专利名称：音响装置的制作方法
技术领域：
本发明关于一种音响装置，更特别地关于一种个人使用的音响装置。
背景技术：
传统所提供的耳机可插入使用者耳朵的凹洞或所提供的听筒包括一个小型扬声器，其安装在头带且配置在紧靠使用者耳朵或覆盖于耳朵上的位置。这类声源使用空气压力波动通过耳道经过耳鼓将声音传送至使用者的内耳。
一种典型的传统耳机使用安装在塑料外壳内的动圈式的换能器。该动圈连接至一个轻质振膜，其设计为安装在耳道的入口。该动圈及振膜为轻质的并密切耦合至耳道另一端的耳鼓。由动圈换能器所看到的耳鼓和耳道的声阻抗相当的小。这个与密切耦合相关的小阻抗意味着该动圈换能器的运动要求较低。
动圈换能器需要磁路，磁路其通常包括金属零件，例如钢或铁极性组件，以产生磁力线让线圈移动。这些零件提供相当大的惯性质量，与低运动要求结合，则其意味着较小的振动会进入外壳。
耳机及听筒具有缺点。例如，它们可能会阻碍像会话这类正常的听觉过程或可能阻止使用者听到有用或重要的外部声音信息，例如警告。再者，一般而言它们令人感觉不舒适且如果传输的音量太高，它们会使听觉过度负荷和受损。
一种可选择的供应声音至使用者内耳的方法是使用象在例如一些听力辅助类型中的骨导体。在此情形中，换能器固定至使用者的乳突骨以被机械耦接至使用者的头骨。然后声音由换能器传输通过头骨直接到达耳蜗或内耳。此声音传输路径不涉及耳鼓。把换能器配置在耳朵后侧能提供良好的机械耦合。
但缺点是，头骨在换能器位置的机械阻抗是频率的复杂函数。因而，换能器的设计及所必要的电气均衡将相当昂贵且难以实现。
对于本申请案的可选择的解决方式提出于JP56-089200(Matsushita电动工业有限公司)，WO 01/87007(Temco日本有限公司)及WO 02/30151。在各公开文件中，换能器直接耦合至使用者耳廓，特别是在使用者耳朵后侧，以在其内激发振动，由此使声音信号传输至使用者的内耳。
如WO 02/30151所陈述，换能器可为压电型的。如同一般耳机中的动圈式换能器，压电换能器需要对机械损坏的防护。再者，压电换能器必须机械耦合至耳廓并且必须保护该耦合。因此，换能器可安装在一个保护外壳内。
压电换能器并非与耳鼓密切耦合且通过耳廓相当高的阻抗驱动。而且，声音是透过一机械式耦合而非音频式耦合传输至耳鼓。因此，需要较高的振动能量以在耳鼓内保持与一般耳机相同的水平。
不同于动圈式换能器，压电式换能器不具备振动所涉及的高惯性质量。因此，外壳振动会产生不想要的外部声音辐射。这种声音辐射的泄漏会骚扰附近的听众，且会降低穿戴者的隐私性，以及损害音响装置的性能。因此，本发明目的是提供对外壳的一种改良设计。
发明内容
如本发明第一方面，所提供的音响装置包括一压电换能器及用于耦合该换能器至使用者耳廓的耦合装置，由此换能器在耳廓内激发振动，以使其将来自换能器的声音信号传输至使用者内耳，其特征在于该换能器嵌入到由相当软的材料所制成的套管中，而该套管被安装在由相当坚硬的材料制成的外壳上，从而在套管和外壳之间限定一凹洞。
耳廓即使用者整个外耳。换能器可被耦合至使用者耳廓后面紧邻使用者的耳壳。
套管及外壳共同形成一个保护换能器的双组件结构。双组件结构的使用提供较大的设计灵活性，以便形成产生所不想要的辐射为最少的装置，并且具有一有良好灵敏度而被充分保护的换能器。相反地，安装压电换能器在一个单组件外壳中则灵活性较小。如果使用一较硬的材料，可能对装置的灵敏度及带宽带来不利的影像，且可能会导致所不想要的辐射。然而，如果使用较软的材料，则装置可能不会足够坚固。
套管可被模制。相当软的材料可具有在10至100范围中的肖氏硬度，可能的话是20至80，且例如可为橡胶、硅或聚氨酯。材料也可以是非传导性，非过敏性及/或防水性的。材料优选要对换能器性能具有最小的影响，即，不会限制换能器的移动且能提供一些，对例如来自小的振动及来自环境的，特别是湿度的保护。
外壳优选由坚硬的材料制成，以便为换能器提供额外的保护，特别是在使用期间。较硬的材料可具有1GPa或更高的杨氏模量，且例如可为一种金属(例如铝或钢，分别具有70GPa及207GPa的杨氏模量)，硬塑料(例如有机玻璃、丙乙烯丁二烯苯乙烯树脂(ABS)，或具有20GPa杨氏模量的玻璃加强型塑料)或具有1GPa杨氏模量的软性塑料。
套管及外壳均可为模制，例如以双步骤模制操作方式。或者，外壳可铸模或压印。为便于制造，套管可搭扣安装在外壳内。
套管及外壳之间的耦合优选为较小以降低从换能器传输至外壳的振动。外壳可在套管具有降低振动的位置上耦合套管。所述位置可接触外壳的特定区域，在该区域上可通过例如安装质量来抑制振动。所述位置可以在套管的相反端。
凹洞能确保套管及外壳之间最小的耦合。凹洞也可设计为降低来自换能器的后辐射，这样可降低来自装置的不想要的辐射。凹洞可具有的机械阻抗(Zcavity)其低于换能器输出阻抗，并最好低于耳廓的阻抗(Zpinna)。如此，凹洞的机械阻抗优选设计为使得不会对所获得的力产生限制。所以换能器的运动及所获得的力的不会被凹洞所明显影响。所以凹洞不会对装置的灵敏度产生不利的影响。当凹洞阻抗低于耳廓阻抗时，所有可获得的力可被传输至耳廓，凹洞对于装置的操作只产生最小的影响。于是凹洞的效果限定为机械保护的所期望的功能及降低所不想要的外部声音辐射。
可选择换能器的机械性质，特别是机械阻抗，以与典型的耳廓阻抗匹配。通过匹配机械性质，特别是机械阻抗，可实现改良的效率及带宽。或者，可选择机械性质以适于应用。例如，如果经过匹配的换能器太薄以致无法持久使用，可增加换能器的机械阻抗以便提供更长的使用期限。这类的换能器可能效率较低但仍能使用。
可匹配换能器的机械性质以优化换能器及耳廓之间的接触力，例如考虑一或多个参数，所述参数从平滑度、带宽及/或各个个人使用者所决定的频率响应水平，以及在静态时与有音频信号出现时使用者的身体舒适度中选择。可选择换能器的机械性质以使换能器的频率范围为最佳。
机械性质可包括安装位置、增加的质量、压电层数。换能器可以以离心方式安装，由此使用扭力来提供与耳廓良好的接触。质量可例如加在压电元件端部，以改良低频带宽。换能器可具有多层压电材料，由此可提高电压灵敏度以及降低放大器的电压要求。该层或每层压电材料可被压缩。
耦合装置优选在耳廓及装置之间提供接触压力，以便装置与耳廓的全部机械阻抗耦合。如果接触压力太轻，向装置所显现的阻抗太小耳能量传输可能会显著降低。耦合装置可具有钩子的形状，其上端可弯过耳廓的上表面。其下端可弯在耳廓下表面的下方或者向下悬挂在耳廓后面。具有弯向耳廓的两端的钩子可提供一种更稳固的固定，会保持充分的接触压力用于有效的能量传输。
外壳安装在钩子上以便换能器套管接触耳廓的下部，例如耳垂。该钩子可由金属、塑料或橡胶化的材料制成。
音响装置可包括一内建设备以定位该换能器于各个单独使用者耳廓上的最佳位置，如WO 02/30151所教导。音响装置可包括一施加平衡的补偿器以改善音响装置的声音性能。
音响装置可免手持，即使用于双耳。因此制造能被简化及变得便宜，因为加工成本降低。再者，装置更加容易使用，因为使用者不会将装置防止在错误的耳朵上且更换易于获得。使用者可使用两个音响装置，每个耳朵上装有一个。输入各个音响装置的信号可不同，例如，以产生相关的立体影像，或对两个音响装置都相同。
音响装置可包括一个微型内建麦克风，例如用于免手持电话，及/或可包括一个内建的微接收器，例如用于无线连接至本地声源，例如CD放播器或电话，或者连接至广播发送的远端声源。
根据本发明的第二方面，其提供一种设计音响装置的方法，此方法包括将一压电换能器机械耦合至使用者耳廓且驱动该换能器，从而该换能器在耳廓内激发振动，使其将来自换能器的声音信号传输至使用者内耳，其特征在于通过将该换能器嵌入在由较软的材料制成的套管内，及将该套管安装至由较硬材料制成的保护外壳上，使得在套管及外壳之间限定一凹洞。
本方法可包括选择该凹洞、套管及外壳中的一或多个参数以降低不想要的辐射、提供对该换能器的保护及/或确保有良好灵敏度及带宽。特别是，可选择套管及外壳及/或凹洞之间的耦合以降低不想要的辐射。可选择套管的材料以确保良好的灵敏度及带宽，及/或给换能器提供一些保护。可选择外壳材料以提供额外的保护。凹洞的机械阻抗可低于换能器输出阻抗，最好低于耳廓的阻抗。
本方法可包括为各使用者测量音响装置的声音性能，及对每个单独使用者调整其换能器在耳廓上的位置，以便使声音性能最优化，例如提供最佳音调平衡。最佳位置可通过确定一角度而被测量出，该角度是在一经过入口延伸至使用者耳道的水平轴线与一延伸通过入口且对应于换能器中心轴线的径向线之间的角度。该角度可以在在9至41度的倾斜范围内。
本方法可包括施加一平衡以改善音响装置的声音性能。本方法可包括施加压力到加在换能器上的信号，特别是如果该换能器是一个压电换能器。本方法可包括最优化换能器及耳廓之间的接触压力。接触压力的优化可通过考虑例如像平滑度、带宽及/或各个人使用者决定的频率响应的水平，以及在静态及音频信号出现时使用者的身体舒适度这样的参数，而获得。
上述的音响装置及方法可用于许多应用中，例如免手持移动电话，虚拟会议、诸如飞机上的及电脑游戏的娱乐系统、紧急及安全服务的通信系统、水下操作、主动杂音消除听筒、耳鸣患者、呼叫中心及秘书服务、家庭影院及电影院、加强及分享真实包括数据和信息接口、训练应用、博物馆、豪华古宅(旅游导览)及主题公园以及汽车内的娱乐。另外，音响装置可在所有的应用中使用，例如必须维持自然的未阻碍的听觉的环境，例如当行人及骑脚踏车的人通过个人听筒收听节目内容时增加其安全。
多数的耳聋者在部分的频率范围具有良好或足够的听觉，耳在剩余的频率范围听觉较弱。音响装置可用以增加部分耳聋者具有具有不良听觉的频率范围的部分，而不阻碍耳聋人士在剩余频率范围上的听觉。例如，音响装置可用于在频谱下段具有良好或足够听觉的部分耳聋者，以增加其上部频率范围，或反之亦然。下段频率范围可低于500Hz而高频范围高于1kHz。
为更好地理解本发明，现在以仅为示例形式，参考
本发明的特定实施例，在附图中
图1是本发明实施例安装在耳廓上的立体图；图2是图1音响装置的剖面侧视图，为清楚起见有些部分被移除；图3是图1装置的横截面图，其所取角度与图2的相垂直；图4a至4c是可在本发明中使用的可选择的压电换能器的侧视图；图5是图4b换能器当连接至耳廓时功率相对对频率的图示；图6是根据本发明一个方面的音响装置的组件的机械阻抗的示意图；图7a是该组件机械阻抗与频率的图示；图7b是图7a的简化版本，及图8示出在音响装置可安装在使用者耳朵上一优选位置的侧视图。
主要元件符号说明10，70，80 换能器12 换能器层14 垫片层16，82 压电层17，84 垫片18 电极层19 粘着层30 音响装置32 耳廓34，74 保护外壳36 上钩38 下钩40 引线42 套管44 压电换能器46 44的凸段48，72 凹洞50 连接器52 回圈54 耦合装置56 凸耳
58 沟槽60 耳道入口62 中心径向线64 上径向线65 下径向线66 水平轴线68 垂直轴线86 质量具体实施方式
图1示出根据本发明的安装在耳廓32上的音响装置30。该装置包括一保护外壳34，其上附着一个具有上钩及下钩36、38的耦合装置54。钩子36、38分别回绕耳廓32的上部及下部，以确保装置及耳廓间的良好接触。引线40沿外壳34延伸而连接至一个外部声源。
如图2及3所示，外壳34是一空心体，其容纳一个嵌有压电换能器44的套管42。凹洞48限定在外壳34内表面及套管42外表面之间。套管42大致上为矩形截面并具有一个凸段46，且其成形为在使用者耳廓上提供一个贴身的固定。套管42是由一种比外壳34所使用材料软很多的材料制成。
外壳34通过连接器50连接至套管42的相反端，其使从该套管42到外壳34的振动最小化。外壳34形成有固定耦合装置54的回圈52。
外壳42沿短轴线形成有突出部57，其提供凸耳56在套管42的任一侧。凸耳56与外壳34内表面上的对应沟槽58接合。在正常操作中，凸耳56不与外壳34接触，但防止套管与外壳分离，例如，如果套管被垂直拉出时。耦合装置54固定至外壳34的外表面。
图4a及4c示出可在本发明使用的可选择的压电换能器。在图4a中，换能器10弯曲且包括两个弯曲压电层12，且其中夹着一层弯曲垫片层14。在图4b及4c中，换能器不弯曲且为28毫米长及6毫米宽的矩形。
在图4b中，换能器80包括每层厚度是100微米的压电材料的两层82。各压电层82以一层厚度80微米的铜质垫片层84隔开。质量86安装至换能器各端，例如抑制这些区域中换能器中的振动。换能器具有3.3Ns/m的输出阻抗。在图4c中，换能器包括压电材料(例如PZT)的三层16，其与四个电极层18(典型是银钯材料)交叠配置。各压电层16的极性以箭头指示。层的设置为堆叠方式，其顶层和底层为电极层18。换能器安装在合金垫片17上，并由一层粘着层19固定。
图5表示图4b换能器中当其附接在耳廓(虚线)上及当其不附接在耳廓(实线)上时功率消耗的测量结果。当换能器安装至耳廓时，因为耳廓负载显著增加了换能器电阻抗的实部，从换能器抽取的功率增加。一般而言，压电元件的电阻抗主要是电容性的。
凹洞设计可参考图6至7b陈述如下。图6表示系统即耳廓32的阻抗、换能器70、凹洞72及外壳74，的阻抗的示意图。凹洞具有由其面积及深度所决定的刚度或机械阻抗。围绕换能器的外壳74或套管的振动导致此刚度压缩，因而外壳及套管可被认为耦合至凹洞。凹洞的机械阻抗可通过计算空气负荷的柔顺度来估算，空气负荷本身可由下列式子估算(假定位移较小) 其中P0是大气压(101kPa)。
凹洞的机械阻抗接着可使用下式在整个频率范围表达Zcavity=12·π·f·C]]>可选择压电换能器的参数(例如尺寸及组成)以用于在给定带宽上将能量有效传输至耳廓的机械阻抗。一种可接收的换能器可在500Hz至10kHz范围操作的设计，包括五层压电层且为28毫米×6毫米。这样的换能器具有4.47kg/s的机械输出阻抗。与换能器具有相同面积及深度为2.5毫米的凹洞具有1.47×10-4m/N的空气负荷柔顺度。
图7a表示凹洞(Zcavity)、耳廓(Zpinna)及换能器(Zpiezo)相对于频率的阻抗。耳廓阻抗在低于1kHz的频率上大致固定在Zpinna＝2.7kg/s的值。因此，各组件阻抗可简化如图7b所示。在频率f1(约420Hz)，凹洞的机械阻抗等于换能器的阻抗。低于此频率，换能器输出将受到凹洞作用的限制，因此f1必须设定为装置的最小操作频率。可通过增加凹洞尺寸(特别是深度)来降低f1频率，以避免装置工作频带中所发生交叉点。使凹洞足够深度能使在相关频带上在套管及/或外壳与凹洞之间的耦合最小。
在最低操作频率，即500Hz，Zcavity＝2.17kg/s，因此Zcavity＜Zpiezo及Zcavity＜Zpinna。此条件也在整个操作范围即直到10kHz上满足，因为Zpiezo固定，Zpinna固定于1kHz，然后上升，而Zcavity随频率下降。
图8表示如何对于各单独使用者调整换能器在耳廓上的位置，以提供最佳音调平衡，或使声音响应的其它特性最优化。通过使换能器的位置最佳化，耳廓及换能器可有效形成一个对一单独使用者来说的唯一的组合驱动器。最佳位置是通过确定一中心径向线62及一水平轴线66之间的角度θ而测得，该两线均延伸通过入口60至耳道。中心径向线62对应换能器的中心轴线，以及给予第一使用者其换能器的最佳位置。
上下径向线64、65其二者均与中心径向线62成角度α，表示与该中心径向线62的可能偏移范围，这可引出第二使用者的最佳位置。进行的测试给出25°的θ值及16°的α值。音响装置可包括一个内建设备用以定位最佳位置。角度的调整可通过换能器与钩上端的接合移动来进行。代替水平轴线的使用，可以相对于延伸通过入口60至耳道的一垂直轴线68测量该角度。
通过将换能器安装在耳朵后侧，该音响装置不突出、隐密且不致阻碍或扭曲耳廓形状。换能器与耳道相隔一段距离，因此不会阻碍耳道入口，因此正常的听觉不致受到影响。再者，这可减少对外耳的梗塞，因此当比较在不同程度上梗塞耳朵的常规听筒时，其降低或没有定位误差。
音响装置可以以低成本、重量轻的材料制造，因此可将其舍弃。这样的可舍弃性是一种优点，例如当会议使用情形下卫生是一项先决条件时。或者，因为音响装置不插入耳朵，这样较舒适，因此更适宜长期佩戴。
权利要求
1.一种音响装置，其包括一压电换能器及用于将该换能器耦合至一使用者耳廓的耦合装置，由此该换能器在该耳廓内激发振动，使其将来自该换能器的声音信号传输至一使用者的内耳，其特征在于该换能器被嵌入到由较软的材料所制成的套管内，且该套管被安装在由较硬的材料所制成的外壳上，从而在该套管及外壳之间限定一凹洞。
2.如权利要求1所述的音响装置，其中该换能器适于被耦合至使用者耳廓的后表面接近该使用者耳壳。
3.如权利要求1或2所述的音响装置，其中该套管及外壳间的耦合为最小，以便降低振动从该换能器至该外壳的传输，其中该外壳在该套管上具有减小振动的位置处被耦合至该套管。
4.如权利要求3所述的音响装置，其中该位置接触该换能器上振动会被抑制的区域。
5.如权利要求3或4所述的音响装置，其中该位置是在该套管的相对端。
6.如上述权利要求任一所述的音响装置，其中该凹洞具有一机械阻抗(Zcavity)，其低于该换能器的输出阻抗。
7.如上述权利要求任一所述的音响装置，其中该凹洞具有一机械阻抗，其低于该耳廓(Zpinna)的阻抗。
8.如上述权利要求任一所述的音响装置，其中该耦合装置提供在该耳廓及该装置间的接触压力，使得该装置可被耦合至该耳廓的全部机械阻抗。
9.如上述权利要求任一所述的音响装置，其中该耦合装置是呈钩形，其一上端弯曲在该耳廓的上表面上方。
10.如权利要求9所述的音响装置，其中该钩的一下端弯曲在该耳廓的下表面下方。
11.如权利要求9或10所述的音响装置，其中该外壳被安装至该钩，使得该换能器套管接触该耳廓的下部。
12.一种设计音响装置的方法，其包括将一压电换能机械耦合至一使用者耳廓并驱动该换能器，使得该换能器在该耳廓内激发振动，以使其将来自该换能器的声音信号传输至使用者内耳，其特征在于通过将该换能器嵌入一由较软的材料制成的套管中，及通过将该套管安装至一由较硬的材料制成的保护外壳上，从而该套管及外壳之间限定一凹洞。
13.如权利要求12所述的方法，其包括选择该凹洞、套管及外壳中的一或更多参数，以降低不想要的辐射，而提供对该换能器的保护及/或确保良好的灵敏度及带宽。
14.如权利要求13所述的方法，其中选择该套管及外壳及/或该凹洞之间的耦合以降低不想要的辐射。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中选择该凹洞的机械阻抗为低于该换能器的输出阻抗。
16.如权利要求15所述的方法，其中选择该凹洞的机械阻抗为低于该耳廓的阻抗。
17.如权利要求12到16任一所述的方法，其包括为各使用者测量该音响装置的声音性能，及为各单独使用者调节换能器在耳廓上的位置，以使声音性能最优化。
18.如权利要求17所述的方法，其中该最佳位置是通过确定在一延伸通过该入口至该耳道的水平轴线及一延伸经过该入口且对应该换能器的中心轴线的径向线之间的角度来测得。
全文摘要
一种音响装置(30)，其包括一压电换能器(44)以及用于将换能器耦合至使用者耳廓(32)的耦合装置(54)，由此使该换能器在耳廓(32)内激发振动，以使其将来自换能器(44)的声音信号传输至使用者内耳，其特征在于该换能器被嵌入一个由较软的材料制成的套管(42)内，而该套管(42)则被安装至一个由较硬的材料制成的外壳(34)上，以在该套管(42)及外壳(34)之间限定一凹洞(48)。一种设计音响装置的方法，其包括以机械方式耦合一压电换能器至一使用者耳廓且驱动该换能器，从而该换能器在耳廓内激发振动，以使其将来自换能器的声音信号传输至使用者内耳，其特征在于将该换能器嵌入由较软的材料所制成的套管内，及将该套管安装至由较硬的材料所制成的保护外壳上，从而在该套管及外壳之间限定一凹洞。
文档编号H04R1/10GK1849842SQ200480026158
公开日2006年10月18日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月10日
发明者亨利·阿齐马, 尼古拉斯·P·R·希尔, 罗宾·C·克罗斯, 蒂莫西·C·惠特韦尔, 约翰·F·范德林德 申请人:新型转换器有限公司