中，音壓係指聲波在空氣中傳遞時，空氣分子被聲波振動後所引起的大氣壓力之微差變化；而諧波失真係指在原有頻率的各種倍頻上的干擾，致使原聲波的波形改變。

當壓電元件被振動時，能量自壓電元件通過振膜、黏結物傳導至框架的過程中會耗損，導致音壓下降。此外，壓電喇叭的固定框架容易發生機械結構的共振現象，導致不平坦的音壓輸出(或稱漣波；ripple)，而當壓電喇叭有共振頻率時，聲音在共振頻段時的音壓大；在非共振頻段時，音壓明顯下降，失真隨之增大。音壓曲線的漣波過大以及失真現象會造成不悅耳的體感感應。

因此，如何提供一種具有高音壓、低失真、寬音域及平坦音壓曲線之壓電喇叭，係為目前本領域之技術人員致力研發之目標。

為解決上述問題，本發明提供一種壓電電聲換能器，包括：振膜；壓電元件，設置於該振膜上；彈性元件，連接於該振膜的周圍並環繞於該振膜；框架，環繞於該彈性元件的周圍；以及緩衝體，夾設於該彈性元件與該框架之間；其中，該振膜、該彈性元件和該緩衝體之組合具有一平面投影面積，該框架的內框投影面積小於該平面投影面積以恆對該振膜、壓電元件、彈性元件及緩衝體提供內壓應力。

本發明之框架可為固定式或拆解式以便調整該框架的內框投影面積。

本發明之壓電電聲換能器能展現高音壓輸出、低頻增益、低失真及平坦音壓曲線的技術進步特徵。

1‧‧‧壓電元件

2‧‧‧振膜

3‧‧‧彈性元件

31‧‧‧彎曲結構

4‧‧‧緩衝體

5‧‧‧框架

6‧‧‧封膜

A‧‧‧平面投影面積

A’‧‧‧內框投影面積

H‧‧‧高度

P‧‧‧間隔

W‧‧‧寬度

第1A及1B圖係本發明之壓電電聲換能器之平面圖。

第2圖係本發明之壓電電聲換能器之立體圖。

第3A至3E圖係分別為本發明之壓電電聲換能器之圓弧形、三角形、矩形、梯形和Z形的彎曲結構之示意圖。

第4A及4B圖係本發明之壓電電聲換能器之實施例 1、2和3之音壓和失真測試結果。

第5A及5B圖係本發明之壓電電聲換能器之實施例2、4和5之音壓和失真測試結果。

第6A及6B圖係本發明之壓電電聲換能器之實施例2、6和7之音壓和失真測試結果。

第7A及7B圖係本發明之壓電電聲換能器之實施例2、8、9和10之音壓和失真測試結果。

第8A及8B圖係本發明之壓電電聲換能器之實施例11、12、13和14之音壓和失真測試結果。

第9圖係本發明之壓電電聲換能器之聲音靈敏度測試結果。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此項技藝之人士可由本文所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。

請參閱第1A至3E圖，其中，第1A及1B圖為本發明之壓電電聲換能器之平面圖，第2圖為本發明之壓電電聲換能器之立體圖，第3A至3E圖為本發明之壓電電聲換能器之彈性元件的彎曲結構之示意圖。

本發明之壓電電聲換能器包括壓電元件1、振膜2、彈性元件3、緩衝體4、框架5及封膜6。

壓電元件1係貼附於該振膜2的一側，亦可將該振膜2的相對兩側各貼附該壓電元件1。該壓電元件1例如壓電陶瓷致動器，其形狀可為如第1和2圖所示之矩形、或其他例如圓形、橢圓形等不限。

振膜2為單層或多層板，例如為上下鋅銅合金板中間夾感壓膠的三層複合板件，其形狀可為如第1和2圖所示之矩形、或其他例如圓形、橢圓形等不限。

彈性元件3與該振膜2連接且環繞於該振膜2的周圍，且彈性元件3包括複數個彎曲結構31。該複數個彎曲結構31沿著該振膜2的周緣排列，彼此的間隔P小於或等於該振膜2的周長的三分之一(亦即，該振膜2的周圍至少連接環繞有三個彎曲結構31)，間隔P的範圍較佳在8mm至13mm之間，高度H的範圍較佳在1mm至4mm之間，寬度W的範圍較佳在0.5mm至2mm之間。此外，各該複數個彎曲結構31的形狀可如第1和2圖所示之相接的圓弧形，或如第3A至3E圖所示之分離的圓弧形、三角形、矩形、梯形或Z形。

緩衝體4環繞於該彈性元件3外側，以使該彈性元件3與該框架5不接觸，該緩衝體4可例如感壓膠體、矽橡膠體或發泡橡膠體。

框架5環繞於該彈性元件3的外側，以使該緩衝體4 夾設於該彈性元件3與該框架5之間。該框架5可為固定式或拆解式以便調整該框架5的內框投影面積A’，而該振膜2、該彈性元件3和該緩衝體4之組合具有一平面投影面積A，該框架5的內框投影面積A’小於該平面投影面積A以恆對該壓電元件1、振膜2、彈性元件3及緩衝體4提供內壓應力，且該內框投影面積A’與該平面投影面積A之比值A’/A範圍較佳在0.9至1之間。此外，該框架5施加予該彈性元件3的內壓應力係平行於該振膜的平面方向且等向。

封膜6覆蓋部分的該振膜2及該框架5，以覆蓋該振膜2與該框架5之間的間隙。

根據本發明之第1A、1B、2和3A至3E圖，當貼附於該振膜2表面上的壓電元件1被致動時，由於該振膜2周圍環繞連接具有複數彎曲結構31之彈性元件3，且該框架5的內框投影面積A’小於由該振膜2、該彈性元件3和該緩衝體4之組合的平面投影面積A以恆對內(即該振膜2、該彈性元件3和該緩衝體4)提供內壓應力，此可降低側邊剛性，使得該振膜2產生較大的位移或較大的加速度，故能提升壓電電聲換能器的能量轉換效率，進而得到較大音壓及降低失真，同時，該彈性元件3使得該振膜2能在維持不變形的情況下承受該框架5所提供之內壓應力，故可大幅降低壓電電聲換能器的失真現象。

以下列出對照例及實施例1至14。

對照例：壓電電聲換能器包括振膜(85mm×42mm× 0.1mm)、貼附於該振膜表面之壓電元件(75mm×40mm×0.1mm)、圍繞於該振膜周圍之框架、及夾設於該振膜與該框架之間的軟性泡棉。測試電性參數為10Vrms，麥克風收音距離為10cm。

實施例1，壓電電聲換能器包括振膜(85mm×42mm×0.1mm)、貼附於該振膜表面之壓電元件(75mm×40mm×0.1mm)、環繞連接於該振膜周圍之具複數彎曲結構的彈性元件、環繞於該彈性元件周圍之框架、及夾設於該彈性元件與該框架之間的緩衝體。該複數彎曲結構彼此的間距為10mm，各該彎曲結構的高度為2mm，寬度為0.5mm，形狀為圓弧形。該框架的內框投影面積與該振膜、該彈性元件及該緩衝體之組合的平面投影面積之比值為1(即未施加壓應力)。測試電性參數為10Vrms，麥克風收音距離為10cm。實施例1的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第4A和4B圖所示。

實施例2：與實施例1之差異在於，該彎曲結構的寬度為1mm。實施例2的音壓位準和總諧波失真之測試結果如第4A和4B、5A和5B、6A和6B、7A和7B圖所示。

實施例3：與實施例1之差異在於，該彎曲結構的寬度為2mm。實施例3的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第4A和4B圖所示。

實施例4：與實施例2之差異在於，該複數彎曲結構彼此的間距為8mm。實施例4的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第5A和5B圖所示。

實施例5：與實施例2之差異在於，該複數彎曲結構彼此的間距為13mm。實施例5的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第5A和5B圖所示。

實施例6：與實施例2之差異在於，該彎曲結構的高度為1mm。實施例6的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第6A和6B圖所示。

實施例7：與實施例2之差異在於，該彎曲結構的高度為4mm。實施例7的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第6A和6B圖所示。

實施例8：與實施例2之差異在於，該框架的內框投影面積與該振膜、該彈性元件及該緩衝體之組合的平面投影面積之比值為0.99。實施例8的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第7A和7B圖所示。

實施例9：與實施例2之差異在於，該框架的內框投影面積與該振膜、該彈性元件及該緩衝體之組合的平面投影面積之比值為0.95。實施例9的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第7A和7B圖所示。

實施例10：與實施例2之差異在於，該框架的內框投影面積與該振膜、該彈性元件及該緩衝體之組合的平面投影面積之比值為0.9。實施例10的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第7A和7B圖所示。

實施例11：與實施例9之差異在於，該彎曲結構的形狀為三角形。實施例11的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第8A和8B圖所示。

實施例12：與實施例9之差異在於，該彎曲結構的形狀為矩形。實施例12的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第8A和8B圖所示。

實施例13：與實施例9之差異在於，該彎曲結構的形狀為梯形。實施例13的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第8A和8B圖所示。

實施例14：與實施例9之差異在於，該彎曲結構的形狀為Z形。實施例14的音壓位準和總諧波失真之測試結果分別如第8A和8B圖所示。

以下說明上述對照例與各實施例之測試結果。

參閱第4A及4B圖，顯示實施例1、2、3中彎曲結構的寬度0.5mm、1mm、2mm之音壓位準和總諧波失真之測試結果。如第4A圖所示，各實施例間的音壓落差漣波約為±2dB，顯示寬度在0.5mm至2mm的寬度範圍內，壓電電聲換能器仍然具有平坦的音壓曲線。但是起振頻率則有所差異，當圓弧形彎曲結構寬度降低至0.5mm時，其起振頻率些微降低至180Hz；而彎曲結構寬度增加至2mm時，其起振頻率則升高至240Hz。如第4B圖所示，圓弧形彎曲結構的寬度最大為2mm時，其對應的失真在起振頻率(200Hz左右)大幅升高至45%左右。因此，由實施例1、2、3可知，彎曲結構的寬度會影響振膜側邊的剛性，適當的彎曲結構寬度可以維持更低的起振頻率及失真的降低。

參閱第5A及5B圖，顯示實施例2、4、5中彎曲結構的間距10mm、8mm、13mm之音壓位準和總諧波失真之測試結果。如第5A圖所示，對於具有間距不同的彎曲結構之彈性元件，壓電電聲換能器之音壓曲線大致上都呈現一平滑曲線，其起振頻率約為200~230Hz，音壓落差漣波±2dB，其中，振膜周圍的圓弧形彎曲結構的數目較少者，起振頻率較低，約為200Hz，低頻音壓也略高，約增加2個dB。如第5B圖所示，失真在起振頻率(~200Hz)之後都在15%以下，大部分中高音頻範圍的失真都在10%以下。而沒有圓弧形彎曲結構的對照例，其音壓曲線的音壓落差漣波則呈現較大的起伏(±10dB)，起振頻率也升高至300Hz，失真在大部分音頻範圍升高至50%左右。因此，由顯示實施例2、4、5可知，複數個彎曲結構的彈性元件使得本發明之壓電電聲換能器，具有較平緩的音壓曲線及較低的失真。

參閱第6A及6B圖，顯示實施例2、6、7中彎曲結構的高度2mm、1mm、4mm之音壓位準和總諧波失真之測試結果。如第6A圖所示，對於高度不同的彎曲結構，壓電電聲換能器依然具有平坦的音壓曲線，當圓弧形彎曲結構的高度改變時，其起振頻率依然約為230Hz，音壓落差漣波±2dB，由於寬度固定為1mm，因此些微改變彎曲結構的高度，對振膜的側邊剛性差異影響不大，因此改變彎曲結構的高度對壓電電聲換能器的聲音輸出影響較小。如第6B圖所示，改變圓弧形彎曲結構的高度，其對應的失真在起振頻率(~200Hz)之後也都在15%左右，僅高度最大為4mm者在低頻100Hz的失真有小幅升至30%。大部分中高音頻範圍的失真都在10%以下。

參閱第7A及7B圖，顯示實施例2、8、9、10中內框投影面積A’與平面投影面積A的比值A’/A為1、0.99、0.95、0.9之音壓位準和總諧波失真之測試結果。如第7A圖所示，起振頻率明顯隨著內壓應力的改變而變，當比值A’/A為1(即施加內壓應力為零)時，起振頻率為200Hz，而當比值A’/A為0.99(即施加內壓應力約為5N)時，起振頻率降低至180Hz；而當比值A’/A為0.95(即施加內壓應力約為15N)時，起振頻率大幅降低至150Hz，故，有施加內壓應力者之低頻範圍的音壓相較無施加內壓應力者大幅增加約10dB，而高頻部分則維持相同平坦的音壓曲線。但當比值A’/A為0.9(即施加內壓應力約大於25N)時，起振頻率及音壓曲線較差。如第7B圖所示，小幅增加施加內壓應力的失真在低頻100Hz可進一步降低至5%左右，過大的內壓應力使振膜已有些微變形而使音壓及失真特性較差。因此，由顯示實施例2、8、9、10可知，本發明之壓電電聲換能器的起振頻率、音壓曲線及失真特性可藉由適當範圍的調控內壓應力的大小，進一步優化音質。

參閱第8A及8B圖，顯示實施例11、12、13、14中圓弧形、三角形、矩形、梯形、Z形的彎曲結構及無彎曲結構之音壓位準和總諧波失真之測試結果。如第8A圖所示，對於形狀不同的彎曲結構，壓電電聲換能器之音壓曲線大致上都呈現一平滑曲線。圓弧形及三角形的音壓落差漣波最小，約為±2.5dB；矩形的音壓落差漣波較大，亦僅升高至±5dB。圓弧形及三角形的起振頻率最低，分別為150Hz及180Hz；矩形的起振頻率最高，升至400Hz。如第8B圖所示，相較無彎曲結構的壓電電聲換能器而言，這些不同形狀的彎曲結構在適當的內壓應力作用下，顯示的失真結果都大幅明顯降低，在低頻100Hz的失真都在15%左右或以下，圓弧型及三角形更可下降至5%。因此，由實施例11、12、13、14可知，本發明之壓電電聲換能器的起振頻率、音壓落差漣波及失真等特性，可藉由調控框架對彎曲結構所施加的內壓應力及彎曲結構的形狀，進一步優化音質。

另外，本發明之壓電電聲換能器除可作為喇叭將電能轉換成機械能而產生聲波，亦可為麥克風將機械能轉換成電能。請參閱第9圖，其為實施例9作為麥克風之收音測試，在大部分的音頻範圍內(20Hz至20KHz)的聲音靈敏度皆在1dB以內，表示其具有極佳的電聲轉換能力，能將聲波振動近乎完全的轉換成電壓訊號。

綜上所述，本發明之壓電電聲換能器的振膜周圍環繞連接有具複數個彎曲結構之彈性元件，且設置於彈性元件外圍之可拆解式的框架能調整該框架的內框投影面積，以恆對該彈性元件施加壓應力，使得本發明之壓電電聲換能器具有高音壓輸出、低頻增益、低失真及平坦音壓曲線的技術進步特徵，更具有接收聲波而轉換為電訊號的麥克風功能。

上述實施樣態僅例示性說明本發明之功效，而非用於限制本發明，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述該些實施態樣進行修飾與改變。此外，在上述該些實施態樣中之結構的數目僅為例示性說明，亦非用於限制本發明。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。