专利名称：声学无源辐射的制作方法
技术领域：
本说明书描述了具有无源辐射体的声学结构。
具体实施方式
描述了应用于手持便 携式声学再现设备的结构，手持便携式声学再现设备诸如蜂窝电话、BlackBerry 设备、 便携式媒体存储设备、寻呼机或者个人数字助理(PDA)等。
发明内容
在一个方面，一种声学设备包括第一声学驱动器和第一无源辐射体结构。第一声 学驱动器和第一无源辐射体结构安装在口袋大小的外壳中。第一无源辐射体结构可以包括 声学驱动器。声学驱动器可以包括包含高能积磁体材料的磁体结构。声学设备可以包括第 二无源辐射体结构。第二无源辐射体结构的质量可以基本等于第一无源辐射体结构的质 量。第二无源辐射体结构可以包括第二声学驱动器。第一无源辐射体结构和第二无源辐射 体结构可以辐射到共同腔室中。声学设备可以配置为使得在操作中，第一无源辐射体结构 的低频振动和第二无源辐射体结构的低频振动在声学上同相而在机械上异相。声学设备可 以进一步包括悬挂元件以将无源辐射体结构耦合至外壳。无源辐射体结构可以包括连接元 件以将悬挂元件和无源辐射体结构机械地耦合。连接元件可以是非共面的，以使得悬挂元 件附接至连接元件的平面与连接元件附接至声学驱动器的平面是非共面的。声学驱动器的 深度与直径的比值可以小于0.5。声学驱动器的深度与直径的比值可以小于0.2。声学驱 动器的深度可以小于10mm。在另一方面，声学结构包括定义腔室的外壳和第一无源辐射体结构，以及机械地 耦合至外壳并且声学地耦合至腔室的第二无源辐射体结构。第一无源辐射体结构和第二无 源辐射体结构中的至少一个包括声学驱动器。声学驱动器可以包括包含高能积磁体材料的 磁体结构。可以将声学结构的大小调节为适合口袋大小的设备。外壳可以进一步定义声学 地耦合至第一声学驱动器的第一封闭室和声学地耦合至第二声学驱动器的第二封闭室。第 一封闭室和第二封闭室可以通过充当低通滤波器的声学端口而声学地耦合。声学结构可以 配置为使得第一无源辐射体设备和第二无源辐射体设备声学地同相而机械地异相振动。声 学设备可以进一步包括悬挂元件以将第一无源辐射体和第二无源辐射体结构中的至少一 个耦合至外壳。无源辐射体结构可以包括连接元件，以机械地耦合悬挂元件和无源辐射体 结构。连接元件可以是非共面的，以使得悬挂元件附接至连接元件的平面与连接元件附接 至声学驱动器的平面是非共面的。声学驱动器的深度与直径的比值可以小于0.5。声学驱 动器的深度与直径的比值可以小于0. 2。声学驱动器的深度可以小于10mm。在另一方面，一种声学设备可以包括用于从口袋大小的设备的第一侧辐射第一立 体声声道的非低音频谱部分的部件，其可以包括由声学地耦合至第一腔室的第一室中的压 力变化驱动的第一无源辐射体结构。第一腔室可以声学地耦合至设备的第一侧中的开口。 第一声学驱动器可以声学地耦合至第一室，以便将声学能量辐射到第一室中。第一声学驱 动器可以声学地耦合至第一立体声声道。声学设备可以进一步包括用于从口袋大小的设备 与第一侧相对的第二侧辐射第二立体声声道的非低音频谱部分的部件，其可以包括由声学地耦合至第二腔室的第二室中的压力变化驱动的第二无源辐射体结构。第二腔室可以声学 地耦合至设备的第二侧中的开口。第二声学驱动器可以声学地耦合至第二室以用于将声学 能量辐射到第二室中。第二声学驱动器可以声学地耦合至第二立体声声道。第一无源辐射 体结构可以包括第一声学驱动器。第二无源辐射体结构可以包括第二声学驱动器。第一室 和第二室可以通过充当低通滤波器的声学端口而声学地耦合。声学设备还可以包括电路以 组合第一立体声声道和第二立体声声道的低音频谱部分，用以提供单声道低音信号，并且 向第一声学驱动器和第二声学驱动器传输该单声道低音音频信号。在又一方面，声学设备包括定义腔室的外壳，通过腔室声学地耦合至环境的第一 和第二无源辐射体组件，以及通过腔室声学地耦合至环境的第一声学驱动器。声学设备可 以进一步包括通过腔室声学地耦合至环境的第二声学驱动器。第一无源辐射体组件可以包 括第一声学驱动器，而第二无源辐射体组件可以包括第二声学驱动器。第一无源辐射体组 件可以包括第一声学驱动器。
在结合附图阅读以下详细描述时，其他特征、目的和优点将从以下详细描述变得 清楚明了，附图中图1是手持电子设备的示意图；图2是声学再现设备的示意图；图3A和图3B是图2的声学再现设备的一部分的示意图；图4A-图4C是声学再现设备的示意图；图5A是声学再现设备的示意图；图5B是音频信号处理电路的框图；图6A-图6C是音频再现设备的部分的示意图；图6D是声学驱动器的示意图；以及图7是连接环的等距视图。
具体实施例方式虽然附图中若干视图的元件示出和描述为框图中独立的元件，并且可以称为“电 路”，但是除非另外指出，元件可以实现为模拟电路、数字电路或者执行软件指令的一个或 多个微处理器之一或其组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。除非另外指出， 信号线可以实现为离散的模拟或者数字信号线，作为具有用以处理单独音频信号流的适当 信号处理的单个独立数字信号线，或者作为无线通信系统的元件。除非另外指出，音频信号 或者视频信号或者二者可以按照数字形式或者模拟形式来编码和传输；传统的数模转换器 或者模数转换器可能不在附图中示出。为简单起见，用语“辐射对应于声道χ中的音频信号 的声学能量”将称为“辐射声道X”。图1示出了手持电子设备10。并入手持和/或口袋大小的电子设备10的是通过 开口 14(在该视图中仅有一个可见)声学地耦合至环境的声学再现设备12。以下将讨论导 管29。除了向环境直接辐射声音以外，电子设备10还可以配置用于向回放设备(诸如耳机 或者扬声器)传输音频信号。图1是为了说明的目的并且没有按比例绘制。典型的手持和
4/或口袋大小的设备的尺寸为h< 15cm，w < 8cm，而t (厚度)< 5cm，并且优选地小得多， 例如在h = 13cm, w = 5cm, M t = 3cm的范围中。图2更加详细地示出了声学再现设备12。无源辐射体组件16A安装在声学再现设 备12的外壳18中，使得无源辐射体组件的一个表面22A面向腔室24，而一个表面26A面 向室28。无源辐射体组件16A通过悬挂元件20A机械地耦合至外壳，使得无源辐射体组件 16A可以相对于外壳18振动，如下文所见。为简单起见，悬挂元件20A和20B以下示出为半 滚环绕。在一些实施方式中，悬挂元件可以是美国专利申请11/756，119中所描述的环绕类 型。为了更加清楚地示出两个开口 14，室28表现为两个有区别的部分。优选地，无源辐射 体组件16A和16B由共同室中的压力改变而驱动(并且两个声学驱动器接收共同的单声道 低音信号，如图5B所示)，所以在实际实现中，表现出的是两个室截面可以通过导管29声 学地耦合。无源辐射体组件16A包括无源辐射体隔膜30A和声学驱动器32A。声学驱动器 32A包括声学驱动器隔膜35A，其通过声学驱动器悬挂39A而机械地耦合至声学驱动器马达 结构37A，以使得声学驱动器隔膜35A可以相对于声学驱动器马达结构37A振动，如以下所 示。声学驱动器还包括马达结构，该马达结构包括磁体结构41A，该磁体结构41A可以包括 高能积材料，如以下所述。类似地，无源辐射体组件16B安装在声学再现设备12的外壳18 中，以使得无源辐射体结构的一个表面22B面向腔室24，而一个表面26B面向室28。无源 辐射体组件16B通过悬挂元件20B机械地耦合至外壳，以使得无源辐射体组件16B可以相 对于外壳18振动，如以下所示。无源辐射体组件16B包括隔膜30B和声学驱动器32B。声 学驱动器32B包括通过声学驱动器悬挂39B机械地耦合至声学驱动器马达结构37B的声学 驱动器隔膜35B，以使得声学驱动器隔膜35B可以相对于声学驱动器马达结构37B振动，如 以下所示。声学驱动器还包括马达结构，该马达结构包括磁体结构41B，该磁体结构41B可 以包括高能积材料，如以下所述。每个声学驱动器的隔膜的一个表面50声学地耦合至腔室 24，而每个声学驱动器的隔膜的第二表面48声学地耦合至室28。图3A和图3B示出了无源辐射体组件16A的操作。在图3A中，示出了无源辐射体 组件16A，包括声学驱动器32A响应于室28中的压力改变而振动(如虚线无源辐射体组件 16X和16Y所指示；出于解释的目的，16X和16Y极限位置之间的距离被极大地扩大了)，以 及向腔室24内辐射声学能量。悬挂元件20A允许如图3A所指示的移动，但是反对横向移 动。声学驱动器32A是无源辐射体组件16A的质量和表面积的一部分，并且作为无源辐射 体组件16A的一部分向腔室24内辐射声学能量。此外，如图3B所示，声学驱动器32A的隔膜35A响应于音频信号(未示出)而相 对于声学辐射体组件16A的其他部分振动(如虚线隔膜35X和35Y所指示)。隔膜35A的 振动向腔室24以及室28内辐射声学能量。向室28内辐射的声学能量使得室28中的压力 改变，其转而使得无源辐射体组件16A振动并且向腔室24内辐射声学能量，如上所述。通 过无源辐射体组件16的振动而向腔室24内辐射的声学能量，以及通过声学驱动器隔膜35A 相对于无源辐射体组件的其他部分的振动而向腔室内辐射的声学能量通过图2的开口 14 被辐射到外部环境。无源辐射体组件16B以相似的方式操作，并且没有在该视图中示出。因为无源辐射体组件16A和16B 二者都由共同外壳28中的压力改变来驱动，所以 这两个无源辐射体声学地同相移动。然而，由于两个无源辐射体组件的定向，两个无源辐射 体在机械上异相地移动。
5
当室28中的空气的机械刚度优于悬挂元件20的刚度时，无源辐射体的调谐频率 Fpr由F,, 二^·^· j^T给出，其中、是无源辐射体的有效辐射面积，P是空气密度，C0
2苁 \MprV
是空气中的声速，Mlff是无源辐射体的质量，而V是室28的声学体积。针对期望的调谐频率 Flff和期望的声学输出(其与声学驱动器的效率有关)，可以对室28的体积V、无源辐射体 组件的有效辐射面积SPr和无源辐射体组件16的总移动质量MPr进行调节以达到期望的调 谐频率。在手持或者口袋大小的设备中，室的体积和无源辐射体组件的有效辐射面积可能 受到外壳的大小和几何形状的约束。如果使用具有包括低能量磁体材料(诸如铁酸盐或者 陶瓷)的传统马达结构的声学驱动器，则达到给定马达效率所需要的磁体材料的质量可能 变得太大，使得不能达到期望的调谐频率；或者可以将马达结构的质量限制为提供期望的 调谐频率，其可以与声学设备的声学输出进行折衷。在这种情况下，期望使用具有包括高能 积磁体材料(诸如钕或者钐钴等)的马达结构的声学驱动器。使用高能积磁体材料提供了 针对给定马达效率具有较低总质量的声学驱动器，并且其因此允许达到期望的调谐频率和 期望的声学输出。使用高能积磁体材料还可以便于使用低轮廓(profile)声学驱动器，如 以下参考图6D所讨论。由于多种原因，根据图1-图3B的设备是有益的。无源辐射体的使用允许口袋 大小的设备向较低频率辐射低音能量，并且比相同大小的传统设备辐射更多的总声学能 量。到目前为止，利用口袋大小的扬声器和具有其他功能的口袋大小的设备可以获得与 较大扬声器相关联的音质和音量，口袋大小的设备诸如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、 BlackBerry 设备以及便携式媒体存储设备。诸如MP3 播放器的便携式媒体存储设 备可以充当扬声器以及用于耳机的音频信号源。因为无源辐射体机械地异相移动，并且消 除了机械振动，所以可以通过小的、轻量级设备来达到高水平输出，而无需小设备振动或者 由于振动而引起的“行走”。开口 14不需要接近驱动器的安装位置，这对于其中大部分外表 面当设备在使用中或者被其他功能所需要(诸如显示器屏幕或者小键盘)时被覆盖的设备 尤为重要。关于图1-图3B的设备存在很多可能的变体。一些变体在图4A-图4C中示出。在 图4A的声学再现设备中，存在单个开口 14’代替两个开口 14。在图4B的声学再现设备中， 代替两个基本相同的无源辐射体组件，存在类似于图1-图3B的无源辐射体组件的一个无 源辐射体组件16A以及没有并入声学驱动器的第二无源辐射体16’。优选地，第二无源辐射 体16’与无源辐射体组件16A具有相同的质量，其包括声学驱动器32A(图2)和无源辐射 体隔膜30A(图2)的组合质量。优选地，第二无源辐射体16’与无源辐射体16A具有相同 的有效辐射表面积，其包括声学驱动器32A(图2)和无源辐射体隔膜(图2的30A)的组合 有效表面积。图4B的配置尤其适合单声道音频信号源。在图4C的声学再现设备中，室28 具有通过端口 40声学地耦合的两个子室28A和28B。图4C的配置特别适合于立体声音频 信号源，这将在下文解释。图5A示出了手持电子设备36，其特别适合用作立体声音频再现设备。在使用中， 立体声音频产生设备定向至收听者，如指示符38所指示。在图5A的设备中，将先前附图的 腔室24分为两个子腔室24A和24B，其通过挡板34分开，以使得一个子腔室的出口通过设 备的一侧，而另一子腔室的出口通过设备的另一侧。将图2-图4B的室28分为子室28A和28B，其通过端口 40声学地耦合，如以上图4C所示，并且在说明书的相应部分描述。在操作中，向右声学驱动器32A传输右立体声声道音频信号。右声道被辐射到子 腔室24A和室28A内。向室28A内的辐射造成室28A中的压力改变，其使得无源辐射体组 件16A振动，并且将右声道辐射到子腔室24A内。右声道通过右开口 14A辐射到环境中，如 邻近右开口 14A的“R”所指示的。向左声学驱动器32B传输左立体声声道音频信号。左信 道被辐射到子腔室24B和室28B内。向室28B内的辐射造成室28B中的压力改变，其使得 无源辐射体组件16B振动，并且将左声道辐射到子腔室24B内。将左声道通过左开口 14B 辐射到环境中，如邻近左开口 14B的“L”所指示的。右声道通过右开口 14A的辐射以及左 声道通过左开口 14B的辐射创建了立体声效果，可以通过空间处理技术来增强这种效果。必要时，将左声道和右声道的低音部分如图5B所指示进行组合，用以提供单声道 基础内容。右声道高频内容与单声道低音内容进行组合，并且被传输至右声学驱动器32A， 如邻近右声学驱动器32A的“R”所指示的。左声道高频内容与单声道低音内容进行组合， 并且被传输至左声学驱动器32B，如邻近左声学驱动器32B的“L”所指示的。如果将图4D 的端口 40添加到图5A的配置中，则在低音范围的频率处，端口 40充当短路以使得低音声 学能量可以在室28A和室28B之间来回通过。在端口 40的调谐频率以上的频率处，端口 40 充当开路，使得高频声学能量不在室28A和28B之间通过。结果是，维持了高频耳间相位差 选听(cue)，并且系统更加能容忍可能影响无源辐射体16A和16B的性能的、室28A和28B 之间的顺从性差和量差。因为由声学驱动器32A和32B辐射的高频声学能量可能是不同的， 并且因为高频能量不在室28A和28B之间通过，所以室28A和28B中的高频声学能量并且 因此高频压力改变可能是不同的。因此，无源辐射体组件16A经历的高频压力改变可能是 不同的。然而，无源辐射体组件16A和16B可以设计为显著地更加响应于低频压力改变，这 在室28A和28B中基本上是相同的。因此，如利用以上所述的实现，无源辐射体组件声学地 同相移动，而机械地异相移动。图2和图5B的结构可以并入大于手持或者口袋大小的设备的扬声器中。例如，低 音用扩音器大小的扬声器可以设计为没有暴露的声学驱动器，这在美观方面是有益的，因 为不需要外部格栅来覆盖声学驱动器锥体。图6A-图6C示出了声学再现设备12的另一方面。在图6A的实现中，无源辐射体 组件16包括连接器环42，其将声学驱动器32和简单的悬挂元件(诸如具有共面安装衬垫 的半滚环绕)机械地耦合。在图6A的配置中，悬挂元件衬垫的安装表面52和声学驱动器 的安装表面54在相同平面中，使得悬挂元件到外壳的附接点、悬挂元件到连接环的附接点 以及连接环到声学驱动器的附接点全部位于相同的平面48中。在图6A中，无源辐射体组 件16的重心44接近悬挂元件的摇摆面49，其位于平面48与环绕元件20的拱顶之间。在 图6B中，声学驱动器32’具有不同的马达结构，使得无源辐射体组件的重心44’不在摇摆 面49中或者不接近摇摆面49。图6B的声学再现设备比图6A的设备更易受到摇摆和其他 不期望行为的影响，特别是在声学再现设备用在多个不同的定向中和/或在声学再现设备 操作时被移动的情况下，利用手持或者口袋大小的声学再现设备可能如此。图6C的声学再 现设备包括连接器环42’，其具有针对悬挂元件20的安装表面52，其与针对声学驱动器的 安装表面54是非共面的，使得无源辐射体组件的重心44’比在具有图6B的连接环的情况 下更加接近平面49。非共面连接环给予设计者一种额外的工具来将组件的重心定位为更
7加接近悬挂元件的摇摆面，以便获得较好的摇摆稳定性。以下将描述校准环56。除了影响 相对于摇摆面49的重心位置以外，连接器环42、42’还具有其他用途。连接器环的尺寸、配 置、几何形状和材料可以选择为使得声学驱动器的组合质量、连接器环的质量以及无源辐 射体16的其他部分(如果有的话)的质量是用于无源辐射体的期望调谐的适当质量。连 接器环的尺寸、配置、几何形状和材料可以选择为使得声学驱动器的组合质量、连接器环的 质量以及无源辐射体16的其他部分(如果有的话)的质量具有期望的质量分布。此外，连 接器环可以配置用于促进无源辐射体组件到悬挂元件20的附接以及声学驱动器32到无源 辐射体组件16的其他元件的附接。例如，连接器环42、42’可以配置用于提供与悬挂元件 20上的粘合表面配对的粘合表面。连接器环可以配置为使得外壳组件、悬挂元件20A以及 连接器环可以在单个制造步骤(诸如嵌件模塑)中装配。连接器环可以配置为适应被设计 为以不同方式附接到其他扬声器元件的声学驱动器；例如，一些声学驱动器设计为通过螺 丝或者螺栓或者类似的紧固件附接至其他扬声器元件，而其他声学驱动器设计为通过粘合 或者某些类似的附接工艺附接至其他扬声器元件。连接器环使得扬声器设计者能够基于声 学驱动器的声学特性来选择声学驱动器；比声学驱动器直接连接至悬挂元件的情况需要较 少的机械特性。连接器环可以配置为使得可以使用简单的悬挂元件(诸如半滚环绕)，而不 管声学驱动器的重量分布以及声学驱动器的附接元件的附接和放置方法。可以通过使用较 浅的低轮廓声学驱动器来促进声学驱动器的重心的放置。声学驱动器的深度(参见图6D) 应当小于20mm，并且理想地小于10mm。声学驱动器的深度和声学驱动器的直径的比值应当 小于0. 5，并且理想地小于0. 2。 图7示出了连接器环42。由图7中的参考标号指示的元件对应于先前附图中相似 编号的元件。外部法兰57向无源辐射体组件18提供所需要的质量，而无需将重心从附接 面48(参见图6A-图6C)或者摇摆面49(参见图6A-图6C)移开。内部法兰54提供用于 声学驱动器的附接表面(在这种情况下是粘合表面)。如果声学驱动器设计为以某些其他 方式(诸如通过紧固件)附接，则可以相应地重新设计内部法兰。内部环表面56提供用于 插入声学驱动器的对准引导。外部环表面52提供用于悬挂元件20的附接表面(在该实例 中，是粘合表面)。 其他实施方式在权利要求书中。
权利要求
一种声学结构，包括定义腔室的外壳；机械地耦合至所述外壳并且声学地耦合至所述腔室的第一无源辐射体结构和第二无源辐射体结构；所述第一无源辐射体结构和所述第二无源辐射体结构中的至少一个包括第一声学驱动器。
2.根据权利要求1所述的声学结构，其大小调整为适合口袋大小的设备。
3.根据权利要求1所述的声学结构，所述外壳进一步定义声学地耦合至所述第一声学 驱动器的第一封闭室以及声学地耦合至第二声学驱动器的第二封闭室，所述第一封闭室和 所述第二封闭室通过充当低通滤波器的声学端口而声学地耦合。
4.根据权利要求1所述的声学结构，配置为使得所述第一无源辐射体设备和所述第二 无源辐射体设备声学地同相而机械地异相振动。
5.根据权利要求1所述的声学设备，进一步包括悬挂元件，用以将所述第一无源辐射 体结构和所述第二无源辐射体结构中的至少一个耦合至所述外壳，所述无源辐射体结构包 括连接元件，用以将所述悬挂元件和所述无源辐射体结构机械地耦合。
6.根据权利要求5所述的声学设备，其中所述连接元件是非共面的，以使得所述悬挂 元件到所述连接元件的附接面与所述连接元件到所述声学驱动器的附接面是非共面的。
7.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述外壳定义声学地耦合至所述设备的第一侧的第一腔室以及声学地耦合至所述设 备的第二侧中的开口的第二腔室；所述第一无源辐射体结构包括所述声学驱动器；所述第一无源辐射体结构由第一室中的压力变化来驱动；所述第一无源辐射体结构声学地耦合至所述第一腔室；所述第二无源辐射体结构包括第二声学驱动器；所述第二无源辐射体结构由第二室中的压力变化来驱动；以及所述第二无源辐射体结构声学地耦合至所述第二腔室。
8.根据权利要求7所述的声学设备，所述第一室和所述第二室通过声学端口声学地耦 合，所述端口充当低通滤波器。
9.根据权利要求7所述的声学设备，进一步包括电路，用以组合第一立体声声道和第 二立体声声道的低音频谱部分，以提供单声道低音信号，并且向所述第一声学驱动器和所 述第二声学驱动器传输所述单声道低音音频信号。
全文摘要
包括无源辐射体的声学设备。无源辐射体可以包括声学驱动器。声学设备可以是手持的或者口袋大小的。
文档编号H04R3/12GK101978705SQ200980109507
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月4日 优先权日2008年3月27日
发明者F·H·布萨尔, R·N·利托维斯基 申请人:伯斯有限公司