基于微型扬声器的特性设计膜片

1、基于微型扬声器的特性设计膜片文章编号:10028684(2008J05-0017-06匡0囿凹6囿l囿圈6凹6电声器件与电路口基于微型扬声器的特性设计膜片马鲁建.奚爱军(深圳凌嘉电音有限公司电声研究所,广东深圳518034)?产品设计?【摘要1首先对膜片的材料,形状进行定性定量的分析计算,然后与实际产品测试结果进行对比验证,从而得出膜片定性定量设计的可行性结论.【关键词】微型扬声器;膜片;参数【中图分类号】TN643【文献标识码】ADesignofDiaphragmandMiniSpeakerPerformanceMALu-jJan,XIAi-jun(ShenzhenLinjiaElectro

2、acousticCo.,Ltd.,ShenzhenGuangdong518034,China)【Abstract】Howtochoosethediaphragmmaterialaccordingtotherequestofminispeakerperformanceisanalyzed.Comparedwiththetestingresultsoftheactualproduce,thediaphragmdesignpossibilityisdiscusssed,【Keywords】minispeaker;diaphragm;parameter1引言2随着手机,MP3播放器,移动DVD,PDA

3、等的快速发展,带动并促进微型扬声器迅速发展的同时,人们对微型扬声器性能要求也越来越高.在微型扬声器的性能设计中,膜片的设计起着至关重要的作用.如何根据所要求的特性来设计膜片?膜片设计时如何确定材料和形状?笔者就微型扬声器性能参数与膜片设计之间的关系问题进行了探讨.膜片材料的物理特性(1)膜片材质及物理特性表膜片材质及物理特性表如表l所示.(2)膜片的厚度部分常用的膜片厚度如表2所示.(3)膜片的形状常用的膜片形状如图l所示.(4)膜片的顺性表1膜片材质及物理特性表欹料零穗磷_鹣料荚艾垒栋.-*邙曳习馈译秣|曩I磙璃辕c强霞薯连续馒温霞蛰锈氏谈璧I媳I整霞%堕妻煎生蔓翌鲞蔓塑匡口电声器件与电路0

4、0,囿g6囿0圈润60,表2部分材质膜片的厚度表PETPEIPENPPS篱鏊霉纛蠢氆蠢冀毒毫|殍霞l蠢警|誊|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,等由于膜片材质本身的杨氏模量不同,所以相同厚度及形状,不同材质的膜片,其顺性是不同的,顺性对比情况如表3所示.表3膜片材质等效顺性对照表由表3可看出,相同形状和厚度的情况下PEEK材质的顺性最大,PEN材质的顺性最小.(5)膜片的选用由于膜片材质本身的物理特性不同,所以相同形状,材质与不同厚度的膜片,其失真不同,

5、对比图如图23所示.实践表明,随着膜片厚度的增加对扬声器的失真抑制是非常明显的.说明在顺性允许的情况下,应尽量采用厚度大的膜片.囵!查熊生筻墼堂蔓§塑由于膜片形状的不同所造成膜片本身的刚性差异对失真的影响如图4所示.实践表明,选择或设计膜片时悬边形状为R形或圆弧形的形状对失真有所抑制.膜片的厚度,形状对失真有着非常明显的影响,设计或选用合理厚度及形状的膜片对失真有所抑制继而影响最终的音质体现.3如何通过微型扬声器的特性要求设计膜片例如:一口径28mm的微型扬声器的的特性要求如下:R为额定阻抗:16n,fox280Hz,SPL为90dB/(0.1W?0.1m),频响范围为280Hz12

6、kHz,(额定功率)为0.8w,P¨(最大功率)为1.5W.初步设计步骤如下.(1)根据功率确定音圈的口径,对于微型扬声器而言一般尽量选用对称驱动的结构.对称驱动原理公式为D=2d,d=14ITlm(1)其中,D.为膜片的等效直径(初步设计时可看作扬声器的口径),单位:mm;d为音圈口径(mm),由常规的音圈口径规格,选定其口径为+13.6mm.(2)由要求SPL90dB/(O.1W?0.1Il1),换算成(1W?1Il1)的声压嘲为80dB.丝田=10×100%(2)将SPL值代人式(2),得叼:0.063%.通过功率要求初步设计微型扬声器的参考振幅0.481,/尸n1叼

7、一一一一(3)其中,为振幅(m);叼为效率(%);0为扬声器等效半径(m)(据图6中B大小进行计算);f为频率(Hz)(此处取谐振频率).将叼,带人式(3),得.00125m1.3mE.(3)根据振幅初步确定微型扬声器振动系统的结构图如图5所示.其中,DomeXmax为膜片的有效高到支架U铁的距离(mE);WasherH为极片厚度(mE);Xmax为音圈的线性位移(mE);DomeXm1.3mE,为了安全可靠,活动间隙的尺寸要大于DomeXmax的尺寸.假设WasherH为0.6mE,Xmax为0.2mE,那么音圈的卷幅=1.3+0.6+0.2=2.1(mE).通过音圈的卷幅,音圈的口径以及D

8、CR音圈直流阻抗(取14.5n)计算出所用线材(高张力线材)口径为0.06mE,音圈质量为0.055g,音圈线全长为2.22m(计算过程略).4膜片参数的初步设计(1)选用设计形状由于要求高频截止频率为12kHz,谐振频率为280Hz,考虑形状对失真的影响,根据经验选用太阳花纹形状的膜片图1(d),材质为PEI,厚度为38m.(2)膜片悬边的设计由于支架尺寸已经确定,那么膜片的部分尺寸可确定,膜片尺寸如图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锕圈圈响圈(6凹6电声器件与电路假设h

9、的高度为0.6mE,通过膜片悬边的尺寸计算出膜片向磁路外的极限位移为0.7mE;膜片向磁路内的极限位移为0.97mE.由此可见,由于顺性的非线性因素存在(此处没有考虑力因子BL的非线性因素),在最大功率时音圈没有跳出磁路间隙和打底的情况.(3)膜片等效顺性经验公式C=(1)/订(+DV)Eala2(4)其中,C为膜片的等效顺性(m/N);为泊松比,一般取0.33;为单段波纹的平均宽度(m);DV为音圈贴合外径(m);t为材料厚度(m);E为杨氏模量(N?m);a.为修正系数;a2为修正系数;h为波纹高度(m).将0.038mEPEI膜片的数据代人式(4)得,C=3.34x10(m/N).表4为

10、a.系数的取值范围,表5为系数的取值范围.表4a.系数的取值范围(4)空气附加质量的计算131Mm=2.67pa=0.O06xlO(kg)(5)其中,为空气附加质量;0为膜片等效半径0.0123m.(5)膜片质量的近似计算=sdpt=3.14atp=O.023x10(kg)(6)其中,为膜片质量()Ip为材质密度(kg/m.);s为等效面积0.000475m(这里取振动面积的最大值),膜片等效面积示意图如图7所示.童熊生蔓墼堂蔓塑电声器件与电路00,囿凹岛锄囿憧囿闶60,凹舱(6)振动系统等效质量的计算嘲d+2+2r-0.12xlO(kg)(7)其中,为扬声器振动系统等效质量(kg);为振动系

11、统质量(kg);Mv为音圈质量(kg);Ms为胶水质量(估计)0.00003kg.(7)等效顺性的计算f31=,/(8)c=一=3.34x10(m/N)其中,为谐振频率(Hz)(考虑胶水对谐振频率的影响,此处比目标取低些:250Hz);C为扬声器振动系统等效顺性(m/N).不考虑其他因素对共振频率的影响,通过对比膜片顺性C和振动系统顺性C基本相等,可以判定假设膜片的高度h是合理的,如不合理则需重新假设高度或选材进行计算.(8)膜片球顶高度的设计根据特性要求取12kHz,由于一般聚脂类膜片的分割振动都能将高频截止频率延伸到高频截止频率的1个倍频程以上的范围,所以设计时可选用要求高频截止频率的1,

12、2进行设计,即取6kHz.根据经验公式计算Fh=0.3843其中,=0.00126m;为高频截止频率(Hz);为球顶高度(in);D为音圈贴合内径(in).至此,以上进行了初步的微型扬声器低频与高频参数的膜片设计,下面通过中频灵敏度进行磁路部分曰值的确定.堕查熊2生蔓墼鲞蔓§塑(9)磁路的曰值设计7:(10)21TcR其中,BL=I.047T?m;p0为空气密度1.21kg/m;c为声速344m/s;BL为力因子(T?in).通过式(10)知扬声器的效率嘲跟BL值相关.已知为2.22in,所以求得曰=(BL)/L=0.47(T)(11)其中,为音圈线的全长(有效长度)(in);曰为磁

13、路磁通密度的平均值(T).通过FEMM等软件模拟磁路,选择合适的曰值.图8为FEMMB值积分值,图9为音圈在磁路中的曰值分布情况.5膜片参数设计及验证(1)谐振频率嘲将膜片的等效顺性和振动系统的等效质量代入式(8)=/壶得F:251.4Hz(2)等效容积【322=/90CCs5d(12)将膜片的等效顺性和等效面积代入式(12)得V=0.108L.(3)机械品质因数翻Qnls=,/参考同类产品的机式(13)得Q=3.27.(4)电气品质因数翻=BL/()Vms(13)械力阻R=0.058kg/s代入(14)将膜片的等效顺性和振动系统的等效质量代入式(14),得Q=2.51.(5)总品质因数f3_

14、Qts-QmsQes(15)将Q,Q代入式(15),得出Q=1.42.(6)效率13将,和Q代人式(10)叩:poS(BL):21TMcQ得r/=0.00066=0.066%.(7)灵敏度21SPL=I12+10lg叼(16)将效率叩代人式(16),得SPL=80.22dB.其中,SPL为1W?1in时的灵敏度(dB).=gg寺(17得SPL=90.22dB.其中,SPL为1W?1in时的灵敏度(dB);r为某点测试距离(in)(此处为0.1in);rn为参考测试距离1in;W为测试时馈给扬声器的功率(W)(此处为0.1W);W参考功率(此处为1W).(8)高频截止频率41将相应的数据带人式(

15、9)F=0.3852439得=5976Hz.将以上计算的TS参数和参考同类产品的L(在10kHz的电感量):0.168mH输入LEAP模拟,在1W?1in时自由场频响曲线和阻抗曲线以及最大功率时的振幅情况如图1012所示.匡0囿凹锕囿囿响6凹6电声器件与电路通过对以上计算的微型扬声器数据的验证,膜片的设计是合理的.最后确定膜片的尺寸如图13所示.堕妻熊生塑丝堂蔓塑国电声器件与电路0囿凹g6囿囿响6凹利用上述数据对膜片的形状进行开模或索样,并做成成品的频率响应特性曲线如图14所示(阳光测试系统测试的频响曲线).;嚣箸蔓j三量噩蓦i暑臻110皇q|_睁辫鬻0三善蒌j;等鼍每;赫;÷100

16、誊ks蠢lul_杰÷幔号痞辩誊举il拈点_§赫矗霉黪?j鲥赢i一曲臻静.量携凳曩寸:章鬻70善*番l毒斗蓦蚓一l每2镄.:l;:i60:-蟊”i;¨中前?d¨一一501o0200500100o200o5OOO10OOO20OO0,/Hz图ll4阳光禊试系统测试的频响曲线利用CLIO测试系统测试的阻抗曲线及TS参数如图1516所示.287.11.2s2641153Hzv 01157L1450值从曲线和测试的TS参数上看和前面计算的数据基本吻合,并与实际的要求相符合,由于存在测试误差和胶水对微型扬声器性能影响,最终判定膜片的设计是基本合理的.设计膜

17、片前进行合理的计算对产品设计起着重要的指导作用.国堕妻熊堂生蔓丝鲞蔓§塑6结论在实际的开发过程中,特别是对新开模具或者需要开模具的微型扬声器进行设计时,首先要对膜片进行合理的选材设计.一是减少了修改模具或者重新开模造成不必要的浪费;二是缩短了开发产品的周期.但是对于不同用途,不同音质要求的微型扬声器,还要根据不同音质要求进行不同的选材.例如:PEN材质音质略显硬,但是语言清晰;PEI材质音质表现柔和,播放和弦音乐效果不错,等.除此之外,对音质的影响还有磁路部分带来的非线性因素,阻尼材料,前面盖开孔和整机面罩和腔体等因素的影响.总之,在一款性能优越的微型扬声器的设计中,如何合理地进行膜片的设计与选材,有着至关重要的作用.参考文献【1王以真.实用扬声器工艺手册【M.北京:国防工业出版社,2006.【2DICKASONV.TheloudspeakerdesigncookbookM.6版.S.1.】:AudioAmateurPress,2004.【3J杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础【M】.2版.南