主题：磁液使用量计算公式

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《磁液在扬声器中的应用概述》

史提夫·塔塔如尼斯

美国Ferrofludics 公司音响产品经理

杜邦Kapton音圈研讨会

1996年4月17日于伦敦

1996年4月19日于日内瓦

1997年3月26日于台北

1999年11月18日于东莞

引 言

Ferrofludics 公司成立于1968年。之前美国太空总署为了解决在失重情况下火箭液体燃料的精确控制而成立研究磁液的项目，Ferrofludics 公司就是从中独立出来的。在采用更便宜、更安全、更可靠的固体燃料火箭技术之后，太空总署不再需要磁液技术，于是参与这项研究的三位工程师获准研究磁液的商业技术和市场的开发。

今天Ferrofludics 公司的年销额达到二千八百万美元（99年6月止）。它的总部在新罕布什尔州的纳舒厄，分支机构分别在英国、德国、西班牙，日本。其音响用的磁液代理商遍布丹麦、印度、韩国、台湾、香港、中国大陆、泰国、马来西亚及新加坡。

什么是磁液

磁液是一种稳定的、磁性的微粒悬浮在液态载体中的胶状物质。其微粒的平均大小约在100A，外面被一种稳定的分散剂（表面活性剂）所包裹。这种分散剂会防止微粒即使在强磁场下也不会凝聚成团。在没有磁场的情况下，微粒的磁矩是随机分布的，磁液没有剩磁。当把磁场加到磁液上时，微粒的磁矩立即沿着磁力线方向排列，这样磁液的磁响应会随着所加磁场的变化而立即变化。当所加磁场消失之后，磁矩又马上随机化了。磁液属于一种被定义为寄生磁性的物质。

物理特性

磁液有三个主要物理特性：饱和磁化强度、粘度及挥发性。

饱和磁化强度：取决于悬浮的磁性材料的性质及其体积。悬浮磁性材料量越多，其饱和磁化强度越大。扬声器所用的磁液的饱和磁化强度值从75~400高斯。与铁（饱和磁化强度，17,000高斯）相比，磁液是弱磁物质。

粘度：流动阻力的量度。粘度定义为粘性切变应力与切变速度之比，以厘泊（CP）为计量单位。扬声器所用的磁液的粘度范围为25-10,000CP（27℃），然而常用的粘度值范围要窄得多：100-2,000CP。

挥发性：有几个因素影响扬声器中磁液的挥发率:1)载体的挥发速度，2)磁液的平均温度，3)暴露的表面面积，4)磁液的量。

1) 挥发速度：表达方式从每平方厘米表面面积,每秒钟所损失重量的百分比或者失去的材料(克数)。在175℃时音响用的磁液的挥发速度从1.0到8.5×10^-7克/厘米²·秒

2）平均温度：在气隙中的磁液有一个温度梯度，在靠近音圈处温度最高，而靠近华司（上夹板）和T铁柱处温度最低。一个扬声器音圈温度150℃，华司/柱温度80℃，其平均温度就是115℃。

3）和4）表面面积和磁液量：这项因素由气隙的物理尺寸所决定。

影响磁液性能的其他特性有：初始导磁率，热膨胀系数，磨擦系数，止流点，密度，导热率，导电率和表面张力。这里所讨论的磁液物理特性归纳在表一中。

扬声器使用磁液的优点

磁液留在磁间隙中，并完全充满音圈内径与T铁、以及音圈外径与华司（上夹板）之间的空间。不需要防止流失措施，磁液会被强大的永磁磁场所吸住。

气隙中的磁液从多方面增强了扬声器的性能：

热传导：磁液的热传导率比它所取代的气隙中的空气约大5倍。磁液在音圈与T铁及华司之间的热阻力小得多，把音圈的瞬态和稳定状态工作温度都降到允许的范围之内。由磁液所提供的瞬态热功率承受能力的增加程度，取决于音圈绕组宽度与华司厚度之比。两者越接近，这种承受能力的提高越明显。

稳态热承受能力的提高，不仅与上述绕组长度与华司高度之比有关,而且与散热物质量与磁钢和盆架的表面面积有关。一个小扬声器会很快就进入热饱和状态，磁液在散热方面的长处就不会那么明显。而一个大的扬声器因为拥有大的散热物质量和表面面积，磁液对音圈工作温度的良好影响就会随时间而很明显。

阻尼作用：在气隙中的磁液对运动着的音圈产生机械阻力。其阻力大小与磁液的粘度成正比。

音圈中心定位：当音圈在气隙中有径向位移时，磁液就会给一个复位力，这种力的大小与位移大小成正比，其系数是：K=2MsHmht/ r（N/M）

其中：Ms=饱和磁化强度，以泰斯拉为单位（MKS制的磁通密度单位）

H m=气隙中最大场强，以安培/米为单位

h=气隙中磁液高度，以米为单位

t=气隙宽度，以米为单位

r=气隙半经，以米为单位

一个25mm球顶高音的典型值是：

Ms=0.01泰斯拉

Hm=1.2×10⁶安培/米

h=0.003米

t=0.0003米

r=0.0127米

那么，常数k=1.7牛顿/米

虽然这一力只是弹波所提供的力的几分之一，但它仍然足以影响运动中的音圈保持中心位置(定中)。

减少失真：由音圈径向的或不规则运动所产生的谐波失真与音染，由于磁液的对音圈的定中力而减小。气隙中的磁液形成一个密封圈，或者液态的圆环，它消除了空气在气隙中的互调噪声，尤其是在活塞频率段。图1a 和1b表示了在一个一英寸球顶高音的音染，（1a）没加磁液,（1b）加有磁液。

减少功率压缩，提高动态线性：降低音圈温度的上升，能减少热功率压缩效应。图2a与2b表示一个4英寸锥盆中音扬声器，使用磁液或不用磁液的功率压缩。气隙中的磁液不仅减少灵敏度的损失而且保持扬声器输出的线性。

提高产能：由于磁液的定中和润滑特性，扬声器生产商报告说在现有产品中使用了磁液之后，产能提高了30%到60%。废品的减少常常能抵消磁液本身的成本。

简化无源式分频的设计：磁液能控制驱动器谐振点的性能，在某种程度上能控制在通频带的高端的柱音（break-up modes），而不必在分频器上寻求解决方法，不需要额外的价格昂贵的电阻、电容和电感。

减少音圈/磁铁尺寸：一个使用了磁液的1英寸的音圈其功率承受能力达到1.5或2英寸音圈的功率承受能力。由于使用了较小的磁铁和音圈所节约的成本多于使用磁液所增加的成本。在许多应用场合,重量的减轻可能也有吸引力。

磁液的选择——推荐指引

选择恰当品种的磁液要求在磁液的特性和扬声器特性之间仔细地权衡。需要考虑的最重要的五个因素是：

用量、粘度、磁化强度、材料的相容性以及蒸发率。

用量：一个扬声器应该加注的磁液量取决于气隙的尺寸。可用以下公式计算出来：

公制：V=3.5A[E²+C²-B²-D²]

所有单位用cm

A=华司(上夹板)厚度

B=磁芯半径

C=音圈内半径

D=音圈外半径

E=华司内半径

推荐用量允许误差为±10%,而最好保持正公差。适当的磁液量是至关重要的，因为如加得太多，浪费了磁液，并会造成渗漏;而如果加得太少，会使磁液的散热的优点减少，损害磁液的长期可靠性，并会导致扬声器的异常响应。图3a-d是一个一英寸球顶高音，在气隙中磁液加得太少和加得正确相比较其频响和阻抗曲线。

粘度： 一旦磁液的用量确定后，就可以根据所需阻尼量来选定磁液的粘度。

磁化强度：磁液的磁化强度应该在扬声器气隙磁场强度与音圈的振幅之间平衡。高音或压缩式驱动器有较高的气隙磁场强度和很小的音圈振幅，所需磁液磁化强度值为100-200高斯。低音气隙的磁通一般都低得多，而音圈的振幅大得多，所需磁液的磁化强度值为300-375高斯。高斯值大的磁液，其挥发性较大，因为在单位体积的磁液中，磁性物质更多，液体更少。因此建议需要多少磁性物质才用多少，以保证长期可靠性。

相容性：要把磁液成功地应用于工程上，就要求磁液与那些有可能与之接触的材料和胶水完全相容。它们包括：

1、音圈骨架（或成形）材料：材料特性严格要求不能有吸收性，因此牛皮纸和没有涂胶的诺曼克斯材料就不能使用。相容的材料有：铝，开帕通（Kapton）。

2、颈部材料（补强纸）：也要求不能有吸收性。涂过胶的诺曼克斯和开帕通已成功地应用在这方面。

3、音圈线胶水：所有常见方法（湿法绕线，自粘）及相关胶水都与磁液相容 ，还没发现不相容的。新技术或新胶水应该由Ferrofluidics公司进行分析，以保证其与磁液的相容性。

4、胶水：在音圈骨架与振膜或者音圈骨架与纸盆和弹波（弹簧片）粘结部位，以及磁路结构的胶水必须与磁液相容 。常用的丙烯酸、环氧树脂和丙烯酸盐与以酯类或碳氢化合物类为基液的磁液都能相容 。应该避免以橡胶为基质的胶水和以酯类为基液的磁液一起使用。

所有胶水必须完全凝固后才能加磁液。因为胶水的挥发成分会影响磁液的稳定性。

作为Ferrofluidics免费测试服务之一部分，Ferrofluidics公司会对任何与磁液有关的胶水进行研究，会做测试：

把未凝固之胶水与磁液混合

将磁液暴露于胶水的蒸气

将凝固了的胶水暴露于磁液

（如要进行胶水分析，请与Ferrofluidics公司或你当地代理联络。）

不应该有使磁液会从气隙中迁移出来的毛细管。常见的有：

1在华司上的机械加工缝槽，如果这些缝槽延伸到气隙中，磁液会因毛细现象沿着缝槽迁移。

2引出线中有棉纱：棉纱会吸收磁液，如果它们相接触的话。这种材料应该涂蜡。

3 引出线迁移：由于毛细现象，磁液会沿着引出线从颈部跑到骨架。在装入Collar前引出线要用吸油性胶水（如Loctite290）或凝胶型胶水（侯农配方134）封闭。

4 音圈骨架接缝迁移：如果音圈骨架材料两端接缝太窄（小于0.001英寸）磁液会由于毛细现象沿着接缝渗出来。

蒸发率：应该根据音圈工作温度来选择磁液的热性能中低工作温度要用我们更标准的产品如APG800，APG900，或APG1000系列（碳氢化合物为基液）。需要更高温度的应用场合可采用APG“0”或APG“S”系列磁液（酯类基液）。新一代的磁液APG“R”系列现在已商品化，可用于更高温度，或更大功率的应用场合。

你在应用方面如需帮助，可联络Ferrofluidics公司或你当地代理商。

磁液与开帕通（KAPTON）

开帕通是一种非常诱人的音圈骨架材料，因为它重量轻，不导电，质量与强度之比好，承受热的能力强（达到240℃）。虽然它比常用音圈骨架材料的成本高，但它的优异的物理特性证明了它在优质和高温应用方面是合算的。

虽然用开帕通绕的音圈采用了特殊的涂层和胶水，可以在高达315℃的稳定温度下工作，但必须解决在高温时发生的功率压缩效应。Ferrofluidics公司提供了一个简单而实用的方法来降低音圈工作温度，恢复在高温或大功率情况下扬声器所失去的灵敏度。

磁液与开帕通已经被一起使用多年，相互之间完全相容。扬音器工程师们一直关注的问题是，开帕通多少有点吸水性，它长期置于磁液中，其物理特性可能会发生变化。

为了消除疑虑，Ferrofluidics公司和杜邦公司高性能薄膜部门已进行一项长期研究，结果如下：

条形开帕通（300HP—STT和300MTB）分别与碳氢化合物为基液的（APG921）及酯类（APGS14）为基液的磁液放入密封的罐子，这两种磁液有相似的特性（150高斯，200厘泊）。这些罐子被加热到100℃。隔一段时间会取出一些条形材料，进行延伸性（破坏性）、抗拉性（应力）及其指数测试。

在1344小时之后的结果（表2）表明，虽然开帕通有某些可测量到的变化，但记录数据说明材料仍然在该等级范围之内可以接受的。

磁液与KALADEX

Kaladex是杜邦公司开发的新的音圈骨架材料，由于它不具备Kapton那样高的温度承受力，所以它适用于中低功率的应用场合。它的低廉的价格也对扬声器设计师们有吸引力。

Ferrofluidics公司已对Kaladex作了测试以鉴定这种材料是否与磁液相容。在所有的试验中，磁液没能影响到Kaladex，Kaladex对磁液也没有影响。因此，Kaladex可以与酯类和烃类的磁液一起使用，而不必担心它们会相互反应。

结 论

自1972年磁液初次被用于高音扬声器以来，磁液技术和它在扬声器中的应用的了解程度已有了很大提高，已有超过五亿多个扬声器，因为加了磁液而受益。今天磁液已被用于几乎每种可想见的换能器上，包括低音，亚低音、中音扬声器，压缩式驱动器，独特的Linaeum 单/双极喇叭，耳机，报警驱动器以及全音程多媒体扬声器。

对扬声器特性和磁液的特性之间微妙平衡的透彻了解，已产生了适合上述所列举各种换能器具体应用的磁液。Ferrofluidics公司与音圈材料及胶水制造公司之间的继续合作将会保证一个技术领域的进步，不会因为相容问题而排斥另一种材料的使用。

通过后续的教育计划，广告和用户在产品和包装上使用FerroSound标志，消费者对磁液的了解以及磁液的需求量会不断增加。

磁液的未来我们一直在开发具有更好热性能的磁液。研究人员也想方没法开发更高饱和磁化强度而又不增加挥发性的磁液，这在目前限制了高于375高斯的磁液技术。这些进展可能最终会导致高导磁性的磁液的问世，这正是许多工程师向往已久的特性。将来也许还会有粘度对温度变化较小的磁液，会有全新的载体/表面活性剂的结合出现在市场上。

对于Ferrofluidics公司和FerroSound团队成员这是振奋的时刻：现有市场的稳定增长和新市场的开发，使我们在新旧世纪交替之际业务量增加一倍。新的生产技术也会使我们降低成本，向对成本敏感的用户以及目前还没有使用磁液的市场敞开大门。在结束之前，请允许我以Ferrofluidics公司和我们全球FerroSound网络的名义多谢各位关注与支持。

海帆音响器材有限公司译

表一

磁液物理性能归纳

表二

磁液/开帕通相容性研究

300HPP-ST 100℃

样本#1磁液种类:APG921

样本#2磁液种类:APGS14

300MTB 100℃

样本#1磁液种类:APG921

样本#2磁液种类:APGS14