具有模态耦合环形膜片的声学压缩腔室制造技术

限定了一种电动压缩驱动器，该驱动器包括部分地以环形膜片为边界的压缩腔室组件。压缩腔室组件具有环形轴对称的几何形状，该几何形状具有单一的声学辐射出口。腔室几何形状还被限定为仅支持声学耦合的零赫兹模式，以允许使用集总参数模型来分析膜片和压缩腔室的声学耦合。该集总参数模型与膜片模式的本征模式分析以及膜片和压缩腔室之间交叉耦合的特征相结合。结果是更快速地计算如何控制环形膜片中的机械模式，从而使得它们有利于压缩驱动器的声学输出。提供了压缩腔室和膜片的具有促进模态控制的几何形状的实施例。态控制的几何形状的实施例。态控制的几何形状的实施例。

【技术实现步骤摘要】
具有模态耦合环形膜片的声学压缩腔室
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]该美国非临时专利申请要求2022年5月9日提交的题为“Acoustic Compression Chamber with Modally
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Coupled Annular Diaphragm(具有模态耦合环形膜片的声学压缩腔室)”的美国临时专利申请第63/339,592号的利益和优先权，其全部内容并入本文作为参考。


[0003]实施方式涉及电动压缩驱动器，该驱动器包括部分地以(一个或多个)环形膜片为边界的(bounded，限制的)(一个或多个)压缩腔室(compression chamber)，其中膜片的机械模式已被分析为声学耦合到压缩腔室至总体出口辐射。

技术介绍

[0004]自从机械音频回放出现以来，声音再现一直受到空气相对于声学膜片材料的各种不同机械性质的约束。1929年，Thuras的专利“Electrodynamic device(电动装置)”(US1707544A)出现了处理这些挑战的持久方法。在此，“硬盘形的”振动膜片在它的周边处被夹紧在“声音腔室”内。然后膜片由“金属塞”封闭，这允许声学振动在膜片的总表面积的受约束部分上朝向出口转移。然后声音通过通常被称为喇叭、波导或声学变压器的扩展通道离开这个组件(US4325456A)。
[0005]Thuras专利的结构的目的是使邻近膜片的空气团更紧密地匹配膜片的相对低的顺应部(compliance)，然后逐渐转变为匹配自由空间的较高的顺应部。通俗地说，这种类型的电动转换器(transducer，换能器)被称为“压缩驱动器”；金属塞通常被称为“相位塞”；包括相位塞的出口与膜片之间的体积被称为“压缩腔室”。
[0006]在过去的几十年里，已对这种基本结构做出了许多改进。为了追求更多的声音输出、更低的频率扩展，或两者兼而有之，压缩驱动器的尺寸也在增加。由于音频再现涉及的波长范围较广，较大的膜片、声音腔室等产生的声学结构更有可能在频率再现带宽内具有模态共振。一旦电动转换器内的任何机械结构的尺寸具有与声音波长相比拟的尺寸，就有可能出现模态行为。
[0007]为了超越Thuras专利的圆顶振动膜片结构，早在1932年就公开了使用环形膜片的压缩驱动器，参见US1845768。环形膜片具有优于圆顶膜片的优势，因为辐射膜片表面的局部几何形状相对于波长来说可具有比较小的径向尺寸，同时允许大的总辐射面积和强的电动驱动组件。
[0008]无论是圆顶还是环形，传统观点都是为了避免振动膜、相关的压缩腔室和总体压缩驱动器组件内的机械和/或声学共振。各种优化措施都试图减少、避免或以其他方式防止附加膜片和/或压缩腔室共振与声学输出的耦合。在不能避免附加模式的情况下，努力将模态频率移出声学再现装置的频率范围之外。
[0009]减小机械尺寸提高了膜片模态行为和/或压缩腔室的频率。增加膜片的刚度也会
增加组件中开始更高阶模式的频率。这些模态避免方法都是确立已久的。对于试图减少、避免或以其他方式防止模态行为的耦合的压缩驱动器的示例，参见US8121330B2(用于圆顶膜片)和US8280091B2(用于环形膜片)。US8280091B2还公开了通过将总膜片辐射面积分成两个单独的、较小的环形膜来减少环形膜片几何形状的最大尺寸，这两个环形膜互相反平行地振荡，具有通往环形膜片的内部的共同出口导管。多个更小的膜片和压缩腔室减小了物理尺寸，其目的是将共振移到更高的频率，理想地，移出到出口辐射的频率范围之外。
[0010]如果出口辐射的频率足够高，最终都会发生所有组件的模态行为。对避免模式的历史性关注是工程权衡的结果。如果将子组件的尺寸约束在待产生的最大频率的波长以下，那么通常不会建立附加模式。没有必要进行附加计算来从这个规则(rubric)中获得积极的结果。
[0011]然而，并非所有过去的公开都是为了避免模态行为。例如，US10531200B2考虑借助于具有不同膜片厚度和边缘夹紧的两个不同环形膜片在压缩驱动器内产生两个不同的基本机械共振。US10327068B2提出了环形膜片中的附加机械共振，以增加声压。这些专利都提到了通过数值方法(numerical method，计算方法)进行模拟，以帮助实现成功的实施方式。
[0012]即使随着计算能力的提高，以及用于模拟耦合机械
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声学系统的数值方法的普遍的工具可用性，压缩驱动器的设计仍然保持挑战性。对机械、声学和流体行为的全模拟导致了缓慢的模拟(例如，若干天与若干分钟相比)。此外，工程材料的基础模型并不总是反映物理上实现的驱动器的声学响应。因此，期望减少模拟的复杂性，以促进压缩驱动器设计的更快速迭代。

技术实现思路

[0013]我们提出了一种压缩腔室，其中腔室的相关环形振动膜片的机械模式被控制，并且以支持压缩驱动器的总体声学输出的方式耦合到压缩腔室。膜片的机械振动模式必须考虑频率、振幅、相位以及从压缩腔体(compression cavity，压缩腔室)到总体出口辐射的声学耦合。
[0014]优化整个组合的机械
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声学系统是非凡的。膜片机械模式、腔室声学模式、流体行为以及它们的各种交叉作用导致了用于模拟和优化的巨大参数空间。我们通过公开用于分析与声学出口辐射的模态耦合的有效方法，来克服行业的局限性。为了促进更快的设计，我们限定了以下方法：
[0015]1.约束压缩腔室设计。
[0016]2.限定用于计算声学耦合的集总(lumped，集中)参数模型。
[0017]3.在没有流体影响的情况下，计算膜片模式。
[0018]4.仅分析零赫兹声学耦合模式。
[0019]由于设计过程不考虑更高阶的压缩腔室声学模式，我们从没有这些模式的预限定压缩腔室开始。该腔室具有的尺寸选择为主要支持零赫兹、或零声学模式。这个条件对于环形压缩腔室来说是很容易实现的，因为即使具有大的音圈半径，腔室的径向尺寸也较小。接下来，将压缩腔室的几何形状约束为环形设计，以允许进行下面讨论的声学耦合分析。虽然不是计算的必要条件，但使得压缩腔室为轴对称的这个最终要求支持我们加快分析的目的。
[0020]我们的设计周期的开展如下：
[0021]1)从一组件开始，该组件包括与具有单一出口导管的环形的、轴对称的压缩腔室腔体耦合的环形膜片。
[0022]然后压缩腔室的零赫兹声学模式或零模式代表在腔室内没有任何高阶声学波组分的声学行为：
[0023]2)通过具有带通滤波器的一般形式的集总参数模型来限定用于压缩腔室和膜片的零模式的声学耦合行为。
[0024]接下来考虑环形膜片的机械行为：
[0025]3)执行环形膜片的本征模式(eigenmode)模拟，忽略空气对膜片的影响，即，膜片就像在真空中一样。
[0026]膜片的本征模式模拟是使用有限元分析(FEA)或其他数值方法实现的。免除关于邻近振动膜片的流体行为的计算简化和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环形的轴对称的压缩腔室(18)，包括：环形膜片(26)；顺应体积(56)，带有单一出口导管(52)，其具有部分地以所述环形膜片(26)为边界的外缘；其中，所述环形膜片被音圈(30)机电地驱动，以产生声学振动；并且其中，所述环形膜片(26)的几何形状以在操作频率范围内有意地表现出机械模式的方式限定，所述机械模式主要与所述压缩腔室(18)的零声学模式声学地耦合。2.根据权利要求1所述的压缩腔室(18)，其中，所述压缩腔室(18)的尺寸被约束为在所述操作频率范围内抑制所述腔室的除零模式外的声学模式。3.根据权利要求1所述的压缩腔室(18)，其中，所述环形膜片(26)是由具有大致均匀厚度(80)的材料组成的。4.根据权利要求1所述的压缩腔室(18)，其中，所述环形膜片(26)具有参数限定的几何截面(68
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82)，旨在创建具有所期望的振幅、相位和频率分布的机械模式。5.根据权利要求1所述的压缩腔室(18)，其中，所述压缩腔室(18)优选地集成在电动扬声器驱动组件(10)内。6.一种环形的轴对称的压缩腔室(18)，包括：环形膜片(26)；以及顺应体积(56)，带有单一出口导管(52)，其外缘部分地以所述环形膜片(26)为边界；其中，所述环形膜片被音圈(30)机电地驱动，以产生声学振动；其中，所述环形膜片(26)的几何形状以在操作频率范围内有意地表现出机械模式的方式限定，所述机械模式主要与...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦蒂娜，
申请(专利权)人：BC扬声器股份公司，
类型：发明
国别省市：