机械致动的面板声学系统的制作方法

本发明的实施方案涉及用于消费电子设备诸如台式计算机的电子控制声音产生系统。还描述了其他实施方案。

背景技术：

许多消费电子设备，诸如台式计算机、膝上型计算机和智能电话正变得更加紧凑。随着这些设备变得更小，其壳体或外壳内可用于内置扬声器的内部空间也变得更小。这一点尤其真实，因为设备壳体内用于扬声器的空间可能与许多其他部件，诸如电路板、海量存储设备和显示器竞争。通常，随着扬声器尺寸变小，可能移动较小气团并且因此音质(或至少响度)会降低。对于音频频谱较低端，例如1kHz以下的声音来说可能尤其引人注意。而且，随着电子设备内部可用的开放气腔减小，对于扬声器有较少的空气振动并且因此限制了听觉反应。类似地，随着扬声器的尺寸减小，能由扬声器产生的音量和频率可能也降低。因此，随着电子设备的尺寸不断减小，对于设备产生的音频可能经受有害影响。从薄型消费电子设备产生低频音频内容(低音)成为现代音频工程中的最重要问题之一。

技术实现要素：

可利用消费电子设备的壳体或外壳的大表面积以有助于机械致动面板声学系统。本公开的实施方案为其壳体或外壳被用作声学系统(电子控制声音产生系统)的一部分的电子设备。面板被划分为若干子面板。对于每个子面板，设备包括附接的一个或多个子面板致动器以使子面板振动。致动器及其附接的子面板将音频信号转换为声学输出。每个致动器和子面板组合可接收独立音频信号。设备包括数字信号处理器用于控制子面板驱动音频信号中的每一个。设备还可包括附接到面板(例如，面板的内表面)来为子面板提供边界条件的一个或多个背框。边界条件为每个子面板限定谐振频率。

在一个实施方案中，不同子面板被设计为具有不同谐振频率。对于每个子面板，驱动子面板的致动器的音频信号可被限制到子面板的谐振频率下的窄频带。子面板的声学输出的总和在宽频带上产生低频声。在一个实施方案中，子面板的谐振频率对应于音阶上的音符。对于每个子面板，数字信号处理器处理或控制正驱动子面板的音频信号使得子面板的声学输出是相干的并且因此可构造性地求和或组合。

在一个实施方案中，每个子面板具有密封的(空气的)后腔。在另一实施方案中，背框具有连通子面板的两个或更多个的后气腔的空气通道，使得那些子面板共享共用后气腔。在一个实施方案中，这样的子面板划分为左右对称，以及子面板(当由其音频信号激励时)可产生立体音频。在另一实施方案中，子面板划分为非对称并且可激励子面板中的两个或更多个来产生单声道音频。

本公开的另一实施方案为用于在设备上产生可听声的方法。通过对接收的音频信号进行滤波来生成若干子频带音频信号。该方法随后独立处理子频带音频信号使得子频带音频信号可被转换为相干并且因此可构造性地求和或组合的声学输出。作为设备上的面板的一部分的若干子面板随后分别由经处理的子频带音频信号驱动。面板可为设备的外部壳体的一部分。

在一个实施方案中，子频带音频信号具有窄频带，该窄频带围绕由子频带音频信号驱动的子面板的谐振频率。为了处理子频带音频信号，该方法针对子频带音频信号的每个频率分量，确定该频率下的子频带音频信号的幅值是否超过阈值。如果超过阈值，则在该频率下的子频带音频信号与子面板的谐振频率对准。在一个实施方案中，子面板的谐振频率对应于音阶上的音符。

以上概述不包括本公开的所有方面的详尽列表。可预期的是，本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的具体实施方式中公开并且在随该专利申请提交的权利要求中特别指出的各种方面的所有合适的组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述发明内容中具体阐述的特定优点。

附图说明

在附图的图示中通过举例而非限制的方式示出了实施方案，在附图中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出的是，在本公开中提到“一”或“一个”实施方案未必是同一实施方案，并且其意指至少一个。

图1示出了具有划分为若干子面板的面板以形成机械致动面板声学系统的一个实施方案的音频设备的实施例。

图2A示出了图1的音频设备的一部分的截面侧视图。

图2B示出了驱动图1和图2A的音频设备的子面板的窄频带音频信号的实施例。

图3示出了使用音频设备上的面板来形成机械致动面板声学系统的另一实施例。

图4示出了具有非均匀厚度的机械致动面板声学系统的一部分的截面侧视图。

图5示出了使用多个数字信号处理器独立处理机械致动面板声学系统的子面板音频信号的音频信号处理系统的框图。

图6为在设备中执行的使用设备的面板来产生声学输出的过程操作的列表。

图7示出了将子面板音频信号与音阶上的音符对准的实施例。

图8示出了在设备中执行的用于将音频信号与音阶上的音符对准的操作的流程图。

图9示出了其中所有子面板正共享共有后气腔的一个实施方案的声学系统的实施例。

具体实施方式

在这个章节中，我们将参考附图来解释本公开的若干优选实施方案。每当在实施方案中描述的部件的形状、相对位置和其它方面未明确限定时，本公开的范围并不仅局限于所示出的部件，所示出的部件仅用于例证的目的。另外，虽然阐述了许多细节，但应当理解，本公开的一些实施方案可在没有这些细节的情况下被实施。在其他情况下，未详细示出熟知的结构和技术，以免模糊对本描述的理解。

本领域技术人员将认识到，术语“前”、“向前”、“后/背”或“向后”仅用来使得理解更容易而不是限制本发明的范围。在一个实施方案中，在本公开中描述的前面板或后面板可为设备上的任一面板。

图1示出了根据具有划分为若干子面板的面板以形成机械致动面板声学系统的本发明的一个实施方案的音频设备的实施例。如在附图中所示，音频设备100为具有被划分为若干子面板120-125的面板(例如，后面板)110的装置。子面板120-125中的每一个起到换能器(扬声器)的隔膜的作用。采取机械致动来产生声学输出。每个子面板由各个数字信号处理音频信号(所谓的子面板音频信号)单独致动或驱动。

音频设备100能存储和/或处理信号诸如用来生成声音的那些信号。音频设备100可为膝上型计算机、手持式电子设备、移动电话、平板电脑、显示设备、音频回放设备，诸如MP3播放器、或其他电子音频设备。面板110可为音频设备100的后面板，或者作为音频设备100的外部壳体的一部分的其他面板。面板110可由玻璃、铝或其他适合材料制成，只要相当坚硬并且相当平坦，但是足够有弹性振动用于产生声音。

在一个实施方案中，面板110为均匀面板(例如，具有均匀厚度)。子面板120-125由一个或多个背框130划分以及可由一个或多个背框130限定，使得只有位于背框130形成的边界内的面板110的区域可弯曲或振动。背框130产生子面板120-125的正确边界条件以获得每个子面板的理想谐振频率。背框130可由整体件或独立件形成。背框130可由足够重并且足够坚硬的板形成，板具有限定子面板的振动区域的开口。在一个实施方案中，背框130可为音频设备100的前或后外壁。在一个实施方案中，外壁可由用户触摸。

上面针对本公开的一个实施方案描述了音频设备100。本领域技术人员将认识到，在其他实施方案中，可采用不同方式实现该设备。例如，与将面板110划分为六个子面板不同，面板110可被划分为两个子面板、三个子面板或多于三个子面板。在一个实施方案中，子面板的数量取决于面板110的硬度和面板的尺寸。在一个实施方案中，子面板的数量还取决于另外扬声器(未示出)的性能，所述另外扬声器与面板声学系统一起操作来产生声音(例如，作为多声道音频系统的一部分)。

图2A示出了图1的音频设备100的一部分的截面侧视图(沿线2-2')。具体地说，该图示出了使用子面板124和125作为扬声器隔膜的机械致动面板声学系统。如图2A所示，音频设备100包括前面板210、后面板110、中间板220、背框130、磁体230a和230b以及音圈235a和235b。

背框130由足够重并且足够刚性的中间板220支撑以防止后面板110的与背框130接触的部分发生振动。中间板220因此可具有与前面板210接触的一侧以及与背框130接触的相对侧。中间板220不会被用户触摸。背框130与每个子面板(例如，124和125)用墙隔开以产生针对每个子面板的边界条件。背框130产生的边界条件可为子面板限定目标的谐振频率。即使所有背框在图2A中标有相同数字130，但是本领域技术人员将会认识到背框可由独立件或单个整体件形成。

后面板110可由玻璃、铝或其他适合材料制成，只要相当坚硬并且相当平坦即可。如图2A所示，后面板110具有均匀厚度。然而，在其他实施方案中，后面板110可具有非均匀厚度，如将在下文图4中所述。后面板110由背框130划分为若干子面板，例如124和125。每个子面板被各自致动来振动。例如，子面板124通过磁体230a和音圈235a之间的相互作用来致动，并且子面板125通过磁体230b和音圈235b之间的相互作用来致动。磁体230a和230b附接到中间板220，而音圈235a和235b附接到后面板110。针对每个子面板存在至少一个致动器，即，磁体和音圈对。

本领域技术人员将会认识到图2A中所述的音频设备100为机械致动面板声学系统的概念表示。致动系统的特定构造和布置可不限于所示出和所描述的确切方式。例如，背框130中的一些或所有可直接由前面板210支撑(例如，通过将面板210的部分向后延伸，或通过将背框130进一步向前延伸)，而无需中间板220。在此情况下，磁体230可被固定到作为前面板210一部分或者附接到前面板210的另一结构。致动器的磁体230可附接到后面板110而致动器的音圈235可附接到中间板。与将后面板110的子面板用作声学系统的隔膜不同，前面板210的子面板可用作声学系统的隔膜。

图2B示出了驱动图1和图2A的音频设备的子面板的窄频带音频信号的实施例。如图2B所示，图表250示出频域的原始音频信号，图表260示出在对原始音频信号进行滤波之后的窄频带子面板音频信号261-267。窄频带子面板音频信号261-267中每一个驱动设备的各个子面板。所有子面板的声学输出的总和在宽频带270上产生低频声。宽频带270覆盖大于任何窄频带子面板音频信号261-267的频率范围的频率范围。在一个实施方案中，宽频带270覆盖大于窄频带子面板音频信号261-267的频率范围组合的频率范围。

图3示出了使用音频设备上的面板来形成机械致动面板声学系统的另一实施例。如在该图中所示，后面板110被划分为若干子面板305-320。后面板110自身具有谐振频率F_x。子面板305和320具有谐振频率F₁。子面板310和325具有谐振频率F₂。子面板315具有谐振频率F₃。在一个实施方案中，F₁、F₂和F₃均可不同，并且F₁、F₂和F₃每一个都大于F_x。例如，F₁可大于F_x10倍。在一个实施方案中，工作在接近频率范围中的子面板在面板上保持分开。

在一个实施方案中，每个子面板的致动器由其频谱内容在子面板的谐振频率上或周围的“窄频带”音频信号驱动。通过针对不同子面板具有不同谐振频率，音频设备的一个实施方案能够组合子面板的声学输出以在“宽频带”上产生低频声。在一个实施方案中，子面板的声学输出与产生高于子面板的谐振频率的频率的声音的其他扬声器(未示出)的声学输出组合。

如图3所示，子面板305和310与子面板320和325左右对称(例如，305和320可复制，而310和325可复制，并且相对于所示中线对称定位)。子面板305,310,320和325可被激励以产生立体音频。例如，子面板305和310产生一个声道并且子面板320和325产生另一声道。在其他实施方案中以及如图1所示，子面板划分是非对称的并且子面板可被激励以产生单声道音频。

子面板的谐振频率也由子面板的长度和宽度、子面板的抗弯刚度(例如，厚度和密度)以及子面板的边界条件确定。在一个实施方案中，振动模式1:1(基本谐振模式)为所有子面板的优选模式。在一个实施方案中，振动模式2:1的子面板定位为尽可能远离振动模式1:1的子面板。

在一个实施方案中，面板110具有均匀厚度，使得所有子面板具有相同厚度。在另一实施方案中，面板110可具有非均匀厚度使得不同子面板可具有不同厚度。图4示出了具有非均匀厚度的机械致动面板声学系统的一部分的一个实施例的截面侧视图。如图所示，面板110具有三个子面板410,420和430，每一个具有不同厚度。因此，即使子面板410,420和430具有相同长度和宽度，但是因为其不同的厚度，其谐振频率可能不同。

在一个实施方案中，每个子面板的致动器由各个数字信号处理的音频信号驱动。图5示出了使用多个数字信号处理器独立并行处理机械致动面板声学系统的子面板音频信号的一个实施方案的音频信号处理系统500的框图。在一个实施方案中，音频信号处理系统500可容纳在与致动器和子面板相同的壳体内，作为上文图1和图2A中所述的音频设备100的一部分。音频信号处理系统500处理一个或多个输入音频信号(例如，单个声道或单声道音频、左右立体声或5.1多声道音频)来产生驱动上文图1-图3中所述的面板声学系统的子面板的子面板信号。如图中所示，音频信号处理系统500可包括声道组合器505、主音频处理器530、若干子面板数字信号处理器510a-510c以及若干放大器520a-520c。

机械致动面板声学系统的每个子面板由经过数字信号处理器和放大器单独处理或控制的子频带音频信号驱动。例如，驱动子面板120的音频信号由子面板数字信号处理器510a和放大器520a处理，驱动子面板121的音频信号由子面板数字信号处理器510b和放大器520b处理，驱动子面板125的音频信号由子面板数字信号处理器510c和放大器520c处理。

在一个实施方案中，声道组合器505组合输入音频信号，例如，左右音频声道，并且将组合的音频信号发送到子面板数字信号处理器510a-510c。子面板数字信号处理器510a-510c的每一个例如使用带通滤波器对接收的音频信号进行滤波以得到子频带音频信号(可成为驱动其相应子面板的致动器的子面板信号)。在一个实施方案中，子频带音频信号的频谱内容在相应子面板的谐振频率处或周围。在一个实施方案中，子面板数字信号处理器510a-510c的每一个也可对其子频带信号单独执行均衡、交叉滤波、延迟或全通滤波(以得到针对其相应子面板的子面板信号)。在一个实施方案中，子面板数字信号处理器(例如，510a-510c)控制各个子面板音频信号每一个的幅值和相位，使得这些音频信号驱动的所有子面板的声学求和是相干并且构造性的。即，所有子面板产生具有构造性干扰的声学输出。在一个实施方案中，子面板数字信号处理器510a-510c与主音频处理器530通信以便实现构造性干扰。

在一个实施方案中，因为子面板数字信号处理器(例如，510a-510c)的处理，来自每个子面板的声音在大约相同的时间到达收听者。这些声学结果可能要求数字信号处理器510中的一个或多个彼此通信或者与主音频处理器530通信以确保正确产生或控制子面板信号，例如，在它们当中设定相关的幅值和相位行为。在一个实施方案中，这种机制能使得数字信号处理器的一部分确保驱动特定子面板的子面板信号能量的大多数针对子面板围绕1:1振动模式的频率为中心。在一个实施方案中，数字信号处理器可由两个或更多个子面板共享。即，数字信号处理器可处理音频信号来驱动具有相同谐振频率的两个或更多个子面板。

图6为在设备中执行的使用设备的面板来产生声学输出的过程操作，称为过程600的列表。在一个实施方案中，过程600可由图1和图2A的音频设备100执行以将输入音频信号转换为声音。如图6所示，过程600假定(在块605处)设备的面板已被划分为若干子面板，其中单独致动器附接来使得每个子面板振动以及每个子面板具有目标的谐振频率以及使其振动的相应致动器。面板为设备的外部壳体的一部分。

在块610处，过程600接收音频信号(例如，从多声道数字音频得出)。对于每个子面板，过程600对音频信号进行滤波(在块615处)以得到或生成子面板的谐振频率下或周围的子频带音频信号。对于每个子面板，过程600处理(在块620处)正驱动子面板的一个或多个致动器的子频带音频信号使得所有子面板的声学求和导致构造性干扰。在一个实施方案中，块615和620的操作由上面图5中所述的音频信号处理系统500执行。

过程600借助经处理的子频带音频信号驱动(在块625处)子面板的致动器。本领域技术人员将会认识到过程600是用于使用设备的面板来产生声学输出的操作的概念表示。过程600的特定操作可不以所示出和所描述的确切次序执行。可不在一个连续的操作系列中执行该特定操作，并且可在不同实施方案中执行不同的特定操作。此外，过程600可使用若干子过程来实施，或者作为更大宏过程的一部分来实施。

在一个实施方案中，子面板的谐振频率可设计为与音阶上的音符一致。图7示出了将子面板音频信号与音阶上的音符对准的实施例。如该图所示，曲线710-714分别表示五个不同子面板的声学输出。每个子面板的谐振频率对应于音阶上的音符。例如，产生声学输出曲线710的子面板的谐振频率对应于音符720，产生声学输出曲线711的子面板的谐振频率对应于音符721，并以此类推。频带730-734的每一个表示围绕音符的窄(高Q值)频带。例如，频带730表示围绕音符720的窄频带，频带731表示围绕音符721的窄频带，并以此类推。

在一个实施方案中，当输入音频信号具有落入围绕音阶上的音符的窄频带之一的频谱内容时，将相关联的子面板音频信号(产生来驱动相应子面板)与对应的音符对准或调谐(或转换为对应的音符)。例如，在频带730内任何位置的频谱内容将被作为音符720播放，频带731内的音频信号将被作为音符721播放，并以此类推。在一个实施例中，436Hz下的音频信号将播放为440Hz(音符A4)，因为436Hz在围绕音符A4的窄频带内。通过执行此类调谐，音频设备听上去声音更美妙并且更有效。

图8示出了在设备中执行的用于将音频信号与音阶上的音符对准的操作(称为过程800)的流程图。在一个实施方案中，图1和图2A的音频设备100执行过程800以将输入音频信号转换为声音。如图8所示，过程800开始于将设备的面板划分为(在块805处)若干子面板使得每个子面板具有目标的谐振频率。面板为设备的壳体的一部分。在一个实施方案中，子面板的谐振频率对应于音阶上的音符，如上文结合图7所述。

在框810处，过程800接收音频信号。过程800选择(在块815处)音频信号帧。对于围绕子面板的谐振频率的频带内的每个频率分量，过程800测量(在块820处)频率分量处音频信号的幅值。过程800确定(在块825处)频率分量处音频信号的幅值是否大于预定义阈值。如果幅值不大于阈值，则过程800前进到块835。然而，如果频率分量处音频信号的幅值大于阈值，则过程800播放(在块830处)播放作为子面板的谐振频率的频率分量处的音频信号，如上文结合图7所述。在一个实施方案中，块820和825的操作由带通滤波器和均方根(RMS)电平表实现。

在块835处，过程800确定是否存在多帧音频信号用于处理。如果存在多帧，则过程800循环回到块815来选择下一个音频信号帧。如果不存在多帧，过程800结束。在一个实施方案中，块815-825的操作由上面图5中所述的音频信号处理系统500执行。

本领域技术人员将会认识到过程800是用于使用设备的面板来产生声学输出的操作的概念表示。过程800的特定操作可不以所示出和所描述的确切次序执行。可不在一个连续的操作系列中执行该特定操作，并且可在不同实施方案中执行不同的特定操作。此外，过程800可使用若干子过程来实施，或者作为更大宏过程的一部分来实施。

在一个实施方案中，每个子面板具有其自身密封的后气腔。在另一实施方案中，背框可具有连通子面板的后气腔的空气通道，使得所有子面板共享共用后气腔。子面板后的密封的后气腔起到弹簧的作用用于确定子面板的谐振频率。子面板的谐振频率为其自身弯曲刚度以及其后面的气腔的刚度的函数。气腔对子面板的整体谐振的相对贡献与子面板的尺寸成比例。大子面板抵靠小气腔挤压实际上非常坚硬，即使子面板自身疏松也是如此。因此，如果子面板的所有各种气腔连通，则所有子面板会经受可能最疏松的弹簧。

图9示出了其中所有子面板正共享共有后气腔的一个实施方案的声学系统的实施例。如该图所示，在背框中存在连接子面板305、310、315、320和325的后气腔的若干空气通道910-915，使得所有子面板共享共同后气腔。

通过共享后气腔，针对每个子面板的空气刚度变得小得多。这允许针对子面板的低有效谐振频率。这还允许子面板的弯曲刚度在确定子面板的谐振频率方面占据主导。使得子面板的弯曲刚度占据主导对于实现目标的谐振频率是有益的。

虽然已描述并且在附图中示出了某些实施方案，但应当理解，此类实施方案仅用于说明广义的发明而非对其进行限制，并且本发明并不限于所示和所述的特定构造和布置，因为对于本领域的普通技术人员而言可想到各种其它修改。因此，要将描述视为示例性的而非限制性的。