靜電揚聲器的製作方法

2023-06-01 14:24:41 2

專利名稱：靜電揚聲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及靜電揚聲器。
背景技術：
揚聲器一般能夠分為三類，即靜電的(線圈和磁鐵)、壓電的和電容 性的。電磁揚聲器應用在諸如hi-fi系統、收音機、電視機和計算機等很 多裝置中。它們產生高質量聲音、生產便宜和好安置，然而它們具有相對 笨重的缺點，並且其在所產生的聲音的定向性上具有有限的控制。雖然電
磁揚聲器可以做到覆蓋的範圍從次音頻(10HZ)到聽覺範圍最高點(20HZ)，
但是如果需要高保真的再現，通常兩三個分開的揚聲器一起使用以橫跨整 個音頻頻率範圍。
基於壓電原理的揚聲器目前有相當大的影響，由於他們可以被用於生 產相對薄(幾毫米)的扁平的揚聲器，對於例如在飛機或者汽車中的空間 寶貴的地方特別地有優勢。然而，這種揚聲器生產相對昂貴並且不易彎曲， 限制了其使用的靈活性。
其它壓電聲源(具有非常低的聲音質量)被生產，這種壓電聲音源的 例子是被使用在唱歌聖誕卡中的單一形態。
近來，扁平板式揚聲器出現在市場上，其具有分布模源，提供更好的 定向性，該定向性已經可由先前揚聲器布置實現。這些揚聲器是扁平的，但 是仍然需要激勵機構(一般需要電磁裝置，但是使用壓電激勵的變化是可 能的)。這類轉換器具有最大尺寸，意味著(一些應用所需要的)大面積 源必須由這些裝置的整列來實現，限制了所述源的定向性。
靜電揚聲器常常被考慮用來提供高質量的音頻再現。 一般地，這種揚 聲器在兩個電極平面之間使用電傳導薄膜。操作期間，薄膜以高(直流) 極化電壓靜電地充電。如果(交流)音頻信號施加在兩個電極平面之間， 變化的電場將建立，其具有使振動膜以產生聲音的這中電壓的頻率來回移 動的效應。然而，這種揚聲器使用非常高的電壓(1000V和1000V以上)並
且需要大體積的外殼。它們還降低了低頻率(低音)響應。
W002/19764公開一種靜電音頻揚聲器，包括多層板，設有夾在第一和 第二導電外層之間的電絕緣中間層，所述層中至少一個具有在其與另一個 層的表面接觸處的成形表面，以及信號裝置，所述信號裝置用於在第一和 第二層上施加交流電壓，使得由於作用在層之間的靜電力的變化而開始振 動。這種揚聲器在很多應用中滿意地運行，但是，沒有提供最高質量的聲 音再現，或者對於給定驅動電壓沒有提供最高聲的輸出。

發明內容
本發明的目的是提供一種新穎的靜電揚聲器，其能夠比W002/19764 中公開的揚聲器有更好的質量和更高聲的聲音再現，並且能夠被用於多種 應用中，並且特別是用在空間或者重量是非常珍貴的應用，或者需要大區 域或定向的聲音源的應用。
根據本發明，提供一種靜電音頻揚聲器，所述揚聲器包括多層板， 所述多層板設有夾在第一和第二導電外層之間的電絕緣中間層，和信號裝 置，所述信號裝置用於在外層上施加交流電壓，使得由作用在所述外層之 間的靜電力的變化而開始振動。所述外層中的至少一個對於通過該振動而 位移的空氣是可透過的。 一個(或者多個)所述外層可以由諸如網絲的多 孔材料製成。而且所述層中的一個或者多個可以成形以增加聲音輸出和質 量，雖然這並不總是必須的。
這種揚聲器可以作為低成本音頻揚聲器，其可以做得重量輕並且可彎 曲，從而致使其適合於寬的範圍的應用。例如，這種揚聲器可以是大面積 片的形式，可以在家庭環境中在牆壁上或者靠近牆壁直接安裝以提供聲音 再現，而不需要笨重的外殼，或者諸如在火車站可能需要那樣直接安裝在 公共有線廣播系統中。而且，這種揚聲器會特別適合用於空間是特別珍貴 的應用中，例如用在筆記本電腦或者行動電話中，或者集成在薄膜可彎曲 顯示器中。因為揚聲器也可以做成透明的或者半透明的，因此可將其設在 計算機屏幕中或者汽車側窗戶中。由於這種揚聲器可以以低成本生產，其 也可以適合於新穎的物品，諸如聒噪的海報和說話或唱歌的卡片中。
該揚聲器能夠具有大(或者小)面積的聲源，以"平面活塞"模式操 作，能夠成形所述源，和能夠容易製造源陣列(以上全部是本發明實施例
的可能的特徵)，由此這允許聲音系統的設計者極好地控制聲音場的定向 性。例如，大的扁平的區域的源可以產生定向的聲音束，這在機場被需要 用於區域通知，即，只在特定區域內給出聲音消息，或者在超市中僅在產 品被展示的區域中被需要用於廣告產品。


為了更充分地理解本發明，以示例的方式參照附圖，其中 圖l是本發明優選的實施例的部分的局部剖視圖； 圖2是與本發明優選的實施例一起使用的驅動電路的概圖；禾口
圖3是與本發明優選的實施例一起使用的驅動電路的電路圖。
具體實施例方式
下面參照圖1和2說明根據本發明的揚聲器1的優選實施例。揚聲器l
包括多層板，所述多層板基本由三層或者更多層薄的、柔軟材料組成，並
且更具體地，電絕緣中間層2夾在頂和底導電外層3和4之間。中間層2是聚 合物膜，聚合物膜可選擇具有成形表面，所述表面具有與頂外層3接觸的 圓形凹陷(未顯示)。頂外層3包括薄聚合物膜，聚合物膜設置有通過已知 的諸如氣相澱積的金屬化過程應用到其外表面的金屬化層。雖然在圖l中 頂外層3顯示為單獨的層，這個外層3可以由通過傳統金屬化過程應用到中 間層2的後表面的金屬化層所代替。
頂外層3可由例如民用鋁箔、金屬化箔、敷有導電塗料層的紙或者銅 箔形成。然而，為了最大化揚聲器輸出，在外表面上設置有金屬化層的薄 聚合物膜是優選的。該聚合物膜具有非常低的質量，因而能夠更好地將其 運動耦合到產生聲音的空氣。在薄膜顯示器的情況下，顯示器自身可以用 作揚聲器中的層。
中間層2可以由例如紙、不透油的紙、布或者塑料形成。然而，似乎 如果使用聚合物膜則輸出是最佳的。通常，這個中間層2不需要為了優化 音頻再現而進行任何種類的成形。然而不排除這個層的成形。這個層可以 被永久地靜電充電以消除或者最小化所施加的直流偏壓。
而且，兩個導電外層的至少一個是多孔的，即是由揚聲器的振動產生 的空氣可透過的。在圖示實施例中，底外層4是薄的多孔導體膜，所述導 體膜包括規則的、穿過層4延伸的孔矩陣。使用多孔底層4有助於促進揚聲
器的膜的運動，因此這確保在絕緣中間層2的後面的局部真空形式的壓力 不平衡不會抑制其它膜的任何正向的運動。
例如，多孔底層4可以由直徑0. lmm的鋁線交織網形成，交織網包括在 一個方向延伸的平行編織線，該平行編織線利用斜紋編織樣式(斜紋編織 由各個編織線經由兩條編織線之上並且然後經由兩條編織線之下而形成) 與在垂直方向延伸的編織線編織在一起。所述線之間的孔徑的尺寸典型地 是O. llmrn，每英寸使用的線的數量典型地是120。由線直徑控制的開口面 積比是大約27%。
由實驗發現，通過一對精密輥壓所述網，從而，形成所述網的各個線 橫過它們的外表面而變平(其被稱為砑光或壓制)以增加來自揚聲器的聲 壓水平。
如圖2中圖解所示，直流電源7被設置用於在頂和底導電層3和4之間提 供例如300V的直流電壓。為了使所述層振動，信號發生器8連接在頂和底 導電層3和4之間而用於施加交互信號以驅動所述揚聲器1。雖然在圖2中未 示出，電容性的退耦裝置可以被用於分開直流和交流電壓。直流電壓使頂 外層3被拉到底層4上。當音頻(交流)信號通過信號發生器8施加在外層3 和4之間時，作用在層3和2之間的靜電力被引起改變，並且該改變又引起 所述層振動並且正在其上方的空氣產生所需要的聲音。
揚聲器的結構也是再現聲音質量的關鍵。當交流信號被施加時，兩個 導電層作為剛性活塞橫過整個區域振動以產生聲音。應該注意，由於導電 層之間的質量差異，多數振動可能產生在頂層中。直流偏壓的施加引起頂 層被拉在中間層上，中間層又被拉在底層上。當音頻信號被施加時，使作 用在所述層之間的靜電力改變，並且該改變又引起所述層振動。當所述層 在操作中作為整體移動時，重要的是所述層橫過它們的表面是一致的。由 例如摺痕或者鈹紋產生的任何輕微偏離，將改變由所述層在那點所經歷的 力，因而改變所述運動，並且導致再現音頻信號的失真。
由於電極的間隔小，因此這種揚聲器不需要傳統靜揚聲器因為靜電場 大而需要的大電壓。因此，雖然在一些情況中300V的較高電壓可以被需要 以產生更大的聲音振幅，但是合理小的電壓(例如36V)可以被使用以產 生這種電場。
在這種揚聲器的變化中，第一外層3可以成形，而不是中間層2成形， 或者除了中間層2成形之外，第一外層3也可以成形。在進一步的變化中， 通過將永久充電材料用於膜和/或中間層2，直流電源可以被完全取消。在 進一步的變化中，中間層通過諸如紙或者織物的薄的多孔材料片形成。多 孔中間層2的使用有助於頂層的運動，因為在所述層的後面的局部真空形 式的壓力不平衡不會抑制頂層的正向方向(即遠離中間層)的運動。對於 需要更大位移而且將產生更大的局部真空的低的聲頻特別如此。對於反向 方向(朝向中間層)的移動，諸如紙或者織物的材料的可壓縮性提供彈回 力，所述彈回力補充或者代替先前描述的鼓皮拉緊力。
圖3顯示了驅動電路，所述驅動電路用於驅動這種揚聲器，並具有音 頻輸入IO，所述音頻輸入10用於接收音頻輸入信號，所述信號將通過前置 放大器12放大。所述信號然後被施加到一對MOSFET (金屬氧化物半導體場 效應電晶體)13和14， M0SFET13和14通過電阻18、 19加偏壓，並且從電壓 供應幹線20供給電力，所述電壓供應幹線典型地連接到+ 200V電源。從這 個電路的輸出15被連接以驅動揚聲器。通過仔細地選擇電阻16、 17、 21， 所述輸出可以被調整到具有合適的直流偏壓和交流信號電壓。
由於所述層薄，根據上述發明的揚聲器不僅非常薄，即少於0.5Mi， 而且也是柔韌的，允許它們被容易地成形。這種成形可以用於配合揚聲器 以適合其環境，例如配合在有彎曲牆壁的房間內，或者配合在曲面的電腦 外殼或者屏幕中，或者這種成形可以用於修改發射的聲音場，例如通過做 成凹面以集中聲音或者做成凸面以擴散聲音。這種揚聲器能夠適於非常容 易地具有在空氣中的帶寬，所述帶寬大大超過可聽到的範圍，達到2MHz。 儘管這種揚聲器可能具有較差的低頻率響應，但是這能夠通過揚聲器組件 的細緻的設計而提高。
這種揚聲器的薄外形使其與傳統揚聲器比在空間珍貴的應用中，例如 在筆記本電腦和行動電話中，有更多優勢。而且，通過使用透明聚合物和 電極，可生產透明揚聲器面板，該面板可以被用在計算機屏幕前，從而在 聲音定向性方面有優點，該面板也可以被用在汽車窗戶中，兩種應用的目 的都是音頻再現和減少噪音。揚聲器的低重量與其薄外形一起，對於在航 空和航天或者其它專門應用中使用，或者對於音頻再現或者噪音消除，也
提供相當大的潛力。
所述揚聲器在從電信號產生聲音上固有地效率高，並且能夠因而被認 為是低功率。這在功率消費被非常重視的地方有特別的優勢，例如以電池 提供電力的裝置，諸如筆記本電腦、新穎聖誕片、或者甚至新穎音頻廣告 海報。諸如在搖滾音樂會處所聽到的，對於非常高功率的有線廣播系統， 具有高的電效率的揚聲器具有優點。
使用這種結構，以相對低的成本生產大區域的揚聲器的能力，也為家 庭音頻系統提供新穎的應用，允許揚聲器如壁紙一樣掛在牆壁或者天花板 上。在這點上，大區域聲音源對於這種音頻系統的聲音場具有潛在的優勢。 而且，如果永久地充電的聚合物膜連接到揚聲器的後部，靜電合力可以被 用於粘附所述揚聲器到牆壁上，使揚聲器能夠在需要時巻起並且移到新位 置。
或者通過切割所述片或者通過將後部電極用絲網印刷術印刷在多個 區域，使單個的揚聲器片分成單獨的元件也是相對簡單的任務。這將提供 如下能力，通過控制單獨的揚聲器元件以在攝影棚中提供所需要的音頻圖 像而產生非常高質量環繞聲音。
本發明的進一步的應用是噪音消除系統，在所述系統中，周圍噪音被 反噪音的產生而消除，所述反噪音是通過根據本發明的揚聲器元件產生 的。
權利要求
1. 一種靜電揚聲器，包括多層板，所述多層板設有夾在第一和第二導電外層(3，4)之間的電絕緣中間層(2)，和信號裝置(11)，所述信號裝置用於在外層(3，4)之間施加交流電壓以使得由於作用在所述外層(3，4)之間的靜電力的變化而開始振動，所述外層(3，4)中的至少一個對於通過該振動而位移的空氣是可透過的。
2. 根據權利要求l所述的揚聲器，其中至少一個外層(3， 4)設有穿 過其延伸的規則孔矩陣。
3. 根據權利要求1或者2所述的揚聲器，其中至少一個外層(3， 4) 是編織網的形式。
4. 根據權利要求l， 2或者3所述的揚聲器，其中偏壓裝置(10)被設 置用於在所述外層(3， 4)之間施加穩態偏壓。
5. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中信號產生裝置(11) 被設置用於在所述外層(3， 4)之間施加交流電壓。
6. 根據權利要求4或者5所述揚聲器，其中設置裝置，所述裝置用於 將通過偏壓裝置(10)施加的穩態偏壓與通過信號產生裝置(11)產生的 交流電壓電容性地去耦。
7. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中中間層(2)由聚 合材料製成。
8. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中至少一個外層(3， 4)包括導電膜，所述導電膜應用到電絕緣膜的外表面。
9. 根據權利要求8所述的揚聲器，其中所述膜由聚合材料製成。
10. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中中間層(2)具 有與第一外層(3)接觸的成形表面，並且所述第二外層(4)對於通過振 動移動的空氣是可透過的。
11. 根據權利要求10所述的揚聲器，其中中間層(2)設置有凹陷， 所述第一外層(3)在凹陷上延伸。
12. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中多層板具有少於 0.5im的厚度。
13. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中多層板是柔韌的。
14. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中多層板至少部分 地透明。
15. 根據上述任何一項權利要求所述的揚聲器，其中多個揚聲器設置 在單個板上。
全文摘要
本發明公開一種靜電揚聲器，包括多層板(1)，所述多層板(1)由電絕緣中間層(2)夾在第一和第二導電外層(3，4)之間結合而成。信號裝置(11)被設置用於施加交流電壓穿過外層(3，4)以開始振動，所述振動歸因於作用在所述外層(3，4)之間的靜電力的變化，因而作為揚聲器。而且，至少一個可滲透到空氣中的所述外層(3，4)通過這個振動而位移。這種揚聲器可以作為低成本音頻揚聲器，其可以做得重量輕並且可彎曲，或者大面積，從而使其適用範圍寬，例如其可以在居家環境中、廣播系統、或者在筆記本電腦或者行動電話中提供聲音再現而不需要笨重的外殼。
文檔編號H04R19/02GK101395957SQ200680053688
公開日2009年3月25日 申請日期2006年12月19日 優先權日2006年1月3日
發明者安德魯·彼特·麥德勒雷, 鄧肯·羅伯特·比爾山 申請人:沃威音響技術有限公司