專利名稱：聲頻定向超聲波揚聲器的制作方法
技術領域：
聲頻定向超聲波揚聲器，屬于電子技術領域，特別涉及揚聲器技術領域。
背景技術：
傳統(tǒng)揚聲器的主要特點為1)基于一種線性模型，即空氣介質(zhì)的吸收能量與產(chǎn)生的聲波呈線性關系；2)傳統(tǒng)揚聲器的聲音傳播是發(fā)散式的，不具有指向性的特點；3)揚聲器直接向空氣中輻射可聽聲。因此，傳統(tǒng)揚聲器在工作時必須維持空氣介質(zhì)的線性傳播關系。簡單地概括就是揚聲器向空氣中輻射的聲能必須在空氣分子所能維持線性傳播的范圍內(nèi)，反之，當揚聲器輻射的聲能超過了空氣分子滿足線性傳播要求時，就會產(chǎn)生嚴重的聲音扭曲現(xiàn)象。
隨著社會的不斷進步，越來越多的場合要求使用一種具有高指向性的揚聲器。如在展覽館中，應用聲頻定向揚聲器可實現(xiàn)在不同的展位前一定區(qū)域內(nèi)只能聽到該展位所展示內(nèi)容的聲音，這樣既可消除不同展位之間的聲音干擾，又可在同一大廳播放幾十乃至上百種聲音而不產(chǎn)生噪聲污染；又如在商場中，汽車上、飛機上、宇航飛船上、餐廳、游戲室、網(wǎng)吧、多國會議等需要局部聲音而區(qū)域間不產(chǎn)生相互干擾聲音的場合，需要為不同坐位或區(qū)域的人提供不同的聲音服務等。
與傳統(tǒng)揚聲器相比，超聲波揚聲器工作的機理完全不同。它是一種非線性的，間接式的，能夠產(chǎn)生具有高指向性可聽聲的裝置。超聲波揚聲器向空氣中發(fā)射經(jīng)過在前處理中調(diào)制后的不同頻率的超聲波，由于超聲波在空氣中非線性傳播的交互作用式自解調(diào)，從而產(chǎn)生低頻可聽聲，并以高指向方式傳播給收聽者。其工作原理如圖9示，f1、f2是在前處理中對音頻信號經(jīng)過調(diào)制后的兩列具有不同頻率(f1、f2)的有限振幅超聲波，經(jīng)過超聲波揚聲器將其輻射到空氣中并沿同一方向傳播時，兩基波的非線性交互作用可以產(chǎn)生兩個不同的分量，即兩頻率之差(f1-f2)和兩頻率之和(f1+f2)，產(chǎn)生諧波；進入空氣中后，由于高次諧波振幅小、衰減與頻率成正比，使得高次諧波比差頻分量信號衰減得快，所以經(jīng)過一小段距離的傳輸后，只有差頻分量的低頻可聽信號仍然存在，形成可聽聲。具體信號轉(zhuǎn)換流程如圖9所示，從圖中可以看出，信號經(jīng)過前處理后進入揚聲器，在揚聲器陣列中，由于揚聲器輻射材料振動向空氣中產(chǎn)生超聲波，在空氣中自解調(diào)產(chǎn)生高指向的可聽聲。
為得到具有指向性的可聽聲，通常采用將若干個獨立的超聲波傳感器按某種排列方式(如矩形排列，圓形排列)陣列在一塊，以此滿足產(chǎn)生的聲波具有指向性要求。由此構成的聲頻定向揚聲器主要有如下缺點1)、發(fā)聲材料多采用壓電陶瓷、壓電晶體及壓電復合材料等壓電材料，用此類壓電材料制成的壓電揚聲器帶寬較小，聲音失真嚴重；2)、這種壓電揚聲器的表面直徑都很小，而揚聲器的表面工作面積和音質(zhì)是成正比的，雖然增加壓電揚聲器數(shù)量可以大大提高聲壓，但由于超聲波的波長比聲源要小得多，所以需要很多個壓電揚聲器排列才能滿足聲壓和指向性要求，這樣導致?lián)P聲器體積龐大、成本增加；3)、由于很難保證各個揚聲器的振動一致，從而導致各個揚聲器的聲波相位不一致，很難實現(xiàn)聲音的指向性；4)、通電的接線增多，使用起來十分不便。
目前，還有一種正在研制中的聲頻定向揚聲器，采用給輻射材料施加預應力的方法，使揚聲器的整個輻射材料在預應力的作用下組成各種所需的陣列，以此來克服輻射材料成型困難，并獲得指向性；同時在預應力作用下，使輸出聲壓更大。但是，這種聲頻定向揚聲器有如下缺點1)、由于輻射材料一直在預應力的作用下，持續(xù)的預應力作用使得輻射材料發(fā)生屈服變形，導致輻射材料的共振頻率發(fā)生變化，頻率響應變差；而且，由于各個陣列的屈服變形不可能相同，從而產(chǎn)生聲音扭曲；2)、要長時間維持聲頻定向揚聲器輻射材料恒定的預應力極為困難，預應力的損失既影響輻射材料的成型，使揚聲器失去指向性；同時又使其共振頻率發(fā)生明顯變化，導致前處理中的放大器諧振頻率與揚聲器頻率不匹配而影響揚聲器的聲壓輸出；3)、為了給聲頻定向揚聲器輻射材料施加預應力使得揚聲器的結構變得復雜，導致成本增加。
另外，上述兩種聲頻定向揚聲器陣列，各個傳感器之間均有間隙，而聲壓是與聲源面積成正比的，間隙的存在使得聲頻定向揚聲器陣列的有效使用面積減少，聲源數(shù)相對減少，聲壓相對降低。
可見，如何降低聲音失真，增強指向性等是聲頻定向揚聲器設計的主要困難；另外，輻射材料的成型和結構布局也是聲頻定向揚聲器設計的難點。這些困難使得在國內(nèi)外目前均沒有成熟的聲頻定向揚聲器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的聲頻定向超聲波揚聲器，能夠克服現(xiàn)有的聲頻定向揚聲器失真大、穩(wěn)定性差、帶寬窄、相互干擾大、占用面積大、結構復雜和成本高等問題，具有指向性好、聲壓大、失真小、穩(wěn)定性好、面積利用率高、構造簡單、成本低和易制造等特點。
本發(fā)明詳細技術方案為聲頻定向超聲波揚聲器，包括支座1和輻射材料3兩部分(如圖1所示)，其特征在于(如圖2所示)，所述支座1包括托架4、背面板5和通氣孔6；托架4位于背面板四周，其上與輻射材料3緊貼連接在一起，其下與背面板5相連，其前后兩端與輻射材料3緊貼連接的面加工成為對稱的至少含有一個凹凸弧形相切連接的形狀；輻射材料3和背面板5之間形成諧振腔；通氣孔6位于背面板5上或托架4的側面上；所述輻射材料3為一種超聲波薄膜材料，至少包括三層結構中間的超聲波材料層和上下的電極層，其形狀由于與托架4緊貼連接而成為至少含有一個凹凸弧形相切連接的形狀。
上述聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，它還可以包括壓件2，所述壓件2是一個與托架1相對應的結構件，通過它可以將輻射材料3更緊密地貼在托架2上并保證輻射材料3不至于變形。
所述托架4的左右兩端與輻射材料3緊貼連接的面可以是平面(如圖4)，也可以是凸面(如圖5)，或者是凹面(如圖6)。
所述通氣孔6的形狀可以是橢圓形，圓柱形，矩形等任意形狀。
所述背面板5為矩形平面板。
所述輻射材料3為一種超聲波薄膜材料，所述超聲波薄膜材料可以是壓電薄膜材料；所述壓電薄膜材料可以是壓電陶瓷薄膜材料或者是壓電聚合物薄膜材料。
上述方案中，所說的背面板是整個裝置的支承件；所說的通氣孔是將振腔與外界連通的一種結構；所說的托架是連接背面板和輻射材料，并使輻射材料成形的裝置；所說的輻射材料是產(chǎn)生超聲波的一種材料；所說的壓件是與托架一起使輻射材料成形，并將其固定的一種裝置。當在輻射材料上下電極之間輸入不同頻率的超聲波信號時，輻射材料將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，超聲波經(jīng)過非線性傳播和交互式自解調(diào)后產(chǎn)生低頻的可聽聲信號。當輻射材料在通電振動時，諧振腔內(nèi)的空氣會隨著振動而壓縮與膨脹，通過通氣孔將振腔與外界連通，可以很好地消除諧振腔內(nèi)的空氣影響輻射材料在工作時的振動導致的聲音失真；同時，輻射材料在連續(xù)振動時會產(chǎn)生熱量，通氣也起著散熱的作用。通氣孔的放置位置可以位于背面板上，也可以位于托架的側面上；當通氣孔的面積較大時，放置在托架的側面更理想，這樣可以消除背面板上通氣孔對背面板反射波的影響。
輻射材料在托架和壓件的擠壓作用下被成形為凹凸弧形相切連接的形狀，每一個凹弧或凸弧部分就是一個單獨的聲頻定向超聲波揚聲器件，所有的凹弧和凸弧部分組成聲頻定向超聲波揚聲器陣列。由于凹凸弧形之間相切連接成陣列，從而使得可聽聲具有指向性；在相切連接處，工作時不會產(chǎn)生振動，從而各個凹凸弧形陣列如同隔開一樣，消除了凹凸弧形陣列之間的相互干擾；在凹凸弧形陣列之間沒有了間隙，充分利用了可用面積，聲源相對增多，在相同條件下，輸出聲壓增大。如圖3所示，r代表弧形的半徑，θ代表弧形的弧度，d1，d2分別代表陣列的最低處距背面板的距離，A，C和D分別為設計系數(shù)。其中，各個弧形的半徑r＝Aλ可以相同，也可以不一樣。當要求具有寬的頻譜時，半徑r不相同更理想。同時，半徑r還受指向性，工作頻率，帶寬要求等影響；弧度θ對指向性，工作頻率，帶寬的影響很小，但是對聲壓，聲音失真有一定的影響，要求θ≤100度；弧形的最低和最高處距背板的距離d1＝Cλ，d2＝Dλ，在輻射材料與背面板之間形成振腔。當輻射材料通電時，輻射材料向其兩面輻射超聲波，即振腔和空氣(所需輻射方向)中，振腔中的超聲波遇到背面板后反射回空氣中，為了使得在任何頻率下，反射波與原來空氣中的聲波在疊加后聲壓增加，距離d1和d2要求小于1/4波長。為了最大的聲能輸出，輻射材料要求機械響應和電響應比較靈敏，其阻抗要求盡可能的與空氣阻抗匹配。
輻射材料是在托架與壓件的擠壓下成凹凸弧狀，并可用螺釘(圖中未標出)增加壓力。輻射材料的成形也可不需要壓件，而采用粘貼的方法，將輻射材料粘貼在托架上面，使之成陣列。粘貼時要求各個凹凸弧形盡可能的均勻，否則會產(chǎn)生聲音的扭曲。粘貼材料要求具有導電，導熱的功能。當采用粘貼的方法時，可以不用壓件使輻射材料成型和固定。這樣，聲頻定向揚聲器的結構更簡單，制造更容易，成本更低。也可以同時使用粘貼和擠壓的兩種方式。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下有益效果1.本發(fā)明的聲頻定向超聲波揚聲器為無預應力揚聲器，與有預應力的揚聲器相比，其頻率響應更好，更容易得到所需的超聲波和可聽聲聲波；其驅(qū)動功率更小，穩(wěn)定性更強。
2.本發(fā)明的聲頻定向揚聲器陣列采用凹凸弧形自然相切連接成陣列，工作時凹凸弧形連接處不產(chǎn)生振動，無需陣列隔離裝置，消除了凹凸弧形陣列之間的相互干擾，降低了聲音的失真；可用面積的利用率高，聲源相對增多，在其它相同條件下，輸出聲壓更大，克服了由無預應力帶來的聲壓損失。
3.本發(fā)明的聲頻定向揚聲器采用整個輻射材料壓縮成陣列，與采用若干個單獨的揚聲器陣列相比，各個陣列的振動一致性更好，指向性更好，接線更簡單，對聲波的可控性增強。
4.本發(fā)明的聲頻定向揚聲器結構簡單，制造容易，成本低。


圖1是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器的整體結構示意圖，其中，1是支座，2是壓件，3是輻射材料。
圖2是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器裝配示意圖，其中，2是壓件，3是輻射材料，4是托架，5是背面板，6是通氣孔。
圖3是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器托架與背面板的局部放大示意圖，其中，r代表弧形的半徑，θ代表弧形的弧度，d1，d2分別代表陣列的最低處距背面板的距離，A，C和D分別為設計系數(shù)。。
圖4是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器無壓件的裝配示意圖，所述托架4的左右兩端與輻射材料3緊貼連接的面是平面。
圖5是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器支座的實施方案二，所述托架4的左右兩端與輻射材料3緊貼連接的面是凸面。
圖6是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器支座的實施方案三，所述托架4的左右兩端與輻射材料3緊貼連接的面是凹面。
圖7是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器的實施方式一，。
圖8是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器的實施方式二。
圖9是本發(fā)明聲頻定向超聲波揚聲器工作原理圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖7所示，一種聲頻定向超聲波揚聲器，其整體結構為凹形，由結構為矩形凹面的背面板和與其相應的托架和輻射材料等構成，其定向揚聲區(qū)域為向外發(fā)散的扇形。
具體實施方式
二如圖8所示，一種聲頻定向超聲波揚聲器，其整體結構為凸形，由結構為矩形凸面的背面板和與其相應的托架和輻射材料等構成，其定向揚聲區(qū)域為向外匯聚的扇形。
權利要求
1.聲頻定向超聲波揚聲器，包括支座(1)和輻射材料(3)兩部分，其特征在于，所述支座(1)包括托架(4)、背面板(5)和通氣孔(6)；托架(4)位于背面板四周，其上與輻射材料(3)緊貼連接在一起，其下與背面板(5)相連，其前后兩端與輻射材料(3)緊貼連接的面加工成為對稱的至少含有一個凹凸弧形相切連接的形狀；輻射材料(3)和背面板(5)之間形成諧振腔；通氣孔(6)位于背面板(5)上或托架(4)的側面上；所述輻射材料(3)為一種超聲波薄膜材料，至少包括三層結構中間的超聲波材料層和上下的電極層，其形狀由于與托架(4)緊貼連接而成為至少含有一個凹凸弧形相切連接的形狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，所述托架(4)的左右兩端與輻射材料(3)緊貼連接的面可以是平面，也可以是凸面，或者是凹面。
3.根據(jù)權利要求1、2所述的聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，它還可以包括壓件(2)，所述壓件(2)是一個與托架(1)相對應的結構件，通過它可以將輻射材料(3)更緊密地貼在托架(2)上并保證輻射材料(3)不至于變形。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，所述通氣孔(6)的形狀可以是橢圓形，圓柱形，矩形等任意形狀。
5.根據(jù)權利要求1、2或3所述的聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，所述輻射材料(3)為一種超聲波薄膜材料。
6.根據(jù)權利要求5所述的聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，所述超聲波薄膜材料可以是壓電薄膜材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，所述壓電薄膜材料可以是壓電陶瓷薄膜材料或者是壓電聚合物薄膜材料。
8.根據(jù)權利要求1、2或3所述的聲頻定向超聲波揚聲器，其特征在于，所述背面板(5)可以是矩形平面板或矩形凹面板或矩形凸面板。
全文摘要
聲頻定向超聲波揚聲器，屬于電子技術領域，特別涉及揚聲器技術領域。由支座、壓件和輻射材料組成。所述支座由托架、背面板和通氣孔組成。托架位于背面板四周，其上與輻射材料緊貼連接在一起，其下與背面板相連，其前后兩端與輻射材料緊連接的面加工成為對稱的至少含有一個凹凸弧形相切連接的形狀；輻射材料和背面板之間形成諧振腔；通氣孔位于背面板上或托架的側面上；所述輻射材料為一種超聲波薄膜材料，至少包括三層結構中間的超聲波材料層和上下的電極層，其形狀由于與托架緊貼連接而成為至少含有一個凹凸弧形相切連接的形狀。本發(fā)明的聲頻定向超聲波揚聲器具有指向性好，聲壓大，失真小，穩(wěn)定性好，構造簡單，成本低，易制造等特點。
文檔編號H04R17/00GK1812661SQ200510022430
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權日2005年12月29日
發(fā)明者徐利梅, 王袆, 焦麗華, 李應濤 申請人:電子科技大學