振膜與音圈粘結(jié)間隙對高頻截止的影響?

王世偉 陳 進(jìn) 謝守華 陳維菲

(1 國光電器股份有限公司 廣州 510800)

(2 廣東省電聲電子技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510800)

0 引言

揚(yáng)聲器是將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號的換能器件。電動式揚(yáng)聲器廣泛應(yīng)用于智能音箱。電動揚(yáng)聲器主要分為磁路系統(tǒng)和振動系統(tǒng)，當(dāng)磁路中的音圈有電流通過時(shí)，產(chǎn)生的安培力作用于振膜并帶動振膜振動產(chǎn)生聲波，該“力學(xué)裝置”也可看作為低通濾波器。參與振動系振動的音圈與振膜通過膠黏劑(文中統(tǒng)稱為中心膠)粘結(jié)，中心膠的粘結(jié)狀態(tài)［1?2]會直接影響到音圈至振膜的能量傳遞。

電動式揚(yáng)聲器高頻截止在材料方面主要受到振膜材料的楊氏模量與密度的限制，當(dāng)振膜材料的模量較高且密度低時(shí)，高頻延展性能好；另一方面，高頻截止也會受到振膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，當(dāng)振膜材料不變時(shí)，在設(shè)計(jì)端對振膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)也有助于高頻的延展。

為了不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的問題，ANSYS［3]、Comsol 多物理場等軟件在聲學(xué)仿真中逐步得到應(yīng)用，并在聲學(xué)領(lǐng)域涉及到的熱學(xué)［4]、頻響及失真分析［5]、吸聲仿真［6]等方面得到了較廣泛的應(yīng)用。本文主要探討的是高頻截止處的衰減特性，而軸向頻響以及指向性因數(shù)頻響領(lǐng)域的高頻軸向截止頻數(shù)不在本文應(yīng)用研究范圍之內(nèi)。本文重點(diǎn)探究了中心膠的粘結(jié)狀態(tài)對電動揚(yáng)聲器高頻截止的影響，對中心膠粘結(jié)狀態(tài)的探討包括中心膠與音圈骨架材料模量、密度、粘結(jié)位置有無間隙或間隙大小對高頻截止的影響，為高音揚(yáng)聲器聲壓級(Sound pressure level,SPL)高頻截止的分析提供了實(shí)例及數(shù)值模擬參考。

1 試驗(yàn)方法

采用Klippel 公司(德國)Material Parameter Measurement(MPM)模塊測試音圈骨架材料的楊氏模量，每種材料測試3片樣條取算術(shù)平均值(尺寸10 mm×60 mm，厚度0.075 mm)，其測試原理及樣條裝夾方式如圖1所示。利用動態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA7100，日立)對實(shí)例中的A 型號中心膠的模量進(jìn)行表征分析，測試條件為：定頻1 Hz，溫度范圍為?50～120°C。選用國光電器股份有限公司(GGEC)某項(xiàng)目的高音揚(yáng)聲器，使用GGEC 消聲室的Soundcheck 14.0 系統(tǒng)(90 kHz 帶寬)進(jìn)行頻率響應(yīng)測試，對中心膠粘結(jié)位進(jìn)行電力聲類比分析，并利用電路模擬軟件microcap 獲取輻射阻和輻射抗兩端的電壓；通過Comsol 軟件進(jìn)行振動模態(tài)的仿真及頻響的實(shí)例分析，仿真條件為電壓2 V，BL=1.05 Wb/m。采用YMP-2 型金相試樣磨拋機(jī)(上海光學(xué)儀器一廠)對音圈與振膜的粘結(jié)位置做金相切片，并用電荷藕合器件(CCD)放大40×觀察中心膠的粘結(jié)狀態(tài)。

圖1 Klippel MPM 測試示意圖Fig.1 Klippel MPM test diagram

2 分析討論

2.1 高音揚(yáng)聲器的基本結(jié)構(gòu)

電動式高音揚(yáng)聲器主要由磁路系統(tǒng)、支架、音圈、振膜(音膜)通過膠黏劑粘結(jié)而成，振膜粘結(jié)在支架上，音圈通過膠黏劑與振膜粘結(jié)，音圈骨架與振膜粘結(jié)位置直接接觸，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，通電后的音圈線切割磁力線產(chǎn)生的動能會由音圈骨架傳遞到振膜，向周圍環(huán)境輻射聲場。

圖2 高音揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of tweeter loudspeaker

2.2 球頂揚(yáng)聲器高頻諧振頻率與比模量的關(guān)系

根據(jù)揚(yáng)聲器頻響的特性，有如下經(jīng)驗(yàn)公式［7]：

式(1)中，fh為揚(yáng)聲器的高頻諧振頻率(Hz)，t為振膜厚度(mm)，E為楊氏模量(MPa)，ρ為密度(g/cm3)，H為球頂高度(mm)，D為球頂直徑(mm)，md為振膜質(zhì)量(g)，mv為音圈質(zhì)量(g)。

本文探究的范圍為中心膠粘結(jié)狀態(tài)對高頻截止的衰減特性，在其他力學(xué)參量基本不變的情況下，式(1)可簡化為［8]

式(2)中，c為材料的聲速(m/s)。

以上經(jīng)驗(yàn)公式常被用來評價(jià)振膜材料對頻響的影響，尤其是被用來判斷模量和密度對高頻截止的影響，此處被用來參考分析振動系中心膠位置相關(guān)材料特性間的差異。

音圈骨架與中心膠的密度、模量、材料聲速的參數(shù)如表1所示。

從表1 可知，在鋁骨架材質(zhì)中的聲速比在中心膠高出約7.3 倍，在TIL 骨架的聲速也比中心膠的高出約2.24 倍。高音揚(yáng)聲器振膜在振動時(shí)，隨著頻率的增加且達(dá)到第二共振區(qū)以上時(shí)，揚(yáng)聲器單元的振膜不再像低頻那樣可視為一個(gè)剛性活塞振動。音圈到振膜的振動傳遞、以及從振膜中心部位到振膜邊緣的傳播時(shí)間就不可以忽略不計(jì)，揚(yáng)聲器單元振膜不同部分的振動相位也不同，呈現(xiàn)復(fù)雜的分割振動［9]。

表1 高音揚(yáng)聲器中心膠和音圈主要骨架材質(zhì)的模量Table 1 Center glue and voice coil bobbin modulus of tweeter loudspeaker

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)例揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)分析

對實(shí)例進(jìn)行分析，圖3 為音圈與振膜正常粘結(jié)狀態(tài)的局部圖示，可以看到音圈骨架(實(shí)例是0.075 mm 鋁骨架)與振膜材料(實(shí)例是0.12 mm 蠶絲膜)直接接觸；圖4 為異常粘結(jié)狀態(tài)圖示，骨架與振膜未直接接觸，間隙是由中心膠填充。

圖3 中心膠粘結(jié)狀態(tài)良好的圖示(40×)Fig.3 Diagram of center adhesive in good condition(40×)

圖4 中心膠粘結(jié)位間隙圖示(40×)Fig.4 Diagram of gap in the center bonding position(40×)

圖5 是所用A 型中心膠的DMA 表征結(jié)果，可知23°C 時(shí)中心膠楊氏模量的數(shù)值為458 MPa，與實(shí)例選用的音圈鋁骨架模量及材料聲速的差異較大(見表1)。

圖5 實(shí)例A 型號中心膠的DMA 測試圖Fig.5 DMA test diagram of type A center adhesive

對于音圈骨架與振膜粘結(jié)狀態(tài)良好的揚(yáng)聲器(圖6)，所對應(yīng)的SPL 高頻延展良好。對于粘結(jié)異常的揚(yáng)聲器，表現(xiàn)出SPL 高頻的提前衰減。結(jié)合公式(2)進(jìn)行分析，高頻的提前截止可能與材料聲速較小的中心膠填充了骨架與振膜間的空隙有關(guān)，需要結(jié)合數(shù)值模擬做進(jìn)一步的分析。

圖6 實(shí)例揚(yáng)聲器粘結(jié)位間隙對SPL 及其Delta 值的影響示意圖Fig.6 Diagram of the influence of the bond gap on SPL and its Delta value of the example loudspeaker

3.2 音圈與振膜粘結(jié)的仿真分析

3.2.1 中心膠粘結(jié)位置相關(guān)的類比線路圖分析

圖7 為中心膠粘結(jié)位置圖示，圖中C表示力順、M是質(zhì)量、R是力阻，dome 表示球頂音膜、glue 表示中心膠、sur(surround)表示折環(huán)。圖8 為僅考慮力學(xué)部分的導(dǎo)納型類比線路圖，音圈受到洛倫茲力F作用，從力F出發(fā)，引出一條力線，力線到達(dá)Mcoil時(shí)分成3 支：一支穿過Mcoil，一支穿過Mglue，這兩支與慣性力相平衡，終止于剛性壁，另一支同時(shí)穿過Cglue和Rglue，Cglue和Rglue可以看作是一個(gè)“彈簧”，彈簧有儲存能量的作用，力線到這里不開支路，力線經(jīng)過彈簧后，分成兩支，一支分給折環(huán)(sur)部分；折環(huán)部分分別有Csur、Rsur、Msur，這部分最后終止于剛性壁；另一支分給球頂(dome)部分，球頂部分先經(jīng)Cdome和Rdome，再經(jīng)Mdome終止于剛性壁。圖9 是由圖8 轉(zhuǎn)換得到的阻抗型類比線路圖。揚(yáng)聲器高頻截止頻率主要受球頂和中心膠(glue)的剛性影響，對于中心膠粘結(jié)狀態(tài)良好的情形(不存在間隙)，Cglue很小，圖9 中Cglue的支線相當(dāng)于斷路狀態(tài)；對于有粘結(jié)間隙并由中心膠填充的情形，當(dāng)球頂剛性一定時(shí)，中心膠的剛性越小，即Cglue越大，則整體剛性變小，表現(xiàn)為高頻截止頻率降低。

圖7 中心膠粘結(jié)位置示意圖Fig.7 Diagram of center bonding position

圖8 中心膠粘結(jié)位置相關(guān)的力學(xué)導(dǎo)納型類比線路圖Fig.8 Mechanical admittance analog circuit diagram with respect to the position of the central adhesive

圖9 中心膠粘結(jié)位置相關(guān)的力學(xué)和阻抗型類比線路圖Fig.9 Mechanical and impedance-type analog circuit diagram of the location of the central adhesive bond

為了直觀對比不同Cglue在聲學(xué)頻響曲線上的差異，圖10 為增加了聲輻射阻抗元件的類比線路圖，圖中S1與S2的和為揚(yáng)聲器的等效振動面積，S1看作折環(huán)部分的等效振動面積，S2看作球頂部分的等效振動面積；Ra和Xa分別為無限大障板條件下的輻射阻和輻射抗。

圖10 中心膠粘結(jié)位置相關(guān)的力學(xué)和聲學(xué)阻抗型類比線路圖Fig.10 Mechanical and acoustic impedance-type analog circuit diagrams of central bonding locations

利用電路模擬軟件microcap 獲取Ra、Xa兩端的電壓，并計(jì)算出距離揚(yáng)聲器1 m 處的SPL 曲線，圖11 為兩種Cglue取值的SPL 曲線(結(jié)合圖9 對Cglue的分析)，可見Cglue較大時(shí)，高頻截止頻率降低。

圖11 Cglue 取值對SPL 的影響示意圖Fig.11 Diagram of the influence of Cglue value on SPL

3.2.2 中心膠粘結(jié)間隙對高頻影響的仿真分析

為了探究中心膠粘結(jié)間隙對高音揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)的影響，使用Comsol 軟件對所選實(shí)例揚(yáng)聲器進(jìn)行仿真分析并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(DOE)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，中心膠粘結(jié)間隙分別為0 mm、0.2 mm、0.4 mm，間隙由A 型中心膠填充，如圖12所示(為了對支架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行保密，對實(shí)例與仿真示意圖中支架的結(jié)構(gòu)做了些簡化，不影響本文的分析及論述)。

圖12 中心膠粘結(jié)位間隙DOE 示意圖Fig.12 DOE diagram of central adhesive gap

對仿真的振動模態(tài)進(jìn)行分析對比(圖13～圖15)，當(dāng)頻率為11.8 kHz、音圈骨架與振膜充分接觸時(shí)，粘結(jié)位置的模態(tài)形變比較小，協(xié)同振動效果好，說明音圈至振膜的能量傳遞比較好；當(dāng)音圈骨架與振膜的粘結(jié)位間隙增加至0.2 mm和0.4 mm時(shí)，粘結(jié)位置的骨架、振膜模態(tài)形變較大，發(fā)生了明顯分割振動，對應(yīng)的SPL 響應(yīng)也表現(xiàn)出高頻提前截止(圖16)。

圖16 中心膠粘結(jié)位間隙對SPL 及其Delta 值的仿真圖示Fig.16 Diagram of the SPL and its Delta value between the center adhesive gap

對于粘結(jié)異常的揚(yáng)聲器，結(jié)合公式(1)的經(jīng)驗(yàn)公式及實(shí)例分析，當(dāng)中心膠粘結(jié)位置有間隙存在且間隙由中心膠填充時(shí)，因中心膠材料與骨架材料比模量的差異(材料聲速的差異)，膠黏劑“良好”阻尼性能對振動能量的傳遞起到了副作用，同一頻率下，圖13～圖15 情形中音圈從活塞振動變成分割振動，分割振動的加劇不利于振動系的能量傳遞，對應(yīng)的SPL 響應(yīng)表現(xiàn)出高頻提前截止。

圖13 中心膠粘結(jié)良好的揚(yáng)聲器模態(tài)仿真Fig.13 Modal simulation of loudspeaker with good center bonding

圖14 中心膠粘結(jié)位間隙為0.2 mm 時(shí)的揚(yáng)聲器模態(tài)仿真Fig.14 Modal simulation of loudspeaker when the center adhesive gap was 0.2 mm

圖15 中心膠粘結(jié)位間隙為0.4 mm 時(shí)的揚(yáng)聲器模態(tài)仿真Fig.15 Modal simulation of loudspeaker when the center adhesive gap was 0.4 mm

需要說明的是，以上分析是基于分析頻率還沒有達(dá)到球頂分割振動頻率(即第一階簡正頻率)的高頻，將球頂看作整體運(yùn)動以簡化分析，如果頻率高于球頂?shù)谝浑A簡正頻率以后，以上分析將會產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)論與展望

音圈骨架材質(zhì)中的聲速遠(yuǎn)高于中心膠，在鋁骨架和TIL 材質(zhì)中的聲速比在中心膠分別高出約7.3倍和2.24倍。

通過對中心膠粘結(jié)位置相關(guān)的類比線路圖分析可知，揚(yáng)聲器高頻截止頻率主要受球頂和中心膠的剛性影響，當(dāng)粘結(jié)間隙由中心膠填充時(shí)，Cglue變大，此時(shí)整體剛性變小，表現(xiàn)為高頻截止頻率降低。

結(jié)合實(shí)例及仿真分析，當(dāng)音圈與振膜粘結(jié)存在間隙時(shí)，由于材料比模量的差異，膠黏劑“良好”阻尼性能對振動能量的傳遞起到了副作用，會導(dǎo)致高頻振動模態(tài)發(fā)生彎曲，間隙越大所產(chǎn)生的分割振動越強(qiáng)烈，導(dǎo)致了高頻延展的提前截止。

不同音圈骨架材料因模量和密度的差異，對應(yīng)不同粘結(jié)位置間隙對SPL 高頻截止的影響以及粘結(jié)間隙的臨界值可以作為后續(xù)研究的展望。中心膠所粘結(jié)球頂?shù)捻斀?也即球頂直徑確定后的切割深度)與揚(yáng)聲器高頻輻射截止頻率是相關(guān)的，需要做空間三維輻射積分運(yùn)算，亦可以作為后續(xù)的研究拓展，相應(yīng)地，對失真的影響也值得研究。本研究為限制輻射頻帶的解決提供了方案參考，需要說明的是，揚(yáng)聲器高頻輻射衰減并不是一件“壞事情”，高于球頂?shù)谝浑A簡正頻率的聲輻射是有害的，因?yàn)檫@些輻射聲不但頻響峰谷參差引來“聲染色”，也會帶來不規(guī)則的相位(時(shí)延)，有時(shí)對電聲系統(tǒng)做必要的頻帶限制，反而是掩蓋信號缺欠的有效方法。