专利名称：双向通信器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个磁致伸缩转换器，更具体地说是涉及一个包含磁致伸缩转换器的双向通信器件或对讲机。在发送模式中，磁致伸缩转换器将电音频信号转换成声波，而在接收模式中，磁致伸缩转换器将音频信号转换成电音频信号。
背景技术：
人们知道在很多用途和应用中都需要提供双向通信器件或者对讲机，但通常情况下，它们允许双方通过一个安全壁垒进行通信。例如，这些器件可以应用在住所或者公寓的入口处，可以在银行里方便银行出纳员和顾客之间的通话，还可以用在公用电话中。由于它们的这些应用，双向通信器件一般都被放置于公共场所。所以它们必须能够防止恶意破坏以及能够防水。
传统的双向通信器件一般包括置于坚固外壳内的扬声器、麦克风以及开关，所述外壳在前表面包括一些窗口，这使得声波能够进入和离开器件，并可以在窗口处放置开关。通常，恶意破坏者对这些器件的攻击是通过将物体经这些窗口压进器件从而损坏或破坏扬声器和麦克风振动膜，或者是通过堵塞开关来进行破坏。其它形式的破坏可以是通过窗口灌入会导致多种故障的液体，例如口香糖、呕吐物或者胶水。
发明内容
本发明的一个目标在于提供一个在这些物理攻击下不易发生损坏的双向通信器件。
本发明的另一个目标在于所提供的双向通信器件不需要在外壳上形成用来向和从位于外壳内的音频转换器发送声波的窗口。
本发明的另一个目标在于提供包括一个综合了扬声器和麦克风功能的音频转换器的双向通信设备。
为实现这些目标而提供的双向通信器件包括一个连接在外壳面板或表面上的音频转换器，所述外壳被用作振动膜(diaphragm)，通过它可以将声波在音频转换器的输出口转换成电信号，还可以完成相反的过程。为了方便，外壳的前面板组成了振动膜。
根据本发明，我们提供了一个双向通信器件，该器件包括一个位于后惯性物质和低质量前面板之间的磁致弹性杆，该器件还包括位于所述杆附近的线圈，该杆和线圈一起确定了一个音频-电能转换器，所述器件还包括一个电子处理装置，输入到器件的音频-电能信号通过该电子处理装置被加到线圈上以从所述低质量面板产生一个声波，同时碰撞到所述低质量面板的声波产生一个音频-电信号，该信号从所述器件输出。
磁致弹性杆最好是由磁致伸缩材料所构成的，所述磁致伸缩材料可以是诸如典型组成为Tb0.3Dy0.7Fe1.95的Terfenol。
现有技术都知道通过磁致伸缩效应来提供扬声器。为了达到解释和澄清的目的，磁致伸缩效应是某种材料的一种特性，它会在受到磁场的影响时发生几何形变，例如收缩、膨胀、弯曲、扭曲等等。金属合金以及更具体的铁磁化合物就是磁致伸缩材料。
法国专利No.7702333公开了一个作为将电信号转换成声波的扬声器的磁致伸缩器件。实际上，该器件包括一个安排在线圈内的磁致伸缩材料棒。当给线圈加上一个变化的电压时，线圈就会产生一个使磁致伸缩棒膨胀或者收缩的磁场。这就在磁致伸缩棒的每一端产生了一个弹性波。通过将磁致伸缩棒的一端或两端连接到一个振动膜上，就可以将这个弹性波转换成对应于加在线圈上电信号的声波。
所述低质量面板最好是由外壳的前面板所确定。可替换地，前面板可以形成一个坚硬表面，其上装配有音频转换器。为了方便，所述低质量前面板是由不锈钢或者其它坚固但又有柔性的材料构成。本发明通过没有窗口的外壳来确保器件的内部工作不会受到破坏，所述外壳表现为一块平整的、没有缺口的硬质不锈钢板。
在本发明的一个实施例中，在磁致弹性杆的附近提供有一个线圈，该线圈同时载有对应音频输出和音频输入的电信号。这两个信号会在所述的处理装置中被分开。然而，作为替换，我们可以在磁致弹性杆的附近提供一个载有对应音频输出的电信号的第一驱动线圈，还可以在磁致弹性杆的附近提供载有对应音频输入的电信号的第二高旋转(high-turn)感应线圈。作为另一种替代方式，该感应线圈可以用通量感应器来代替，该通量感应器会根据电路中磁致电阻的变化或者Hall效应来提供一个对应了音频输入的电输出信号。
磁致弹性杆最好置于一个永磁体附近，以将磁致弹性杆偏置在它响应特性的线性范围内。作为替换，还可以通过在驱动线圈上加一个直流电压的方法来将磁致弹性杆偏置到该范围。
电子处理装置最好包括被用来检测线圈中变化率超过一个预设值的电脉冲的装置，该预设值对应了低质量面板被触碰的情况。这就使得器件能够提供一个开关装置，以用于诸如操作音频或视频器件从而吸引注意力。
除了通过操作磁致弹性杆以振动低质量前面板从而产生声波以外，线圈所产生的磁场还使得电音频输出信号能够被助听设备所采集。显然，该耦合设备对于那些听力受损的人们非常有用的。
为了方便，包括音频驱动、音频感应电路以及触碰检测电路的电子处理装置会被包含在磁致伸缩转换器的惯性芯里。
本发明的双向通信器件在一个单个转换器内集成了扬声器、麦克风以及可选择的开关和助听设备耦合器的功能，所述转换器被包含在一个外壳内，该外壳可以是很小、很硬、防恶意破坏的以及密封的。
现在就将通过例子并参考附图来描述本发明的一个实施例。
图1是一个体现本发明的双向通信器件的截面图。
图2是音频信号处理器电路的电路图，该电路适用于根据本发明包括一个单个线圈的双向通信器件中。
图3是用在根据本发明的双向通信器件中的电压阈值检测器的电路图。
具体实施例方式
图1表示的是一个体现了本发明的双向通信器件或对讲机的截面图。该器件包括一个装有音频转换器的外机壳9，该音频转换器包括一个磁致伸缩材料的杆4、一个驱动线圈13以及一个感应线圈5。驱动线圈13和感应线圈5都缠绕在杆4上。杆4被固定在一个后惯性物质8和器件的前面板1之间，所述前面板更确切地说应该是一个在前面板1中形成的且与前面板1形成一个整体的弹性振动膜6。在前面板1内，该振动膜6被支持在弯曲支座2上。正如下面将要详细解释的，该音频转换器可以作为扬声器和麦克风工作，其通过振动膜6响应音频输出信号来产生声波，以及通过振动膜采集声波来产生音频输入信号。
一个管状永磁体3环绕着杆4以及感应线圈5。该永磁体3给组成杆4的磁致伸缩材料加上了一个偏置以使得它处于线性响应范围。作为对提供永磁体的一个替代方法，我们还可以通过在驱动线圈13上连接一个直流偏置电压来实现这一点。和器件相关的音频信号处理电路被提供在装配于惯性物质8后面的一个电路板11上。
由外壳9所决定的凹部的尺寸被调节来确保转换器是处在离振动膜6的一个精确距离的位置上。外壳9通过‘O’环(7)来提供用于固定以及对准惯性物质8的装置。最后，一个预加应力的弹簧12被置于外壳9和惯性物质8之间，它使得磁致伸缩杆4的应力最大化。
使用时，加在驱动线圈13上的音频输入信号会在杆4周围产生一个波动的磁场，这使得杆4延展或者收缩。这反过来就会导致振动膜6发生振动从而产生一个对应了音频输入信号的声波。同样的振动膜6也可以对碰撞到它上面的声波做出响应而发生振动，从而导致杆4在长度上的变化。当杆4的长度发生波动时，就会产生一个波动的磁场，而该波动磁场又会反过来在驱动线圈13中产生一个波动的电信号。通过使用诸如图2中所示且在下文中将会参考图2描述的适当的电路，驱动线圈13中的音频输入和音频输出电信号就可以被处理。然而，作为对使用一个线圈13来驱动振动膜和检测振动膜振动的替代方法，图1所示的器件包括了一个专用高旋转感应线圈5。此外，对由于碰撞在振动膜6上的声波所导致的杆4上磁通量的变化的检测还可以通过通量感应器10。实际使用的时候，只会采用这三种装置中的一种。
磁致伸缩材料的杆4是由典型组成为Tb0.3Dy0.7Fe1.95的Terfenol构成的，或者是由具有相似性质的相似材料所构成。对这种材料的选择是为了能够将磁有效地转换成机械能以及与上述过程相反的转化。利用弹簧12来施加一个机械预应力以及利用永磁体3来施加一个偏置磁场可以优化材料的特性。弹簧12还对磁致伸缩材料提供了一个冲击保护。如图1所示，惯性物质8通过高度柔性的‘O’环被悬挂在外壳9的内部。然而在另一个实施例中，惯性物质可以用外壳9本身的物质来代替。
装配好的转换器被集成到相关产品的硬质前面板内以形成一个硬质和坚固的元件，这样就可以抵抗物理上的误用以及提供一个硬质的完整的外表面。在一个可替换的实施例中，转换器被制造成分立的实体，该实体可以被装配到硬质表面上以作为声音的接收器和发送器。根据具体应用，转换器的前面板可以被粘合或者用螺丝拧合到装配表面上。不管是哪种装配方法，前面板上都不需要开孔，所以该元件就可以不受例如戳和涂胶水之类的故意破坏的损害。
如图1所示，杆4是直接耦合到钢质的前面板1上的，这样声学匹配就可以很好。在其它实施例中，声学匹配是通过熟悉技术的人所了解的诸如匹配层或者声学阻抗转换器这样的措施来实现的。
在单个器件中与成功的音频输入和音频输出实施例相结合的是一个包括线圈驱动、音频放大以及检测电路的电子子系统。由于音频驱动和接收信号都是通过磁致伸缩材料来耦合的，所以就必须提供分开这些信号的装置以防止声学反馈。
图2表示了一个能够分开发送(扬声器)和接收(麦克风)信号从而也就能防止声学反馈的混合电路。运算放大器A1只是对器件从其外部源所获得的“音频输入”信号提供一个×2的增益。这会对由分压器所导致的A1输出减小1/2作出补偿，所说的分压器是由阻抗匹配Z0以及“驱动线圈”Z0所组成的。这样“驱动线圈”处的驱动信号水平就与“音频输入”在幅度上相等，但是该驱动信号是被A1反相了的。一个“音频输入”的非反相复制在运算放大器A2的输入口与反相信号混合在一起。运算放大器A2用来消除这两个信号以消除A2输出口的“音频输入”信号。A2的最后功能就在于将麦克风模式所产生的“驱动线圈”的输出按因子AR/R＝A放大。
图3表示了一个包括一个微分器和一个Schmitt触发器的阈值检测电路。加在该电路上的输入信号是从图2中电路所获得的“音频输出”信号。当输入到驱动线圈上的信号是正常的语音信号时，“音频输出”信号会具有一个有限的电压变化速率。然而，如果振动膜被拍打得很剧烈，那么从驱动线圈所产生输出信号的变化率就会大得多，同时其幅度也会变大。该信号最好经过电容C，然后再提供给运算放大器A3的输入口。既然这个瞬态信号是负的，所以A3的-ve输入口就被偏置在一个适当的-ve水平，这样就不会响应小的、低变化率的信号。该阈值水平通过比值R/(R+nR)来设定。电阻kR提供了一定的滞后以在“开关输出”提供一个“干净”的信号。
从上面的描述可以清楚地看到本发明提供了一个高度集成的多功能音频转换器，该转换器提供的装置可以用来发送和接收声音，还可以选择性地作为一个控制开关输入。本发明的另一个优点在于驱动线圈中所产生的磁场可以被耦合到助听器。所有这些功能都是由一个音频转换器来提供的，该转换器实际上是连接在一个作为不锈钢片前面板一部分的振动膜上，该面板没有任何会导致元件易受损坏的外部开口或者电气连接。
权利要求
1.一种双向通信器件，包括一个位于一个后惯性物质和一个低质量前面板之间的磁致弹性杆，一个位于所述杆附近的线圈，其中该杆和线圈一起确定了一个音频-电能转换器，以及一个电子处理装置，通过该电子处理装置输入到器件的音频-电能信号被加到线圈上以从所述低质量面板产生一个声波，并且一个碰撞到所述低质量面板的声波产生一个从所述器件输出的音频-电信号。
2.权利要求1中的双向通信器件，其中的磁致弹性杆是由磁致伸缩材料构成的。
3.权利要求2中的双向通信器件，其中磁致伸缩材料是典型组成为Tb0.3Dy0.7Fe1.95的Terfenol。
4.前述任一权利要求中的双向通信器件，其中所述低质量面板是由一个外壳的前面板确定的。
5.权利要求1至3中任一权利要求的双向通信器件，其中所述低质量面板包括一个硬质表面，其上装配有所述音频-电能转换器。
6.前述任一权利要求中的双向通信器件，其中所述低质量面板是由不锈钢或者其它坚固又有弹性的材料构成。
7.前述任一权利要求中的双向通信器件，其中在磁致弹性杆的附近提供有一个单个线圈，该线圈同时载有对应音频输出和音频输入的电信号，并且所述处理装置内提供分开这些信号的装置。
8.权利要求1至6中任意一项的双向通信器件，其中在磁致弹性杆的附近提供了载有对应音频输出的电信号的第一驱动线圈，在磁致弹性杆的附近还提供了载有对应于音频输入的电信号的第二高旋转感应线圈。
9.权利要求1至6中任意一项的双向通信器件，其中在磁致弹性杆的附近提供了载有对应音频输出的电信号的第一驱动线圈，还提供了一个通量感应器，该感应器基于电路磁致电阻的变化或者Hall效应来提供一个对应于音频输入的电输出。
10.前述任一权利要求中的双向通信器件，其中通过将永磁体放置在磁致弹性杆附近，磁致弹性杆被偏置到它响应特性的线性区域。
11.权利要求1至9中任意一项的双向通信器件，其中一个直流电压被加到驱动线圈上以使得磁致弹性杆被偏置到它响应特性的线性区域。
12.前述任一权利要求中的双向通信器件，其中的电子处理装置包括用来检测线圈中变化率超过一个预设值的电脉冲的装置，该预设值对应了低质量面板被触碰的情况。
13.前述任一权利要求中的双向通信器件，其中线圈所产生的磁场允许电音频输出信号被助听设备采集。
14.前述任一权利要求中的双向通信器件，其中的电子处理装置包括音频驱动、音频感应电路，并且触碰检测电路被结合在磁致弹性转换器的惯性芯之中。
全文摘要
一个双向通信器件包括一个位于后惯性物质(8)和低质量前面板(6)之间的磁致弹性杆(4)。线圈(13，5)位于杆(4)的区域内，杆和线圈一起确定了音频－电能转换器。电子处理装置确保了输入到器件的音频－电信号能够被加到线圈(13，5)上，这样就从低质量前面板(6)产生了声波，电子处理装置还使得当声波入射到低质量面板(6)上时，器件会产生一个从它输出的音频－电信号。
文档编号H04R1/00GK1579111SQ02809423
公开日2005年2月9日 申请日期2002年5月1日 优先权日2001年5月5日
发明者布赖恩·P·克罗斯, 约翰·A·莫恩 申请人:科杰有限公司