蜂巢平板揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)若干問題研究

夏 利

（普瑞姆揚(yáng)聲器系統(tǒng)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518034）

目前，市場(chǎng)上蜂巢平板鼓紙揚(yáng)聲器主要用在多媒體音響方面，而在大型揚(yáng)聲器方面應(yīng)用較少。出現(xiàn)這樣的局面的主要原因在于，揚(yáng)聲器口徑越大，制造工藝要求越高，同時(shí)對(duì)平板鼓紙的質(zhì)量要求也越高。在實(shí)際生產(chǎn)工程中，該類型揚(yáng)聲器容易出現(xiàn)振動(dòng)軟件雜音、音圈與磁回系統(tǒng)觸碰、大功率情況下振膜容易脫層等問題。但是，平板鼓紙揚(yáng)聲器由于鼓紙形狀容易制作且高度低，很容易降低揚(yáng)聲器的安裝深度，極大地滿足了電子產(chǎn)品的小型化和超薄化發(fā)展趨勢(shì)。因此，本文重點(diǎn)探討在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中怎樣避免問題的發(fā)生，并提升產(chǎn)品品質(zhì)。

1 平板鼓紙?jiān)O(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)一款頻寬寬、失真小的揚(yáng)聲器，鼓紙必須滿足3 個(gè)條件——平板胴體抗彎曲強(qiáng)度高、內(nèi)阻尼大以及質(zhì)量輕。平板胴體抗彎曲強(qiáng)度D的公式為［1］：

式中：Ec為平板蜂巢的楊氏模量；μc為平板蜂巢的泊松比；tc為平板蜂巢的厚度；Ef為薄膜的楊氏模量；μf為薄膜的泊松比；tf為薄膜的厚度。

從式（1）可以看出，要使平板鼓紙的抗彎曲強(qiáng)度大一些，必須選用蜂巢平板基材楊氏模量較大的材料。同一種材料要得到較大的楊氏模量，必須增加基材的厚度。但是，增加厚度意味著增加重量，而重量的增加將直接影響揚(yáng)聲器的靈敏度。

根據(jù)自振模態(tài)分析［2］方法，使用3 個(gè)圓形的蜂巢平板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1 所示。在相同的頻率范圍內(nèi)，胴體面積越大，它的自振頻率密度越大，低頻段發(fā)聲性能就越好。所以，在設(shè)計(jì)鼓紙時(shí)盡量使胴體尺寸大一些，這樣低頻響應(yīng)下潛越多，有利于增加中高頻段內(nèi)自振頻率次數(shù)，從而提升揚(yáng)聲器的靈敏度。

根據(jù)上面的分析可知，在鼓紙?jiān)O(shè)計(jì)上要綜合考慮胴體厚度、外徑尺寸大小以及材質(zhì)的選擇，使其與揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)性能相吻合。

如圖2 所示，蜂巢平板鼓紙主要由胴體與懸邊組成，而胴體由蜂巢和薄膜組成。蜂巢基材材質(zhì)一般有石墨聚合物、鋁和牛皮紙3 種；薄膜基材材質(zhì)有玻璃纖維、碳纖維、紙漿纖維、聚丙烯纖維、尼龍纖維以及棉纖維等。懸邊材料一般有橡膠和發(fā)泡泡沫。

1.1 蜂巢平板鼓紙胴體生產(chǎn)工藝

薄膜主要以纖維紗線為基材，經(jīng)過機(jī)械編織成為一種編織物，再經(jīng)過酚醛樹脂、聚酯樹脂以及環(huán)氧樹脂等溶劑含浸處理［3］而成。

平板鼓紙胴體主要由蜂巢平面狀的基材和薄膜狀的基材通過膠水粘合后，經(jīng)過輥輪加以適當(dāng)壓力后再通過烘干技術(shù)處理，等到半干燥后放入模具中通過高溫、高壓硬化成型，最后經(jīng)修邊、剪裁使其成型為所需要的胴體尺寸。

同樣地，在宜興窯紫砂梅花鹿的譯文中，譯者也只側(cè)重了對(duì)宜興窯紫砂梅花鹿外觀描述，形態(tài)描述，沒有涉及鹿的文化內(nèi)涵，即諧音“祿”，象征吉祥長(zhǎng)壽和升官之意。而兩者隱含的象征之意，中文官網(wǎng)介紹均有涉及，這反映了譯者摘譯的失誤，遺漏了與主題十分相關(guān)的重要信息點(diǎn)。如果對(duì)中國(guó)文化不甚熟悉，外國(guó)游客將無法知道這類文物的隱性文化信息，從而不利于跨文化的傳播。作為譯者，應(yīng)通過合理的摘譯，充分傳達(dá)文物的寓意，體現(xiàn)文物的文化內(nèi)涵。以紫砂梅花鹿為例，筆者將其改譯如下。

1.1.1 蜂巢平板鼓紙胴體生產(chǎn)缺陷

蜂巢基材形狀像蜜蜂的窩，上下兩個(gè)平面與薄膜粘結(jié)，但是粘結(jié)面呈網(wǎng)狀，蜂巢與薄膜不能完全粘結(jié)，留有縫隙。在將基材切割成鼓紙胴體時(shí)，它的邊緣呈現(xiàn)3 層結(jié)構(gòu)，徑向方向會(huì)有凸凹現(xiàn)象。將胴體與懸邊粘結(jié)后，在其邊緣加一圈補(bǔ)強(qiáng)膠。這種作業(yè)方法是目前供應(yīng)商生產(chǎn)平板振膜鼓紙的基本方法。

按照目前的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的平板鼓紙存在先天缺陷：當(dāng)胴體切割成型時(shí)，層與層之間會(huì)有分離的潛在風(fēng)險(xiǎn)；蜂巢本體在切割時(shí)，網(wǎng)狀線條也會(huì)因外力的作用產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而存在內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生形變的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)揚(yáng)聲器運(yùn)動(dòng)時(shí)，因電磁力的作用推動(dòng)鼓紙運(yùn)動(dòng)，容易因力的作用使鼓紙邊緣產(chǎn)生形變，使層與層之間產(chǎn)生分離而產(chǎn)生雜音。

1.1.2 蜂巢平板鼓紙胴體生產(chǎn)工藝改善

蜂巢平板揚(yáng)聲器發(fā)聲原理是模態(tài)彎曲波所產(chǎn)生的聲場(chǎng)輻射［4］。這個(gè)理論說明鼓紙胴體的剛度對(duì)音質(zhì)有影響。

鼓紙胴體在切割成型時(shí)有分層的風(fēng)險(xiǎn)，可以利用一種膠水進(jìn)行粘合處理，如圖3 所示。使用膠水時(shí)需注意：一是膠水干燥時(shí)間要短；二是膠水對(duì)胴體材質(zhì)沒有腐蝕作用；三是膠水干燥后質(zhì)量要輕，楊氏模量要大。

1.2 蜂巢平板鼓紙懸邊設(shè)計(jì)

1.2.1 蜂巢平板鼓紙懸邊設(shè)計(jì)缺陷

設(shè)計(jì)這款鼓紙時(shí)按照固有思維來設(shè)計(jì)，沒有考慮到鼓紙胴體構(gòu)成的特殊性。需要注意，胴體基材是3 層材料粘結(jié)而成，不像紙胴體把幾種紙漿混合在一起成型出來。

1.2.2 蜂巢平板鼓紙懸邊新設(shè)計(jì)

采用包邊之一體式結(jié)構(gòu)技術(shù)［5］將懸邊與胴體粘合，如圖4 所示。該技術(shù)的懸邊與胴體粘合面呈U 型，可以把胴體上下及外部邊緣全部粘合形成一個(gè)整體。由于增加了懸邊與胴體粘結(jié)面，胴體內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力在熱壓粘合時(shí)會(huì)被消除。這種設(shè)計(jì)在一定程度上增加了胴體的剛性強(qiáng)度，有利于抑制諧波的產(chǎn)生，降低了揚(yáng)聲器的失真，同時(shí)阻止了胴體分層的潛在威脅。

2 托杯設(shè)計(jì)

托杯在平板類型揚(yáng)聲器中主要起到連接鼓紙與音圈的作用。托杯設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到揚(yáng)聲器的聲學(xué)性能和生產(chǎn)效率。

2.1 市場(chǎng)上的托杯設(shè)計(jì)

目前，揚(yáng)聲器廠商大部分托杯設(shè)計(jì)采用小托杯，如圖5 所示。一種方式是托杯頸部直接嵌入到音圈骨架，另一種方式是托杯與音圈骨架直接合二為一，既是托杯又是音圈。無論采用那種方式都存在一個(gè)致命的缺陷，即托杯與鼓紙胴體粘結(jié)部位容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而存在分層的危險(xiǎn)。胴體一旦分層，揚(yáng)聲器將產(chǎn)生雜音，意味著揚(yáng)聲器的使用壽命終結(jié)。

按照平板揚(yáng)聲器發(fā)聲原理，托杯與鼓紙胴體在鼓紙中心部位粘結(jié)，減少了平板胴體彎曲變形的量，降低了揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)。

使用小托杯設(shè)計(jì)時(shí)，為了增加支撐強(qiáng)度，托杯一般采用塑膠或金屬材質(zhì)。由于托杯與鼓紙胴體之間接觸面積較小，揚(yáng)聲器工作時(shí)鼓紙胴體與托杯之間由于彈性變形會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，繼而產(chǎn)生二次諧波失真。

2.2 托杯設(shè)計(jì)優(yōu)化

可以把平板鼓紙胴體想象成一個(gè)大的防塵蓋，把托杯當(dāng)成一個(gè)錐形鼓紙的胴體，這樣比較容易解決平板鼓紙胴體內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。由于托杯不是真正意義上的鼓紙胴體，在托杯（如圖6 所示）設(shè)計(jì)時(shí)，在邊緣部分要做一個(gè)2～4 mm 寬的平臺(tái)，便于懸邊與托杯粘合。因?yàn)榇斯に嚥荒懿捎霉募堈澈系臒釅汗に?，所以在膠水選擇方面需要注意相關(guān)問題。首先，在揚(yáng)聲器產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)用到不同材質(zhì)的懸邊材質(zhì)，要根據(jù)具體材質(zhì)選擇合適的膠水，使其不能腐蝕懸邊。其次，膠水的流動(dòng)性不能太好，否則膠水會(huì)沿托杯往外或內(nèi)流動(dòng)，使揚(yáng)聲器存在雜音的潛在風(fēng)險(xiǎn)。再次，膠水的粘結(jié)力要強(qiáng)，在-40～120 ℃環(huán)境下粘結(jié)力也不會(huì)下降。最后，膠水干燥后質(zhì)量要輕，不能明顯增加揚(yáng)聲器的有效振動(dòng)質(zhì)量。

3 裝配工藝

平板鼓紙揚(yáng)聲器的裝配重點(diǎn)有兩個(gè)：一是托杯，二是鼓紙。托杯由于沒有懸邊與盆架粘合面作為支撐面固定，所以需要治具（如圖7 所示）進(jìn)行輔助裝配。設(shè)計(jì)中，可以把盆架與懸邊粘合面作為支持面，把托杯邊緣平臺(tái)作為另一個(gè)支持面。當(dāng)把音圈、彈波與盆架組裝好后，用治具把托杯固定在音圈軸向中心與彈波徑向位置后再進(jìn)行中心膠涂膠作業(yè)。等待托杯與音圈粘結(jié)位置膠水干燥后取下治具，這樣托杯就可固定在揚(yáng)聲器的中心位置。

平板鼓紙與托杯粘結(jié)也需要治具（如圖8 所示），而不是簡(jiǎn)單地使用附加質(zhì)量法［6］。因?yàn)橥斜愃乒募堧伢w性質(zhì)，所以胴體要與懸邊邊緣進(jìn)行緊密粘結(jié)。當(dāng)托杯與懸邊粘結(jié)后，需要施加一個(gè)外力使其無縫粘結(jié)。治具形狀與懸邊外形一致，中間中孔，這樣可以讓懸邊下粘結(jié)面與托杯平臺(tái)得到一個(gè)有效重力，控制托杯與懸邊不會(huì)因膠水干燥過程產(chǎn)生縫隙。等到膠水完全干燥后取下治具，這樣托杯與鼓紙將緊密粘結(jié)在一起。

4 結(jié)語

蜂巢平板鼓紙揚(yáng)聲器看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。不僅要考慮揚(yáng)聲器的各項(xiàng)聲學(xué)性能指標(biāo)，還要考慮零件結(jié)構(gòu)力學(xué)和生產(chǎn)裝配工藝。本文從關(guān)鍵零件鼓紙、托杯設(shè)計(jì)方面出發(fā)進(jìn)行探討，剖析揚(yáng)聲器生產(chǎn)裝配工藝，進(jìn)而對(duì)蜂巢平板揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)提出一些獨(dú)特的見解，以期提高生產(chǎn)效率和揚(yáng)聲器的聲學(xué)性能品質(zhì)。