專利名稱：平面波紋振膜揚(yáng)聲器的制作方法
隨著高科技不斷在家用電器中的應(yīng)用，家用電器的性能已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。在電聲領(lǐng)域里，數(shù)碼技術(shù)的不斷普及，使高保真音響的價(jià)格不斷下降，在這種背景下，電聲領(lǐng)域的關(guān)鍵部分——揚(yáng)聲器的性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代了。本發(fā)明是一種新型的揚(yáng)聲器，力求從結(jié)構(gòu)上突破傳統(tǒng)，以低成本實(shí)現(xiàn)高音質(zhì)。
在現(xiàn)有揚(yáng)聲器中，使用最多的是紙盆式，號(hào)筒式和球頂式電動(dòng)揚(yáng)聲器，這幾種電動(dòng)式揚(yáng)聲器有功率容量大，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而使用廣泛，但這些揚(yáng)聲器都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是頻帶太窄，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須幾只揚(yáng)聲器分頻工作。另一些揚(yáng)聲器，如靜電式、等動(dòng)式、等離子式揚(yáng)聲器，本身設(shè)計(jì)是可以作為全頻帶揚(yáng)聲器的。但是實(shí)際上它們的功率容量都很小，不能工作在大動(dòng)態(tài)的低頻頻段，所以大多只作為高音使用。所有這些現(xiàn)有揚(yáng)聲器都避免不了要分頻工作，甚至同軸式揚(yáng)聲器也要分頻工作。分頻器的使用會(huì)產(chǎn)生很多不利因素，不管是功率分頻，還是電子分頻。首先要分頻工作就要使用幾個(gè)揚(yáng)聲器，聲音來(lái)自不同的點(diǎn)，造成音感分裂。這一缺陷在家用立體聲設(shè)備中尤為突出，這是因?yàn)樵诩彝ナ褂弥新?tīng)音距離很短，各揚(yáng)聲器間的距離即使很短也能被聽(tīng)出來(lái)。使立體聲的聲像模糊不定，面專業(yè)音像這一問(wèn)題就沒(méi)有家用音箱嚴(yán)重。
第二，分頻以后，整個(gè)揚(yáng)聲器的阻抗曲線交得很復(fù)雜。現(xiàn)在的音響配置中，有一個(gè)放大器與音箱的匹配問(wèn)題，實(shí)際上這是音箱的阻抗十分復(fù)雜不能適應(yīng)大多數(shù)的功率放大器所導(dǎo)致的。
第三，指向性問(wèn)題，現(xiàn)有的音箱的指向性大多過(guò)強(qiáng)，指向性強(qiáng)，使得聽(tīng)音范圍變小，在家用環(huán)境下常常只有一個(gè)點(diǎn)，只能供一個(gè)人聽(tīng)音。這種強(qiáng)指向的聲音過(guò)于干澀沒(méi)有臨場(chǎng)感。大多數(shù)音箱的指向性還隨著頻率起伏變化，如低音的高端，指向性加強(qiáng)，高音的低端指向性減弱，高音的高端指向性又加強(qiáng)?，F(xiàn)在KEF的Uni—Q揚(yáng)聲器基本解決了這一問(wèn)題，它使用低音低盆對(duì)高音的指向性進(jìn)行修正，解決了指向性的突變。
第四，相位特性差。在同一個(gè)音箱里高音和低音揚(yáng)聲器的瞬態(tài)響應(yīng)不一致，這時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)相位差。另外頻器會(huì)使高聲和低音在頒率交接處產(chǎn)生一個(gè)相位差，例如12DB/oCt的分頒器相位延遲180°，通常的做法是把高音和低音揚(yáng)聲器反相連接，這樣只是在連續(xù)正弦波的情況下相位一致，而音樂(lè)信號(hào)是不斷變化的，所以延遲180°不等于反相180°現(xiàn)在的二分頻專業(yè)音像，如是號(hào)筒高音，紙盆低音，就能解決這一問(wèn)題，這是因?yàn)樘?hào)筒的長(zhǎng)度有一個(gè)自然的延時(shí)，當(dāng)這個(gè)延時(shí)等于頻器的延時(shí)時(shí)，就消除了相位問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是，使用一只揚(yáng)聲器，一個(gè)振動(dòng)源實(shí)現(xiàn)全頻帶放音?？紤]到電動(dòng)式揚(yáng)聲器的優(yōu)點(diǎn)，將它設(shè)計(jì)成一個(gè)用音圈驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器。
普通電動(dòng)式紙盆揚(yáng)聲器的高頻性能差。限制上限頻率的原因主要是揚(yáng)聲器的振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量較大。而使其頻率特性不平滑的主要原因是振膜的剛性不足產(chǎn)生了前腔效應(yīng)。要提高這種揚(yáng)聲器的高頻性能，現(xiàn)有辦法是減輕紙盆的重量，增加紙盆的剛性，面這些又是相互矛盾的，相互制約的，所以現(xiàn)有的紙盆揚(yáng)聲器的高頻性能很難提高，本發(fā)明解決問(wèn)題的辦法是1、讓振膜的振動(dòng)質(zhì)量隨著頻率升高而減小，以此來(lái)提高高頻上限。2、采用特殊的平面波紋振膜結(jié)構(gòu)(如圖①)既消除了前腔效應(yīng)帶來(lái)的特率特性不平滑，又使聲波在振膜里很快衰減不會(huì)到達(dá)振膜邊緣再反射回來(lái)產(chǎn)生新的駐波。
本發(fā)明是一種電動(dòng)式揚(yáng)聲器，它的音圈驅(qū)動(dòng)部分與一般電動(dòng)式揚(yáng)聲器相似，與一般電動(dòng)式揚(yáng)聲器不同的是振膜部分。整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)就是一個(gè)波紋振膜、一個(gè)音圈，一個(gè)防塵罩如圖①所示。揚(yáng)聲器工作時(shí)，音圈首先產(chǎn)生振動(dòng)帶動(dòng)它周圍的振膜振動(dòng)并在振膜里形成一個(gè)橫波，這個(gè)橫波沿著振膜的經(jīng)向方向，從中心向邊緣傳播。當(dāng)音圈的振動(dòng)頻率高時(shí)產(chǎn)生的橫波就會(huì)被振膜的波紋結(jié)構(gòu)很快地衰減，從而只有中心一小部分與音圈聯(lián)接的振膜振動(dòng)，這時(shí)振動(dòng)部分的質(zhì)量是很小的，從而提高了揚(yáng)聲器的頻率上限。當(dāng)音圈的振動(dòng)頻率逐步降低時(shí)，波紋振膜的衰減作用逐漸變?nèi)?，這時(shí)振動(dòng)部分的質(zhì)量和面積也逐步增大，從而有利于低頻的重放。這種振膜結(jié)構(gòu)對(duì)于不同頻率信號(hào)有不同的振動(dòng)質(zhì)量和面積，這就相當(dāng)于一個(gè)無(wú)限的分頻器在工作，而這種分頻器工作時(shí)是自然平滑地轉(zhuǎn)換的，不象其它分頻器有一個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行生硬地分頻。這也就是說(shuō)這種揚(yáng)聲器的線性工作頻段是在振膜作整體振動(dòng)的頻率以上，在中心部分作活塞振動(dòng)以下。實(shí)際上在它的線性工段頻段以上、以下的一大部分頻率范圍內(nèi)都是可用頻段，這些頻段的失真和集束、衰減都不會(huì)很快變化。因此這件揚(yáng)聲器的可用頻段與其它電動(dòng)式揚(yáng)聲器相比要寬得多。
這件揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是擴(kuò)大它的線徑工作區(qū)，這樣就能擴(kuò)展它的頻率范圍。而擴(kuò)展線性工作區(qū)的關(guān)鍵就是音圈直徑與振膜直徑的比要足夠小。音圈直徑越小，中心部分作活塞振動(dòng)的頻率就越高，中心部分的振動(dòng)部分質(zhì)量就越小，高頻上限就越高，振膜直徑越大，振膜整體振動(dòng)的頻率就越低。實(shí)際設(shè)計(jì)要注意如下幾個(gè)要點(diǎn)1、音圈尺寸的選取，音圈的直徑關(guān)系到高頻上限，因此越小越好但是太小了磁鋼部分和空芯部分就不太好設(shè)計(jì)。因此對(duì)于高音和全頻帶揚(yáng)聲器而言，音圈直徑應(yīng)小于25mm。另外這種揚(yáng)聲器的頻帶較寬音圈應(yīng)設(shè)計(jì)成長(zhǎng)沖程式的，而一般情況下振膜就是音圈的空芯支片，因此音圈的長(zhǎng)度與音圈直徑的比不應(yīng)超過(guò)1.5∶1。當(dāng)使用另外的空心時(shí)則不受此限制，但也不應(yīng)超過(guò)2.5∶1。
2、振膜尺寸的選舉。振膜的直徑越大揚(yáng)聲器的低頻就越好，但是對(duì)于這種揚(yáng)聲器而言小直徑的振膜也能放出20HZ的低頻，因此振膜直徑可選200mm以下。另外振膜一般要作為音圈的定芯，因此振膜的直徑與音圈直徑的比應(yīng)取8∶1至11∶1，這是對(duì)于全頻帶揚(yáng)聲音而言。對(duì)于中高音或中低音揚(yáng)聲器而言，并不需要太寬的頻率范圍，而減小這一比值對(duì)空芯又很有利，因此可選9∶1以下的比例。當(dāng)然另外增加空心可使振膜與音圈的直徑比進(jìn)一步增大，但是大多數(shù)空芯機(jī)構(gòu)都會(huì)有音染，因此不主張另外設(shè)計(jì)定芯機(jī)構(gòu)。振膜的另一個(gè)重要尺寸是波紋的尺寸和結(jié)構(gòu)外形。波紋的形狀可根據(jù)用途設(shè)計(jì)成各種形式如三角形、半園形，正弦波形，逐漸衰減形，但是考慮到加工的難度，推薦使用三角形波形，如圖①所示。波紋的間距與振幅的比可選2∶1或1.5∶1等，對(duì)于三角形波選用2∶1的比是最易加工和計(jì)算的，這時(shí)三角形的角度為90°。振膜波紋的圈數(shù)越多中高頻特性越平滑，但是考慮到加工難度，應(yīng)把波紋間距與音圈直徑的比控制在0.7∶1以下。③音圈和振膜材料的選取。大家知道振膜的質(zhì)量越輕揚(yáng)聲器的效率就越高，因此振膜的材料也應(yīng)選用密度小的材料如改性聚丙烯、紙、絲絹、棉布復(fù)合材料等，甚至鋁和其它輕金屬也可以作為中高音的振膜。幾乎所有以往使用過(guò)的振膜材料都可以應(yīng)用至本揚(yáng)聲器中。音圈的重量影響到中高頻響應(yīng)，因此必須要輕而堅(jiān)固，鋁是一種很好的音圈基材，現(xiàn)在的一些高分子聚合物作為印刷音圈的基材也很好。為了減輕整個(gè)中心部分的重量可以把防塵罩和音圈做成一個(gè)整體以減小粘接膠的用量。把整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)做成一體可有效地減輕中心部分的重量，還可以提高整個(gè)揚(yáng)聲器的可靠性使裝配程序簡(jiǎn)化。④磁路部分及其它部分。磁路在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮音圈的直徑較小，而且工作在長(zhǎng)沖程狀態(tài)，因此磁路的中心必須開(kāi)調(diào)壓孔而且必須是長(zhǎng)沖程對(duì)稱式設(shè)計(jì)。磁路的前面應(yīng)盡量減小對(duì)聲波的反射，可以加吸聲材或設(shè)計(jì)成中心突起的形狀。支架應(yīng)與磁體的背面聯(lián)接類似磁屏敞式揚(yáng)聲器，這樣可有效地支撐整個(gè)揚(yáng)聲器。
這種揚(yáng)聲器與現(xiàn)有其它揚(yáng)聲器比較，有如下特點(diǎn)1、頻率響應(yīng)范圍寬，這種揚(yáng)聲器的振膜的振動(dòng)質(zhì)量會(huì)隨著頻率變化，所以比現(xiàn)有其它揚(yáng)聲器的頻響更寬。平面波紋設(shè)計(jì)使揚(yáng)聲器不產(chǎn)生駐波，所以比其它現(xiàn)有揚(yáng)聲器的頻響曲線更平滑。
2、指向特性優(yōu)良。本揚(yáng)聲器工作時(shí)，中心部分先動(dòng)作而后帶動(dòng)周圍振膜振動(dòng)，中心到外圍有一個(gè)自然的延遲，這使本揚(yáng)聲器的指向性比一般的揚(yáng)聲器寬得多。而且這種延遲在本揚(yáng)聲器的線性工作區(qū)基本不變，超過(guò)線性區(qū)指向性緩慢地加強(qiáng)。
3、低音效果好，使用方便。這種揚(yáng)聲器在設(shè)計(jì)成全頻帶或低音揚(yáng)聲器時(shí)，由于振膜的順性很高，它的低頻下限一般很低，一般能輕易地突破20HZ的音頻最低頻。這一點(diǎn)是其它揚(yáng)聲器無(wú)法比擬的。這種揚(yáng)聲器在整個(gè)有用效段基本沒(méi)有明顯的諧振，阻抗特性很好，所以要獲得相同的低音特性，這種揚(yáng)聲器所需的音箱體積比其它揚(yáng)聲器大大地減小了，小體積的音箱使用更加靈活方便。
4、各種失真很小，瞬態(tài)特性優(yōu)良。這種揚(yáng)聲器振膜的阻尼作用很強(qiáng)，自身不會(huì)產(chǎn)生失真，對(duì)于各種非線性失真還具有強(qiáng)大的吸收作用。與現(xiàn)有的其它揚(yáng)聲器相比，本揚(yáng)聲器在整個(gè)頻段內(nèi)的失真都是很小的。這種揚(yáng)聲器只有一個(gè)振動(dòng)源，振動(dòng)質(zhì)量又是可變的，所以瞬態(tài)特性與其它現(xiàn)有揚(yáng)聲器相比更加優(yōu)良。這些特點(diǎn)使聲音十分干凈，很適宜做監(jiān)聽(tīng)揚(yáng)聲器。
5、容易生產(chǎn)，成本低廉。這種揚(yáng)聲器的大部分零件都與紙盆式揚(yáng)聲器通用，生產(chǎn)工藝也與紙盆揚(yáng)聲器相似，而且不需用貴重材料，所以它的生產(chǎn)成本要比相同性能的其它揚(yáng)聲器低很多倍。
最后給出一個(gè)完整的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，如圖②所示，這是一個(gè)165毫米的全頻帶揚(yáng)聲器，磁鋼選用H76，這種磁鋼的內(nèi)徑較大便于中心部分構(gòu)件的設(shè)計(jì)、磁體的前夾板和磁芯柱行成的磁隙高出它們的原來(lái)的平面，這樣減少對(duì)聲波的反射，磁芯的中心開(kāi)一個(gè)導(dǎo)氣孔，這是為了調(diào)整音圈內(nèi)的氣壓，磁芯柱的上面用一圈吸聲材料吸收高音反射。音圈的直徑與長(zhǎng)度比選為0.7∶1，音圈用紙做骨架，上面繞雙層線圈。振膜選用棉布浸聚脂清漆熱壓成型做成，波紋的間距與音圈直徑比選0.35∶1，考慮到加工難度選用90度的三角形波紋，振幅與間距比為1∶2，振膜振動(dòng)部分的直徑與音圈直徑的比選用9∶1。所有部分的聯(lián)接都使用熱固件性膠粘劑。這些比例都是最易加工的數(shù)值。


圖一是平面波紋振膜揚(yáng)聲器原理圖。其中，1、是防塵罩2、是波紋振膜3、是音圈圖二是實(shí)物示意圖。其中1、是防塵罩2、是平面波紋振摸3、是音圈 4、是前夾板5、是磁鋼 6、是磁芯柱7.是支架 8、是吸聲材料9、是導(dǎo)氣孔
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種新的寬頻帶揚(yáng)聲器，在現(xiàn)有的揚(yáng)聲器中，提高振膜的振動(dòng)時(shí)的剛性和減輕振動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，是擴(kuò)展有效頻段的主要方法。本發(fā)明是用一種可改變振動(dòng)質(zhì)量的振膜來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性的。本發(fā)明的特征是使用一個(gè)中心驅(qū)動(dòng)的平面波紋振膜中心部分產(chǎn)生振動(dòng)帶動(dòng)波紋振膜振動(dòng)，這時(shí)，波紋振膜的振動(dòng)質(zhì)量和有效振動(dòng)面積會(huì)隨振動(dòng)頻率的升高而減小，隨振動(dòng)頻率的降低而增大，從而更有效地重放高頻和低頻?，F(xiàn)要求享有這種中心驅(qū)動(dòng)平面波紋振膜揚(yáng)聲器的專利權(quán)。
2.如要求1中所述的這種中心驅(qū)動(dòng)的波紋振膜具有寬頻帶特性，因此它也可以應(yīng)用在其它電聲換能器中，如耳機(jī)、傳聲器，等等?，F(xiàn)要求享有這種中心驅(qū)動(dòng)波紋振膜電聲換能器的專利權(quán)。
全文摘要
在電聲領(lǐng)域里，現(xiàn)有的揚(yáng)聲器存在著幾個(gè)問(wèn)題。例如，單只揚(yáng)聲器的頻響不夠?qū)?，相位失真?yán)重，阻抗復(fù)雜，指向性強(qiáng)等等。本發(fā)明是一種新的寬頻帶揚(yáng)聲器。這個(gè)揚(yáng)聲器采用一個(gè)中心驅(qū)動(dòng)的平面波紋振膜，取代電動(dòng)式紙盆揚(yáng)聲器的振膜。波紋振膜對(duì)于不同頻率的振動(dòng)有不同的衰減，產(chǎn)生不同的振動(dòng)質(zhì)量和面積，實(shí)現(xiàn)了它的寬頻帶特性。這種揚(yáng)聲器可以取代現(xiàn)有大部分揚(yáng)聲器，適用范圍廣，這種振膜的平面波紋結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用到其各種電聲換能器中。
文檔編號(hào)H04R7/04GK1151675SQ9511850
公開(kāi)日1997年6月11日 申請(qǐng)日期1995年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月25日
發(fā)明者戴彤 申請(qǐng)人:戴彤