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1 电声器件知识简介 移动通信用受话器 扬声器 2 声学基础特性电声器件的原理与使用特性受话器产品简介动圈式受话器的主要参数扬声器产品简介动圈式扬声器的主要参数扬声器及受话器的主要原材料组成扬声器及受话器的可靠性试验项目扬声器及受话器的生产工艺流程手机扬声器及受话器产品的发展趋势微型动圈式电声器件技术远景设想附录 目录 3 声学基础特性 音频 声音的传播必须要有介质 这个介质就是空气 水等 空气压力Po 受到振源的扰动 产生微弱的疏密变化 P 并通过空气分子间的相互作用传递出去就形成了声波 声音的产生来源于振动 4 声学基础特性 音频 1 声压 表达式 P Po t kx 式中 Po 声压幅值 角频率 k 波数k w Co 初相位 2 频率 声源每秒振动的次数称为频率 单位为Hz 人耳可听得见的声波频率范围约为20Hz 20000Hz 即音频范围 3 声速 在介质中传播速度称为声速 固体最快 例如 钢铁中约为6100m s 液体次之 例如 水中约为1480m s 空气中最慢 约340m s 5 4 波长 相邻同相位的两点之间的距离称为波长 Co fCo为空气中声速f为频率 声学基础特性 音频 5 声压级 Lp 20lg P Po dB Po为基准声压2x10 5pa基准声压为0dB 称为听阀一般交谈为60dB纺织车间为100dB高于120dB耳朵有痛感 称这个声压级为痛阀 为什么采用对数标度 dB 来度量声学量 1 从发声的角度讲 由于声振动的能量范围极其广阔 人们通常讲话的声功率约只有10 5瓦 而强力火箭的噪声功率可高达109瓦 两者相差十几个数量级 这样使用对数标度比绝对标度方便些 2 从声音接收的角度讲 人的耳朵有一个很 奇怪 的特点 当耳朵接收到声音后 主观上产生的 响度感觉 并不是正比于强度的绝对值 而是更接近于与强度的对数成正比 6 6 声压级与功率的关系 L 10lg w wo dB wo为参考功率 为10 12瓦特功率增加一倍 声压级增加3dB 声学基础特性 音频 7 声压级与距离的关系 L 20lg r1 ro dB ro为参考距离距离增加一倍 声压级减小6dB 7 电声器件最典型的是扬声器 受话器 传声器等 是一种声电互相转换的换能器件 电声器件原理与使用特性 广播电声器件 主要指的是用于广播 电影 电视 剧院等方面声重放和录音的各种扬声器系统 耳机 传声器 拾音器 唱头 其特点 频率范围宽 20 20KHz 动态范围大 高音质 高保真 失真小等特点 通信电声器件 主要指的是应用于电话系统和军 民用无线电通讯机中的送话器 受话器及头戴送 受话器组合部件 其特点 主要用于语言通信 频带窄 300 3400Hz 强调语言的清晰度 可懂度 8 产品类别 1 按磁路结构分 外磁式和内磁式2 按工作原理分 动圈式 电磁式 压电式 电容式等3 按使用环境分 军用 民用等 电声器件原理与使用特性 受话器 把电能转换为声能并与人耳直接耦合的电声换能器称为受话器 又称为通信用的耳机 扬声器 把电能变换为声能 并将声能辐射到室内或开阔空间的电声换能器称为扬声器 外磁式特点是磁体位于工作气隙的外面 优点是磁体体积不受限制 缺点是漏磁较大 内磁的结构是磁体位于工作气隙的里面 优点是漏磁比较小 缺点是磁体体积受到限制 9 电声器件原理与使用特性 电动式受话器 扬声器不是将电能直接变换成声能 而是利用载流导体 由音频电流馈电的音圈 在永久磁体的磁场之间的相互作用 使音圈振动而带动振膜振动 其能量变换方式是电能 机械能 声能 电动式受话器 扬声器的发声原理基于其力效应 安培定律 和电效应 电磁感应定律 其中的道理可简述如下 音圈在磁场中的受力情况如左图示 10 电声器件原理与使用特性 11 电声器件原理与使用特性 一旦音圈受力运动 就会切割磁隙中的磁力线 从而在音圈内产生感应电动势 这个效应称为电动式受话器的电效应 其感应电动势的大小为e BL 式中 e为音圈中的感应电动势 V 为音圈的振动速度 m s 电动式受话器 扬声器的力效应和电效应总是同时存在 相伴而生的 随着电流强度和方向的变化 音圈就在磁隙中来回振动 其振动周期等于输入电流的周期 而振动的幅度 则正比于各瞬间作用电流的强弱 受话器的振膜与音圈粘连在一起 故音圈带动振膜往返振动 从而向周围媒质 空气 辐身声波 实现电能 机械能 声能的转换 12 受话器产品简介 手机受话器性能特点 1 在压力场条件下使用 使用时直接贴在人耳上 其声负载是人耳 2 频响范围只覆盖语言频段 300 3400Hz 3 频响平坦光滑 单体测试时通常为高低曲线形状 经泄漏测试后变为平坦光滑的曲线 4 失真度小 5 高可靠 微型化 13 受话器产品简介 动圈式手机受话器的基本结构 内磁式 磁体 导磁材料 振膜 音圈 前盖 塑胶主体 助听线圈 PCB板 阻尼材料 14 受话器产品简介 动圈式受话器的基本结构 外磁式 磁体 导磁材料 后盖 阻尼材料 胶垫 助听线圈 振膜 前盖 音圈 焊片 引出端子 15 受话器产品简介 手机用功能 受话器 扬声器 的基本结构 振膜 R 振膜 S 主体 调音纸 引线 前盖 R 前盖 S 胶圈 音圈 R 防尘网胶圈 磁体 前盖 R 导磁材料 音圈 S 16 受话器产品简介 双功能手机受话器 扬声器效果图 胶圈 S 胶圈 R 阻尼材料 导磁材料 金属支架 磁体 导磁材料 音圈 振膜 支架辅助材料 塑胶支架 输出端子 弹簧 17 动圈式受话器的主要参数 主要技术指标如下 交流阻抗z R2 j l 2对动圈式电声器件讲 其交流阻抗接近直流电阻 随频率变化很小 一般Z 1 1R z 交流阻抗R 直流电阻L 线圈电感 圆周频率 18 动圈式受话器的主要参数 灵敏度标志着电声转换能力的大小 一般以1KHz的频率点来表示 Lp 20lg P Po 单位为dB定义为当施加于受话器一定电功率 或电压 时 受话器所产生的耦合于仿真耳中的声压值 测试时受话器上应施加4至5N的力 使受话器与仿真耳之间无声泄露 模拟人耳的标准化设备来替代真实的人耳 常用的有IEC318仿真耳 NBS PA仿真耳及布郎耳等 不同的仿真耳测得的受话器灵敏度是不一样的 19 动圈式受话器的主要参数 频率响应灵敏度对频率的依赖关系 一般用曲线表示 原则 要求曲线平坦 低频 高频均不可过高 若低频低 则声音不发闷 若高频低 则可降低刺声 20 动圈式受话器的主要参数 H A C HearAidCompetence 助听功能功率负荷 为通电线圈在额定电压或声压下对外部产生的磁场感应强度 参考基准为0dB 1A M 30mW白噪声24h无损坏 21 扬声器产品简介 手机用扬声器性能特点 1 大功率 微型化 高可靠 2 使用时朝开阔空间或室内发声 3 频响范围主要覆盖手机用的和弦铃声频段 一般取500 5000Hz 4 高音质 失真小 5 承受功率大 在0 5W以上 22 扬声器产品简介 动圈式手机喇叭的基本结构 通常为内磁式 可以看出同手机受话器结构基本一样 主体 导磁材料 磁体 引线 胶垫 振膜 前盖 音圈 阻尼材料 PCB板 23 动圈式扬声器的主要参数 一 纯音检听 在额定频率范围内馈给扬声器规定电压的正弦信号 检查扬声器的装配质量 测量方法测试线路如图所示 馈给扬声器规定电压的正弦信号 一般在0 3m处检听 在此距离内应无反射物 扬声器产生的声音中应无碰圈声 垃圾声和机械声 一般为扬声器额定功率对应的电压 24 动圈式扬声器的主要参数 二 额定阻抗 额定阻抗是指阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值 在额定频率范围内 阻抗模值的最低值一般不应小于额定阻抗的80 一般取 20 公差 例8 20 25 动圈式扬声器的主要参数 额定阻抗的测试方法 用替代法进行 馈给扬声器的电流通常选用50mA 10 测量原理图如右 K 26 动圈式扬声器的主要参数 三 额定共振频率 共振频率是在扬声器单元的阻抗模值随频率递增变化的曲线上 出现第一个阻抗极大值时所对应的频率 额定共振频率值的允许偏差一般取 15 例如 0 50 15 Hz 但纸盆如果是全纸的一般允许偏差取 20 结合上面的阻抗曲线测量 现在的数字式电声测试系统都是采用恒压法一次性测试同时得到阻抗曲线及共振频率 0 27 动圈式扬声器的主要参数 四 频率响应与有效频率范围 扬声器的频率响应就是用曲线来表示扬声器的输出声压级与频率之间的关系 这个曲线通常是在自由声场条件或半空间自由声场条件下测得的 信号源可用正弦信号或1 3oct的窄带噪声信号测试 测试频率至少应覆盖扬声器的有效频率范围 何谓自由声场 只有直达声而没有反射声的声场 用以形成自由声场的实验室称为消声室 无响室 28 动圈式扬声器的主要参数 测试方法 用正弦信号测的频响曲线图 如下 29 动圈式扬声器的主要参数 五 额定特性灵敏度级 指在规定频率范围内 在自由场条件下 相当于馈给扬声器1W粉红噪声信号电压 在其参考轴上距参考点1m处所产生的声压级 测量电原理图 30 动圈式扬声器的主要参数 六 失真 谐波失真扬声器输出的声信号中 除了原输入的信号频率 基波 外同时出现二次 三次谐波等 瞬态失真当馈给扬声器电信号快速变化时 其振动系统不能及时变化而产生的失真 异常音即纯音不良 杂音等 线性失真 扬声器重放某些频率信号时 信号振幅不能再保持原信号中的比例关系 可由频响曲线查出 非线形失真 扬声器重放声信号中出现输入电信号中所没有的频率成分 31 动圈式扬声器的主要参数 七 额定噪声功率 也可称为功率承受能力 是指在额定频率范围内馈给扬声器规定的模拟节目信号 在一定时间内不产生热和机械损坏的噪声功率 一般的试验条件为白噪声信号经带通滤波器后通过功率放大器接到扬声器上 试验的时间要求为100小时 32 手机用动圈式受话器 扬声器主要原材料组成 磁体 有铁氧体 钕铁硼 铝镍钴等导磁材料 08F冷轧钢板振膜 PETPENPEIPI等塑胶主体 ABSPCPBT等音圈 自粘直焊漆包线绕制 阻尼材料 无纺布 海绵 丝网等输出端子 PCB 焊片 弹簧 端子引线等其它附件 胶圈 商标等 33 手机用动圈式受话器 扬声器可靠性试验项目 1 高温 65 30C96h2 低温 20 30C96h3 湿热 温度400C 相对湿度90 96h4 温度循环冲击 34 手机用动圈式受话器 扬声器可靠性试验项目 5 机械冲击 6 机械振动 方法1 将受话器 扬声器裸体从1 2m高度自由跌落至5mm厚的木板上 方法2 将受话器 扬声器安装在手柄或默认的装置内从1 5m高度跌落至水泥地面上 对特殊要求产品进行此项试验 35 手机用动圈式受话器 扬声器生产工艺流程 1 内磁式结构装配工艺流程A 36 手机用动圈式受话器 扬声器的生产工艺流程 1 内磁式结构装配工艺流程B 37 手机用动圈式受话器 扬声器的生产工艺流程 1 内磁式结构装配工艺流程C 38 通信用受话器 扬声器的发展趋势 普通电话用受话器 大口径38mm左右的 扬声器36mm以上 无绳电话用受话器 扬声器 口径20 28MM左右的 薄型 高频无绳电话用受话器 扬声器 口径15mm 20mm左右的 移动通信用受话器 扬声器 口径10mm 15mm 受话器通常为高低曲线泄漏频响 移动通信用多功能器件 外形更小 异型等 泄漏频响 大功率 高可靠性 39 小型化 多功能化 泄漏式LeakTolerantMultifunctionDeviceinSmallSize 13 15 微小型化 双面产品多功能化 泄漏式LeakTolerantDoubleSidedMultifunctionDeviceinMicroSize 8 10 微小型化 异型磁回路系统 泄漏式LeakTolerant SpecialShapedMagnetStructureinMicroSize 10 x18 8x15 7x11 6x10 微型化 异型化贴片式TapePackedinMicroSize SpecialShape 有源电子放大式电声器件 ActiveElectricAmplifiedDevice 微型动圈式电声器件技术远景设想 40 附录一测试信号 我们日常遇到的各种语言 音乐等节目 往往是多个频率组合在一起的瞬态过程 它的平均峰值因数 最大值与有效值之比 约为3 而噪声信号本身是一个连续的无规信号 它的峰值因数也约为3 两信号较为接近 因此 常用噪声信号来作为模拟正常的语言和音乐节目信号 用来测试扬声器的某些电声特性 如频率响应 灵敏度 失真和寿命试验等 其测试结果比用纯音信号测试更接近实际使用情况 纯音信号指瞬时电压随时间作正弦形变化的信号 E E0sin t 式中 E0是幅值 是角频率 t是时间 是初相位 通常要求信号源的频率从20Hz到20中kHz能连续变化 噪声信号它是一种不规则的 间歇的或者是随机的信号 一般噪声信号有两种 白噪声和粉红噪声 41 附录一测试信号 白噪声的特性 它是一种无规噪声 它的瞬时值是随机变化的 它的幅值对时间的分布满足正态分布 高斯分布 具有连续的噪声谱 包含有各种频率成分的噪声 对音频范围而言 包含有从20Hz 20kHz的各种频率成分 它的功率谱密度与频率无关 即各频率的能量分布是均匀的 它的等带宽输出的能量是相等的 它在线性坐标 等带宽 中 输出是一根平行于横坐标的直线 它在对数坐标 等比例带宽 中 输出是按每倍频程带宽增加3dB的斜率而上升的 白 和 粉红 这两个词是对噪声频谱而言的 是从光谱学中借用过来的 白 是指这种噪声中包含有各种频率的噪声 并且它们的能量分布是均匀的 粉红 是相对于 白 而言的 表示这种噪声中低频成分较多 42 附录一测试信号 粉红噪声的特性 它与白噪声一样也是一种无规噪声 也具有连续的噪声谱 不同之处在于 它的功率谱密度与频率成反比 在对数坐标中 其输出为一水平直线 在线性坐标中 其输出以每倍频3dB下降 粉红噪声的低频成分比白噪声更丰富 从整个频谱中所占的比例来看 43 受话器在手机面壳内的腔体一般大致如图所示受话器前端面都贴一个EVA胶垫 一方面作密封防止声泄露 另一方面有粘性作定位 带EVA垫的受话器放在手机面壳内直径为 K的腔体内 腔体的台阶为H 在受话器背部一般也加一个EVA胶垫后加压固定 一般施加在受话器背面的压力不应超过2N 附录二受话器与手机面壳的配合关系 44 受话器与整机的配合关系 附录二受话器与手机面壳的配合关系 受话器安装在手机面壳内 在受话器前盖前面增加一个直径为 K 高度为H的前腔和手机面壳前侧在 N处n个小孔 从理论上分析增加了C R m三个元件 在一定的条件下当H小于0 3mm N处的n个小孔的直径大于2mm以上时 小孔数目大于4时 C R m可略去不计 即受话器装在手机面壳内频响与单体频响基本上无明显差别 手机面壳前侧的腔体设计原则 应该是尽量使受话器装在面壳内测试和不装在面壳内测试两者一致或差别愈小愈好 要起到这目的 1 前腔台阶 EVA垫圈后 总高度H不超过1mm2 面壳前侧孔径宜大而少 不要小而少3 前腔内径 K 应小于受话器前盖直径 45 受话器与整机的配合关系 附录三动圈电声器件主要材料价格占比 我们已经知道 动圈电声器件的主要原材料有磁体 振膜 导磁材料 音圈等 其中又以振膜和磁铁为最关键 决定了电声器件的灵敏度及频率响应 所以 一般电声器件以这两种材料为最贵 举例说明 比如有一手机喇叭 售价5 00元人民币 材料价大概占55 60 为2 75元至3 00元人民币 比如振膜为PI材料 则振膜价格约为1 2 1 5元人民币 占材料价的35 40 磁铁N42H为0 50 0 70元人民币 占材料价的25 左右 其他材料包括辅助材料共占40 左右 46 附录四手机受话器 扬声器主要零部件的分析介绍 动圈电声器件结构组成一般分为三部分 振动系统 磁路系统及辅助系统 一 振动系统 1 振膜 振膜是动圈电声器件的声辐射元件 是振动系统主要零件 振膜的特性直接影响电声器件的各种电声参数 音质和耐环境可靠性 振膜的性能主要决定于材料 形状和加工成型工艺 一般要求振膜材料见有如下三种基本特性 单位面积的质量要小 即要求材料的密度 要小 振膜的机械强度要高 即材料的扬氏模量E要大 要有较大的内阻尼 备注 比弹性率E 越大 振膜作活塞振动的频率范围越宽 输出声压级也较高 47 振膜的形状有圆形 椭圆形 也有跑道形 这些形状的选择主要取决于结构要求及外形美的考虑 性能一般没有多少差别 表面设计的各种花纹主要是增加振膜的有效辐射面积和振膜的刚性 2 音圈 音圈是动圈电声器件力电转换的主要零件之一 是动圈电声器件力声振动系统的策动源 音圈一般由漆包线绕制而成 线材有铜 铝或铜包铝线 铜线可焊性好 铝线效率高 铜包铝线可兼具两者的优点 音圈的轴向长度即高度对电声器件的性能有重要影响 因为在电声器件磁路气隙导磁体表面附近的磁场分布并不是很均匀 音圈的电阻决定了产品的阻抗 阻抗作用是与整机功放输出线路阻抗匹配 一个音圈的设计 通常是以器件的阻抗和音圈的直径为基础 再选择恰当线径的漆包线 计算出漆包线的总长 根据音圈的高度将这些漆包线分层绕制 附录四手机受话器 扬声器主要零部件的分析介绍 48 附录四手机受话器 扬声器主要零部件的分析介绍 二 磁路系统 作用 磁路系统提供振动音圈所必需的磁场 与音圈一起组成策动元件 通过电动力效应 激发振动系统的机械振动 从而向空气中辐射声波 动圈电声器件磁路基本上都是永磁磁路 永磁磁路主要由硬磁材料 磁体 和软磁材料 导磁体 两大类磁性材料组成 磁性材料的磁特性可用磁导率 r rm 磁饱和度 矫顽力 剩磁 磁能积等参量描述 通常要求软磁材料在最大导磁率 rm 的点上工作 要求硬磁材料在最大能量点上工作 常用的软磁材料有 电磁铁 电工纯铁 硅钢 铁镍合金 低碳钢等 常用的硬磁材料有 铁氧体 钕铁硼 铝镍钴等 49 附录四手机受话器 扬声器主要零部件的分析介绍 常用永磁材料的特性见下图 铁氧体磁钢铝镍钴磁钢稀士磁钢 50 附录四手机受话器 扬声器主要零部件的分析介绍 铁氧体永磁材料的特性 1 Hc大 其矫顽力介于铝镍钴永磁体和稀土永磁体矫顽力间 2 其主要原料为Fe2O3 BaCo3 SiCO3 材料丰富 价格便宜 特别是不含贵重的Ni Co等金属 耐氧化耐腐蚀 3 电阻率高 104 106ohm m 4 密度为4 6 5 1 103kg m3 缺点是剩磁较低 温度系数大 易碎 铁氧体的原料为Fe2O3 碳酸盐类及添加剂 高岭土 经处理后预压 须热粉碎成一定粒度的粉料 然后将粉料按一定形状 尺寸设计制造的金属模具内压制成形 在1200 1400 温度下烧结而成 51 附录四手机受话器 扬声器主要零部件的分析介绍 ALNICO材料的特性 1 ALNICO是高Br 低Hc的永磁材料 一般做成长柱形 2 ALNICO本身矫顽力低 所以在使用过程中禁止铁器工具接触磁体以免引退磁 3 ALNICO磁体温度系数小 因温度变化而发生磁性退化很小