一篇关于扬声器设计的论文——扬声器振动系 - 各类扬声器设计室 - 声学楼论坛

电声技术2009年第6期上刊登。

文章登记号：08-264

扬声器振动系

深圳市世纪声电子技术有限公司程光

先将简单的问题变复杂——进行细节分析；

再将复杂的问题变简单——找到内在规律。

锥形扬声器可以看成一个系统，由两个子系统构成——硬件构成的固定系和软件构成的振动系。固定系的作用是产生磁场和系统支撑。固定系的研究主要是如何产生稳定地、强而均匀地磁场。采用有限元的方法可以很简单地描绘出磁间隙附近的磁力线分布，改变磁铁和导磁板的形状及参数就可以清楚地看到磁力线分布的改变，从而优选出比较均匀的结构参数。在宏观上，固定系可以简化为刚体，形变可以忽略，计算比较简单。振动系就复杂得多，所有部件在振动中都会发生形变，而且其形变都是非线性的。每个部件都不是刚体，在有效频率范围内无法用数学解析式表达，这就给设计人员造成了极大的困难。因此，扬声器设计的好坏主要取决于振动系。

在扬声器振动系中，对音质影响最大的是振膜（Cone，本文所述的龙骨振膜与蜂窝结构和三明治结构振膜一样，并不是膜状的）。振膜由椎体（Diaphragm）和折环（Surround）构成。是扬声器发声的部分。不同结构，不同材料的振膜所发出的声音是不同的。整个椎体不能简化为刚体，其扭曲变形的形态很多。我们可以做一个试验，将不同材料做成的三面小旗放在风中吹。一面是纸做的，一面是塑料片做的，一面是金属片做的。你会发现，很小的风就会使纸片飞舞起来，发出噼噼叭叭的响声，还可以看到各种扭曲变形。这时，塑料片和金属片小旗没有什么动静。风大一点，发现塑料片开始抖动，发出噼噼叭叭的响声，金属片还没有动。当风再大一点，发现金属片也抖动起来，发出更大的，有点刺耳的噼噼叭叭声，如果在金属片上涂上一些胶，它发出的声音就会减小很多，频率也会低很多。这个实验说明了几个问题：1、这些声音是由于材料扭曲变形发出的；2、这些声音的频率与弹性模量有关；声音的大小与材料的阻尼有关。对于简单的方形或圆形的平板，可以用振动力学的方法计算出其变形模态。这种声音对于扬声器来说就是噪音，是失真。

对于扬声器振膜来说，其形状已经复杂到无法用微积分的方法来计算了。我们将椎体分割成许多小的部分，将这些部分看成刚体，这些小的部分之间用阻尼弹簧连接，只要划分得足够细，就可以非常接近实际情况。这就是有限元方法。我们在0—10kHz范围内对同一结构不同材料或同一材料不同结构的椎体进行模型分析发现其固有模态相差很大，数量从数十个到数百个不等。

我们对普通100mm的扬声器PP振膜进行模态分析。材料的弹性模量1500MPa，膜厚0.3mm,折环外边粘接处固定约束，其余用软弹簧约束，策动力：自由。从0-5000Hz有69个模态。模态的形态分为3类：一类是对称的，像花瓣一样的，凹凸对称的模态，称为瓣型模态（见图3，图4，图5）。这种模态最多，中低频段占90%以上。第二类是一圈一圈的，上下甩动，将其剖开，截面线像鞭子一样，如图6、图7，称为鞭型模态，鞭型模态在低频是没有的。随着频率的升高越来越多。本例中只在3982Hz和4907Hz出现两个。第三类是如图8。零零碎碎，不规则，称为碎模态。这种模态出现在高频，5000Hz以内只有一个，出现在4926Hz。第四种模态是一种左右摇晃，偏心的模态，称为偏模态。如图9。这种模态出现在低频段，本例出现在762Hz。

图1 100mm扬声器振膜

图2 划分网格

图3 1012Hz瓣型模态

图4 1502Hz瓣型模态

图5 2166Hz瓣型模态

图6 3982Hz鞭型模态

图7 4407Hz鞭型模态

图8 4926Hz碎模态

图9 762Hz摆模态

通过以上的模态分类我们发现，不同的模态对音质的影响也是不同的。

一、瓣型模态

仔细观察发现，这些小瓣有凹有凸，当振膜上下运动时，对空气的压力有正有负。部分而不是全部抵消，在频响曲线上我们看到许多小的峰谷。

二、鞭型模态

出现鞭型模态时，内外圈相位相反，空气荷载大幅下降，输出大幅降低，频响曲线反映出来就是一个大的谷，紧接着出现鞭型甩动，向鞭子一样振幅加大，出现一个大的峰。第一个鞭型模态就是中频谷！随着频率的升高，鞭型模态的起折点从外向内移动，接近根部时，就是扬声器的截止频率。

三、碎模态

碎模态出现在高频段，一般在截止频率附近或以上，频响曲线出现很多小毛刺。声音听起来比较烦。

四、摆模态

摆模态出现在低频段，与制造工艺有关。也会出现小的峰谷。

以上主要分析了各种模态对频响曲线的影响。所有模态都造成失真。对谐波失真贡献最大的是摆模态和鞭型模态。这两种模态的变形最大，发出的噪音也最大。对比图19和图20你会发现1500Hz和3000Hz附近的频响曲线有两个谷对应的谐波失真曲线有两个峰。这些峰谷就是鞭型模态造成的。从主观上感觉碎模态发出的噪音更难听。高保真音响一般通过分频器将鞭型模态和碎模态部分滤掉，声音就比较好听。

功率小的时候许多模态还没有被激励起来，这时失真比较小，随着功率的增加，这些模态被逐一激励起来，产生模态共振，谐波失真也就逐渐加大。这就是随着功率的增加，失真加大的原因。

弹性模量相同比重也相同的材料模态数是一样的，阻尼大的材料模态不容易激励起来，失真会小些。弹性模量相同时，比重大的材料模态数也多。比模量高的材料频响好，中频谷向高端移动。

要设计出优秀的扬声器就必须找到模态数少，模态小，在有效频率范围内不出现鞭型模态和碎模态，在有效功率范围内不激励模态共振，对模态共振吸收好的结构和材料。

我们将扬声器振膜分为两大类：一类是传统片状或膜状振膜；一类是加强型振膜，如三明治，泡沫，双层或多层复合材料，或采用各种加强筋，我们把它叫做结构性振膜。前者模态多，容易激励模态共振，失真较大。后者对模态抑制有好处，失真较小。这里重点分析结构性振膜。

三明治结构振膜最早应用于平板扬声器，效果不错。但平板振膜的鞭型模态较大，音质不是很好，应用并不广泛，近年来有人将三明治结构用于锥形振膜，效果不错，从理论上说是一种很好的结构，但实际上有两个重大缺陷：1、三明治结构的芯层与面层的粘接面很小，拉伸成型后，粘接面处应力集中，很容易脱胶，用不了多久就会产生局部脱胶，甚至成片剥离，脱胶处振动时会发生碰撞，产生噪音。2、由于芯层和面层粘接困难，成本居高不下。

泡沫结构振膜是提高振膜刚性质量比的好方法，应用于平板扬声器效果不错。泡沫材料主要有低泡，高泡，开口，闭口等，还有一种芯皮结构，芯层发泡，皮层不发泡。没有面层的泡沫结构强度较低，一般采用高发泡加面层的结构。这种结构会出现与三明治结构同样的问题。芯皮结构看起来会好些，但芯皮结构的皮厚一般在1mm左右，两边的皮加起来再加上芯层就太厚了，意义不大。随着材料技术的发展，将来可能会有突破。

三明治结构和泡沫结构的主要问题是：贵，不耐用。

波纹皱褶结构目前广泛应用于微型扬声器和耳机领域。波纹板是一种增加片材强度的方法。波纹结构的增强有取向性。沿着波纹方向会加强，而与之垂直的方向会减弱。整体加强的条件是其悬挂支撑系统必须是刚性的，需要强约束的边界条件。而扬声器的悬挂系统是柔性的，属于弱约束边界条件。波纹结构的特点决定了其在扬声器领域应用的局限性。用模态分析方法可以清楚地看到，虽然其模态数量会减少，一旦出现就是灾难性的，会出现很大的峰谷。而瓣型模态数会大大增加，失真并未减少。频响变坏。下面是直纹振盆的分析，径向强度增加，而环向强度却大大下降，结果在2000Hz附近出现很大的谷。斜纹也好不到哪里去。

图10、波纹振膜

图11、波纹振膜的鞭型模态

图12、波纹振膜鞭型模态

龙骨结构振膜是一种采用网格状的实心龙骨加强的振膜结构，类似于船舶和飞机的结构。从仿生学的角度观察一下昆虫的翅膀结构，就会发现所有的薄膜型翅膀都是龙骨结构的，没有三明治、波纹和泡沫结构。很难想象没有骨头的翅膀能够支撑起昆虫飞翔。也许自然界曾经出现过其他结构，都由于自身的缺陷被自然淘汰了，唯一保存下来的只有龙骨结构。薄膜的最佳增强方式可能就是龙骨结构。从模态分析的角度也可以看出，龙骨结构的振膜模态数比片状结构减少30—50%。龙骨结构径向和环向都有加强筋，整体结构得到了加强，加强筋的大小、位置可以根据需要优化配置，选择模态小，模态数少，在有效频率和功率范围内不产生模态共振的结构和材料，就可以设计出非常优秀的扬声器。其特点是失真小，音质清晰、干净。（专利号 ZL 200420094318.2 扬声器振膜）。

我们对龙骨振膜进行模态分析

所用材料和安装尺寸与前面分析的PP振膜完全一样。

图13 龙骨振膜及网格

图14 2039Hz瓣型模态

图15 4042Hz鞭型模态

与前述的PP振膜比较，各种模态形状是类似的。区别在于：1、从0—5000Hz的模态数只有40个（而前者有69个），相当于前者模态数的58%。在该频率范围内只有一个(4042Hz)鞭型模态(前者有两个：3982Hz、4407Hz),没有碎模态。模态的变形量也小于前者。结果是在相同的频率范围内，频响和失真都得到改善。

图16 我们开发的一款135mm扬声器龙骨振膜锥体92-26.6

图17 92-26.6振膜的频响曲线

图18 92-26.6振膜1W/1m的谐波失真曲线

对比样本——飞利浦（PHILIPS 4X43 18808 AB JAGUAR）美洲豹JAGUAR扬声器的频响曲线

图19

飞利浦（PHILIPS 4X43 18808 AB JAGUAR）美洲豹JAGUAR扬声器1W/1m的谐波失真曲线

图20

飞利浦（PHILIPS 4X43 18808 AB JAGUAR）美洲豹JAGUAR扬声器

图21

龙骨振膜无论测试结果还是试听评价均优于对比样品。龙骨结构是一种非常有发展前途的优质扬声器振盆（振膜）结构。

模态控制技术是扬声器振动系的核心技术。

以上的分析是一种简化的原理性分析，实际设计时的约束和策动力会与此不同，还要考虑各种修正等等