专利名称：声频定向超声波扬声器的制作方法
技术领域：
声频定向超声波扬声器，属于电子技术领域，特别涉及扬声器技术领域。
背景技术：
传统扬声器的主要特点为1)基于一种线性模型，即空气介质的吸收能量与产生的声波呈线性关系；2)传统扬声器的声音传播是发散式的，不具有指向性的特点；3)扬声器直接向空气中辐射可听声。因此，传统扬声器在工作时必须维持空气介质的线性传播关系。简单地概括就是扬声器向空气中辐射的声能必须在空气分子所能维持线性传播的范围内，反之，当扬声器辐射的声能超过了空气分子满足线性传播要求时，就会产生严重的声音扭曲现象。
随着社会的不断进步，越来越多的场合要求使用一种具有高指向性的扬声器。如在展览馆中，应用声频定向扬声器可实现在不同的展位前一定区域内只能听到该展位所展示内容的声音，这样既可消除不同展位之间的声音干扰，又可在同一大厅播放几十乃至上百种声音而不产生噪声污染；又如在商场中，汽车上、飞机上、宇航飞船上、餐厅、游戏室、网吧、多国会议等需要局部声音而区域间不产生相互干扰声音的场合，需要为不同坐位或区域的人提供不同的声音服务等。
与传统扬声器相比，超声波扬声器工作的机理完全不同。它是一种非线性的，间接式的，能够产生具有高指向性可听声的装置。超声波扬声器向空气中发射经过在前处理中调制后的不同频率的超声波，由于超声波在空气中非线性传播的交互作用式自解调，从而产生低频可听声，并以高指向方式传播给收听者。其工作原理如图9示，f1、f2是在前处理中对音频信号经过调制后的两列具有不同频率(f1、f2)的有限振幅超声波，经过超声波扬声器将其辐射到空气中并沿同一方向传播时，两基波的非线性交互作用可以产生两个不同的分量，即两频率之差(f1-f2)和两频率之和(f1+f2)，产生谐波；进入空气中后，由于高次谐波振幅小、衰减与频率成正比，使得高次谐波比差频分量信号衰减得快，所以经过一小段距离的传输后，只有差频分量的低频可听信号仍然存在，形成可听声。具体信号转换流程如图9所示，从图中可以看出，信号经过前处理后进入扬声器，在扬声器阵列中，由于扬声器辐射材料振动向空气中产生超声波，在空气中自解调产生高指向的可听声。
为得到具有指向性的可听声，通常采用将若干个独立的超声波传感器按某种排列方式(如矩形排列，圆形排列)阵列在一块，以此满足产生的声波具有指向性要求。由此构成的声频定向扬声器主要有如下缺点1)、发声材料多采用压电陶瓷、压电晶体及压电复合材料等压电材料，用此类压电材料制成的压电扬声器带宽较小，声音失真严重；2)、这种压电扬声器的表面直径都很小，而扬声器的表面工作面积和音质是成正比的，虽然增加压电扬声器数量可以大大提高声压，但由于超声波的波长比声源要小得多，所以需要很多个压电扬声器排列才能满足声压和指向性要求，这样导致扬声器体积庞大、成本增加；3)、由于很难保证各个扬声器的振动一致，从而导致各个扬声器的声波相位不一致，很难实现声音的指向性；4)、通电的接线增多，使用起来十分不便。
目前，还有一种正在研制中的声频定向扬声器，采用给辐射材料施加预应力的方法，使扬声器的整个辐射材料在预应力的作用下组成各种所需的阵列，以此来克服辐射材料成型困难，并获得指向性；同时在预应力作用下，使输出声压更大。但是，这种声频定向扬声器有如下缺点1)、由于辐射材料一直在预应力的作用下，持续的预应力作用使得辐射材料发生屈服变形，导致辐射材料的共振频率发生变化，频率响应变差；而且，由于各个阵列的屈服变形不可能相同，从而产生声音扭曲；2)、要长时间维持声频定向扬声器辐射材料恒定的预应力极为困难，预应力的损失既影响辐射材料的成型，使扬声器失去指向性；同时又使其共振频率发生明显变化，导致前处理中的放大器谐振频率与扬声器频率不匹配而影响扬声器的声压输出；3)、为了给声频定向扬声器辐射材料施加预应力使得扬声器的结构变得复杂，导致成本增加。
另外，上述两种声频定向扬声器阵列，各个传感器之间均有间隙，而声压是与声源面积成正比的，间隙的存在使得声频定向扬声器阵列的有效使用面积减少，声源数相对减少，声压相对降低。
可见，如何降低声音失真，增强指向性等是声频定向扬声器设计的主要困难；另外，辐射材料的成型和结构布局也是声频定向扬声器设计的难点。这些困难使得在国内外目前均没有成熟的声频定向扬声器。
发明内容
本发明提供的声频定向超声波扬声器，能够克服现有的声频定向扬声器失真大、稳定性差、带宽窄、相互干扰大、占用面积大、结构复杂和成本高等问题，具有指向性好、声压大、失真小、稳定性好、面积利用率高、构造简单、成本低和易制造等特点。
本发明详细技术方案为声频定向超声波扬声器，包括支座1和辐射材料3两部分(如图1所示)，其特征在于(如图2所示)，所述支座1包括托架4、背面板5和通气孔6；托架4位于背面板四周，其上与辐射材料3紧贴连接在一起，其下与背面板5相连，其前后两端与辐射材料3紧贴连接的面加工成为对称的至少含有一个凹凸弧形相切连接的形状；辐射材料3和背面板5之间形成谐振腔；通气孔6位于背面板5上或托架4的侧面上；所述辐射材料3为一种超声波薄膜材料，至少包括三层结构中间的超声波材料层和上下的电极层，其形状由于与托架4紧贴连接而成为至少含有一个凹凸弧形相切连接的形状。
上述声频定向超声波扬声器，其特征在于，它还可以包括压件2，所述压件2是一个与托架1相对应的结构件，通过它可以将辐射材料3更紧密地贴在托架2上并保证辐射材料3不至于变形。
所述托架4的左右两端与辐射材料3紧贴连接的面可以是平面(如图4)，也可以是凸面(如图5)，或者是凹面(如图6)。
所述通气孔6的形状可以是椭圆形，圆柱形，矩形等任意形状。
所述背面板5为矩形平面板。
所述辐射材料3为一种超声波薄膜材料，所述超声波薄膜材料可以是压电薄膜材料；所述压电薄膜材料可以是压电陶瓷薄膜材料或者是压电聚合物薄膜材料。
上述方案中，所说的背面板是整个装置的支承件；所说的通气孔是将振腔与外界连通的一种结构；所说的托架是连接背面板和辐射材料，并使辐射材料成形的装置；所说的辐射材料是产生超声波的一种材料；所说的压件是与托架一起使辐射材料成形，并将其固定的一种装置。当在辐射材料上下电极之间输入不同频率的超声波信号时，辐射材料将输入的电信号转换成机械振动，从而产生超声波，超声波经过非线性传播和交互式自解调后产生低频的可听声信号。当辐射材料在通电振动时，谐振腔内的空气会随着振动而压缩与膨胀，通过通气孔将振腔与外界连通，可以很好地消除谐振腔内的空气影响辐射材料在工作时的振动导致的声音失真；同时，辐射材料在连续振动时会产生热量，通气也起着散热的作用。通气孔的放置位置可以位于背面板上，也可以位于托架的侧面上；当通气孔的面积较大时，放置在托架的侧面更理想，这样可以消除背面板上通气孔对背面板反射波的影响。
辐射材料在托架和压件的挤压作用下被成形为凹凸弧形相切连接的形状，每一个凹弧或凸弧部分就是一个单独的声频定向超声波扬声器件，所有的凹弧和凸弧部分组成声频定向超声波扬声器阵列。由于凹凸弧形之间相切连接成阵列，从而使得可听声具有指向性；在相切连接处，工作时不会产生振动，从而各个凹凸弧形阵列如同隔开一样，消除了凹凸弧形阵列之间的相互干扰；在凹凸弧形阵列之间没有了间隙，充分利用了可用面积，声源相对增多，在相同条件下，输出声压增大。如图3所示，r代表弧形的半径，θ代表弧形的弧度，d1，d2分别代表阵列的最低处距背面板的距离，A，C和D分别为设计系数。其中，各个弧形的半径r＝Aλ可以相同，也可以不一样。当要求具有宽的频谱时，半径r不相同更理想。同时，半径r还受指向性，工作频率，带宽要求等影响；弧度θ对指向性，工作频率，带宽的影响很小，但是对声压，声音失真有一定的影响，要求θ≤100度；弧形的最低和最高处距背板的距离d1＝Cλ，d2＝Dλ，在辐射材料与背面板之间形成振腔。当辐射材料通电时，辐射材料向其两面辐射超声波，即振腔和空气(所需辐射方向)中，振腔中的超声波遇到背面板后反射回空气中，为了使得在任何频率下，反射波与原来空气中的声波在叠加后声压增加，距离d1和d2要求小于1/4波长。为了最大的声能输出，辐射材料要求机械响应和电响应比较灵敏，其阻抗要求尽可能的与空气阻抗匹配。
辐射材料是在托架与压件的挤压下成凹凸弧状，并可用螺钉(图中未标出)增加压力。辐射材料的成形也可不需要压件，而采用粘贴的方法，将辐射材料粘贴在托架上面，使之成阵列。粘贴时要求各个凹凸弧形尽可能的均匀，否则会产生声音的扭曲。粘贴材料要求具有导电，导热的功能。当采用粘贴的方法时，可以不用压件使辐射材料成型和固定。这样，声频定向扬声器的结构更简单，制造更容易，成本更低。也可以同时使用粘贴和挤压的两种方式。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果1.本发明的声频定向超声波扬声器为无预应力扬声器，与有预应力的扬声器相比，其频率响应更好，更容易得到所需的超声波和可听声声波；其驱动功率更小，稳定性更强。
2.本发明的声频定向扬声器阵列采用凹凸弧形自然相切连接成阵列，工作时凹凸弧形连接处不产生振动，无需阵列隔离装置，消除了凹凸弧形阵列之间的相互干扰，降低了声音的失真；可用面积的利用率高，声源相对增多，在其它相同条件下，输出声压更大，克服了由无预应力带来的声压损失。
3.本发明的声频定向扬声器采用整个辐射材料压缩成阵列，与采用若干个单独的扬声器阵列相比，各个阵列的振动一致性更好，指向性更好，接线更简单，对声波的可控性增强。
4.本发明的声频定向扬声器结构简单，制造容易，成本低。
图1是本发明声频定向超声波扬声器的整体结构示意图，其中，1是支座，2是压件，3是辐射材料。
图2是本发明声频定向超声波扬声器装配示意图，其中，2是压件，3是辐射材料，4是托架，5是背面板，6是通气孔。
图3是本发明声频定向超声波扬声器托架与背面板的局部放大示意图，其中，r代表弧形的半径，θ代表弧形的弧度，d1，d2分别代表阵列的最低处距背面板的距离，A，C和D分别为设计系数。。
图4是本发明声频定向超声波扬声器无压件的装配示意图，所述托架4的左右两端与辐射材料3紧贴连接的面是平面。
图5是本发明声频定向超声波扬声器支座的实施方案二，所述托架4的左右两端与辐射材料3紧贴连接的面是凸面。
图6是本发明声频定向超声波扬声器支座的实施方案三，所述托架4的左右两端与辐射材料3紧贴连接的面是凹面。
图7是本发明声频定向超声波扬声器的实施方式一，。
图8是本发明声频定向超声波扬声器的实施方式二。
图9是本发明声频定向超声波扬声器工作原理图。
具体实施例方式
具体实施方式
一如图7所示，一种声频定向超声波扬声器，其整体结构为凹形，由结构为矩形凹面的背面板和与其相应的托架和辐射材料等构成，其定向扬声区域为向外发散的扇形。
具体实施方式
二如图8所示，一种声频定向超声波扬声器，其整体结构为凸形，由结构为矩形凸面的背面板和与其相应的托架和辐射材料等构成，其定向扬声区域为向外汇聚的扇形。
权利要求
1.声频定向超声波扬声器，包括支座(1)和辐射材料(3)两部分，其特征在于，所述支座(1)包括托架(4)、背面板(5)和通气孔(6)；托架(4)位于背面板四周，其上与辐射材料(3)紧贴连接在一起，其下与背面板(5)相连，其前后两端与辐射材料(3)紧贴连接的面加工成为对称的至少含有一个凹凸弧形相切连接的形状；辐射材料(3)和背面板(5)之间形成谐振腔；通气孔(6)位于背面板(5)上或托架(4)的侧面上；所述辐射材料(3)为一种超声波薄膜材料，至少包括三层结构中间的超声波材料层和上下的电极层，其形状由于与托架(4)紧贴连接而成为至少含有一个凹凸弧形相切连接的形状。
2.根据权利要求1所述的声频定向超声波扬声器，其特征在于，所述托架(4)的左右两端与辐射材料(3)紧贴连接的面可以是平面，也可以是凸面，或者是凹面。
3.根据权利要求1、2所述的声频定向超声波扬声器，其特征在于，它还可以包括压件(2)，所述压件(2)是一个与托架(1)相对应的结构件，通过它可以将辐射材料(3)更紧密地贴在托架(2)上并保证辐射材料(3)不至于变形。
4.根据权利要求1、2或3所述的声频定向超声波扬声器，其特征在于，所述通气孔(6)的形状可以是椭圆形，圆柱形，矩形等任意形状。
5.根据权利要求1、2或3所述的声频定向超声波扬声器，其特征在于，所述辐射材料(3)为一种超声波薄膜材料。
6.根据权利要求5所述的声频定向超声波扬声器，其特征在于，所述超声波薄膜材料可以是压电薄膜材料。
7.根据权利要求6所述的声频定向超声波扬声器，其特征在于，所述压电薄膜材料可以是压电陶瓷薄膜材料或者是压电聚合物薄膜材料。
8.根据权利要求1、2或3所述的声频定向超声波扬声器，其特征在于，所述背面板(5)可以是矩形平面板或矩形凹面板或矩形凸面板。
全文摘要
声频定向超声波扬声器，属于电子技术领域，特别涉及扬声器技术领域。由支座、压件和辐射材料组成。所述支座由托架、背面板和通气孔组成。托架位于背面板四周，其上与辐射材料紧贴连接在一起，其下与背面板相连，其前后两端与辐射材料紧连接的面加工成为对称的至少含有一个凹凸弧形相切连接的形状；辐射材料和背面板之间形成谐振腔；通气孔位于背面板上或托架的侧面上；所述辐射材料为一种超声波薄膜材料，至少包括三层结构中间的超声波材料层和上下的电极层，其形状由于与托架紧贴连接而成为至少含有一个凹凸弧形相切连接的形状。本发明的声频定向超声波扬声器具有指向性好，声压大，失真小，稳定性好，构造简单，成本低，易制造等特点。
文档编号H04R17/00GK1812661SQ200510022430
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者徐利梅, 王袆, 焦丽华, 李应涛 申请人:电子科技大学