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                        振膜的设计

电动式扬声器,当当外加音频信号时,音圈推动振膜振动。这个振膜英文称“CONE；，我国过去称为纸盆。目前虽然纸浆制做的振膜仍是主流，但是出现了不少新型的非纸材料，再称为纸盆已不能概括全部，所以现在一般称统称振膜。

对扬声器振膜物理性能的主要要求是：

1）            弹性摸量E要足够大；

2）            密度要足够小，亦就是E/ρ要大，或者是用声速ν表示，即ν2=E/ρ。

3）            要有适当的内部阻尼。

第一节

振膜的选材

 

振膜形状可分为平板形振膜﹑锥形振膜和球形振膜。其基本组成包括折环和振膜顶。其中在高保真扬声器中,球顶扬声器扮演这不可或缺的角色，球顶扬声器是振膜为球顶壮的直接辐射式扬声器，它虽然效率低，但中高频频率响应优异指向性较宽，顺态特性及音质较好。因此球顶扬声器成为高质量扬声器的一个标志。

我们见到的扬声器大部分是高频扬声器，只有少部分是中频扬声器，因为大口径的球顶扬声器制作困难，也不容易稳定的工作。球顶扬声器和锥形扬声器一样，属于直接辐射电动式扬声器，但除了许多共同的特点以外，还有自己的特性。

1）             振膜面积比一般锥形扬声器要小。球顶扬声器的振膜直径大约在20mm~70mm范围。小口径的优点是指向性好，更象一个点声源。缺点是输出相同的声压必须加大振幅。这当然不好，不过可以采用加大磁通密度来解决。

2）             振膜一般只有折环来支撑。这样容易出现横向振动，好在高频扬声器的振膜面积小﹑振幅小，必要时可才用两个支撑。加入磁流体亦可以起定性作用。

3）             几乎所有的扬声器都有后腔。这种后强相当与扬声器处于闭箱状况。低声频工作状态受后腔的影响，后腔的体积减小，最低谐振频率将会提高，Q值也会变大。

一．针对球顶振膜的诸多优点，而且比较适合高保真扬声器起的特点，因此我们也采用球顶振膜的设计思想，那么要想在音质上有更好的突破，那我们就要在材质上下工夫了。首先是球顶振膜的材料包括：

1）.铝合金。

2）钛（近年有在钛表面用高压离子化的办法，在钛表面蒸附一层或多曾材料，如金刚石，精细陶瓷等，以提高弹性模量）。

4）             铍及铍合金。

5）             棉布，棉纤维。

6）             绢，丝织品。

7）             其他化纤材料。

5.6.7三类侵酚醛树脂或其他。

8）             橡胶类材料。

二．对于高保真音箱来说，我们要保证振膜有足够的强度，我们采用硬球顶振膜材料，对于硬球顶材料来说，高声频段声压频率特性会出现蜂值，一般这个蜂值为高频上限频率.即为Fh ，如下图所示：

对于铝振膜，有

对于 聚酯薄膜，有

           

 

式中    E------球顶模量（N/m2）

            e-------球顶部密度（Kg/m3）

            md---------振膜质量（Kg）

            mv----------音圈质量（Kg）

            H-------球顶高（m）

            D-------球顶直径（m）

             t--------球顶厚度（m）

       适合于0.1<H/D<0.4及10mm<D<50mm的范围。

       如下图所示球顶扬声器振膜高度不同时的特性变化，在振膜高度低的情况下，fh变化，峰和和谷的声压差变小。

振膜材料的物理参数列于下表中：

材料         物理参数	弹性模量E/（1010*N*m-3）	密度ρ/（103*Kg*m-3）
铍	27.44	1.84
硬铝	7.15	2.8
钛	10.78	4.5
聚酯树脂	0.51	1.38
加入3%碳纤维的纸浆	0.21	0.43
普通纸盆用纸浆	0.06	0.43

 

由于材料的不同，也会引起球顶振膜高频上限峰直位置改变，特别是选用弹性模量高的材料时更是如此，下图是表示不同材料和高频重放上限的关系。

 

这些材料分别是钛；钛表面喷涂金刚石；太表面喷涂精细陶瓷；钛表面喷涂金刚石﹑陶瓷。上限频率由最初的21kHz上升到51kHz  。

由图可见，用的材料的硬度越高重放上限也越高，而且在高频的峰值越明显，峰值越高就会影响曲线的平滑度，导致高音过度不平缓。这个高频峰能不能消除呢？通过分析振膜运动，其图形如下图（1），在出现高频峰时折环附近出现节点。设想将振膜节点处切去一块改变振动形式，采用激光仔细的切割，结果取得了良好的效果。图（2）是振膜切割形状，图三是切割前后此球顶扬声器的频率响应曲线，可见峰值已消除。

 

 

 

 

第二节振膜系统的结构设计

 

 作为支撑材料，对于软球顶，振膜和支撑大多是一个整体。对于硬球顶，振膜和支架常由两种材料组成，这种支撑应具备以下条件：1）顺性大；2）质量轻；3）有适当的阻力；4）不受湿度温度变化的影响；5）折环形状不易产生固有振动，振幅线性好；6）折环的宽度要尽量窄。

一．        折环的设计

折环在扬声器振膜中是不可缺少的，它的作用有以下几点：

1）            折环支持和保持振膜振动。使振膜能沿轴向方向自由振动，却不能横向移动，它保证音圈也能在磁隙中轴向移动。

2）            折环和定心支片的顺性，共同构成秧声器的顺性，确定扬声器的谐振频率。

3）            折环本身具有的阻尼性，使谐振和反射都减少。

4）            折环还应有一定的气密性，不然回有反射声波的出现，造成短路。

由于折环在振膜系统有极其的重要性和发挥着重要的作用，我们针对它的工作也提出了一些要求：

1）            能使振膜在振动轴向的顺性大。

2）            使振膜在横向方向刚性强。

3）            在尽可能大的振幅范围内，使驱动力与位移成线性比关系。

4）            折环无谐振和反向振动。

5）            质量要轻。

6）            制造工艺不要太困难。

  折环一方面是振动系统的支持部分，本身又是辐射部分。对于折环的形状和材料出现过众多方案，以适应不同类型扬声其的需要。折环大体上分成三类。

1）            固定折环，与振膜锥体同一材料制成的折环称为固定折环。为使折环运动有良好的线性，折环部分的厚度要比锥体薄。一般为环型﹑正玄型等。

2）            自由折环。折环是由与锥体不同的材料制成，同锥体粘合在一起，通常是发泡树脂﹑橡胶类材料加热成型的半圆环式折环。同波纹式折环相比，圆环式折环允许较大的振幅，这一点正是保证了扬声器的低频良好的性能，但是为了保证在大振幅下的线性，折环的宽度要加大，因而曲率半径亦要加大，导致折环强度下降，因此要权衡二者的利弊，是扬声器的达到较好的综合性能。

 

 

下图所示为通常采用的各种折环的形式：

        由于圆形折环不但具有良好的轴向顺性，而且也有较好的支撑对中性，因此我们选择圆形的折环， 我们这里采用圆形折环，半径R=2.1,对整个振膜系统来说，整个系统的质量要轻，而折换又是该系统的一部分，因此由于质量要轻材质要软,所以我们材质采用人造橡胶，厚度可采用t=0.1mm,其图面设计如下：

    

由于其材质比较软，与YOKE结合时其容易变形，很难保证其好的圆度，所以我们在周边采用t=0.5的纸质垫片与其粘和用以增加其强度。在其内圈设有R=28的圆弧，以便与振膜的胶接。

           球顶扬声器振膜与音圈的粘接点有几种不同形式，如下图；其中a)振膜周边驱动法；（b）球面振膜中间驱动法；（c）反球顶扬声器，球面向下，采用倒向球顶球顶面振膜中部驱动法。。还可以在音圈边增设定心支片，这样振膜有两个支撑，大大提高了振膜轴向的稳定性。

二．球顶的设计

球顶的大小和形状决定这整个扬声器的能量转化效率的高低，大多数球顶扬声器采用凸球顶，也有少数扬声器厂家采用凹球顶（反球顶），那么这两种形式到底是哪个更好一点呢？国外有人用最小方差法对凸球顶和凹球顶的振膜进行了计算和讨论，证明球顶扬声器形状不同，对振膜和声辐射都是有影响，他们计算了在无限大障板上凸球顶和凹球顶的振动辐射性,得出以下结论:

如下图所示分别是凸球顶和凹球顶轴向声压特性.

 

图中L为最小方差法的结果;G为几何近似法的结果;H/a 为球顶高度与半径的比。

  从图中可见凸球顶扬声器的响应在Ka=1.0~2.0左右时，随着球顶高度的增加二有所下降。当球顶高度与半径的比在0.5~0.8的范围内，即使其振膜作活塞振动，其响应也会有3Db~7dB的下降。球顶扬声器由于在低频的谐振和高端的分割振动，往往形成两个峰，使频率响应不均匀度加大，加大了球顶扬声器的设计和工艺难度。

  对于凹球顶，由于它的前腔的谐振效应，在Ka=1.0~1.5左右的范围内出现很宽的峰值，实际上由于分割震动的出现，反而使响应曲线变得平坦了，问题并不突出。

 从辐射阻抗来看，凸球顶扬声器和凹球顶振膜的辐射阻抗曲线如图下图：

  

在图中画出了平板活塞Y的阻抗曲线。凸球顶的辐射阻抗在       H/a>0.5时是单调上升，直到ka=0.3附近。但在这一范围内其上升速度小于6dB/oct，这意味在高频范围内如果振膜处于质量控制区，辐射功率将有所下降。

在这一空腔谐振频率处，凹球顶的辐射阻抗所达到的最大值，要比平板活塞和凹球顶所能达到的要大得多。这说明，一个实际的扬声器，其重放频率的高频，只要振膜在次范围内的高度够，则采用凹球顶效率要高的多。因此说凹球顶振膜可以提供更大的动态对比功率，还是有根据的。

 

 通过各种分析，我们的振膜系统也大体的确认了，我们用凹球顶的振膜，其振膜的大小由声压响应图可知，要想得到比较平直的声压响应曲线，H/a应在0.5以下，曲线才会平滑，

尺寸的限制和各部分的公差配合，我们这里设计的形状如下图：

 

振膜与折环的连接我们采用胶接，中间有3~7mm的重叠区，以加强结合的牢固性，其总的组合图面如下。

 

 

第三章                      扬声器的音圈的设计

 

第一节            音圈的设计

   音圈是扬声器振动系统的重要组成部分，可以说是扬声器的心脏。音圈的名称来自“通过音频电流的线圈”，简称音圈。音圈的性能会影响 扬声器的声压频率、效率、失真、承受功率和寿命、顺态特性、音质。音圈的承受功率应使音圈不因过热而损坏。

1．            音圈的作用

1）            处在磁隙中磁场强度为B的音圈通过电流I时，受到的力为F=BLI，受力的方向按左手定则。起推动振膜振动，振膜再推动空气，从而发出声音，其负责把电能转化为动能，而振膜则负责把动能转化为声能。

2）            当振膜以速度v振动时，会在音圈内产生感应电压BLv，其方向符合右手定则，起阻尼作用。

3）            音圈的质量影响扬声器的谐振状况。由于音圈质量的增加会导致振动系统质量的增加，所以会影响其谐振。

4）            音圈与磁路的关系非常密切，特别是失真，如下图所示，由于磁通密度分布不均匀而产生非线性失真。当音圈通过音频电流时，会产生交变磁场，由于磁性材料的非线性会出现电流失真。

 

2．            音圈的分类

根据分类规则不同音圈有多种分类方法。

1）            根据绕线宽度分类

绕线宽度是音圈尺寸中重要的尺寸。在音圈振动时，必须在振幅范围内磁通密度一致。否则力系数BL变化，就会出现失真。音圈的振动与磁隙的关系如下图：

  

  若设导磁板的厚度为Tp,音圈的绕线宽度为Tv，音圈的最大振幅为X。下表列举了Tp与Tv 不同关系时的性能和特点。下图是Tp与Tv不同关系图。

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