本申请根据35U.S.C.第119(e)章要求于2015年11月16日提交的序列号为14/942,569的当前待决的非临时申请的优先权，并且还根据35U.S.C.第119(e)章要求于2016年11月16日提交的序列号为15/353,070的当前待决的非临时申请的优先权，其内容均通过引用被整体结合于此。
技术领域
本发明提供了一种表面声学换能器以及伴随的系统和方法，其最佳地被构造用于飞机机舱。具体而言，提供了独特的结构组合以便保护音圈组件(主组件)相对于磁体的偏移，例如以减轻外力或干扰的影响。此外，为了允许由表面声学换能器提供更丰富的声音范围，由卡盘(spider)与更高瓦数的音圈一起提供更大的偏移范围。
背景技术：
传统的扬声器通过将电信号转换成机械运动以振动膜片或锥体来产生声音，而表面声学换能器在没有锥体的情况下工作来产生声音。也就是说，表面声学换能器通过附接到诸如由各种材料制成的现有面板或壁的表面上并且将振动直接引导到表面上以产生声音来工作。
表面声学换能器在本领域中通常是已知的。例如，可以通过仅仅从传统的扬声器或扬声器驱动器中去除外部壳体和锥体并附接到外部振动表面以产生声音来构建表面声学换能器。然而，虽然已知表面换能器存在了一段时间，但是由于这些换能器的技术限制以及仅仅通过将换能器附接到各种表面而导致的声音质量差，几乎没有获得商业上的成功。
具体而言，表面声学换能器的一个限制是由于缺乏机械偏移，导致声音频率不存在高频和低频。例如，与传统扬声器相比，普通表面声学换能器具有有限的频率响应而非实现丰富的低音，导致较低质量的窄频带响应。表面换能器的另一个问题是用于安装表面换能器的附加的支架表面或外部壳体的影响。也就是说，在结构上，当前的表面安装式换能器不考虑相对于表面换能器所附接的振动表面的移动或变化。例如，倚靠附接有表面换能器的墙壁或表面的人将由于换能器潜在地偏转到应用后面的相邻表面上而对正在再现的声音或声音质量产生剧烈影响。
因此，业界需要一种改进的表面声学换能器，其产生更好的声音并克服上述特定问题。
技术实现要素：
本发明通过提供结构上独特的表面声学换能器以及伴随的系统和方法来满足上述现有需求。具体而言，本发明提供一种构造成通过使外表面振动来产生高质量声音的表面声学换能器。在本发明的优选实施例中，本发明的表面声学换能器被优化地构造成用于在飞机机舱内产生高质量声音。当然，该换能器也可以被进一步配置并用于使其它表面振动。
因此，从初始的广义上讲，本发明的表面声学换能器包括主组件和构造成将主组件保持在其中的换能器壳体。
主组件被构造成容纳音圈组件，包括音圈架、音圈线以及可选的耦合环。主组件可形成大致圆柱形形状，其近端的一部分从换能器壳体向外突出。磁体设置在主组件的远端。耦合环可以附接于主组件的近端。主组件的主体部分可以由音圈架形成，该音圈架具有以围绕关系卷绕在其至少一部分上的音圈线。
换能器壳体可以包括凸缘结构和磁轭结构、卡盘以及附接和/或设置在其中的磁体和顶部分流板。凸缘结构形成换能器壳体的近侧部分，磁轭结构形成换能器壳体的远侧部分。磁轭可以被耦合或可移动地附接于主组件的远端。顶部分流板可以与主组件的远端并置，并位于磁体和主组件之间。更具体而言，顶部分流板可以基本设置在音圈架的内部，并且音圈线可以卷绕在音圈架外部的一部分上，从而例如设置在相对于顶部分流板的外部边缘大致重叠的位置。磁体可以附接和/或设置在换能器壳体的远侧表面上，使得磁体的边缘的一部分相对于音圈组件的音圈线位于重叠位置。凸缘可以相对于音圈组件的外表面设置成环绕关系。端子附件可以附接到凸缘的一部分，并被构造和设置为接收电输入。卡盘可以以与主组件并置的环绕关系耦合到凸缘，更具体地，音圈组件形成该卡盘的一部分。卡盘可以设置成当音圈组件被电输入信号电激励时机械地抑制和/或至少部分地阻碍音圈组件的移动。
还可以提供外部壳体或安装支架以将换能器壳体至少部分地包围在其中。外部壳体可以包括刚性组成物的圆柱形保持壁、设置和/或固定在该圆柱形保持壁上的用于保护换能器并同时允许主组件在其中偏移的偏移盖。
当考虑到本发明的附图以及详细描述时，本发明的这些目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点会变得更加清楚。
附图说明
为了更全面地理解本发明的性质，应当参考结合附图进行的以下详细描述，其中：
图1是本发明一个实施例中的表面声学换能器的外部透视图。
图2是图1的表面声学换能器的底部轮廓图。
图3A是图1的表面声学换能器的侧面轮廓图。
图3B是图1的表面声学换能器的侧面局部剖视图。
图4A是图1的表面声学换能器的另一侧面局部剖视图。
图4B是图4A所示的表面声学换能器的横截面的放大图。
图5是构成本发明的表面声学换能器的一部分的耦合环的轮廓图。
图6是与形成本发明的表面声学换能器的一部分的音圈组件相连的图5的耦合环的轮廓图。
图7是构成本发明的表面声学换能器的一部分的磁体的轮廓图。
图8是构成本发明的表面声学换能器的一部分的凸缘的轮廓图。
图9是构成本发明的表面声学换能器的一部分的卡盘的轮廓图。
图10是构成本发明的表面声学换能器的一部分的顶部分流板的轮廓图。
图11是构成本发明的表面声学换能器的一部分的磁轭的轮廓图。
图12是安装在外部壳体内的表面声学换能器的轮廓图。
图13A是图12的外部壳体的轮廓图。
图13B是图12的外部壳体的俯视图。
图13C是图12的外部壳体的侧视图。
图14是利用了经由图12的外部壳体沿飞机窗板的外围安装的一个或多个图1的表面声学换能器的主动噪声消除系统的示意图。
图15是利用了经由图12的外部壳体沿飞机窗口区域的外围安装的一个或多个图1的表面声学换能器的另一个主动噪声消除系统的示意图。
图16是表示优选使用粘合剂将安装支架固定到下表面的隔离横截面图。
贯穿附图的若干视图，相同的参考号指代相同的部件。
具体实施方式
如附图所示，本发明涉及一种表面声学换能器。在优选实施例中，如下所述，本发明的表面声学换能器被优化地构造成用于通过使飞机机舱的内部舱室壁、舱壁和/或窗户振动从而在飞机机舱内产生高质量声音。当然，该表面声学换能器也可以被用来使其它表面振动。具体而言，本发明的表面声学换能器包括换能器壳体，该换能器壳体被构造成至少部分包围具有音圈组件和磁体的主组件。在一个实施例中，换能器壳体可以被进一步安装在具有刚性保持壁和偏移盖的外部壳体或安装支架内。该偏移盖可以由可延展的螺旋结构形成，以保护表面声学换能器免受外部干扰，同时允许换能器经由偏移盖偏移。这能防止或使例如人倚靠在表面声学换能器所附接的舱壁上、或与表面声学换能器接近或与表面声学换能器靠近接触的其它表面或材料时的声音失真最小化，而不牺牲换能器的声音范围和质量。
如示意性表示的那样，图1和2示出了本发明的表面声学换能器100。图1提供该换能器100的透视图，图2提供该换能器100的仰视图。如最初所示，换能器100可以在外部包括换能器壳体120和保持在该换能器壳体120中的主组件110。
主组件110可以形成大致圆柱形的形状并且可以包括和/或至少部分地由音圈组件117形成，并且该主组件110的近端的至少一部分从换能器壳体120向外突出。换能器壳体120可以包括形成该换能器壳体120的近侧部分的凸缘103、以及形成该换能器壳体120的远侧部分的磁轭104。另外，主组件110的远端可以在磁轭104内终止。
凸缘103可以耦合到所述换能器壳体120的近端，来形成其一部分。所述凸缘103以环绕关系设置在主组件110上。如附图所示，凸缘103可以包括耦合到凸缘的端部或边缘的端子附件105。端子附件105被构造为至少具有用于接收来自电源的电力的正端子部分和负端子部分，并且进一步将电力中继到音圈组件117。在本发明的至少一个实施例中，换能器壳体120，或者更具体而言凸缘103的直径具有25mm至30mm之间的直径。
磁轭104可以耦合到所述换能器壳体120的远端，来形成其另一部分。所述磁轭104可以以至少部分环绕的关系耦合到主组件110的远侧部分。
注意图3A和3B，分别示出了表面声学换能器100的侧面轮廓图和侧面局部剖视图。如图3A所示，主组件110可以进一步包括附接于主组件110的近端的耦合环101。主组件110可以包括设置在耦合环101与磁轭104之间的音圈组件117。
注意图3B，表面声学换能器100的局部剖视图进一步示出了至少部分耦合到凸缘103的卡盘102，该卡盘102构造成对包括音圈组件117的主组件110的运动进行抑制。这样，卡盘102可以以环绕关系耦合到主组件110，或者更具体地，耦合到音圈组件117的一部分。例如在音圈组件117处于静止状态时，提供磁场的磁体111可以耦合到声学换能器120的远端，并设置在主组件110和/或音圈组件117的远端和音圈组件117的音圈线116附近。顶部分流板112可以沿着音圈组件117的远侧部分周向地形成，并且以与磁体111并置的关系设置。另外，在至少一个实施例中，分流板112可以具有倾斜的边缘以防止在角上形成磁场并且改善相对于偏移距离表示力因数的BL曲线。
注意图4A示出了表面声学换能器100的剖视图，并且更具体地，图4B示出了截面C的分解图，音圈组件117包括音圈架115和音圈线116。音圈架115可以具有圆柱形形状并且可以形成音圈组件117的部件或部分。如图4B所示，音圈线116可以以环绕关系卷绕在音圈架115的至少一部分上，使得音圈线116可以至少部分地浸入由磁体111提供的磁场内。
在本发明的至少一个实施例中，顶部分流板112可以相对于音圈线116设置成大致重叠的关系，而当音圈组件117处于静止状态时，仅磁体111的一部分相对于音圈线116设置成重叠关系。此外，本发明的磁体111优选安装在离音圈组件117大约0.33mm(或提供0.33mm的间隙)的距离处，以确保磁体111和音圈组件117不会碰撞。在其它实施例中，该间隙优选在0.25至0.4mm的各种范围之间。当音圈组件117处于激励状态时，例如当被从外部电源经由端子附件105输入的电信号电激励时，音圈组件117可以根据接收到的信号而移动。耦合到凸缘103的卡盘(spider)102与音圈组件117处于并置环绕关系，从而例如与音圈架115邻接，来至少部分地阻碍和/或抑制其移动。在优选实施例中，卡盘102由柔性材料形成，以允许音圈组件117的较大偏移范围或移动。
重视图4A，在本发明的至少一个实施例中，换能器壳体120被构造成容纳包括音圈组件117的主组件110以及磁体111，使得音圈组件117是以相对于磁体111可移动的关系设置。换言之，音圈组件117可移动地附接到包括凸缘103和磁轭104的换能器壳体120，使得其可以在各种激励状态期间沿着偏移路径从换能器壳体120轴向地向外移动，并返回恢复到图4A和图4B所示的位置。
进一步移至图12-图13，本发明的其它实施例还包括用于将上述表面声学换能器100安装到例如飞机的内部舱室、舱壁和/或窗板的表面或材料上的外部壳体200。如图12所示，外部壳体200可以至少部分地包围表面声学换能器100，以将换能器100保持在其中并且经由至少一个安装支架(例如一个或多个安装支架203和/或203’)将换能器100附接到表面75上。当安装或装配在外部壳体200中时，换能器100保持与外部壳体200的中心对齐，并且可使用中心线螺钉206来将换能器100稳定和固定在外部壳体200内，使得螺钉可配合地进入形成在外部壳体200的近侧部分上的偏移盖201的中心孔205，并且向着远侧下方到达附接到或形成换能器壳体120的远侧部分的磁轭104，该中心线螺钉206因此用作结构固定机构。
除了图13A-图13C中的附加细节之外，外部壳体200通常包括保持壁202、至少一个安装支架203和/或203'以及偏移盖201。保持壁202优选地由圆柱形和刚性组合物形成，从而例如当人倚靠在表面换能器100和外部壳体200所附接的飞机的表面或内舱上时，保护保持壁202的内部不受外力的影响，。这样，保持壁202可以进一步附接到或形成有至少一个安装支架203和/或203'，每个支架上包括至少一个孔204，以通过常规手段(例如钉子或螺钉或粘合剂)将外部壳体200固定到大致平坦的表面。在一个实施例中，由于外部壳体200可以通过粘合剂固定到表面，所以安装支架或者它们各自的孔204是可选的。在图16详细描述的另一个实施例中，安装支架203,203'，或可选的，它们各自的孔204可允许利用粘合剂50进行的接合的机械强化，因为粘合剂会流入孔204中并且流动到相对表面75上时，从而形成扩大区域52，在干燥时可以具有通常的“蘑菇”形状的孔204的外部导致附加的机械紧固强度。尤其是，基于该换能器组件的配置，在某些实施例中，粘合剂50接合的使用可能是最佳的。此外，如果需要，为了提供额外的强度，除了基于安装支架203、203'与表面75之间的面与面接触的正常接合强度之外，还通过扩大区域52产生机械接合，该扩大区域52的作用与铆钉或螺钉的头部非常相似，以将安装支架203、203'压在表面75上。应该注意的是，尽管在优选实施例中，安装支架203、203'被安装到与耦合环101相同的下表面75，但在替代实施例中，它们可以被安装到不同的、附接的或隔离的表面。
偏移盖201经由多个接触部分207形成于或附接至保持壁202。在图13B所示的实施例中，偏移盖201包括具有三个接触部分207的螺旋或漩涡结构，以便为容纳在其中的换能器100提供一定程度的保护，但同时允许换能器100发生偏移，并且更具体地，其主要组件和/或音圈组件向外。换言之，结构构造、组成、接触部分和/或组合因此支持偏移盖201的延展性，其也可响应于换能器100进入激励状态而向外移动，因此有助于支持更丰富、更有活力的声音，而不是抑制它。当然，在其它实施例中，应该理解的是，取决于所需的延展性或刚度的程度，除了偏移盖201的各种组成和物理特性以外，还可以使用两个或更多接触部分207。
在一个实施例中，外部壳体200可以通过注射成型形成为注射成型树脂，包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、ABS、聚碳酸酯、玻璃增强模制树脂、具有阻燃剂的注射成型树脂。在其它实施例中，外部壳体200可以由钢冲压和/或本领域技术人员已知的其它适当材料形成。
返回关注图5-图11，本发明的换能器100的每个元件在透视图中被进一步分开示出。
图5示出本发明的耦合环101。耦合环101的材料组成可以包括聚碳酸酯、塑料和/或其它适当的材料或其组合。耦合环101可以旨在被设置成抵靠外表面(诸如飞机的内舱)，以便传递来自主组件的振动以产生声音。
图6示出包括附接到耦合环101的音圈架115的音圈组件117。音圈架115优选由铝形成，但也可以使用其它合适的材料。在本发明的优选实施例中，音圈架115可以包括大约0.05mm的厚度。音圈线116可以以环绕关系卷绕于音圈架115。在优选实施例中，音圈架115和线116可以具有20-28mm的直径。在另一个实施例中，音圈线的单层绕组可导致26.5mm的直径。在另一个实施例中，双层绕组可导致26.8mm的直径。音圈线116优选由铜形成，但也可以使用其它合适的材料。在本发明的至少一个实施例中，表面声学换能器100包括瓦数在20W到30W之间的音圈。在优选实施例中，音圈具有25W的瓦数。
图7示出本发明的用于向其音圈组件117和音圈线116提供磁场的磁体111。在至少一个实施例中，磁体111可以包括钕铁硼(NdFeB)N42H磁体。当然，在本发明的其它各种实施例中可以使用从N24到N52的其它等级的NdFeB。各种其它材料可以包括铝镍钴(AlNiCo)、钐钴(SmCo)以及其它已知和合适的稀土磁体或永磁体。在优选实施例中，磁体具有大致圆柱和/或圆盘的形状或轮廓。
图8示出本发明的凸缘103，并构造成保持端子附件105以接收来自外部源的电输入。凸缘103的材料组成可以包括聚碳酸酯或塑料化合物和/或混合物。
图9示出本发明的卡盘102，该卡盘102被构造和配合地设置以抑制或至少部分地阻碍音圈组件117的运动。卡盘102的材料组成可以包括树脂浸渍的布或织物。然而，也可以使用本领域技术人员已知的其它柔性材料和/或涂层以实现所期望的机械顺应性(或刚度的倒数)。卡盘102的优选机械顺应性是0.23毫米每牛顿(mm/n)，提供了比现有技术中已知的其它换能器更大的偏移范围(更小的阻尼)。在各种其它实施例中也可以使用在0.2mm/N至0.3mm/N之间的范围。
图10示出本发明的顶部分流板112，该顶部分流板112优选地耦合到本发明的磁体111。顶部分流板112的材料组成可以包括软钢或低碳钢，例如EN1A，但也可以包括本领域技术人员已知的其它合适的金属。
图11示出形成换能器壳体120的远端的本发明的磁轭104。如图所示，磁轭可包括多个用于插入诸如M4螺钉或其它螺钉来固定和稳定换能器壳体120的抽头。磁轭104可以类似地包括软钢或低碳钢，例如EN1A，但也可以包括本领域技术人员已知的其它合适的金属。
本发明的其它实施例针对用于使用本发明的表面声学换能器或类似换能器以便产生优质声音和/或用于噪声消除用途的系统和方法。
在本发明的至少一个系统实施例中，诸如上述换能器100的多个表面声学换能器可以附接到面板或表面，诸如车辆的窗户、墙壁或内部舱室。具体而言，一个实施例可以涉及一种飞机窗板，该飞机窗板具有设置在其上并且隐藏在飞机内的舱壁或舱室壁下方的多个表面声学换能器。
面板的至少一个实施例可针对噪声消除操作，以减少窗户和/或其附近的各种面板或表面的净振动。如此，由于外部噪声通常在窗口处最响亮地共振，所以多个表面换能器可安装到窗口和/或窗板的位于舱壁或飞机机舱内部的其它不可见区域下方的表面。理想地，换能器沿着窗口的周边安装，以避免阻碍视野，诸如图14和图15分别总体示出的系统300和系统400。这些附图和系统是经由外部壳体200设置换能器100的各种配置的示例性实施例，而绝不是限制性的。换言之，可以经由壳体200将任何数量的换能器100安装在一个或多个外部和/或内部结构窗面、防尘罩、彩色和/或电致色板、玻璃或其它透明材料以及不透明的舱板连接器上，这些部件可能充当诸如发动机噪声之类的外部声音进入飞机或其它车辆的内舱的进入点。
面板可以进一步包括被配置用于主动噪声控制(ANC)或噪声消除的各种组件，诸如使得多个换能器发射抗噪声信号以对抗噪声源，并且通过与每个换能器100的有线或是无线通信而安装或设置在飞机机舱的内部或靠近窗板的不可见部分。例如，面板可以包括电源、接收器模块、处理单元和至少一个换能器。接收器模块可以安装在面板的内部或外部，或者可以远程安装并且可通信地连接到面板和处理单元。接收器模块可以包括麦克风，并且被配置为接收声音信号或噪声信号以中继到处理单元。处理单元被配置为接收噪声信号并且产生抗噪声信号，该抗噪声信号可以包括具有相同振幅但相对于噪声信号(或反相)具有反相的声音信号。然后将该抗噪声信号传输到至少一个传感器以在面板上再现，因此消除了由接收器模块接收到的任何噪声，例如外部发动机噪声。
本发明的其它实施例可针对用于表面声学换能器、例如上述换能器100的声音处理方法。如所讨论的，本领域中的一个已知限制是表面换能器的低音频率的不足，这主要是由于它们的机械限制，即缺乏足够的机械偏移。为了克服这个限制，并且为了提供更丰富的低音声音，本发明的方法设想首先选择限制声音信号的峰值分贝的各个点。接下来，在这些点处处理声音，使得声音信号的振幅减小并且其频率成比例地增大。这种以及其它声音处理方法可以根据美国专利号8,160,274中记载的申请人的数字信号处理方法来完成，该专利在此通过引用整体并入。
应该理解的是，上述步骤可以排他地或非排他地并以任何顺序进行。此外，这些方法中记载的物理设备可以包括本文描述的或本领域技术人员已知的任何设备和/或系统。
由于能够对本发明的所描述的优选实施例详细做出细节上的许多修改、改变和变化，因此前面描述中的以及附图中示出的所有标的物旨在应被解释为是说明性的而不是具有限制性意义的。因此，本发明的范围应当由所附权利要求书及其法律等效物来确定。
本发明的描述已完成。