專利名稱：聲音裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布式共振模式變化的聲音裝置，特別是但不限于分布式共振模式揚(yáng)聲器(下文中簡稱為“DM揚(yáng)聲器”)。
背景技術(shù)：
這種揚(yáng)聲器包括一可維持彎曲波的聲音輻射器及一安裝在該聲音輻射器上的換能器，該換能器用于激發(fā)該聲音輻射器中的彎曲波以產(chǎn)生一聲音輸出，例如在WO97/09842(本文予以參考引用)中的說明。
依據(jù)該文件，可對該聲音輻射器的整體特性進(jìn)行選擇，將該共振彎曲波模式大致在頻率上均勻地分布。換句話說，為了消除由于模式的“擠靠”或群聚所引起的頻率響應(yīng)峰值，對該聲音輻射器的整體特性或參數(shù)，例如尺寸、厚度、形狀、材料等進(jìn)行選擇。因此，該共振彎曲波模式的分布結(jié)果大致會表現(xiàn)出最小程度的群聚和間隔不均。對于矩形板且各向同性彎曲剛度來說，該專利文件會特別確定有用的側(cè)面尺寸縱橫比，例如1.134∶1。
可選擇該換能器的位置，以大致均勻地耦合到該共振彎曲波模式，特別是耦合到低頻共振彎曲波模式。為了達(dá)到這個目的，該換能器可處于振動方面的主動共振腹點數(shù)量相當(dāng)高，但共振節(jié)點數(shù)量反而相當(dāng)?shù)偷奈恢?。在一矩形的情況下，所發(fā)現(xiàn)的適當(dāng)?shù)奶厥馕恢脼檠剌S向3/7、4/9或5/13距離的地方。
由WO97/09842中的所示進(jìn)行分析，不僅得到關(guān)于換能器構(gòu)件的較佳位置，而且還有關(guān)于確定實際位置的能力，在該位置中，應(yīng)該運(yùn)用任何選擇性的阻尼以對任何特殊的不希望的頻率進(jìn)行處理。WO99/02012同樣公開了在局部的位置上，使用質(zhì)量塊。兩種公開都能解決某些占主要的頻率(大于“突出外面的(stick out)”平均振幅比)問題，從而改變相應(yīng)的揚(yáng)聲器整體頻率響應(yīng)。
WO00/22877公開質(zhì)量塊，例如2至12克的范圍內(nèi)的選擇性局部位置5，固定到一彎曲波板上以調(diào)整該耦合共振為最佳，使得整體響應(yīng)適當(dāng)?shù)馗淖儭Ｔ摷夹g(shù)在擴(kuò)展該組件的低頻范圍方面具有特別的好處。
US5,615,275描述一種揚(yáng)聲器，包括一安裝在一框內(nèi)的平面隔膜，其后表面與一揚(yáng)聲器音圈耦合，使得該音圈如同一活塞，擠壓該隔膜的后表面，引起該隔膜的充分振動，因而有效地產(chǎn)生聲音。質(zhì)量塊彈性地安裝在該隔膜之上，以改進(jìn)其頻率響應(yīng)特性、根據(jù)經(jīng)驗決定質(zhì)量塊的數(shù)量、大小及任何特別隔膜中重量塊的精確位置。在特定頻率下，該重量的作用為抑制或?qū)乖摳裟さ姆鞘芸刂七\(yùn)動。
從上述的WO97/09842中可看出，支持該類裝置操作的共振模式分布的均勻性的增加，將能改進(jìn)該裝置本身的頻率響應(yīng)。當(dāng)由于各種造型考慮或要使一個板必須適于一個現(xiàn)有空間時，使上面所討論的較佳板尺寸無法實現(xiàn)時，本發(fā)明便可特別地適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明特別針對分布式共振模式裝置，其目的在改進(jìn)這種裝置的共振模式分布的均勻性。
因此，本發(fā)明包括一種用于改進(jìn)一分布式共振模式彎曲波聲音裝置中的板的模式共振頻率分布的方法，該方法包括以下步驟(a)分析該板的模式共振頻率分布；(b)確定一相對于鄰近的模式共振頻率為不均勻間隔的模式共振頻率；(c)確定該板上，在該模式共振頻率表現(xiàn)腹點特征(anti-nodal behaviour)的位置；及(d)在該位置改變對彎曲波振動的局部阻抗。
在特定的模式共振頻率中，改變該板上對應(yīng)于一腹點的一個或多個位置的局部阻抗，造成該特定共振模式的頻率偏移。本發(fā)明利用這種作用在頻譜中，對一個或多個經(jīng)分析確定的相對于鄰近的模式共振頻率為不均勻間隔的共振頻率進(jìn)行重新定位。依照此種方式，在總體上改善該裝置的模式共振頻率分布的均勻性。
這種局部阻抗變化也可產(chǎn)生額外的共振模式，在該頻譜范圍內(nèi)適當(dāng)定位，其同樣有助于模式共振頻率分布的整體均勻性。
局部機(jī)械阻抗Zm可以下式表示Zm＝j(luò)ω·質(zhì)量+阻尼+剛度/jω并且可能是阻尼、質(zhì)量或剛度的任何單一組合或共同組合。顯而易見的，這種對彎曲波振動的阻抗主要作用于該板的垂直方向中。
有利的是，要確定出除了在該模式共振頻率表現(xiàn)出腹點特征之外，也在鄰近該模式共振頻率的第二共振頻率中表現(xiàn)出節(jié)點(nodal)特征的位置。
本方法也包括確定多個相對于各個鄰近模式共振頻率為不均勻間隔的模式共振頻率，確定在該板中，在各個模式共振頻率中表現(xiàn)腹點特征的多個位置，及改變在該多個位置中其中一個或多個位置中對彎曲波振動的局部阻抗。
本方法進(jìn)一步包括反復(fù)地改變該局部阻抗的步驟，以改進(jìn)在該板上的模式共振頻率分布，或者其可包括下面步驟通過各種方式改變該局部阻抗，測量各個模式共振頻率分布的均勻性并在其中進(jìn)行插值得到局部阻抗變化的較佳值。測量步驟包括計算該模式頻率的最小中心方差。
特別地，該插值步驟包括確定對應(yīng)一模式共振頻率分布的局部阻抗變化值，要優(yōu)于相應(yīng)的一具有各向同性材料特性及最佳縱橫比的矩形板的局部阻抗變化值?；蛘?，可以包括通過各種方式改變該局部阻抗的步驟，測量各個模式共振頻率分布的變化，并在其中進(jìn)行插值得到局部阻抗變化的最佳值。
關(guān)于改變局部阻抗的步驟，可以包括改變在該位置的板的質(zhì)量，特別是最好通過一具有柔性的構(gòu)件及/或具阻尼的構(gòu)件裝置，在該板上附著分立的質(zhì)量塊。特別地，該分立的質(zhì)量塊可通過一彈性泡沫構(gòu)件附著在該板上。
改變局部阻抗的步驟也可能包括改變該位置處的板的剛度或阻尼。


現(xiàn)在將參照附圖，以示例方式說明本發(fā)明，其中圖1A為一分布式共振模式揚(yáng)聲器的示意圖；圖1B表示圖1A中該板的模式共振頻率分布；圖1C為一理想狀態(tài)圖，表示(4，0)模式的節(jié)點線；圖1D為一理想狀態(tài)圖，表示(1，3)模式的節(jié)點線；圖2和3表示連續(xù)應(yīng)用本發(fā)明的方法后，圖1A中該板的模式共振頻率分布；圖4表示當(dāng)在圖1中加入FEA模型，相對四種分立的質(zhì)量塊(m)值的成本函數(shù)(L)的值；圖5表示依據(jù)圖4經(jīng)優(yōu)化的板的模式共振頻率分布；
圖6A-D為圖1A中板的“驅(qū)動圖”；圖7A和7B分別表示依據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例改進(jìn)的板的剖視圖，及模式共振頻率分布結(jié)果；圖8A和8B是替代圖7A配置的剖視圖；及圖9是本發(fā)明進(jìn)一步實施模式的示意圖。
具體實施例方式
圖1A是一分布式共振模揚(yáng)聲器1的示意圖，此種揚(yáng)聲器可從前述WO97/09842中了解，其中包括一通過一懸掛體3安裝在一框4內(nèi)的板2，該板會支持一激勵器5。這種配置在本領(lǐng)域是公知的，因而不作進(jìn)一步討論。對于本示例，我們通常假設(shè)具有各向同性材料的特性，在各側(cè)面的懸掛體的剛度為零，三維尺寸為288×216×2mm(對應(yīng)于一板的縱橫比1.33∶1)。這樣，該板不同于WO97/09842中說明的該較佳縱橫比1.134∶1。
依據(jù)本發(fā)明的方法，為改進(jìn)這樣一揚(yáng)聲器的該模式頻率分布，首先必須分析該板的模式頻率分布。圖1B通過垂線7表示圖1A中該板在頻譜范圍內(nèi)的模式頻率分布，該頻譜由公知的有限元分析(FEA)技術(shù)來確定。另外，模式共振頻率分布采用本領(lǐng)域中公知的經(jīng)驗法進(jìn)行測量。相應(yīng)的前24種模式的頻率值見表1。
此后，有必要確定至少一種相對于鄰近的模式頻率不均勻間隔的模式共振頻率。在圖1的情況下，這可明顯看出從600赫茲和800赫茲時分布的大的間隙及400赫茲和920赫茲時的擠靠模式。
對于在約400赫茲時的不均勻間隔模式，例如，最好通過降低401赫茲(線8所示)時的(4，0)模式頻率，而不降低線9所示的405赫茲的(1，3)模式來減少在該頻率的聚束模式(the bunching of modes)。
隨后，確定在板上對所討論的模式共振頻率，本例中為401赫茲，表現(xiàn)腹點特征的位置。圖1C也是通過有限元分析得到的一理想狀態(tài)圖，表現(xiàn)頻率401赫茲時(4，0)模式的節(jié)點線20。應(yīng)該理解，腹點特征區(qū)域位于以虛線22所示的模式線中間，依據(jù)本發(fā)明也就是在這種位置，要改變其局部阻抗。應(yīng)該明白，上述確定步驟也可通過其它方式進(jìn)行，例如，對一試驗板進(jìn)行WO99/56497中公知的激光分析。
較佳的是，在該頻譜范圍內(nèi)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通過選擇阻抗變化的位置而使其減到最小，所述位置除了使其在該共振模式頻率表現(xiàn)出腹點特征之外，也在鄰近該共振模式頻率的第二共振頻率中表現(xiàn)出節(jié)點特性。圖1D表示鄰近的(1，3)模式的節(jié)點線，與圖1C相比，顯然位于X軸的約1/4和Y軸的1/2處(即距直角72×108毫米處)的點(圖中十字A)將與(4，0)模式而不與(1，3)模式耦合。
依據(jù)本發(fā)明的最后步驟，改變在該位置A對彎曲波振動的局部阻抗。為實現(xiàn)降低上述所關(guān)心的401赫茲模式共振頻率的目的，有利的是，通過改變該位置的板的質(zhì)量，特別是如圖1A所示，通過在6的位置處，在該板表面附著一分立的質(zhì)量塊以增加該板的質(zhì)量，便可改變該位置對彎曲波振動的阻抗。
可通過反復(fù)地改變局部阻抗來確定實際要增加的質(zhì)量的量，以改進(jìn)該板的模式共振頻率分布在本例中，試驗了一個4.3克的質(zhì)量塊，代表該板總質(zhì)量43克的10％。
圖2的有限元分析模擬中表現(xiàn)該前24種模式的分布結(jié)果。仔細(xì)分析結(jié)果表明，由于該模式下降過大超過對頻率分布平直化所需，證明質(zhì)量補(bǔ)償過度。因此，用其一半的質(zhì)量(2.15g)重復(fù)分析，該前24種模式的新配置見圖3，從中可看到這最終配置有效地分離400赫茲的(4，0)和(3，1)模式，改進(jìn)了頻率分布的整體均勻性。
模式頻率分布的均勻性也可用所謂的“成本函數(shù)”來數(shù)字地表示，此為WO99/56497中所說明的一種方法(這里僅作參考)。在本例中，均勻性由模式共振頻率的最小中心方差L值測量，即L=Σm=1M-1(fm-1+fm+1-2fm)2M-1]]>其中fm，為第m(0＜＝m＜＝M)個模式的頻率。
圖4表示的是對應(yīng)各種分立的質(zhì)量塊數(shù)量(m表示克)加到圖1的有限元分析模式中時，成本函數(shù)(L)的值23。對這些值進(jìn)行插值法計算，例如，對該模式共振頻率值24進(jìn)行二次方曲線24擬合，得到最佳點25在m＝1.29g處，得出最小成本函數(shù)值約為44。圖5表示的是此最佳配置的前24種模式的在整個頻譜范圍內(nèi)的分布。
但是，從圖4可清楚看出，任何大于0而小于3.4克的質(zhì)量將比一未修改的板(質(zhì)量＝0)的均勻性更好。此外，相應(yīng)于如圖1A所示的這種未更改的矩形板，其具有相同的區(qū)域和材料、各向同性材料特性及上述的“理想”縱橫比1.134∶1，質(zhì)量值約在0.8克和1.9克之間會得出一個低于44.4的L值。
本發(fā)明不限于單一的模式，也預(yù)見了相對于各自相鄰的模式共振頻率不均勻間隔的多個模式共振頻率的確定。進(jìn)一步考慮圖1B及表1所列的模式，可看出也出現(xiàn)共振模式的不均勻間隔，如圖1B的符號B-G所示。顯然這也可通過減小131赫茲的(0，2)模式、361赫茲的(0，3)模式、401赫茲的(4，0)模式、645赫茲的(4，2)模式、874赫茲的(2，4)模式及917赫茲的(5，2)模式的頻率來補(bǔ)償。
利用有限元分析確定該板上表現(xiàn)于這些模式共振頻率下表現(xiàn)腹點特征的位置(依據(jù)本發(fā)明的第三步驟)，將會生成圖6A的“驅(qū)動圖”，圖中平均振幅的連續(xù)地增大值由連續(xù)較淡的陰影表示。在同時受到上面列出的6個共振頻率下激發(fā)時，具有最大振幅，即腹點特征的板區(qū)域，由附圖標(biāo)記26所示。在這些多個位置中的其中一個或多個位置中，必須改變對彎曲波振動的局部阻抗，例如依據(jù)本發(fā)明第四步驟增加局部阻抗。
在區(qū)域26中，選擇特殊位置很方便，在這些位置，對應(yīng)與6個有問題的共振頻率中的每一個的響應(yīng)都是“平滑”，即均勻一致，因此保持/增強(qiáng)對該裝置的頻率響應(yīng)的整體平滑性。這些區(qū)域由圖6B中無陰影的區(qū)域28表示。
或者，局部阻抗變化可限制在前述的那些區(qū)域，即在所述區(qū)域，在除了確定的頻率外的頻率上，基本上沒有額外的腹點特征。圖6C是這樣的其它頻率的一個驅(qū)動圖，圖中腹點特征的連續(xù)下降程度由陰影的逐漸加深來表示。
雖然由圖6C中證明板的大部分區(qū)域滿足腹點特征的標(biāo)準(zhǔn)。但是，應(yīng)用類似于上述的突出區(qū)域的“平滑”標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果在圖6D中表示，以逐漸變淡的陰影對應(yīng)于響應(yīng)除所關(guān)心的6種模式之外的所有的模式的連續(xù)增強(qiáng)的均勻性。
通過目測比較圖6B和6D，可看出改變圖6B和6D中所示一位置A(相對坐標(biāo)x＝0.45，y＝0.40)的阻抗，整體的頻率分布均勻性與頻率水平一起得到最佳改進(jìn)，另一個相對坐標(biāo)x＝0.18和y＝0.41的位置B也獲得最佳改進(jìn)。要注意的是，每個這些相對坐標(biāo)可由x和y軸之一或由兩者共同反映出來。
圖7A是依據(jù)本發(fā)明另一個具體實施例的一板的剖視圖，其中通過在具有柔性的構(gòu)件(彈力泡沫襯墊42)上施加質(zhì)量和剛度的變化，以增加局部阻抗，該構(gòu)件將1.29克的分立的質(zhì)量塊44附著在該板40上。
由于基礎(chǔ)板與圖1A具體實施例用的板相同，在401赫茲的不均勻間隔模式共振頻率及在板上表現(xiàn)該模式共振頻率下腹點特征的對應(yīng)位置也保持相同。質(zhì)量塊及襯墊設(shè)置在板的根據(jù)本發(fā)明的位置上。
關(guān)于由該質(zhì)量塊和襯墊表現(xiàn)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第一個具體實施例中的質(zhì)量值及最佳化襯墊剛度實現(xiàn)，剛度最佳化采用迭代的或上述有關(guān)質(zhì)量塊的基于“成本函數(shù)”最佳化過程。在本例中，對10N/mm到100N/mm之間的彈簧剛度進(jìn)行分析以找出最佳值，結(jié)果為26.3N/mm。
在圖9B所示的模式分布結(jié)果中，以在800赫茲造成稍大的差值為代價，略高的剛度將模式在700赫茲處分成了兩個。由在較高的頻率上質(zhì)量會對頻率響應(yīng)有一反作用的這一事實，得到的更進(jìn)一步的優(yōu)點是剛度用于使質(zhì)量塊從板上去耦。
圖8A所示的是通過改變該位置的板剛度，改變局部阻抗的實例。與圖7A中板上附著一質(zhì)量塊不同的是，將安裝在板的柔性構(gòu)件(泡沫襯墊42)固接在該揚(yáng)聲器(圖1所示的4)的框上，例如通過一跨越該框后部的壓桿46來連接?；蛘撸鐖D8B所示，可通過安裝在一擋板盒(圖中未示)的突出件48在一框的背部后面再延伸的方式固接。
圖9是另一個具體實施例的示意圖，其中表示一板56，除了質(zhì)量塊50和彈簧52外還有一阻尼器54。實際中這種阻尼為前面具體實施例中的任何彈性泡沫襯墊所固有的，可因選擇使用不同的泡沫襯墊而不同。采用上述的方法并以前面具體實施例中確定的質(zhì)量和剛度值為基礎(chǔ)，可有益地實現(xiàn)阻尼值的最佳化。特別地，阻尼可用于平衡由前面具體實施例中的方法獲得的再分布模式的能量分布。
本發(fā)明僅采用一些實例說明，在不背離本發(fā)明范圍內(nèi)可以作出各種修改。
例如，前面的具體實施例都詳細(xì)說明了增加選定位置的局部阻抗的步驟。當(dāng)然，對于一簡單的板所給出的起點而言，實施這種方式(通過簡單的附著質(zhì)量等)是最容易的。但是，也可以通過減少局部阻抗，例如，通過局部移除及/或取代板材料，實現(xiàn)以最佳實現(xiàn)頻率分布均勻性的改進(jìn)的情況。
而且，本發(fā)明不限于相對于構(gòu)件平面的垂直振動運(yùn)動元件作為一種替代或附帶也可使用具有旋轉(zhuǎn)自由度的耦合元件的附著。這種附著裝置的例子包括扭簧和一個慣性大的附著裝置。
應(yīng)該明白不僅僅揚(yáng)聲器，如麥克風(fēng)等的其它聲音裝置也都屬于本發(fā)明的范圍。除了用一拾音器取代任一激勵器，與上述的揚(yáng)聲器具體實施例的差異通常極小。
權(quán)利要求
1.改進(jìn)一板式分布共振模式彎曲波聲音裝置的板的模式共振頻率分布的方法，該方法包括以下步驟(a)分析所述板的模式共振頻率分布；(b)確定一相對于鄰近的模式共振頻率為不均勻間隔的模式共振頻率；(c)確定所述板上于所述模式共振頻率表現(xiàn)腹點特征的位置；及(d)改變所述板在所述位置處對于彎曲波振動的局部阻抗。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定所述位置，以使在所述位置上除了在所述模式共振頻率表現(xiàn)出腹點特征之外還在鄰近所述模式共振頻率的第二共振頻率中表現(xiàn)出節(jié)點特征。
3.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于包括確定多個相對于各個鄰近模式共振頻率為不均勻間隔的模式共振頻率，確定在所述板中于各個的模式共振頻率中表現(xiàn)腹點特征的多個位置，并改變在所述多個位置中其中一個或多個位置中對彎曲波振動的局部阻抗。
4.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括為改進(jìn)所述板的模式共振頻率分布迭代地改變所述局部阻抗的步驟。
5.如權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于包括改變所述局部阻抗為不同的量，測量各個模式共振頻率分布的均勻性并在其中進(jìn)行插值得到局部阻抗變化的較佳值的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述測量步驟包括計算模式頻率的最小中心方差。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于所述插值步驟包括確定相應(yīng)于一模式共振頻率分布的局部阻抗變化值，該模式共振頻率分布優(yōu)于相應(yīng)的一具有各向同性材料特性及最佳縱橫比的矩形板的模式共振頻率分布。
8.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于包括改變所述局部阻抗為不同的量，測量模式共振頻率分布的相應(yīng)變化，并在其中進(jìn)行插值得到局部阻抗變化的最佳值的步驟。
9.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于改變局部阻抗的步驟包括改變所述位置的板的質(zhì)量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于改變局部阻抗的步驟包括在所述板上附著一分立的質(zhì)量塊。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于改變局部阻抗的步驟包括通過一具有柔性的構(gòu)件，在所述板上附著所述分立的質(zhì)量塊。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中改變局部阻抗的步驟包括通過一具有阻尼的構(gòu)件，在所述板上附著所述分立的質(zhì)量塊。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中改變局部阻抗的步驟包括通過一彈性泡沫構(gòu)件，在所述板上附著所述分立的質(zhì)量塊。
14.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中改變局部阻抗的步驟包括改變所述位置的板剛度。
15.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中改變局部阻抗的步驟包括改變所述位置的板的阻尼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)分布式共振模式彎曲波聲音裝置中一板(2)的模式共振頻率分布的方法，其包括分析該板的模式共振頻率分布，確定一相對于鄰近的模式共振頻率為不均勻間隔的模式共振頻率，確定該板上于該模式共振頻率處表現(xiàn)腹點特性的位置，并且改變該位置(6)對彎曲波振動的局部阻抗。該方法特別適用于分布模式的揚(yáng)聲器(1)。
文檔編號H04R29/00GK1526259SQ02813865
公開日2004年9月1日 申請日期2002年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月17日
發(fā)明者尼爾·哈里斯, 亨利·阿齊馬, 尼爾 哈里斯, 阿齊馬 申請人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司