基于微型揚聲器的特性設(shè)計膜片

1、基于微型揚聲器的特性設(shè)計膜片文章編號:10028684(2008J05-0017-06匡0囿凹6囿l囿圈6凹6電聲器件與電路口基于微型揚聲器的特性設(shè)計膜片馬魯建.奚愛軍(深圳凌嘉電音有限公司電聲研究所,廣東深圳518034)?產(chǎn)品設(shè)計?【摘要1首先對膜片的材料,形狀進行定性定量的分析計算,然后與實際產(chǎn)品測試結(jié)果進行對比驗證,從而得出膜片定性定量設(shè)計的可行性結(jié)論.【關(guān)鍵詞】微型揚聲器;膜片;參數(shù)【中圖分類號】TN643【文獻標識碼】ADesignofDiaphragmandMiniSpeakerPerformanceMALu-jJan,XIAi-jun(ShenzhenLinjiaElectro

2、acousticCo.,Ltd.,ShenzhenGuangdong518034,China)【Abstract】Howtochoosethediaphragmmaterialaccordingtotherequestofminispeakerperformanceisanalyzed.Comparedwiththetestingresultsoftheactualproduce,thediaphragmdesignpossibilityisdiscusssed,【Keywords】minispeaker;diaphragm;parameter1引言2隨著手機,MP3播放器,移動DVD,PDA

3、等的快速發(fā)展,帶動并促進微型揚聲器迅速發(fā)展的同時,人們對微型揚聲器性能要求也越來越高.在微型揚聲器的性能設(shè)計中,膜片的設(shè)計起著至關(guān)重要的作用.如何根據(jù)所要求的特性來設(shè)計膜片?膜片設(shè)計時如何確定材料和形狀?筆者就微型揚聲器性能參數(shù)與膜片設(shè)計之間的關(guān)系問題進行了探討.膜片材料的物理特性(1)膜片材質(zhì)及物理特性表膜片材質(zhì)及物理特性表如表l所示.(2)膜片的厚度部分常用的膜片厚度如表2所示.(3)膜片的形狀常用的膜片形狀如圖l所示.(4)膜片的順性表1膜片材質(zhì)及物理特性表欹料零穗磷_鶼料莢艾壘棟.-*邙曳習饋譯秣|曩I磙璃轅c強霞薯連續(xù)饅溫霞蟄銹氏談璧I媳I整霞%墮妻煎生蔓翌鲞蔓塑匡口電聲器件與電路0

4、0,囿g6囿0圈潤60,表2部分材質(zhì)膜片的厚度表PETPEIPENPPS籬鏊霉纛蠢氆蠢冀毒毫|殍霞l蠢警|謄|l蔓5,6,9,12,19,25,38,50,75,100,等lO,25,38,50,75,100,等6,9,12,16,19,25,38,50,75,100,等6,9,12,等由于膜片材質(zhì)本身的楊氏模量不同,所以相同厚度及形狀,不同材質(zhì)的膜片,其順性是不同的,順性對比情況如表3所示.表3膜片材質(zhì)等效順性對照表由表3可看出,相同形狀和厚度的情況下PEEK材質(zhì)的順性最大,PEN材質(zhì)的順性最小.(5)膜片的選用由于膜片材質(zhì)本身的物理特性不同,所以相同形狀,材質(zhì)與不同厚度的膜片,其失真不同,

5、對比圖如圖23所示.實踐表明,隨著膜片厚度的增加對揚聲器的失真抑制是非常明顯的.說明在順性允許的情況下,應(yīng)盡量采用厚度大的膜片.圇!查熊生筻墼堂蔓§塑由于膜片形狀的不同所造成膜片本身的剛性差異對失真的影響如圖4所示.實踐表明,選擇或設(shè)計膜片時懸邊形狀為R形或圓弧形的形狀對失真有所抑制.膜片的厚度,形狀對失真有著非常明顯的影響,設(shè)計或選用合理厚度及形狀的膜片對失真有所抑制繼而影響最終的音質(zhì)體現(xiàn).3如何通過微型揚聲器的特性要求設(shè)計膜片例如:一口徑28mm的微型揚聲器的的特性要求如下:R為額定阻抗:16n,fox280Hz,SPL為90dB/(0.1W?0.1m),頻響范圍為280Hz12

6、kHz,(額定功率)為0.8w,P¨(最大功率)為1.5W.初步設(shè)計步驟如下.(1)根據(jù)功率確定音圈的口徑,對于微型揚聲器而言一般盡量選用對稱驅(qū)動的結(jié)構(gòu).對稱驅(qū)動原理公式為D=2d,d=14ITlm(1)其中,D.為膜片的等效直徑(初步設(shè)計時可看作揚聲器的口徑),單位:mm;d為音圈口徑(mm),由常規(guī)的音圈口徑規(guī)格,選定其口徑為+13.6mm.(2)由要求SPL90dB/(O.1W?0.1Il1),換算成(1W?1Il1)的聲壓嘲為80dB.絲田=10×100%(2)將SPL值代人式(2),得叼:0.063%.通過功率要求初步設(shè)計微型揚聲器的參考振幅0.481,/尸n1叼

7、一一一一(3)其中,為振幅(m);叼為效率(%);0為揚聲器等效半徑(m)(據(jù)圖6中B大小進行計算);f為頻率(Hz)(此處取諧振頻率).將叼,帶人式(3),得.00125m1.3mE.(3)根據(jù)振幅初步確定微型揚聲器振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.其中,DomeXmax為膜片的有效高到支架U鐵的距離(mE);WasherH為極片厚度(mE);Xmax為音圈的線性位移(mE);DomeXm1.3mE,為了安全可靠,活動間隙的尺寸要大于DomeXmax的尺寸.假設(shè)WasherH為0.6mE,Xmax為0.2mE,那么音圈的卷幅=1.3+0.6+0.2=2.1(mE).通過音圈的卷幅,音圈的口徑以及D

8、CR音圈直流阻抗(取14.5n)計算出所用線材(高張力線材)口徑為0.06mE,音圈質(zhì)量為0.055g,音圈線全長為2.22m(計算過程略).4膜片參數(shù)的初步設(shè)計(1)選用設(shè)計形狀由于要求高頻截止頻率為12kHz,諧振頻率為280Hz,考慮形狀對失真的影響,根據(jù)經(jīng)驗選用太陽花紋形狀的膜片圖1(d),材質(zhì)為PEI,厚度為38m.(2)膜片懸邊的設(shè)計由于支架尺寸已經(jīng)確定,那么膜片的部分尺寸可確定,膜片尺寸如圖6所示.其中,A=26.85mE;B=24.6mE;DV=d+1.0=14.6mE;D=d一0.8=12.8mE:W=(BDV)/2=5.0mE匡0圈凹s錒圈圈響圈(6凹6電聲器件與電路假設(shè)h

9、的高度為0.6mE,通過膜片懸邊的尺寸計算出膜片向磁路外的極限位移為0.7mE;膜片向磁路內(nèi)的極限位移為0.97mE.由此可見,由于順性的非線性因素存在(此處沒有考慮力因子BL的非線性因素),在最大功率時音圈沒有跳出磁路間隙和打底的情況.(3)膜片等效順性經(jīng)驗公式C=(1)/訂(+DV)Eala2(4)其中,C為膜片的等效順性(m/N);為泊松比,一般取0.33;為單段波紋的平均寬度(m);DV為音圈貼合外徑(m);t為材料厚度(m);E為楊氏模量(N?m);a.為修正系數(shù);a2為修正系數(shù);h為波紋高度(m).將0.038mEPEI膜片的數(shù)據(jù)代人式(4)得,C=3.34x10(m/N).表4為

10、a.系數(shù)的取值范圍,表5為系數(shù)的取值范圍.表4a.系數(shù)的取值范圍(4)空氣附加質(zhì)量的計算131Mm=2.67pa=0.O06xlO(kg)(5)其中,為空氣附加質(zhì)量;0為膜片等效半徑0.0123m.(5)膜片質(zhì)量的近似計算=sdpt=3.14atp=O.023x10(kg)(6)其中,為膜片質(zhì)量()Ip為材質(zhì)密度(kg/m.);s為等效面積0.000475m(這里取振動面積的最大值),膜片等效面積示意圖如圖7所示.童熊生蔓墼堂蔓塑電聲器件與電路00,囿凹島鋤囿憧囿閌60,凹艙(6)振動系統(tǒng)等效質(zhì)量的計算嘲d+2+2r-0.12xlO(kg)(7)其中,為揚聲器振動系統(tǒng)等效質(zhì)量(kg);為振動系

11、統(tǒng)質(zhì)量(kg);Mv為音圈質(zhì)量(kg);Ms為膠水質(zhì)量(估計)0.00003kg.(7)等效順性的計算f31=,/(8)c=一=3.34x10(m/N)其中,為諧振頻率(Hz)(考慮膠水對諧振頻率的影響,此處比目標取低些:250Hz);C為揚聲器振動系統(tǒng)等效順性(m/N).不考慮其他因素對共振頻率的影響,通過對比膜片順性C和振動系統(tǒng)順性C基本相等,可以判定假設(shè)膜片的高度h是合理的,如不合理則需重新假設(shè)高度或選材進行計算.(8)膜片球頂高度的設(shè)計根據(jù)特性要求取12kHz,由于一般聚脂類膜片的分割振動都能將高頻截止頻率延伸到高頻截止頻率的1個倍頻程以上的范圍,所以設(shè)計時可選用要求高頻截止頻率的1,

12、2進行設(shè)計,即取6kHz.根據(jù)經(jīng)驗公式計算Fh=0.3843其中,=0.00126m;為高頻截止頻率(Hz);為球頂高度(in);D為音圈貼合內(nèi)徑(in).至此,以上進行了初步的微型揚聲器低頻與高頻參數(shù)的膜片設(shè)計,下面通過中頻靈敏度進行磁路部分曰值的確定.墮查熊2生蔓墼鲞蔓§塑(9)磁路的曰值設(shè)計7:(10)21TcR其中,BL=I.047T?m;p0為空氣密度1.21kg/m;c為聲速344m/s;BL為力因子(T?in).通過式(10)知揚聲器的效率嘲跟BL值相關(guān).已知為2.22in,所以求得曰=(BL)/L=0.47(T)(11)其中,為音圈線的全長(有效長度)(in);曰為磁

13、路磁通密度的平均值(T).通過FEMM等軟件模擬磁路,選擇合適的曰值.圖8為FEMMB值積分值,圖9為音圈在磁路中的曰值分布情況.5膜片參數(shù)設(shè)計及驗證(1)諧振頻率嘲將膜片的等效順性和振動系統(tǒng)的等效質(zhì)量代入式(8)=/壺得F:251.4Hz(2)等效容積【322=/90CCs5d(12)將膜片的等效順性和等效面積代入式(12)得V=0.108L.(3)機械品質(zhì)因數(shù)翻Qnls=,/參考同類產(chǎn)品的機式(13)得Q=3.27.(4)電氣品質(zhì)因數(shù)翻=BL/()Vms(13)械力阻R=0.058kg/s代入(14)將膜片的等效順性和振動系統(tǒng)的等效質(zhì)量代入式(14),得Q=2.51.(5)總品質(zhì)因數(shù)f3_

14、Qts-QmsQes(15)將Q,Q代入式(15),得出Q=1.42.(6)效率13將,和Q代人式(10)叩:poS(BL):21TMcQ得r/=0.00066=0.066%.(7)靈敏度21SPL=I12+10lg叼(16)將效率叩代人式(16),得SPL=80.22dB.其中,SPL為1W?1in時的靈敏度(dB).=gg寺(17得SPL=90.22dB.其中,SPL為1W?1in時的靈敏度(dB);r為某點測試距離(in)(此處為0.1in);rn為參考測試距離1in;W為測試時饋給揚聲器的功率(W)(此處為0.1W);W參考功率(此處為1W).(8)高頻截止頻率41將相應(yīng)的數(shù)據(jù)帶人式(

15、9)F=0.3852439得=5976Hz.將以上計算的TS參數(shù)和參考同類產(chǎn)品的L(在10kHz的電感量):0.168mH輸入LEAP模擬,在1W?1in時自由場頻響曲線和阻抗曲線以及最大功率時的振幅情況如圖1012所示.匡0囿凹錒囿囿響6凹6電聲器件與電路通過對以上計算的微型揚聲器數(shù)據(jù)的驗證,膜片的設(shè)計是合理的.最后確定膜片的尺寸如圖13所示.墮妻熊生塑絲堂蔓塑國電聲器件與電路0囿凹g6囿囿響6凹利用上述數(shù)據(jù)對膜片的形狀進行開模或索樣,并做成成品的頻率響應(yīng)特性曲線如圖14所示(陽光測試系統(tǒng)測試的頻響曲線).;囂箸蔓j三量噩驀i暑臻110皇q|_睜辮鬻0三善蔞j;等鼉每;赫;÷100

16、謄ks蠢lul_杰÷幔號痞辯謄舉il拈點_§赫矗霉黲?j鰣贏i一曲臻靜.量攜凳曩寸:章鬻70善*番l毒斗驀蚓一l每2鐨.:l;:i60:-蟊”i;¨中前?d¨一一501o0200500100o200o5OOO10OOO20OO0,/Hz圖ll4陽光禊試系統(tǒng)測試的頻響曲線利用CLIO測試系統(tǒng)測試的阻抗曲線及TS參數(shù)如圖1516所示.287.11.2s2641153Hzv 01157L1450值從曲線和測試的TS參數(shù)上看和前面計算的數(shù)據(jù)基本吻合,并與實際的要求相符合,由于存在測試誤差和膠水對微型揚聲器性能影響,最終判定膜片的設(shè)計是基本合理的.設(shè)計膜

17、片前進行合理的計算對產(chǎn)品設(shè)計起著重要的指導作用.國墮妻熊堂生蔓絲鲞蔓§塑6結(jié)論在實際的開發(fā)過程中,特別是對新開模具或者需要開模具的微型揚聲器進行設(shè)計時,首先要對膜片進行合理的選材設(shè)計.一是減少了修改模具或者重新開模造成不必要的浪費;二是縮短了開發(fā)產(chǎn)品的周期.但是對于不同用途,不同音質(zhì)要求的微型揚聲器,還要根據(jù)不同音質(zhì)要求進行不同的選材.例如:PEN材質(zhì)音質(zhì)略顯硬,但是語言清晰;PEI材質(zhì)音質(zhì)表現(xiàn)柔和,播放和弦音樂效果不錯,等.除此之外,對音質(zhì)的影響還有磁路部分帶來的非線性因素,阻尼材料,前面蓋開孔和整機面罩和腔體等因素的影響.總之,在一款性能優(yōu)越的微型揚聲器的設(shè)計中,如何合理地進行膜片的設(shè)計與選材,有著至關(guān)重要的作用.參考文獻【1王以真.實用揚聲器工藝手冊【M.北京:國防工業(yè)出版社,2006.【2DICKASONV.TheloudspeakerdesigncookbookM.6版.S.1.】:AudioAmateurPress,2004.【3J杜功煥,朱哲民,龔秀芬.聲學基礎(chǔ)【M】.2版.南