專利名稱：揚聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及揚聲器及特別是彎波板形揚聲器，如在WO97/09842中所述的類型。
背景技術(shù)：
一個常規(guī)彎曲波揚聲器包括一個聲學(xué)板和至少一個安裝到該板上的激勵器。所述板這樣支承在一個框架上，即通過一個將所述振動的板與所述框架隔離開的柔軟的邊緣終端。所述板、邊緣終端和激勵器的機(jī)械特性影響所述揚聲器的聲學(xué)性能。
在彎曲波板的領(lǐng)域公知的是可以通過控制聯(lián)合參數(shù)的設(shè)定對一個板的彎曲波特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。如在WO97/09842所示，可以選擇幾何學(xué)、彎曲硬度、分布區(qū)域的量和阻尼的的物理參數(shù)值來影響一個希望的諧振彎曲波模式的分布。通過選擇一個較大的優(yōu)質(zhì)材料的板，所述板可以設(shè)計成為影響整個頻率寬度，可能高到8個音度。但是，因為要在高頻和低頻下都完成良好性能的抵觸要求，可能會限制一個彎曲波板揚聲器的所述頻寬。一般來說，要實現(xiàn)好的高頻性能就要使用一個輕質(zhì)的低阻尼和高剪切特性的一個剛性的板，而要實現(xiàn)好的低頻性能就要使用一個低硬度和高密度的板。
將頻率與所述揚聲器的操作頻寬內(nèi)頻率相重疊，即使在操作頻寬的較低的部分，能夠提高高頻輻射的效力。由于重疊的頻率與硬度的特性相應(yīng)，這可以通過確保所述板具有一個高的彎曲硬度來實現(xiàn)。但是，提高所述板的彎曲硬度降低了所述板的低頻能力，而這可能與增加所述板的區(qū)域和/或質(zhì)量密度相反?？商鎿Q地，對低頻響應(yīng)的控制和平滑化會增加阻尼，特別是在具有低密度模式的操作區(qū)域內(nèi)。但是，這樣的阻尼可能會減少特別是在高頻下的輸出。

發(fā)明內(nèi)容
另一個需要考慮的抵觸的要求是同時完成有效性和擴(kuò)展高頻性能的期望。如前面所述，用一個低密度高剛性的板來完成好的高頻性能。但是，這會導(dǎo)致所述板具有一個相當(dāng)高的機(jī)械阻抗和因此要有更多力來驅(qū)動所述板才能得到有用的音量。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一個用于具有一個工作頻率范圍揚聲器的聲學(xué)元件，所述元件由至少一個參數(shù)作為頻率的函數(shù)變化的頻率相關(guān)材料制成。所述參數(shù)可以從阻尼、彎曲硬度、張力模量、壓縮模量和剪切模量當(dāng)中選取。由于所述參數(shù)之間有相互作用，一個參數(shù)或多個參數(shù)的變化會影響到其它參數(shù)。
所述揚聲器可以是一個彎曲波揚聲器，它包括一個用于支承彎曲波振動的聲學(xué)輻射器和一個懸置安裝在所述輻射器上在所述輻射器上激勵彎曲波振動并產(chǎn)生一個聲學(xué)的輸出的換能器。所述聲學(xué)元件可以是所述聲學(xué)輻射器并且能夠是一個板的形式，例如一個分布模式的板，它使其頻率能夠包括在所述工作頻率范圍的至少一部分，最好是全部范圍來承載諧振彎曲波模式分布。
所述聲學(xué)元件可以是一個懸置物，用于將所述揚聲器安裝在一個托件、支座或壁面上并且可以使用與頻率有關(guān)的材料控制不希望在懸置物上所述聲學(xué)元件的耦合處產(chǎn)生的振動。
所述聲學(xué)元件可以是一個懸置物，它在一個框架或擋板上支承一個聲學(xué)輻射器。該懸置物可以沿所述輻射器的周邊延伸或可以使用在所述輻射器的特定位置。所述聲學(xué)元件可以是將所述換能器支承在所述聲學(xué)元件上的換能器的懸置物，或可以是將所述換能器支承在一個框架上一個換能器的懸置物。例如，所述換能器可以是一個內(nèi)部動圈激勵器，它具有一個聲音線圈直接結(jié)合到所述聲學(xué)輻射器頻率相關(guān)材料上及一個磁鐵組件通過一個可以是具有一個頻率相關(guān)參數(shù)的成份的彈力懸置物安裝到所述線圈上?？商鎿Q地，所述聲學(xué)元件可以是在這樣一種形式，至少一個小的質(zhì)量塊安裝在所述聲學(xué)輻射器上，如一個加載質(zhì)量的聚合物泡沫墊板。
因此對于一個彎曲波揚聲器，所述聲學(xué)元件可以是從所述聲學(xué)輻射器、所述換能器懸置物，所述輻射器懸置物或安裝在所述聲學(xué)輻射器上的質(zhì)量中選取。對所述頻率相關(guān)材料的使用不限制用作為一個分布模式揚聲器的板的一部分。
所述揚聲器可以是一個活塞式揚聲器，包括一個聲學(xué)輻射器，其形式是通過一個柔軟邊緣端部而安裝在一個框架上的一個錐形筒，用揚聲器支承圈支承在所述框架上的一個驅(qū)動單元和一個容納所述錐形筒和驅(qū)動單元的封閉室。所述聲學(xué)元件可以在所述揚聲器支承圈上使用或可以是柔軟邊緣終端。可替換地，所述聲學(xué)元件可以是所述錐形筒或一個柔軟的懸置物，它與所述驅(qū)動單元耦合到所述封閉室。
作為頻率函數(shù)變化的參數(shù)可以是彎曲硬度且可以是在低頻下(如低于1kHz)比在高頻下(高于1kHz)更低。所述彎曲硬度最好至少在低頻下比在高頻下低20％。
對于一個彎曲波板形式的聲學(xué)元件，通過附錄的公式1計算出的固有頻率(F0)得出一個近似于頻率的下限。由于F0與所述彎曲硬度直接成比例，因此一個在低頻下具有低的硬度的聲學(xué)元件相對一個給出的尺寸可以具有一個擴(kuò)展的低范圍的性能。
高頻性能可以通過考慮已知的“孔隙效果”(aperture effect)，其中在安裝在一個聲學(xué)輻射器的動圈換能器的線圈直徑內(nèi)產(chǎn)生一個二次諧振。所述孔隙諧振頻率FR通過使用公式2到公式4由所述彎曲波諧振頻率FB和所述剪切波的諧振頻率FS來決定。
由于FB和因此FR依賴于彎曲硬度，在高頻下具有高硬度的一個彎曲波板可以有一個在高頻下產(chǎn)生的孔隙諧振頻率并且因此可以具有一個擴(kuò)展的高范圍的性能。因此，本發(fā)明能夠提供一個彎曲波板，它在低頻下具有低彎曲硬度因而能夠達(dá)到比一個具有定值的彎曲硬度的元件具有更寬的頻率范圍。所述彎曲硬度可以至少在高頻下(高于1kHz)要比在低頻下(如低于1kHz)高20％。在一個確定的頻率范圍區(qū)間內(nèi)也能夠提高所述板的效率。
隨著頻率的增加，所述彎曲硬度可以穩(wěn)定地升高且因此能夠與頻率直接成比例關(guān)系?？商鎿Q地，所述彎曲硬度在一個選定的頻率范圍點可以有一個相對急劇轉(zhuǎn)變。以這樣的辦法，所述聲學(xué)元件可以被考慮為好象兩個獨立的低頻和高頻聲學(xué)元件。例如，對于形成一個彎曲波聲學(xué)輻射器動圈一個聲學(xué)元件，所述參數(shù)可以決定出固有的諧振頻率及對所述低頻元件的可使用的頻率范圍。因此，對于高頻元件，所述最大的硬度可以使有效地在最高要求頻率下工作，并且可以設(shè)定一個希望的重疊的頻率。
作為頻率的函數(shù)變化的所述參數(shù)可以是一致的。對于一個形式為一個繞著一個活塞式揚聲器的一個錐形筒的柔軟邊緣終端的聲學(xué)元件，所述終端可以在低頻下具有高柔軟性且在高頻下具有低柔軟性。以這樣的辦法，所述錐形筒在低頻下的運動沒有任何障礙且與在高頻下相同，所述聲學(xué)能量能夠較好地被中止因此減小了反射的干擾。所述錐形筒可以一致地變化，如通過適當(dāng)?shù)剡x擇聚合物板或提高在制造后處理所述錐形筒。所述錐形筒可以具有低頻下的高阻尼和在高頻下確保硬度以用于確保揚聲器的性能。所述阻尼可以至少在高頻下比低頻下高20％并且所述硬度至少在高頻下比低頻下大20％。
在彎曲波揚聲器換能器的所述線圈和磁鐵組件之間使用一個柔軟的懸置物而導(dǎo)致一個換能器在揚聲器的低頻范圍內(nèi)諧振是已知的。這被公知是作為所述內(nèi)部諧振。所述柔軟的懸置物可以具有高阻尼因此所述諧振的振幅可以被增大和/或所述諧振可以選擇性地變到一個特殊的頻率。以此方法，能夠改進(jìn)低頻特性。同樣地，在所述換能器和所述框架之間的柔軟換能器懸置物可以選擇增大振幅或變化所述換能器的該固有諧振頻率。
作為頻率的函數(shù)變化的所述參數(shù)可以是阻尼。所述材料的阻尼依賴于材料的所述化學(xué)、聚合物結(jié)構(gòu)和/或特殊損失機(jī)構(gòu)。所述阻尼可以隨頻率的增加而升高或降低因此能夠改善聲學(xué)性能。所述阻尼可以應(yīng)用在所述聲學(xué)元件的全部或一部分上。EP0621931B1描述了阻尼材料的使用，它在特定溫度范圍具有高阻尼系數(shù)且那樣的材料可以變更為使阻尼作為頻率的一個函數(shù)而變化。
一個聲學(xué)元件的形式為在一個聲學(xué)輻射器上以特定模式耦合地放置一個質(zhì)量塊。所述質(zhì)量塊在低頻下具有高阻尼且在高頻下具有低阻尼，因此一個特別低的頻率諧振模式會受到阻尼的影響而對高頻諧振模式?jīng)]有多大影響。通過使用一個聲學(xué)元件能夠完成相同的效果，所述聲學(xué)元件的形式為在所述聲學(xué)輻射器內(nèi)部的特別位置上使用具有頻率相關(guān)材料的一個聲學(xué)輻射器，如在換能器位置上。例如，所述聲學(xué)輻射器可以包括一個具有頻率相關(guān)材料插入特別的小室內(nèi)的蜂窩狀芯?？商鎿Q地，所述聲學(xué)元件的表面可以有頻率相關(guān)材料的區(qū)域，可以布置成矩形，三角形或多邊塊形或同心的形式。
一個形式為一個彎曲波聲學(xué)輻射器的聲學(xué)元件可以在一個特定頻率下有一個高水平的阻尼，如至少高20％，因此在所述特定頻率周圍的分布模式得到改進(jìn)。增加阻尼導(dǎo)致諧振模式的擴(kuò)寬，能夠在頻率上更均勻地分布波型。因此，在特定頻率周圍能夠得到一個更平滑的響應(yīng)。
所述聲學(xué)元件可以包括多于一個的頻率相關(guān)參數(shù)。例如，一個形式為繞著一個彎曲波聲學(xué)輻射器周邊延伸的一個輻射器懸置物的聲學(xué)元件可以在高頻下有低阻尼和低柔軟性及在低頻下有高阻尼和高柔軟性。增加阻尼的水平能夠擴(kuò)寬低頻波型且因此可以在低頻下的改善模式的傳播。增加阻尼的水平也可以增加在邊界的彎曲波振動的吸收。由于這樣擴(kuò)展了輻射器的反射，這對于一個具有低阻尼的聲學(xué)輻射器特別有用。通過增加在低頻下的柔軟性，所述聲學(xué)輻射器可以通常自如地被懸置且所述聲學(xué)輻射器的低頻模式被轉(zhuǎn)變到較低頻率。通過在高頻下減少所述柔軟性，所述聲學(xué)元件可以通常地被夾住或端接在邊界上，因此所述聲學(xué)輻射器的高頻波型轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的頻率。
在新?lián)Q能器由限公司的(New Transducers Ltd)WO99/52324中解釋了夾住和邊界端接的效果和優(yōu)點。但是，邊緣的控制同樣減少低頻的輸出。因此，通過使用一個頻率相關(guān)材料，能夠獲得特性結(jié)合的好處。
所述聲學(xué)元件可以是一個組合機(jī)構(gòu)包括至少兩個部分。在該組合機(jī)構(gòu)的僅一個部分或可替換地所有部分可以具有一個頻率相關(guān)材料。以此方法，可以分開地或組合地選取所述部分的參數(shù)以全部性能。例如，所述聲學(xué)元件可以具有一個夾心或?qū)盈B結(jié)構(gòu)。因此所述元件可以包括一個低密度(如泡沫或蜂窩)的芯和在所述芯相對的面上的附著層附著的兩個表皮。所述芯表皮和/或附著層可以由具有頻率相關(guān)參數(shù)的頻率相關(guān)材料制成。所述表皮可以是噴涂或涂敷形成的連續(xù)薄膜。
使用具有頻率相關(guān)參數(shù)的表皮的一個好處是抵制在某些芯材料上的剪力效果。這種剪力效果在高頻下會明顯地降低所述結(jié)構(gòu)的總的彎曲硬度和因此限制該夾心結(jié)構(gòu)的性能。因此，通過選擇具有隨頻率而增加彎曲硬度的表皮，能夠保持板的強(qiáng)度且因此能夠改進(jìn)高頻下的性能。
可替換地，所述聲學(xué)元件可以是一體的結(jié)構(gòu)，如一個沒有芯和表皮的結(jié)構(gòu)，例如一個由堅實聚合物(如聚碳酸酯、聚丙烯樹酯、聚酯纖維)、塑料泡沫，金屬，木頭或毛氈紙來制成。所述一體結(jié)構(gòu)可以由具有頻率相關(guān)參數(shù)的頻率相關(guān)材料制成。
對于一體的板，由附錄的公式5得出彎曲硬度直接與所述楊氏模量成比例。因此所述頻率相關(guān)參數(shù)可以是頻率相關(guān)材料的楊氏模量(下面叫做模量)。因此，通過使用一個具有一個模量在低頻下低而高頻下高的材料，能夠完成如上所述的一個聲學(xué)板的頻段寬度的擴(kuò)大。彎曲硬度對一個復(fù)合結(jié)構(gòu)如夾心板的表達(dá)式更加復(fù)雜但是仍然依賴于模量且因此模量可以是頻率相關(guān)參數(shù)。
所述聲學(xué)元件可以包括一個具有頻率相關(guān)參數(shù)的表面層。所述表面層可以用作一個噴涂覆層或一個薄膜層并且在透明的應(yīng)用中可以用作一個防反射的涂層。所述表面層可以應(yīng)用到一體的或夾心的元件上。
所述頻率相關(guān)材料可以是一個粘塑性材料，如一個具有時間依賴特性的材料。例如以前已經(jīng)用于振動阻尼、聲學(xué)衰減或隔離目的的粘塑性材料。例如在Minnesota采礦和制造公司的WO93/15333中描述了這樣的材料和其制造方法。許多粘塑性材料具有隨頻率激勵改變的機(jī)械特性并且因此可以設(shè)計成在一個特定頻率下具有極大的能量吸收。
所述頻率相關(guān)材料最好具有一個從玻璃到橡膠的轉(zhuǎn)變，在所述轉(zhuǎn)變中材料的阻尼具有一個峰值和儲存的材料模量下降幾個數(shù)量級，如三個。在產(chǎn)生一個材料的頻率相關(guān)程度時這樣一個轉(zhuǎn)變可以被認(rèn)為是重要的。所述轉(zhuǎn)變最好發(fā)生在所述揚聲器的工作頻率范圍內(nèi)因此能夠增大能量的吸收和阻尼。所述轉(zhuǎn)變可以發(fā)生在溫度范圍-20℃到50℃并且頻率范圍在0.1Hz到1kHz。所述聲學(xué)元件在不同頻率下可以具有不同的轉(zhuǎn)變區(qū)域。
所述頻率相關(guān)材料可以是樹脂如聚氨酯或環(huán)氧樹脂，具有在所述要求的頻率范圍內(nèi)的頻率下由玻璃到橡膠的轉(zhuǎn)變。因此所述材料在低頻下具有低模量或硬度而在高頻下具有高模量。對于一個這種一個板形形式的聲學(xué)元件，當(dāng)保證所述板在高頻下的硬度的同時，降低最低操作模式的頻率是有益的。
所述頻率相關(guān)材料可以是一具有阻尼和/或其它依賴溫度和/或頻率的機(jī)械特性的熱塑聚合物。所述頻率相關(guān)材料可以是一個泡沫材料，因此，能夠得到阻尼特性變化的低密度材料。所述泡沫材料可以使用如一個芯或如放在另一表面上的小的單個的阻尼物質(zhì)。所述頻率相關(guān)材料可以是一個聚合物混合形式而所述聲學(xué)元件通過注模或擠壓方式制造的。
所述頻率相關(guān)材料可以與一個非頻率相關(guān)材料結(jié)合使用。所述頻率相關(guān)材料可以是一個聚合材料，其中封閉著一個高模量的加強(qiáng)纖維如碳或玻璃纖維。所述聚合材料在模量上的變化會導(dǎo)致所述聲學(xué)元件的總的模量的變化，所述聲學(xué)元件依賴于在所述聚合材料中的纖維的特性和其相關(guān)的特性。可替換地，所述聚合材料可以封閉金屬或陶瓷，因此所述聲學(xué)元件能夠從金屬或陶瓷的高質(zhì)量和所述聚合材料阻尼變化中得到好處。
所述聲學(xué)元件可以是一個聲學(xué)輻射器的形式且可以在其寬度和/或其長度上逐漸衰減。所述輻射器的厚度可以從其中心到其周邊逐漸減少或增加。通過增加所述厚度，所述聲學(xué)元件的中心區(qū)域可以堅硬并且用作一個彎曲波聲學(xué)輻射器而在所述邊緣區(qū)域可以直接安裝在一個支承框架上，例如不使用一個分離的邊緣的懸置物。通過其它在整個所述聲學(xué)輻射器范圍變化所述模量的機(jī)制可以達(dá)到同樣的效果。
使用頻率相關(guān)材料產(chǎn)生可以有益改進(jìn)所述揚聲器性能的另一個參數(shù)。因此根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造聲學(xué)元件的方法，該聲學(xué)元件用于一個具有一個工作頻率范圍和聲學(xué)輸出的揚聲器，聲學(xué)輸出依賴于元件的幾何參數(shù)、彎曲硬度，區(qū)域質(zhì)量分布、阻尼、張力模量、壓縮模量和剪力模量的變化，所述方法包括提供一個聲學(xué)元件，它具有至少一個依賴頻率的變化的頻率相關(guān)參數(shù)；選擇所述頻率相關(guān)參數(shù)的變化以實現(xiàn)從所述揚聲器發(fā)出一個希望的聲學(xué)輸出并且所述元件具有所述的選擇的變化。
所述聲學(xué)元件可以選擇具有一個由一個最好在所述揚聲器工作頻率范圍內(nèi)由玻璃到橡膠轉(zhuǎn)變的頻率相關(guān)材料制造的成份。所述方法包括改變所述頻率相關(guān)材料以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度和/或頻率。所述材料可以是一個聚合物且對所述材料的改變包括在由分子量(如所有分子中的原子的總重量的和除以聚合物分子的數(shù)量)、分子的分布、空間排列的效果(如加到聚合物鏈上的側(cè)基團(tuán)的效果)、側(cè)基團(tuán)的極性和交聯(lián)的密度之中的至少一個參數(shù)進(jìn)行改變。為降低轉(zhuǎn)變溫度可以在所述聚合物中加入增塑劑。
為增加轉(zhuǎn)變溫度可以降低分子重量，反過來也是一樣的。所述分布可以被改變以增加產(chǎn)生的如在彼此之間鏈上的環(huán)的關(guān)聯(lián)的趨勢，并且確保轉(zhuǎn)變溫度的增加，反過來也是一樣的。附加一個大的或復(fù)雜的側(cè)基團(tuán)能夠增加轉(zhuǎn)變的溫度或反過來也是一樣的。例如，用一個甲基替換聚(1，4)丁二烯的側(cè)基團(tuán)的氫而使天然橡膠(聚(順式1，4)異戊二烯)的轉(zhuǎn)變溫度從-108℃升高到-73℃。
使用適當(dāng)?shù)臉O性(如負(fù)或正)的側(cè)基團(tuán)替換一個側(cè)基團(tuán)能夠增加與主鏈的輔助連接并且保證所述轉(zhuǎn)變溫度的增加，反過來也是一樣的。例如，以一個氯原子代替天然橡膠中的甲基得到聚氯丁烯(氯丁橡膠)并且將轉(zhuǎn)變溫度從-123℃增加到-50℃，即使所述甲基比較大。這些原理可以應(yīng)用到對表現(xiàn)出一個轉(zhuǎn)變溫度聚合物設(shè)計成其轉(zhuǎn)變溫度靠近室溫，如高于21℃。
在某些聚合材料中的兩個相鄰的分子可能形成一個強(qiáng)的鏈接，如可能是交聯(lián)。通過增加交聯(lián)的量和保證其密度，所述轉(zhuǎn)變溫度能夠提高或反過來也是一樣的。對聚合物的交聯(lián)的控制應(yīng)用到所有表現(xiàn)出交聯(lián)的聚合物，包括熱固性和熱塑性材料，如聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚酯纖維(不飽和和飽和的)、雙馬來酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、乙烯樹脂。
所述聚合物可以具有一個非結(jié)晶和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的區(qū)域，如分別具有一個隨意分子牽連的區(qū)域和有規(guī)則排列，可重復(fù)分子的區(qū)域。這樣一聚合物可以具有兩個轉(zhuǎn)變溫度，就是一個玻璃轉(zhuǎn)變和一個晶體結(jié)構(gòu)的限制被打破時的晶體溶化溫度。提高調(diào)節(jié)具有一個非結(jié)晶結(jié)構(gòu)區(qū)域的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)變溫度，使所述玻璃的轉(zhuǎn)變溫度保持在低于所述溶化點。
所述聚合物可以是兩個不同的單基物的共聚合物，如聚丙烯和聚乙烯?？梢酝ㄟ^改變所述兩個單基物的相對比例和/或以不同的方式安排兩單基物，如改變每個單基物類型的結(jié)構(gòu)或部分等等，可以調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)變溫度和/或頻率。所述共聚合物可以組合幾種不同的聚合物，每種在不同的溫度下具有高阻尼特性。表現(xiàn)出高阻尼特性的聚合物在下面的參考文獻(xiàn)中有所描述，見Nielsen L.E.“機(jī)械學(xué)的聚合物(Mechanical Polymers)”。
需要一個揚聲器設(shè)計者考慮的是這樣的頻率相關(guān)材料的使用會導(dǎo)致某些小的振幅的非線性。


為了更好地理解本發(fā)明，純粹以示例的方式，在下面參考附圖對本發(fā)明的特別的實施例進(jìn)行說明。
圖1表示一個根據(jù)本發(fā)明的分布模式的揚聲器；圖2是一個以圖1所示揚聲器的頻率在楊氏模量下的變化與根據(jù)已有技術(shù)制造的揚聲器進(jìn)行比較的曲線圖；圖3是一個圖2的揚聲器的頻率響應(yīng)(聲壓dB對應(yīng)于頻率Hz)；圖4是一個材料的應(yīng)力σ和應(yīng)變ε對應(yīng)于正弦力ωt的曲線圖；圖5是一個同時表示儲存模量(log E′)和阻尼系數(shù)(dE)對應(yīng)于當(dāng)溫度玻璃到橡膠轉(zhuǎn)變的變化的曲線圖；圖6是一個表示頻率的對數(shù)對應(yīng)于溫度的倒數(shù)的曲線圖；圖7表示一個儲存模量(log E′)和阻尼系數(shù)(dE)對應(yīng)于兩個不同頻率的變化的曲線圖，和圖8是一個表示阻尼和儲存模量隨溫度變化的曲線圖。
具體實施例方式
參考圖1，一個板11具有一個在所涉及的工作頻率的共振彎曲波模式的分布的形狀。所述板的參數(shù)值選擇為平滑由于模式的聚束(bunching)或聚集導(dǎo)致的頻率響應(yīng)的峰值。由共振彎曲波模式合成的分布特別地對低頻模式，因此能夠使基本上減小聚集和在空間上的不均衡。有關(guān)于每個板形元件的概念上軸的所述共振彎曲波模式在頻率上被安排成相互交替，因此能夠完成基本上均勻的分布。
一個換能器13設(shè)置在板上，位于能夠與所述共振彎曲波模式良好耦合的位置上。如在WO97/09842中所述位置，也就是在一個(4/9LX，3/7LY)的位置上。因此所述換能器布置在振動地激勵的共振非節(jié)點數(shù)量相當(dāng)高和相反地共振節(jié)點的數(shù)量相當(dāng)?shù)偷奈恢蒙稀Ｋ鰮Q能器是一個電磁激勵的并帶有一個具有直徑為25mm的聲音線圈。
所述板是一個由聚甲基丙烯酸酯(n-丁基)(n-butyl)PMMA整體制成的。它是一種具有從玻璃到橡膠的轉(zhuǎn)變溫度Tg為27℃的材料。因此，在室溫(25℃)時開始產(chǎn)生由玻璃到橡膠的轉(zhuǎn)變。參考圖4到圖6解釋這樣一種轉(zhuǎn)變的效果。在下面的表中列出了所述材料的參數(shù)，同時還有由于制造一個同樣尺寸的第二個板的聚碳酸酯的參數(shù)，為了比較，使用同樣的換能器和同樣的位置

圖2表示分別由PMMA和聚碳酸酯制造所述揚聲器的楊氏模量隨頻率變化43，41。通過測量每個頻率下的彎曲波的速度CB和使用公式6計算出所述楊氏模量的值。
圖2表示隨著頻率的增加PMMA板的楊氏模量的增加率比聚碳酸酯板的大，即使所述聚碳酸酯板的靜態(tài)楊氏模量要大一些(22.3GPA比1.9GPA)。因此，所述PMMA板在高頻下比在低頻下具有高的楊氏模量并且在高頻下具有比聚碳酸酯板高的楊氏模量。
圖3分別表示使用PMMA板和聚碳酸酯板的揚聲器對頻率的響應(yīng)47，45。用PMMA板的所述揚聲器的孔隙共振在高頻下與用PMMA板的所述揚聲器的孔隙頻率近似為18.1kHz比16.04kHz。因此與所述隨頻率增加的模量比率較低的聚碳酸酯板相比所述PMMA板在高頻下提高了頻率的極限。
所述PMMA板在靜態(tài)下的楊氏模量和密度大約比所述聚碳酸酯的值低13％。因此，所述模態(tài)頻率的值希望相對較低。但是，如圖3所示，所述PMMA板的局部模態(tài)頻率大于所述聚碳酸酯板的因此導(dǎo)致PMMA隨頻率在楊氏模量的變化大于聚碳酸酯的變化。
圖4分別表示粘彈性材料的應(yīng)力(σ)和應(yīng)變(ε)的正弦變化15，17同時在應(yīng)力和應(yīng)變成份之間的相位滯后參數(shù)(δ)。該時間滯后成份如公式7用作推導(dǎo)出阻尼或損失系數(shù)(η)。公式7也表示了儲存模量E′與所述損失模量E″之間的關(guān)系，該關(guān)系分別代表材料的儲存和損失能量的能力并且分別是復(fù)合楊氏模量的實際和想象部分。所述阻尼系數(shù)控制能量的吸收程度并且是一個對于一個各向均質(zhì)材料來說隨尺寸的變化不產(chǎn)生變化的材料參數(shù)。所述楊氏模量決定一個成份的剛度。
圖5表示一個熱塑聚合材料在一個固定頻率下隨溫度變化阻尼吸收dE和儲存模量E′的變化。在低溫下，如低于T0，所述材料表現(xiàn)出玻璃的特性。所述材料是堅硬的具有高儲存模量和一個基本不變的低阻尼系數(shù)。而在高溫下，如高于T1，所述材料表現(xiàn)出橡膠似的特性。所述材料更加柔軟，具有一個低的儲存模量和一個基本不變的低的阻尼系數(shù)。在溫度進(jìn)一步增加如高于T2，所述材料開始流動。
在溫度T0到T1之間發(fā)生從玻璃到橡膠的轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)變中儲存模量的值有一個急劇的下降且阻尼系數(shù)急劇上升到達(dá)一個峰值然后迅速下降。所述阻尼系數(shù)的最大值發(fā)生在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg。在該溫度下，所述應(yīng)變以確定的量滯后于所述應(yīng)力而導(dǎo)致最大的能夠耗散。
儲存模量隨溫度的變化可以與儲存模量隨頻率的變化相同，高溫與低頻相同且高頻與低溫相同。
根據(jù)公式8，在所述玻璃發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度下，頻率可以從一個參考頻率F0轉(zhuǎn)換為另一個頻率f。公式8可以被重新安排并且繪出如圖6的頻率f的對數(shù)與溫度的倒數(shù)的關(guān)系曲線。由曲線上的斜率可以導(dǎo)出每個轉(zhuǎn)變的活動能量，由于該曲線均勻不變的斜率，所述活動能量是一定的。雖然這只在轉(zhuǎn)變時期是正確的。因此，如果頻率從F0變化到較高的頻率F2，就會有一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度由T0到T2的增加。如果所述頻率減小到F1，轉(zhuǎn)變溫度也相應(yīng)地減小到T1。
頻率的變化影響到所述儲存模量E′和所述阻尼系數(shù)dE，在圖7中表示儲存模量E′對應(yīng)頻率F0和F2的變化23，25和所述阻尼系數(shù)dE對應(yīng)頻率F0和F2的變化27，29。通過將轉(zhuǎn)變溫度Tg變化為較高的值，在任何操作溫度下所述儲存模量的值都是高的。
所述阻尼系數(shù)的變化更復(fù)雜且所述轉(zhuǎn)變溫度Tg變化到一個高的值時，可以會導(dǎo)致阻尼系數(shù)的增加或減少，這要根據(jù)操作溫度來決定。在操作溫度T3下，頻率為F2的所述阻尼系數(shù)比頻率為F0時低且其值是一定的，而不是增加的。但是，在操作溫度為T4時，所述阻尼系數(shù)的值基本相等但所述阻尼系數(shù)對頻率F0為下降而對頻率F2為增加。
這被表示在圖8中，圖8是一個表示阻尼和儲存模量隨頻率變化29，31，和33。所述阻尼可以隨頻率變化而下降如變化29所示或可以隨頻率變化而增加如變化31所示。所述儲存模量隨頻率變化而增加如變化33所示。因此，具有對于一個使用這些材料制造的板的阻尼和硬度的兩個可能的選擇。
在低頻下用低硬度/高阻尼材料而在高頻下用高硬度/低阻尼的材料。
在低頻下用低硬度/低阻尼材料而在高頻下用高硬度/高阻尼的材料。
因此，通過改變一個特殊聚合物的轉(zhuǎn)變溫度或頻率，可以改變其機(jī)械特性以完成儲存模量和阻尼的特殊值。這些設(shè)計好的具有隨頻率變化性能的材料可以用于制造聲學(xué)設(shè)備和揚聲器的板和有關(guān)成份因此能夠改進(jìn)頻率波段寬度和性能。
附錄F0=πABμ]]>................................公式1其中F0固有頻率(Hz)A板的面積(m2)B平均彎曲硬度或硬度(Nm)＝1/2(BX+BY)μ面積/表面密度(kgm-2)FB=12π(4.81DE)Bμ]]>................................公式2其中FB彎曲波諧振頻率DE激勵器直徑FS=12π(4.81DE)Gtμ]]>................................公式3其中FS剪力波諧振頻率G剪力模量穿過厚度FR=FB2FS2FB2+FS2]]>................................公式4其中FR累積諧振頻率
B=Et312(1-v2)]]>..................................公式5其中B彎曲硬度t厚度E楊氏模量(Pa)v泊松比cB=ωBμ]]>..................................公式6其中cB彎曲波速度(ms-1)ω頻率(輻射器)B彎曲硬度(Nm)μ面積密度(kgm-2)η=tanδ=E″′E′]]>..................................公式7其中E′儲存模量/真實模量(GPa)E″損失模量/理想模量(GPa)δ相位滯后參數(shù)η阻尼或損失系數(shù)f=f0exp(-ΔHRT)]]>..................................公式8
其中f頻率(Hz)F0材料的常數(shù)頻率(Hz)ΔH用于處理的活動的能量R氣體常數(shù)T溫度(°K)
權(quán)利要求
1.一種制造用于一揚聲器的聲學(xué)元件的方法，所述揚聲器具有一工作頻率范圍和聲學(xué)輸出，所述聲學(xué)輸出依賴于元件的幾何參數(shù)、彎曲硬度，區(qū)域質(zhì)量分布、阻尼、張力模量、壓縮模量和剪力模量的變化，所述方法包括提供一個聲學(xué)元件，它至少具有一個隨頻率的變化的頻率相關(guān)參數(shù)；選擇所述頻率相關(guān)參數(shù)的變化以實現(xiàn)從所述揚聲器發(fā)出一個希望的聲學(xué)輸出并且所述元件具有所述的選擇的變化。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于包括選擇一聲學(xué)元件，該聲學(xué)元件具有一個由在所述揚聲器工作頻率范圍內(nèi)具有由玻璃到橡膠轉(zhuǎn)變的頻率相關(guān)材料制造的成份。
3.如權(quán)利要求2所述方法，其特征在于包括改變所述頻率相關(guān)材料以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度和/或頻率。
4.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于所述材料是一個聚合物，且所述方法包括對分子量、分子的分布、空間排列的效果、側(cè)基團(tuán)的極性和交聯(lián)的密度之中的至少一個參數(shù)進(jìn)行改變。
5.如權(quán)利要求1到4任意一個所述方法，其特征在于包括提供一個彎曲波聲學(xué)輻射器形式的聲學(xué)元件，且具有依賴于頻率的彎曲硬度和選擇所述彎曲硬度在低頻下較低而在高頻下較高。
6.如權(quán)利要求5所述方法，其特征在于選擇所述彎曲硬度的變化在頻率范圍內(nèi)的一選擇的點上具有一相對急劇的轉(zhuǎn)變。
7.如權(quán)利要求1到4任意一個所述方法，其特征在于提供一個聲學(xué)元件，該聲學(xué)元件的形式為一動圈換能器的線圈和磁鐵組件之間的柔軟懸置物，所述懸置物具有隨頻率變化的阻尼并選擇所述阻尼在一特定頻率下具有一個高的值因而對特殊的頻率的諧振產(chǎn)生阻尼。
8.如權(quán)利要求1到4任意一個所述方法，其特征在于提供一個聲學(xué)元件，該聲學(xué)元件的形式為以至少一個諧振彎曲波模式耦合到一聲學(xué)輻射器的質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊具有隨頻率變化的阻尼且選擇所述阻尼在低頻下具有高阻尼且在高頻下具有低阻尼。
9.一用于具有一工作頻率范圍的一個揚聲器的聲學(xué)元件，其特征在于所述元件包括一個由頻率相關(guān)材料制成的成份，所述材料具有至少一個參數(shù)作為頻率的函數(shù)而變化。
10.如權(quán)利要求9所述聲學(xué)元件，其中所述參數(shù)是從阻尼、彎曲硬度、楊氏模量、張力模量、壓縮模量和剪力模量一組之中選取的。
11.如權(quán)利要求9或10所述聲學(xué)元件，其特征在于具有一個組成結(jié)構(gòu)，包括至少一個具有頻率相關(guān)參數(shù)的成份。
12.如權(quán)利要求11所述聲學(xué)元件，其特征在于包括一個低密度的芯材料和在所述芯相對的面上的附著層附著的兩個表皮，所述表皮具有隨頻率而增加的硬度。
13.如權(quán)利要求9或12之中任意一所述聲學(xué)元件，其特征在于所述聲學(xué)元件是一個用于將所述揚聲器安裝在一個托件、支座或壁面上的懸置物。
14.如權(quán)利要求9或12之中任意一所述聲學(xué)元件，其特征在于所述揚聲器是一個彎曲波揚聲器，包括一個用于支承彎曲波振動的聲學(xué)輻射器和一個懸置安裝在所述輻射器上在所述輻射器上激勵彎曲波振動并產(chǎn)生一個聲學(xué)的輸出的換能器并且所述聲學(xué)元件從所述聲學(xué)輻射器、所述換能器懸置物中選取，一懸置物，在一個安裝所述聲學(xué)輻射器的框架和懸架上支承所述輻射器。
15.如權(quán)利要求14所述聲學(xué)元件，其特征在于所述聲學(xué)元件是一個在低頻下具有低彎曲硬度而在高頻下具有高的彎曲硬度的彎曲波聲學(xué)輻射器。
16.如權(quán)利要求15所述聲學(xué)元件，其特征在于所述彎曲硬度在頻率范圍內(nèi)的一選定點上具有一相對急劇的轉(zhuǎn)變。
17.如權(quán)利要求14所述聲學(xué)元件，其特征在于所述換能器是一動圈換能器具有線圈和磁鐵組件，及所述聲學(xué)元件的形式為在線圈和磁鐵組件之間的柔軟懸置物，所述懸置物具有在一特定頻率下具有一個高的值因而對特殊的頻率的諧振產(chǎn)生阻尼。
18.如權(quán)利要求14所述聲學(xué)元件，其特征在于所述聲學(xué)輻射器具有一諧振彎曲波模式的分布并且所述聲學(xué)輻射器形式為以至少一個特定模式耦合到一所述聲學(xué)輻射器的質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊在低頻下具有高阻尼且在高頻下具有低阻尼。
19.如權(quán)利要求14所述聲學(xué)元件，其特征在于一個聲學(xué)輻射器的形式為在聲學(xué)輻射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的特定位置上使用具有頻率相關(guān)材料。
20.如權(quán)利要求14所述聲學(xué)元件，其特征在于以一個輻射器懸置物的形式在圍繞所述彎曲波聲學(xué)輻射器的周邊延伸，所述懸置物具有高頻下的低阻尼和低柔軟性和低頻下的高阻尼和高柔軟性。
21.如權(quán)利要求14所述聲學(xué)元件，其特征在于其為一體的彎曲波板，由具有楊氏模量在低頻下較低而高頻下較高的材料形成。
22.如權(quán)利要求14所述聲學(xué)元件，其特征在于其為聲學(xué)輻射器的形式，在其至少一維方向上逐漸呈錐度。
23.如權(quán)利要求22所述聲學(xué)元件，其特征在于所述聲學(xué)輻射器的中心區(qū)域是堅硬的而邊緣區(qū)域是柔軟的，因此所述聲學(xué)輻射器同時作為一聲學(xué)輻射器和一支承框架的邊緣懸置物。
24.如權(quán)利要求9到12中的任意一個所述聲學(xué)元件，其特征在于所述揚聲器是一活塞式揚聲器，包括一個聲學(xué)輻射器，其形式是通過一個柔軟邊緣端部而安裝在一個框架上的一個錐形筒，用支架支承在所述框架上的一個驅(qū)動單元和一個容納所述錐形筒和驅(qū)動單元的封閉室并且所述聲學(xué)元件從包括所述揚聲器支承圈、所述柔軟邊緣終端、所述錐形筒或一個限制所述驅(qū)動單元在所述分布區(qū)內(nèi)的柔軟懸置物中選取。
25.如權(quán)利要求24所述聲學(xué)元件，其特征在于其為柔軟邊緣終端圍繞錐形筒的形式，所述終端具有在低頻下的高柔軟性和高頻下保證低柔軟性。
26.如權(quán)利要求24所述聲學(xué)元件，其特征在于其為錐形筒的形式，具有在低頻下的高阻尼和高頻下保證硬度。
27.如權(quán)利要求9到26中的任意一個所述聲學(xué)元件，其特征在于在所述揚聲器工作頻率范圍內(nèi)所述頻率相關(guān)材料具有一從玻璃到橡膠的轉(zhuǎn)變。
28.如權(quán)利要求27所述聲學(xué)元件，其特征在于所述聲學(xué)元件在不同頻率下具有轉(zhuǎn)變的分開的區(qū)域。
29.如權(quán)利要求9到28中的任意一個所述聲學(xué)元件，其特征在于頻率相關(guān)材料從下面一組中選取的，包括粘塑性材料、樹脂、熱塑聚合物、泡沫材料和聚合物混合物。
30.如權(quán)利要求9到28中的任意一個所述聲學(xué)元件，其特征在于所述頻率相關(guān)材料是將一具有與頻率無關(guān)的高模量加強(qiáng)纖維封閉在其中的聚合材料。
31.如權(quán)利要求9到28中的任意一個所述聲學(xué)元件，其特征在于所述頻率相關(guān)材料是將一具有與頻率無關(guān)的高質(zhì)量的第二材料封閉在其中的聚合材料。
全文摘要
一種制造用于一揚聲器的聲學(xué)元件的方法，所述揚聲器具有一工作頻率范圍和聲學(xué)輸出，它依賴于元件的幾何參數(shù)、彎曲硬度，區(qū)域質(zhì)量分布、阻尼、張力模量、壓縮模量和剪力模量的變化，所述方法包括提供一個聲學(xué)元件，它至少具有一個依賴頻率的變化的頻率相關(guān)參數(shù)；選擇所述頻率相關(guān)參數(shù)的變化以實現(xiàn)從所述揚聲器發(fā)出一個希望的聲學(xué)輸出并且所述元件具有所述的選擇的變化。所述方法包括選擇所述聲學(xué)元件，它具有用頻率相關(guān)材料制造的成分，在所述揚聲器工作頻率范圍內(nèi)所述頻率相關(guān)材料具有一從玻璃到橡膠的轉(zhuǎn)變T
文檔編號H04R7/00GK1535556SQ02809377
公開日2004年10月6日 申請日期2002年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月11日
發(fā)明者朱利安·福德姆, 馬丁·科洛姆斯, 拉斯·鮑恩, 朱利安 福德姆, 科洛姆斯, 鮑恩 申請人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司