专利名称：用于电声换能器的膜和声学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电声换能器的膜，以及包括这种膜的声学 装置。
背景技术：
由于电子消费产品的尺寸逐渐减小，扬声器和/或麦克风也必须 变得更小。然而，扬声器和/或麦克风必须分别提供足够的声压和足 够的灵敏度，这对于这种电声换能器的设计者来说是个具有挑战性的 任务。
对于扬声器的声学性能，声压级(SPL)是一个重要的参数，其 通常应当尽量的高。在传统的电动式扬声器(见图l和图6)中，膜 移动空气从而产生声音。膜包括两个部分， 一个相对柔性，允许膜运 动，另一个比较刚硬以有效地移动空气。SPL由所移动的空气量给出， 艮口所移动的面积与在该面积的垂直方向上的位移的乘积。由于膜在其 边缘处被固定在外壳上，从而不会整体上平移，所以膜的不同部分对 所移动的空气量的贡献不同。因此，在传统的扬声器设计中，有效面 积通常小于膜的总面积。扬声器的另一个重要参数是总谐波失真 (THD)，该参数应当尽量的小。
US 2002/0148678公开了几种不同的提供大隔音板的声辐射器 设计，其中与较小的传统扬声器设计相比，移动较少的空气量，而同 时保持了相同的外壳口径，并且允许使用中空外壳。 一种结构包括 用于隔音板的实质上(essentially)垂直定向的弹性支架，其中弹
性支架完全处于隔音板的外边缘的下方以及处于隔音板的外轮缘和 篮(basket)的外法兰之间；弹性支架，其类似于向外旋转45。至70° 的传统外围，其将隔音板的外边缘向外延伸从而允许使用直径较大的 扬声器隔音板；以及外围，将外围安装在处于该外围的圆顶下方的篮
4的外法兰上以使外围从外壳的中心向外移动。
然而，已知的声学装置的缺点是音频性能差，尤其是当声学装 置尺寸很小的时候。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有足够音频性能的声学系统。 为了实现上述目的，提供了一种声学装置的膜，该膜包括具有 边缘的(相对)刚性膜部分，和沿着所述边缘与刚性膜部分连接的(相 对)柔性膜部分，其中柔性膜部分的外表面在膜的闲置状态下是凹入 的，并且该外表面被成形为当膜被激励时，所述外表面的曲度变化有 助于增加由刚性膜部分所移位(或移动)的空气量。
为了实现上述目的，还提供了一种声学装置，其包括具有上述 特征的膜。
术语"振荡膜"表示在力的影响下发生振荡从而产生声音的任 何单层或多层振动模。然而，这样的振荡膜还能接收声音并将声音转 化为机械振荡来提供给换能器元件。可由多种不同的成分和/或材料 例如热塑性材料或其他材料来形成复合膜。
术语"声学装置"表示能够产生向环境发出的声音和/或能够检 测环境中存在的声音的任何设备。这样的声学装置包括任何能够基于 电信号产生声波声音或基于声音产生电信号的机电换能器。
术语"刚性膜部分"具体表示在扬声器驱动单元通常在振动膜 上引起的那种强度的机械力的影响下基本上不发生形变的膜部分。这 种刚性膜部分可具有3GPa至5GPa范围内的杨氏模量值。刚性(或坚 硬)的膜可具有从大约lpm至大约10(Him的厚度，尤其具有从大约 6pm至大约50pm的厚度，或者上至几个100pm的厚度。刚性膜部 分可以是板状的膜，并且可以通过铸造或模塑制成。它可以包括类似 铝的金属或塑性材料。在复合结构中，刚性膜可以包括多个层，例如 两个铝层夹着一个泡沬层，该泡沫层位于这两个外包层之间。
术语"柔性膜部分"具体表示在扬声器驱动单元通常在振动膜 上引起的那种强度的机械力的影响下发生相当大的程度的形变的膜部分。这种柔性的膜部分可具有0. lGPa至3GPa范围内的杨氏模量值。 柔性(或弹性)的膜可具有从大约lnm至大约lOOpm的厚度，尤其 具有从大约6pm至大约40pm之间的厚度。柔性膜可以包括任何的 塑胶材料(例如聚碳酸脂)，或可以由硅树脂(例如基于结构单元 R2SiO (其中R为有机基团)的半无机聚合物族的一种材料)制成。 柔性膜可以通过铸造或模塑制造。
术语"杨氏模量"表示描述一种材料特性或参数的弹性模量， 其等于机械拉伸与相应的伸长之间的比例，因此是材料刚度的度量。 因此，刚性材料比柔性材料具有更大的杨氏模量值。杨氏模量还可被 表示为弹性模量或拉伸模量。
术语"膜的外表面"具体表示膜的指向或面向扬声器的声音发 射目标或麦克风所检测到的声源的表面部分。相反，柔性膜的内表面 与外表面相对，并且通常指向扬声器或麦克风的换能元件。.
术语"凹曲度"具体表示柔性膜部分在垂直于刚性膜部分的方 向上的截面的形状，其形成了柔性膜部分沿着环绕刚性部分的柔性部 分的闭合线的凹陷。因此，例如图5所示，该膜实质上为轮缘形状。 通过在圆柱体的曲面上形成凹陷可以形成轮缘形状，其中弯曲的圆柱 部分则表示柔性膜部分。这种圆柱的平面部分则可以表示刚性膜部 分。
术语"膜的闲置状态"表示不存在外力时膜的状态，即平衡状 态。膜在工作周期期间可在振荡运动的上止点(或终点)和振荡运动 的下止点之间振荡。
术语"电动声学装置"表示一种通过利用电磁原理(例如利用 线圈和磁体结构)来将声波转化为电信号或将电信号转化为声波的声 学装置。
术语"压电声学装置"表示一种基于压电效应的声学装置。例 如，这种装置适于作为压电麦克风。压电麦克风利用压电现象(即当 一些材料受到机械压力时产生电压的性质或相反过程)来将振动转化 为电信号。然而该装置还可用作基于压电现象的压电扬声器。
根据本发明，提供了一种扬声器或麦克风的振动模，该振动模
6具有非柔性部分和弹性部分。弹性部分有一点弧度或弯曲，以向外部 观察者暴露产生的凹陷。当换能元件(例如处于磁场中的附接到膜的 线圈)激励该膜(即，刚性部分和柔性部分的公共部分)时，刚性部 分移动来基本维持其形状(即平移)，而柔性部分的曲度值发生变化， 使得膜的刚性部分和柔性部分均有助于移动的空气的量。因此，可以 增大声压级(SPL)，从而显著地改进声学装置的性能。这对于小尺 寸的声学装置(例如移动电话的扬声器)的设计来说尤其有利。这种 小尺寸声学装置通常具有音量不足的缺点。因为根据本发明柔性部分 也有助于增加所移动的空气量，所以可以在膜尺寸相同的情况下获得 更高的声压。可选地，在膜尺寸减小的情况下能获得相同的声压。这 使得能制造小型声学装置。
接下来，.将说明膜和声学装置的有利实施例。应该注意，关于 本发明的膜而给出的实施例同样适用于声学装置，反之亦然。
刚性膜部分可以实质上垂直于柔性膜部分。当期望增加移动的 空气量时这种几何结构尤其有利。因此，这种结构可以产生大的SPL。
在这种情况下，膜的有效面积(几乎)是膜面积的100%，不管怎样，
至少大于刚性膜部分的面积。
刚性膜部分可以实质是平面的。因此，刚性膜部分可以以类似 于活塞的方式工作，在向上的方向上移动大量的空气。而且，平坦的 表面易于制造，从而膜可以在整体上易于制造。除此之外，平坦的几 何结构可允许以平板和节省空间的方式制造该膜。因此，可以制造具 有适当音频性能的平板扬声器。可选地，刚性部分可以具有任何其他 想要的形状，例如弯折或弯曲的形状。
柔性膜部分实质上可以是轮缘形状。例如在图5中示出了这种
轮缘。"轮缘形状"表示发生形变的圆柱的形状，其中圆柱的曲面具 有弧度，或者在曲面部分上形成尤其具有椭圆形状的凹陷。这种结构 在机械上是稳定的、易于制造并且显著有助于增加移动的空气量，从 而能实现扬声器的适当性能。
柔性膜部分的外表面在该膜的闲置(或平衡)状态下可以具有 半椭圆形曲度。换句话说，在柔性膜部分的截面上，可以看到两个(对
7称的)半椭圆，其中椭圆度最小处彼此相对。这种半椭圆形曲度是柔 性部分移动大量空气的合适的几何结构。
柔性膜部分的外表面在膜的闲置状态时可以具有这样的半椭圆 曲度，其中长半轴实质上与刚性膜部分垂直(因此，在刚性膜部分的 移动方向上，假设柔性部分和刚性部分彼此垂直)。因此，在截面图 中，两个半椭圆的短半轴实质上平行于平坦的刚性表面。两个半椭圆 的长半轴实质上彼此平行，并且垂直于刚性膜部分的表面。这种几何 结构能够产生适当的声学性能。当刚性膜部分在向上方向上移动时， 长半轴延伸或被伸长。当刚性膜部分在向下方向上移动时，长半轴被 縮短。向上方向可以是刚性部分和电声换能器的外壳之间的距离增大 的方向，而向下方向对应于刚性部分接近所述外壳的状态。在膜的闲 置状态下，有利的是，上止点和下止点之间的最大距离小于或基本上 等于椭圆形柔性膜的长半轴长度的1/5。有利的是，椭圆形柔性膜的 短半轴基本上等于长半轴的一半。
有利的是，柔性膜部分的外表面在膜的下止点处(也就是说当 柔性膜部分被压縮到最大程度时)具有半圆形曲度。下止点是一个返 回点，在该返回点处膜运动从向下运动变为向上运动。当膜的下止点 与柔性膜部分的半圆形状重合时，获得了整个工作周期上的有效空气 量的移动。当刚性膜部分超过所述的最佳下止点继续移动时，短半轴 变为长半轴，然后与扬声器的运动方向垂直。在这种状态下，不会产 生额外的声音。甚至更严重的是，扬声器变得更安静，这是因为柔性 膜部分所引起的气流的方向发生了变化。
膜还适于以下方式刚性膜部分的总谐波失真实质上补偿了柔 性膜部分的总谐波失真。在有些情况下，膜被设计成使总THD尽量小。
由于柔性膜部分的THD在粗略估计时与膜的刚性部分的运动所产生 的THD无关，因此柔性部分的THD能(部分地或完全地)补偿刚性部 分的THD。因此，能使(整个膜)的总THD尽量小。为此，相应地调 整半主轴的长度。在这种情况下，膜超过柔性膜部分的半圆形所给出 的下止点继续移动也是有利的。因此，本发明的示范性实施例能用较 小的扬声器获得更高的SPL，和/或能获得THD的补偿。特别是在扬
8声器或受话器中可获得这些优点。对于这些实施例，相应地调整膜的 材料、膜部分的厚度、以及膜部分的几何形状。这能获得具有适当的 音频性能和音频质量的扬声器。
该声学装置可以包括置于刚性膜部分的内表面或外表面上的线 圈。根据一个实施例，线圈附着于刚性膜部分的内表面，从而从外侧 看不到该线圈。根据另一个示范性实施例，线圈可位于刚性膜部分的 外部，也就是说，从外部能看到该线圈。在这两个实施例中，利用电 信号为线圈供能，以提供音频内容。这种线圈中产生的磁场与位于声 学装置内部的磁体相互作用，以产生能在任何期望的方向上移动膜的 电磁力。从而，产生了声波。
该声学设备可被实现为由以下设备组成的组中的至少一个手 持式声音再现系统、可佩戴装置、近场声音再现系统、头戴式受话器、 耳机、便携式音频播放器、音频环绕系统、移动电话、—头戴式送受话 器、助听器、免提系统、电视设备、电视机音频播放器、视频记录器、 监视器、游戏装置、膝上型电脑、DVD播放器、CD播放器、基于硬盘
的媒体播放器、互联网无线电装置、公共娱乐装置、MP3播放器、hi-fi 系统、交通工具上的娱乐装置、车载娱乐装置、医疗通信系统、语音 通信系统、家庭影院系统、家庭剧场系统、平板电视设备、布景装置 以及音乐厅系统。
将通过以下对示例的描述来使以上定义的各方面以及本发明的 其他方面更加明白，并且将参考这些实施例的示例来进行说明。
下面将参考实施例的示例来详细描述本发明，但本发明并不限 于这些示例。
图l示出了传统的声学装置。
图2示出了根据本发明示范性实施例的声学装置。
图3和图4示出了根据本发明的示范性实施例的声学装置部分 在两个不同工作状态下的放大视图。
图5示出根据本发明的示范性实施例的振荡模的三维视图和截面图。
图6示出传统的振荡膜的三维视图和截面图。
具体实施例方式
附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，类似或相同的元 件具有相同的参考标号。
图1示出了传统的扬声器100 (例如，移动电话的扬声器)，该 扬声器包括外壳101、膜102、磁体103和线圈104。膜102包括活 塞式移动的刚性部分105和柔性部分106，柔性部分106通过它的形 变能使刚性部分105移动。
图2示出根据本发明实施例的扬声器200。扬声器200包括由两 个层形成的复合膜201。这些层例如可由热塑性材料制成。然而，单 层结构的膜201也是可行的。
而且，图2示出了外壳或基体部件207和磁性装置208。基体部 件207 (也可被称为篮)可由任何适当的材料制成，诸如金属或例如 聚碳酸脂的塑料。
磁性装置208与线圈206协作。当线圈206被电音频信号启动 时，在线圈206和磁系统208之间出现电磁力。这根据励磁声信号来 激励膜201，从而产生被发射到环境中的人类能感知到的声波。
位于线圈206内的复合膜201的部分202是相对刚性的，即当 线圈206被音频信号激励时，该部分202实质上不会发生形变。与基 体部件207的垂直部分相邻的复合膜201的部分204相对具有柔性， 即当线圈206被音频信号激励时，该部分204会发生实质上的形变。
刚性部分202的厚度可大于柔性部分204的厚度。刚性部分202 和柔性部分204还可以由相同材料制成或者厚度相同，并且可以通过 不同的几何形状来获得不同程度的刚性/柔性。而且，刚性部分202 的弹力的杨氏模量可以高于柔性部分204的杨氏模量。
作为扬声器200的替代物，复合膜201还可以在麦克风或任何 其他声学装置中实现。
更具体地讲，振动膜201包括具有边缘203的刚性膜部分202。
10而且，柔性膜部分204沿着边缘203与刚性膜部分202相连。柔性膜 部分204的外侧面205在膜201闲置状态(即，未被激励的状态)时 具有一个凹曲度，该凹曲度被成形来在膜201被激励时有助于刚性膜 部分202所移动的空气量。
从图2可以看出，刚性膜部分202定向为实质上垂直于柔性膜 部分204。换句话说，柔性部分204的垂直延伸实质上垂直于平面刚 性部分202的水平方向。图2示出扬声器200的截面。图5给出了对 应的示意透视图。在该三维视图中，可以看出膜的柔性部分204的形 状大致上类似于汽车车轮的轮缘。
相比之下，如图6所示，传统的膜具有中心部分105和两个大 致凸状的柔性部分106。
图2示出其中刚性部分202和柔性部分204彼此垂直布置的扬 声器200。当膜201向上移动时，柔性膜部分204被拉长，增加了移 动的空气量，从而增大了声压。当膜201向下移动时，柔性膜部分 204被压縮，其吸入空气，使得再次增加了移动的空气量，从而增大 了声压。
因此，图2示出了包括膜201的电声换能器(扬声器，但是也 可以是作为麦克风的结构)，该膜201具有彼此垂直布置的刚性部分 202和柔性膜部分204，其中如图2所示，柔性膜部分204在膜201 处于闲置位置时具有椭圆形的截面。
图3示出根据本发明实施例的(附有线圈206的)膜201的横 截面。如对称线301所示，仅仅示出对称结构的左半部分。在图3 中，膜201处于闲置状态。刚性部分202也可表示为圆顶，其中柔性 部分204还可表示为边缘(fringe)。图3示出的产品可以是扬声器
或麦克风的中间产品。
图4示出不同工作模式的扬声器300，其中针对适当的空气移动 能力来使柔性部分204成形。在图4中，示出了三个工作状态下的柔 性膜部分204。沿着坐标410指示出了膜201的移动方向。在第一种 工作模式415，膜201处于最高的位置，柔性部分204处于被拉长的 状态。在第二种结构420中，膜201并且尤其是它的柔性部分204
11处于平衡或闲置位置。在结构420中，其形状为椭圆形。在参考标号
425所指出的第三种工作状态下，柔性部分204处于最低的被压縮的 位置，其形状为半圆形。
图4详细示出了本发明的示范性实施例(示意的扬声器300的 半个部分)。柔性膜部分204在闲置位置420处具有椭圆形横截面， 该椭圆形横截面的主轴布置在刚性部分201的移动方向上。当刚性部 分201向上移动时，该椭圆被拉长。当刚性部分201向下移动时，该 椭圆被压縮。在有利的实施例中，在下止点时，柔性膜部分204的截 面是半圆形。在另一有利实施例中，刚性部分202的总谐波失真(THD) 被柔性膜部分204的THD所补偿。
最后，应当注意，上述实施例说明而不是限制了本发明，所属 领域的技术人员在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情 况下将能够设计出很多可替代的实施例。在权利要求中，括号中的任 何参考标号不应该被解释为对权利要求的限制。动词"包括"及其变 化形式的使用总体上不排除任何权利要求或说明书中列举的元素或 步骤之外的其他元素或步骤的存在。元素的单数引用并不排除该元素 的复数引用，反之亦然。在枚举了几种手段的装置权利要求中，这些 手段中的几种可以由同一个软件或硬件来实现。在彼此不同的从属权 利要求中列举的某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被 用来带来优势。
权利要求
1.一种用于声学装置(200)的膜(201)，该膜(201)包括刚性膜部分(202)，其具有边缘(203)；柔性膜部分(204)，其沿着所述边缘(203)与刚性膜部分(202)连接；其中柔性膜部分(204)的外表面(205)在膜(201)的闲置状态下是凹入的，并且该外表面(205)被成形为当膜(201)被激励时所述外表面(205)的曲度变化有助于增加由刚性膜部分(202)所移动的空气量。
2. 根据权利要求l所述的膜(201)，其中刚性膜都分(202) 被定向为实质上垂直于柔性膜部分(204)。
3. 根据权利要求l所述的膜(201)，其中柔性膜部分(204) 实质上为轮缘形状。
4. 根据权利要求l所述的膜(201)，其中柔性膜部分(204) 的外表面(205)的横截面在膜(201)的闲置状态下具有半椭圆形状。
5. 根据权利要求4所述的膜(201)，其中半椭圆的长半轴被 定向为实质上垂直于刚性膜部分(202)。
6. 根据权利要求l所述的膜(201)，其中柔性膜部分(204) 的外表面(205)的横截面在膜(201)的下止点具有半圆形状。
7. 根据权利要求l所述的膜(201)，其是以刚性膜部分(202) 的总谐波失真实质上补偿了柔性膜部分(204)的总谐波失真的方式 进行设计的。
8. —种声学装置(200)，其包括根据权利要求1至7之一所 述的膜(201)，该声学装置尤其适于作为电声换能器装置、电动声 学装置、压电声学装置、扬声器、麦克风、受话器以及振动器所组成 的组中的至少一个。
9. 根据权利要求8所述的声学装置(200)，其包括附接到刚 性膜部分(202)的换能元件(206)。
10. 根据权利要求8所述的声学装置(200)，该声学装置可被 实现为如下设备所组成的组中的至少一个手持式声音再现系统、可 佩戴装置、近场声音再现系统、头戴式受话器、耳机、便携式音频播 放器、音频环绕系统、移动电话、头戴式送受话器、助听器、免提系 统、电视设备、.电视机音频播放器、视频记录器、监视器、游戏装置、 膝上型电脑、DVD播放器、CD播放器、基于硬盘的媒体播放器、网络 无线电装置、公共娱乐装置、MP3播放器、hi-fi系统、交通工具上 的娱乐装置、车载娱乐装置、医疗通信系统、语音通信系统、家庭影 院系统、家庭剧场系统、平板电视设备、布景装置以及音乐厅系统。
全文摘要
本发明公开了一种用于电声换能器的膜，其中所述膜(201)包括具有边缘(203)的刚性膜部分(202)；沿着边缘(203)与刚性膜部分(202)连接的柔性膜部分(204)；其中柔性膜部分(204)的外表面(205)在膜(201)的闲置状态下是凹入的，并且被成形为当膜(201)被激励时所述外表面(205)的曲度变化有助于增加由刚性膜部分(202)所移动的空气量。
文档编号H04R7/20GK101543093SQ200780043397
公开日2009年9月23日 申请日期2007年11月22日 优先权日2006年11月23日
发明者约瑟夫·卢茨, 苏珊·温迪斯伯格 申请人:Nxp股份有限公司