声音装置 【技术领域】
本发明涉及分布式共振模式变化的声音装置，特别是但不限于分布式共振模式扬声器(下文中简称为“DM扬声器”)。
背景技术
这种扬声器包括一可维持弯曲波的声音辐射器及一安装在该声音辐射器上的换能器，该换能器用于激发该声音辐射器中的弯曲波以产生一声音输出，例如在WO97/09842(本文予以参考引用)中的说明。
依据该文件，可对该声音辐射器的整体特性进行选择，将该共振弯曲波模式大致在频率上均匀地分布。换句话说，为了消除由于模式的“挤靠”或群聚所引起的频率响应峰值，对该声音辐射器的整体特性或参数，例如尺寸、厚度、形状、材料等进行选择。因此，该共振弯曲波模式的分布结果大致会表现出最小程度的群聚和间隔不均。对于矩形板且各向同性弯曲刚度来说，该专利文件会特别确定有用的侧面尺寸纵横比，例如1.134∶1。
可选择该换能器的位置，以大致均匀地耦合到该共振弯曲波模式，特别是耦合到低频共振弯曲波模式。为了达到这个目的，该换能器可处于振动方面的主动共振腹点数量相当高，但共振节点数量反而相当低地位置。在一矩形的情况下，所发现的适当的特殊位置为沿轴向3/7、4/9或5/13距离的地方。
由WO97/09842中的所示进行分析，不仅得到关于换能器构件的较佳位置，而且还有关于确定实际位置的能力，在该位置中，应该运用任何选择性的阻尼以对任何特殊的不希望的频率进行处理。WO99/02012同样公开了在局部的位置上，使用质量块。两种公开都能解决某些占主要的频率(大于“突出外面的(stick out)”平均振幅比)问题，从而改变相应的扬声器整体频率响应。
WO00/22877公开质量块，例如2至12克的范围内的选择性局部位置5，固定到一弯曲波板上以调整该耦合共振为最佳，使得整体响应适当地改变。该技术在扩展该组件的低频范围方面具有特别的好处。
US5,615,275描述一种扬声器，包括一安装在一框内的平面隔膜，其后表面与一扬声器音圈耦合，使得该音圈如同一活塞，挤压该隔膜的后表面，引起该隔膜的充分振动，因而有效地产生声音。质量块弹性地安装在该隔膜之上，以改进其频率响应特性、根据经验决定质量块的数量、大小及任何特别隔膜中重量块的精确位置。在特定频率下，该重量的作用为抑制或对抗该隔膜的非受控制运动。
从上述的WO97/09842中可看出，支持该类装置操作的共振模式分布的均匀性的增加，将能改进该装置本身的频率响应。当由于各种造型考虑或要使一个板必须适于一个现有空间时，使上面所讨论的较佳板尺寸无法实现时，本发明便可特别地适用。
【发明内容】
本发明特别针对分布式共振模式装置，其目的在改进这种装置的共振模式分布的均匀性。
因此，本发明包括一种用于改进一分布式共振模式弯曲波声音装置中的板的模式共振频率分布的方法，该方法包括以下步骤：
(a)分析该板的模式共振频率分布；
(b)确定一相对于邻近的模式共振频率为不均匀间隔的模式共振频率；
(c)确定该板上，在该模式共振频率表现腹点特征(anti-nodal behaviour)的位置；及
(d)在该位置改变对弯曲波振动的局部阻抗。
在特定的模式共振频率中，改变该板上对应于一腹点的一个或多个位置的局部阻抗，造成该特定共振模式的频率偏移。本发明利用这种作用在频谱中，对一个或多个经分析确定的相对于邻近的模式共振频率为不均匀间隔的共振频率进行重新定位。依照此种方式，在总体上改善该装置的模式共振频率分布的均匀性。
这种局部阻抗变化也可产生额外的共振模式，在该频谱范围内适当定位，其同样有助于模式共振频率分布的整体均匀性。
局部机械阻抗Zm可以下式表示：
Zm＝jω·质量+阻尼+刚度/jω
并且可能是阻尼、质量或刚度的任何单一组合或共同组合。显而易见的，这种对弯曲波振动的阻抗主要作用于该板的垂直方向中。
有利的是，要确定出除了在该模式共振频率表现出腹点特征之外，也在邻近该模式共振频率的第二共振频率中表现出节点(nodal)特征的位置。
本方法也包括确定多个相对于各个邻近模式共振频率为不均匀间隔的模式共振频率，确定在该板中，在各个模式共振频率中表现腹点特征的多个位置，及改变在该多个位置中其中一个或多个位置中对弯曲波振动的局部阻抗。
本方法进一步包括反复地改变该局部阻抗的步骤，以改进在该板上的模式共振频率分布，或者其可包括下面步骤：通过各种方式改变该局部阻抗，测量各个模式共振频率分布的均匀性并在其中进行插值得到局部阻抗变化的较佳值。测量步骤包括计算该模式频率的最小中心方差。
特别地，该插值步骤包括确定对应一模式共振频率分布的局部阻抗变化值，要优于相应的一具有各向同性材料特性及最佳纵横比的矩形板的局部阻抗变化值。或者，可以包括通过各种方式改变该局部阻抗的步骤，测量各个模式共振频率分布的变化，并在其中进行插值得到局部阻抗变化的最佳值。
关于改变局部阻抗的步骤，可以包括改变在该位置的板的质量，特别是最好通过一具有柔性的构件及/或具阻尼的构件装置，在该板上附着分立的质量块。特别地，该分立的质量块可通过一弹性泡沫构件附着在该板上。
改变局部阻抗的步骤也可能包括改变该位置处的板的刚度或阻尼。
【附图说明】
现在将参照附图，以示例方式说明本发明，其中：
图1A为一分布式共振模式扬声器的示意图；
图1B表示图1A中该板的模式共振频率分布；
图1C为一理想状态图，表示(4，0)模式的节点线；
图1D为一理想状态图，表示(1，3)模式的节点线；
图2和3表示连续应用本发明的方法后，图1A中该板的模式共振频率分布；
图4表示当在图1中加入FEA模型，相对四种分立的质量块(m)值的成本函数(L)的值；
图5表示依据图4经优化的板的模式共振频率分布；
图6A-D为图1A中板的“驱动图”；
图7A和7B分别表示依据本发明的另一具体实施例改进的板的剖视图，及模式共振频率分布结果；
图8A和8B是替代图7A配置的剖视图；及
图9是本发明进一步实施模式的示意图。
【具体实施方式】
图1A是一分布式共振模扬声器1的示意图，此种扬声器可从前述WO97/09842中了解，其中包括一通过一悬挂体3安装在一框4内的板2，该板会支持一激励器5。这种配置在本领域是公知的，因而不作进一步讨论。对于本示例，我们通常假设具有各向同性材料的特性，在各侧面的悬挂体的刚度为零，三维尺寸为288×216×2mm(对应于一板的纵横比1.33∶1)。这样，该板不同于WO97/09842中说明的该较佳纵横比1.134∶1。
依据本发明的方法，为改进这样一扬声器的该模式频率分布，首先必须分析该板的模式频率分布。图1B通过垂线7表示图1A中该板在频谱范围内的模式频率分布，该频谱由公知的有限元分析(FEA)技术来确定。另外，模式共振频率分布采用本领域中公知的经验法进行测量。相应的前24种模式的频率值见表1。
此后，有必要确定至少一种相对于邻近的模式频率不均匀间隔的模式共振频率。在图1的情况下，这可明显看出从600赫兹和800赫兹时分布的大的间隙及400赫兹和920赫兹时的挤靠模式。
对于在约400赫兹时的不均匀间隔模式，例如，最好通过降低401赫兹(线8所示)时的(4，0)模式频率，而不降低线9所示的405赫兹的(1，3)模式来减少在该频率的聚束模式(the bunching of modes)。
随后，确定在板上对所讨论的模式共振频率，本例中为401赫兹，表现腹点特征的位置。图1C也是通过有限元分析得到的一理想状态图，表现频率401赫兹时(4，0)模式的节点线20。应该理解，腹点特征区域位于以虚线22所示的模式线中间，依据本发明也就是在这种位置，要改变其局部阻抗。应该明白，上述确定步骤也可通过其它方式进行，例如，对一试验板进行WO99/56497中公知的激光分析。
较佳的是，在该频谱范围内的邻近模式，如405赫兹的(3，1)模式下，这种阻抗变化的影响可通过选择阻抗变化的位置而使其减到最小，所述位置除了使其在该共振模式频率表现出腹点特征之外，也在邻近该共振模式频率的第二共振频率中表现出节点特性。图1D表示邻近的(1，3)模式的节点线，与图1C相比，显然位于X轴的约1/4和Y轴的1/2处(即距直角72×108毫米处)的点(图中十字A)将与(4，0)模式而不与(1，3)模式耦合。
依据本发明的最后步骤，改变在该位置A对弯曲波振动的局部阻抗。为实现降低上述所关心的401赫兹模式共振频率的目的，有利的是，通过改变该位置的板的质量，特别是如图1A所示，通过在6的位置处，在该板表面附着一分立的质量块以增加该板的质量，便可改变该位置对弯曲波振动的阻抗。
可通过反复地改变局部阻抗来确定实际要增加的质量的量，以改进该板的模式共振频率分布：在本例中，试验了一个4.3克的质量块，代表该板总质量43克的10％。
图2的有限元分析模拟中表现该前24种模式的分布结果。仔细分析结果表明，由于该模式下降过大超过对频率分布平直化所需，证明质量补偿过度。因此，用其一半的质量(2.15g)重复分析，该前24种模式的新配置见图3，从中可看到这最终配置有效地分离400赫兹的(4，0)和(3，1)模式，改进了频率分布的整体均匀性。
模式频率分布的均匀性也可用所谓的“成本函数”来数字地表示，此为WO99/56497中所说明的一种方法(这里仅作参考)。在本例中，均匀性由模式共振频率的最小中心方差L值测量，即：
L=Σm=1M-1(fm-1+fm+1-2fm)2M-1]]>
其中fm，为第m(0＜＝m＜＝M)个模式的频率。
图4表示的是对应各种分立的质量块数量(m表示克)加到图1的有限元分析模式中时，成本函数(L)的值23。对这些值进行插值法计算，例如，对该模式共振频率值24进行二次方曲线24拟合，得到最佳点25在m＝1.29g处，得出最小成本函数值约为44。图5表示的是此最佳配置的前24种模式的在整个频谱范围内的分布。
但是，从图4可清楚看出，任何大于0而小于3.4克的质量将比一未修改的板(质量＝0)的均匀性更好。此外，相应于如图1A所示的这种未更改的矩形板，其具有相同的区域和材料、各向同性材料特性及上述的“理想”纵横比1.134∶1，质量值约在0.8克和1.9克之间会得出一个低于44.4的L值。
本发明不限于单一的模式，也预见了相对于各自相邻的模式共振频率不均匀间隔的多个模式共振频率的确定。进一步考虑图1B及表1所列的模式，可看出也出现共振模式的不均匀间隔，如图1B的符号B-G所示。显然这也可通过减小131赫兹的(0，2)模式、361赫兹的(0，3)模式、401赫兹的(4，0)模式、645赫兹的(4，2)模式、874赫兹的(2，4)模式及917赫兹的(5，2)模式的频率来补偿。
利用有限元分析确定该板上表现于这些模式共振频率下表现腹点特征的位置(依据本发明的第三步骤)，将会生成图6A的“驱动图”，图中平均振幅的连续地增大值由连续较淡的阴影表示。在同时受到上面列出的6个共振频率下激发时，具有最大振幅，即腹点特征的板区域，由附图标记26所示。在这些多个位置中的其中一个或多个位置中，必须改变对弯曲波振动的局部阻抗，例如依据本发明第四步骤增加局部阻抗。
在区域26中，选择特殊位置很方便，在这些位置，对应与6个有问题的共振频率中的每一个的响应都是“平滑”，即均匀一致，因此保持/增强对该装置的频率响应的整体平滑性。这些区域由图6B中无阴影的区域28表示。
或者，局部阻抗变化可限制在前述的那些区域，即在所述区域，在除了确定的频率外的频率上，基本上没有额外的腹点特征。图6C是这样的其它频率的一个驱动图，图中腹点特征的连续下降程度由阴影的逐渐加深来表示。
虽然由图6C中证明板的大部分区域满足腹点特征的标准。但是，应用类似于上述的突出区域的“平滑”标准的结果在图6D中表示，以逐渐变淡的阴影对应于响应除所关心的6种模式之外的所有的模式的连续增强的均匀性。
通过目测比较图6B和6D，可看出改变图6B和6D中所示一位置A(相对坐标x＝0.45，y＝0.40)的阻抗，整体的频率分布均匀性与频率水平一起得到最佳改进，另一个相对坐标x＝0.18和y＝0.41的位置B也获得最佳改进。要注意的是，每个这些相对坐标可由x和y轴之一或由两者共同反映出来。
图7A是依据本发明另一个具体实施例的一板的剖视图，其中通过在具有柔性的构件(弹力泡沫衬垫42)上施加质量和刚度的变化，以增加局部阻抗，该构件将1.29克的分立的质量块44附着在该板40上。
由于基础板与图1A具体实施例用的板相同，在401赫兹的不均匀间隔模式共振频率及在板上表现该模式共振频率下腹点特征的对应位置也保持相同。质量块及衬垫设置在板的根据本发明的位置上。
关于由该质量块和衬垫表现的局部阻抗的最佳化，接近最佳化的较好的第一步骤可使用第一个具体实施例中的质量值及最佳化衬垫刚度实现，刚度最佳化采用迭代的或上述有关质量块的基于“成本函数”最佳化过程。在本例中，对10N/mm到100N/mm之间的弹簧刚度进行分析以找出最佳值，结果为26.3N/mm。
在图9B所示的模式分布结果中，以在800赫兹造成稍大的差值为代价，略高的刚度将模式在700赫兹处分成了两个。由在较高的频率上质量会对频率响应有一反作用的这一事实，得到的更进一步的优点是刚度用于使质量块从板上去耦。
图8A所示的是通过改变该位置的板刚度，改变局部阻抗的实例。与图7A中板上附着一质量块不同的是，将安装在板的柔性构件(泡沫衬垫42)固接在该扬声器(图1所示的4)的框上，例如通过一跨越该框后部的压杆46来连接。或者，如图8B所示，可通过安装在一挡板盒(图中未示)的突出件48在一框的背部后面再延伸的方式固接。
图9是另一个具体实施例的示意图，其中表示一板56，除了质量块50和弹簧52外还有一阻尼器54。实际中这种阻尼为前面具体实施例中的任何弹性泡沫衬垫所固有的，可因选择使用不同的泡沫衬垫而不同。采用上述的方法并以前面具体实施例中确定的质量和刚度值为基础，可有益地实现阻尼值的最佳化。特别地，阻尼可用于平衡由前面具体实施例中的方法获得的再分布模式的能量分布。
本发明仅采用一些实例说明，在不背离本发明范围内可以作出各种修改。
例如，前面的具体实施例都详细说明了增加选定位置的局部阻抗的步骤。当然，对于一简单的板所给出的起点而言，实施这种方式(通过简单的附着质量等)是最容易的。但是，也可以通过减少局部阻抗，例如，通过局部移除及/或取代板材料，实现以最佳实现频率分布均匀性的改进的情况。
而且，本发明不限于相对于构件平面的垂直振动运动元件作为一种替代或附带：也可使用具有旋转自由度的耦合元件的附着。这种附着装置的例子包括扭簧和一个惯性大的附着装置。
应该明白不仅仅扬声器，如麦克风等的其它声音装置也都属于本发明的范围。除了用一拾音器取代任一激励器，与上述的扬声器具体实施例的差异通常极小。