带有泵致动器的发音器

                   技术领域

本发明的主题是一种用于通过吸音装置消除干涉的发音器，用于再现讲 话及音乐，并用于声音报警及信息信号。

                  背景技术

对于所述应用领域的传统的方案是带有其的多个特定形式的电动扩音 器。尤其是在低频范围内，这种技术的问题是由于大气中空气的弹性刚度而 需要较大的结构容积。用低音反射扬声器，实现了共鸣弹性减小，并通过它 减小了所包含的容积，尽管以频响和相位响应恶化为代价。特别是电动扩音 器的移动使用的缺点在于它们效率较差，且相关的负载周期(loading cycle) 短。其他的解决方案利用气动能量作为致动器。例如，带有旋转中断器板的 船的警报非常适于再现响亮且深远的声音混合音，但只用于重复的信号。也 存在空气调制装置，在它们中，压缩的空气流通过电动致动阀调制。为了确 保带有较低谐波失真因子的较好再现，调制比必须保持尽可能地小，即，声 学上不起作用的恒定气流部分相对振动分量尽可能高。这就以相同的比例恶 化了声音效率。几乎2倍的进一步的损失由下述事实产生，阀的调制不仅向 外界空间发出有用的声音，而且在空气管道中产生输出声音的回声。以这种 方式，损害了工作气压的恒定值，并因此恶化了谐波失真因子。

                      发明内容

本发明的目的是提供一种发音器，用于声音吸收(sound absorption)、 讲话、音乐和音频信号的再现，其具有较小的结构容积，并具有较好的不失 真的振幅响应和相位响应以及较高水平的效率。

根据本发明的主要特征，公知的用于空气、气体或流体的精密、微型及 纳米机械泵用于发音器的致动。得益于它们较小的尺寸，它们具有很短的反 应时间并因此能够传递产生声音信号所需的输出流q(t)和输出加速度 dq/dt＝q°(t)(q和q°的单位是m3/s和m3/s2，t是时间)。而传统的扩音器用较 大的薄膜面积和较小的振动振幅而工作，通过泵可以获得相同的输出加速度 (q°)及由此的声音辐射，但以非常小的声音辐射开口面积。结果，声音辐 射开口的尺寸比声音波长要小，因此，可以创建具有全方向特性的音频单极 辐射器，而不会带来扩音器的频谱方向特性和相位失真的麻烦。在自由场(free field)的条件下，输出加速度q°在距离r处的注入点产生的声压为p(r，t，- r/c)＝pq°(t)/4πr。如果发音器在横截面积A的一维通道内工作，声压公知为 p(r，t，-r/c)＝pcq(t)/A。对于二维或一般形状的几何体，为类似的条件。(c为 音速，p为在传播介质例如空气中的密度，r/c为声音传播时间)。

例如在G，Gerlach和W.Dotzel，C.hauser Verlag1997年发表的书“微系 统技术基础”中包含了微型及纳米机械泵的概要。在那也概述了其他微型及 纳米机械元件的发展状况，尤其是，阀、电机、振荡器、流量、压力和温度 传感器。

根据本发明另外的特征，具有较大输出压力的泵用于操纵发音器。通过 串联多个泵，可以进一步增大压差。压差越高，单极辐射器工作所需的缓冲 容积越小。与薄膜扩音器所需的腔相比较，压力增大可以用于显著地减小操 纵容积。结果，缓冲容积和空气导管与所发射的声波波长相比较小，并从而 只存在声抗，而没有阻力。因此，声音输出不会向后辐射，并因此不会损害 效率和再现。

根据本发明的另一特征，使用具有压和吸操作的双向泵。这就不需要空 气调制装置所需的静止气流(blind airflow)，以及其相关的功率损失。此 外，双向有助于恢复储存在缓冲容积内的正和负压力能量，从而，进一步增 加了效率，及移动装置的工作耐久性。

根据本发明的另一特征，来自泵的发音输出气流直接利用流量表或间接 利用缓冲容积内的压力和温度传感器测得，并基于理想值/真实值的比较加以 重新调整。所需的传感器也是微系统技术公知的。

根据本发明的另一特征，使用在相同频率振荡的泵和阀，它们的振荡频 率与要被辐射的可用的声音频率相比要高。该频率比越高，声音信号可以越 精确地再现。输出流的大小和信号的控制是通过泵和阀之间的相位和/或振幅 调整而实现的。如此，可以使用带有压电致动器的板簧或被相位可调整电机 及转动或往复阀驱动的活塞泵。

为了减小循环泵直接在声源工作而产生的周期性的固有的噪声，使用了 在时钟循环上偏置180°的双泵。这使奇数值的噪声谐波被抵销。以四极排列 的两个双泵超过偶极抵销。即使用在时钟循环上偏置120°的三个单独的泵， 也可实现四极抵销及有用的声音再现气流的理想平顺。周期性的固有的噪声 也可以通过声音吸收衰减来消除。其他的次级装置是吸收材料，λ/4及亥姆 霍兹谐振器以及声音过滤器以及消除高频固有噪声而不阻碍有用声音的网 络。

对于中频范围，也对于高频范围，容积问题变得不重要。也得益于小体 积的通过量，来自纳米技术领域的气泵就足够了。另外，带有频分网络的传 统的高频扩音器也是有可能的。

根据本发明的其他特征涉及其他应用。例如，泵出的气流可以被用于冷 却电子元件，或用于空气过滤和去湿。在很多情况下，现有的结构容积可用 作缓冲容积。例如，在带有讲话再现的计时器中，在表面和观察窗之间的显 示容积可以被利用。在其他情况下，其可以是控制电路之上的任意形状的容 积。

                  附图说明

本发明的主题将借助于若干示例加以说明。附图为：

图1到6是具有缓冲容积并由泵致动的发音器，其容积流量可以被控 制；

图7和8是具有缓冲容积并由恒输出泵致动且容积流量由阀控制的发音 器；

图9到12是具有缓冲容积和振荡泵输出，并具有振荡阀的发音器；

图13是在缓冲容积中具有动能存储的发音器；

图14是双极形式的发音器(立体声工作)；

图15到17是泵和阀的固有噪声的减小；

图18是音孔(sound aperture)的结构。

                   具体实施方式

在说明书中将用到以下的标识。(X为附图号)X0为发音器；X1为音 孔、声道；X2、X3、X4为泵单元、泵致动器、泵元件；X5为缓冲容积； X6、X7为调制单元、阀、阀元件；X8为用于流量、压力和/或温度测量的 传感器；X9为声音网络、保护膜、其他元件。

图1示出发音器10的基本结构，其包括气泵12和缓冲容积15。气泵 12的空气通过量-输出加速度q°(t)被一体的泵控制器16根据所需的声音信 号p(t)控制，并在紧急时通过声道11作为一单极声源。只要所辐射的声音的 波长比声道11的直径大，其就能用。通过多个这种单极点辐射器，可以以 公知的方式合成线、面及体辐射器。微型和纳米技术中存在具有足够高的工 作频率的泵系统，该泵也是双向的并适于压缩和吸取操作。另一泵口11′在 缓冲容积15内开口。在声学上，这与传统扩音器中的腔功能相同。另外， 在声道11内具有流量传感器18，经过它可以测得输出流量或输出加速度并 调整为目标值。对于间接流量测量，也可以采用在缓冲容积15内定位一压 力传感器。也为此目的，微系统技术已经尝试并测试准备使用的测量系统。 为了平衡气压波动和气泵12及流量传感器18的漂移误差，在缓冲容积15 内具有较高流动阻力的孔19。

对于图2内的发音器20，带有泵控制器26和泵介质24的泵22由薄膜 21和23密封。泵的介质24可以是空气、气体或液体。与图1中的开口环相 反，按需要提供了完全的气密封，例如，在与计时器一体的扩音器中。薄膜 21的体积变化在此用作声音发射器并由容积控制泵22致动。缓冲容积25也 作为均衡装置。其为球形，以便以最小的壁厚确保足够的体积刚度。

以正和负流量的体积控制-即，以压缩和吸取操作-减少了可能用的泵 系统的数量，因此，图3描述了带有两个相同泵32和32′的发音器30，这 两个泵彼此相反取向，具有相反的输出方向。(压缩)泵32将空气从缓冲容 积35经由开口31供给到外界空间，而反过来吸取通过开口31′经由(吸取) 泵32′在缓冲容积35内发生。对于声音辐射是决定性的开口31和31′的净流 量可以通过压力传感器38间接调节，其测量在缓冲容积35内的压力。为了 增大压力差，两个或多个(压缩)泵32和(吸取)泵32′一个接一个连接。 压力的加倍使得缓冲容积减半。根据图4的发音器40由多个压缩泵42和相 同数量的吸取泵42′构成。它们在分配给它们的音孔41和缓冲容积45之间 连接。压缩和吸取泵42和42′被设定为连续工作工况。发出的声音、产生的 输出流量在此只通过开或关的压缩和吸取泵42和42′的数量来控制。由于微 型和纳米机械元件的制造成本和时间基本上与它们的数量无关，用多个小泵 代替一个泵可能是优选的。通过减小尺寸，吸取和压缩泵42、42′的反应和 起动时间减少。为了覆盖较大的动力范围，优选地采用两种或多种泵尺寸。 这种分级方式也很好地适于对于低频和高频声音辐射的不同输出流量。

根据图5的具有缓冲容积55和压力传感器58的发音器50利用鞭毛泵 (flagella pump)原理致动。该原理实质上是用在Mastigophora或鞭毛虫推 进中。为此目的，多个用于机械横波的波导管52安装在音孔51的通道内。 在波导管52的端部具有振荡激励器54和54′。振动激励器54在波导管52 内以比要被辐射的声音频率高得多的频率产生弯曲或振动激励波，该波向音 孔51传播。该波与周围介质-例如空气或液体-的相互作用在介质上施加 力，并从而产生向音孔51的流动。通过振动激励器的输出，可以控制产生 声音的输出流量。以相同方式，在相反方向指向的输出流量由振动激励器54′ 控制。从鞭毛虫推动的原理已知的是可获得的相互作用力，由此输出空气或 液体量大，弯曲波的速度越小，波导管52的固有损失越销。由金属和纤维 加强(fibre-reinfored)的塑料制成的薄壁带和导线满足这些需求。总地来 说，当通过波导管52时，波还未完全消逝。如从消振技术所得知的(AVC 为主动振动控制)，振动激励器54和54′可以作为相互主动振动吸收器。

在图6中，发音器60由缓冲容积65，带有输出开口61的压缩泵62、 以及带有吸入开口61′的吸取泵62′构成。泵62和62′-例如Roots鼓风机型 -通过差动齿轮64由一个电机63致动。同样，在泵轴上定位有控制(制动) 电机66和66′。如果它们产生不同的转矩，那么-如由汽车差速器所得知的 -泵62和62′的转速及由此的输出容量可以被具体地调节。

根据图7和8的示例示出了由恒定输出泵致动的发音器70和80，其中 产生声音的气流的控制用阀来实现。在图7中，泵72将空气从负压容积75′ 中抽出而进入正压容积75中。控制阀76经过开口71将空气释放到外界空 间以被辐射出去。以类似的方式，空气经由泵76′通过开口71′抽出。泵72 的输出量取决于要被辐射的声音输出，并调节到该值。为了具有用于突然容 积增大的裕量，适宜的是有一定程度的储存。然而，在图8中，只有一个带 有恒定输出泵82以及转阀86和86′的缓冲容积85。通过阀86的设定角， 流到外界的空气与在缓冲容积85内的空气的比可以调节，与经由转阀86′吸 入的流量的情况类似。流到外界的净空气量给出了声音特征。为了在初级的 双极辐射器之外实现更高效的声音单极辐射器，空气流的变化通过缓冲容积 85再次平衡。音孔81和81′在腔内容积89之后，具有音孔81″的该容积89 包括低通滤波器，并抑制发音器80的高频固有声音。

图9到12中的示例具有比要被辐射的声音频率高的时钟频率的计时泵 (clocked pump)及阀。在图9中，泵活塞92和振荡阀96和97以相同频 率振荡。用虚线示出的位置代表在相反振幅位置的泵活塞92和振荡阀96和 97。为了避免反作用力-不希望的静力(blind force)-这三个元件92、 96和97都调整为相同的共振频率，尽管对于它们的相位和振幅可以彼此相 关地调节。这种类型的调节例如可以通过致动器实现。在图9中的元件92、 96和97的平面结构下，压电致动器是适宜的。由于相互间的相位位置，在 开口91处的声音的有效输出流量可以对于方向和大小而调节。基于要被辐 射的声音输出的输出流量通过泵活塞92的振动振幅来调节。在动力变化较 大的情况下，一定的输出过量是适宜的。取代用压电致动器的振动致动，泵 活塞92和转阀96、97可以设计为转阀形式(见图11)，并由相位可控电 机致动。为了再次获得单极辐射，提供了缓冲容积95。如果音孔91和91′ 在两个声音上分隔的空间内工作，这可以省略。这例如发生在若发音器90 构建在通道壁上，而音孔91和91′之一在通道空间内开口，一个向外侧空间 开口的情况下。

在图10中，发音器100的缓冲容积105被设计为λ/2共鸣器。通过振荡 活塞102，产生驻波。振荡阀106的固有频率被调谐到λ/2谐振。利用振荡 活塞102和振荡阀106的相位长度和振幅，容积流量也可以在孔101处对于 方向和量值加以控制。

在图11中，两个λ/2驻波由振荡活塞112触发而在容积115和115′内产 生，它们相位差180°。因此，在孔111和111′处，总是存在相反的声压。由 电机117以等于λ/2振荡的频率触发的阀板116具有开口，并在径向相对它 们的侧面封闭。在正压力下可接近音孔111的相位，空气输出到外侧；在负 压的相位，发生吸取作用。然而，在中间相位，在开口111和111′不产生气 流。在此，有用的产生声音的气流的相位和振幅也关于方向和大小加以控 制。

根据图12的示例是类似于根据图10的一维实施例的二维情况。两个正 交振荡活塞122和122′撞到二维缓冲容积125上并在水平和垂直方向激励λ/2 振荡。两个振荡阀126和126′调谐到振荡活塞122和122′的频率。通过它们 的相位，如在一维情况中一样，可以控制来自开口121和121′的产生声音的 空气流。

图13中的缓冲容积135不仅存储压能，而且存储动能。为此目的，在 缓冲容积135中的空气被基本恒定转动的转子132转动。在缓冲容积的周 围，布置有阀门136。空气在位置136′输出到外侧，而在相对的位置136″， 根据空气喷射泵的原理，旋转运动将空气从外侧吸入。该原理可以推知，在 待机状态的第二缓冲容积也被附着(attached)。

图14示出按需要的，例如再现立体声或实现声音偶极的两极形式的发 音器140。为此目的，两个独立的泵致动器142和142′设置有相关的扩音器 孔141和141′。每个单元可以根据图1到12之一而设计。取代单独的缓冲， 在此只设置了一个公共缓冲容积145。在极端情况下，其可以简化成连接管。 在多极扩音器系统中，用于所有的单独极，公共的缓冲容积也是优选地。相 同的原理应用到用于方向性声音辐射的阵列布置中。在缓冲容积145内的驻 波用声音吸收器149减震。

根据图15到17的实施例涉及消除泵和阀的周期性的及其他固有声音的 装置。在图15中，由破坏性干涉造成的抵销由于在时钟周期差180°的泵和 阀将两个开口151和151′联系在一起而发生。这种结构将单极辐射器转换为 不太有效的偶极。带有四极特性的四单元布置使周期性噪声进一步减小。而 有用的声音不受影响。在图16中，音孔通道161填充有声音吸收纤维材料 169。来自高频工作的泵和阀的不期望的声音比低频有用的声音受到更强烈 的减震。同时，吸灰可用纤维材料169实现。最后，在图17中，在此，扩 音器通道171设置有亥姆霍兹共振器179。以这种方式，可以吸收或缓冲周 期频率及其谐波，而不影响有用的声音。从而，也使扩音器通道171的声音 上有用的容积流量平稳。

在图18中，声道181是横截面扩张的。该扩口被设计为空气动力学的 扩散器并用于较大的输出流-即，以较大的流速-以确保双向压力平衡，而 没有产生损失的扩散。通过通道分层-在此未示出-即使用较短的通道长 度，也可以维持邻接的无旋涡的流动。在一般情况下，作为扩散器的声道181 的结构不满足声音喇叭的需求。而可以加上一个喇叭。最后，声道181设置 有防止灰尘和不期望的接触的保护隔栅。