薄型壓電陶瓷揚聲器振膜振動與聲輻射的實驗與分析

1、薄型壓電陶瓷揚聲器振膜振動與聲輻射的實驗與分析 分類號: 學(xué)校代號: 密級: 學(xué) 號:廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文工學(xué)碩士薄型壓電陶瓷揚聲器振膜振動與聲輻射的實驗與分析黃曉強指導(dǎo)教師姓名、職稱:龍建至副數(shù)援刪: 一一 一:. 。,.,摘要摘要目前超薄電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展,不可避免地要求電子器件的厚度越來越薄、性能不斷提高,而傳統(tǒng)錐動圈盆揚聲器已無法適應(yīng)現(xiàn)代電子產(chǎn)品薄型化、微型化的發(fā)展。論文通過對數(shù)字揚聲器、微型電感揚聲器、以及壓電陶瓷揚聲器各自的優(yōu)點及缺點的討論,表明壓電陶瓷揚聲器在薄型/微型揚聲器應(yīng)用領(lǐng)域最具發(fā)展前景。但由于現(xiàn)有壓電陶瓷揚聲器存在低頻響應(yīng)差、頻響曲線不平滑、諧波失真較大的缺點,因此

2、論文圍繞振膜的材料特性和尺寸結(jié)構(gòu)與揚聲器系統(tǒng)之間的聲學(xué)關(guān)系進行相關(guān)的理論分析與實驗驗證,探尋改善壓電陶瓷揚聲器聲學(xué)性能的方法。論文從聲波傳播的基本物理性質(zhì)與波動方程出發(fā),建立傳統(tǒng)揚聲器振膜、薄板振膜與薄膜振膜的數(shù)學(xué)模型,分析振膜在不同工作條件下的聲場輻射特性與聲場指向性。根據(jù)理論分析的結(jié)果,并考慮揚聲器系統(tǒng)對振膜材料特性的不同要求,制備了具有高彈性模量的鎳鉻鋼薄板振膜,具有低密度的鋁薄板振膜,與兼具高彈性模量和低密度的鋁蜂窩夾層板振膜。并利用理論分析結(jié)果,計算了各類不同振膜的本征頻率矩陣。論文同時根據(jù)國標/ 對聲學(xué)測試環(huán)境與條件的規(guī)定,利用為軟件平臺,搭建了一套基于平臺的微型揚聲器測試系統(tǒng),并

3、通過與標準聲學(xué)測試系統(tǒng)的對比,驗證聲學(xué)測試系統(tǒng)的精度。課題實驗利用搭建的聲學(xué)測試系統(tǒng),對制備的不同振膜進行初步的聲學(xué)測試與篩選,然后利用聲學(xué)測試系統(tǒng)進行檢測,提高了實驗效率。通過對復(fù)合不同振膜的壓電陶瓷揚聲器進行頻率響應(yīng)特性測試,得出結(jié)論:揚聲器系統(tǒng)的低頻響應(yīng)截止頻率主要受振膜的最低本征頻率的影響,而振膜的本征頻率與振膜的尺寸規(guī)格、邊界支承方式、材料剛度、密度等多種因素有關(guān)。揚聲器系統(tǒng)工作于振膜本征頻率范圍內(nèi)時,頻率響應(yīng)曲線的平穩(wěn)性與振膜的本征頻率共振模態(tài)密度有關(guān),模態(tài)密度越高揚聲器的頻響曲線越平滑。當揚聲器的振動頻率兩倍于振膜的最低本征頻率時,振膜才有足夠的模態(tài)密度。但由于存在聲場反作用及隨

4、同振動質(zhì)量產(chǎn)生的聲阻抗的影響,揚聲器系統(tǒng)的最低響應(yīng)截止頻率一般低于振膜的最低本征頻率。結(jié)合有關(guān)文獻資料對復(fù)合不同振膜壓電陶瓷揚聲器的諧波失真特性曲線,得出如下解釋:揚聲器系統(tǒng)在低頻段的諧波失真主要受壓電陶瓷振子響應(yīng)驅(qū)動力變化引的非線性影響。揚聲器在中頻段的諧波失真,主要受振膜材料與壓電陶瓷振子之間的耦合、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文振膜材料之間的膠層粘結(jié)性、材料的均勻性等因素的影響。揚聲器在高頻段的諧波失真,主要受振膜材料本征頻率共振模態(tài)多樣性的影響,本征頻率模態(tài)越簡單,激發(fā)的高階本征頻率成分越少,揚聲器系統(tǒng)的失真越小。上述諧波失真特性的解釋有待進行進一步的理論與實驗驗證。關(guān)鍵詞:壓電陶瓷揚聲器,

5、低頻響應(yīng)截止頻率,本征頻率,模態(tài)密度,諧波失真. . , /.,? ,.,廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論丈., 。? ., ,.?. , . ,.? , . :目錄目錄摘曇暮?.?.?.?.?.目錄?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.。?.第一章緒論.課題研究背景.傳統(tǒng)揚聲器的技術(shù)特點?.薄型/微型揚聲器的發(fā)展方向一.多層壓電陶瓷揚聲器的技術(shù)特點?.本論文的研究意義及研究內(nèi)容?.第二章理論模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo).聲波的基本性質(zhì).聲波動方程.脈動球源的聲輻射方程.聲波對聲源的反作用?.傳統(tǒng)揚聲器的聲輻射特性?.傳統(tǒng)揚聲器的聲壓方程.傳統(tǒng)揚聲器的輻射指向性分析.薄板振膜揚聲器的聲輻射特性.薄板的彎曲振

6、動撓曲方程?.薄板撓曲方程的解?一.薄板彎曲振動的聲場輻射?.本章小結(jié)?.第三章實驗方法與測試系統(tǒng)簡介廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.微型揚聲器的測試方法.聲學(xué)測試環(huán)境?.測試信號.測試距離. .障板標準.基于的微型揚聲器測試系統(tǒng)?.聲學(xué)測試系統(tǒng)的主要構(gòu)成?.測試傳感器及外圍設(shè)備.硬件結(jié)構(gòu).軟件平臺.聲學(xué)測試系統(tǒng)?.兩套測試系統(tǒng)的比較.本章小結(jié)第四章壓電陶瓷揚聲器振膜的制備與材料特性分析?.振膜材料特性的聲學(xué)影響?.鎳鉻鋼薄板振膜的制備及材料特性分析?.鎳鉻鋼薄板振膜的制備.鎳鉻鋼薄板振膜的材料參數(shù)及本征頻率計算.鋁薄板振膜的制備及材料特性分析.鋁薄板振膜的制備?.鋁薄板振膜的材料參數(shù)及本征頻率計算

7、?一.鋁蜂窩夾層板振膜的制各及材料特性分析.鋁蜂窩夾層板振膜的制備?.鋁蜂窩夾層板振膜的材料參數(shù)及本征頻率計算.本章小結(jié)?.第五章壓電陶瓷揚聲器振膜頻率響應(yīng)特性的實驗與分析.揚聲器頻率響應(yīng)特性的聲學(xué)影響?.鎳鉻鋼薄板振膜揚聲器頻率響應(yīng)特性的實驗與分析?.鋁薄板振膜揚聲器頻率響應(yīng)特性的實驗與分析?.目錄.鋁蜂窩夾層板振膜揚聲器頻率響應(yīng)特性的實驗與分析?.實驗誤差分析.本章小結(jié)第六章壓電陶瓷揚聲器振膜非線性失真的實驗與分析.揚聲器振膜非線性失真的聲學(xué)影響.鎳鉻鋼薄板振膜揚聲器非線性失真的實驗與分析.鋁薄板振膜揚聲器非線性失真的實驗與分析?.鋁蜂窩夾層板振膜揚聲器非線性失真的實驗與分析?.本章小結(jié)?

8、.結(jié)論與展望.結(jié)論?.展望.。?參考文獻?.攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文?.獨創(chuàng)性聲明致謝?廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文?.?.:.?.?.?.?. /?.?.?.。.?.?.?.?。.?.?.?.?.?.?.?.?.:.?.?.?. . .?.?.?.?. .?. .?.?.?.?.?.?. .?.廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.?. .?.?.?.?.?.?.?.?.:?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.。.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.圖一蘋果 /超溥筆記本電腦/ .便攜式電子設(shè)備主要由四部分組成:顯示屏幕、集成電路、內(nèi)置電池、發(fā)聲裝置。針對目前便攜式電

9、子設(shè)備的體積越來越小、厚度越來越薄、性能越來越高的要求,現(xiàn)有的電子產(chǎn)品顯示屏幕已經(jīng)可以做到厚度不到,色彩顯示極其細膩逼真,所用能耗也逐漸降低。集成電路的發(fā)展同樣突飛猛進,電路的集成程度越來越高,體積越來越微型化,處理速度也呈越級式的增加。而電子產(chǎn)品的內(nèi)置電池,已達到不降低電量存儲的同時進一步的縮小體積、降低厚度。相比之下,便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)聲裝置一一微型揚聲器的發(fā)展卻相對滯后,揚聲器的體積相對其他部件依然比較大,厚度沒有廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文變薄,聲學(xué)性能有待提高。揚聲器成為電子裝置向微型化、薄型化發(fā)展的關(guān)鍵器件。因此亟需對薄型揚聲器展開進一步的研究,尋求改善揚聲器體積和聲學(xué)性能的途徑。.傳

10、統(tǒng)揚聲器的技術(shù)特點目前傳統(tǒng)揚聲器在便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用中,依然占有絕對的主導(dǎo)地位。所謂的傳統(tǒng)揚聲器主要是指錐盆動圈揚聲器,如圖.所示,動圈式揚聲器主要由三部分組成?:振動部分,包括振膜、音圈、和振膜支架等。磁路部分,包括永磁體、導(dǎo)磁柱等。輔助部分,包括定心支片、華司、外殼等。圖錐盆動閣揚聲器結(jié)構(gòu)不憊圖.?當音頻信號通過音圈導(dǎo)線時,由于通電音圈在磁體中的電磁感應(yīng)作用,磁場便會對音圈產(chǎn)生作用,帶動音圈產(chǎn)生相應(yīng)的運動。音圈的運動進一步帶動與之相連接的振膜,使振膜做整體活塞式運動,從而推動空氣形成聲波,發(fā)出聲音。由于動圈式揚聲器采用這種獨特的結(jié)構(gòu)和工作方式,因此傳統(tǒng)揚聲器存在一些難以解決的缺陷:前室效

11、應(yīng)。由于錐盆揚聲器振膜特有的結(jié)構(gòu),振膜內(nèi)凹處的氣體會形成一個氣室。氣室內(nèi)的空氣在振膜工作時產(chǎn)生共振,使揚聲器的聲場變得紊亂,頻響曲線形成明顯的波峰與波谷。分割振動。理想的錐笳揚聲器工作時,要求振膜的每一個部分都以同方向、同速度、同幅度的方式振動,整個振膜做整體活塞式運動。但實際工作時,振膜并無第一章緒論法達到理想的工作狀態(tài),振膜各個部位的振動總是存在方向、幅度等方面的差異產(chǎn)生局部彎曲振動,導(dǎo)致?lián)P聲器輻射聲場的失真。相位失真。錐甕揚聲器的振膜呈圓錐形,從振膜錐項到錐底存在一高度振膜各部位發(fā)出的聲波并不在同一平面,到達聽者的距離有所不同,因此產(chǎn)生相位差,使揚聲器的輻射聲場特性變差。電聲轉(zhuǎn)換效率低。

12、一般動圈揚聲器的電聲轉(zhuǎn)換效率只有%,高級動圈揚聲器的效率也不超過%。如此低的電聲轉(zhuǎn)換效率,揚聲器要產(chǎn)生足夠的聲壓,必然會對便攜式電子設(shè)備的電能造成負擔(dān),縮短電子設(shè)備的使用時間。體積較大。錐盆動圈揚聲器特殊的結(jié)構(gòu)和工作原理,決定揚聲器必須有音圈、永磁體等結(jié)構(gòu),所以揚聲器難以向薄型化發(fā)展。另外振膜的正面與背面發(fā)出的聲波相位相反,正面的聲場與背面的聲場相遇時,會形成“聲抵消現(xiàn)象,降低揚聲器的聲壓輸出。為了避免振膜的正面聲場與背面聲場相互抵消,需要為揚聲器附加一個腔體,將前后的聲場隔離,因此揚聲器的體積難以縮小。目前最薄的動圈揚聲器的厚度也在以上。聲壓隨距離衰減快。理論分析表明,傳統(tǒng)錐盆揚聲器的聲壓與

13、距離遵循“反比平方定律”。聲場的距離每增加倍,聲壓就降低,也就是降低到原來的四分之一,所以揚聲器的聲場無法達到較遠的距離。磁路干擾。傳統(tǒng)錐衙揚聲器由于特定的工作方式,揚聲器內(nèi)部必須使用永磁體、線圈等部件。揚聲器產(chǎn)生的磁場會對電子設(shè)備的電子元件產(chǎn)生干擾,影響電子產(chǎn)品的正常工作,所以電子設(shè)備上的揚聲器不得不附加防磁設(shè)計,增加了揚聲器的體積以及制造成本。高頻指向性明顯。傳統(tǒng)錐盆動圈揚聲器的音圈輸出一不隨音頻信號頻率變化的恒定力,驅(qū)動振膜做相應(yīng)的運動,所以振膜的加速度也是一恒定值,而振膜的位移則隨頻率的增加而減小。揚聲器工作于低頻段時,聲波的波長遠大于振膜的幾何尺寸,隨著頻率的增加,振膜輻射阻抗的增加

14、速度與振膜位移的減小速度幾乎相等,所以揚聲器輸出的聲能基本恒定。當揚聲器的工作頻率繼續(xù)增大,直到輸出聲場的聲波波長接近于振膜的幾何尺寸時,振膜的輻射阻抗到達一個極大值而不再增加。在此頻率點以后,揚聲器的聲能輸出將以每倍頻程的速度衰減,但揚聲器軸向的聲壓輸出并沒有降低,而是揚聲器的聲壓輸出角度被限定在一個越來越小的范圍之內(nèi),也就是出現(xiàn)了所謂的高頻指向性。如圖.所示,當昕者偏離揚聲器軸線超過某一角度時,聲廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文場輸出將會急劇的衰減,而且頻率越高,指向性越明顯。圖錐盆動罔揚聲器指向性不意圖.針對動圈揚聲器存在的上述問題,國內(nèi)外的研究人員對動圈揚聲器進行了深入細致的研究,采取各種方法

15、改善揚聲器的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)性能。比如采用新型的磁性材料,增加材料的磁通,增加揚聲器的承載功率,進而提高揚聲器的聲壓輸出,同時縮小揚聲器的體積。采用新型的振膜材料,使用鈦金屬或者其他比彈性率高的復(fù)合材料,降低振膜的分割振動,提高揚聲器的靈敏度。采用更合理的聲腔設(shè)計,降低揚聲器“聲抵消的現(xiàn)象,減小揚聲器由于腔體聲波反射對輸出聲場的影響。雖然對錐鹽動圈揚聲器做了如此多的改進設(shè)計,每一次的改進都讓揚聲器的聲學(xué)性能有所提高,但揚聲器的結(jié)構(gòu)和工作原理依然沒有改變,錐盆揚聲器特有的弊端依然存在。在揚聲器系統(tǒng)中,振膜的材料特性、形狀、質(zhì)量,磁路的設(shè)計等各種因素共同影響著揚聲器的聲學(xué)性能。這些影響因素既相互影響又相

16、互矛盾,所以傳統(tǒng)揚聲器的設(shè)計與改進只能在工作頻率帶寬、指向性、頻晌平滑性之間進行權(quán)衡,采用的方法只是一種折中的設(shè)計手段,無法從根本上解決傳統(tǒng)錐盆動圈揚聲器存在的缺陷。.薄型/微型揚聲器的發(fā)展方向針對傳統(tǒng)錐盆動圈揚聲器在便攜式電子設(shè)備應(yīng)用上難以解決的缺陷,國內(nèi)外眾多科學(xué)研究者都對新型薄型/微型揚聲器展開了相關(guān)的研究開發(fā),研究的薄型/微型揚聲器主要分為三種:利用存儲電荷的特性,采用集成電路的制造方法,研發(fā)數(shù)字式揚聲器。例如:厚的微型揚聲器和一位線性解.等人研制了一種./第一章緒論編碼器,配合相應(yīng)的/和/轉(zhuǎn)換模塊,使微型揚聲器具有高輸入靈敏度,高功率輸出,低功耗,高電源抑制比恤,。等人利用存儲電荷的

17、特性,用位存儲器構(gòu)成數(shù)字式微型揚聲器,頻寬為.,放音過程類似/轉(zhuǎn)換,但制造工藝復(fù)雜,而且驅(qū)動電路的設(shè)計也相當復(fù)雜口。利用傳統(tǒng)電感性動態(tài)揚聲器的原理,將電感線圈和永久磁鐵集成在硅片上制作出微型/薄型揚聲器。例如:等人利用?技術(shù)研制了一種阻抗 ,上截止頻率為的微型電感式揚聲器。揚聲器的尺寸僅為. .,但由于電感量只有.,所以聲壓級偏小¨,。等人利用三維有限元分析法對非晶薄面板微型揚聲器進行分.析,分別計算了不同頻率下的峰值電流,模擬出了揚聲器的磁場分布特征。并通過激光測試儀測量,當測試信號時間變化頻率加快時,非晶體板的彎曲波位移幅度也將相應(yīng)增大,從而改善電感揚聲器在低頻處的磁機械共振響應(yīng)

18、佰,。利用、等壓電薄膜材料研制壓電揚聲器。例如:等人采用集成電路工藝研究了一種 薄膜壓電揚聲器,封裝后揚聲器的尺寸為 ,厚度約為,頻寬為.“。等人利用薄膜研制方形壓電揚聲器,封裝后揚聲器的尺寸為,厚度約為,頻寬為.”。.等人制作了一種微型圓壓電揚聲器,以做振膜內(nèi)環(huán),做振膜外環(huán),揚聲器的直徑為,最高聲壓為¨,。.等人研究了一種可壓縮氮化膜壓電陶瓷微型揚聲器,對圓形可壓縮氮化膜邊緣加工了波紋,中間復(fù)合壓電陶瓷片。制作出的微型揚聲器尺寸為,厚度為.,頻寬為.陽。由以上分析可知,基于的數(shù)字式揚聲器頻寬比較寬、音質(zhì)好,但輸入的音頻信號是數(shù)字信號,而目前電子產(chǎn)品采用的音頻放大器輸出的是模擬信號,

19、為了驅(qū)動數(shù)字揚聲器需要加入/轉(zhuǎn)換電路,電路制造工藝復(fù)雜。利用電感式揚聲器的原理在硅片上制作微型揚聲器,存在電感量小、聲壓輸出不足的問題,而且電聲轉(zhuǎn)換效率偏低。而采用壓電材料制作壓電揚聲器,體積小、厚度薄、結(jié)構(gòu)簡單、電聲轉(zhuǎn)換效率高。綜合比較上述幾種微型揚聲器的特點,壓電揚聲器的發(fā)展前景最為廣闊,最適合運用廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文在便攜式電子產(chǎn)品上。.多層壓電陶瓷揚聲器的技術(shù)特點法國物理學(xué)家居里兄弟于年發(fā)現(xiàn)壓電晶體的壓電效應(yīng),緊接著壓電晶體的逆壓電效應(yīng)也被發(fā)現(xiàn)并驗證,從此研究人員開始廣泛地研究開發(fā)壓電材料在聲學(xué)領(lǐng)域的用途,并在揚聲器的使用上取得突破,研制出完全不同于傳統(tǒng)錐甕動圈揚聲器的新型揚聲器?

20、多層壓電陶瓷揚聲器?。壓電陶瓷揚聲器主要由“壓電陶瓷激振器”和“振膜兩部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖.所示,在振膜材料上粘結(jié)一片多層壓電陶瓷材料,一般為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。由于壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng),當輸入正電壓時壓電陶瓷材料會伸長變薄,輸入負電壓時壓電材料會縮短變厚,所以當給壓電陶瓷加上一個交變信號時,壓電材料的厚度會隨信號的變化頻率而變化,從而帶動振膜做相應(yīng)的彎曲振動發(fā)出聲音。揚聲器的聲壓輸出正比于振膜的振動幅度,而振動幅度正比于輸入電壓,因此可以通過控制輸入電壓來調(diào)節(jié)揚聲器的聲壓輸出。囂圖多層壓電陶瓷揚聲器不意圖.要增加壓電陶瓷揚聲器的輸出聲壓,需要壓電陶瓷產(chǎn)生比較大的變形,為此需要給壓電陶瓷施

21、加比較高的電壓信號。但高電壓信號輸入會造成很強的電磁干擾,而且需要改變原有便攜式電子產(chǎn)品的電路設(shè)計,這將會限制壓電陶瓷的應(yīng)用,所以目前多采用多層陶瓷工藝,使壓電陶瓷獲得較大變形量的同時降低輸入信號的電壓“”。多層壓電陶瓷揚聲器在便攜式電子產(chǎn)品上得多越來越廣泛的的運用,并且有著傳統(tǒng)揚聲器無法比擬的優(yōu)勢:無前室效應(yīng)。壓電陶瓷揚聲器的振膜為一平面薄板,不存在氣室的影響,因此揚聲器的輸出聲場特性比較好。第一章緒論結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、厚度薄。壓電陶瓷揚聲器主要由“壓電陶瓷振子”膜”兩部分組成,結(jié)構(gòu)極其簡單,不需要傳統(tǒng)揚聲器的音圈、導(dǎo)磁柱、振膜支件,所以壓電陶瓷揚聲器的重量輕,厚度薄。壓電陶瓷片的厚度小于.

22、,膜的厚度也只是.左右,遠小于傳統(tǒng)的動圈揚聲器,非常適合運用于便攜設(shè)備上。無需防磁設(shè)計。壓電陶瓷揚聲器利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生變形,帶動振膜產(chǎn)生彎曲振動發(fā)出聲音,所以不需要傳統(tǒng)揚聲器所特有的永磁體等磁路結(jié)構(gòu),有效減小了揚聲器的體積,特別是揚聲器的厚度。而且由于沒有了磁路系統(tǒng),所以不會對電子產(chǎn)品中的集成電路元件造成干擾,因此無需附加防磁設(shè)計。聲音隨距離衰減小。壓電陶瓷揚聲器的聲壓隨距離的變換接近于線性關(guān)系,距離每增加一倍,聲壓級降低,也就是降低為原來的二分之一。與傳統(tǒng)揚聲器輸出聲壓遵循的“反比平方定律”相比,壓電陶瓷揚聲器的輸出聲壓隨距離的衰減比較小,所以聲場輻射的距離也比較遠。能量利用率高

23、。壓電陶瓷揚聲器的電聲轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)揚聲器要高,而且壓電陶瓷揚聲器的質(zhì)量較輕,所以靈敏度較高,功耗只有傳統(tǒng)揚聲器的/%,大大延長了便攜式電子產(chǎn)品電池的使用時間。失真小。傳統(tǒng)揚聲器振膜工作時振幅比較大,通常有幾毫米甚至十幾毫米,造成音圈運動范圍超過氣隙均勻磁場區(qū),或者振膜和折環(huán)等振動超出其材料的線性彈性范圍等,而引起揚聲器輻射聲場的失真。壓電陶瓷揚聲器的彎曲振動振幅極小,以微米為單位,顯著降低了上述由于工作振幅過大引起的失真問題。昕音范圍廣闊,無明顯指向性。壓電陶瓷揚聲器不同于傳統(tǒng)揚聲器的整體活塞式運動,而是利用振膜的彎曲振動推動空氣發(fā)聲,整個振膜上的振動模式復(fù)雜又隨機,所以聲場呈彌散式且具有相

24、當廣闊的輻射范圍,即使在高頻段也不會出現(xiàn)明顯的指向性,大大增加了揚聲器的可聽范圍,降低了揚聲器在便攜式電子產(chǎn)品上的安裝要求。雖然多層壓電陶瓷揚聲器在便攜式電子產(chǎn)品上有著廣闊的運用前景,有著許多傳統(tǒng)錐盆動圈揚聲器無法比擬的優(yōu)勢,但也存在著明顯的不足。目前壓電陶瓷揚聲器存在的問題主要有兩方面:多層壓電陶瓷揚聲器的低頻響應(yīng)截止頻率偏高。壓電陶瓷揚聲器依靠壓電材料的逆壓電效應(yīng)來推動振膜發(fā)出聲音,而壓電材料逆壓電效應(yīng)的變形量非常小,只有廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文微米級,另外揚聲器的振膜比較薄,能推動的空氣量非常有限,理論表明低頻段的聲壓與振膜能推動的空氣體積相關(guān)。另外,有理論證明當振膜做彎曲振動時,彎曲波

25、的大部分能量將以聲能的形式向外輻射,中高頻段的能量輻射效率比較高,而低頻段的能量輻射效率比較低”。目前壓電陶瓷揚聲器的低頻響應(yīng)截止頻率偏高,如果振膜面積減小,低頻響應(yīng)頻率還會進一步升高。多層壓電陶瓷揚聲器的頻響平滑性不足。壓電陶瓷揚聲器利用薄板振膜的彎曲振動發(fā)出聲音,而薄板材料的振動模態(tài)相當復(fù)雜,存在許多共振頻率點,這樣勢必造成頻率曲線上出現(xiàn)許多的波峰和波谷,嚴重影響揚聲器的音質(zhì)。目前對電子產(chǎn)品的音質(zhì)要求越來越高,壓電陶瓷揚聲器在音質(zhì)方面的不足,將嚴重影響其在電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的進一步發(fā)展。鑒于多層壓電陶瓷揚聲器在便攜式電子產(chǎn)品上獨特的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景,以及目前存在的低頻響應(yīng)不足和頻響平

26、滑性差的突出問題,國內(nèi)外的眾多學(xué)者對壓電陶瓷揚聲器的聲學(xué)特性展開了相關(guān)研究。鄒國華等人利用/特種復(fù)合板制作揚聲器的振膜,從理論上分析振膜的振動特性并通過實驗驗證,所研制的特種復(fù)合板揚聲器諧波失真較小,為改善壓電陶瓷揚聲器的振膜材料特性提供了一種參考方向?一。關(guān)鍵,顧宜等人研究了紙蜂窩芯與玻璃纖維布或銅版紙復(fù)合的蜂窩央芯板的頻率響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明:蜂窩孔徑增大,央芯板振膜靈敏度增加,頻寬變窄;蜂窩芯厚度增加,起振頻率增大,聲能在低頻出的吸收增;央芯板振膜的芯層材料和皮層材料的聲學(xué)阻抗越匹配,頻響曲線越平穩(wěn)“。宋霖,顧宜等人利用激光干涉儀檢測矩形夾芯板振膜在受迫振動下的振幅,通過比較不同結(jié)構(gòu)央

27、芯板振膜的幅頻曲線和加速度.頻率曲線,從微觀結(jié)構(gòu)角度,闡述材料的結(jié)構(gòu)變化對其振動特性的影響。實驗結(jié)果表明,蜂窩紙芯的孔徑減小,夾芯板振膜的第一階共振頻率不變,共振振幅下降,非共振振幅沒有變化,材料的阻尼特性是制約振膜中高頻段的內(nèi)在因素;當皮層和芯層的彈性模量相接近時,皮層不能對芯層形成剛性約束,共振頻率和振幅會發(fā)生很大的變化”。張素珍等人基于平板揚聲器電.力參數(shù)的測量方法,提出采用在腔體內(nèi)襯微穿孔吸聲材料以及附加質(zhì)量位置優(yōu)化的方法,并用實驗驗證該方法有效改善了振膜的振動特性,提高了平板揚聲器的聲學(xué)性能“”。中科院聲學(xué)研究所的沈山豪通過對平板揚聲器薄板振膜的彎曲振動方程進行求第一章緒論解,分析了

28、薄板振動的簡正頻率和振型。分析結(jié)果表明:薄板振膜的質(zhì)量僅與揚聲器的靈敏度有關(guān),與聲輻射方式無關(guān)。聲場的輻射方式為擴散式,所以沒有明顯的指向性。并從理論上指出,當薄板振膜的彎曲振動模態(tài)密度足夠大時,其彎曲共振不會影響輻射聲場的音質(zhì)“”。等人研究了平板振膜的彎曲振動性質(zhì),并通過理論計算和實驗表明:平板振膜彎曲振動輻射的聲場屬于彌散性質(zhì),而其聲場輻射特性不受振膜尺寸的影響,但振膜的尺寸會影響輻射聲場的帶寬。大尺寸振膜的低頻截止響應(yīng)頻率比較低,而小。尺寸振膜在高頻部分的聲學(xué)特性較好“等人結(jié)合心理聲學(xué)低音擴展和子帶動態(tài)范圍壓縮兩種方法,對音頻信號進行處理,改善壓電揚聲器低頻的聲學(xué)性能。通過對心理聲學(xué)低音

29、擴展算法的研究,在揚聲器的低頻區(qū)域產(chǎn)生虛擬球聲場,以此提高低頻響應(yīng);通過對動態(tài)范圍壓縮算法,降低音頻信號的波峰,并提高音頻信號的響度佇”。和 運用振膜彎曲波的特征函數(shù)和傅里葉變換來描述揚聲器的聲場耦合,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并通過對揚聲器輸出聲壓和驅(qū)動點阻抗的有限元分析表明:當振膜彎曲波波形與聲波波形匹配時輸出聲壓高,而振膜的振動模態(tài)、尺寸、密度等對振膜彎曲波形有關(guān)鍵影響;另外振膜彎曲振動的輻射聲壓也與聲.波的干涉和衍射有關(guān)協(xié)¨?。壓電陶瓷揚聲器的音質(zhì)主要取決于“壓電陶瓷激振器和“振膜的聲學(xué)特性。從上面的研究論述可以看出,目前壓電陶瓷揚聲器的研究丌發(fā),主要集中于新型振膜材料的開發(fā)、

30、振膜振動模式的分析、振膜材料特性參數(shù)對揚聲器輻射聲場的影響等方面。目前壓電揚聲器平板振膜主要有以下幾種:以鎳鉻鋼等高彈性金屬薄板作為壓電揚聲器振膜。以碳纖維聚合物層壓板為皮層,以聚苯乙烯泡沫等多孔材料對芯層構(gòu)成的復(fù)合板,作為壓電揚聲器的振膜。以紙或鋁蜂窩為芯層,以碳纖維聚合物或者鋁箔為皮層構(gòu)成復(fù)合板,作為壓電揚聲器的振膜。但目前壓電揚聲器振膜各方面的理論和實驗研究都相當不足,缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)和實驗驗證,因此有必要對壓電揚聲器的振膜材料和聲學(xué)特性做進一步的實驗與研究。廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.本論文的研究意義及研究內(nèi)容壓電揚聲器具有薄型、質(zhì)量輕、功耗低、尺寸小等優(yōu)點,在便攜式電子產(chǎn)品上具有巨大

31、的發(fā)展空間。由于存在低頻聲壓不足和頻響不平滑的缺點,限制了壓電揚聲器的進一步發(fā)展。但通過上述的論述可知,壓電揚聲器改進的關(guān)鍵在于對振膜的材料特性和揚聲器聲場之間聲學(xué)關(guān)系的進一步研究。本論文將從矩形薄板振膜和矩形帶振膜的彎曲振動數(shù)學(xué)模型出發(fā),推導(dǎo)振膜的本征頻率振動方程解,并以此進一步推導(dǎo)振膜的聲波輻射方程,計算壓電揚聲器的空間聲場輻射特性。在理論分析的基礎(chǔ)上,制備了以鎳鉻鋼薄板、鋁薄板、鋁蜂窩央芯板等多種材料為振膜的壓電陶瓷揚聲器。同時根據(jù)國標規(guī)定丌發(fā)了一套基于軟件平臺的微型揚聲器聲學(xué)測試系統(tǒng),對各類振膜揚聲器進行初步篩選,節(jié)約實驗成本及時問。而后利用聲學(xué)測試系統(tǒng)對篩選后的不同振膜揚聲器的頻率響

32、應(yīng)特性及諧波失真特性進行測試,結(jié)合振膜材料的理論計算,尋求振膜材料特性、振膜本征共振頻率模態(tài)等多種因素對壓電陶瓷揚聲器系統(tǒng)聲學(xué)性能影響的規(guī)律。為后續(xù)開發(fā)具有薄型、低頻、寬帶、高保真音質(zhì)的薄型壓電陶瓷揚聲器建立基礎(chǔ)。第二章理論模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo)第二章理論模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析與討論壓電揚聲器彎曲振動的聲波輻射模式,需要先從聲波的基本性質(zhì)出發(fā),求解聲波在空間中輻射的形式,再結(jié)合揚聲器振膜在不同邊界條件下的振動模式,從而求解出揚聲器聲場的空陽輻射方程,從理論上闡述壓電揚聲器的工作方式及工作特點。.聲波的基本性質(zhì).聲波動方程聲波的基本特征是討論揚聲器聲場特性的基礎(chǔ),而聲波的特征可以通過媒質(zhì)中的密度變化量。,聲

33、壓,以及質(zhì)點速度來表征。聲場輻射中最重要參數(shù)的就是聲壓。在聲波傳播過程中,聲壓隨著聲場位置的不同和時問的變化而變化,因此需要明確聲波動方程的物理性質(zhì),就是建立聲壓與空間位置和時間變化的聯(lián)系。為了使分析問題簡化,必須對聲波傳播過程及媒質(zhì)做一定的假設(shè)。媒質(zhì)為理想流體,即媒質(zhì)不存在粘滯性,聲波在其中傳播時沒有能量損失。沒有聲擾動時,媒質(zhì)在宏觀上是靜止的,即初速度為零,同時媒質(zhì)是均勻的。因此媒質(zhì)的靜態(tài)壓強、靜態(tài)密度都是常數(shù)。聲波傳播過程中,傳播媒質(zhì)與相鄰部分的媒質(zhì)不會由于聲傳播過程引起的溫度差而產(chǎn)生熱交換,即聲傳播過程是絕熱的。媒質(zhì)中傳播的是小振幅聲波,各聲學(xué)變量都是一級微量,忽略其它高階次微量的影響

34、。聲波作為一種宏觀的物理現(xiàn)象以及能量在媒質(zhì)中傳播的過程,必須滿足三個基本的物理定律:牛頓第二定律;質(zhì)量守恒定律;以及描述壓強、體積和溫度等狀態(tài)參數(shù)的物態(tài)方程心”。由此得到聲傳播的一些基本方程:印.加運動方程:島百一言鋤.加連續(xù)性方程:島瓦一百 呶 物態(tài)方程:廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文上述方程中,為聲壓,單位為;為媒質(zhì)質(zhì)點的速度,單位為/;為媒質(zhì)的密度/,為媒質(zhì)的聲速,單位為州;為時間,單位為;和分別為聲傳播過程中引起的聲壓增量和密度增量。由上面的三個基本方程,可以推導(dǎo)出理想流體媒質(zhì)中小振幅波動方程:害:蒂其中為拉普拉斯算符,在直角坐標中表示為:熹導(dǎo)曇,拉普拉斯算符也可以轉(zhuǎn)換成在極坐標下的形式,由

35、此可以推到出極坐標系下的波動方程:,?:?:.?卻其中為輻射源到聲波波陣面的距離,為波陣面的面積。由物態(tài)方程?可以推導(dǎo)出聲速方程:乞搖廁其中為介質(zhì)常數(shù),為壓強,為溫度,./.為氣體常數(shù)。當聲波在空氣中傳播時,., /,代入式得到:。.。一般取聲速為:/在聲傳播過程中,常用對數(shù)坐標來表征聲壓的強弱,即聲壓級的大小。聲壓級以符號表示:。且 .叫式中見為待測聲壓的有效值;腑為參考聲壓,在空氣中參考聲壓一般取×弓島這個數(shù)值是正常人耳在下剛能察覺到聲音存在的聲壓值。.脈動球源的聲輻射方程聲波在空間中輻射的研究主要涉及兩個方面:一是研究當聲源振動時,輻射聲場第二章理論模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo)的各種規(guī)律,如

36、聲場中聲壓與聲源的關(guān)系,聲壓隨距離的變化以及聲源的指向性等;二是研究由聲源激發(fā)起來的聲場反過來對聲源振動狀態(tài)的影響,也就是由于輻射聲波的反作用而附加于聲源的輻射阻抗四。實際聲源的形狀是各種各樣的,如不同形狀的揚聲器、人的嘴型等,而球面聲場和平面聲場是聲輻射最基礎(chǔ)的形式,深入了解其輻射規(guī)律,對進一步了解復(fù)雜形狀聲源的輻射方式有所幫助。脈動聲源是其中最基本的一種聲源形式。設(shè)有一球形聲源,半徑為,表面做均勻的微小漲縮振動。相當于聲源在其半徑附近以微量善做簡諧振動,向空間輻射聲波。由于聲源振動的均勻性,聲源表面的位移具有同振幅、同相位的特點,所以輻射的聲波是一均勻的球面波。圖.脈動球源盧場示意圖 .對

37、脈動球源取球坐標系,以球源圓心為坐標系原點。聲源輻射的聲波波陣面為球面,所以在距離圓心處的波陣面面積為。結(jié)合極坐標下的波動方程.,可得脈動球源的波動方程:億四。一毋 ,.務(wù) 研窘專霧專睪并可以得出式.的一般解為:. :蘭“叫一打糾掃廠 ,.上式第一項代表聲源向空間輻射的球面波;第二項代表聲源輻射出的聲波被反射回來后,對聲源形成的反射聲波。反射波的考慮與計算必須根據(jù)輻射空間的邊界情況,討論情況比較復(fù)雜,當聲波工作于無界空間時,不會形成反射波,所以可以不用考慮反射波的影響,即。而式.簡略為:.相同,.的不同因為觀按指向第二章理論模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo).。秒瓦或者考察的是遠聲場的特性時,可當脈動球源的直徑與

38、聲波波長相比要小很多,以忽略脈動球源的直徑,而將其作為一無限小的點聲源處理,此時饑,秒要。脈動球源的聲壓表達式.可以轉(zhuǎn)化成點聲源的聲壓表達式:.,警卅式中萬孑%,為小脈動球源的體積速度幅值,或稱為點源強度。假設(shè)有一形狀任意的面聲源,聲源表面的各個位置振動幅值和相位都各不相同,則可以將面聲源劃分為無限多個小面元,每個小面元足夠的小,以致可以將上面的振動看成是均勻的,從而把小面元當做點聲源處理。設(shè)任意位置,出點源的振動形式為:.:%石,耐叫婦式中%,為面元振動速度的幅值,為面元振動的初相位,該點聲源的強度為。,。由此可以得到該小面元的輻射聲壓為:.加/瑞咖和啪。壕力“出明其中,為該小面元到觀察點的

39、距離。由此將面聲源上所有小面元對空間聲場的聲壓貢獻疊加起來,可以得到面聲源的總聲壓為:當觀察點的非常小,因而可,當做一常數(shù)從式.遠場傳播的是球廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.聲波對聲源的反作用脈動球源在媒質(zhì)中振動使媒質(zhì)發(fā)生形變,同時聲源也受到自身的輻射聲場的反作用。根據(jù)牛頓第二定律,聲原受到聲場對它的反作用力為:一疋阼式中,為聲源表面積,.弓表示作用力的方向與聲壓的變化方向相反。將無界空間波動方程.代入式,可求的:協(xié),嵩¨成乞嵩卜令。鉚。高.畢甍稱為輻射阻抗。它表示著聲源在無界式中辟與分別成為輻射阻和輻射抗,空間的聲輻射特性。假設(shè)聲源振動表面的質(zhì)量為。,聲系統(tǒng)的彈性系數(shù)為如,受到的摩擦阻力

40、為。,策動聲源振動的力為。酬一九,由此可建立聲源振動表面的運動方程:帆去一如“一.求解式?可得:甜:上 ? ?所,甜一其中乙如如緲坂一魯由振動方程.的形式可以發(fā)現(xiàn),聲場對聲源的反作用,相當于在聲源原來的力學(xué)系統(tǒng)上,附加了一個,耳嘭的力阻抗,稱為輻射阻抗。輻射阻抗的作用主要體現(xiàn)在兩個方面:增加了原聲源系統(tǒng)的力阻,除原來的力阻心以外還增加了輻射阻礙,這反:章理論模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo)映力學(xué)系統(tǒng)存在的能量損耗,但這部分能量損耗不是轉(zhuǎn)換成熱能,而是轉(zhuǎn)化成聲能。因此一個聲學(xué)系統(tǒng)中力阻乙越高,則能量越多的轉(zhuǎn)換成聲能,這也是我們所追求的。增加了原聲源系統(tǒng)的力抗,除原來的力抗瓦以外還增加了輻射抗墨。輻射抗在聲源系統(tǒng)中

41、表現(xiàn)為慣性抗,相當于在聲源本身質(zhì)量坂的基礎(chǔ)上附加了一個輻射質(zhì)量,生,即聲源加重了。這部分輻射質(zhì)量的存在,將會降低聲源本身的本征頻率,緲改變聲源的低頻響應(yīng),但同時也會降低聲源的聲輻射功率,因為能量將更多存儲在聲源的慣性質(zhì)量上,而不是轉(zhuǎn)換成聲能。.傳統(tǒng)揚聲器的聲輻射特性.傳統(tǒng)揚聲器的聲壓方程傳統(tǒng)錐盆動圈揚聲器屬于活塞式聲源,如果忽略錐衙振膜上的折環(huán)等較細微的結(jié)構(gòu),可以將振膜當作一平面圓形振子處理。一般動圈揚聲器是安裝在箱體里,理論上等效于活塞嵌在無限大障板上輻射聲波。設(shè)有一半徑為的圓形平面活塞鑲嵌在無限大平面障板上,活塞振膜表面在靜止時與障板表面處于同一平面,活塞的振動速度為塒。取活塞的坐標系如圖

42、.所示,點為聲場中的觀察點。,口薪羅./圖活塞面元坐標系圖.按點聲源的分析方法,將活塞表面分為無數(shù)多個無限小的面元,每一個小面元都可以看做一點聲源。取位于極徑,極角緲處的面元,點源強度為餛。根據(jù)點源聲壓方程.,觀察點處產(chǎn)生的聲壓為:廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文印/%刪塒式中是從面元到空間觀察點的距離。理想的錐盆揚聲器振膜振動屬于整體活塞式運動,即振膜上各個位置的振動沒有相位差,所以可以假設(shè)面元的振動形式屬于理想的活塞式振動,各個小面元的振動不存在相位差,即,。由此可以求得整個活塞振元的輻射聲壓為:肛少酉即“卅搬在口的遠聲場中,可以得出:,.將式.代入方程.中,可得到活塞振源的聲壓與質(zhì)點速度:協(xié),州

43、國警罐筍卜叫協(xié)。咋一÷?一士挈上。嘉 式中以為一階柱貝塞爾函數(shù),函數(shù)具有如下的性質(zhì):以去”坳砜出由活塞振源的聲壓方程.可以看出,在遠聲場活塞振源同脈動球源一樣,聲壓隨距離反比衰減。.傳統(tǒng)揚聲器的輻射指向性分析榍榍聲樂方輝.可以得活塞振源的指向件為.晰瓦絮筍時,即輻射聲波的頻率較低時,考,也就是聲源的指向性秒,這時聲源的輻射幾乎各向均勻,輻射聲壓不表現(xiàn)出指向性。當值增加,即輻射聲波的頻率升高時,由式.可知活塞聲源將表現(xiàn)出越四第二章理論模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo)來越強的指向性,特別是當值超過一階貝塞爾函數(shù)的第根植.以后,聲壓輻射將會出現(xiàn)旁瓣等更加復(fù)雜的指向特性,如圖.所示。嗍黼蛔。二:逐己二眨己圖活塞面?分割不恿圖 .按照點源聲壓方程設(shè)面元的振動會在面元釕附近的媒質(zhì)中產(chǎn)生聲壓,.,可得聲壓為:.勿/警舭舫厶,式中為面元與舔之間的距離。活塞振源上所有面元在搬。處產(chǎn)生的總聲壓為:廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.妒百嶝睜由此可得出面元受到的聲場反作用力為:.則整個活塞表面受到的聲場反作用總和為:.池一妒叫等驢睜對方程?進行求解,可得出反