用于音频设备的声学保护器及设置有所述保护器的音频设备的制作方法

用于音频设备的声学保护器及设置有所述保护器的音频设备
1.发明背景
2.本发明涉及用于音频设备的声学保护器，该声学保护器被设计成允许声音以最少失真容易地通过它，同时保护音频换能器(audio transducer)免受异物侵害。
3.本发明还涉及设置有所述保护器的音频设备。
4.要保护的设备的示例是专用于补偿佩戴者的听力损失的助听器。助听器中为用户产生放大声音的换能器(或扩音器(loudspeaker))称为接收器。接收器通常位于耳道内，朝向耳鼓膜发射声音，并且助听器的壳体或主体在耳鼓膜前面设置有开放的声音端口。
5.已知的完全耳道内(completely
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in
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the
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canal，cic)型助听器具有以下缺点：当将其插入佩戴者的耳朵或从佩戴者的耳朵中移除时，耳垢会通过设备的声音端口被推入接收器中，从而导致接收器的故障。
6.另一个示例是耳机，该耳机使用类似于助听器扬声器(speaker)的换能器来在用户的耳道中产生声音，以进行语音通信或听音乐。与助听器一样，这些设备中的接收器可能会被来自用户耳朵的耳垢塞住。
7.另一个示例是连接到诸如手机的设备的小型便携式扬声器，诸如蓝牙扬声器。这些便携式扬声器通常在室外，以及沙子、灰尘或水可能进入其中的元件中使用。通常，无法充分保护小型声学端口免受该异物的侵害。需要将异物阻止在这些设备之外，但仍允许声音从这些设备中传出。
8.音频设备(接收器和麦克风)是精密制造的设备，当异物进入其中时，该设备很容易损坏。异物依据环境而变化，但是声学设备必须处理的一些最常见的材料是灰尘、磁化灰尘、沙子和其它较重的颗粒、水、混合有颗粒的水(即泥和“尘垢”)、皮肤细胞、油脂和耳垢。许多颗粒被筛网和精细编织网挡在外面，但是这些“开放式多孔”屏障始终会让某种不希望的异物类型通过。理想的情况是具有能阻挡所有异物的屏障，但要让声学声音彻底畅通无阻。
9.声音可以认为是空气来回的微小扰动(或位移)。多孔屏障通常用于声学应用中，因为声学扰动能够通过小的多孔开口。孔隙(pore)越小，声音通过的难度就越大，并且因此多孔材料将对声音变现出的衰减越大。由于小孔对于将异物阻止在外很重要，因此通常，需要对异物的防护越多，产生的声音衰减将越多。目标是使衰减尽可能小。
10.如果使用“完美”的屏障，诸如封闭声音端口的平坦的膜片，则屏障本身必须移动以使声音扰动从屏障的一侧传递到另一侧。然而，此类屏障其自身对声音具有不利影响。如果屏障的密度远大于空气的密度(通常是这种情况)，则屏障可能会导致相当大的声音衰减。同样，屏障的运动可导致声音失真，从而严重降低声音质量。这些失真在高声压级下特别成问题。
11.如前所述，本发明保护的一些设备可以将其声音端口置于耳道的入口或推入耳道深处。耵聍(通常称为耳垢)和皮肤细胞是此类音频设备必须应对的主要异物。然而，耵聍不仅是“垢”，而且由于耳道内部温度相对较高，因此耵聍也可以处于低粘度的液体状态以及气体状态或蒸气状态。在低粘度的液体和蒸气状态中，耵聍可以通过多孔材料，从而使多孔
材料在将耵聍保持在音频设备之外的效果相对较低。
12.用于在许多耳机和助听器中产生声音的音频换能器通常称为“接收器”。在大多数其它应用中，接收器通常被称为“扩音器”或只是“扬声器”，但是在这些设备中，其被称为“接收器”。这些接收器通常具有发出声音的小管或“声音端口”。来自这些声音端口的声音可以直接进入耳道中，或也可以通过附接到声音端口的小直径管“吹入”。
13.发明概述
14.因此，在本领域中存在对“完美的”屏障的需求，该“完美的”屏障尽可能少地衰减进入听力设备的声音并且不会遭受明显的声音失真。
15.通过权利要求1的用于音频设备的声学保护器解决了该问题。在其余的权利要求中表征了本发明的设备的其它优选实施例。
16.附图简述
17.在以下附图中以示例的方式示出了本发明的声学保护器，其中：
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图1示出设置有本发明的保护器的耳道内接收器(ric)型的助听器的大致结构；
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图2示出图1的设备的接收器的纵向截面图，其中本发明在声音端口上方的适当位置；
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图3、图4a和图4b示出本发明的设备的第一实施例的截面；
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图5、5a和图5b示出本发明的设备的第二实施例的不同视图；
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图6a和图6b示出本发明的设备的第三实施例；
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图7和图8示出本发明的设备的不同特性；
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图9示出本发明的设备的有效移动活塞圆顶状件(dome)；
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图10a、图10b、图11a、图11b、图12a、图12b、图13至图17、图20a、图20b、图20c和图21示出本发明的设备的圆顶状件的不同实施例；
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图18、图19a、图19b和图19c示出设置有本发明的声学保护器的低音反射扬声器。
27.优选实施例的描述
28.在图1的示例中，示出了本发明的保护器，该保护器安装在助听器设备上，该助听器设备包括：包含电子器件和电源的主体1，该主体1经由电线3连接到声音生成换能器2。所公开的本发明的设备设置有(图2和图3)：
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弯曲形状的不可渗透的声学保护器4，包括：
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颈部部分6，用于保护器4在声音端口5上的保持功能；
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弯曲的声音辐射元件或圆顶状件7，用于将声波从声音生成换能器2传输到耳鼓膜；
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悬架部分(suspension part)或波纹管8，用于以柔性方式将声音辐射元件7连接到颈部6，以允许声音辐射元件以受控方式在轴向方向位移；根据本发明，“受控方式”是指辐射元件7在图3的箭头f的方向(相对于声音端口5的轴向方向)移动，而不改变圆顶状件的弯曲形状。
33.本发明的设备的保护器4允许声音从声音端口5传出，但是不允许任何异物进入声音端口，从而损坏接收器。该圆顶状件设计的关键部分是用于直线运动的悬架部分8的“波纹管”结构和用于刚性的声音辐射元件7的“圆顶”结构。
34.特别地，悬架部分8用于允许辐射元件7的轴向运动，这对于从换能器2到耳鼓膜的
声音传输是必需的。声音辐射元件7的弯曲形状对于在声音传输期间保持该元件的轮廓是必要的，从而避免变形和随后的声学失真。
35.根据图5的实施例，使用环绕物(surround)9代替波纹管区段。这里，颈部较厚，以允许设备连接到具有较小直径的声音端口。
36.圆顶状件的直径优选地在1
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4mm之间，并且设备的总长度优选地在3
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8mm。该材料将是容易变形的材料，诸如硅树脂或一些“橡胶”材料。然而，仅波纹管8或环绕物区段9需要是可变形的。圆顶状件7和/或颈部6可以由刚性更高的材料(诸如pet)制成。为了清楚起见，在图4a、图4b和图5a、图5b中，示出了以上概述的两个概念的尺寸示意图。如附图6a和图6b中所示，也可以将径向褶状物(pleat)10加入圆形圆顶状件7中以允许声音通过本发明的设备。
37.每个部分的总体设计目标如下。
38.波纹管/环绕物设计目标
39.波纹管8或环绕物9允许圆顶状件7移动并提供使圆顶状件回到其“标称”位置的弹簧特性。至关重要的是，波纹管/环绕物的“弹簧速率”在圆顶状件的预期声学位移范围内应尽可能恒定。当绘制穿过圆顶状件的位移与压降的关系图时，这要求这两个分位数之间存在线性关系。与线性的偏差会在通过圆顶状件的音频信号中生成非线性失真。波纹管/环绕物区段被设计为使线性范围最大化。在图7中，轴11、12分别表示压力和位移，直线13示出低位移时的线性特性，而线14表示在大位移时导致失真的非线性特性。
40.线的斜率也很重要。通常，希望有较高的斜率，因为这意味着圆顶状件更易于移动，但这必须与其余设计一起进行优化。在图8中，低斜率15表示通常不太理想的刚性波纹管，而高斜率16表示通常更理想的柔顺(compliant)波纹管。压力范围高达到约140db spl，并且位移多达到约0.05mm。
41.在图21的实施例中，本发明的保护器4具有椭圆形形状，其具有由多个同轴交替弯曲部8a制成的悬架部分8。
42.圆顶状件设计目标
43.当圆顶状件7移动时，它移置的空气量大致等于与圆顶状件直径相同的圆乘以圆顶状件移动的距离。该“圆形”区域将被称为圆顶状件的有效“移动活塞”。在图9中示出了圆顶状件7的有效移动活塞17。鉴于平板遭受非线性失真并且其将圆顶状件结构的大小限制为大致颈部的大小，本发明的设备的保护器4的圆顶状件结构7是可以设计的最刚性的结构(相对于其表面上的均匀压力)，并且该圆顶状件结构可以制造得比颈部大得多，而不会由于其刚性特性而引起非线性位移特性。
44.将圆顶状件7制造得大是重要的，因为圆顶状件越大，实现相等量的体积空气移置所需的运动就越少。因此，波纹管的非线性刚度特性被最小化。此外，圆顶状件的声学阻抗与圆顶状件直径的平方的倒数成比例，因此，圆顶状件越大，声学阻抗越低(声学阻抗～1/d2，其中d是圆顶状件的直径)。声学阻抗越大，由于存在圆顶状件而导致的声音衰减越大。
45.如此，圆顶状件允许可能的最大刚性结构，从而导致由于波纹管中的非线性刚度特性而引起的失真较小，并导致较低的声学阻抗，从而降低了通过设备的声音衰减。
46.不需要完美的圆顶状件。经典的“拱形”具有与圆顶状件相同的功能：它将载荷分散到整个结构上，从而使其更坚固。
47.圆顶状件壁的厚度将取决于圆顶状件的材料。通常，希望厚度足够大以防止圆顶状件在较大的声压下屈曲，但又要足够小以防止圆顶状件具有较大的质量，从而增加高频时的声学阻抗，声学阻抗会增加衰减。最优厚度范围将取决于圆顶状件的厚度。对于由硅树脂制成的圆顶状件，从万分之五到百分之一英寸的厚度是合适的。
48.圆顶状件设计的变化：
49.波纹管和圆顶状件的材料要求完全不同，并且希望用不同的材料制造波纹管和圆顶状件。波纹管需要是柔顺的，而圆顶状件则需要是刚性而轻的。对于波纹管，硅树脂或橡胶材料是不错的选择，但薄而刚性的材料(诸如kapton或pet)则是圆顶状件的最优选择。因此，如果可能，使用两种不同材料的构造是希望的。
50.在图20a、图20b、图20c的实施例中，示出了本发明的保护器的矩形版式，其中圆顶状件7具有带有圆角7a的正方形底部，以示出圆顶状件的完美圆形并不是本发明的必要条件。实际上，至少存在圆顶状件7的弯曲部分7a就足够了。
51.加强肋
52.圆顶状件7需要是刚性的但是轻的。使圆顶状件成为实心体将最大化其刚度，同时也使其重量最大化。将支撑壁18放置在圆顶状件中的设计是很好的折衷方案。这在图10a、图10b被勾画出，观察到了圆顶状件的底部。
53.清洁圆顶状件
54.需要清洁声学圆顶状件，但是将清洁设备置于圆顶状件上可能导致圆顶状件倒置，并可能使其难以恢复其原始圆顶形状。上方的x壁支架18将防止该圆顶状件倒置的情况发生。替代方法是使用防止圆顶状件位移太远的插入物。这将在下面“保持件(holder)”部分讨论。
55.高频
56.圆顶状件7的质量将限制圆顶状件的高频响应。薄膜片将具有低质量，但将具有强烈非线性刚度曲线，强烈非线性刚度曲线将防止低频通过。如图11a和图11b中所示，好的折衷方案是将平坦的膜片19放置在圆顶状件上以允许高频通过，其中在圆顶状件7的结构中至少保持圆角7a的存在。
57.压力均衡
58.如果本发明将要应用到的音频设备被气密密封，则如果没有使本发明内部的静压力与大气压力均衡的部件，则大气压力变化可能引起问题。
59.有若干方法可以实现此目的。一种是设置穿过圆顶状件的很小的孔。为了防止这种情况对本发明的声学性能产生不利影响，该孔在直径上必须小于100微米。
60.可替代地，以上讨论的“平顶”可以由具有非常低的气流渗透性的不同材料(诸如膨胀的聚四氟乙烯(teflon))制成。
61.可替代地，可以通过在图12a和图12b的颈部6中设置小通道25来实现压力均衡。该通道越长，该通道对低频声学特性的影响将越小，并且任何异物进入圆顶状件的机会就越小。
62.可替代地，可以将编织网20设置在颈部6的区段中，以在颈部和接收器声音端口之间形成小的受控间隙，以产生压力均衡颈部(图13)。
63.保持件将本发明的保护器保持在声学端口上将是重要的。如果颈部由与圆顶状件
相同的柔性材料制成，则颈部可能没有足够的压缩力来将本发明保持在声学端口上。作为将其保持在端口上的辅助手段，保持件21可以添加有“凸块(nub)”22，以机械地保持该设备(图14)。保持件可以由更坚硬的材料(诸如硬质塑料)制成，当滑过声学端口时，它不会轻易滑落。为了防止本发明从保持件上滑落，在本发明中，凸块被增加至保持件和配合体积(mating volume)，以帮助本发明保持就位。
64.当将本发明推到保持件21上时，可以添加止动凸缘(retaining ledge)23，以防止本发明滑动经过止动凸块22(图15)。
65.先前，“x”支撑结构18被添加到圆顶状件7，以帮助防止圆顶状件在清洁期间塌陷和可能的倒置。然而，保持件21的延伸部24可用于防止圆顶状件在清洁期间倒置。该延伸部将需要一些穿孔，以允许声音通过类似圆顶状件的延伸部(图16)。具有所有三个附加件的保持件的草图如图17中所示。
66.变化
67.可以将材料表面处理为疏水性以防水。或是防止油脂的表面处理。
68.应用
69.目前设想的主要应用是保护插入耳道的耳机或助听器免受耳垢的侵害。
70.然而，声学圆顶状件也可以用于将异物阻挡在用于各种音频设备上的端口之外，该端口通过其结构将声音输出。手机和平板计算机是可能的用途。便携式扬声器上的低音反射端口是另一种应用。在应用到低音反射端口的情况下，圆顶状件的移动质量可以实际上选择为足够大以增强低频响应。
71.例如，便携式音频设备(诸如手机、平板计算机或蓝牙扬声器)上的扬声器通常具有声音端口，该声音端口通向内部部件，内部部件可能被诸如灰尘、污垢和水的异物损坏。这些声音端口通常比助听器或耳塞式耳机上的声音端口大。该专利的发明也可以在尺寸上增加以帮助保护这类的声音端口。图18和图19示出将本发明应用于低音反射扬声器中的这些端口之一。
72.特别地，如图18、图19a、图19b和图19c中所示，所述音频设备是便携式扩音器30，该便携式扩音器30具有被所述保护器4覆盖的声音端口26，所述保护器4被安装在所述端口26的外端27处或所述端口26的内端28处或所述端口26的内侧部分中。在这些图中的实现示出了低音反射设计，其中，端口中空气的声学质量会与后部空气体积的顺应性产生共震，并对低频产生增强。圆顶状件7的质量足够大，以使得它增强了所述端口26的声学特性，并使得所述端口26的长度能够被减小。例如，长60mm且直径为10mm的充气端口可以用具有相同直径且圆顶状件的移动质量为8毫克的保护器代替。这样就不需要长端口，从而节省了设备中的空间。
73.实际上，本发明的保护器可能在端口的任一端，或甚至可能在端口的内部。有时，这些端口被设计为具有声学质量，以实现一定的频率响应。这些端口的长度通常必须比实现该声学质量所希望的长度更长。可以设计本发明的圆顶状件的移动质量，以产生一些或全部该声学质量，从而允许更短的声音端口。这些端口通常在3mm至30mm的范围内。
74.施用器
75.声学圆顶状件可以替代现有的助听器上所谓的“耳垢防护件”。这些耳垢防护件通常需要“施用器”，以更容易地移除和安装新的耳垢防护件。声学圆顶状件可能还会需要施
用器来帮助其移除和安装。
76.一次性的与当前的一次性耳垢防护件一样，声学圆顶状件可以是一次性的。
77.可清洗的
78.相对于现有的耳罩防护件，声学圆顶状件的主要优势在于，可以采用清洁液和类似“q
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tip”的物品来清洁声学圆顶状件。