МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ Российский патент 1995 года по МПК H04R9/00 H04R31/00 

Изобретение относится к электроакустическим преобразователям электродинамического типа с мембраной, несущей звуковую катушку, и более конкретно, к преобразователям, помещаемым в слуховой канал и предназначенным для слуховых аппаратов.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является мембранный электродинамический преобразователь, содержащий корпус, выполненный в виде двух чашек с отверстиями для прохода воздуха в донышках, на внутренних поверхностях которых соосно установлены низкие цилиндрические магниты, намагниченные вдоль оси и обращенные друг к другу одноименными полюсами, между магнитами организован зазор, торцами чашек закреплена мембрана, основа которой немагнитная изоляционная пленка с помещенной на ней звуковой катушкой, выполненной в виде токопроводящих спиралей, на обеих сторонах пленки соединенных в катушку через центр. Катушка сосредоточена только в области проекции магнитов на мембрану, часть кольцевой площади мембраны до контура закрепления свободна от катушки и на части площади образовано кольцевое гофрирование. Магнитное поле в плоскости пленки вне проекции магнитов ничтожно по сравнению с полем под магнитами: так распределено поле потому, что высота магнитов много меньше, чем расстояние от ребра магнита до контура закрепления пленки, поэтому магнитный поток замыкается по более короткому пути. В такой конструкции отсутствие витков на пленке за пределами проекции магнитов естественно, но это снижает эффективность преобразователя, т.е. величина удельной звуковой энергии, снимаемой со всей поверхности пленки меньше, чем если бы магнитное поле было по всей поверхности и на всей же поверхности была бы звуковая катушка.

Целью изобретения, с учетом области применения, является получение преобразователя:
не имеющего магнитного поля вокруг себя;
габариты которого позволяют поместить в слуховой канал два преобразователя, один в качестве микрофона, второй в качестве телефона;
используемого как телефон, энергетически согласованного с усилителем слухового аппарата со стандартными источниками питания 1,2-1,5В без применения каких-либо согласующих устройств, т.е. обеспечивающего номинальное звуковое давление не меньше 130 дБ и обладающего таким КПД, при котором потребление не превышает обычного для слуховых аппаратов 1,8 мА;
используемого как микрофон, имеющего чувствительность около 1 мВ/Па, что обеспечивает коэффициент шума не хуже типового 25 дБ;
обладающего качествами, присущими электродинамическим преобразователям, т. е. малыми нелинейными искажениями и широкой полосой воспроизводимых частот;
по возможности простого в изготовлении и надежного, в котором мембрана плоская, без профилирования, нет деталей, обеспечивающих сборку, а сборка производится пайкой;
позволяющего применять магниты с очень высокой удельной энергией, но чувствительных к температуре, без размагничивания их в процессе сборки;
позволяющего применять магниты простой, с точки зрения изготовления, формы квадратного сечения.

Указанные цели достигаются тем, что в предлагаемом мембранном электродинамическом преобразователе, содержащем корпус, выполненный в виде двух чашек с отверстиями для прохода звука в донышках, на внутренних поверхностях которых соосно установлены магниты, намагниченные вдоль оси и обращенные друг к другу одноименными полюсами, между магнитами оставлен зазор; торцами чашек закреплена мембрана, основой которой служит немагнитная изоляционная органическая пленка с помещенной на ней звуковой катушкой, выполненной на обеих сторонах пленки в виде токопроводящих спиралей, соединенных в катушку через центр;
корпус выполнен из магнитомягкого материала, а диаметр и высота выбраны такими, при которых расстояние "А" от края свободного торца магнита до внутренней поверхности вблизи края торца чашки меньше, чем до любых других точек внутренней поверхности корпуса, кроме этого для ее большей концентрации поля в плоскости мембраны у торцевой поверхности каждой чашки с внутренней стороны предусмотрен клинообразный поясок;
магниты, как вариант, могут изготавливаться квадратного сечения;
мембрана выполнена плоской;
катушка занимает всю поверхность мембраны, а витки представляют собой окружности с центром на оси изделия, причем витки одной стороны являются зеркальным отражением витков другой стороны в плоскости, разделяющей пленку пополам, и этим расположением освобождается от металлизации примерно половина поверхности пленки, несущей подвески с необходимыми упругими свойствами, соседние витки соединяются перемычками, расположенными по радиусу;
мембрана по краю снабжена с двух сторон металлическими кольцами, обеспечивающими при помощи пайки их к чашкам электрическое соединение выводов катушки и механическое соединение мембраны с чашками;
донышки чашки выполнены, как вариант, отдельно и крепятся при помощи, например, клея, что позволяет избегать нагрев магнитов;
а способ сборки преобразователя состоит в том, что чашки и мембрана в нужном порядке загружаются в приспособление, представляющее собой цилиндр, цилиндр разогревают до температуры плавления припоя, которым предварительно покрыты торцовые поверхности чашек и вся металлизация мембраны, включая в монтажные кольца (как вариант, металлизация катушки может быть покрыта золотом), выдерживают в течение времени, необходимого для расплавления припоя на всех деталях, снижают усилием большим усилия расталкивания магнитов, после чего прекращают нагрев и охлаждают естественным путем до температуры окружающей среды, снимают сжимающее усилие.

На фиг.1 представлен предлагаемый мембранный электродинамический преобразователь, общий вид; в масштабе 10:1, с частичным разрезом по сечению, проведенному через ось изделия; на фиг.2 фронтальный вид мембраны, фрагмент вокруг центра, масштаб 100: 1; на фиг.3 тот же фрагмент, вид с противоположной стороны; на фиг.4 фрагмент мембраны, сечение, проведенное через ее центр и перпендикулярно ее плоскости, масштаб 500:1; на фиг.5 область I фиг. 1, масштаб 100:1, элементы мембраны в направлении толщины в масштабе 500:1.

Мембранный электродинамический преобразователь содержит корпус, выполненный в виде двух чашек 1 из магнитомягкого материала и служащих магнитопроводом, причем толщина стенок сделана такой, что любая точка их объема далека от насыщения. Отверстия 2 в донышке 3 служат для прохода звука. На донышках установлены магниты 4 одноименными полюсами друг к другу. Торцами чашек 1 закреплена мембрана 5, основа 6 которой немагнитная изоляционная органическая пленка (лавсан, полиимид). На основе 6, на обеих сторонах, методами вакуумного напыления, фотолитографии и гальванического осаждения изготовлена металлическая конфигурация 7, включающая в себя витки катушки, центр, служащий для соединения катушки в целое, и контактные кольца 8, приходящиеся под торцы чашек. Для уменьшения расстояния "А" предусмотрен клинообразный поясок 9. Соединяющим элементом корпуса 1 и колец 8 является припой 10.

Работает преобразователь следующим образом.

Магниты 4, обращенные друг к другу одноименными полюсами, создают поле, вектор индукции которого в основном лежит в плоскости мембраны; естественно, это поле в силу аксиальной симметрии конструкции обладает также аксиальной симметрией. В первом приближении величина индукции вдоль радиуса, начиная от нуля, растет линейно, принимает максимальное значение на торце магнита, а дальше, так как поле остается сконцентрированным в плоскости мембраны (расстояние "А" наименьшее из всех расстояний от торца магнита до внутренних точек корпуса), естественно уменьшается обратно пропорционально радиусу, за исключением кольца шириной 1/3-1/4 "А", примыкающего к чашке. Более полное использование энергии поля достигается при наличии клинообразного пояска 9 концентратора поля; он обеспечивает по всей поверхности мембраны 5 максимально возможную концентрацию поля, и с ним скорость уменьшения везде между торцами магнита 4 и чашки 1 1. При использовании магнитов из материала ниодим-железо-бор или самарий-кобальт с удельной энергией около 300 кДж, индукция поля примерно посередине между торцами магнитов и торцами чашек составляет 0,5 Тл. Мембрана, как показано выше, не имеет специально организованных элементов подвески. Ее перемещение, необходимое для возбуждения звука (или наоборот для возбуждения ЭДС, в случае микрофона) возможно только за счет изменения площади ее поверхности, т.е. за счет растяжения. Естественно, что катушка, располагаемая на плоскости и должная взаимодействовать с магнитным полем, обладающим аксиальной симметрией, должна иметь форму спирали Архимеда, центр которой совпадает с центром магнитного поля. В предлагаемом преобразователе катушка на обеих сторонах пленки, и обе половины должны быть включены последовательно (направление тока при наблюдении с одной стороны должно быть одно и тоже), а это значит, что спирали разворачиваются (также при наблюдении с одной стороны) в разные стороны. В такой катушке взаимное расположение витков, показанное на фиг.4, будет только на одном диаметре, в сечениях, которые можно представить под другими углами, витки разных сторон будут смещены относительно друг друга, причем тем больше, чем больше угол от исходного вплоть до поворота на 90^о, где витки одной стороны совпадут с зазорами другой. Такая мембрана была бы жестче пленки основы во многие десятки раз, энергетические возможности слухового аппарата не смогли бы с ней стыковаться. Поэтому катушка в данном преобразователе выполнена в виде "дискретной" спирали (см. фиг.2, 3), где каждый виток имеет границами окружности, переходы с витка на виток изготовлены полосками, расположенными по радиусу. В такой катушке витки одной стороны располагаются под витками другой стороны и половина площади мембраны остается без металлизации; элементы свободной площади кольцевые зазоры между витками, которые при взаимодействии тока с магнитным полем (или под воздействием внешнего звукового давления) растягиваются по радиусу, и мембрана, оставаясь симметричной относительно оси, приобретает форму поверхности "ломаной" линзы. Фиг.2 и 3 иллюстрируют фрагмент мембраны 5, где черное это металлизация 7; точками условно показано, что видно сквозь пленку, хотя, на самом деле, видны (пленка прозрачная) сплошные кольца и две "спирали" радиусных перемычек. В этой конструкции при толщине лавсановой пленки 8 мкм доля от общего усилия, развиваемого током, на деформацию пленки составляет 10-15%
Этот преобразователь имеет омическое сопротивление катушки около 300 Ом, при толщине медной металлизации 7 в 4,5 мкм, и обеспечивает все энергетические и электрические требования в соответствии с поставленными целями.

Магнитного поле на поверхности изделия нет.

Сборка преобразователя при помощи пайки (в последовательности, оговоренной выше) кроме уменьшения числа деталей и повышения надежности способствуют еще и нормализации положения мембраны. Изготовленная мембрана не может быть абсолютно плоской, несколько распрямляется она в зажатом между торцами состоянии. Необходимая плоскостность достигается при горячей сборке за счет разницы коэффициентов линейного расширения металла чашек и пленки (сначала нагрели, потом сжали, дальше остудили); при остывании пленка распрямляется.

На фиг.5 показана область 1. Припой 10, соединяющий торцы чашек и монтажные кольца 8, при сжатии естественно выдавливается; косая фаска служит накопителем лишнего припоя и не позволяет слиться припою разных сторон (что случилось бы не будь фаски), а это привело бы к замыканию катушки, так как чашки есть внешние выводы катушки.

Если магниты 4 не позволяют нагрев пайки или/и если проще изготавливать цилиндрическую часть чашек и донышко 3 отдельно, то донышко отдельная деталь (на фиг.1 отделена пунктирной линией).

В случае, если изготовление магнитов 4 цилиндрической формы нежелательно по технологическим или/и экономическим соображениям, то возможно использование магнитов квадратного сечения с небольшой, при этом, потерей (10-15%) значений энергетических и электрических параметров.

Использование: электроакустические преобразователи. Сущность изобретения: мембранный электроакустический преобразователь содержит корпус из магнитомягкого материала в виде двух чашек с отверстиями в их донышках, на внутренних поверхностях которых соосно с зазором установлены постоянные магниты, намагниченные вдоль оси и обращенные друг к другу одноименными полюсами. Между торцами чашек закреплена мембрана, выполненная в виде гибкой диэлектрической пленки, на обеих сторонах которой размещены по концентрическим окружностям, одинаково удаленным от оси преобразователя, токопроводящие обмотки, последовательно соединенные в центре мембраны и соединенные между собой радиальными перемычками. При этом расстояние от края свободного торца каждого из постоянных магнитов до внутреннего края торца чашки меньше, чем до любой другой точки внутренней поверхности корпуса. Приводится также способ сборки этого преобразователя. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Мембранный электродинамический преобразователь, содержащий корпус, выполненный в виде двух чашек с отверстиями в их донышках, на внутренних поверхностях которых соосно и с зазором установлены постоянные магниты, намагниченные вдоль оси и обращенные друг к другу одноименными полюсами, а между торцами чашек закреплена мембрана, выполненная в виде гибкой диэлектрической пленки, на обеих сторонах которой размещены последовательно соединенные в центре мембраны токопроводящие обмотки, образующие звуковую катушку, отличающийся тем, что корпус выполнен из магнитомягкого материала, токопроводящие обмотки расположены по концентрическим окружностям, одинаково удаленным от оси преобразователя на обеих сторонах мембраны, и соединены между собой радиальными перемычками, при этом расстояние от края свободного торца каждого из постоянных магнитов до внутреннего края торца чашки меньше, чем до любой другой точки внутренней поверхности корпуса. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен клинообразным пояском, расположенным вдоль внутреннего края торца чашки. 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что мембрана снабжена металлическими кольцами, расположенными по краю с обеих ее сторон и обеспечивающими электрически контакт с чашками. 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в форме брусков квадратного сечения. 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что донышки чашек выполнены в виде отдельных деталей и прикреплены к боковым поверхностям чашек с помощью клея. 6. Способ сборки мембранного электродинамического преобразователя, включающий размещение и закрепление мембраны между чашками корпуса, отличающийся тем, что предварительно покрытые припоем торцевые поверхности чашек и металлизированное покрытие мембраны разогревают до температуры плавления припоя, выдерживают в течение времени, необходимого для расплавления припоя, сжимают чашки усилием, большим усилия расталкивания постоянных магнитов, после чего прекращают нагрев, охлаждают естественным путем до температуры окружающей среды и снимают сжимающее усилие.