声学隔膜的悬架元件的制作方法与工艺

背景技术：
本说明书描述用于在声学驱动器或者声学无源辐射器中使用的声学隔膜的悬架元件(或者“围绕物”)。

技术实现要素：
在本说明书的一个方面，一种用于将声学隔膜机械耦合到静止元件的悬架元件，该悬架元件以总柔量为特征，并且总柔量包括剪切柔量和正横柔量，并且正横柔量不显著大于剪切柔量。剪切柔量可以大于正横柔量。悬架元件的材料可以具有大约0.031MPa的杨氏模量。悬架元件的材料可以是硅橡胶。硅橡胶可以使用软化剂进行处理。悬架元件的材料可以是聚氨酯。悬架元件和隔膜可以是无源辐射器的组件。该悬架可以包括用于对声学隔膜进行锁位的法兰。在本说明书的另一个方面，一种用于将声学隔膜机械耦合到静止元件的悬架元件，该悬架元件以宽度和厚度为特征。宽度与厚度的比值小于2∶1。宽度与厚度的比值可以是1∶1或者更小。悬架元件可以包括具有大约0.031MPa的杨氏模量的材料。硅橡胶可以使用软化剂进行处理。悬架元件的材料可以是聚氨酯。悬架元件和声学隔膜可以是声学无源辐射器的组件。该悬架元件可以包括法兰以对声学隔膜进行锁位。在本说明书的另一个方面，一种用于将声学隔膜机械耦合到静止元件的悬架元件包括环形结构，该环形结构以径向轴为特征。在操作中，悬架元件在垂直于径向轴的方向上形变，并且在操作中，径向轴基本上保持是直的。环形结构可以以沿径向轴所测得的宽度以及垂直于径向轴所测得的厚度为特征。宽度可以小于厚度的两倍。宽度可以小于厚度。该悬架可以由硅橡胶组成。该悬架可以由聚氨酯组成。当结合下列附图阅读时，其他特征、目的和优点将从下面的详细描述中变得显而易见，其中：附图说明图1A、图1B和图1C是包括悬架元件的声学组件的视图；图2A、图2B和图2D是声学悬架元件的图解示图；图2C是用于两个声学悬架元件的力-挠度曲线；图3A和图3B是包括悬架元件的声学组件的用于图示剪切形变的图解视图；图4是用于制造声学悬架元件的工具的横截面视图；图5是用于制造包括悬架元件的声学组件的过程的框图；图6A示出包括声学悬架元件的实际声学组件的视图；图6B是实际悬架元件和包括悬架元件的声学组件的局部等距视图；图7示出包括悬架元件的声学组件的图解视图；以及图8是用于两个声学悬架元件的力-挠度曲线。具体实施方式可以在框图中描述一些过程。在每个框中执行的活动可以由一个元件或者由多个元件来执行，并且可以在时间上被分开。执行框的活动的元件可以是在物理上被分开的。一个元件可以执行多于一个框的活动。图1A和图1B分别示出了包括声学隔膜10的声学组件20的平面顶视图和平面侧视图，声学隔膜10沿其圆周通过悬架元件14机械耦合至支撑结构12。悬架元件允许声学隔膜10在由箭头16指示的方向上的振动。声学隔膜10可以如所示出的是平面的，或者可以是锥形的或某种其它形状。声学隔膜10可以如所示出的是圆形的，或者是非圆形的，例如椭圆形或“跑道”形，或者诸如正方形之类的不以连续曲线为边界的形状。悬架元件14以诸如径向轴30之类的径向轴为特征。这些径向轴位于与由箭头16所指示的预期运动方向垂直的平面内。“径向的”并非将悬架限制为圆形隔膜。如果隔膜是非圆形的，“径向的”相对于隔膜的几何中心而被采用，并且通过隔膜和悬架元件进行延伸。支撑结构可以是声学外壳的壁或者可以是声学驱动器的框或“篮子”。出于本说明书的目的，支撑结构是固定的并且因此在图2A、图2B、图2D和图3中被表示为力学的地。声学组件20可以是如所示出的无源辐射器，或者可以是声学驱动器，在这种情况下，声学组件可以包括直线电机，该直线电机可以包括磁铁结构和音圈。悬架元件14(在该示例中是用于无源辐射器的围绕物)可以反而是用于声学驱动器的围绕物，或者根据中心盘的需要可以是中心盘。图1C示出了从斜方向上的升高的位置(如由图1B的箭头22所示)沿图1A的线1C-1C所采取的局部横截面图。悬架元件的主体的宽度w的比值(即，不包括法兰的宽度的比值)小于2∶1，在该示例中接近1∶1。悬架元件具有至少三个功能：(1)允许在由箭头16所表示的方向上的活塞式运动而禁止非活塞式运动；(2)施加回复力以向中间位置激励隔膜；以及(3)在声学隔膜的两侧之间提供气动密封。如本文所使用的，“活塞式”运动指的是刚体运动，其中隔膜的所有点都以相同的速率在相同的方向上(通常是轴向地)移动。非活塞式刚体运动(其中隔膜的某些点在不同方向上移动或者以不同的速率在相同的方向上移动)被称为是“摇摆的”并且对声学组件的效率有不利影响，或者导致比当隔膜活塞式地操作时辐射更少的声能，或者这两者。径向运动中的非活塞式运动对声学组件的操作有不利影响，并且在声学驱动器的情况下，可以引起对于声学驱动器的元件的损害。图2A和图2B图示了悬架元件的不同配置。在图2A中，悬架元件包括两个可压缩的、可伸展的部分14A1和14A2。由箭头22所指示的运动压缩一个部分(在该示例中为14A1)并且伸展另一部分(在该示例中，如图2A中所示的14A2)，导致在该示例中在由箭头26所指示的方向上的回复力。在诸如图2B中所示的悬架元件中(其中宽度厚度比很大，例如大于5∶1，在该示例中约为16∶1)，悬架元件主要展现出正横状形变。在正横状形变中，在预期方向上的运动引起悬架元件形变使得悬架元件14B的横截面的轴28变为弯曲的。正横的形变引起应变，该应变将正横部分置于压缩中并且部分置于拉力中，这导致具有如由箭头26所指示的轴向分量的回复力。图2C的力(F)-挠度(δ)曲线25A在力和挠度的范围27上线性变化。为了增加图2B的结构中的力和挠度的线性范围，可以修改悬架元件14的几何形状。例如，可以增加宽度w。然而，这是不利的，因为其增加了声学组件的外直径。一种在不增加和简单增加悬架元件的宽度一样大的外直径的情况下提供较大线性范围的方法是例如使用图2D中所示的半辊围绕物14D来修改悬架元件的几何形状。隔膜的运动使半辊“展开”，导致具有较大力和挠度的线性范围的曲线25B，例如图2C的范围29。改变悬架元件的几何形状的一个问题在于改变围绕物的几何形状可能引起其自身的非线性。例如，力-挠度曲线的斜率可能是不对称的，使得该曲线具有不同的斜率或者具有不同的挠度范围，其中悬架元件根据隔膜在哪个方向上移动而线性地表现。提高力-挠度曲线的对称性或者增加线性范围的其它类型的悬架元件包括例如如2010年4月20日被授权给Subramaniam等人的美国专利7,699,139中所描述的诸如多辊以及径向或周向肋之类的更加复杂的几何形状。上述悬架元件的一个缺点在于，即使具有诸如肋之类的复杂的几何形状和结构，悬架元件可能比期望的更宽。例如，如果伴随具有相对小的隔膜的换能器而要求从换能器的高偏移，那么悬架元件的面积可能接近或者甚至超过辐射表面的面积。如果希望将声学驱动器或无源辐射器放入物理上很小的设备中，那么宽的围绕物也是特别不利的，特别是在要求大位移的情况下。换句话说，悬架在其上具有线性力-挠度曲线的最大偏移取决于悬架元件的宽度和悬架元件的几何形状。此外，悬架材料可以具有非线性的应力-应变曲线(非恒定的杨氏弹性模量)，其也可以限定悬架在其上线性地表现的偏移范围。典型地，通过如上所述的悬架元件机械耦合的隔膜的最大偏移对于在力/挠度曲线的线性区域中操作的半辊围绕物而言不超过悬架元件宽度的大约0.6倍(从中间位置测得)。相对宽的悬架的另一个缺点在于它们可能由于内部外壳压力而易于形变。例如，如果安装在封闭的外壳(特别是小外壳)中的隔膜向内移动，那么外壳内的压力增加，致使向外的力被施加到在其区域上的悬架上。如果宽度相对大，例如，5倍或更多倍于其厚度，那么悬架的刚度可能不足以例如通过向外弯曲来向外抵抗形变，这减少了声输出。类似地，隔膜的向外移动导致外壳内的压力减小，在悬架上导致向内的力，从而导致悬架的向内形变。因为形变的方向与隔膜的移动方向相反，所以形变能够导致设备的声输出的减少。图3A图示了使用明显比图2A、图2B和图2D的悬架元件窄的宽度来提供相同偏移(或者使用相同的宽度来提供更多最大偏移)的悬架元件的结构，除此之外不易于因内部外壳压力而导致形变。在图3A的结构中，悬架14是具有小于2∶1(在该示例中约为1∶1)的宽度厚度比的环形顺应材料质量块。在图3A的悬架元件中，剪切形变是总形变的重要分量。在剪切形变中，在预期方向(由箭头23指出)上的运动致使悬架元件形变使得当隔膜处于中间位置时与预期的运动方向平行的两个悬架元件表面34、36和基本上所有与表面34和36平行的横截平面保持基本上相互平行并且与预期的运动方向保持基本上平行，但是在预期的运动方向上相对于彼此而被取代。悬架元件的轴30在其大部分长度上保持竖直，但是变得不与表面34、36垂直。由于剪切形变，与隔膜10的运动相对的回复力(由箭头37指出)被施加在与移动表面34、36基本上平行的方向上。悬架元件14可以具有用于对隔膜10进行锁位的法兰24，以增加悬架元件14和隔膜10之间以及悬架元件14与支撑结构(这里描述为力学的地)之间的附件的表面面积，并且以消除高应力，否则该高应力将在悬架元件14连接到图3中的隔膜的情况下出现在悬架元件14的顶边沿和底边沿。化学键结或者维持隔膜和悬架元件之间的连接的某种方法可能是可取的。图3B示出了在未形变的状态下根据图3A的悬架元件的实际实施方式的横截面以及在形变的状态下该实际实施方式的有限元分析(FEA)模拟。对于根据图3A和图3B的悬架的后续测试证实，实际悬架元件基本上如由FEA模拟所预测的那样表现。如上所述，根据图3A的悬架元件可以增加声学元件对于给定悬架元件宽度可以提供的最大偏移。可替换地，根据图3A的悬架元件可以针对给定最大偏移降低悬架元件的宽度要求。该优点特别是在声学组件所处空间有限的情况下非常明显。如果空间有限，较窄的悬架允许更多的辐射表面。在实际的悬架元件中，对于隔膜10施加力F使正横形变和剪切形变均出现在悬架元件中，其导致挠度δ。挠度的量为δ＝FCtotal，其中Ctotal是悬架元件的总柔量。总柔量Ctotal具有两个分量，正横柔量Cbeam和剪切柔量Cshear，使得δ＝F(Cbeam+Cshear)。Ctotal、Cbeam和Cshear在力-挠度曲线的线性部分上是基本上恒定的。正横柔量是其中w是如图1C中所定义的宽度，t是如图1C中所定义的厚度，l是悬架元件的周向轴的长度，以及E是杨氏模量，并且材料被认为是不可压缩的并且宽度w被认为是比围绕物的外直径小得多。剪切柔量其中ν是泊松比。如果悬架被认为是可压缩的，ν＝0.5，变成杨氏模量E和泊松比ν是制造悬架元件的材料的特性。挠度随后可以表示为其用宽度厚度比来表示是出于分析的目的，悬架元件可以被近似为具有宽度w、厚度t和深度l的圆环，深度l被当作是对于由诸如可从美国宾夕法尼亚州Easton的Smooth-OnInc.(URL：www.smooth-on.com)获得的具有5或5以上的值的ECOFLEX0010超软硅橡胶之类的材料制造的悬架元件而言，柔量的正横分量明显大于(约6倍或6倍以上)剪切分量并且剪切柔量是总柔量的非实质分量。对于由ECOFLEX0010超软硅橡胶(其具有约0.031MPa的杨氏模量和2的值)制造的悬架元件而言，柔量的正横分量不明显大于(约1倍或1倍以下)剪切分量并且剪切分量是总柔量的重要分量。对于具有在5和2之间的值的悬架元件而言，剪切分量可以称为从总柔量的非实质分量到其实质分量的过渡。可以使用有限元分析(FEA)软件来模拟包括几何形状、尺寸大小和材料参数(例如，杨氏模量、泊松比、剪切模量)的各种组合的悬架元件以确定悬架元件是否具有期望的性能参数(例如自由空中共振(freeairresonance)、调谐频率、最大偏移、操作频率范围和阻尼)以及不超过最大应力和应变限制。在几何形状、尺寸大小、材料、要求的柔量以及要求的性能参数的组合的实际操作条件下的实证检验可能是明智的，由于以下若干理由：一些参数可能无法由制造商指定；由制造商指定的参数可能在不同于悬架元件需要操作的条件的条件下被测量(例如，悬架元件以循环方式操作而参数可能被静态地测量)；或者由FEA程序所做的一些假设对于悬架元件的实际操作而言可能不是有效的。可以修改用来制造悬架元件的材料以提供附加的特征。例如，如果具有由硅橡胶制造的悬架的声学元件的隔膜具有处于在声学元件的操作范围内的频率的非活塞模式(例如摇摆模式)，那么硅橡胶的损耗因数可以通过添加软化剂以增加硅橡胶的阻尼因数(角正切(tandelta))来进行修改。不同于具有非实质剪切柔量的悬架元件，具有实质剪切柔量的悬架的最大偏移不限于小于悬架宽度；在一些实施方式中，在撕裂悬架之前最大偏移可以达到悬架宽度的四倍。图4和图5分别示出了用于形成图3的声学组件的装置的图解横截面以及用于形成图3的声学组件的方法。图4的装置包括用于嵌入成型的模具40的两个部分40A和40B。声学隔膜10定位于模具40内，并且如果需要，支撑结构12的一部分也定位于模具40内。定位榫钉或销44可以协助将声学隔膜定位在模具内。注入通道46提供这样的通道：悬架元件(图1和图3中的14)的材料通过该通道可以注入到悬架元件腔48中。图4和图5的装置可以具有未示出的其它特征和元件(例如，在这些视图中未示出的通风通道)。在图5的过程中，在可选框50，对框架和/或隔膜进行涂底(primed)。在框52，框架和隔膜被插入图4的模具40中。在关闭模具40的两个部分40A和40B之后，在框54，未固化的悬架材料通过注入通道46被注入图4的悬架元件腔48中。优选地，确定悬架元件腔48的尺寸并且配置该悬架元件腔48，使得悬架元件材料在声学隔膜的边沿上流过以形成对声学隔膜进行锁位的法兰。在框56，对悬架材料进行固化。在框60，打开模具并且移除声学组件。在可选框50处的涂底(priming)增强了悬架元件到声学隔膜或框架或这两者的化学键结。用于硅橡胶悬架元件、聚碳酸酯声学隔膜和聚碳酸酯框架的适合的涂底剂(primer)的示例是当前可从美国纽约州Albany的MomentiveMaterialsInc.(www.momentive.com)获得的MOMENTIVETMSS4155硅酮涂底剂。对于某些悬架元件材料(例如聚氨酯)，涂底可能不是如此有利的。化学键结可以提供比单独摩擦或者对于诸如夹具之类的机械设备更好的结果。图6A和图6B示出图3的悬架元件的实际实施方式。图6A和图6B的元件对应于之前附图的具有相同附图标记的元件。图3中的悬架元件14旨在用作无源辐射器的围绕物。悬架元件14是由具有0.031MPa的杨氏模量的Ecoflex硅橡胶制成的环形质量块，并且已经使用软化剂进行了软化以便角正切为0.58。图7示出了图6A和图6B的具有隔膜的悬架元件的横截面。出于比较的目的，将悬架元件14覆盖在半辊悬架14’上，具有相同的。图7还示出如何能够将悬架元件14和14’安装到声学隔膜和支撑结构12上。图8示出了根据使用具有恒定杨氏弹性模量的材料的图6A和图6B的悬架的有限元分析模拟的力/挠度曲线(线性应力-应变曲线)。剪切悬架14的力/挠度曲线在至少±6mm(等于围绕物宽度的1.2倍)内保持基本上线性，而半辊悬架的力/挠度曲线在大约±3mm(等于围绕物宽度的0.6倍)处变为基本上非线性。图8的曲线是有限元分析模拟。可以在不背离本发明概念的情况下对本文所公开的具体装置和技术进行各种使用和背离。因此，本发明要被理解为包含每个新特征和本文所公开的特征的新组合，并且仅由所附权利要求的精神和范围来限定。