振膜與音圈粘結間隙對高頻截止的影響?

王世偉 陳 進 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研發與應用企業重點實驗室 廣州 510800)

0 引言

揚聲器是將電信號轉換為聲信號的換能器件。電動式揚聲器廣泛應用于智能音箱。電動揚聲器主要分為磁路系統和振動系統，當磁路中的音圈有電流通過時，產生的安培力作用于振膜并帶動振膜振動產生聲波，該“力學裝置”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(文中統稱為中心膠)粘結，中心膠的粘結狀態［1?2]會直接影響到音圈至振膜的能量傳遞。

電動式揚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，當振膜材料的模量較高且密度低時，高頻延展性能好；另一方面，高頻截止也會受到振膜結構設計的影響，當振膜材料不變時，在設計端對振膜的結構進行加強也有助于高頻的延展。

為了不斷的優化設計以及提前發現設計過程中的問題，ANSYS［3]、Comsol 多物理場等軟件在聲學仿真中逐步得到應用，并在聲學領域涉及到的熱學［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頻響領域的高頻軸向截止頻數不在本文應用研究范圍之內。本文重點探究了中心膠的粘結狀態對電動揚聲器高頻截止的影響，對中心膠粘結狀態的探討包括中心膠與音圈骨架材料模量、密度、粘結位置有無間隙或間隙大小對高頻截止的影響，為高音揚聲器聲壓級(Sound pressure level,SPL)高頻截止的分析提供了實例及數值模擬參考。

1 試驗方法

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。利用動態熱機械分析儀(DMA7100，日立)對實例中的A 型號中心膠的模量進行表征分析，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)某項目的高音揚聲器，使用GGEC 消聲室的Soundcheck 14.0 系統(90 kHz 帶寬)進行頻率響應測試，對中心膠粘結位進行電力聲類比分析，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 軟件進行振動模態的仿真及頻響的實例分析，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(上海光學儀器一廠)對音圈與振膜的粘結位置做金相切片，并用電荷藕合器件(CCD)放大40×觀察中心膠的粘結狀態。

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

2 分析討論

2.1 高音揚聲器的基本結構

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

圖2 高音揚聲器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of tweeter loudspeaker

2.2 球頂揚聲器高頻諧振頻率與比模量的關系

根據揚聲器頻響的特性，有如下經驗公式［7]：

式(1)中，fh為揚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為振膜質量(g)，mv為音圈質量(g)。

本文探究的范圍為中心膠粘結狀態對高頻截止的衰減特性，在其他力學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)。

以上經驗公式常被用來評價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、材料聲速的參數如表1所示。

從表1 可知，在鋁骨架材質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。高音揚聲器振膜在振動時，隨著頻率的增加且達到第二共振區以上時，揚聲器單元的振膜不再像低頻那樣可視為一個剛性活塞振動。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間就不可以忽略不計，揚聲器單元振膜不同部分的振動相位也不同，呈現復雜的分割振動［9]。

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

3 實例分析

3.1 實例揚聲器的頻率響應分析

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

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

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

圖5 是所用A 型中心膠的DMA 表征結果，可知23°C 時中心膠楊氏模量的數值為458 MPa，與實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狀態良好的揚聲器(圖6)，所對應的SPL 高頻延展良好。對于粘結異常的揚聲器，表現出SPL 高頻的提前衰減。結合公式(2)進行分析，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，需要結合數值模擬做進一步的分析。

圖6 實例揚聲器粘結位間隙對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 音圈與振膜粘結的仿真分析

3.2.1 中心膠粘結位置相關的類比線路圖分析

圖7 為中心膠粘結位置圖示，圖中C表示力順、M是質量、R是力阻，dome 表示球頂音膜、glue 表示中心膠、sur(surround)表示折環。圖8 為僅考慮力學部分的導納型類比線路圖，音圈受到洛倫茲力F作用，從力F出發，引出一條力線，力線到達Mcoil時分成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，另一支同時穿過Cglue和Rglue，Cglue和Rglue可以看作是一個“彈簧”，彈簧有儲存能量的作用，力線到這里不開支路，力線經過彈簧后，分成兩支，一支分給折環(sur)部分；折環部分分別有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Cdome和Rdome，再經Mdome終止于剛性壁。圖9 是由圖8 轉換得到的阻抗型類比線路圖。揚聲器高頻截止頻率主要受球頂和中心膠(glue)的剛性影響，對于中心膠粘結狀態良好的情形(不存在間隙)，Cglue很小，圖9 中Cglue的支線相當于斷路狀態；對于有粘結間隙并由中心膠填充的情形，當球頂剛性一定時，中心膠的剛性越小，即Cglue越大，則整體剛性變小，表現為高頻截止頻率降低。

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

圖8 中心膠粘結位置相關的力學導納型類比線路圖Fig.8 Mechanical admittance analog circuit diagram with respect to the position of the central adhesive

圖9 中心膠粘結位置相關的力學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的和為揚聲器的等效振動面積，S1看作折環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 中心膠粘結位置相關的力學和聲學阻抗型類比線路圖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，并計算出距離揚聲器1 m 處的SPL 曲線，圖11 為兩種Cglue取值的SPL 曲線(結合圖9 對Cglue的分析)，可見Cglue較大時，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 中心膠粘結間隙對高頻影響的仿真分析

為了探究中心膠粘結間隙對高音揚聲器頻率響應的影響，使用Comsol 軟件對所選實例揚聲器進行仿真分析并設計實驗(DOE)進行仿真驗證，中心膠粘結間隙分別為0 mm、0.2 mm、0.4 mm，間隙由A 型中心膠填充，如圖12所示(為了對支架支撐結構設計進行保密，對實例與仿真示意圖中支架的結構做了些簡化，不影響本文的分析及論述)。

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

對仿真的振動模態進行分析對比(圖13～圖15)，當頻率為11.8 kHz、音圈骨架與振膜充分接觸時，粘結位置的模態形變比較小，協同振動效果好，說明音圈至振膜的能量傳遞比較好；當音圈骨架與振膜的粘結位間隙增加至0.2 mm和0.4 mm時，粘結位置的骨架、振膜模態形變較大，發生了明顯分割振動，對應的SPL 響應也表現出高頻提前截止(圖16)。

圖16 中心膠粘結位間隙對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

對于粘結異常的揚聲器，結合公式(1)的經驗公式及實例分析，當中心膠粘結位置有間隙存在且間隙由中心膠填充時，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，對應的SPL 響應表現出高頻提前截止。

圖13 中心膠粘結良好的揚聲器模態仿真Fig.13 Modal simulation of loudspeaker with good center bonding

圖14 中心膠粘結位間隙為0.2 mm 時的揚聲器模態仿真Fig.14 Modal simulation of loudspeaker when the center adhesive gap was 0.2 mm

圖15 中心膠粘結位間隙為0.4 mm 時的揚聲器模態仿真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，將球頂看作整體運動以簡化分析，如果頻率高于球頂第一階簡正頻率以后，以上分析將會產生誤差。

4 結論與展望

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

通過對中心膠粘結位置相關的類比線路圖分析可知，揚聲器高頻截止頻率主要受球頂和中心膠的剛性影響，當粘結間隙由中心膠填充時，Cglue變大，此時整體剛性變小，表現為高頻截止頻率降低。

結合實例及仿真分析，當音圈與振膜粘結存在間隙時，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，會導致高頻振動模態發生彎曲，間隙越大所產生的分割振動越強烈，導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，對應不同粘結位置間隙對SPL 高頻截止的影響以及粘結間隙的臨界值可以作為后續研究的展望。中心膠所粘結球頂的頂角(也即球頂直徑確定后的切割深度)與揚聲器高頻輻射截止頻率是相關的，需要做空間三維輻射積分運算，亦可以作為后續的研究拓展，相應地，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，揚聲器高頻輻射衰減并不是一件“壞事情”，高于球頂第一階簡正頻率的聲輻射是有害的，因為這些輻射聲不但頻響峰谷參差引來“聲染色”，也會帶來不規則的相位(時延)，有時對電聲系統做必要的頻帶限制，反而是掩蓋信號缺欠的有效方法。