ES2208608T3 - Transductor. - Google Patents

Abstract

Un transductor de fuerza electromecánica que comprende un elemento resonante y medios de acoplamiento sobre el elemento resonante para montar el transductor a un sitio al cual la fuerza va a ser aplicada, caracterizado porque el transductor tiene un intervalo de frecuencia de operación pretendido, el elemento resonante tiene una distribución de frecuencia de modos en el intervalo de frecuencia de operación y los parámetros del elemento resonante son tales, que mejoran la distribución de modos en el elemento en el intervalo de frecuencia de operación.

Description

Transductor.

Campo técnico

La invención se relaciona con transductores, accionadores o excitadores, en particular pero no exclusivamente transductores para utilizarse en dispositivos acústicos por ejemplo, altavoces y micrófonos y está basada en la

\hbox{US-A-4,414,436.}

Técnica anterior

Se ha desarrollado un numero de mecanismos transductores, excitadores, o accionadores para aplicar una fuerza a una estructura, por ejemplo un radiador acústico o un altavoz. Existen varios tipos de estos mecanismos de transductor, por ejemplo, bobina de movimiento, imán de movimiento, piezoeléctricos o magnetorrestrictivos. Típicamente, los altavoces electrodinámicos que utilizan transductores del tipo de bobina e imán pierden 99% de su entrada de energía como calor mientras que un transductor piezoeléctrico puede perder tan poco como el 1%. De este modo, los transductores piezoeléctricos son populares debido a su alta eficiencia.

Existen varios problemas en los transductores piezoeléctricos, por ejemplo, ellos son inherentemente muy rígidos, por ejemplo en comparación con una hoja de latón, y de este modo son difíciles de acoplar a un radiador acústico, especialmente al aire. El aumento de la rigidez del transductor mueve el modo resonante fundamental a una frecuencia mayor. De este modo puede considerarse que tales transductores piezoeléctricos tienen dos intervalos de operación. El primer intervalo de operación se encuentra por debajo de la resonancia fundamental del transductor. Este es el intervalo "controlado por la rigidez" donde la velocidad se eleva con la frecuencia y la respuesta de salida usualmente necesita igualación. Esto conduce a una pérdida en la eficiencia disponible. El segundo intervalo es el intervalo de resonancia más allá del intervalo de rigidez, el cual generalmente es evitado debido a que las resonancias son más que feroces.

Además, la enseñanza general es suprimir resonancias en un transceptor, y de este modo los transductores piezoeléctricos son utilizados generalmente sólo en el intervalo de frecuencia inferior o en la resonancia fundamental de transductor. Donde los transductores piezoeléctricos son utilizados por encima de la frecuencia de resonancia fundamental, es necesario aplicar amortiguamiento para suprimir los picos de resonancia.

Los problemas asociados con los transductores piezoeléctricos se aplican igualmente a transductores que comprenden otros materiales "inteligentes", es decir materiales del tipo magnetorrestrictivos, electrorrestrictivos y electreto.

Es sabido de la EP 0993 231A de Shinsei Corporation como proporcionar un dispositivo generador de sonido en el cual el dispositivo de accionamiento de una placa de vibración acústica está arreglado entre el armazón de altavoz y la placa de vibración acústica. El dispositivo de accionamiento está comprendido de un par de placas de vibración piezoeléctricas arregladas o colocadas entre sí a través de una cierta distancia. Las periferias externas de las placas de vibración piezoeléctricas están conectadas entre sí por un separador anular. Cuando es aplicada una señal de accionamiento a las placas de vibración piezoeléctricas, las placas de vibración piezoeléctricas experimentan repetidamente movimientos de flexión donde sus centros se flexionan alternativamente en direcciones opuestas. En este momento, las direcciones de flexión de las placas de vibración piezoeléctricas son siempre contrarias entre sí.

Se sabe de la EP 0881 856A de Shinsei Corporation como proporcionar un vibrador y altavoz piezoeléctrico acústico utilizando lo mismo, donde una pieza de elastómero que controla la oscilación está unida a la periferia de una placa de oscilación piezoeléctrica. La pieza que controla la oscilación está formada de modo que una distancia entre un eje que pasa por un centro de la placa de oscilación piezoeléctrica, está perpendicular a una línea recta que conecta un centro de la placa de oscilación piezoeléctrica al centro de gravedad de la pieza de control de la oscilación, y una línea del centro de masa de la pieza que controla la oscilación varía a lo largo del eje, de modo que una masa de cada una de las secciones de la pieza que controla la oscilación dividida por una pluralidad de líneas rectas paralelas para una línea recta que conecta un centro de placa de oscilación piezoeléctrica al centro de gravedad de la pieza que controla la oscilación varía a lo largo de un eje que es perpendicular a la línea recta y pasa a través del centro de la placa de oscilación piezoeléctrica.

La US 4,593,160 de Murata Manufacturing Co. describe un altavoz piezoeléctrico que comprende un vibrador piezoeléctrico para vibrar en un modo de flexión, el cual está soportado de su posición intermedia longitudinal por un miembro de soporte, por lo que la primera y segunda porciones del vibrador piezoeléctrico sobre ambos lados del miembro de soporte están soportados respectivamente de forma voladiza. El vibrador piezoeléctrico está conectado en porciones cercanas a ambos extremos del mismo con un diafragma por medio de medios de acoplamiento formados por alambres, por lo que la vibración por flexión de vibrador piezoeléctrico es transferida al diafragma para accionar por lo tanto el diafragma. La posición del miembro de soporte con respecto al vibrador piezoeléctrico es seleccionado de modo que la frecuencia de resonancia de la primera porción sea menor que la frecuencia de resonancia correspondiente de la segunda porción, y la frecuencia de resonancia primaria (f1) de la seguida porción es seleccionada de modo que esté sustancialmente en el valor central de la primera secuencia de resonancia (F1) y la segunda frecuencia de resonancia (F2) de la primera porción de las coordenadas logarítmicas.

La US 4,401,857 de Sanyo Electric Co Limited describe un altavoz del tipo de cono piezoeléctrico que tiene una estructura múltiple en la cual una pluralidad de elementos piezoeléctricos y diafragmas de altavoz acoplados individualmente a ellos están arreglados coaxial o multicoaxialmente. El miembro de amortiguamiento está interpuesto entre un diafragma y otro, de modo que cada elemento esté aislado de las vibraciones de otro elemento.

La US 4,481,663 de Altec Corporation describe la red para acoplar una fuente eléctrica de señales de audio a un accionador piezocerámico para un altavoz de alta frecuencia. La red consiste de todos los elementos de una red de filtro de paso de banda, pero con la combinación en paralela de un inductor y un capacitor en la etapa de salida de filtro reemplazada por un autotransformador o autoinductor el cual transforma la impedancia de entrada del transductor piezoeléctrico en una capacitancia de residencia en paralelo equivalente la cual, junto con la inductancia del autotransformador, suministran la resistencia de carga para el filtro y reemplazo en el capacitor de inductor omitido de la etapa de salida de la red de paso de banda. Una resistencia en paralelo o derivación adicional puede ser colocada a través de la salida del autotransformador para obtener la resistencia a la carga efectiva deseada en la entrada del autotransformador.

La solicitud de patente británica GB2,166,02A de Sawafuji describe un altavoz piezoeléctrico que incluye una pluralidad de elementos vibrantes piezoeléctricos, cada uno de los cuales incluye una placa vibrante piezoeléctrica y un peso conectado cerca del punto del centro de gravedad de la misma a través de una capa viscoelástica, y que tiene una fuerza vibramotriz diseñada para ser tomada del borde externo de la misma, las cuales están conectadas en sus extremos periféricos entre y a través de conectores, estando uno de los elementos conectado en su borde periférico directamente a un radiador acústico del tipo de cono para dar a éste una fuerza vibramotriz principalmente en una porción de alta frecuencia, de los elementos restantes adyacentes a éste, produciendo una fuerza vibramotriz adaptada para compartir por las porciones de frecuencia media y baja para la energización del radiador acústico del tipo de cono.

Un objeto de la presente invención es producir un transductor mejorado.

Descripción de la invención

De acuerdo a la invención, se proporciona un transductor de fuerza electromecánico, por ejemplo para aplicar una fuerza que excita un radiador acústico para producir una salida acústica, el transductor tiene un intervalo de frecuencia de operación pretendido, que comprende un elemento resonante que tiene una distribución de modo de frecuencia en el intervalo de frecuencia de operación, y medios de acoplamiento sobre el elemento resonante para montar el transductor a un sitio al cual se va a aplicar fuerza. El transductor puede, de este modo, ser considerado un transductor modal pretendido. Los medios de acoplamiento pueden ser unidos al elemento resonante en una posición que sea benéfica para la actividad modal de acoplamiento del elemento resonante al sitio.

El elemento resonante puede ser pasivo y puede ser acoplado por medios de conexión a un elemento transductor activo, el cual puede ser una bobina de movimiento, un imán de movimiento, un dispositivo piezoeléctrico, magnetorrestrictivo o un electreto. Los medios de conexión pueden ser unidos al elemento resonante en una posición la cual es benéfica para mejorar la actividad modal en el elemento resonante. El elemento resonante pasivo puede actuar como una carga mecánica resistiva de baja pérdida cercana al elemento activo, y puede mejorar la transferencia de energía y acoplamiento mecánico del elemento activo a un diafragma al cual va a ser aplicada la fuerza. De este modo, en principio, el elemento resonante pasivo puede actuar como un almacén resonante a corto plazo. El elemento resonante pasivo puede tener frecuencias resonantes naturales bajas, de modo que su comportamiento modal sea satisfactoriamente denso en el intervalo en el que efectúa su carga y acción de acoplamiento para el elemento activo. Un efecto del acoplamiento cercano diseñado de un elemento activo a tal miembro resonante, es la combinación de la fuerza producida por el transductor más uniformemente sobre el intervalo de frecuencia. Esto es logrado por el acoplamiento transversal y el control de los valores de Q extremos y el resultado es una respuesta de frecuencia más uniforme, potencialmente mejor que los dispositivos piezo, simples.

De manera alternativa, el elemento resonante puede ser activo y puede ser un dispositivo piezoeléctrico, magnetorrestrictivo o electreto. El elemento piezoeléctrico activo puede ser pretensado, por ejemplo, como se describe en la Patente Estadounidense 5632841 o puede ser pretensado o desviado eléctricamente.

El elemento activo puede ser un bimorfo, o un bimorfo con un álabe o sustrato central o un unimorfo. El elemento activo puede ser fijado a una placa o diafragma de soporte que puede ser una chapa de metal delgada y puede tener una rigidez similar a la del elemento activo. La hoja de soporte es preferiblemente más grande que el elemento activo. La hoja de soporte puede tener un diámetro o ancho que sea dos, tres o cuatro veces más grande que el diámetro o ancho del elemento activo. Los parámetros de la placa de soporte pueden ser ajustados para aumentar la densidad modal del transductor. Los parámetros de la placa de soporte y los parámetros del elemento activo pueden ser ajustados de manera cooperativa para aumentar la densidad modal.

El miembro de resonancia puede ser perforado para no irradiar sonido indeseable. De manera alternativa, el miembro resonante puede tener una abertura acústica que sea pequeña para moderar la radiación acústica desde la misma. El miembro resonante puede, de este modo ser, de manera sustancial, acústicamente inactivo. De manera alternativa, el miembro resonante puede contribuir a la acción del montaje.

El tamaño de los miembros de acoplamiento puede ser pequeño, es decir, puede ser comparable con la longitud de onda de las ondas en el intervalo de frecuencia e operación. Esto puede mejorar el acoplamiento acústico de los mismos. Esto también puede reducir el efecto de abertura de frecuencia mayor; la posible disminución en el acoplamiento de la frecuencia o las ondas de flexión resultantes del acoplamiento. De manera alternativa, el área del miembro resonante puede ser elegida para limitar selectivamente la mayor frecuencia de acoplamiento, por ejemplo, para proporcionar una función de filtración.

Los parámetros, por ejemplo, la relación de aspecto, isotropía de la rigidez de flexión, isotropía del espesor y geometría del elemento resonante pueden ser seleccionadas para mejorar la distribución de los modos en el elemento resonante en el intervalo de frecuencia de operación. El análisis, por ejemplo, por simulación en computadora utilizando FEA o modelaje, puede ser utilizado para seleccionar los parámetros.

La distribución puede ser mejorada asegurando un primer modo del elemento activo cerca de la frecuencia de operación de interés más baja. La distribución también puede ser mejorada asegurando una densidad de modos satisfactoria, por ejemplo, alta, en el intervalo de la frecuencia de operación. La densidad de los modos es preferiblemente suficiente para que el elemento activo proporcione una fuerza promedio efectiva que sea sustancialmente constante con la frecuencia. Una buena transferencia de energía puede proporcionar una uniformidad benéfica de las resonancias modales.

En contraste, para transductores de la técnica anterior, los cuales comprenden materiales inteligentes y que están diseñados para operar por debajo de la resonancia fundamental de los transductores de la técnica anterior, la salida caería con la disminución de la frecuencia. Esto necesita un incremento en el voltaje de entrada para mantener la salida constante con la frecuencia.

De manera alternativa o adicional, la distribución de los modos puede ser mejorada distribuyendo los modos de la onda de flexión resonante de manera sustancialmente uniforme en frecuencia, es decir, para aplanar picos en la respuesta de frecuencia causada por el "amontonamiento" o agrupamiento de los modos. Tal transductor puede, de este modo, ser conocido como un transductor de modo distribuido o DMT.

Distribuyendo los modos, la resonancia de amplitud alta dominante usual del elemento resonante se reduce, y en consecuencia la amplitud del pico del elemento resonante también se reduce. De este modo, el potencial de fatiga del transductor se reduce y la vida de operación se prolongaría significativamente. Además, el potencial para una respuesta uniforme de un transductor del tipo de desplazamiento facilita la demanda eléctrica, reduciendo el costo del sistema accionado.

El transductor puede comprender una pluralidad de elementos resonantes, cada uno de los cuales tiene una distribución de modos, los modos de los elementos resonantes están arreglados para intercalarse en el intervalo de frecuencia de operación, y de este modo mejorar la distribución de modos en el transductor como un dispositivo completo. Los elementos resonantes preferiblemente tienen diferentes frecuencias fundamentales. De este modo, los parámetros, por ejemplo, la carga, geometría o rigidez a la flexión de los elementos resonantes pueden ser diferentes.

Los elementos resonantes pueden ser acoplados juntos, conectando medios en cualquier forma conveniente, por ejemplo sobre salientes generalmente rígidas, entre los elementos. Los elementos resonantes son acoplados preferiblemente en puntos de acoplamiento, los cuales mejoran la modalidad del transductor y/o mejoran el acoplamiento del sitio al cual va a ser aplicada la fuerza. Los parámetros de los medios de conexión pueden ser seleccionados para mejorar la distribución modal en el elemento resonante.

Los elementos resonantes pueden ser arreglados en una pila. Los puntos de acoplamiento pueden ser alineados axialmente. Los dispositivos resonantes pueden ser pasivos o activos o combinaciones de dispositivos pasivos y activos para formar un transductor híbrido.

El elemento resonante puede ser similar a una placa o puede ser curvo o plano. Un elemento resonante similar a una placa puede ser formado con ranuras o discontinuidades para formar un sistema multirresonante. El elemento resonante puede estar en forma de una viga, trapezoidal, hiperelíptico, o puede ser de forma generalmente discoidal. De manera alternativa, el elemento resonante puede ser rectangular, y puede curvarse fuera del plano del rectángulo alrededor de un eje a lo largo del eje corto de simetría. Tal transductor de geometría en banda plana, es ensañado en la Patente Estadounidense 5,632,841.

El elemento resonante puede ser modal a lo largo de dos ejes axialmente normales, teniendo cada eje una frecuencia fundamental asociada. La relación de las dos frecuencias fundamentales puede ser ajustada para una mejor distribución modal, por ejemplo 9:7 (\sim1.286:1).

Como ejemplos, el arreglo de tal transductor modal puede ser cualquiera de: un disco piezoeléctrico plano; una combinación de al menos dos o preferiblemente tres discos piezoeléctricos planos; dos vigas piezoeléctricas coincidentes; una combinación de múltiples vigas piezoeléctricas coincidentes; una placa piezoeléctrica curva; una combinación de múltiples placas piezoeléctricas curvas o dos vigas piezoeléctricas curvas coincidentes.

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La intercalación de la distribución de los modos en cada elemento resonante puede ser mejorada optimizando la relación de frecuencia de los elementos resonantes, a saber la relación de las frecuencias de tal resonancia fundamental de cada elemento resonante. De este modo, el parámetro de tal elemento resonante con relación a otro puede ser alterado para mejorar la distribución modal total del transductor.

Cuando se utilizan dos elementos resonantes activos en forma de vigas, las dos vigas pueden tener una relación de frecuencia (es decir una relación de frecuencia fundamental) de 1.27:1. Para un transductor que comprende tres vigas, la relación de frecuencia puede ser de 1.315:1.147:1. Para un transductor que comprende dos discos, la relación de frecuencia puede ser de 1.1+/- 0.02 a 1 para optimizar una densidad modal de orden superior que puede ser de 3.2 a 1 para optimizar la densidad de orden inferior. Para un transductor que comprende tres discos, la relación de frecuencia puede ser 3.03:1.63:1 o puede ser 8.19:3.20:1.

El transductor puede ser un transductor de fuerza electromecánica inercial. El transductor puede estar acoplado en un radiador acústico para excitar el radiador acústico para producir una salida acústica.

De este modo de acuerdo a un segundo aspecto de esta invención, se proporciona un altavoz que comprende un radiador acústico y un transductor modal como se definió anteriormente, estando el transductor acoplado vía medios de acoplamiento al radiador acústico para producir una salida acústica. Los parámetros de los medios de acoplamiento pueden ser seleccionados para mejorar la distribución de los modos en el elemento resonante en el intervalo de la frecuencia de operación. Los medios de acoplamiento pueden ser vestigiales, por ejemplo una capa controlada de adhesivo.

Los medios de acoplamiento pueden ser colocados asimétricamente con respecto al radiador acústico, de modo que el transductor se acople asimétricamente al radiador acústico. La asimetría puede ser lograda de varias maneras, por ejemplo ajustando la posición u orientación del transductor sobre el radiador acústico con respecto a los ejes de simetría en el radiador acústico o al transductor.

Los medios de acoplamiento pueden formar una línea de unión. De manera alternativa, los medios de acoplamiento pueden formar un punto o pequeña área local de unión donde el área de unión es pequeña con relación al tamaño del elemento resonante. Los medios de acoplamiento pueden estar en forma de una saliente o tener un diámetro pequeño, por ejemplo de 3 ó 4 mm. Los medios de acoplamiento pueden ser de baja masa.

Los medios de acoplamiento pueden comprender más de un punto de acoplamiento entre el punto resonante y el radiador acústico. Los medios de acoplamiento pueden comprender una combinación de puntos y/o línea de unión. Por ejemplo, pueden ser utilizados dos puntos o áreas locales pequeñas de unión, uno colocado cerca del centro y uno colocado cerca del borde de elemento activo. Esto puede ser útil para transductores similares a placas los cuales son generalmente rígidos y tienen frecuencias de resonancia general altas.

De manera alternativa, únicamente puede ser proporcionado un solo punto de acoplamiento. Esto puede proporcionar el beneficio, en el caso de un arreglo de elemento multirresonante, que la salida de todos los elementos resonantes se sume a través de un solo medio de acoplamiento, de modo que no sea necesario que la salida sea sumada por la carga, por ejemplo un radiador de altavoz. Aunque tal suma puede ser posible en un radiador de panel resonante, esto puede no ser cierto para un diafragma pistónico.

Los medios de acoplamiento pueden ser elegidos de modo que sean localizados en un antinodo sobre el elemento resonante y pueden ser elegidos para proporcionar una fuerza de medio constante con la frecuencia. Los medios de acoplamiento pueden ser colocados lejos del centro del elemento resonante.

La posición y/u orientación de la línea de unión puede ser elegida para utilizar la densidad modal del elemento resonante. Las líneas de unión preferiblemente no coinciden con una línea de simetría del elemento resonante. Por ejemplo, para un elemento resonante rectangular, la línea de unión puede estar desviada del eje corto de simetría (o línea central) del elemento resonante. La línea de unión puede tener una orientación la cual no es paralela a un eje de simetría del radiador acústico.

La forma del elemento resonante puede ser seleccionada para proporcionar una línea fuera del centro de unión que está generalmente en el centro de masa del elemento resonante. Una ventaja de esta modalidad es que el transductor está unido en su centro de masa y de este modo no existe desequilibrio inercial. Esto puede ser logrado por un elemento resonante de forma asimétrica que puede estar en forma de un trapecio o trapezoide.

Para un transductor que comprende un elemento resonante similar a una viga o generalmente rectangular, la línea de unión puede extenderse a través del ancho del elemento resonante. El área del elemento resonante puede ser pequeña con relación a la del radiador acústico.

El transductor puede ser utilizado para accionar cualquier estructura. De este modo el altavoz puede ser pretendidamente pistónico sobre algunas partes del intervalo de frecuencia de operación o puede ser un altavoz de onda de flexión. Los parámetros del radiador acústico pueden ser seleccionados para mejorar la distribución de los modos en el elemento resonante en el intervalo de la frecuencia de operación.

El altavoz puede ser un altavoz de modo de onda de flexión resonante que tenga un radiador acústico y un transductor fijo al radiador acústico para excitar los modos de onda de flexión resonante. Tal altavoz se describe en la Solicitud de Patente Internacional WO 97/09842 y otras solicitudes y publicaciones de patente, que puede ser referido como un altavoz de modo distribuido.

El radiador acústico puede estar en forma de un panel. El panel puede ser plano o puede tener un peso ligero. El material del radiador acústico puede ser anisotrópico o isotrópico.

Las propiedades del radiador acústico pueden ser elegidas para distribuir los modos de onda de flexión resonante de manera sustancialmente uniforme en frecuencia, es decir para aplanar picos en la respuesta de frecuencia causados por el "amontonamiento" o agrupación de los modos. En particular, las propiedades del radiador acústico pueden ser elegidas para distribuir los modos de onda de flexión resonante de menor frecuencia de manera sustancialmente uniforme en frecuencia. Los modos de onda de flexión resonante de menor frecuencia son, de manera preferible, de diez a veinte modos de flexión resonante de menor frecuencia del radiador acústico.

La ubicación del transductor puede ser elegida para acoplarse de manera sustancialmente uniforme a los modos de onda de flexión resonante en el radiador acústico, en particular a los modos de onda de flexión resonante de menor frecuencia. En otras palabras, el transductor puede ser montado en un lugar donde el número de antinodos de resonancia activa vibracional en el radiador acústico sea relativamente alto y por el contrario un número de nodos de resonancia sea relativamente bajo. Puede ser utilizado cualquiera de tales lugares, pero los lugares más convenientes son los lugares cercanos al centro entre el 38% al 62% a lo largo de cada uno de los ejes de longitud y anchura del radiador acústico, pero fuera del centro. Los lugares específicos o preferidos son 3/7, 4/9 o 5/13 de la distancia a lo largo de los ejes; se prefiere una relación diferente para el eje de la longitud y el eje del ancho. La longitud preferida es de 4/9, el ancho de 3/7 del panel isotrópico que tiene una relación de aspecto de 1:1.13 ó 1:1.41.

El intervalo de la frecuencia de operación puede estar sobre un intervalo de frecuencia relativamente alto y puede estar en el intervalo de audio y/o intervalo ultrasónico. También pueden existir aplicaciones para sumar y determinación de distancias de formación de imágenes o sonido donde un ancho de banda más ancho y/o una potencia posible mayor serán útiles en virtud de la operación del transductor de modo distribuido. De este modo, puede lograrse la operación sobre un intervalo mayor que el intervalo definido por una sola resonancia natural, dominante del transductor.

La menor frecuencia del intervalo de la frecuencia de operación se encuentra preferiblemente por encima de un límite inferior predeterminado el cual se encuentra alrededor de la resonancia fundamental del transductor.

Por ejemplo, para un elemento resonante activo similar a una viga, la fuerza puede ser tomada del centro de la viga, y puede ser acoplada a la forma del modo en el radiador acústico al cual está unida. De esta manera, la acción y reacción pueden cooperar para dar una salida constante con la frecuencia. Conectando el elemento resonante al radiador acústico en un antinodo del elemento resonante, la primera resonancia del elemento resonante puede parecer una impedancia baja. De esta manera, el radiador acústico no amplificará la resonancia del elemento resonante.

De acuerdo a una tercera modalidad de la invención, se proporciona un micrófono que comprende un miembro capaz de soportar la entrada de audio y un transductor modal como se definió anteriormente acoplado al miembro para proporcionar una salida eléctrica en respuesta a la energía acústica incidente.

De acuerdo a una cuarta modalidad de la invención, se proporciona una ayuda auditiva de conducción ósea que comprende un accionador modal como se definió anteriormente.

De acuerdo a una quinta modalidad de la invención, un método para producir un altavoz que comprende un radiador acústico resonante y un transductor modal como se definió anteriormente, comprende los pasos de analizar las impedancias mecánicas de los elementos resonantes y el radiador acústico, seleccionando y/o ajustando los parámetros del radiador y/o el elemento para lograr la modalidad requerida del elemento resonante y/o el radiador y para lograr una transferencia requerida entre el elemento y el radiador.

De acuerdo a una sexta modalidad de la invención, un método para producir un altavoz que comprende un radiador acústico resonante y un transductor como se definió anteriormente, comprende los pasos de analizar y/o comparar la variación de velocidad y la fuerza para un sistema acústico accionado modalmente dado, y seleccionar una combinación de valor de velocidad y fuerza para lograr una transferencia de energía elegida.

Breve descripción de los dibujos

La invención es ilustrada esquemáticamente, a manera de ejemplo, en los dibujos acompañantes en los cuales:

La figura 1 muestra una vista esquemática de un altavoz en forma de panel que incorpora la presente invención;

La figura 1a es un corte perpendicular a la línea A-A de la Figura 1;

La figura 2 es una vista plana esquemática del modelo parametrizado de un transductor de acuerdo a la presente invención;

La figura 2a es un corte perpendicular a la línea de unión del transductor de la figura 1;

La figura 3 es una gráfica de costo contra longitud de suspensión (%L) para el transductor de la figura 2;

La figura 4 es una gráfica costo contra relación de aspecto para el transductor de la Figura 2 montado al 44% a lo largo de su longitud.

La figura 5 es una gráfica de la simulación FEA de la respuesta de frecuencia para un altavoz en forma de panel de la figura 1 con un transductor montado el 44% y 50% a lo largo de su longitud;

Las figuras 6a y 6b son vistas planas esquemáticas de un transductor de acuerdo a otro aspecto de la invención;

La figura 7 es una gráfica de la función de costo contra AR y TR para el transductor de las figuras 6a y 6b;

La figura 8 es una respuesta de frecuencia para un solo transductor de viga piezoeléctrico;

La figura 9 muestra una vista lateral de un transductor de doble viga de acuerdo a una modalidad de la presente invención;

La figura 10 es una gráfica que muestra la respuesta de frecuencia de los transductores de la figura 8 y la figura 9;

Las figuras 11a A 11c son gráficas de costo contra \alpha (relación de frecuencia) para un transductor de doble viga, un transductor de triple viga y un transductor de triple disco, respectivamente;

La figura 11d es una gráfica de costo contra la relación de radios para un transductor de triple disco de acuerdo a otro aspecto de la invención;

La figura 12a es una vista lateral de un transductor de múltiples elementos de acuerdo a otro aspecto de la invención;

La figura 12b es una vista plana del transductor de la figura 12a;

La figura 13 es una gráfica de la función del costo contra la relación de aspecto para un transductor que comprende dos placas;

La figura 14 es una respuesta de frecuencia (presión de sonido (dB) contra frecuencia (Hz)) para tres transductores de diferente espesor montado sobre un panel;

La figura 15 es una respuesta de frecuencia (presión de sonido (dB) contra frecuencia (Hz)) para un transductor de acuerdo a la presente invención montado sobre tres paneles diferentes;

La figura 16 es una gráfica de fuerza, velocidad y energía contra carga variable;

La figura 17 es una respuesta de frecuencia para un transductor de acuerdo a la presente invención montado sobre un panel con/sin masas amortiguadoras agregadas;

La figura 18 es una vista lateral de un transductor de acuerdo a la figura 17;

La figura 19 es una vista lateral de un transductor de acuerdo a otro aspecto de la invención;

La figura 20 es una vista plana del transductor de la Figura 19;

Las figuras 21a y 21b son vistas laterales planas respectivas de acuerdo a un transductor de acuerdo a otro aspecto de la invención;

La figura 22 es una vista lateral de un transductor de acuerdo a otro aspecto de la invención;

La figura 23 es una vista lateral de un transductor encapsulado de acuerdo a otro aspecto de la invención;

La figura 24 es una vista lateral de un transductor de acuerdo a la invención montado sobre el cono de un altavoz pistónico; y

Las figuras 25a y 25b son vistas lateral y plana respectivas de un transductor de acuerdo a otro aspecto de la invención.

Descripción de la invención

La figura 1 muestra un altavoz en forma de panel (10) que comprende un radiador acústico en forma de un panel resonante (12) y un transductor (14) montado sobre el panel (12) para excitar la vibración de onda de flexión en el panel (12), como se enseña en la WO 97/09842. Los altavoces de panel de onda de flexión resonantes como se enseñan en la WO 97/09842 son conocidos como altavoces DM o DML. El transductor (14) está montado fuera del centro sobre el panel sobre los medios de acoplamiento (16) en una posición la cual 4/9nos de la longitud del panel y 3/7mos del ancho del panel. Esta es una posición óptima para aplicar una fuerza al panel de acuerdo a lo enseñado por la WO 97/09842.

El transductor (14) es un accionador piezoeléctrico pretensado del tipo descrito en la patente Estadounidense 5632841 (Solicitud de patente Internacional WO 96/31333) y producido por PAR Technologies Inc bajo la marca comercial NASDRIV. De este modo el transductor (14) es un elemento resonante activo.

Como se muestra en las figuras 1 y 1a, el transductor (14) es rectangular con una curvatura fuera del plano. La curvatura del transductor (14) significa que los medios de acoplamiento (16) están en forma de una línea de unión. De este modo el transductor (14) está unido al panel (12) únicamente a lo largo de la línea A-A. El transductor está montado en el centro es decir, que la línea de unión está a la mitad del camino a lo largo de la longitud del transductor a lo largo del eje corto de simetría del transductor. La línea de unión está orientada asimétricamente a aproximadamente 120º al lado largo del panel. De este modo, la línea de unión no está paralela a los ejes de simetría del panel.

El ángulo de orientación \theta de la línea de unión puede ser elegido modulando un transductor montado en el centro utilizando dos "medidas de mala calidad" para encontrar el ángulo óptimo. Por ejemplo, la desviación estándar de la magnitud de lodo (dB) de la respuesta es una medida del "rugosidad". Tales figuras de méritos/mala calidad son discutidas en la Solicitud Internacional WO 99/41839, para los presentes solicitantes.

Para el modelaje, el tamaño del panel se fija en 524.0 mm por 462.0 mm y para simplificar el modelo, el material del panel se elige de modo que sea óptimo para el tamaño del panel. Los resultados del modelaje muestran que, para un transductor montado en el centro, un cambio de ángulo de 180º no afecta y que el desempeño del altavoz no es indebidamente sensible al ángulo. Sin embargo, ángulos de orientación de aproximadamente 90º a 120º proporcionan una mejora puesto que simplifican relativamente bien para ambos métodos. De este modo, el transductor (14) deberá estar orientado hasta 30º hacia el lado largo del panel (12).

Cuando el transductor está montado sobre el panel a lo largo de una línea de unión a lo largo del eje corto a través del centro, las frecuencias de resonancia de los dos brazos del transductor coinciden.

Un modelo parametrizado de un transductor en forma de un elemento resonante activo se muestra en la Figura 2. En el modelo de la relación del ancho (W) a la longitud (L) del elemento resonante activo de la posición (x) del punto de unión (16) a lo largo del transductor puede variar. El elemento resonante activo es rectangular, con una longitud de 76 mm. La figura 2a ilustra el transductor modelado (14) montado sobre el panel (12) a lo largo de una línea de unión o central.

Los resultados del análisis se muestran en las figuras 3 y 4. La figura 3 muestra que el punto de suspensión óptimo tiene la línea de unión en 43% a 44% a lo largo de la longitud del elemento resonante. La función de costo (o medida de "mala calidad") se minimiza en este valor; esto corresponde a un estimado para el punto de unión a 4/9nos de la longitud. Además, el modelaje por computadora mostró que este punto de unión es válido para un intervalo de ancho de transductor. Un segundo punto de suspensión de 33% al 34% a todo lo largo de elemento resonante también parece ser adecuado.

La figura 4 muestra una gráfica del costo (o relación central de rms) contra la relación de aspecto (AR=W/2L) para un elemento resonante montado al 44% a lo largo de su longitud. La relación de aspecto óptima es de 1.06 +/- 0.01 a 1, puesto que la función de costo se minimiza en este valor.

Como antes, el ángulo óptimo de unión \theta al panel (12) puede estar determinado para un transductor optimizado, a saber, con una relación de aspecto de 1.06:1 y un punto de unión en 44% utilizando el modelaje. En un ángulo de 0º, la porción más larga de dos puntos del transductor hacia abajo. En este ejemplo modificado, la rotación de la línea de unión (16) tendrá un efecto más notable y puesto que la posición de unión no es ya simétrica. Existe la preferencia de un ángulo de aproximadamente 270º, es decir con el extremo más grande orientado hacia la izquierda.

Para completar, la respuesta de frecuencia de transductor unido tanto al 44% como el 50% de su longitud se midió como se muestra en la figura 5. La desviación del 44% mostrada en la línea (20) proporciona un bajo ligeramente más prolongado en el intercambio para pocas más ondas a mayores frecuencias que el transductor montado en la parte media mostrada en la línea (22).

Parece ser que el incremento de la densidad modal del accionamiento de desviación es comprometido por el desequilibrio inercial causado por una posición de unión la cual es más grande en el centro de masa del transductor rectangular. En consecuencia, se hicieron investigaciones para ver si el desequilibrio inherente podría mejorar sin perder la modalidad mejorada.

Las figuras 6a y 6b muestran un segundo ejemplo, a saber un transductor formado asimétricamente (18) en forma de un elemento resonante que tiene una sección transversal de forma trapezoidal. La forma del trapecio es controlada por dos parámetros AR (relación de aspecto) y TR (relación de derivación). La AR y TR determinan por el tercer parámetro, \lambda, de modo que se satisfaga alguna restricción - por ejemplo, masa igual a cualquier lado de la línea.

La ecuación de restricción para masa igual (o área igual es como sigue:

\int^{\lambda}_{0} \left( 1+2TR \left( \frac{1}{2} - \xi \right) \right) d\xi = \int^{1}_{\lambda} \left( 1+2TR \left( \frac{1}{2} - \xi \right) \right) d\xi

La anterior puede ser fácilmente resuelta por la TR o \lambda como la variable dependiente, para dar:

TR=\frac{1-2\lambda}{2\lambda (1-\lambda)} \ \ o \ \ \lambda = \frac{1+TR - \sqrt{1+TR^{2}}}{2TR} \approx \frac{1}{2} - \frac{TR}{4}

Se obtienen fácilmente expresiones equivalentes para igualar los momentos de inercia, o para minimizar el momento total de inercia.

La ecuación de restricción por el momento de inercia igual (o 2do momento de área igual) es como sigue;

\int^{\lambda}_{0} \left( 1+2TR \left( \frac{1}{2}-\xi \right) \right)(\lambda - \xi )^{2} \ d\xi = \int^{1}_{\lambda} \left( 1+2TR \left( \frac{1}{2} - \xi \right) \right)(\xi - \lambda)^{2} \ d\xi

TR=\frac{(\lambda^{2} - \lambda + 1)(2\lambda - 1)}{2\lambda^{4} - 4\lambda^{3} + 2\lambda - 1} \ \ o \ \ \lambda \approx \frac{1}{2} - \frac{TR}{8}

La ecuación de restricción para el elemento total mínimo de inercia es

\frac{d}{d\lambda} \left( \int^{\lambda}_{0} \left( 1+2TR \left(\frac{1}{2} - \xi \right) \right)(\lambda - \xi )^{2} d\xi \right)=0

TR=3-6\lambda \ \ o \ \ \lambda = \frac{1}{2}-\frac{TR}{6}

Una función de costo (medida de "mala calidad") graficada para los resultados de 40 ensayos de FEA con AR efectuando de 0.9 a 1.25 y TR efectuando de 0.1 a 0.5, con \lambda restringida para masa igual. El transductor se montó de este modo en el centro de masa. Los resultados se tabularon a continuación y se graficaron en la Figura 7 la cual muestra la función de costo contra AR y TR.

tr	\lambda	0.9	0.95	1	1.05	1.1	1.15	1.2	1.25
0.1	47.51%	2.24%	2.16%	2.16%	2.24%	2.31%	2.19%	2.22%	2.34%
0.2	45.05%	1.59%	1.61%	1.56%	1.57%	1.50%	1.53%	1.66%	1.85%
0.3	42.66%	1.47%	1.30%	1.18%	1.21%	1.23%	1.29%	1.43%	1.59%
0.4	40.37%	1.32%	1.23%	1.24%	1.29%	1.25%	1.29%	1.38%	1.50%
0.5	38.20%	1.48%	1.44%	1.48%	1.54%	1.56%	1.58%	1.60%	1.76%

La figura 7 y los resultados tabulados muestran que existe una forma óptima (marcada en el punto 28 en la figura 7) con AR=1 y TR=0.3, da \lambda cercana a 43%. Una ventaja del transductor trapezoidal es que el transductor puede ser montado a lo largo de la línea de unión que está en su centro de gravedad/masa pero no una línea de simetría. Tal traductor de este modo tendría ventajas de distribución modal mejorada, sin ser desequilibrado inercialmente.

En consecuencia, se aplicó un modelo de transductor trapezoidal utilizado al mismo modelo de panel que anteriormente, para encontrar la mejor orientación. De este modo, como anteriormente, el tamaño del panel se fijó en 524.0 mm por 462.00 mm y el material del panel se eligió de modo que fuera óptimo para el tamaño del panel. Los dos métodos de comparación utilizados anteriormente nuevamente seleccionan de 270º a 300º como el ángulo de orientación óptimo.

Una forma alternativa de optimizar la modalidad de un transductor es utilizar un transductor que comprende dos elementos activos, por ejemplo dos vigas piezoeléctricas coincidentes. Una viga tiene un conjunto de modos, partiendo de un modo fundamental, los cuales son definidos por la geometría y las propiedades del material de la viga. Los modos están muy ampliamente separados y limitan la fidelidad del altavoz utilizando el transductor por encima de la resonancia. De este modo, se selecciona una segunda viga con una distribución de modo que se intercala una frecuencia con la distribución modal de la primera viga.

Intercalando la distribución, la salida total del transductor puede ser optimizada. El criterio para la optimización se elija de modo que sea apropiado para las tareas a la mano. Por ejemplo, si la banda de paso para el transductor de dos vigas es sólo hasta los modos del 2do orden, éste no es sensible para optimizar la intercalación de los primeros diez modos, puesto que puede perjudicar a la optimización de los primeros 3 ó 4 modos.

Considerando como un ejemplo un primer bimorfo piezoeléctrico de 36 mm de longitud por 12 mm de ancho y 350 micrones de espesor total que tiene una resonancia de flexión fundamental a aproximadamente 960 Hz. Los primeros modos se dan en la tabla 1.

TABLA 1

No.	Frecuencia (Hz)
1	957
2	2460
3	5169
4	8530

El primer transductor fue montado sobre un panel pequeño y la respuesta de frecuencia se graficó en la Figura 8. Existen salidas fuertes (38) a 830 Hz y 3880 Hz, con depresiones (40) a 1.6 lHz de 7.15 kHz. Las frecuencias de la resonancia son menores que la predicha, probablemente debido a la dificultad de producir exactamente las propiedades mecánicas del material piezoeléctrico.

La respuesta tiene muchas depresiones amplias para ser útil puesto que existe la necesidad de reforzar la salida en las regiones alrededor de las depresiones (40). De este modo una viga con un conjunto complementario de frecuencias, sobre un conjunto que produce una respuesta de frecuencia con picos donde existen depresiones para el primer transductor sería ideal.

Un elemento piezoeléctrico corto tendría una resonancia fundamental mayor. Los modos para tal viga de 28 mm de longitud se muestran en una tabla 2 a continuación;

TABLA 2

No.	Frecuencia (Hz)
1	1584
2	4361
3	8531
4	14062

Pueden ser combinadas dos vigas para formar un transductor de doble viga (42) como se muestra en la figura 9. El transductor (42) comprende una primera viga piezoeléctrica (43) en la parte posterior en la cual se encuentra montada una segunda viga piezoeléctrica (51) conectando medios en forma de una saliente (48) localizada en el centro de ambas vigas. Cada viga es un bimorfo. La primera viga (43) comprende dos capas (44, 46) de diferente material piezoeléctrico y la segunda viga (41) comprende dos capas (50, 52). Las direcciones de rotación de cada capa de material piezoeléctrico son mostradas por flechas (49). Cada capa (44, 50) tiene una dirección de rotación opuesta a la otra capa (46, 52) en el bimorfo.

La primera viga piezoeléctrica (44, 46) está montada sobre una estructura (54), por ejemplo, un panel de altavoz de onda de flexión, acoplando medios en forma de una saliente (56) localizada en el centro de la primera viga. Las vigas podrían ser utilizadas sobre cualquier lado de un panel DML, posiblemente en diferentes lugares.

Montando la primera viga en su centro únicamente los modos de orden par producirán salidas. Localizando la segunda viga detrás de la primera viga, y acoplando ambas vigas centralmente por medio de una saliente puede considerarse que ambas accionan desde una posición alineada axialmente o coincidente.

Cuando los elementos son unidos, la distribución resultante de los modos no es la suma de dos conjuntos separados de frecuencias, debido a que cada elemento modifica los modos del otro. La frecuencia en la Figura 10 muestra la diferencia entre un transductor que comprende una sola viga (60), y uno que comprende dos vigas utilizadas juntas (62). Las dos vigas están diseñadas de modo que sus distribuciones modales individuales están intercaladas para mejorar la modalidad total del transductor. Las dos vigas se suman para producir una salida útil sobre un intervalo de frecuencia de interés. Ocurren depresiones estrechas locales debido a la interacción entre las vigas piezoeléctricas en sus modos de orden par individual.

La segunda viga puede ser elegida utilizando la relación de la resonancia fundamental de las dos vigas. Si los materiales y espesores son idénticos, entonces la relación de frecuencias es sólo el cuadrado de la relación de longitud. Si la f0 (frecuencia fundamental) mayor es colocada simplemente a la mitad del campo entre f0 y f1 de la otra, la viga más grande, f3 de la viga más pequeña f4 de la viga menor coinciden.

La figura 11a muestra una gráfica de una función de costo contra la relación de frecuencia para dos vigas que muestran la relación ideal es 1.27:1, a saber donde la función de costo es minimizada en el punto (58). Esta relación es equivalente a la relación de aspecto "dorada" (relación de f02:f20) descrita en la WO97/09482.

El método para mejorar la modalidad de un transductor puede extenderse utilizando tres vigas piezoeléctricas en el transductor. La figura 11b muestra una sección de una gráfica de una función de costo contra la relación de frecuencia para tres vigas. La relación ideal es 1.315:1.147:1.

El método de combinar elementos activos, por ejemplo vigas, puede extenderse al uso de discos piezoeléctricos. Utilizando dos discos, la relación de tamaño de los dos discos depende de cuantos modos sean tomados en consideración. Para una densidad modal de orden superior, una relación de frecuencia fundamentales de aproximadamente 1.1+/-0.02 a 1 puede dar buenos resultados. Para la densidad modal de orden inferior (es decir los primeros cuantos o primeros cinco modos), una relación de frecuencias fundamentales de aproximadamente 3.2:1 es buena. El primer espacio se encuentra entre el segundo y tercer modos del disco más grande.

Puesto que existe un espacio grande entre el primer y segundo modo radiales en cada disco, se logra una mejor intercalación con tres en lugar de dos discos. Cuando se arregla un tercer disco al transductor de doble disco, el primer objetivo obvio es cerrar el espacio entre el segundo y tercer modos de disco más grande que el caso anterior. Sin embargo, el progreso geométrico muestra que esta no es la única solución. Utilizando las frecuencias fundamentales de f0, \alpha.f0 y \alpha^{2}.f0, y graficando rms (\alpha,\alpha^{2}) (cuadrado del promedio de la raíz) en la Figura 11c, existen dos óptimos principales para \alpha. Los valores son aproximadamente 1.72 y 2.90, los dos mínimos (65) en la gráfica correspondiendo el valor al método de espacios obvio.

Utilizando las frecuencias fundamentales de f0, \alpha.f0 y \beta.f0 de modo que ambos escalamientos sean libres y utilizando los valores anteriores de \alpha sembrados anteriormente, se logran óptimos ligeramente mejores. El par de parámetros (\alpha,\beta) son (1.63, 3.03) y (3.20, 8.19). Estos óptimos son muy poco profundos, significando que son aceptables variaciones del 10%, o aún del 20%, en los valores del parámetro.

Un método alternativo para determinar los diferentes discos a ser combinados es considerado el costo como función de la relación de los radios de los tres discos. La Figura 11d muestra los resultados del análisis de FEA graficando tres diferentes funciones de costos contra la relación de los radios. En la Figura 11d, los tres discos son acoplados en conjunto aunque debe notarse que el análisis de los tres discos de manera aislada produce resultados similares.

Las tres funciones de costo son RSCD (relación de la suma de diferencias centrales), SRCD (suma de la relación de diferencias centrales) y SCR (suma de relaciones centrales mostradas por las líneas (64), (66) y (68) respectivamente. Para un conjunto de frecuencias modales, f_{0}, f_{1}, f_{n},...f_{N}, esas funciones son definidas como:

RSCD (R suma de CD):

RSCD = \frac{\frac{1}{N-1} \sum\limits^{N-1}_{n=1}(f_{n+1} + f_{n-1} - 2f_{n})^{2}}{f_{0}}

SCR=\frac{1}{N-1} \sum\limits^{N-1}_{n=1} \left( \frac{f_{n+1} \cdot f_{n-1}}{(f_{n})^{2}} \right)

SCRD (suma de RCD):

SRCD=\frac{1}{N-1} \sum\limits^{N-1}_{n=1} \left( \frac{f_{n+1} + f_{n-1} - 2f_{n}}{f_{n}} \right)^{2}

La relación de radio es óptima, es decir, donde la función de costo se minimiza, es de 1.3 en las tres líneas en ambas figuras 11d. Puesto que el cuadrado de la relación de los radios es igual a la relación de frecuencia, para esos discos de material y espesor idénticos, los resultados de 1.3*1.3=1.69, y el resultado analítico es de 1.67 concuerdan bien.

De manera alternativa o adicional, pueden ser incorporados elementos pasivos en el transductor para mejorar su modalidad total. Los elementos activos y pasivos pueden ser arreglados en una cascada. Las figuras 12a y 12b muestran un transductor de discos múltiples (70) que comprenden dos elementos piezoeléctricos activos (72) apilados con dos elementos resonantes pasivos (74) por ejemplo, placas delgadas de metal, de modo que los modos de los elementos activo y pasivos sean intercalados. Los elementos son conectados por medios de conexión en forma de salientes (78) localizadas en el centro de cada elemento activo y pasivo. Los elementos son arreglados concéntricamente. Cada elementos tiene diferentes dimensiones con los discos más pequeños y más grandes localizados en la parte superior e inferior de la pila, respectivamente. El transductor (70) está montado sobre un dispositivo de carga (76), por ejemplo un panel, por medios de acoplamiento en forma de una saliente (78) localizada en el centro del primer dispositivo pasivo que es el disco más grande.

El método para mejorar la modalidad de un transductor puede extenderse a un transductor que comprende dos elementos activos en forma de placas piezoeléctricas. Dos placas de dimensiones (1 por \alpha) y (\alpha por \alpha^{2}) están acopladas en (3/7, 4/9). La Figura 13 muestra una gráfica de la función de costo contra la relación de aspecto (\alpha) y el valor óptimo (75) para \alpha es 1.14. La relación de frecuencia es por lo tanto de alrededor de 1.3:1 (1.14 x 1.14 = 1.2996).

Además o como una alternativa para alterar las características modales del transductor, los parámetros del objeto, por ejemplo el panel, sobre el cual el transductor esta montado, pueden ser alterados para igualar la modalidad del transductor. Por ejemplo, considerando un transductor en forma de un elemento resonante activo montado sobre un panel, las Figuras 14 y 15 muestran como la respuesta de frecuencia difiere con el espesor del transductor y el espesor del panel, respectivamente. El elemento activo está en forma de una viga piezoeléctrica. La Figura 14 tiene tres respuestas de frecuencia (84), (86), (88) para una viga de 177 micrones, de 200 micrones y 150 micrones, respectivamente. La Figura 15 tiene tres respuestas de frecuencia (90), (92), (94) para un panel de 1.1 mm, 0.8 mm y 1.5 mm de espesor, respectivamente.

Las figuras 14 y 15 muestran la respuesta de frecuencia para una panel de 1.1 mm iguales la respuesta de frecuencia para una viga con un espesor 177 micrones. En consecuencia, una modalidad de una panel de 1.1 mm iguala a la de una viga de 177 micrones.

Aunque el transductor es modal, puede ser estimada su fuerza y la velocidad medias para cualquier carga e impedancia de panel. La energía mecánica máxima está disponible cuando el producto de la fuerza y la velocidad se encuentra en un máximo. El transductor puede ser utilizado para accionar cualquier carga y el valor de carga óptimo puede encontrarse graficando la velocidad (170), la fuerza (172) y la energía mecánica (174) contra la resistencia a la carga como se muestra en la Figura 16. La energía máxima (176) ocurre cuando la resistencia a la carga es de aproximadamente 12Ns/m, para una resistencia a la carga menor, la velocidad se incrementará y la fuerza disminuirá, y para una resistencia a la carga mayor, la velocidad disminuirá y la fuerza se incrementará.

La figura 17 muestra los resultados de agregar pequeñas masas (104) en el extremo del transductor piezoeléctrico (106) que tiene medios de acoplamiento (105) como se muestra en la Figura 18. En la figura 17 se muestran las respuestas de frecuencia (108, 110 y 112) para un transductor sin masa, una viga con dos masas de 0.67g un transductor con dos masas de 2g, respectivamente. Un haz con dos masas de 2g es igualada idealmente puesto que la respuesta de frecuencia (110) tiene menos variación en el intervalo medio (1kHz a 5kHz) que las respuestas de frecuencia (108, 112) para la ausencia de masas o masas de 0.67g.

En las figuras 19 y 20 el transductor (114) es un excitador de bobina de movimiento electrodinámico inercial, por ejemplo como se describe en la WO97/09842 que tiene una bobina de voz que forma una elemento activo (115) y un elemento resonante pasivo en forma de una placa modal (118). El elemento activo (115) está montado sobre la placa modal (118) y fuera del centro de la placa modal. La placa modal (118) está montada sobre el panel (116) por medio de un acoplador (120). El acoplador está lineado con el eje (z) del elemento activo pero no con el eje (119) normal al plano del panel (116). De este modo el transductor no coincide con el eje normal (z). El elemento activo está conectado a una entrada de señales eléctricas vía alambres eléctricos (122).

Como se muestra en la figura 20, la placa modal (118) está perforada para reducir la radiación acústica desde la misma. El elemento activo se localiza fuera del centro de la placa modal (118), por ejemplo, en la posición de montaje óptima, es decir (3/7, 4/9). Además, el transductor (114) está montado fuera del centro del panel (116), también por ejemplo, en la posición de montaje óptima, es decir (3/7, 4/9) . El transductor (114) de este modo no coincide con cualquiera de los dos ejes normales (X, Y) que están en el plano del panel (116).

Las figuras 21a y 21b muestran un transductor (124) que comprende un elemento resonante piezoeléctrico activo que está montado con medio de acoplamiento (126) en forma de una saliente a un panel (128). Tanto el transductor (124) como el panel (128) tienen relaciones de ancho a longitud de 1:1.13. Los medios de acoplamiento (126) no están alineados con ningún eje (130, X, Y, Z) del transductor del panel. Además, la colocación de los medios de acoplamiento se localiza en la posición óptima fuera del centro con respecto tanto al transductor (124) y el panel (128).

La figura 22 muestra un transductor (132) en forma del elemento resonante piezoeléctrico activo en forma de una viga. El transductor (134) está acoplado a un panel (134) por medio de acoplamiento (136) en forma de salientes. Una saliente se localiza hacia un extremo (138) de la viga y la otra saliente se localiza hacia el centro de la viga.

La figura 23 muestra un transductor (140) que comprende dos elementos resonantes activos (142, 143) acoplados con medios de conexión (144) y el recinto (148) el cual rodea los medios de conexión (144) y los elementos resonantes (142). De este modo se vuelve resistente a los choques de impacto. El recinto esta hecho de caucho un polímero comparable de baja impedancia metálica para no impedir la operación del transductor. Si el polímero resistente al agua, el transductor (140) puede hacerse a prueba de agua.

El elemento resonante superior (142) es más grande que el elemento resonante inferior (143) el cual está acoplado a un panel (145) vía un medio de acoplamiento en forma de una saliente. La saliente se localiza en el centro del elemento resonante inferior (143). Los acoplamientos de energía (150) para cada elemento activo se extienden desde el recinto para permitir una buena unión de audio al dispositivo de carga (no mostrado).

La figura 24 muestra un transductor (152) de acuerdo a la invención que aplica una fuerza a un diafragma para un altavoz pistónico. El diafragma está en forma de un cono (154) que tiene un vértice al cual está montado el traductor. El cono (154) está soportado sobre una placa reflectora (156) por medio de una terminación elástica (158).

Las figura 25a y 25b muestran un transductor (160) en forma de un elemento resonante activo en forma de placa. El elemento resonante está formado con ranuras (162) las cuales definen dedos (164) y de esta forma un sistema multirresonante. El elemento resonante esta montado sobre un panel (168) por medio de acoplamiento en forma de una saliente (166).

La presente invención puede ser vista como el reciproco del panel de modo distribuido, por ejemplo como se describe en la WO97/09842, dado que el transductor está diseñado para ser un objeto de modo distribuido. Además, la fuerza del transductor se toma desde un punto que normalmente sería utilizado como el punto de accionamiento de modo distribuido (por ejemplo la ubicación óptima de (3/7, 4/9)).

Aplicación industrial

La invención proporciona de este modo un transductor que tiene un desempeño mejorado y un altavoz o micrófono que utiliza el dispositivo.

Claims (50)

1. Un transductor de fuerza electromecánica que comprende un elemento resonante y medios de acoplamiento sobre el elemento resonante para montar el transductor a un sitio al cual la fuerza va a ser aplicada, caracterizado porque el transductor tiene un intervalo de frecuencia de operación pretendido, el elemento resonante tiene una distribución de frecuencia de modos en el intervalo de frecuencia de operación y los parámetros del elemento resonante son tales, que mejoran la distribución de modos en el elemento en el intervalo de frecuencia de operación.

2. El transductor según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de acoplamiento están unidos al elemento resonante en una posición la cual es benéfica para el acoplamiento de la actividad modal del elemento de resonancia al sitio.

3. El transductor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el elemento resonante es pasivo, y el transductor comprende conectar medios a través de los cuales el elemento resonante es acoplado a un elemento transductor activo.

4. El transductor según la reivindicación 3, caracterizado porque los medios de conexión están unidos al elemento resonante en una posición la cual es benéfica para mejorar la actividad modal de los medios resonantes.

5. El transductor según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, caracterizado porque el elemento activo se selecciona del grupo que consiste de una bobina de movimiento, imán de movimiento, dispositivos piezoeléctricos, magnetorrestrictivos, electrorrestrictivos y electreto.

6. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque el elemento resonante está perforado.

7. El transductor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el elemento resonante está activo.

8. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento resonante tiene una abertura acústica la cual es pequeña para moderar la relación acústica del mismo.

9. El transductor según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, caracterizado porque el elemento activo se selecciona del grupo que consiste de dispositivos piezoeléctricos, magnetorrestrictivos, electrorrestrictivos y electreto.

10. El transductor según la reivindicación 9, caracterizado porque el elemento activo es un dispositivo piezoeléctricos pretensado.

11. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones 5, 9 y 10, caracterizado porque el elemento activo es un dispositivo piezoeléctrico, el cual se encuentra montado sobre un sustrato similar a una placa, y donde el ancho del sustrato, es al menos dos veces el del dispositivo piezoeléctrico.

12. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento resonante es modal a lo largo de dos ejes sustancialmente normales.

13. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el tamaño de los medios de acoplamiento es comparable con o menor que la longitud de onda de las ondas en el intervalo de frecuencia de operación.

14. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el intervalo de frecuencia de operación del elemento resonante acoplado tiene una densidad de modos que es suficiente para que el elemento activo proporcione una fuerza promedio efectiva que es sustancialmente constante con la frecuencia.

15. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los parámetros son seleccionados del grupo que consiste de la relación de aspecto, isotropía de la rigidez de flexión, isotropía del espesor y geometría.

16. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento resonante es similar a una placa.

17. El transductor según la reivindicación 16, caracterizado porque la placa resonante está formada con ranuras o discontinuidades para formar un sistema multirresonante.

18. El transductor según la reivindicación precedente, caracterizado porque el o cada elemento resonante está en forma de viga.

\newpage

19. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque el o cada elemento resonante está generalmente en forma de disco.

20. El transductor según la reivindicación 16 o la reivindicación 18, caracterizado porque el elemento resonante es generalmente rectangular.

21. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque el elemento resonante es trapezoidal.

22. El transductor según la reivindicación 18 o la reivindicación 20, caracterizado porque el elemento resonante es curvo fuera del plano.

23. El transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende una pluralidad de elementos resonantes, cada uno de los cuales tiene una distribución de modos, estando los modos de los elementos resonantes arreglados para intercalarse en el intervalo de la frecuencia de operación, y medios de conexión para acoplar los elementos resonantes juntos.

24. El transductor según la reivindicación 23, cuando depende de la reivindicación 18, caracterizado porque comprende dos vigas que tienen una relación de frecuencia de 1.27:1.

25. El transductor según la reivindicación 23, cuando depende de la reivindicación 18, caracterizado porque comprende tres vigas que tienen una relación de frecuencia de 1.315:1.147:1.

26. El transductor según la reivindicación 23, cuando depende de la reivindicación 19, caracterizado porque comprende dos elementos discoidales que tienen una relación de frecuencia de 1.1 +/- 0.02 a 1.

27. El transductor según la reivindicación 23, cuando depende de la reivindicación 19, caracterizado porque comprende dos elementos discoidales que tienen una relación de frecuencia de 3.2:1.

28. El transductor según la reivindicación 23, caracterizado porque la pluralidad de elementos resonantes son similares a discos, y comprenden al menos tres de tales elementos discoidales.

29. El transductor según la reivindicación 28, caracterizado porque los tres elementos discoidales tienen una relación de frecuencia de 3.03:1.63:1 u 8.19:3.20:1.

30. Un transductor de fuerza electromecánica inercial según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

31. Un altavoz, caracterizado porque comprende un radiador acústico y un transductor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, estando el transductor acoplado al radiador acústico para excitar el radiador acústico para producir una salida acústica.

32. El altavoz según la reivindicación 31, caracterizado porque los parámetros de los medios de acoplamiento son seleccionados para controlar la distribución de modos en elementos resonantes en el intervalo de frecuencia de operación.

33. El altavoz según la reivindicación 31 o la reivindicación 32, caracterizado porque los medios de acoplamiento están colocados asimétricamente con respecto al radiador acústico.

34. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 33, caracterizado porque los medios de acoplamiento forman una línea de unión.

35. El altavoz según la reivindicación 34, caracterizado porque la línea de unión no coincide con una línea de simetría del elemento resonante.

36. El altavoz según la reivindicación 34 o la reivindicación 35, caracterizado porque la línea de unión no está paralela a un eje de simetría del radiador acústico.

37. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 36, caracterizado porque la forma del elemento resonante se selecciona para proporcionar una línea de unión fuera de centro que está generalmente en el centro de masa del elemento.

38. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 37, caracterizado porque la forma del transductor es trapezoidal.

39. El altavoz según la reivindicación 31 o la reivindicación 32, caracterizado porque los medios de acoplamiento forman un área local pequeña o punto de unión.

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40. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 39, caracterizado porque los medios de acoplamiento están colocados lejos del centro del elemento resonante.

41. El altavoz según la reivindicación 40, caracterizado porque los medios de acoplamiento están colocados en un antinodo del elemento resonante.

42. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 39 a 41, caracterizado porque los medios de acoplamiento comprenden más de un punto de acoplamiento entre el elemento resonante y el radiador acústico.

43. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 42, caracterizado porque el radiador acústico es pretendidamente pistónico sobre alguna parte de este intervalo de frecuencia de operación.

44. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 43, caracterizado porque el radiador acústico es capaz de soportar vibración de onda de flexión y el transductor excita la vibración de onda de flexión en el radiador acústico para producir una salida acústica.

45. El altavoz según la reivindicación 44, caracterizado porque el radiador acústico soporta los modos de onda de flexión resonante y el transductor excita los modos de flexión resonante.

46. El altavoz según la reivindicación 45, caracterizado porque los parámetros del radiador acústico son seleccionados para mejorar la distribución de modos en el elemento resonante en el intervalo de frecuencia de operación.

47. El altavoz según la reivindicación 45 o la reivindicación 46, caracterizado porque los parámetros del radiador acústico y los parámetros del elemento resonante son seleccionados de manera cooperativa para mejorar la distribución de modos en el altavoz en el intervalo de frecuencia de operación.

48. El altavoz según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 47, caracterizado porque el área del elemento resonante es pequeña con relación a la del radiador acústico.

49. Un método para producir un altavoz, que comprende un radiador acústico resonante y un transductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30, caracterizado porque comprende los pasos de analizar las impedancias mecánicas de los elementos resonantes y el radiador acústico, seleccionar y/o ajustar los parámetros del radiador y/o el elemento para lograr la modalidad requerida del elemento resonante y/o el radiador y para lograr la transferencia de energía requerida entre el elemento y el radiador.

50. Un micrófono, caracterizado porque comprende un miembro capaz de soportar una entrada de audio y un transductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30, acoplado al miembro para proporcionar una salida eléctrica en respuesta a energía acústica incidente.