車載低音喇叭紙盆壓制工藝的優化研究

中圖分類號：U463.653 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0133-0

【Abstract】This paper investigates the corelation mechanism between paper cone pressing process parameters and acoustic response for automotive subwoofers.Byanalyzing the influence of pressing pressure，forming temperature， and pulpconcentration on acoustic characteristics，a processoptimization strategy was established.The research controls pressing pressure within1.4～1.6MPa， forming temperature at 105～115^°C ，and pulp concentration at 4.8 % ～5.5%.Verification results demonstrate that the optimized process reduces resonance frequency by 23.5% ，improves quality factor to 0.63， and enhances frequency response flatness by 50% ，exhibiting excellent stability under automotive environments. The research provides technical support for improving acoustic performance of automotive audio systems.

【Key words 】automotive subwoofer;paper cone pressing process；acoustic response;frequency characteristics;process optimization

0 引言

車載低音喇叭作為汽車音響核心，長期承受振動沖擊，紙盆作為關鍵部件，其品質直接決定聲學表現[l。傳統紙盆壓制工藝采用紙漿模塑成型，通過調控紙漿濃度、壓力、溫度等參數獲取所需性能，但優化多基于機械強度，缺乏對聲學響應的系統研究，難以滿足高保真需求[2。行駛中車輛低頻振動（ 5～500Hz ）易與紙盆固有頻率共振，導致低頻失真，溫濕度變化則影響材料彈性模量與內阻尼，導致頻響偏移。當前研究集中于防潮防塵等可靠性指標，缺少壓制工藝與聲學性能的關聯理論，制約音質提升。因此，開展面向聲學響應的壓制工藝優化具有重要價值。

1紙盆壓制工藝參數與聲學響應關系

1.1 關鍵工藝參數識別

紙盆壓制法的主要工藝參數是壓制壓力、成型溫度、紙漿濃度與壓干時間等。其中，擠壓強度（ 0.5～2.5MPa ），決定紙盆紙張的密度和纖維內部結構，從而影響紙盆紙張的彈性模量和密度 ρ 。溫度（ 80～150^°C ），決定紙漿內水分的蒸發速度和纖維之間的結合強度，從而影響紙盆的內阻尼 η 。紙漿濃度（ 3%～8% ），決定纖維含量和氣孔率，從而影響紙盆的聲學性能[3]。

1.2聲學響應測試與評價方法

聲學性能測試在消聲室內進行，環境條件控制：溫度（ 23±2 ） °C ，相對濕度 45%～65% ，背景噪聲≤10dB（A） 。測試設備采用Bamp;K2270聲級計配合傳聲器，信號發生器選用AudioPrecision APx525 ，功率放大器采用 CrownXTi2002 。

揚聲器紙盆的頻率響應為主要的響應特征。頻率響應是在輸入端輸入頻率信號時，在輸出端測得的聲壓與振幅相對應的曲線。頻率響應一般指50～16000Hz 的聲壓變化，頻率響應測試方法采用定壓信號掃描頻率響應曲線法。測試流程為：傳聲器距離紙盆 1m 軸向測量， 20Hz～20kHz 對數掃頻，1W標準功率驅動，每個樣品測試3次取平均值。

聲學響應的核心評價指標包括共振頻率 F_o 、品質因數 Q 值和頻響平坦度。共振頻率反映紙盆振動系統的固有特性，由等效振動質量 M_ms 和等效順性C_ms 決定。品質因數 Q₀ 表征系統阻尼特性。頻響平坦度反映整個工作頻段內聲壓輸出的均勻性，是評價紙盆聲學性能的綜合指標。針對車載應用，增設溫度循環測試（ -40～+70‰ ）、濕度穩定性測試和振動耐久性測試。

1.3工藝參數對聲學響應的影響規律

工藝參數與聲學響應呈非線性關系。隨著壓制壓力提高，紙盆密度增加，彈性模量增大，共振頻率提高，內阻尼減小。 Q 值過高，會導致共振峰尖銳，低頻響應不均勻，非共振頻率提高。成型溫度對纖維間的黏結程度有一定影響，溫度適宜，成型的紙盆阻尼性能好。溫度過高，使紙盆過硬。

紙漿濃度對聲學性能的影響是多方面的：濃度低，則紙盆眼多、阻抗大、強度低；濃度高，則紙盒密度大、強度高。相關試驗表明，擠壓壓力為1.2～1.8MPa ，成型溫度為 100～120^°C ，紙漿的濃度為4%～6% 時，紙盆的聲學性能較好。

材料彈性模量 E 、密度 ρ 值之比與阻尼 η 之比三者之間的相互制約關系，決定了聲學性能的優劣。揚聲器振膜 E，ρ 值和阻尼 η 決定了其頻響特性，對 E /ρ 值之比及阻尼特性的工藝參數設計要求是在強度足夠的條件下，使揚聲器振膜具有合理的 E/ρ 值及阻尼特性，從而取得良好的響應特性。

2 面向聲學響應的壓制工藝優化路徑

2.1基于聲學目標的工藝參數優化策略

面向聲學響應的加工調整，需根據設計目標頻響曲線，制定工藝參數到聲學參數的映射關系，根據車載低音喇叭使用的頻段，使設計的低音喇叭共振頻率 F_o 在 50～80Hz 、品質因數 Q_?o 在0.5～0.7，確保低頻響應較好。

優化策略采用多參數協同調控方法。當目標共振頻率較低時，應適當降低壓制壓力至 1.2～1.4MPa ，同時提高紙漿濃度至 5%～6% ，以獲得合適的等效振動質量；當需要改善阻尼特性時，可將成型溫度控制在 105～115^°C ，并延長干燥時間至 8～12h ，促進纖維間的充分結合。通過建立聲學目標函數，采用響應面法或遺傳算法等優化算法，可實現工藝參數的系統性優化。

2.2車載環境適應性優化路徑

車上的溫度和振動對環境有要求，而紙盆對環境適應性好。針對環境溫度 -40～70^°C 的變化適應性工況，優化路徑應該提高紙盆材料的熱穩定性。

紙漿添加 0.5%～1.0% 熱穩定劑，將成型溫度控制在115～125^°C 之間，可以提高紙漿纖維之間的強度，減少溫度變化帶來的聲學變化[5]。

濕度適應性優化通過調控紙盆孔隙結構實現。將紙漿濃度控制在 4.5%～5.5% ，壓制壓力設定為1.5～1.7MPa ，形成致密而均勻的微觀結構，有效降低濕度變化對材料彈性模量的影響程度。同時，通過表面處理工藝在紙盆表面形成微薄的防護層，進一步提升其在高濕環境下的聲學穩定性。

2.3工藝優化關鍵控制點

1）壓制壓力控制。壓力均勻性直接影響聲學一致性。模具布置6個傳感器，實時監測壓力分布，要求偏差 ≤±0.03MPa ，升壓速率 0.2～0.3MPa/s 。根據尺寸分級控制： Φ200mm 以下為 1.4～1.5MPa ，Φ200～300mm 為 1.5～1.6MPa ， Φ300mm 以上為 1.6～ 1.7MPa ；壓制時間12～18s，確保壓實且不損傷纖維結構。

2）成型溫度調控。模具分中心、過渡、邊緣三區控溫：分別為（ 110±2 ） °C 、（ 108±2 ） C /（ 106±2 ） C ，形成梯度補償散熱。控溫精度 ±1^°C ，升溫速率 5～8°CImin 。采用紅外測溫，偏差超 ±1.5^°C 時，自動調節加熱功率。

3）紙漿濃度監控。采用光學濃度計與電導率儀雙檢測，目標濃度（ 5.2±0.2 ） % ，偏離時自動調節稀釋或濃縮液。原料預處理 6～8h ，攪拌 60～80r/min 、15～20min ，添加 0.3%～0.5% 分散劑， pH 值控制在6.5～7.5，確保纖維均勻結合。

4）品質與在線檢測。激光掃描檢測幾何精度：深度公差 ±0.3mm ，壁厚均勻性 ±0.2mm ，粗糙度 Ra?3.2μm 。聲學檢測采用阻抗分析儀，頻段 20Hz～20kHz ，重點監控 50～200Hz 。要求共振頻率 F_o 偏差 ≤±3Hz ， Q_?o 為 0.60～0.66 ，頻響平坦度≤±2.5dB 。結合工藝與聲學數據，預測溫濕度穩定性，誤差分別 ≤±0.5% 、 ≤±0.02 。

3優化效果驗證與應用建議

3.1 優化工藝的聲學性能驗證

按照GB/T9397—2013《直接輻射式電動揚聲器通用規范》要求[，選取 Φ250mm 車載低音喇叭紙盆作為驗證對象，制備傳統工藝樣品30只和優化工藝樣品30只進行對比試驗。傳統工藝參數為：壓制壓力 1.2MPa ，成型溫度 95°C ，紙漿濃度 4.2% ；優化工藝參數為：壓制壓力 1.5MPa ，成型溫度 110^°C ，紙漿濃度 5.2% 。樣品制備后，靜置24h進行應力釋放，確保測試結果的準確性。

聲學性能測試，每個樣品在標準環境下測試3次，取算術平均值作為最終結果，見表1。統計分析采用t 檢驗方法評估兩組數據差異的顯著性（ α=0.05 ）。測試結果表明，優化后紙盆的主要聲學指標均有顯著改善：共振頻率 F_o 從（ 85±2.1）Hz 降至（ 65±1.8 ）Hz ，下降 23.5%（Plt;0.01 ）；品質因數 Q₀ 從 0.85±0.06 降至 0.63±0.04 ，下降 25.9%（Plt;0.01 ）； 50～200Hz 頻響平坦度從 ±4.2dB 改善至 ±2.1dB ，提升 50.0% 。阻抗分析顯示，優化后，紙盆等效振動質量下降15% ，等效振動順性提高 18% ，振動匹配度顯著改善。

表1傳統工藝與優化工藝指標對比

為驗證優化紙盆的競爭優勢，選取市場主流的PP材料紙盆作為對比樣品，在相同測試條件下進行聲學性能評價。PP材料紙盆厚度 0.4mm ，采用注塑成型工藝，代表當前中檔車載音響的主流技術路線。

對比測試結果顯示，優化紙盆在關鍵聲學指標方面已接近PP材料水平：共振頻率 F_o 分別為 65Hz （優化紙盆）和 72Hz（PP 紙盆），優化紙盆低頻響應更佳；品質因數 Q₀ 分別為0.63和0.78，優化紙盆阻尼特性更優；頻響平坦度分別為 ±2.1dB 和 ±2.8dB ，優化紙盆平坦度提升 25% 。在材料成本方面，優化紙盆單只成本3.2元，PP紙盆為5.6元，成本優勢達43% 。綜合分析表明，優化紙盆在保持顯著成本優勢的前提下，聲學性能已達到PP材料 90% 的水平，具有優異的性價比。

3.2車載環境下綜合性能評價

模擬汽車使用環境下的綜合性能測試，驗證改進紙盆的適用性。溫度循環試驗（ -40～70^°C ，100次）結果顯示，改進紙盆共振頻率變化率 ≤2.8% ，原紙盆共振頻率變化率 ≤6.5% 。濕度試驗（相對濕度 10%～95% ）結果顯示，改進紙盆品質因數變化率≤0.05 ，濕度保持性好。

經過振動壽命試驗后，改進的紙盆在 5～500Hz 寬頻振動 1000h ，經聲學檢測，響應值小于 3% ，滿足車載使用的長期標準。

4結束語

本研究構建了車載低音喇叭紙盆壓制工藝參數與聲學性能的關聯優化模型，通過系統試驗驗證了優化工藝的顯著效果。采用壓制壓力 1.4～1.6MPa 、成型溫度 105～115^°C 、紙漿濃度 4.8%1.5.5% 的優化參數組合，實現了共振頻率 F_o 降低 23.5% （從 85Hz 優化至 65Hz ）、品質因數 Q₀ 降低 25.9% （從0.85優化至0.63）、頻響平坦度提升 50.0% （從 ±4.2dB 提升至 ±2.1dB ）的技術突破。環境適應性測試顯示，溫度穩定性改善 56.9% ，濕度穩定性改善 58.3% ，滿足車載長期使用要求。經濟效益分析表明，優化工藝使不良品率從 12.5% 降至 4.8% ，年節約生產成本約42萬元；產品品質提升可帶來 8%～12% 的售價溢價，預計年增收150～220萬元；設備投資回收期約15～18個月，經濟效益顯著。研究成果為車載音響產業技術升級提供了有效路徑，對提升揚聲器制造工藝技術具有重要指導意義。

參考文獻

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（編輯 楊景）