电声变换器的声压特性的温度补偿方法

本发明涉及作为将电信号变换为音响的蜂鸣器等授音装置而使 用的电声变换器的声压特性的温度补偿方法。

电声变换器是把电信号变换为声音的电-声变换装置。众所 周知，该种电声变换器是将电信号根据其频率变换成振动磁场，并 借助该振动磁场使振动板振动，再将该振动作为声音向外部放出， 电声以电信号作为声音源。这种电声变换器可以得到和输入电信号 对应的声音输出，所以，可作为蜂鸣器等授音装置用于电子仪器等 设备中。另外，这种电声变换器具有由结构及材料所决定的声压特 性，但该声压特性受温度的影响，温度变化对声音输出有影响。

已往，在驱动源中使用电磁线圈的电磁型电声变换器中，例如像 图6所示的那样，在由合成树脂形成的呈圆筒形的外壳2的内壁，沿 轴向设置多个凸棱3，在该凸棱3的下侧设有与外壳2的中心轴垂 直的振动板4。在该振动板4的前面，设有共鸣室6，在其背面，设有 使振动板4产生振动的驱动源8。在共鸣室中在与振动板4平行的 外壳2的闭塞壁面上，形成呈圆筒状的放音孔10。该放音孔10由向 共鸣室6的内侧突出的圆筒体形成，将共鸣室6向外界大气开放，用 来将振动板4振动时共鸣室6得到的声音向外部放出。

驱动源8是使振动板4产生声音振动的装置，通过端子12，14 接收外部供给的驱动电流，产生交变磁场，在该交变磁场的作用下， 振动板4产生声音振动。由该驱动源8激振的振动板4用可以磁化 的薄金属板形成，在其中央部位装有呈圆盘状的磁性片16。由于振 动板4是薄金属板，所以，该磁性片16是用来增加振动板4的质量 的，这时，为了和振动板4一起构成磁路，所以用磁性材料形成。另 外，振动板4固定在安装于外壳2内部的呈圆筒状的磁铁18的上 面，其边缘呈磁化状态。即，振动板4受到磁铁18的磁力作用而磁 化，在吸引力作用下被固定。另外，磁铁18被由可以磁化的金属形成 的将外壳2的背面封闭起来的底座20牢固地固定在外壳2的内部。 并且，在该底座20的背面固定着设置端子12，14的基板22，在该基 板22和底座20的中央部位，在磁铁18的中心轴上设有铁心24。铁 芯24呈圆柱状，在其端面和振动板4之间，形成空隙26，该空隙26 是容许进行磁耦合和振动的空间。在铁心24上，通过线圈骨架28绕 有线圈30，端子12，14和线圈30连接，通过端子12，14输入驱动电 流，作为产生振动的输入电流。

现说明上述电声变换器将电信号变换成声音时的动作。该电声 变换器是通过使振动板对应加在端子12、14上的交流信号即输入 电流进行振动，并将该振动作为声音放出的。总而言之，由于振动 板是磁性体，所以能被磁铁18磁化，并借助磁力被保持、固定在 磁铁上。另一方面，当输入电流即交流电流或断续电流流入端子 12、14时，线圈30产生与输入电流对应的振动磁场，该振动磁场 从铁芯24的端面侧作用到振动板4上。也就是说，由于振动板4在 磁铁18的作用下处于向一个方向磁化的状态，所以，该方向与来 自铁芯24的振动磁场便在同一方向和相反方向之间反复，其结果， 振动板4便在其与铁芯24之间的距离增减的方向上上下运动，也就 是产生振动。该振动依赖于来自铁芯24的振动磁场，并依赖于输 入电流的频率。于是，输入电流被变换成声音，该声音又通过共鸣 室6从放音孔10被放出。因此，根据该电声变换器，能把电信号变 换成声音。

在这种电声变换器中，声压特性在结构上主要由振动板4和共 鸣室6决定。振动板4的固有共振频率为fO，共鸣室6的固定共振频 率为fv。共振频率fo由振动板4的材质及形状、磁性片16的形状及质 量、空隙26的大小、磁铁18的磁力、振动板4的背面空间32的大 小、铁芯24的直径等诸多物理因素决定。共振频率fv由下式决定。即 $f_v=\frac{\mathrm{CD}}{4}\sqrt{1/\mathrm{\pi V}(L+0.75D)}---\left(1\right)$ 此(1)式为亥姆霍兹关系式。V是共鸣室的容积，D是放音孔10的直 径，L是放音孔10的长度，C是声速(约344000mm/sec)。因此，共振 频率fv由放音孔10的直径及其长度和共鸣室6的容积V决定。但 是，如果使放音孔10的直径及长度一定，则共振频率fv便只决定于共 鸣室6的容积V。

另外，在这种电声变换器中，以往，作为增强共振频率fo的声 压的对策，采取过两种方法，一种如图7所示，将共振频率fv设定为 共振频率fo的2倍(fv＝2fo)，另一种是为了增宽声压特性的频带，如 图8所示，将共振频率fv设定得略高于共振频率fo(fv＞fo)。对于前一 种方法，再生频率fw采用共振频率fo，对于第二种方法，再生频率fw设 定在fo～fv的范围内。

然而，这种电声变换器的声压特性随温度的变化很大，特性变 化的主要原因有以下几点：

a.由于驱动源8的关键部件即线圈30是用铜线等绕制成的， 所以，高温时内阻增大，使电流减小，电流产生的磁场减弱，导致振动 板4的驱动力减小。低温时，变化情况相反。也就是说，在低温时， 线圈30的内阻变小，因而使电流增大，所产生的磁场减弱(原文如 此--译注)，振动板的驱动力便增大。

b.高温时，由于和绕着线圈30的铁芯24具有磁耦合关系的磁 铁18的外形尺寸发生变化，所以，构成磁路的一部分的空隙26增 大，使磁效率降低，特别是使用塑性磁铁作为磁铁18时，磁效率的降 低更为显著。低温时，情况相反，磁效率增高。也就是说，在低温时， 由于磁铁18的外形尺寸发生变化，使空隙26变窄，因此，与高温 时相比，磁效率增高。

c.磁铁18的磁力在高温时有降低的倾向，在低温时有增大的 倾向。

因此，高温时，共振频率fo降低；低温时，由于和高温时的原因相 反，共振频率fo上升。

另外，对于共振频率fv，由于外壳2的形状和尺寸随温度而变 化，所以，共振频率fv也具有随温度而变化的特性，即，高温时上升，低 温时下降。

对于图7所示的频率设定(fv＝2fo)，这种共振频率fo，fv随温度的 变化如图9所示，高温时(TH＝85℃)，常温(TS＝25℃)时的共振频率 fo移动到fOH(＜fo)，常温时的共振频率fv移动到fVH(＞fv)。这时，常温 时的频率间隔fov扩大为fOVH(＞fov)，同时，由于上述a，b及c的主要 原因，声压显著降低。另外，低温时(TL＝-40℃)，常温时的共振频率 fo移动到fOL(＞fo)，常温时的共振频率fv移动到fVL(＜fv)。这时，常温 时的频率间隔fOV缩小为fOVL(＜fov)，同时，声压显著上升。这时，再 生频率fw的声压发生10dB以上的显著的声压变化，从而，有时不能 获得必要且足够的声音输出。

另外，在图8所示的频率设定的情况下，同样，共振频率fo，fv 随温度变化如图10所示，高温时(TH＝85℃)，常温时的共振频率fo 移动到fOH(＜fo)，常温(TS＝25℃)时的共振频率fv移动到fvH (＞fv)。所以，频率间隔fov扩大为fOVH(＞fov)，声压显著降低。另 外，低温时(TL＝-40℃)，常温时的共振频率fo移动到fOL (＞fo)，常温时的共振频率fv移动到fVL(＜fv)。所以，常温时的频 率间隔fOV缩小为fOVL(＜fOV)，同时，声压显著上升。这时，再生 频率fw的声压同样也发生10dB以上的显著的声压变化。

图11示出了先有的电声变换器的声压特性，TS，TH，TL分别是 25℃、85℃、-40℃时的声压特性。另外，图12是这些情况下的线 圈电流特性，TS，TH，TL分别是25℃、85℃、-40℃时的特性。这 时，在再生频率fw(2KHz～3KHz)下，-40℃和85℃的温度变化 时声压变动约为10dB。

这样，先有的声音变换器，由于声压特性随温度而变化，所以， 听觉上能感到随使用环境及季节的变化而变化。

在以往的电声变换器中，音压随着温度变化，其原因是，共振频 率fo、fv随着线圈内阻的变化、磁铁磁力的变化以及外壳尺寸的变 化而增减，这样又使音压特性发生变化，基于上述知识，因此，本发 明的目的是提供一种利用共振频率fo、fv的变化倾向对音压特性进 行温度补偿的温度补偿方法。

另外，本发明的另一个目的是不对先有的电声变换器的基本 结构作太大变动而补偿声压特性随温度的变化。

即，本发明的电声变换器的温度变化的衬偿方法是，在把振动 板设置在外壳内、在该振动板的前面设置共鸣室、在其背面设置驱动 源，由该驱动源使上述振动板发生振动并通过上述共鸣室将该振动 板的振动声向外放音的电声变换器中，将上述共鸣室的共振频率 (fv)设置得小于上述振动板的共振频率(fo)(fo＞fv)。

因此，在本发明中，振动板的共振频率fo和共鸣室的共振频率fv 的大小关系(fo＞fv)是以常温时为基准进行设定的。另外，共振频率fo 有在高温时上升、低温时降低的倾向，而共振频率fo有在高温时降 低、低温时上升的倾向。并且，高温时由于磁驱动力的减小，声压有降 低的倾向，低温时由于磁驱动力的增大，声压有上升的倾向。如果根 据这种共振频率和声压随温度的变化而增减的关系，将共振频率fv 设定得小于共振频率fo，则虽然高温时频率间隔变窄，声压由于磁驱 动力的减小而降低，但是，该声压的降低部分和由频率间隔变窄而引 起的声压增强的部分相互抵消，从而可以补偿声压的降低。另外，低 温时虽然频率间隔变宽，声压由于磁驱动力的增强而上升，但是，该 声压上升的部分和由频率间隔变宽而引起的声压降低部分相互抵 消，从而可以补偿声压的上升。即，共振频率的间隔的扩大缩小倾向 和先有的情况相反，由频率间隔的变化引起的声压变化和由磁驱动 力的增减引起的声压变化相互抵消，所以，可以补偿温度变化，从而 可以获得随温度变化小到可以忽略不计程度的声压特性。

下面，参照图示的实施例详细说明本发明。

图1是本发明电声变换器的声压特性温度补偿方法的一个实 施例。

图2是电声变换器的纵剖面图，该电声变换器是图1所示本 发明电声变换器的声压特性温度补偿方法的具体实施例。

图3是图2所示的电声变换器和先有的电声变换器的尺寸比 较剖面图。

图4是由图2所示的电声变换器得到的声压特性。

图5是由图2所示的电声变换器得到的线圈电流特性。

图6是先有的电声变换器的结构的纵剖面图。

图7是先有的电声变换器的声压特性。

图8是先有的电声变换器的声压特性。

图9是先有的电声变换器的声压特性随温度的变化。

图10是先有的电声变换器的声压特性随温度的变化。

图11是由先有的电声变换器得到的声压特性。

图12是由先有的电声变换器得到的线圈电流特性。

图中2--外壳，

4--振动板，

6--共鸣室，

8--驱动源，

fo--共振频率(振动板)

fv--共振频率(共鸣室)

图1是本发明的电声变换器的声压特性温度补偿方法的一个 实施例。该电声变换器存在固有的共振频率fo和共振频率fv，但是， 作为声压特性的温度补偿方法，将它们的大小关系设定为fo＞fv。即， 将共鸣室6的共振频率fv设定得小于振动板4的共振频率fo。

这两个共振频率fo，fv的大小关系在常温下设定，使得例如两者 的大小关系不会由于温度变化而发生逆转。即，本发明并不抑制各共 振频率fo，fv本身随温度的变化，而是根据各共振频率fo，fv随温度产 生的变化，即根据其变化方向来设定这两者的值，并且设定得各个值 在随温度变化而变化时，即使两者的值相互靠近，两者的值的大小关 系不会发生逆转仍存在一定的差值。因此，这种共振频率fo，fv的设定 方法是，由振动板4的材质及形状、作为附加质量用的磁性片16的 质量及形状、空隙26的大小、磁铁18的磁力、振动板4的背面空间 32的大小、铁芯24的直径等诸多物理因素决定共振频率fo，利用(1) 式决定共振频率fv。特别是，利用共鸣室6的容积调整共振频率fv。 即，共鸣室6的共振频率fv与共鸣室6的容积有很大关系，所以，通 过调整共鸣室6的容积可以很容易地调整共振频率fv。

这样，如果将共振频率fv，fo的大小关系设定为fo＞fv，则共振频 率fv在高温时(＝TH)上升，变为fVH(＞fv)；在低温时(＝TL)下降，变为 fVL(＜fv)。另外，共振频率fo在高温时降低，变为fOH(＜fo)，在低温时 上升，变为fOL(＞fo)。这样的关系，这是这种电声变换器具有的特 性，共振频率fv，fo的变化如图9和图10说明的那样，即使将共振频 率fv，fo设定为fo＞fv的关系，同样的关系也成立。

另外，设定fo＞fv时，如果高温时(＝TH)共振频率fv变为fVH (＞fv)，共振频率fo变为fOH(＜fo)，则共振频率fo，fv相互靠近，两者的 频率间隔fOVH将变得小于常温时的频率间隔fOV。

这时，参照图6所示的电声变换器，由于上述a，b，c的主要原 因，高温时随着磁驱动力的减小，声压将降低，但是，随着共振频率 fo，fv的增减，两者的频率间隔变为fOVH，缩小得小于频率间隔fOV(fOV ＞fOVH)，所以，在特性上可以增强声压。换言之，由频率间隔缩小引起 的声压增强的部分和由磁驱动力减小引起的声压减小的部分相互抵 消，所以，可以抑制先有那种声压显著降低的情况。

另外，如果低温时(＝TL)共振频率fv变为fVL(＜fv)，共振频率fo 变为fOL(＞fo)，则共振频率fo，fv随着增减而相互远离，两者的频率间 隔fOVL变得大于常温时的频率间隔fOV。

这时，图6所示的电声变换器由于上述a，b，c的主要原因，磁 驱动力增强，结果使声压上升。随着共振频率fo，fv的增减，两者的频 率间隔变为fOVL，变得大于频率间隔fOV(fOV＜fOVL)，所以，在特性上将 使声压降低。由频率间隔扩大引起的声压降低部分和由磁驱动力增 强引起的声压上升部分相互抵消，所以，可以抑制先有那种声压显著 上升的情况。

这样，通过将共振频率设定为fo＞fv，可以补偿声压随温度的变 化，从而可使再生频率范围内由温度引起的声压特性变化减小到可 以忽略不计的程度。

图2是本发明的电声变换器的声压特性温度补偿方法具体实 施例的电声变换器。该电声变换器具有和图6所示的电声变换 器相同的结构，相同的部分标以相同的符号。

该电声变换器在由合成树脂形成的呈圆筒形的外壳2的内壁 设置多个凸棱3，在该凸棱3的下侧，设置振动板4，振动板4与外壳 2的中心轴垂直。在该振动板4的前面，设置共鸣室6，在其背面设置 使振动板4产生振动的驱动源8。在共鸣室6中，在与振动板4平行 的外壳2的闭塞壁面上形成呈圆筒状的放音孔10。该放音孔10是 由向共鸣室6的内侧突出的圆筒体形成的放音部分，使共鸣室6向 外界大气开放，将共鸣室6得到的声音向外部放出。

驱动源8是使振动板4产生声响振动的部件，通过端子12，14 接收外部供给的驱动电源，产生交变磁场，在该交变磁场的作用下， 使振动板4产生音响振动。由驱动源8驱动的振动板4可以磁化的 薄金属板形成。在其中央部位，装有呈圆盘状的磁性片16。由于振动 板4是薄金属板，所以，磁性片16是用来给振动板4附加质量的质 量附加部件。这时，为了和振动板4一起构成磁路，磁性片16用磁性 材料形成，但是，只以增加质量为目的时，也可以使用非磁性材料片。

另外，振动板4以其呈磁化状态的边缘固定在安装于外壳2的 内部呈圆筒形的磁铁18的上面。即，振动板4在磁铁18的磁力作用 下被磁化，在吸引力作用下被固定。磁铁18被由可以磁化的金属形 成的将外壳2的背面封闭起来的底座20牢固地固定在外壳2的内 部。在该底座20的背面固定着设置端子12，14的基板22，在该基板 22和底座20的中央部位，在磁铁18的中心轴上设有铁芯24。铁芯 24呈圆柱状，在其端面和振动板4之间，形成空隙26，该空隙26构 成容许进行磁耦合和振动的空间。在铁芯24上，通过线圈骨架绕着 线圈30，该线圈30与端子12，14连接，作为输入电流，从端子12，14 供给交流驱动电流，使线圈30产生同振动板4交链的交变磁场。即， 磁铁18呈圆筒形，包围着驱动源8。另外，在该电声变换器中，由 振动板4、作为质量附加部件的磁性片16、驱动源8、磁铁18和底座 20形成闭合磁路。使用非磁性材料片作为质量附加部件代替磁性片 16时，应从闭合磁路中去掉质量附加部件。

将该电声变换器和图6所示的先有的电声变换器的形状进行 比较，则如图3所示，外壳2的直径(＝a)设定得相同，但是，外壳2 的高度b1小，共鸣室6在外壳2内占的容积比率大，即，将高度c1设 定得大。另外，磁铁18的高度d1设定得低，而其内径e1设定得大。b2， c2，d2，e2表示先有的电声变换器的对应部位，其大小关系为b1 ＜b2，c1＞c2，d1＜d2，e1＞e2。

这样，通过提高共鸣室6在外壳2中的容积比率，可以使共振频 率fv大大小于先有的数值，从而可以很容易地设定fo＞fv的关系。在 设定了这种关系的电声变换器中，可以得到与图1所示温度对应 的声压特性，将温度设定为TL＝-40℃，TS＝25℃，TH＝85℃时，可以 确认声压变化约为1dB，可以忽略。

图4是设定fo＞fv关系的电声变换器的声压特性，图5是它的 线圈电流特性。将温度设定为TL＝-40℃，TS＝25℃，TH＝85℃时，再 生频率的带宽fw(＝1.7KHz～2.2KHz)的声压特性随温度的变化， 可以抑制为约1dB，可以忽略不计，由此可知，可以补偿声压特性随 温度的变化。

如上所述，按照本发明，通过将共鸣室的共振频率设定得小于振 动板的共振频率，可以补偿温度引起的声压特性的变化，得到与温度 无关的稳定的声压特性，使用其特性随温度变化显著的塑性磁铁时， 也能获得稳定的声压特性。