专利名称：采用弯曲波模态的板状声音装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用弯曲波模态的板状声音装置，尤其是涉及包括这类板的扬声器。
由许多出版中可得知分布模态的声音器件，例如WO97/09842。这类器件并不像是通常的扬声器那样利用前后移动(活塞动作)薄膜来工作，取而代之的是将换能器耦合至可振动弯曲波的坚硬板。弯曲波振动分布于所需的频率范围上，并与空气相耦合。这种技术常用于扬声器，其中换能器为激起板弯曲波振动的激励器，导致声音的输出。
在本发明优先权日期后公开的WO98/39947内，其说明了一种亦可活塞般动作的分布模态声音器件。为了将质心布置于适合放置激励器的位置，要安排弯曲刚度的分布，让弯曲刚度的中心与激励器的位置错开。
使用大坚硬板通常是有好处的，大坚硬板具有良好的高频和低频性能。在重合频率上，弯曲波传播速度与空气中声音的速度能够匹配，但是，在超过重合频率时，会产生强烈的音束。
在较小的板上，重合的效果问题小，但是面积缩减会衰减低频性能并减少低频上的模态密度，而使频率响应不均匀。
在此亦可使用不太坚硬的板来减少重合效果，但这会在两方面对高频性能有所伤害。首先，线圈质量会有强烈的影响，因为其阻抗在低频时与板的阻抗可相匹敌，影响高频频率响应下降。第二，在板波长与激励器直径相匹配时发生的音圈内部板材质的间隙共振(aperture resonance)，对于较不坚硬的板，在更低的频率上发生。这个效果成为声压峰值而明显。此外，较不坚硬的大型板的低频性能相对较差。
依照本发明，其提供一件可支承弯曲波振动的板状声音构件，其中板的弯曲刚度和/表面质量密度会在板的区域内变化，以产生一个范围的重合频率，其最大、最小的重合频率之比为1.2∶1，这样，与各向同性板相比，板内弯曲波的声音功率和/或方向性就能更均匀地与周围空气耦合。
在多个实施例中，1.2∶1的重合频率范围产生了适中的效果。但是，至少1.5∶1，优选地，至少2∶1的更大范围可以得到更大的效果。
重合的控制并非原理或教科书教导的主题。虽然重合效果是已知的，但视为欲避免的难题。另外的方法教导向构件增加质量或耦合层阻尼，这些方法基本上是各向同性的处理。
该板状声音构件可装入任何多的可能声音器件内，因此其可提供声音吸收器、用于反响控制的声音共振器、一个音箱或包括这样的板状声音构件的听觉组件用的支撑物。
有源器件将换能器耦合到板状声音构件上，将电信号转换为构件中的弯曲波或将构件中的弯曲波转换为电信号。这种有源器件代表了一种重要的应用。相应地，可以提供一种麦克风，它具有上述的板状声音构件和将构件中的弯曲波转换为电信号的换能器。
一种特别重要的应用就是扬声器。相应地，可提供一种扬声器，包括可支撑听觉频率范围内弯曲波的板构件、位于板构件上用来激起板内弯曲波以产生声音输出的激励器，其中板构件的弯曲刚度会随着板构件的位置而变，如此重合对板声音输出上的影响就会比较平顺。
重合对声音输出上的影响包括大于重合频率时的声音音束或输出音压或功率的不连续或峰值，作为频率的函数，在整个前方半球形和/或特定方向上的积分。使用本发明，这些影响的任一个或全部都会降低。
弯曲刚度的变化导致板内声音速度的额外改变，并因此产生重合频率的变化，声音辐射的方向相应地在板的表面上变化。如此可安排弯曲刚度的变化，导致声音辐射的分布能够有更宽广的角度，因而降低音束的产生。
进一步在弯曲波板内，作为频率函数的功率输出通常在重合频率上具有峰值、阶跃或不连续，利用变动重合频率可将此不规则平滑化。
重合频率与弯曲刚度成反比，并且正常来说可通过变化弯曲刚度来变动，而这利用变化板的厚度就可达成。
该板在激励器位置上可更坚硬一点，因为在有限区域上线圈质量耦合所导致的间隙共振对于较坚硬板在高频上是有益处的。
另外，在接近激励器位置处有最大的弯曲刚度。例如该板可制成对称于中心刚度最大处，如此分布模态板的最佳偏心激励器位置会靠近(非在其上)重合频率的最小处，而此重合频率最小处通常是弯曲刚度最大处。“靠近”的意思是已经足够近了，使激励器处的弯曲刚度至少是最大值的70％；而最好是80％，并且进一步最好是高于90％。
在其他实施例内，板边缘要比中央位置还要坚硬，而同样利用变化刚度来让重合频率平顺化。
激励器可位于板的薄区域上，在此板的机械阻抗小些，这有助于将低频能量耦合至板内。
该板在中央区域(板中央纵、横向三分之一)内有最大的弯曲刚度，并且越往边缘刚度越低。利用注模的方法，通过从板中心较厚的区域开始铸造便能制成这类板。
本发明提供大型坚硬板的好处并降低某些缺点，特别是在听觉范围内重合频率的影响。
但是本发明不仅适用于大型坚硬板，并且在下面说明的小型板上也能获得不错的结果。
为了影响重合，弯曲刚度必须在可与相关频率范围内声音波长相比较或大于的线性尺寸板区域上变动，对于10kHz频率来说这通常是3至4cm。因此非常小区域的增加弯曲刚度并不适合让重合效果平滑化，较合适的是在至少1.5倍，最好2倍，重合波长的线性大小区域上变动。在至少5％，最好10％，板面积的区域上变动有利于降低重合效果。
经过前面几段的说明，弯曲刚度的变动集中于激励器位置。例如弯曲刚度的梯度在接近激励器位置上大，而在由激励器位置往外延伸的直线上缓慢降低。在某些实施例内，这类轮廓产生了重合影响非常有用的平滑化。梯度在激励器区域边缘会降为零，否则变动可延伸至板的边缘。
弯曲刚度在远离激励器的板区域上可为定植，而弯曲刚度的所有变动都集中在激励器区域内。
弯曲刚度亦可在板构件边缘周围的长条带内变动，弯曲刚度在边缘最大并且朝板内部递减，或者在边缘最小并且往内递增。这类板的边缘夹在一个框架内边缘上弯曲刚度的变化可在板的机械阻抗与夹紧件的机械阻抗之间产生预期的匹配或不匹配，以便做进一步的声音输出控制。
尤其是，弯曲刚度可在从边缘算起不超过板长度10％的边缘长条带内变动。
接近板边缘的刚度减少可降低边缘区域内板的机械阻抗，若降低的阻抗低于夹框的阻抗，则几乎没有能量会从板传至框架。
类似地，周围刚度的增加会增加此区域内板的机械阻抗。若板支撑于有弹性的支撑物上，则板阻抗的增加会产生较大的不匹配，以将不想传输至框架的能量降至最低。反过来说，若板连接至刚性夹紧型框架，则会提供从板至夹紧边缘更平顺的转移，如此有助于最终结构的机械坚固程度。
再者，在边缘附近弯曲刚度变动快速的情况下，会将声音振动能量反射回板内部，如此几乎没有能量会到达框架。
弯曲刚度可在边缘区域内快速变动，而在板内部为相对定值。另外，弯曲刚度可在边缘区域与内部上变动，亦可在激励器区域与边缘附近内变动，而在边缘与激励器区域之间有一个弯曲刚度只有一点或无变动的区域。
其他选项是在板上按波浪图样或许多阶梯状变动弯曲刚度。
声速与板内速度相匹配的重合频率fc，变化为fc=c22πμB]]>其中c为空气内的声速，μ为板的面积密度，而B为弯曲刚度。
事实上，以同时或者不变动弯曲刚度，可变动任何参数来改变板内的速度并因此改变重合频率。相应地，可改变表层的杨氏模量或者表层或芯部的面积密度。
在另一方面，提供一种制作可支撑弯曲波振动的声音构件的方法，其中波速会明确地在重合区域内变动，以产生一个范围的重合频率。
此方法进一步包括选择板材质和板大小、选择板初始弯曲刚度形态，递回变动板轮廓或表面张力刚度的步骤，以便利用变动重合频率附近板内波速来改善板的频率和角度响应，以产生重合频率的范围。在递回选择板轮廓的步骤内，亦可将板内频率上的共振模式分布最佳化。
在发明的另一方面，提供一种制作扬声器系统的方法，包括选择板材质、板大小和激励器种类，选择板上的初始激励器位置，选择初始的板弯曲刚度形态，递回变动激励器位置及板形态，来选择有最佳板频率和角度响应的位置和轮廓，与平板相比，以降低重合的效果，提供递回选择的板轮廓的板，并将激励器附加于递回选择的位置。
大小、轮廓和激励器位置可选择以产生分布模态扬声器，其中低频模态可在频率内有良好的分布，其中，高频上的间隙效应最小。
下面参照附图，仅仅通过举例的方式。描述本发明的具体实施例，其中
图1说明依照本发明的扬声器；图2说明依照本发明的扬声器内所使用的板形态；图3至6显示来自一致厚度的扬声器的声速和声音输出，以作比较用。
图7显示依照本发明第一实施例的扬声器参数；图8至10为使用图7说明的扬声器所获得的结果；图11显示本发明第二实施例的参数；图12至14为使用图11说明的扬声器所获得的结果；图15说明本发明的第三实施例；图16说明图15板上的重合频率变化；图17和18为使用图15说明的扬声器所获得的结果；图19至21说明图9显示的板内的间隙共振效应；图22和23说明另一种达到弯曲刚度变动的方法；以及图24显示另一种板形态。
图1显示一种扬声器，包括一其上装有一激励器3的板1。激励器3激起板内的共振弯曲波，导致板发出声音，而导电体5将激励器连接至放大器。在本实施例内该板1由一个芯部7和两个表层9制成。另外，板也可是一体成形的。
扬声器内所使用的板可为分布模态板，如WO97/09842和其他申请内所说明的，其利用将共振模态平均分布于频率内来达成有用的频率响应，这在模态分布于板上时有其好处。
为了得到良好的激励波模态分布，要对板的形状和激励器位置进行选择。WO97/09842给出了一些具体的合适形状，例如对于各向同性板，长宽比为1∶0.882或1∶0.707的矩形。而依照板的厚度轮廓可对这些比率做某些调整。
激励器的位置也很重要，激励器位置应该耦合至分布共振模态，一些好的激励器位置很接近但不位于板中央上。就各向同性矩形板而言，这类位置的座标可为(3/7,4/9)侧边长度，接近(1/2,1/2)上的板中央座标。当然，对于具有本发明前述的弯曲刚度变动的板来说，较佳的座标会偏离这些数值。但这些数值仍就可以用作合适的起始点，通过试用和误差来找出最佳的位置。另外，激光或电脑分析将有助于找出有效的激励器位置。
通过注塑来制作弯曲波板是一种成本有效的方式。这不仅具有适中的单位成本并且产生一致的成品，而且，板安装于激励器和板支撑框架的某些安装特征和固定结构，也可以包括在模具中，作为板的一体部件，节省了部件和装配成本。注塑对于制作前述的中间厚并且往边缘变薄的板非常有效。
相当不同的是，在分布模态扬声器内一个有用的控制参数为重合频率，并且主要是其在频谱内所在的位置。而其原因是高于重合频率和低于重合频率，板会在不同的辐射原理下运作。某些实际弯曲波板的重合频率fc通常位于听觉频率范围内，具有听觉上的负面效果。在重合频率上，广角发射的声音辐射会更强烈，该角度随着频率增加会朝法向轴减小。从低于重合频率到超过重合频率，辐射角度改变会导致空间能量转移，这并非我们所要的。进一步，间隙效应限制了较不坚硬板的高频性能。夹紧的分布模态扬声器可以使用较不坚硬的板，但通常不愿意增加质量密度，因为这样会导致损失效率。
会考虑到的是，利用变动板的弯曲刚度来在一个频率范围内展开，以利用降低单一频率上的能量内容来控制重合频率的负面效果。净效果是不会突然转移至具有高能量内容的辐射图样，而会在广泛重合上平顺转移。
由于板上弯曲刚度的改变，重合附近频率区域内的弯曲波波长会改变。例如在厚度从中央往外增加的情况下，波速会递增至板边缘。相反地，当厚度从中央往外逐渐变薄时波速会递减。如此将改变板表面区域上与弯曲波相关的特征向量。
板的刚度梯度可有数种改变方式，合适的方法包括1．通过注塑中的发泡处理来制造整个板的厚度变化。图2显示此方式的某些变化，而这样增加厚度可能造成质量的增加。增加的质量相对小于增加的刚度，因为与少量增加的质量比较起来(泡沫质量密度非常小)，刚度会随着厚度迅速增加(在夹层结构时，大约是厚度的平方)。
2．在使用一体成形铸造的情况下，可使用刚度梯度和表面密度梯度(请参阅图2)。在此情况下，厚度加倍会提供8倍的刚度，而表面质量密度则只有加倍而已，因此这仍旧是可行的一体成形方法。
3．利用发泡材质压塑成所需的形状可达成刚度梯度的制作，例如以表层包覆发泡芯部的Rohacell板或夹板。在此情况下板表面上维持质量密度。
4．利用所谓的“智能聚合物”可达成刚度梯度的制作，其具有随着大小或面积的模量梯度。可变面积或区域刚性聚合物可以是片状，以便用于分层混合物或用于注塑和其他制造处理中。在此，板可以维持其一致的厚度，在不影响质量的情况下达到预期的刚度梯度。
5．板轮廓、曲率或皱褶的使用，此技术会产生适中的刚度梯度，除非使用了很小的曲率半径。此方法可用于某些“外型”需要与风格结合的应用中，请参阅图22和23。
6．芯部可研磨或砂磨至所需的形状，而已经研磨或砂磨过的芯部两面可贴上表层。
注塑工艺非常适合按批量、低成本并且一致的方式，用来制作弯曲波板。而一体成形的辐射体可以直接的方式来铸造，但可能不适用于某些场合。
这些工艺解决了“不增加成本”方式的铸造问题，因为发泡时所需的额外材料非常地少。按因数2所作的刚度变化可在重合频率内有大约40％的延伸(例如从10kHz至14kHz)，这对大多数的应用来说相当有帮助并且足够延伸重合频率/能量。
图2内显示某些具有这类刚度变化的弯曲板。适合模塑的一种较佳方法为建立一个按正向或负向梯度往外改变的厚度。利用控制板芯部内的发泡剂，可在板内形成较大的刚度梯度。在一体成形的板内，刚度会按厚度的立方而改变，而在夹板内刚度则大约按厚度的平方而变。
在刚度梯度是往板边缘方向递减的情况下，可获得下列一个或多个优点。首先是由于板中央附近较高的刚度，将会较低激励器线圈有限大小产生的间隙效应。再者，可达到在某些应用内具有好处的近似无支撑板，并具有平顺转移至板支撑物或框架的优点。第三，通过从板中央开始铸造，利用注塑法是可行的，如此可产生低质量的发泡芯部。
反过来说，当刚度梯度是往板边缘方向递增的情况下，利用设计可增加刚度来建立平顺的转移至夹紧边缘板设计，这可增加最终结构的机械强度。
板的激励可以任何预期的方式来达成，例如我们许多先前专利申请内所述的。因此目标仍旧是平均地激励板模态，并且要在设计频宽内达到良好平顺程度的机械阻抗(用于机械功率的输入)和/或声音辐射功率。通过分析可获得这类最佳位置，例如FE法或经验法则。
弯曲波板的行为特征是低频上的弯曲波，这时，板具有一致的弯曲刚度和质量密度。但是在高频，像重合和间隙共振这类效应，可能会导致偏移根据静态计算值所作的预测。因为在这些高频上，板可以较大程度的剪力来工作，其特征可以是落于高频上的弯曲刚度。精确的高频行为只能通过对板材质剪力特性的完整认识来决定，但是这不一定总是是可行的。因此，从定弯曲刚度基本方程式所得的结果可能反应不出重合附近某些板材质的真实行为。欲依照本发明决定板的声音特性时，必须要有振动分析和试验。
声音功率是所有角度上音压大小的积分。频率平滑函数的特征通常是声音品质的因数。将板厚度逐渐变薄，可在频率内伸展重合上弯曲波板功率输出上的不平度。增加远离驱动点之处的刚度可将重合延伸至低频；相反地，减少刚度可将范围延伸至高频。
若我们考虑到大型轻质板，重合之上增加的辐射耦合强度意味着，大多数输入板的能量都从接近激励位置辐射出来。进一步远离激励器，板速度逐渐降低，几乎不再辐射出能量。因此，板厚度的变化应该相当集中接近于激励器，否则一部分板会发生变化，而无强烈的辐射，并只有些微的效果。这有进一步的好处，就是板厚度的变化不会引起低频性能的改变在低频上(在重合下)辐射效率会大大降低，能量会以共振弯曲模态的方式，分布于频率内并且分布于整个板表面。
另外在重量重的板内，同辐射的耦合较低并且声音会在比板更大的区域上辐射。因此板刚度/波速上的变动汇集中于更大的区域上。
若结构材质阻尼大于辐射阻尼，则利用相同的表征，将依照结构材质阻尼来分配应振动的区域。
总而言之，分散重合效应所需的形态取决于板的质量密度、弯曲刚度、剪力特性和阻尼特性。
在原理上，板弯曲刚度的变动亦会加宽方向性。对于从激励器位置递减刚度的板而言，声音辐射会延伸至对板法线成更大的角度。相反地，对于刚度递增的板而言，声音辐射会延伸至对板法线成更小的角度。双方面来说，角度范围都有所增加。
在实践上，来自板的辐射方向性要比声音功率更难平顺，如下面的讨论所说明的那样。
下面考虑在重合之上来自部分板的辐射音束，具有速度Vpanel。来自轴上位置的音束角度由下列方程式决定θ=sin-1(cvpanel)]]>在特定频率处，具有不同弯曲波速的不同板部分上，沿不同方向的辐射导致成为方向函数的声音能量特定极坐标图。
当频率增加时，依照上述的方程式，板的速度会增加并且辐射声音的角度会朝方向轴位置递减。与速度有关的角度差异对于大角度来说会越大，并且朝方向轴上位置减少角度。因此当频率增加时，声音会以形态发生变化的图样来发出，能量会在法向轴上集中成为更窄的束。
极坐标图会随着角度增加而改变形状。通过具体地改变板上的弯曲刚度，在给定频率上可达成更一致的声音输出，但是输出的总和会在其他频率上产生一个平顺度差些的输出。
另外，可安排一个聆听角度上的音压程度以维持相对定值。但是其他地方的音压则不再是定值并且会表现出增强的音束效果。
汇总来说，无法达到所有频率处的最大平顺极坐标图，或者点上的最大平顺频率响应。设计者将要达到一种有用的折衷，实现在一定范围的点上有相对平顺的响应和在一定频率范围上有相对平顺的极坐标图。实验结果图4至10进行测试的板由100μm厚的玻璃表层夹着未压缩Rohacell构成。通过将表层层叠在事先研磨成所要轮廓的Rohacell板上，来形成逐渐变薄的板。在此选择相当大的板以强调重合效果，尺寸如下(midi演示尺寸)板长度544mm板宽度480mm板面积0.26m2驱动点选择在板的中央以简化测试板的轮廓，激励器为具有13mm直径音圈的4欧姆NEC电动激励器。
在每个板上执行下列测量1)音压程度为环绕板的角度的函数测量距离=1m隔音板形的板总面积=1m2结果以单位dB来表示数据没有进行平顺。2)欲显示方向性的单一频率极坐标图测量距离=1m隔音板形内的板总面积=1m2
结果以单位dB表示数据进行了第三倍频程平顺，以平顺弯曲板辐射最详尽的变动特征，并因此突出了重合方面。3)声音功率测量距离=1m隔音板形的板总面积=1m2结果以单位dB表示数据没有进行平顺。4)以激光测速系统测量驱动点的速度结果以单位mm/s/V表示数据没有进行平顺。5)扫描板速度在其区域上的分布，这用来决定在给定激励频率上板内的波长，以及因此所得的弯曲波速度。
首先，将呈现来自具有定值弯曲刚度的比较板结果。
图3a显示对于分别是4mm、3mm以及2mm叁种不同均匀厚度板，由板材质参数计算得到的弯曲波速。
图3b显示实验确定的这些板的速度，得自于固定频率上板内振动图样的图像。在低频上预测值近似于实验结果。但是在高频上，由于受到剪力的影响，所以测量的速度低于预测值。在高频，随频率变动的速度比用于纯弯曲所预期的平分根关系缓慢。
图3内图表亦显示一条标示为“c”的线，代表空气中声音的速度。此线与每个板厚度速度轨迹交叉处的频率就是重合频率。当板厚度从4mm降至2mm，静态或低频弯曲刚度的预测/计算结果指出，重合频率大约从5kHz增加至8.5kHz。而在实践中，厚度的这种改变导致重合频率从5kHz至14kHz更大的变动。4mm的板具有5kHz的重合频率，3mm有7kHz重合频率，而2mm则有14kHz的重合频率。
稍后说明的逐渐变薄板在驱动点上的厚度为4mm，而边缘缩减为2mm。
图4-6说明了本发明指出的重合效应，显示了对于4mm平板的测量结果。
图4显示轴上以及偏移方向轴40。和80。上的单点频率响应。当角度增加远离轴上位置，由于某些声音抵消作用，所以低频会衰减。在80°上高频峰值发生于接近5kHz处，此为该板的重合频率。80°上的峰值声音输出达到80dB，这比此频率在轴上的响应高出14dB。紧接着某种程度衰减的响应峰值为大型坚硬板内重合效应的特征。
图5显示6kHz、9kHz和15kHz上不同方向内音压程度的极坐标图。辐射的变窄是明显的，开始于6kHz上的90°，减小至15kHz上的不到60°。这种在一角度上辐射的音束随频率的增加而减少，是重合效应的特征。
图6显示作为频率函数的声音功率。在低频上功率的变化很缓慢，但是当频率进一步增加，功率会提升至接近重合频率的最大值，然后在更高频率上下降。此最大值要比图5内看起来的音压程度轨迹宽得多，这是因为功率测量为所有角度上音压程度的积分，因此并未反应出改变的方向性，只反应出相当慢地随频率变化的总声音输出。此功率响应内的最大值亦为重合效应的特征，如大型坚固弯曲辐射体内所见的。
下面说明依照本发明的扬声器第一实施例。该扬声器具有逐渐变薄的板。
图7a显示逐渐变薄的板的轮廓，为至板边缘的分数式距离的函数。该板经过研磨x和y面后形成此轮廓，在中央区域内形成一个金字塔形状。图7b显示的是对应的重合频率图形，在相当接近于激励器位置有更大的变化。
图8显示环绕板角度增加时的单点频率响应，轴上响应在高和低频延伸上类似于参考板。
在此实施例内，第一板所显示的重合最大值可衰减高达10dB。该最大的宽度亦可按因数2来增加。
在依照本实施例的板内并未呈现超过重合时与比较范例内观察到的轴上响应有关的80°上音压程度的大衰减，而显著改善高频离轴响应。
图9显示与图5所示6kHz、9kHz和15kHz相同频率上的音压程度的极坐标图。很明显地从这两组图的比较可看出，依照第一实施例的极坐标图与参考平板比较起来，显著减少了集束。
图10显示依照第一实施例的板所辐射出来的声音功率，当与图6所示的参考板响应比较起来，可看出重合最大值衰减5dB，并且拓宽到高频，与具有往边缘降低刚度的逐渐变薄板的预测的一样。
总而言之，测试板在重合效应引发的所有问题方面都比平板有显著的改善。这代表具有在重合问题每个方面都有显著改善与板轮廓的良好折衷，同时还维持了良好的频率响应。
图11至14显示的是依照本发明第二实施例板内梯度变化很大的扬声器的结果，非常类似于图7板的结果。
两种板都显示出了良好折衷，改善了重合辐射特性的所有方面，第二张板显示比第一张稍微差的一组单点频率响应和声音功率轨迹，但是，其单一频率极坐标图结果有少许的改善。虽然最佳化总是一种折衷，但设计者可依照应用情况的需要来选择。
头两个实施例与中等大小的板有关，下面的第三实施例将讨论小尺寸，(A5-210×148.5mm)。
图15和16显示板的轮廓。如所见的，它的尺寸减小地很大。此板由14.5mm厚的Rohacell将中间压缩成10.8mm并且边缘压缩成1mm制成，控制平板则将整个表面压缩成9.8mm。激励器固定于板后面对于各向同性板来说是最佳的位置上，利用这个激励器位置，即使是逐渐变薄的板都能够获致良好的结果，当然，还可以想到进一步优化激励器的位置。
图16显示按板上位置函数计算的重合频率图。图17显示相同尺寸的10mm平板与逐渐变薄板的比较结果。图18a(平板)和图18b(逐渐变薄板)内显示声音功率测量结果。
如所见的，该板展示出相当优异广泛的方向性即使在13kHz上还是能平均辐射至前方半球体。逐渐变薄的板的功率响应在5kHz附近也没有显示有显著的阶跃；这类阶跃在参考板响应内清晰可见。请注意这些测试板都固定在一个很浅的箱子上，这样会在500Hz左右形成一个最大值，在实际的扬声器中需要使用电子滤波器或其他器件来控制。这是因为箱子所引起的，并非变薄所引起。
在其他板上也进行了许多的测试，其结果证实了在依照本发明的板内，重合效应所引起的许多效果得到了改善。为了让方向性效果平顺，所以轮廓是很重要的，然而在达到整个声音功率的平顺方面，精确的轮廓就远不重要。
图19至21显示三张由具有25mm直径的音圈换能器所激励的板的驱动点速度测量结果。图19显示4mm平板的结果，图20为来自第一实施例的板的结果，图21为2mm平板的结果。
速度轨迹内10kHz与20kHz之间的陡峭峰值就是间隙共振的证据。对于4mm和逐渐变薄的板而言，共振发生在13.1kHz上。对于2mm板而言，共振发生在11.8kHz上。
如同预期的，增加板的刚度就能增加平板的共振频率。逐渐变薄的板的共振频率由驱动点上的板厚度所决定，因此类似于4mm厚的平板。
这显示出，间隙共振由驱动点上的厚度所决定。因此，激励器位置上具有的坚硬板部分会将此间隙共振降至最低。
结果(未显示)亦指出当弯曲刚度的变动集中在板边缘附近时，重合频率上方辐射特征上的效果将会很小。但是对板的这种处理具有有利的效果，如下面所要讨论的。
为了制作一个实际的扬声器，该板通常固定在某些框架/支撑上，其目的是将振动能量维持在板内，使转移至框架的能量降至最低。这是靠板与框架之间更大的阻抗失配来达成。变动边缘上的板厚度可控制板/框架边界上的阻抗，而不会影响整个辐射特征。下面将提供一些这类方法益处的范例。
在接近边缘附近将板逐渐变成非常薄的厚度，会将板的阻抗降至非常小的值。若此阻抗低于夹紧框架的阻抗，则只会传输相当低的能量。
增加板边缘的厚度会显著增加阻抗，若板连接至具有软式端子的框架(并且相当低的阻抗)，则板阻抗的增加会在边缘上产生极大的失配，而使传输至框架的能量最小。
除了上述两个范例外，板厚度在边界上突然的增加/减少会将能量反射回板的本体。例如突然增加板边缘上的厚度会提供与夹紧边界类似的情况，而入射于边界上的能量会反射回板，然后便可安全地夹紧或支撑边缘，因为其包括非常少的振动能量。
通过变动板的厚度来达到弯曲刚度的改变不是必需的。图22显示具有等厚度但是曲率半径在板区域上变动的板，这会导致弯曲刚度内的变动。图23说明另一种方式，如所示板是皱褶的，达成中央区域比外侧区域内具有较高的弯曲刚度。
板的厚度也可以不必按上述简单方式变化，例如弯曲刚度可在波浪形的表面上变动，或在板表面上的一系列台阶内变动。图24内显示一些可用的轮廓，利用对应板厚度内的波浪状或台阶或其他方式就可获得这类轮廓。
权利要求
1．一种可支撑弯曲波振动的板状声音构件，其中板内的弯曲波和/或表面质量密度在板内变化，而产生一定范围的重合频率，其中，最大重合频率和最小重合频率的比至少是1.2∶1，这样，与各向同性板相比，在声音功率和/或方向性方面，板内弯曲波更均匀地耦合到空气。
2．一种声音器件，包括如权利要求1所述的板状声音构件以及固定于该构件上的一激励器。
3．一种扬声器，包括一个板(1)和安装到该板(1)上以激起构件内的弯曲波而导致一声音输出的激励器(3)，其中板(1)是如权利要求1所述的板状声音构件，重合效应对声音输出的影响得到平顺。
4．如权利要求3所述的扬声器，其中板(1)的弯曲刚度会在至少10％的板面积的区域上变动。
5．如权利要求3或4所述的扬声器，其中弯曲刚度具有一最大值，激励器(3)耦合至板(1)上具有至少70％弯曲刚度最大值的位置上。
6．如权利要求3至5任一项所述的扬声器，其中板的厚度在板(1)的区域上变动，以提供一定范围的弯曲刚度以及因此而得到一定范围重合频率。
7．如权利要求3至6任一项所述的扬声器，其中弯曲刚度在板(1)的中央区域内具有一最大值，并往外递减。
8．如权利要求7所述的扬声器，其中激励器(3)耦合至板(1)上，接近最大弯曲刚度值的位置。
9．如权利要求3至8任一项所述的扬声器，其中激励器(3)位于板(1)上，最大弯曲刚度值的位置。
10．如权利要求3至7任一项所述的扬声器，其中板刚度在板(1)中央具有最小值，并往板(1)的边缘递增。
11．如权利要求10所述的扬声器，其中激励器(3)位于板(1)的中央附近，比板(1)的平均刚度还低的区域内。
12．如权利要求10或11所述的扬声器，其中至少夹住板(1)的一边缘，并且在至少一夹住的板(1)边缘处有最大的弯曲刚度。
13．如权利要求3至12任一项所述的扬声器，其中弯曲刚度的梯度集中于激励器位置附近。
14．如权利要求13所述的扬声器，其中弯曲刚度的梯度在接近激励器(3)位置处相当高，并沿着从激励器位置往外延伸的线而缓慢降低。
15．如权利要求2至14任一项所述的扬声器，其中弯曲刚度在板构件边缘附近变动。
16．如权利要求15所述的扬声器，其中弯曲刚度在板(1)的边缘上最高，并平滑地朝板(1)的内部下降。
17．如权利要求15或16所述的扬声器，其中一支撑物至少央住一边缘。
18．如权利要求17所述的扬声器，其中板(1)边缘上的弯曲刚度为板(1)边缘上的机械阻抗与支撑物(13)的阻抗不匹配。
19．如权利要求3至6任一项所述的扬声器，其中板的弯曲刚度按波浪状图样内变动，如此声音输出上的重合效应被平顺。
20．如权利要求3至19任一项所述的扬声器，其中板为具有许多按频率分布的共振弯曲模态的分布模态板。
21．一种扬声器，包括一板(1)，可支撑音频范围内的共振弯曲波；一该板(1)上的激励器(3)，用以激起板内的共振弯曲波，以产生一声音输出，其中板(1)内的重合频率会在重合上至少一个波长的长度范围上沿着板(1)上的位置改变，使得板(1)声音输出上的重合效应平顺化。
22．如权利要求21所述的扬声器，其中弯曲刚度会在板(1)上变动，如此重合频率变动。
23．一种扬声器，包括一板构件(1)，可支撑音频范围内的共振弯曲波；一该板构件(1)上的激励器，用以激起板内的共振弯曲波，以产生一声音输出，其中板构件(1)的弯曲刚度在板边缘区域内变动。
24．如权利要求23所述的扬声器，其中板的边缘受到夹紧并且板(1)的弯曲刚度会朝板边缘迅速上升。
25．一种声音吸收体，包括如权利要求1所述的板状声音构件。
26．一种用于回响控制的声音共振体，包括如权利要求1所述的板状声音构件。
27．一种音箱，包括如权利要求1项的板状声音构件。
28．一种音频元件的支撑物，包括如权利要求1所述的板状声音构件。
29．一种如权利要求2的声音器件，换能器将板内的弯曲波转换为电信号，因此该器件用作麦克风。
30．一种制造一可支撑弯曲波振动的声音构件的方法，其中波速在重合区域内进行特定变动，以产生一定范围的重合频率。
31．如权利要求30所述的制造一可支撑弯曲波振动的声音构件的方法，进一步包括步骤选择板材质和板大小；选择板的初始弯曲刚度分布；以及递回变动板弯曲刚度分布，利用变动重合频率附近板内的波速来改善板的频率和角度响应，以产生重合频率的范围。
32．如权利要求31所述的方法，其中在递回选择板轮廓的步骤内，板内的共振模态在频率上的分布也是最佳的。
33．一种制造一共振模式扬声器系统的方法，包括选择板材质、板大小和激励器种类、选择板上一初始激励器位置、选择板的一初始弯曲刚度分布、递回地变动激励器位置和板轮廓，以选择一个可将板的频率和角度声音响应平顺化的位置和轮廓，提供一个有该递回选择的板轮廓的板，以及于该递回选择的位置上安装一激励器。
34．如权利要求33所述的方法，其中在递回选择激励器位置和板轮廓的步骤内，板内的共振模态在频率上的分布亦最佳化。
全文摘要
一种可支撑弯曲波振动的板状声音构件，具有在重合区域内变动的弯曲波速度，以提供一定范围的重合频率，导致板内的弯曲波在更宽广的角度发生声音耦合，或用以让耦合更均匀。此构件可装入扬声器中，该扬声器具有一板状构件(1)及一固定于板状构件以激起扬声器内的弯曲波而导致声音输出的激励器(3)。
文档编号H04R7/04GK1317220SQ9981057
公开日2001年10月10日 申请日期1999年9月1日 优先权日1998年9月2日
发明者亨利·阿齐马 申请人:新型转换器有限公司