全范围平面磁性传声器及其阵列的制作方法

专利名称：全范围平面磁性传声器及其阵列的制作方法
技术领域：
本发明的领域是传声器(microphone)和其阵列，并且特别是具有平面磁性换能 器的传声器。
背景技术：
传声器是将声信号转换为电信号的无处不在的装置并且可在许多装置(包括电 话、磁带记录器、助听器等等)中找到，其中换能器的选择常常由特定的声音或在其中使用 换能器的环境决定。例如，condenser或电容器传声器使用充当电容器的一个极板的膜片，其中由碰撞 声引起的振动导致电容器极板之间的距离的变化。相似的原理在驻极体condenser传声器 中使用，其中永久带电或极化的介电材料是电容器电路的一部分。在其他的示例中，电动传 声器使用放置在永磁体的磁场中的小并且可移动的线圈，其中该线圈附连到膜片。相似地， 带式传声器使用悬置在磁场中的薄的、通常起波纹的金属带，其中该带子电连接到传声器 输出。带在磁场内的振动生成电信号。在再另一类传声器中，使用压电材料，其中撞击到材 料上的声压产生横跨材料的电压。然而，几乎所有已知的传声器设计成在特定SPL(声压级)范围中操作并且因此将 对低SPL灵敏并且在高SPL失真或以损失对低SPL声音的灵敏度为代价耐受高SPL。更进 一步，在超过90db的SPL的情况下，典型地需要压缩，否则失真将显著增加。在大多数传声 器中碰到关于方向性的另外的缺点。最典型地，方向性通过使得离轴声波中的至少一些被 消去或减少的外壳设计而获得。不幸地，并且特别在高方向性是可取的情况下，这样的传声 器设计常常限制使用范围。因此，尽管许多传声器在本领域中是已知的，它们中的所有或几乎所有苦于一个 或多个缺点。所以，仍然存在须要向改进的传声器提供改进的配置和方法，特别在期望大动 态范围和/或方向性的情况下。

发明内容
本发明针对其中使用优选全范围平面磁性换能器作为具有在至少100Hz和20kHz 之间的频谱中的极大动态范围的传声器的配置和方法。最优选地，传声器还配置成允许水 下使用，并且在另外优选的方面中，两个或更多换能器设置成阵列以提供传声器的增加的 方向性和灵敏度。在本发明性主旨的一个方面，记录声音的方法包括提供具有多个磁体和设置在这 些磁体中至少两个磁体之间的张紧膜片的平面磁性换能器的步骤，其中膜片包括音圈并且 其中磁体关于彼此设置使得该至少两个磁体之间的距离是至少1mm、更优选地至少2mm、甚至更优选地至少4mm和最优选地至少5mm，在垂直于膜片的平面上该至少两个磁体之间的 平均磁通密度是至少0. 35T并且大致上均勻的，并且在膜片的平面中第三磁体和该至少两 个磁体中的一个磁体之间的平均磁通密度是至少0. 3T。在另一个步骤中，来自音圈的电信 号馈送至放大器。最优选地，膜片充分张紧以允许记录在10db和lOOdb之间、更典型地在10db和 120db之间、并且最典型地在10db和140db之间(甚至更高)范围中的声压级的具有100Hz 和20kHz之间频率的声音而没有压缩和失真。基于这些参数，应该注意到平面磁性传声器 输出意外地高，并且在没有前置放大器的情况下典型配置可以操作。取决于SPL，来自设想 的传声器的输出电压可高达若干伏特，其到达超过此前已知的典型装置的10，000倍以上。 此外，设想的传声器在全范围频率范围上操作，典型地在100Hz和20kHz之间。在另外优选的方面中，音圈并且更典型地整个膜片涂有电绝缘层以允许在水下记 录。在这样的实施例中，一般优选地换能器具有上部和下部，其中膜片设置在上部和下部之 间，并且其中上部和下部具有多个开口，其与在换能器外面的水流动连通。期望地，设想提供第二平面磁性换能器并且耦合于该平面磁性换能器以由此形成 换能器阵列。这样的阵列可有利地包括二和三十个之间的个体换能器，其最优选地配置成 允许声音的定向采集。例如，合适的阵列可具有大致上平坦的nixn2设置，其具有150cm2 和1000cm2之间的有效换能器膜片面积，其中nl和n2是2和12之间(包括2和12)的独 立整数，并且其中nl/n2在0.4和2. 5之间(包括0. 4和2. 5)。另外，本文设想的方法可 另外包括当换能器不作为传声器操作时将第二电信号馈送至换能器以由此将换能器作为 扬声器操作的步骤。这样的电信号然后可使换能器产生在10db和100db之间、更典型地在 10db和120db之间，并且最典型地在10db和140db之间范围中的声压级的具有100Hz和 20kHz之间频率的声音。在本发明性主旨的另一个方面，观测系统可包括可选是可潜水的平面磁性换能器 的多个阵列，其中阵列中的每个配置成允许声音的定向采集。另外提供处理单元，其电子地 耦合于阵列中的至少两个并且其配置成确定声音发射物体的至少一个信息参数。除其他合 适的信息参数之外，参数从由声音发射物体的位置、声音发射物体的类型、声音发射物体的 速度和声音发射物体的通信信号构成的组中选择，这是优选的。最优选地，这些阵列配置成 允许可潜水使用，和/或处理单元配置成执行从由三角测量，回声定位，和地震定测构成的 组中选择的至少一个操作。另外，设想的系统还可包括电子地耦合于该多个阵列并且配置 成将电信号馈送至这些阵列中的至少一个以由此将该阵列中的至少一个作为扬声器操作 的放大器。在本发明性主旨的再另一个方面，通信系统可具有(1)电子地耦合于第一放大器 的全范围平面磁性换能器，该放大器配置成放大来自该换能器的音圈的第一电信号，和(2) 电子地耦合于全范围平面磁性换能器并且配置成向该换能器的音圈提供第二电信号的第 二放大器，其中第一放大器还配置成生成来自第一电信号的音频输出信号，并且其中第二 放大器配置成驱动换能器以产生在10db和100db之间范围中的声压级的具有至少100Hz 和20kHz之间频率的声音。期望地，在设想的通信系统中的多个全范围平面磁性换能器可 配置为阵列。本发明的各种不同的目标、特征、方面和优势将从本发明的优选实施例的下列详细说明变得更加明显。


图1A是根据本发明性主旨的示范性平面磁性换能器的示意图。图1B是根据本发明性主旨的示范性平面磁性换能器的横截面的示意图。图2A是图示在两个条形磁体之间的垂直间隙中的磁通密度的曲线图。图2B是图示在膜片的平面中的两个条形磁体之间的水平面中的磁通密度的曲线 图。图3是根据本发明性主旨的平面磁性传声器的6X4阵列的照片。图4是使用设想的平面传声器的示范性观测系统的示意图。图5是使用设想的平面传声器的示范性通信系统的示意图。
具体实施例方式发明者惊人地发现平面磁性扬声器可以作为具有许多意外的并且非常可取的性 质的传声器操作。尽管常规的扬声器换能器可以采用反向的方式操作以由此起传声器的作 用，一般认为这样的反向将典型地导致不可接受的声音质量、低灵敏度以及因此导致常常 低的信噪比。相反并且特别在设想的平面磁性扬声器作为传声器使用的情况下，发明者现 在发现这样的传声器将提供优秀的灵敏度、声音质量和动态范围。实际上，使用根据本发明 性主旨的平面磁性传声器，具有在10db (并且甚至更小)和150db (并且甚至更大)之间的 SPL的声音可以准确的记录而在至少100Hz至20kHz的频率范围上没有声音质量上的失真 或损失。当比较平均0. 5英寸的传声器(电动传声器的膜片直径)与如本文提出的示范性 平面磁性换能器时，这样的差别是显而易见的。0.5英寸传声器的膜片的表面积计为大约 1. 2cm2而典型设想的换能器的膜片的表面积大约是170cm2，其在膜片面积上增加为142倍。 假设对于特定的SPL想要获得相同的每cm2电压输出，设想的换能器可以产生142倍高的 电压输出(等于43dB高的水平)。从而，应该认识到设想的平面磁性换能器需要充分较小 的电放大。实际上，本文提出的平面磁性换能器中的大部分可以在没有前置放大器的情况 下操作。在该上下文中，应该意识到放大普通传声器信号所需要的高放大器增益将引起电 噪声，其进而限制在SPL谱的下端的声音的可记录性。因此，由于本文设想的平面磁性换能 器提供43db高的电输出，可以记录43dB软的声音(如与常规传声器比较)并且听距显著 增加。当平面磁性换能器在阵列中耦合在一起时(其有效地进一步增加膜片面积)，这样的 优势将变得甚至更加明显。例如，设想的换能器的2X3阵列作为传声器操作，其能够在高 环境噪声水平(城市交通和工业噪声)环境中在大约450英尺的距离处采用空前的清晰度 拾取正常的语音水平。示范性平面磁性换能器100A在图1A中示意地图示，其中移除膜片的一部分以暴 露下面的条形磁体、间隔元件和其他部件。这里定子机座(stator frame) 110A具有多个齿 孔112A，声音通过这些齿孔进入并且热通过其消散。条形磁体120A采用具有交替极性(如 由北[N]和南[S]指示的)的平行方式耦合于定子。磁体的正确安装对准和距离通过间隔 元件130A(仅示出一个间隔物)保持，其还减小将磁体固定到定子的耦合材料上的张力。这
6样的间隔物在磁体是非常强的情况是特别有利的，因为在相邻磁体之间的相对小的间隙导 致磁体之间可观的吸引力。箭头140A指示相邻磁体之间的磁场的方向。膜片150A安装到 定子110A并且还包括导电迹线160A，其在相邻磁体之间的间隙上铺设并且具有使得电流 如由箭头170A指示的关于相邻磁体之间的磁场的单向流动的布局。导电迹线的两端在电 端子162A终止。膜片的有效(即，移动)区域位于由形成部分空腔的壁114A限定的空间 内(还参见下文)。图1B描绘示范性平面磁性换能器100B的垂直横截面，其中外壳分别具有上和下 定子110B和110B，。膜片150B设置在定子之间，其也在相对的磁体120B和120B，之间居 中使得相对的磁体用相同的极性(如由北[N]和南[S]指示的)面向彼此。膜片150B可 选地由顶和底层122B覆盖，其提供电绝缘层以隔离音圈160B。如上文，定子具有壁114B 以限定空腔以容纳磁体和膜片，以及齿孔112B以允许声音进入和热量逸出。水平磁通量由 140B指示而垂直磁通量由142B指示。电流由声压F在导电迹线160B中感生，声压F迫使 膜片和音圈160在磁场中移动。一般设想本文提出的平面磁性换能器将具有在x轴线(限定为平行于膜片的平面 的轴线)上提供相对高磁场强度的磁体。因此，在特别优选的方面，磁体将包括单独的钕或 其他稀土金属，或与一个或多个稀土金属、铁和/或硼组合的钕或其他稀土金属。在本发明 性主旨的优选方面，磁体是设置成具有相反的邻近极性的平行条的阵列的条形磁体。最优 选地，对应的条形磁体的第二系列面向具有相同极性的第一阵列以由此形成推拉系统。然 而，许多备选设置也认为是合适的并且包括弧形的或另外不规则形状的条形磁体、环形磁 体等等，只要可以获得具有在至少0. 3T(在x轴线和y轴线上)的磁场中允许大的膜片偏 移的性质的磁性间隙。不管磁体的具体设置，在磁体之间x轴线上的磁场强度是至少0. 35T、更优选地至 少0. 4T、甚至更优选地0. 45T并且最优选地0. 5T和更高，这是特别优选的。再另外，发明者 发现在1轴线上磁体之间的空间的至少70 %、更优选地至少80 %并且最优选地至少85 %具 有大致上均勻的至少0. 4T、甚至更优选地0. 45T并且最优选地0. 5T和更高的磁场强度的磁 体设置中获得显著增加的性能。因此，在膜片的平面中第三磁体和该至少两个磁体中的一 个磁体之间的平均磁通密度是至少0. 3T(如本文使用的平均磁通密度指横跨间隙[在相对 或相邻磁体之间]的至少60%上出现的磁通密度)。这样的状况典型地通过比较接近地放置和维持高强度磁体在各个定子上获得。在 大多数环境下，应该注意到该强度的磁体采用手工过程将是不可安装的，因为相邻磁体之 间的吸引力对于采用无帮助的一个接一个方式的手持安装是太困难的。因此，磁体通过在 相邻磁体之间的间隔元件而固定在适当的位置是典型优选的。磁体到定子的耦合然后可使 用(可选的槽和)本领域内众所周知的各种方式进行。然而，磁体使用高强度粘合剂(例 如，丙烯酸酯类粘合剂)固定到定子是一般优选的。还应该意识到间隔元件(例如，包括玻 璃碳、软木、玻璃纤维等等)将不仅提供相邻磁体的固定距离，还可充当锚，相邻磁体通过 其固定到彼此(例如，通过高强度粘合剂等等)。因此，间隔物还充当稳定化元件并且将降 低在定子和个体磁体之间的接合上的应力。在y轴线上磁场强度的测量的典型结果在图2A中示出(在如指示的磁体和膜片 之间的垂直距离内)，而图2B描绘在离磁体等于膜片距离的垂直距离处x轴线磁体上磁场强度的测量。如可以从图看到的，在y轴线上的磁场强度在磁体之间的垂直间隙的大范围 上是极其均勻的和强的。在这样的设置中，放置音圈(或音圈的多个迹线)使得线圈暴露 于至少0. 3T、更优选地至少0. 35T并且最优选地至少0. 4T的x轴线上的磁场强度是典型优 选的。取决于磁体的特定配置，应该认识到音圈的迹线的确切数量可相当大地变化。从而， 特别设想单个或多个迹线(典型平行的)，其中有效(移动)膜片区域的至少50%、更典型 地至少60%并且最典型地70%将被音圈覆盖(如本文使用的术语“音圈”指在膜片上的导 电迹线，并且其中多个迹线如在图1A和1B中示出的彼此相邻，术语音圈还包括设置在两个 相邻磁体之间的间隙处和其上的导电迹线之间的空间)。关于间隙，一般设想两个相对的磁体(其将典型地展现相同的极性)之间的垂直 间隙在比较大的程度上由在磁体中使用的磁性材料的强度和到音圈的期望电流确定。然 而，在特定优选方面，两个相对磁体之间的间隙将是至少1mm、更优选地至少2-3mm并且最 优选地在4-5mm之间(并且甚至更大)。在膜片放置在确保在x轴线的方向上至少0. 4T并 且更典型地至少0. 5T的平均磁场强度的离磁体的垂直距离中的情况下，这样的间隙宽度 是特别优选地。从而，在垂直于膜片的平面中的该至少两个磁体之间的平均磁通密度是至 少0.35T并且是大致上均勻的(大致上均勻指小于其15%的绝对数偏差)。因而，并且至 少部分由于横跨磁体之间的垂直间隙的相当大的部分(至少70%，更典型地至少80%)的 比较强和均勻的磁场强度，膜片将具有充分提高的偏移范围并且将产生在极大范围的声压 级上的高达若干伏特的电流。从而，并且还由于下文解决的另外的因素，动态范围和效率充 分地增加了，总谐波失真充分地减少了，允许此前没有获得的灵敏度、SPL水平范围和清晰 度。从不同的角度来看，应该意识到通过声压移动的整个区域将直接并且一致地产生电流。设想许多类型的磁体适合与本文提出的发明性主旨结合使用，并且特别适合的磁 体包括具有至少2000高斯、更优选地至少2500高斯，甚至更优选地至少3000高斯和最优 选地至少3500高斯的表面场的钕磁体。从另一个角度来看，特别优选的磁体包括变化等级 (例如，N35、N38、N42、N50、N54)的具有铁和/或硼的钕磁体，其优选地具有用于高达100°C、 更优选地120°C，并且最优选地150°C (并且甚至更高)温度的操作温度额定值。备选地， 在较不优选的方面，适合的磁体还包括钐_钴磁体，以及甚至更不优选地包括电磁体。应该注意到在磁体的行与行之间以及沿着磁隙的深度，磁场密度是非常线性的。 这帮助创建声音驱动力和从移动的膜片和音圈获得的具有最小失真的感生电流之间的线 性关系。最优选地，膜片在有效定子(active stator)的平坦表面上适当地张紧和拉伸。这 与横过膜片表面均勻分布的非常强的一致驱动力一起提供具有极低失真的优异声音质量。还应该注意磁体优选地设置使得北和南极在邻近的磁体中交替，并且钢定子闭合 磁路。从而，定子起超过一个目的的作用(a)向磁体提供安装底座，(b)闭合磁体之间的 磁路，以及(c)提供拉伸膜片结合到其上的平坦表面。在定子中的一个(有效定子)上，具 有印刷或蚀刻的导电线圈的薄膜片拉伸并且结合，并且导电迹线居中于采用预定模式的磁 体之间。迹线设置在膜片表面上使得电流在导体的相同方向上感生。从另一个角度来看， 应该注意到当膜片改变方向时，感生电流在音圈中改变方向。此外，应该注意到即使膜片是 柔性的，它将在存在音圈的区域中提供膜片的活塞移动。最典型地，音圈覆盖它的有效(移 动)表面超过60 %、更典型地超过70 %并且最典型地超过80 %。在基本配置中，设想的换能器典型地作为偶极子操作。偶极子传声器对在膜片的两侧上具有相等强度但相反相位(前后声波在换能器的一侧上相遇并且消去，导致典型的 八字形)的声音是灵敏的。从而，在该侧上，顶部和底部声音几乎完全消去了并且获得前侧 和后侧的方向性。如果偶极子换能器安装在闭合的箱中，获得单极特性。期望情况下，可以 使用开放的外壳并且后波可以被吸收以获得心脏线特性，以大大降低的后灵敏度而保持侧 上的声音消去。因为上文的配置允许对膜片的力的相当大的施加，发明者认识到正确的膜片张 力和安装对于设想的换能器的性能是重要的，并且在拉伸膜片(例如，膜)上的一致性对 于高性能是重要的促成因素。从而，在本发明性主旨的特定优选方面，设想膜片的有效区 域的至少85%、更典型地至少90%并且最典型地至少95% (并且甚至更高)将具有大致 上相同的张力(即，在特定位置的特定挠曲需要的力与在另一个位置的相同挠曲需要的 力具有不超过10%的绝对变化)。正确的张力将典型地取决于使用的特定材料，并且设 想普通技术人员将获悉特定材料的合适的张力范围。在一个示例中，使用各种聚酯并且 特别是MYLAR (杜邦聚对苯二甲酸乙二醇酯膜)作为膜片材料并且包括光刻地沉积在 其上的音圈迹线。备选地，并且特别对于非常高的SPL，膜片材料可还包括聚酰胺膜，包括 KAPT0N (杜邦二元胺和均苯四酸的缩合产物)。这样的材料的合适的张力范围对于技工 是众所周知的，并且这些张力(材料的弹性范围的上端的高达50%、更优选地高达70%、甚 至更优选地高达85%并且最优选地高达95%)中的所有认为适合在本文中使用。从另一 个角度来看，设想的换能器的膜片将被张紧使得当膜片安装进入定子时lN/cm2至大约30N/ cm2、并且更典型地3N/cm2至大约20N/cm2并且最典型地5N/cm2至大约15N/cm2的力将导致 膜片接触磁体。此外，应该意识到在膜片的X和y方向上张紧膜片的那些力可以是相同的或可以 是不同的。例如，在一个实施例中，膜片使用相等的力张紧，而在其他膜片中，这些力至少相 差10%、并且更典型地至少25%。不管张紧方式，应该意识到张紧的优选方式将允许力的 可量化施加以由此确保批次间一致的张紧。尽管膜片可在载体中预先张紧并且以预先张紧 状态在载体中安装到机座，一般优选膜片被张紧并且机座(包括磁体和其他部件)安装到 在张力下的张紧膜片。在本领域内有许多已知的安装方式，并且合适的方式包括使用硬化 树脂、胶和其他化合物附着。备选地，在较不优选的方面，夹具和/或张紧用隆起物可也是 合适的。在再另外的设想的方面，张紧和安装还可使用商业上可获得的服务(例如，HPV技 术的张力/安装协议)。应该特别意识到一致的膜片张紧将明显提供在谐振频率的阻尼，确 保均勻的频率响应并且减少失真。从而，有效膜片区域的至少90-95%的张紧的一致性是典 型优选的。备选地，或另外，可包括阻尼材料并且合适的材料包括所有允许空气流通过该材 料的材料。然而，特定优选的材料包括无纺布和毡(其还可提供免受环境媒介/力影响的 物理保护)。导电迹线可采用本领域中所有已知的方式在膜片上形成并且将优选地包括光刻 方法、熔压导电材料进入膜片、导电迹线在膜片材料中原位产生等等。此外，尽管音圈仅在 膜片的一侧上存在是一般优选的，迹线也可设置在膜片的两侧上。另外，期望的情况下，具 有导电迹线的膜片还可层压在两层另外的(并且优选薄的)材料之间以在膜片暴露于导电 材料、特别是水的环境中提供电绝缘。另外应该注意到多个膜片也认为是合适的。在这样 的情况下，膜片将在至少一侧上承载音圈并且将典型地包括绝缘材料的交错层。
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在特别优选的方面，膜片的至少一部分(并且最典型地该部分包括音圈)被一层 电绝缘材料覆盖，该层电绝缘材料可采用本领域众所周知的许多方式沉积到膜片上。除其 他选项之外，设想绝缘层可喷涂、层压或另外沉积在单层中。相似地，有许多合适的可用绝 缘材料以覆盖膜片和/或音圈，并且特别设想材料包括各种和可选被代替的聚乙烯，聚丙 烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯等等。备选地，绝缘层还可以是涂到膜片上的热塑材料，或当 沉积时聚合和/或胶化的材料。这样的换能器可有利地作为水听器在水下使用而不管深 度。由于设想的换能器已经展现异常的方向性，应该注意到由于在水中的声音传播，设想的 水听器将提供高度灵敏和定向的传声器。除其他用途之外，这样的传声器可用作水下活动 (自然和另外的)的听音装置，其可用作例如基于浮标的传声器网络或可部署的听音装置。应该注意到由于特定的声压级产生移动膜片的力，传声器灵敏度一般取决于膜片 表面。更大的力将移动膜片更远从而产生更高的电压。由于本文设想的换能器提供在强磁 场内大范围的膜片偏移，并且由于膜片是强力张紧膜，设想的平面磁性换能器可以用作极 高SPL的非常灵敏的、定向的、非常低失真的传声器，而典型地不需要任何压缩或其他信号 处理。再另外(并且除其他因素之外)，由于需要相当大的力以迫使膜片紧靠定子或阻尼 材料，可以记录极大的声音(例如，> 160dB，喷气式引擎、火箭引擎、爆炸等等的临近记录) 而没有失真。关于多个平面磁性换能器的阵列，应该意识到阵列的特定几何形状将至少部分决 定传声器的声音性能。例如，在阵列具有凸的或另外正曲的几何形状(正曲率可以是水平 和/或垂直的)的情况下，捕获范围可包括更大角度。在另一方面，在平坦阵列中使用多个 (例如，24或更多)换能器的情况下，捕获范围可以是比较窄的(典型地小于10度)。平面 磁性换能器的一个示范性6X4平坦阵列在图3中描绘。设想的换能器和阵列可采用许多方式使用，并且所有已知的方式认为适合在本文 中使用。然而，换能器和阵列可在其中高灵敏度和/或方向性是特别可取的配置和方法中 使用，这是特别优选的。例如，观测系统可包括平面磁性换能器的多个阵列(例如，在地上 或可潜水的)，其中阵列中的每个配置成允许声音的定向采集。最优选地但不是必须地，定 向采集具有心脏线或单极特性。这样的系统将还包括处理单元，其电子地耦合于阵列中的 至少两个并且其配置成确定声音发射物体的一个或多个信息参数。例如，图4示意地图示具有独立阵列420A、420B和420C的示范性观测系统400。 每个阵列电子地耦合于处理单元430，其可还包括放大器440，其电子地耦合于多个阵列并 且其配置成馈给电信号到阵列中的至少一个以由此将阵列中的至少一个作为扬声器操作 (该放大器还可与阵列是整体的或是从处理单元独立的)。最优选地，阵列中的每个包括基 本单元422A(422B、422C)，其允许该阵列的至少暂时固定的使用。这样的基本单元最优选地 配置成使阵列绕至少一个空间轴线的移动成为可能。于是至少一个阵列424A(424B、424C) 耦合于基本单元，该至少一个阵列424A(424B、424C)最优选地作为具有定向配置(例如，平 坦的单极6X4阵列)的传声器阵列操作。附加的阵列426A(426B、426C)可耦合于相同的 基本单元并且关于第一阵列可以是独立可移动的。阵列可配置成用于陆地用途、水下用途 或空气传播用途。由阵列获得的信号然后发送到处理单元，其中然后对信号分析信息参数。应该意 识到取决于声音发射物体410的性质，信息参数可相当大地变化。例如，在声音发射物体是
10移动物体的情况下，信息参数可包括物体的距离、物体的速度、物体的数量和/或物体的尺 寸。在另一方面，在声音发射物体是地质地层，信息参数可包括物体的距离、物体的化学成 分、物体的尺寸等等。在再另一个示例中，声音发射物体可以是声源，并且信息参数可包括 通信信号(例如，编码的或音频信号)。因此，应该认识到处理单元可程序化以进行声音分 析、三角测量、回声定位和/或地震定测。此外，应该注意到相同的传声器换能器还可以用作扬声器，其中电流输送到音圈。 在这样情况下，强磁场和张紧膜片的益处将直接转移到在极高声压级(例如，大于140db) 在全范围(即，至少在100Hz至20kHz之间)中采用准确的方式重现声音的能力。设想的 换能器，并且特别是设想的换能器的阵列可以配置使得换能器可以作为定向扬声器和/或 作为非常灵敏的、定向的、低失真的传声器操作。最典型地，用于两种用途的电子电路分别 提供，但也可以采用组合的可操作单元提供。从而，同一换能器的功能可以逆转，例如在开 关的翻转或鼠标的点击时逆转，其实现用音频信号从放大器馈送至换能器以产生声音或其 实现路由换能器信号到放大器以重现由换能器拾取的声音。因此，应该意识到设想的换能器可以用作具有准确的声音产生(声音重现)和灵 敏度的长距离“对讲机”。初步试验已经示出人们可以使用换能器阵列作为大功率扬声器向 几百米远的人清楚地发送消息，并且用开关的翻转，使用相同的阵列作为传声器拾取回答。 相似地，在使用防水换能器的情况下，设想声音可以采用“对讲机”方式在潜水艇之间发送。 从而，通过使用比较大的阵列，实时语音消息可以在若干英里的距离上交换。例如，在一个 潜水艇上的阵列可以用作扬声器以发送语音消息，同时在另一个潜水艇上阵列可以用作灵 敏的定向传声器以拾取该消息。应该认识到不仅语音通信可以使用设想的系统传送，还有 数字信号(例如，发送或接收数据流以允许水下潜水艇之间的调制解调器通信)。在这样 的情况下，每秒的比特率可以以这样的方式调节使得发送的信号位于阵列的工作频率范围 100Hz-20KHz内。相同的原理也可以应用于空中。再另外设想的用途包括搜索和救援作业，其中使用两个或更多换能器作为通信的 工具以及定向信号接收器用于三角测量。例如，在自然灾害后或在战争情况下，人们可能困 在倒塌的建筑物内。使用设想的换能器时，大声并且清楚的消息可以随指令发送给被困的 人们以发出噪声或大声说话。然后换能器切换到传声器用途，其中低的声级可以从废墟中 被定向地拾取。如果在某个距离使用至少两个传声器阵列，三角测量或其他几何方法可以 用于确定被困人的位置。对于这样的通信系统的示范性配置在图5中示意地图示。这里，通信系统500具 有阵列510，其包括四个电子地耦合于第一放大器520的全范围平面磁性换能器，该放大器 配置成放大来自换能器的音圈的第一电信号。第二放大器530电子地耦合于全范围平面磁 性换能器并且向该换能器的音圈提供第二电信号。最典型地，开关装置540将分开到或来 自阵列510的入站和出站信号。例如，音频信号534可以是来自数字声源(未示出)的线 路电平信号，其由放大器530放大以产生足够驱动采用扬声器模式的换能器阵列的膜片的 电流532。采用这样的模式，可以容易地获得高达并且超过130db的声压。一旦声音消息 已经传送，开关装置540设置成连接具有放大器520与阵列510。采用该模式(传声器模 式)，由阵列510的膜片拾取的声音被转换成电流522 (典型地在线路电平)，其然后路由至 放大器520以产生探测的声音信号524，其可以或可以不被数字化。当然，应该认识到放大器520和530可以集成进入单个装置，并且放大器中的至少一个可与阵列位于一处。此外， 本文设想的所有连接可以是电连接、无线连接和/或光连接。 从而，已经公开全范围平面磁性传声器和其阵列的特定实施例和应用。然而，除那 些已经描述之外许多更多的改动是可能的而不偏离本文的发明性概念，这对于本领域内那 些技术人员是明显的。因此，本发明性主旨将不被限制除在本公开的精神中。此外，在解 释说明书和设想的权利要求中，所有的术语应该采用与上下文一致的最宽广的可能方式解 释。特别地，术语“包括”应该解释为采用非排它性的方式提及元件、部件或步骤，其指出引 用的元件、部件或步骤可存在或利用或与没有明确引用的其他元件、部件或步骤结合。此 外，在引文(其通过引用结合于此)中术语的定义或使用与本文提供的该术语的定义是不 一致或相反的情况下，本文提供的该术语的定义适用并且在引文中该术语的定义不适用。
权利要求
一种记录声音的方法，包括提供具有多个磁体和设置在所述磁体中至少两个磁体之间的张紧膜片的平面磁性换能器，其中所述膜片包括音圈并且其中所述磁体关于彼此设置使得(a)所述至少两个磁体之间的距离是至少1mm，(b)在垂直于所述膜片的平面中所述至少两个磁体之间的平均磁通密度是至少0.35T并且大致上均匀的，并且(c)在所述膜片的平面中第三磁体和所述至少两个磁体中的一个之间的平均磁通密度是至少0.3T；以及将来自所述音圈的电信号馈送至放大器。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述膜片充分张紧以允许记录在IOdb和IOOdb之间 的范围中的声压级的具有IOOHz和20kHz之间频率的声音而没有压缩和失真。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述膜片充分张紧以允许记录在IOdb和140db之间 的范围中的声压级的具有IOOHz和20kHz之间频率的声音而没有压缩和失真。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述换能器潜入水中。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述膜片涂有电绝缘层以允许在水下记录。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述换能器具有上部和下部，其中所述膜片设置在 所述上部和所述下部之间，并且其中所述上部和下部具有多个开口，其与在所述换能器外 面的水流动连通。
7.如权利要求1所述的方法，还包括提供第二平面磁性换能器并且将所述第二换能器 耦合于所述平面磁性换能器以由此形成换能器阵列的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述换能器阵列包括二和三十个之间的个体平面磁 性换能器。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述阵列配置成允许声音的定向采集。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述阵列具有大致上平坦的nlXn2设置，其具有 50cm2和IOOOcm2之间的有效换能器膜片面积，其中nl和n2是2和12之间且包括2和12 的独立的整数，并且其中nl/n2在0. 4和2. 5之间且包括0. 4和2. 5。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述电信号具有至少IOOmV的最大电压。
12.如权利要求1所述的方法，还包括当所述换能器不作为传声器操作时将第二电信 号馈送至所述换能器以由此将所述换能器作为扬声器操作的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第二电信号使所述换能器产生在离所述换能 器1米距离处在IOdb和IOODb之间范围中的声压级的具有IOOHz和20kHz之间频率的声曰O
14.一种观测系统，包括可选为可潜水的平面磁性换能器的多个阵列，其中所述阵列中的每个配置成允许声音 的定向采集；以及处理单元，其电子地耦合于所述阵列中的至少两个并且其配置成确定声音发射物体的 至少一个信息参数。
15.如权利要求14所述的观测系统，其中所述信息参数从所述声音发射物体的位置、 所述声音发射物体的类型、所述声音发射物体的速度和所述声音发射物体的通信信号构成 的组中选择。
16.如权利要求14所述的观测系统，其中所述多个阵列配置成允许可潜水使用。
17.如权利要求14所述的观测系统，其中所述处理单元配置成执行从三角测量，回声 定位，和地震定测构成的组中选择的至少一个操作。
18.如权利要求14所述的观测系统，还包括放大器，其电子地耦合于所述多个阵列并 且配置成将电信号馈送至所述阵列中的至少一个阵列以由此将所述至少一个阵列作为扬 声器操作。
19.一种通信系统，包括电子地耦合于第一放大器的全范围平面磁性换能器，所述第一放大器配置成放大来自 所述换能器的音圈的第一电信号；电子地耦合于所述全范围平面磁性换能器并且配置成向所述换能器的音圈提供第二 电信号的第二放大器；其中所述第一放大器还配置成从所述第一电信号生成音频输出信号；以及其中所述第二放大器配置成驱动所述换能器以产生在离所述换能器1米距离处在 IOdb和IOOdb之间范围中的声压级的具有IOOHz和20kHz之间频率的声音。
20.如权利要求19所述的通信系统，其中所述全范围平面磁性换能器是多个全范围平 面磁性换能器的阵列的组成部分。
全文摘要
设想的平面磁性传声器具有磁体和膜片设置使得在磁体间的空间中实现大致上均匀的垂直和高的水平磁通密度。最优选地，膜片设置在磁体间的空间中并且包括覆盖膜的有效部分的一大部分的音圈。在另外特别优选的方面，膜足够强并且张紧以允许在磁体间空间中的大弹性偏移。因此，设想的平面磁性传声器提供异常大的动态范围而没有压缩和/或失真并且可以容易地配置成在遭受湿气、雨的环境中操作，或甚至在水下的环境中操作。此外，设想的传声器可以在没有重新配置的情况下用作在甚至高SPL的扬声器。
文档编号H04R3/00GK101855915SQ200880116605
公开日2010年10月6日 申请日期2008年7月16日 优先权日2007年9月14日
发明者D·科利奇, V·西米迪安二世 申请人:Hpv技术公司