專利名稱：微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，具體地說是一種微型受話器整體聲學(xué)結(jié) 構(gòu)設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
受話器是在通訊中以語言傳輸為目的的發(fā)聲器件。它將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號， 送入人耳。在假設(shè)電信號完美的情況下，聽者感受到的聲音質(zhì)量取決于受話器的 電聲性能以及受話器和人耳的耦合程度。因此，設(shè)計受話器的電聲性能，必須考 慮人耳的特性。和普通微型揚聲器電聲性能的設(shè)計方法有較大差別，微型受話器 的設(shè)計需要考慮包括受話器單元、單元的前后腔體、單元所在機殼、人頭的散射 和吸收、人耳的耦合等整個聲學(xué)結(jié)構(gòu)。
已有的微型受話器設(shè)計方法一般都集中在受話器單元聲性能的設(shè)計上。如采 用不同的換能方式(電動或者電磁式的)，采用不同的振膜形狀(圓的，橢圓的和 矩形的)，采用不同的振膜材料和磁路材料等。設(shè)計人員己經(jīng)注意到在設(shè)計受話器 時必須考慮泄漏情況下的人耳耦合。如2008年第7期《電聲技術(shù)》期刊上，奚愛軍 和金一棟發(fā)表了題為"微型揚聲器和受話器的仿真研究" 一文。該文主要研究了 微型揚聲器和受話器的等效電路仿真，考慮了受話器在不同大小泄漏情況下的人 耳耦合，給出了采用通用電路分析程序PSPICE的仿真結(jié)果。但這種方法不僅需要 利用電路分析程序PSPICE，而且無法直接根據(jù)設(shè)計目標(biāo)對設(shè)計進行優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。該方法通過電 力聲類比給出微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)的等效聲學(xué)線路圖。為了計算微型受話器 在人工耳內(nèi)的聲壓，首先根據(jù)人工耳的聲阻抗，分別求出受話器前蓋板及耦合腔、 盆架及耦合腔在振膜前后的等效阻抗，實現(xiàn)聲場和振動的解耦，從而能夠在考慮 振膜振動時不考慮聲的反作用，只需考慮其等效輻射阻抗。在振膜振動速度已知 后，求出整個聲源的體積速度，利用有關(guān)的公式，進而得到輻射出的總體積速度， 最后得到人工耳內(nèi)聲壓。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。
一種微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于該方法通過受話器總聲 學(xué)等效線路圖對聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，包括以下步驟 A)建立受話器總聲學(xué)等效線路受話器總聲學(xué)等效線路圖包括電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和聲系統(tǒng)；電系統(tǒng)包括磁鐵、音圈，信號源；信號源的電信號饋給音圈，導(dǎo)致帶有電流的音圈在磁鐵產(chǎn)生的磁 場中運動；機械系統(tǒng)包括振膜支撐系統(tǒng)、振膜和音圈；音圈連在振膜上，共同構(gòu) 成機械系統(tǒng)的主要質(zhì)量，振膜支撐系統(tǒng)將帶有音圈的振膜支撐在磁場中；聲系統(tǒng) 包括振膜前后的耦合空間和包含泄漏的人工耳；振膜驅(qū)動振膜前后空氣運動，產(chǎn) 生聲波，聲波將通過振膜前后的耦合空間向外輻射，振膜前的聲波將耦合到人工 耳中，而耳和振膜前的腔體的耦合有泄漏。
B)根據(jù)要求設(shè)計的在人耳中產(chǎn)生的聲壓特性，利用差分演化算法或基因算法 設(shè)計受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)，得到聲學(xué)線路圖的有關(guān)元件的值，包括受話器前蓋板 及耦合腔、盆架及耦合腔、振膜支撐系統(tǒng)、振膜、音圈、磁路、電路和和包含泄 漏的人工耳各子部分。
本發(fā)明中，將受話器總聲學(xué)等效線路圖分解為電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和聲系統(tǒng)三 個子系統(tǒng)。受話器的電系統(tǒng)包括磁鐵、音圈、信號源以及機械系統(tǒng)和聲系統(tǒng)的影 響。機械系統(tǒng)和聲系統(tǒng)的影響主要通過運動導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生的反電動勢表示出 來。其中eg，及g為信號源的電動勢和內(nèi)阻，及￡,丄￡和/分別為音圈的電阻、電感和 幾何長度。fi為磁場的磁感應(yīng)強度，由磁鐵特性和磁路設(shè)計(氣隙長度和截面) 等決定。電系統(tǒng)的總內(nèi)阻/^=^+/ ￡。由于是聲學(xué)等效線路圖，故電系統(tǒng)中的電 動勢、電阻和電感等需要按照電聲類比進行相應(yīng)變化。電動勢變?yōu)?eg5〃(^+J^Z￡)SD，電路中的電阻和電感變?yōu)槁晫W(xué)線路中的電阻和電容，公式分別 為(B/)2 /^(^)2和(Sd)2、 /(說)2 。其中Sfl是振膜的等效輻射面積；
機械系統(tǒng)主要由振膜支撐系統(tǒng)、振膜、音圈構(gòu)成。其機械阻尼為/^，包括振 膜支撐系統(tǒng)和振膜上的阻尼；C^為振膜支撐系統(tǒng)和振膜的總等效力順；M^^和 M^g分別為振膜和音圈等的質(zhì)量，A^,是M"與M^的和。
聲系統(tǒng)主要由振膜前后的耦合空間和包含泄漏的人工耳組成。其中M^和及^ 分別為振膜前腔的等效聲質(zhì)量和聲阻尼，而A^， i^分別為前蓋板上第一個小孔 的聲質(zhì)量和聲阻尼(由于小孔的長度引入的聲質(zhì)量和粘滯聲阻尼)，Mv和/^為 該小孔前的阻尼材料的聲質(zhì)量和聲阻。前蓋板上其它小孔的考慮類似，它們相互 并聯(lián)，相對應(yīng)的參量為A^、《t、 M^和及^等。接下來是含不同泄漏的人工耳的 各部分的聲元件，人工耳中各元件和參量的意義和具體數(shù)值可參閱相應(yīng)的國家或 者國際標(biāo)準(zhǔn)。為簡單起見，振膜后的聲學(xué)等效線路圖由于和前腔及前蓋板的類似， 故沒有重復(fù)，而用&整體代替。Po表示大氣壓，在聲學(xué)線路圖中表示接地。本發(fā) 明的受話器總聲學(xué)等效線路圖給出的僅是無泄漏的人工耳的聲元件，有泄漏的人 工耳的等效聲學(xué)線路圖可參考公開出版的文獻和技術(shù)手冊。
4聲系統(tǒng)中，計算輻射到人工耳的等效聲阻抗，其中包括漏聲的影響；然后針 對微型受話器前蓋板及耦合腔，計算振膜前的等效阻抗；針對微型受話器盆架及 耦合腔，計算振膜后的等效阻抗。各類聲阻抗的計算公式可參考公開出版的文獻 和技術(shù)手冊。
受話器磁路計算為根據(jù)任何公開出版的揚聲器磁路的公式計算給定條件下 在磁隙中的磁感應(yīng)強度。
音圈計算為利用大學(xué)物理基本知識，計算音圈質(zhì)量、圈數(shù)、電感、電阻和 音圈的電阻抗；計算電阻抗時，需要用到從前蓋及耦合腔、盆架及耦合腔模塊得 到的振膜前后的等效聲阻抗和從振膜部分得到機械阻抗，目標(biāo)為計算出電阻抗曲 線。
振膜計算為利用振動原理公式，結(jié)合從前蓋及耦合腔、盆架及耦合腔得到 的振膜前后的等效聲阻抗和從電磁部分耦合的阻抗，計算出阻抗曲線。
本發(fā)明通過利用差分演化算法等優(yōu)化算法，反向運用所提出的受話器總聲學(xué) 等效線路圖來優(yōu)化設(shè)計受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)，這包括受話器前蓋板及耦合腔、盆 架及耦合腔、振膜支撐系統(tǒng)、振膜、音圈、磁路、電路和和包含泄漏的人工耳各 子部分的設(shè)計優(yōu)化。本發(fā)明提供了一種可以用于編寫受話器設(shè)計軟件或者進行受 話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法。


圖1是本發(fā)明所述的受話器的等效聲學(xué)線路圖。
圖2是對某款受話器在IEC318 (無泄漏)、IEC711 (低泄漏)和IEC711 (高 泄漏)三種不同條件下通過本方法計算得到的耳中聲壓頻響曲線，其中①曲線對 應(yīng)著IEC318 (無泄漏)情況下的耳中聲壓頻響曲線，②曲線對應(yīng)著IEC711 (低泄 漏)情況下的耳中聲壓頻響曲線，③曲線對應(yīng)著IEC711 (高泄漏)情況下的耳中 聲壓頻響曲線。。
具體實施例方式
對某公司產(chǎn)品，已知其各部分的幾何尺寸和物理參數(shù)，利用本發(fā)明的等效聲 學(xué)線路圖，在IEC318 (無泄漏)、IEC711 (低泄漏)和IEC711 (高泄漏)三種不 同條件下通過本方法計算得到的耳中聲壓頻響曲線見圖2。
一種微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，該方法通過受話器總聲學(xué)等效線路 圖對聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，包括以下步驟
A)建立受話器總聲學(xué)等效線路受話器總聲學(xué)等效線路圖包括電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和聲系統(tǒng)；電系統(tǒng)包括磁鐵、音圈，信號源；機械系統(tǒng)包括振膜支撐系統(tǒng)、振膜和音圈；聲系統(tǒng)包括振膜前后 的耦合空間和包含泄漏的人工耳；
B)根據(jù)要求設(shè)計的在人耳中產(chǎn)生的聲壓特性，利用差分演化算法或基因算法 設(shè)計受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)，得到聲學(xué)線路圖的有關(guān)元件的值，包括受話器前蓋板 及耦合腔、盆架及耦合腔、振膜支撐系統(tǒng)、振膜、音圈、磁路、電路和和包含泄 漏的人工耳各子部分。
具體計算設(shè)計流程如下
(1) 根據(jù)圖1的聲系統(tǒng)部分，計算輻射到人工耳的等效聲阻抗，其中包括漏聲 的影響；然后針對微型受話器前蓋板及耦合腔，計算振膜前的等效阻抗； 針對微型受話器盆架及耦合腔，計算振膜后的等效阻抗。
(2) 微型受話器磁路計算根據(jù)揚聲器磁路的公式計算給定條件下在磁隙中的 磁感應(yīng)強度。
(3) 微型受話器音圈根據(jù)一般物理知識計算音圈質(zhì)量、圈數(shù)、電感、電阻和 音圈的電阻抗。計算電阻抗時，需要用到從前蓋及耦合腔、盆架及耦合腔 模塊得到的振膜前后的等效聲阻抗和從振膜部分得到機械阻抗，目標(biāo)為計 算出電阻抗曲線。
(4) 微型受話器振膜利用振動原理公式，結(jié)合從前蓋及耦合腔、盆架及耦合 腔得到的振膜前后的等效聲阻抗和從電磁部分耦合的阻抗，計算出阻抗曲 線。
(5) 利用圖1的聲學(xué)線路類比圖求出總體積速度C^，則總的人工耳內(nèi)聲壓 戶-U,Z二，其中Z:表示包括漏聲的仿真耳的總等效聲阻抗。相應(yīng)的聲壓 級為S尸丄-201ogi。(尸/2e-5)。
(6) 根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，采用差分演化算法或者基因算法等尋優(yōu)算法優(yōu)化設(shè)計等效 聲學(xué)線路圖的有關(guān)元件的值。
本發(fā)明提供了一種可以用于編寫受話器設(shè)計軟件或者進行受話器整體聲學(xué)結(jié) 構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法。
權(quán)利要求
1、一種微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于該方法通過受話器總聲學(xué)等效線路圖對聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，包括以下步驟A)建立受話器總聲學(xué)等效線路圖；受話器總聲學(xué)等效線路圖包括電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和聲系統(tǒng)；電系統(tǒng)包括磁鐵、音圈，信號源；信號源的電信號饋給音圈，導(dǎo)致帶有電流的音圈在磁鐵產(chǎn)生的磁場中運動；機械系統(tǒng)包括振膜支撐系統(tǒng)、振膜和音圈；音圈連在振膜上，共同構(gòu)成機械系統(tǒng)的主要質(zhì)量，振膜支撐系統(tǒng)將帶有音圈的振膜支撐在磁場中；聲系統(tǒng)包括振膜前后的耦合空間和包含泄漏的人工耳；振膜驅(qū)動振膜前后空氣運動，產(chǎn)生聲波，聲波將通過振膜前后的耦合空間向外輻射，振膜前的聲波將耦合到人工耳中，而耳和振膜前的腔體的耦合有泄漏。B)根據(jù)要求設(shè)計的在人耳中產(chǎn)生的聲壓特性，利用差分演化算法或基因算法設(shè)計受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)，得到聲學(xué)線路圖中有關(guān)元件的值，包括受話器前蓋板及耦合腔、盆架及耦合腔、振膜支撐系統(tǒng)、振膜、音圈、磁路、電路和和包含泄漏的人工耳各子部分。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于 步驟A)的聲系統(tǒng)中，計算輻射到人工耳的等效聲阻抗，其中包括漏聲的影響；然 后針對微型受話器前蓋板及耦合腔，計算振膜前的等效阻抗；針對微型受話器盆 架及耦合腔，計算振膜后的等效阻抗。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于 步驟B)中，受話器磁路計算為，根據(jù)揚聲器磁路的公式計算給定條件下在磁隙中 的磁感應(yīng)強度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于 步驟B)中，音圈相關(guān)計算為，計算音圈質(zhì)量、圈數(shù)、電感、電阻和音圈的電阻抗； 計算電阻抗時，需要用到從前蓋及耦合腔、盆架及耦合腔模塊得到的振膜前后的 等效聲阻抗和從振膜部分得到機械阻抗，目標(biāo)為計算出電阻抗曲線。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于 步驟B)中，振膜相關(guān)計算為，利用振動原理公式，結(jié)合從前蓋及耦合腔、盆架及 耦合腔得到的振膜前后的等效聲阻抗和從電磁部分耦合的阻抗，計算出阻抗曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法。該方法包括建立受話器總聲學(xué)等效線路圖；受話器總聲學(xué)等效線路圖包括電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和聲系統(tǒng)；電系統(tǒng)包括磁鐵、音圈，信號源；機械系統(tǒng)包括振膜支撐系統(tǒng)、振膜和音圈；聲系統(tǒng)包括振膜前后的耦合空間和包含泄漏的人工耳；根據(jù)要求設(shè)計的在人耳中產(chǎn)生的聲壓特性，利用差分演化算法或基因算法設(shè)計受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)，得到聲學(xué)線路圖的有關(guān)元件的值，包括受話器前蓋板及耦合腔、盆架及耦合腔、振膜支撐系統(tǒng)、振膜、音圈、磁路、電路和和包含泄漏的人工耳各子部分。本發(fā)明可以用于編寫受話器設(shè)計軟件或者進行受話器整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
文檔編號H04R31/00GK101562772SQ20091003033
公開日2009年10月21日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者邱小軍, 東 陳 申請人:南京大學(xué)