[發明專利]大聲阻活塞運動式揚聲器

在審

• 申請號: 202211283609.5
• 申請日: 2022-10-20
• 公開（公告）號: CN115604635A
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 謝會開;鄭欽丞;曹可;逯遙
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H04R9/06
• 分類號: H04R9/06;H04R9/02
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王松

本發明公開的大聲阻活塞運動式揚聲器，屬于聲電轉換領域。本發明包括基底010、驅動組件020、振膜030、連接組件040、振動腔體050。所述連接組件040與振膜030不共面，即為隱藏式連接結構。所述驅動組件020用于驅動振膜030產生活塞式運動。所述振膜030位于腔體050內部，振膜030沿垂直方向的位移范圍在沿基座厚度方向延伸的支撐結構所形成的空腔高度范圍內，從而達到減少揚聲器在工作過程中的空氣泄露、提高聲壓級的目的。在具有隱藏式連接結構的活塞式揚聲器基礎上，通過進一步優化所述揚聲器的振膜結構、支撐結構，從而控制揚聲器工作過程中的空氣泄露現象，進一步增大前后腔的聲阻和揚聲器輸出聲壓級。

技術領域

本發明屬于聲電轉換領域的聲學器件，涉及一種大聲阻活塞式揚聲器的結構設計，可應用于消費電子或醫療電子。

背景技術

揚聲器的核心指標是某一位置的輸出聲壓級(SPL)。由于揚聲器的輸出聲壓和頻率的平方以及振膜位移的一次方成正比，因此低頻(20Hz～1kHz)時SPL通常較小，在器件尺寸為mm級甚至um級的條件下，自由場測試環境下10mm處的SPL很難高于80dB。舉例說明：為實現1kHz頻率下，10mm處80dB的SPL目標，常規的完全封閉的固支膜(圓膜直徑為3mm)揚聲器需要達到40um的振膜位移，這對于完全封閉的固支膜揚聲器而言是非常困難的，因此需要使用基于驅動結構的開放式活塞運動模態的揚聲器。

相比于常規的完全封閉的固支膜揚聲器而言，基于驅動結構的開放式活塞運動模態的揚聲器由于振膜的固支狀態發生改變，振膜在振動時邊界條件的制約因素明顯減少，并且振膜是依靠驅動結構進行運動的，驅動結構的運動范圍遠大于常規的完全封閉的固支膜的運動范圍，因此基于驅動結構的開放式活塞運動模態的揚聲器能夠實現更大的振膜位移。同時，基于驅動結構的開放式活塞運動模態的揚聲器，由于其活塞振動模態對應的機械-聲學能量轉換系數，是常規的完全封閉的固支膜揚聲器的鼓膜振動模態的機械-聲學能量轉換系數的3倍，因而能夠在同樣尺寸和激勵的前提下產生更大的聲壓輸出。所以，基于驅動結構的開放式活塞運動模態的揚聲器在振膜位移上更有優勢。

但是，基于驅動結構的開放式活塞運動模態的揚聲器存在前后腔體聲學短路的問題。振膜在振動時，同一時刻前腔和后腔產生相位相反的音頻信號，如果前后腔體之間有較大的空氣縫隙，那么前后腔的音頻信號通過空氣縫隙疊加后會削弱揚聲器產生的音頻信號,這對應著前后腔體之間空氣縫隙的聲阻。在不影響后腔空氣彈簧振動的前提下，空氣縫隙越小，對應的前后腔體之間聲阻越大，振膜機械運動產生的能量轉化成前腔向空氣輻射聲音的能量的轉換系數就越大，從而能夠產生更大的SPL。

以邊長為3mm的方膜為例，假設室溫條件下，振膜邊緣與側壁結構形成的空氣縫隙的長度為20um，由于聲阻正比于空氣粘滯系數的一次方與空氣縫隙長度的一次方，反比于空氣縫隙截面積的平方，因此當振膜邊緣和側壁結構的距離增大時，聲阻迅速減小，并且帶動10mm處SPL迅速減小，參考圖2(a)，圖2(b)；同時如果固定振膜邊緣和側壁結構的距離為2um，當振膜邊緣與側壁結構形成的空氣縫隙的長度增大時，聲阻也會增大，并且帶動10mm處SPL增大，參考圖3(a)，圖3(b)。

因此，有必要提供一種改進的活塞式揚聲器，既能夠使振膜產生大位移運動，也能夠提供足夠大的前后腔體間聲阻，進而提高揚聲器的輸出聲壓級。

發明內容

不同于傳統活塞式揚聲器中與振膜共面的連接結構，本發明公開的一種大聲阻活塞運動式揚聲器，采用與振膜不共面的隱藏式連接結構，振膜垂直方向的位移范圍在沿基座厚度方向延伸的支撐結構所形成的空腔高度范圍內。在維持活塞式揚聲器具有的運動位移大優勢的基礎上，隱藏式連接結構能夠明顯緩解由于結構設計和工藝限制而造成的空氣泄露嚴重的問題，增大活塞運動式揚聲器在工作狀態下的前后腔聲阻值，從而有效提高活塞運動式揚聲器的輸出聲壓級。此外，通過優化具有上述隱藏式連接結構的活塞式揚聲器的振膜結構、支撐結構等組件的設計，能夠調節前后腔之間空氣縫隙的長度、橫截面積和基座的開口，達到進一步提高聲阻和輸出聲壓級的效果。