扬声器膜片的设计与电声设计 - 微型电声器件设计室 - 声学楼论坛

文章编号：1002—8684(2008 J05-0017-06
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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】A
Design of Diaphragm and Mini Speaker Performance
MA Lu-jJan，XI Ai-jun
(Shenzhen Linjia Electroacoustic Co．，Ltd．， Shenzhen Guangdong 518034，China)
【Abstract】How to choose the diaphragm material according to the request of mini speaker performance is
analyzed．Compared with the testing results of the actual produce，the diaphragm design possibility is discusssed、
【Key words】mini speaker；diaphragm；parameter
1 引言 2
随着手机、MP3播放器、移动DVD、PDA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Ⅲ
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^jc强霞薯连续馒温霞蛰锈氏谈璧I媳 I整霞％
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口电声器件与电路
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表2 部分材质膜片的厚度表
PET
PEI
PEN
PPS
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，对比图如
图2—3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28 mm的微型扬声器的的特性要求
如下：R 为额定阻抗：16n，fox 280Hz，SPL为90[dB／
(0．1 W·0．1 m)]，频响范围为280 Hz~12 kHz， (额定功
率)为0．8 w，P¨ (最大功率)为1．5 W。
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+13．6 mm。
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(2)由要求SPL 90 dB／(O．1 W·0．1 Il1)，换算成
(1 W·1 Il1)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
‘ 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．001 25 m
1．3 mE 。
(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)；DomeXm~≥1．3 mE，
为了安全可靠，活动间隙的尺寸要大于DomeXmax的
尺寸。
假设WasherH为0．6 mE，Xmax为0．2 mE，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DCR音圈直流
阻抗(取14．5 n)计算出所用线材(高张力线材)口径
为0．06 mE，音圈质量为0．055 g，音圈线全长为
2．22 m(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12 kHz，谐振频率为
280 Hz，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38 m。
(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=26．85 mE；B=
24．6 mE；DV=d+1．0=14．6 mE ；D=d一0．8=12．8 mE ：W =
(B—DV)／2=5．0 mE
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电声器件与电路
假设h的高度为0．6 mE，通过膜片悬边的尺寸计
算出膜片向磁路外的极限位移为0．7 mE；膜片向磁路
内的极限位移为0．97 mE。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Ⅲ
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
0．038 mE PEI膜片的数据代人式(4)得，C =3．34x
10～ (m／N)。
表4为a．系数的取值范围，表5为系数的取值
范围。
表4 a。系数的取值范围
(4)空气附加质量的计算131
M
m
= 2．67p a=0．O06xlO (kg) (5)
其中，为空气附加质量；0为膜片等效半径0．012 3 m。
(5)膜片质量的近似计算
= sdpt=3．14a tp=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0．000 475 m (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
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电声器件与电路
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(6)振动系统等效质量的计算嘲
d+2 + 2
r
-
- 0．12xlO (kg) (7)
其中，为扬声器振动系统等效质量(kg)；为振动
系统质量(kg)；Mv 为音圈质量(kg)；Ms为胶水质量(估
计)0．000 03 kg。
(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12 kHz，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1，2进行设计，即取6 kHz。根据经验
公式计算
Fh=0．38 4 3
其中， =0．001 26 m；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。
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(9)磁路的曰值设计
'7： (10)
21TcR
其中，BL=I．047 T·m；p0为空气密度1．21 kg／m ；c为声
速344 m／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2．22 in，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FEMM B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：251．4 Hz
(2)等效容积【3]
2 2
=／90C C s5d (12)
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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) ＼V／ ms
(13)
械力阻R =0．058 kg／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_
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)
：
21T M c Q
得r／=0．000 66=0．066％。
(7)灵敏度[21
SPL=I12+10lg叼 (16)
将效率叩代人式(16)，得SPL=80．22 dB。其中，SPL
为1 W·1 in时的灵敏度(dB)。
= g g寺(17
得SPL =90．22 dB。其中，SPL 为1 W·1 in时的灵敏度
(dB)；r为某点测试距离(in)(此处为0．1 in)；rn为参考
测试距离1 in；W为测试时馈给扬声器的功率(W)(此
处为0．1 W)；W 参考功率(此处为1 W)。
(8)高频截止频率[41
将相应的数据带人式(9)
F~=0．38 52 4 39
得 =5 976 Hz。
将以上计算的TS参数和参考同类产品的L (在
10 kHz的电感量)：0．168 mH输入LEAP模拟，在1 W·
1 in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10～12所示。
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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。
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电声器件与电路
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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)。
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一
50 1o0 200 500 1 00o 200o 5OOO 10OOO20OO0
，／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T—S参数
如图15～16所示。
28
7．11．2
s 264 1153Hz v^s 0 1157 L 14 50000
39936 3 5119 1 8688
1 0 8236Tm dBs~．79 8549 sD 0 0005
括36682mm ~| 0．0990g F 004{1
8 29E．10— fN } 438 21 R^s 1820900
l描1459469IlF LcEs 2 4880H REs 1648920
l^1 389159 n^ 00879 M∞ 00931 g
14．66020 l^)( 30 98920 z^” 1625520
0 0 0583％ L1扑 05074mH L1蛳电01082mH
图16 CLIO测试系统测试的T_S参数值
从曲线和测试的T—S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．
【2]DICKASON V．The loudspeaker design cookbook[M]．6版．
[S．1．】：Audio Amateur Press，2004．
【3J杜功焕，朱哲民，龚秀芬．声学基础【M】．2版．南京：南京
大学出版社，2001．
[4]山本武夫．扬声器系统(上册)[M】．王以真，吴光威，译．
北京：国防工业出版社，1986．
作者简介
马鲁建，主要从事各类扬声器的设计工作；
奚爱军，研究所所长，主要从事各类电声器件的研发及管理
工作。
【责任编辑】史丽丽【收稿日期】2008-02-12
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主题：扬声器膜片的设计与电声设计