扬声器锥体振膜材料.doc

王富裕简介：国际AES会员，深圳市电子、通讯专家工作委员会会员。1991年毕业于南京大学信息物理系声学专业，一直从事扬声器（换能器）及其系统的开发设计工作，现任深圳东原电子有限公司总工程师。拥有七项国家专利（2005年底），或中国电声行业协会科技进步二等奖两次，（一等奖空缺）、三等奖多次，宝安区科技进步三等奖一次。问：扬声器的锥体振膜使用什么材料最好?答：(简短)没有最好的材料。 （详细）购买扬声器的人肯定都知道，扬声器的振膜材料多种多样，厂商都声称其采用的振膜材料具有某些优点，而且较其它所有的都好。尽管宣传的人都是设法让你相信他用的材料是最好的，遗憾的是，在扬声器的应用上，没有唯一最好的振膜材料。不同的材料具有不同的机械和声特性，使其适合于不同的使用场合，表现得更好或更差。选用每一种材料几乎都意味着一定程度上的折衷。影响振膜材料声性能的基本参数有：密度、刚性及内损耗（内阻尼）。不太严格地讲，材料越硬，越轻，频带就越宽；内损耗越大，响应越平滑。然而，以上参数是相互影响的，要同时实现三参数的最优化，非常困难。想知道原因何在，需要再了解一下产生音乐时振膜振动情况如何。在低频段，锥体振膜基本上作整体的活塞运动，只有一个参数对扬声器影响重大：锥体振膜的质量（与材料密度与材料用量有关）。如上所述，若不提及其它机械特性对锥体振膜低频特性有微妙影响的话，那也是欠妥的。不过，对于此话题，看法很多，而对这些看法的进一步研究和探索则较少。若其它参数相同，锥体振膜质量越大，扬声器的谐振频率就越低、对谐振的阻尼越差（Qe大）、灵敏度越低。零部件其它参数如支撑系统的顺性及机械损耗也会影响扬声器的谐振、阻尼特性和灵敏度。在进行设计分析时，这些因素都要考虑。扬声器的低频特性的数学描述并不很复杂，因此，建立低频段的数学和物理模型相当简单。在更高频段（当锥体振膜中传播的声波波长与振膜半径接近时开始），锥体振膜的运动不再作单一整体振动，低频模型不再适用。你最好能想象到声波从音圈开始，经过音圈骨架、锥体振膜颈部（即音圈骨架振膜接合处）开始向锥体振膜外边沿传播，声波到达锥体振膜外边沿时，又反射回锥体振膜颈部（音圈骨架），而后撞到音圈骨架，又返回音盆边沿，依此重复。此过程类似于声波在一间房子里传播，碰到墙壁，反射回来，依此重复。两种情形，都会产生明显驻波，如没有采取一定的抵消措施，驻波会使声压响应产生很明显的峰谷。例如：一个良好的6.5寸扬声器，其首次驻波谐振就常发生在中频段上部，刚好在其工作范围内，对一个两路系统的的输出影响非常大。幸好多数锥体振膜材料都不是完美的声音导体，都有一定的内损耗。声波传播过程中，一部分能量转换成热量，声波逐渐衰减。内损耗通过吸收反射波的能量来降低驻波强度，从而使响应趋于平滑。振膜材料不同，内损耗差异很大，金属材料几乎没有，塑胶材料非常大。抑制驻波的另一方式为使用折环。扬声器锥体振膜的折环，常用的有类似橡胶的弹性体或泡沫，有时使用带褶的布或纸。折环的一个功能是允许锥体振膜在低频段能相对自由地来回移动时，提供气密性。折环在高频段可吸收某些驻波能量。声波经振膜颈部传出，碰到折环振膜界面，部分能量实际上已传送给折环材料，余下能量立刻反射回振膜。传到折环的那一部分能量，可能会转化热能（实现有效抑制谐振），或者在折环内部回弹，而后反射回振膜（产生一系列更复杂的谐振），这取决于折环材料的内损耗程度。合成橡胶类的内损耗普遍非常高，也不排除有少数内损很低的。泡沫折环内损耗一般比橡胶折环低，不过我也相信有人会设计出内损耗高的泡沫折环。不论是橡胶折环还是泡沫折环（音盆也同样），其内损都有可能随频率而变化。锥体振膜和折环的最佳阻尼程度（量）根据使用场合的要求而定。总体而言，除非所有的驻波谐振都产生在扬声器的有效工作频带之外，否则，你应该要求振膜胴体与折环组合部件有足够的内损耗，这样可以产生平滑、控制良好的高频响应。另一个产生平滑响应的方案是，使用有源或无源均衡器进行谐振补偿。但这种办法并不好，因为对具体产品的实际谐振频率会受生产差异及环境条件的影响，位置会有偏差。某天适用于某扬声器的补偿电路，可能对另外一只扬声器很可能就不适用锥体振膜的有效带宽很大程度上取决于第一个驻波，锥体振膜内部声波传播越快，发生分割振动频率越高。决定声传播速度的主要机械性能有材料的刚性（扬氏模量）、密度及厚度。硬，轻，厚的振膜，其声速较快；反之，软、重、 薄的声速较慢。然而，不幸的是，总的趋势是材料越轻，越硬（能产生的频带越宽），内损耗通常会越小，也就是抑制驻波的能力愈低，频响越不平滑。此外，锥体振膜材料与折环材料差异性越大（声阻抗不匹配），如：硬金属音盆与软弹性体折环制成的系统，反射大，折环吸收的能量就越小,抑制驻波的效果就越差。以上这些特性使得振膜同时满足频带宽及响应平滑比较困难。还有更恼人的是：折环材料内损越大,其大冲程时线性越差，当重放低频大信号时就会发生（粘弹性体中的迟滞现象，恢复驰豫时间）。因此，在取得平滑的宽频带的同时你还要追求良好的低频性能，那你的工作会非常艰巨,但没有人会放弃追求两者兼顾的解决方案。以上可能还没有毫无遗漏地描述到扬声器振膜特性的所有方面，但已覆盖了主要方面，关于这些话题如再深入的话，真可出几本书。问：各种常用锥体振膜材料分别具有什么特性？一、纸质材料纸质材料是传统制造锥体振膜的材料，常被广泛地误认为是过时的技术，不适于高性能扬声器使用。纸质锥体振膜的优点是易加工成各种形状，且不需要复杂昂贵的模具，而且其机械性能可以在很宽的有用效范围内调节。遗憾的是：不经处理的纸质锥体振膜对环境（尤其是湿度）非常敏感。环境湿度变化时，纸质内水汽含量会随之改变，导致胴体质量和杨氏模量等参数的变化。另外，虽然有可能加工出刚性足够的锥体振膜，获得宽的频响响应范围，但纸质本身的内损耗还不足以获得平滑的滚降特性。还有，纸质生产时的偏差较大，不利于批量产品的一致性。应用包括上乳化胶或PVA基（聚乙烯醇）涂层和含浸等多种表面处理方法可以大大缓解上述两个不足，这些涂层有利于将音盆与周围环境隔绝，同时又增加了传输损耗，因此，能平滑单元高频段的频率响应。纸浆中加入碳纤维等别的纤维还能改善振膜的声学特性。同时通过严格的过程控制及选料，纸质生产的不一致性会有改善。请注意，有的制造商为了美观的需要，在一些纸质振膜的表面喷涂了某些天知道的材料（God-only-knows），却故弄玄虚地宣称对扬声器声性能的改善有特别效果，只有天知道的效果（God-only-knows，也许还有损害）。请相信科学，不要迷信。至于产品的离散性的改善可以通过严格控制生产流程和源头材料质量的控制。相同的纸浆，内部构造也因抄纸方法、脱水、干燥方法等完全不同，物理常数随之变化。抄纸方式的自然落下式与强制吸收式，即使胴体的质量相同，厚度和密度也不同，前法的厚度大而密度小，杨氏模量小，内部损耗增加；后者的倾向则相反。纸浆锥体沿用半世纪以上的理由在于纤维种类丰富与可自由控制的内部结构，其他塑料片材或金属箔没有自由度，只有改变形状。尽管纸质材料表面看来像是低技术材料，可是经过适当加工的纸质锥体振膜，却能同时获得良好的带宽及平滑的响应，完全可与高科技材料媲美。专家在不断研究新型纸质锥体振膜的配方，加工及表面处理方法。因此不要奇怪，基于便宜、老式纸质材料的锥体振膜技术会有最新突破，重焕生机。二、聚丙烯类材料（俗称PP）1976年BBC开发了这种材料用来替代BEXTENE。因为它具有很强的内阻尼，设计恰当的聚丙烯单元无须作任何均衡，就可以在工作区获得平坦的响应，效率也较高。聚丙烯类材料大概是扬声器锥体振膜应用最为常见的材料了。大多宣称为聚丙烯材料所制的锥体振膜，实际上还会掺杂矿物质或其它填充料（例如：碳纤维和Kevlar?）。填充料可控制成本，还能改变材料的机械特性。聚丙烯锥体振膜固有阻尼好，因此只要频带要求不是很宽,实现平滑响应就没问题。另外其不受环境湿度的影响，容易实现材料本身及其加工工艺误差的严格控制。事实上，因为其稳定可靠的特性，聚丙烯类材料是许多研究者进行扬声器单元有限元分析（FEA）的首选材料。由于聚丙烯类材料不易粘合，因此早期并不得以认可。现代粘合剂著技术（80年代初）的发展已完全解决了这难题。现在，从廉价的组合音响到一流的ProAC Response 3和Hales System 2签名版的各种扬声器都使用聚丙烯单元，此类单元的最终品质主要取决于锥盆的形状以及聚丙烯配方中的添加材料。优点：如果设计正确，可以获得平坦的响应，很低的声染色，良好的脉冲响应，分频器可以很简单，效率高，分割振动出现缓慢。优质产品可以做到与最好的纸盆相当的透明度。但这并不是说使用聚丙烯类材料就没有问题。虽然定量研究的论文没有发表过（起码我不知道），可有很多人认为可以听得出聚丙烯锥体振膜制成的单元的粘滞现象或类似粘滞的表现（Hysteresis，粘滞为一非线性现象，体现为系统参数会依系统最近历史而持续地变化。）最普遍的认为粘滞是由塑胶材料的黏弹性蠕变引起的（Viscoelastic creep，黏弹性蠕变是指塑胶材料在压力下慢速扩张的趋势。该过程可能为线性，也可能为非线性，取决于材料内损耗）。有人认为粘滞是由音圈骨架与振膜的接著处引起的，音圈产生热量，经音圈架扩散，会软化塑料音盆或接著处的粘合剂，软化程度取决于音圈散逸的热量。因此很多聚丙烯中低音的解析力不能与流行的金属球顶高音很好的匹配。尽管实际上存在着或是想象出的问题，聚丙烯类锥体振膜材料凭其良好的高频响应及一致性的性能，在高性能的扬声器系统应用中仍然很受欢迎。三、其它塑胶材料除聚丙烯（PP）外，近年来出现过大量塑胶及塑胶类材料，包括TPX、HD-A、HD-I（以上由Audax生产）,Neoflex(Focal生产),Bextrene（一种由木浆纸浆合成的塑料，BBC1967年开发，作为具有更好的一致性和可预测性的材料来代替纸，现已由PP取代）。新材料的出现表明专家在致力寻求适于特定场合下刚性、内阻尼、密度及声速的最佳组合的材料。这些材料的优点与潜在的缺陷大致类似于聚丙烯。四、树脂粘合的高强度编织纤维多数碳纤，玻纤和防弹纤维（Kevlar?）锥体振膜属此类。该类锥体振膜由纤维织布与环氧或类似树脂粘结而成。纤维本身有极高的抗拉强度，含浸合适的树脂，材料刚性就会相当大。无疑，编织盆的频带扩展了。然而，代价是频响的不太平滑，因为树脂粘结材料的内损耗很低。有人认为，纤维的无规则取向有利于破坏锥体内的驻波模式，从而使频响平滑。凭经验，这种现象最多对单元的高频响应有微小的影响，我们测试过的编织盆扬声器单元，高频响应都不平滑。即使最好的KEVLAR、碳纤维也至少在工作区的上段出现一个高Q峰值，一般在人耳最敏感的3-5KHZ。其他刚性单元如金属音盆也是如此，这将导致长时间聆听的疲劳和声场透视的压缩感（隐蔽效应）。许多扬声器生产厂家一直在尝试改善简单编织纤维锥体振膜的基本结构。一厂家采用上下两层防弹（Kevlar）纤维片、中间是树脂和小硅球的结合体贴合在一起而成的复合体。该层状结构据说硬性非常好，夹芯材料能够控制阻尼量。另一个扬声器单元厂家采用一种类似三文治的结构，带Nomex蜂巢夹芯。这些技术都非常振奋人心，然而，造价却极其昂贵，但和其家族其他简单材料表现类似，高频响应也不平滑，只是程度不同而已。编织纤维盆不太可能有粘滞特性（折环与定心支片，甚至磁路系统可能仍会有，但这属另外的话题。）对于宽频带应用场合，编织纤维盆可能不是首选材料，但其固有的刚性及不易产生迟滞的特性，很适合于低频应用。此外，编织纤维对环境不敏感，热稳定性也好，受直射光热（如太阳）影响较小。因此，特别适合于汽车音响和户外场合应用。五、金属类材料金属材料为近年兴起的一种锥体振膜材料。到目前为止所讨论过的材料中，金属类的阻尼最小，因此高频区峰值极大，.5寸扬声器在kHz峰值达dB也很常见。然而，在首次分割振动以下，金属音盆性能很好，这是其受欢迎的主要之处。最常见的金属锥体振膜是铝（及其合金）和镁。若有可能应用多种成形及表面处理技术对金属材料进行加工，高性能金属锥体振膜扬声器的出现并不难以想像。然而，即使采用了最好的分频器设计，当前金属盆的高频段也很不理想，因此选择金属盆作为宽频带系统应用的并不多。六、其它材料许多扬声器生产厂家在不断进行变更基本材料及结构的试验，试图寻求到适于某种应用的更佳振膜材料方案（或只是适合较大市场需求的产品）。各种层状结构类、纸质复合物、Kevlar、以及塑胶复合物为最近制造的此类材料，由于是采用一些新技术，对这些材料的所有赞成或是反对的宣传一定要非常谨慎考虑。关于锥体材料的概要希望到此为止，大家已清楚用于高性能音响的最好锥体振膜材料取决于实际需要，应根据需要折衷选取。另外，各位还得牢记的是：扬声器的设计，远不只是锥体振膜音盆材料的选用。振膜的轮廓形状、材料的厚度分布、折环与定心支片在不同频率的特性、音圈的尺寸 及其材料、磁路结构等等都对扬声器的最终性能起很大的作用。亲爱的读者，我的意思是你绝不能单凭振膜材料来断定某一扬声器性能的好坏。扬声器技术特性的应用来源： 作者：本站扬声器系统有许多与音色效果和使用场合直接有关的技术特性，为了用好用活这些技术特性，用户必须对它们有所了解。1） 二路（二分频）和三路（三分频）扬声器系统音频信号的频谱范围很宽，把20Hz-20kHz的信号要用一种扬声器单元是无法满足整段频响的；一般的12寸以上大口径扬声器单元，低音特性很好，失真不大，但超过1.5kHz的信号，它的表现就很差了；1-2寸的高音扬声器单元（高音压缩驱动器）重放3kHz以上的信号性能很好，但无法重放中音和低音信号。于是就有了由各种频响特性单元组成的扬声器系统，由低音（含中低音）和高音（含中高音）两种单元组成的称为二路扬声器系统，由低音、中音和高音三种单元组成的称为三路系统。二路扬声器系统结构简单，造价相对较低，为了解决缺少这段中音频率，于是有些厂家用了一种折衰的方法，即在分频网络上把低音单元的频响特性向上移动，把高音单元拭目以待频率特性向下移动。另外一个问题是，分频交叉点频率只能设定在500Hz-2kHz之间，而此区域正是人声和乐声频谱的重要部分。因此在听觉上人留下“空洞”感和听到的失真。亦因为如此，三路扬声器对喇叭单元的要求相对较高，假若单元的性能不佳，整个扬声器系统的声音就不够平滑，或有严重的相位失真。三路扬声器系统各单元的特性可不作折衷，充分发挥它们各自的长处，两个分频交叉点可选在中音人声和乐声频谱重要部份上、下边缘处，对音质没有任何影响，故三路扬声器系统减小了声音的失真，提高了声音的清晰度，改善了低高和高音间交叉频段的性能，增加了扬声器系统的功率处理能力，因此是文艺演出、音乐厅和歌剧院扩声系统的最佳选择。2） 灵敏度和最大声压级（SPL max）扬声器单元是一种电信号与声音之间的换能器，要求它能以相对较小的输入功率转达换成很宏亮的声音，这就要求扬声器有较高的声压灵敏度，灵敏度实质上是一种转换效率的体现，各类扬亏损顺系统由于采用的设计技术，选用的材料和生产工艺等多方面的差异，灵敏度的差异也很大。灵敏度是指输入扬声器单元1瓦的电功率，在扬声器轴线方向离开1米远的地方测得的声压级大小，如果两种扬声器的灵敏度相差3dB要达到同样大的声压级输出，需要增加电输入功率一倍，因此灵敏度较高的扬声器能发出较大的声音。扬声器系统的输入功率能力一般都远远大于1瓦（一般都在100瓦-2000瓦之间）因此实际使用时都可输入这个最大允许的电功率，以额定最大功率，输入扬声器，在扬声器轴向1米处产生的声压级称为最大声压级SPL max例，灵敏度=100dB，1w/1m扬声器，若具最大功率承受能力为1000W，则SPL max=100dB 30dB=130dB，1m。3）失真和音质音箱工厂都没有标称他们产品的失真率，其实它是一个非常重要的技术参数，音质是一个比较抽象的评价，亦没有可能在文件上标称，只能采取主观的听音比试，通常，灵敏度与音质是有矛盾的，生产商需要在两者中作适当的平衡，一般来说，中低价的产品，均以灵敏度作主导，追求性能价格比，而高价位产品偏重音质，而最高层次者是两者兼备。4）个性与共性在此又再引伸出另一个相对抽象和主观的性能评价，扩声用的音响，有别于家中的Hi-Fi音响器材，必须兼容性非常高，因为每个场地都可能演出不同类型的节目，从歌剧到摇滚音乐会，亦可能只是以语言信号为主的报告会，故其音响系统必须要兼容不同的节目源，做到平均性的优异即不能偏重于某一个用途，而家里的Hi-Fi音响器材，只需要照顾一个人或一小撮人的口味，其产品的个性是容许存在，但作为专业扩声系统器材，则这种个性将会变成局限性或缺陷。专业扩声器材需要为一大群公众服务，节目内容经常变换，共性是基本要求，兼容性要强，不同性质的节目都要有平均的表现，除此之外，专业扩声器材必须是“无渲染”，“不夸张”，“忠实”地将音源还原，就是共性或共用性。5）扬声器系统的指向特性扬声器发出的声音通常在低频段（低于200Hz）的声音是无方向性的，在各方向均匀传播，但在高频段时，声音的传播呈现较强的方向性，这个指向特性（各类音箱均不相同）正是我们在系统设计中要加以应用，优良的恒定指向特性可在现场布置时把声波的能量集中到观众区，避开声波的强烈反射面和声场互相干扰。扬声器的指向特性使偏离轴向的声压级随偏角的增大而声压级逐渐减小，同时声压级又随声波传播距离的增加按距离的平方成反比而衰减，在距扬声器远近和方位不同的听众区，若将这两种衰减选择得当，就可使两种衰减互相补偿，从而使声场更为均匀，大型工程需要盖相对比较阔的区域，单只音箱通常不足以应付，需要将多只音箱拼合成音箱群（陈列），而在陈列扬声器系统中，恒指向特性可使音箱之间的中、高频段的声波在音箱间不产生相互干扰，用具有上述指向特性的一对扬声器组成八字形摆放，可以覆盖单个音箱的一倍，否则，声音在音箱前方已经互相干扰，严重影响声场的均匀度和声音的清晰度。6）扬声器系统的功率处理能力扬声器的功率处理能力（或称扬声器的额定功率）是一项重要技术参数，它代表扬声器承受长期连续安全工作的功率输入能力，了解扬声器的功率处理能力，首先必须懂得扬声器驱动器是如何损坏的，驱动器的损坏模式有两种：一种是音圈过热损坏（音圈烧毁，过热变形，圈间击穿等），