微型揚聲器擺動模態對其輻射聲場的影響?

毛燕蓉 沈 勇

(南京大學聲學研究所 近代聲學教育部重點實驗室 南京 210093)

0 引言

近年來，隨著智能手機、筆記本電腦、可穿戴設備等移動終端的興起與普及，微型揚聲器單元的應用越來越廣泛，人們對微型揚聲器單元音質的要求也越來越高。因此，對微型揚聲器單元性能的研究與優化逐漸成為行業的研究熱點[1?4]。這些研究大多集中于對微型揚聲器單元設計參數、造型等進行優化，來提升微型揚聲器單元的聲學性能。然而，這些研究大多假設微型揚聲器單元振動系統只存在一維縱向振動(即振動方向垂直于振膜面)，而忽略了微型揚聲器單元的擺動模態對其性能的影響。

在中低頻段，常規的動圈式揚聲器單元在對稱力的作用下僅產生沿球頂法向的位移且振膜各處位移相同，可以看作活塞運動。但是揚聲器在生產和使用過程中通常出現大量不對稱現象，如質量分布不均勻，折環順性不對稱，側出聲情況下聲負載不對稱等，此時揚聲器單元由于受力不平衡，會出現不理想的搖擺振動，產生明顯的擺動模態。不同于普通揚聲器，由于缺少定位支片，在微型化、高聲輸出的發展趨勢下，微型揚聲器單元的擺動模態尤其突出，如圖1所示。

圖1 微型揚聲器單元擺動模態(繞短軸方向擺動)Fig.1 Rocking modes in micro speakers (Short axis direction)

Bright 等[5]用實驗的方法證明了擺動模態的存在，提出產生擺動模態的關鍵在于質量、順性或磁場分布等的不對稱，并建立理論模型，用模態分析的方法對不對稱順性造成的擺動模態進行分析。Klippel 等[6?7]在模態分析的基礎上，將擺動模態下的振膜運動分解為擺動與平動兩部分，并通過模態分析預測振膜表面上造成擺動模態的位置和原因。Cardenas 等[8]通過有限元模型對擺動模態進行模擬并分析其根因。

然而，上述研究大多集中在對揚聲器單元擺動模態產生根源的探究及其測試方法，而擺動模態對其輻射聲場的影響卻少有提及。由于移動終端所使用的微型揚聲器單元絕大多數為電動式矩形揚聲器，故本文針對一款具有擺動模態的矩形微型揚聲器單元(繞短軸方向擺動，如圖1所示)，利用激光傳感器采集擺動模態下微型揚聲器單元振膜的振動位移，通過理論計算，從輻射聲壓級、指向性與平面聲場等角度探究矩形微型揚聲器單元擺動模態對其輻射聲場的影響。經過研究發現，除了會造成微型揚聲器單元擦圈打底等機械性缺陷，擺動模態還會造成微型揚聲器單元頻響凹陷、中低頻存在指向性等現象，對其輻射聲場產生明顯的影響。

1 微型揚聲器單元輻射聲場的測量與計算

通用的聲場測量方法需利用傳聲器對聲場中各點進行聲壓采集，一般而言，較大范圍的聲場測量均極為耗時。此外，為獲得準確的聲場信息，對各測量點的位置定位也要求較高。因此，為快速獲得微型揚聲器單元的輻射聲場，本文利用激光傳感器采集振膜的振動位移對輻射聲場進行理論計算，從而避免繁雜的聲場測量過程。

1.1 微型揚聲器單元振動位移采集

如圖2所示測量系統，安裝于可移動導軌上的激光傳感器采集微型揚聲器單元振膜的振動位移，位置控制器利用導軌控制激光傳感器對振膜各點位移進行拾取。同步記錄測試點位置信息與振膜振動位移信息，即可對整個微型揚聲器單元振膜的振動進行采集。

圖2 微型揚聲器單元位移采集系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of displacement acquisition system for micro speaker unit

圖3給出實測的一款存在擺動模態的微型揚聲器單元振膜上三個不同位置(振膜中心點及兩條短邊中點)的位移幅值與相位響應曲線。由圖3可以看出，不同于正常微型揚聲器單元的活塞振動情況，具有擺動模態的微型揚聲器單元振膜上各點位移的幅值與相位差異明顯，特別在擺動頻率點附近(本文研究單元擺動頻點為f= 1100 Hz，此處擺動最為劇烈)，部分位置點相位差大于90?，存在明顯的反向振動情況。圖中1 點為振膜中心點，2、3 分別為兩邊短軸的中點。

圖3 具有擺動模態的微型揚聲器單元振膜上不同位置的位移響應曲線Fig.3 Displacement response curves of micro speaker with different position of rocking modes

1.2 微型揚聲器單元輻射聲場的理論計算與實驗驗證

一般而言，微型揚聲器單元需安裝于障板上進行聲學測量，為方便說明，規定微型揚聲器單元振膜面為x-z平面，其中短軸為z軸，振膜中心與坐標系原點重合，如圖4(a)所示，后續章節均采用此坐標系，不再贅述。對于一般的微型揚聲器單元，由于在中低頻段振膜上各點振動位移基本一致，因此其振動可以等效為剛性活塞運動，其輻射聲壓可由式(1)計算[9]。

其中，ρ0為空氣密度，c0為空氣中聲速，ua為速度復振幅，h為振膜各點與聲壓采集點S的距離。

圖4 微型揚聲器單元輻射模型Fig.4 Radiation model of micro speaker

然而在擺動模態下，微型揚聲器單元振膜上各點振動位移的大小與相位均不相同，不能再對整體使用式(1)。將振膜平面分割為若干個小矩形面元，如圖4(b)所示，本文根據振膜大小劃分成7×9 個矩形面元，以每個面元中心點(m,n)的振動位移作為整個面元的振動位移，則面元dS在空間中任一觀測點S(x,y,z)處產生聲壓為

式(2)中，xa(m,n)為面元位移的幅度函數，?(m,n)為面元位移的相位函數。面元與觀測點之間距離則觀測點處總聲壓可通過對振膜面積進行積分獲得，為

對式(3)進行離散化，則觀測點聲壓p為

為驗證上述理論計算的準確性，針對一普通微型揚聲器單元(產品規格1511，后續均采用此款單元，不再贅述)，不失一般性地隨機選取聲場中任意三點(本文選取的三點分別為(?7,?2,5)，(6,4,2)，(0,1,4)，單位為cm)進行聲壓測試并與理論計算進行對比。圖5給出實測頻響曲線與計算頻響曲線的對比。由圖5可以看出，采用本節所述方法進行的微型揚聲器單元輻射聲場的理論計算與實測吻合良好，理論符合實際。

圖5 微型揚聲器單元頻響曲線的理論計算與實測對比Fig.5 Theoretical calculation and measurement comparison of frequency response curves for micro speaker

2 微型揚聲器單元擺動模態對其輻射聲場的影響

為探究擺動模態對微型揚聲器單元輻射聲場的影響，本節選擇一款存在擺動的微型揚聲器單元(繞短軸擺動，擺動主要由折環順性不同引起，見圖1進行說明，并利用一無明顯擺動的同款微型揚聲器單元作為對比。對于其他擺動方向，原理相同，本文不作贅述。利用第1 節所述位移測量與聲場計算方法，對其輻射聲場進行探究。

2.1 擺動模態對微型揚聲器單元頻率響應的影響

聲壓級頻率響應SPL(f)是評價微型揚聲器單元聲學性能的重要指標[10]，一般選取振膜正前方10 cm 作為測試點。由式(4)可知，微型揚聲器單元聲壓頻率響應SPL(f)為

式(5)中，pRef= 2×10?5Pa 為參考聲壓。根據測量位移和式(5)分別計算并作出繞短軸擺動的微型揚聲器單元與正常微型揚聲器單元的聲壓頻率響應進行對比，如圖6所示(具有擺動的微型揚聲器單元實測頻響曲線同步繪于圖中)。

圖6 具有擺動模態的微型揚聲器單元與無擺動模態的微型揚聲器單元的頻率響應曲線對比Fig.6 Comparison of frequency response curves between micro speaker with rocking modes and without rocking modes

從圖6可以看出，由于擺動模態，存在擺動的微型揚聲器單元的聲壓級頻率響應在相應的擺動頻點附近存在明顯的凹谷，與正常微型揚聲器單元頻響相比差異明顯。而在非擺動頻點附近，除了由于順性不同導致的頻響上升段差異外，二者頻率響應無明顯不同。這是由于擺動模態下振膜上各點位移的大小和相位各不相同，在聲壓采集點處產生“聲抵消”現象，造成聲壓級頻率響應凹陷。因此可以得出結論：由于擺動模態的存在，造成微型揚聲器單元聲壓級頻率響應在擺動頻點附近存在異常凹谷，影響微型揚聲器單元的頻率響應。

2.2 擺動模態對微型揚聲器單元輻射指向性的影響

輻射指向性描述了聲源輻射隨方向而異的相關特性，為任意方向角θ方向的聲壓幅值與θ= 0?軸上的聲壓幅值之比[9]，即D(θ) = (pa)θ/(pa)θ=0。一般而言，由于微型揚聲器單元尺寸較小，在中低頻段可以視為點源，因此不存在明顯指向性。然而由于擺動模態的存在，上述結論不再成立。為探究擺動模態對微型揚聲器單元輻射指向性的影響，分別計算微型揚聲器單元在圖4(a)所示的y-x平面與y-z平面上的輻射聲場與指向特性，討論擺動模態對垂直于擺動軸、平行于擺動軸這兩個方向的輻射指向性的影響。

圖7對比了存在擺動的微型揚聲器單元與正常微型揚聲器單元在垂直于擺動軸平面(y-x平面)上的輻射聲場與輻射指向性。由圖7(a)、圖7(c)可以看出，在擺動頻率點上，不同于正常微型揚聲器單元在平面聲場上類似于點源輻射的情況，存在擺動的微型揚聲器單元平面聲場明顯向一側偏移。與此同時，由圖7(b)、圖7(d)對比二者指向性圖也可以說明同樣現象：正常微型揚聲器單元指向性圖基本為圓形，說明其無指向性。而存在擺動的微型揚聲器單元在擺動頻點上則存在明顯的指向性。由圖7(e)、圖7(f)可以看出，在非擺動頻率點上，存在擺動的微型揚聲器單元也不存在指向性。

在平行于擺動軸的平面(y-z平面)上，存在擺動的微型揚聲器單元的輻射聲場與輻射指向性如圖8所示。由圖8可以看出，此時微型揚聲器單元在此方向上也無明顯指向性。

圖7 微型揚聲器單元在y-x 平面的輻射聲場與指向性對比Fig.7 Comparison of radiation sound field and directivity of micro speaker in y-x plane

圖8 微型揚聲器單元平面輻射聲場與指向性對比Fig.8 Comparison of planar radiated sound field and directivity of micro speaker

因此，通過上述分析，可以得出結論：擺動模態能夠顯著影響微型揚聲器單元的輻射聲場與輻射指向性，造成微型揚聲器單元產生中低頻指向性。由于擺動模態的存在，在對應的擺動頻點上，微型揚聲器單元在垂直于擺動軸的平面上存在明顯的指向性，y-z平面聲場發生明顯的偏移。而在非擺動頻點，在平行于擺動軸平面(y-z平面)上，微型揚聲器單元指向性未發生明顯變化。

3 結論

伴隨著微型揚聲器單元微型化、纖薄化、高聲輸出的發展趨勢，擺動模態對微型揚聲器單元的影響越發受到業界的關注。當前，關于擺動模態的研究大多集中在對擺動模態產生根源的探究及其測試方法，而擺動模態對微型揚聲器單元聲學性能的影響卻少有涉及。

本文利用激光傳感器采集擺動模態下微型揚聲器單元的振動位移，通過測試發現，存在擺動的微型揚聲器單元在擺動頻率點附近不再表現為整體活塞振動，振膜上各點位移的幅值與相位差異明顯。

在準確獲得微型揚聲器單元振動位移的基礎上，本文基于理論計算，從輻射聲壓級、輻射指向性與平面聲場等角度探究微型揚聲器單元擺動模態對其輻射聲場的影響。通過研究發現，擺動模態會造成微型揚聲器單元出現異常的頻響凹陷。此外，由于擺動模態的存在，微型揚聲器單元在垂直于擺動軸平面上出現中低頻指向性等現象，對其輻射聲場產生顯著影響。在實際的微型揚聲器單元開發過程中，可以根據頻響是否存在異常凹谷來判斷微型揚聲器單元受擺動模態影響與否，并根據其中低頻輻射指向性來判斷擺動模態的擺動方向，由此可以進一步定位其產生根因并加以改善。