CN103200489A - 一种电磁驱动器的薄膜短路环 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种不改变(或改变很小)扬声器的基本性能的，却明显改善扬声器前沿瞬态响应的，高导电金属薄膜短路环的设计方案。在音圈附近的磁路的铁质构件中，有个别部分处于高磁场高磁化饱和状态，这些铁质构件的高磁化饱和的部分又紧贴音圈，是音圈运动受到的磁滞阻尼的主要来源。仅需要在这些高磁化饱和部分的内侧或外侧设置高导电金属薄膜短路环，使得这些铁质构件的高磁化饱和部分处于短路环的内外侧强影响区域，减少音圈电流对这些铁质构件的磁场最强部分的内部磁场的调制，进而减少磁滞阻尼效应，改善扬声器的前沿瞬态响应，而不去盲目地把音圈电感抵消或大幅降低。

Description

一种电磁驱动器的薄膜短路环

技术领域

本发明涉及一种电磁驱动器或扬声器的新型薄膜短路环和结构

背景技术

短路环也称法拉第环，是由高导电金属如铜、铝、银等制成的金属圆环。是电磁驱动器或扬声器及直线电机中一项已经广泛应用了许多年的成熟技术。早在1977年出版的山本武夫编著的扬声器领域中的经典著作《扬声器系统》中P118、P128和P150就有详细的介绍，而《Loudspeaker handbook》一书中也有详细地介绍。

传统观点中短路环的基本原理是起到一个音圈的变压器次级的作用，并且是短路的单匝次级线圈，目的是抵消音圈的电感，进而减低扬声器高频段的阻抗。

如图1所示，在工作频段的高端，扬声器的阻抗近乎一条上扬的直线，Z～Zmin+jωL。因此传统观点认为(文献1，山本武夫《扬声器系统》P128，国防工业出版社，ISBN978-7-118-06572-5，2010年中译本)：

“由于音圈的电感，从最低点开始，频率上升阻抗也随之上升。因此在高频段功率难以输入，声压级下降。为了防止阻抗的增加，可采用短路环的方法，这样还可以使失真得到改善，起到一举两得的作用。”

而在美国JBL公司在CN1298622A提出了一些降低失真的短路环的结构，如图2。并且指出，为了降低失真，铜的质量越重，降低失真的效果更有效(CN1298622A说明书P6L1和其附图4)，并且“起一般地降低谐波失真，并降低音圈电感的作用。”

而在美国专利US5381483中，对短路环的厚度给出了“2mm或以上的”明确教导，

而在US5815587中，说明书P1第6段，

“It has been found that the copper cylinders should have a considerable wallthickness in order to be really operative.”

而在同一专利P3第三段，明确给出了教导：“the advantages obtained areobtained when only the copper rings are made thick enough，i.e.with a thicknessof several millimeters.”即短路环的改进效果当且仅当铜环足够厚，例如几个毫米厚才可获得。

发明内容

目前所有短路环的设计方案都是建基于：降低音圈电感---降低扬声器阻抗同时降低谐波失真这一传统思路的。这就使得短路环的厚度必须有足够厚度如几个毫米，以获得极低的直流电阻，加强“短路”的效果。目前使用的短路环加在磁间隙外的有几个毫米厚，套在T铁中柱上的铜帽式短路环也有0.3毫米厚。这些厚重的短路环质量大，成本高，许多时候影响扬声器的整体结构，安装困难。而铜帽式短路环的把磁间隙宽度几乎加大了一倍，严重降低了磁场强度，严重降低了扬声器的效率。并且为了抵消音圈电感，强调短路环要贴近音圈安装。

而本发明人研究后认为，传统的思路似有不妥，理由如下：

图1是典型的扬声器的阻抗与频响曲线示意图，可见在所谓的阻抗上升段，频响本来就是基本平坦的，也就是讲音圈电感并未影响或引致频响或声压级下降。如此来说如果采用传统设计的短路环，把音圈电感抵消，把阻抗曲线的上半部修正为图中虚线所示，则原本平坦的频响的上段会出现一个上扬，形成一段向上的斜线，如图1中的频响曲线上半部分的虚线所示。具体实例可以参考文献《扬声器系统设计手册》P5～6，尤其是图0.7和图0.8。本人认为这种提升，把平的频响变成上扬的斜线，不是性能改善而是性能劣化。因为使用该单元制作扬声器系统即音箱时，还不得不把这个上扬的曲线用分频电路修正回平坦，反而使得分频器复杂化，这种短路环“降低音圈电感-修正频响”是画蛇添足。可见短路环的传统设计在带来失真降低的优点之外还带来了影响频响，降低效率等缺点，并且体积大，成本高，也影响扬声器的结构，不易安装(许多短路环的相关发明都注意到了厚重的短路环影响扬声器整体结构的问题)。

本发明提出一种新的短路环设计思路，着眼于改善瞬态响应，而不改变电磁驱动器或扬声器的音圈电感和扬声器的阻抗、频响和谐波失真等基本性能。

根据高频变压器理论，影响瞬态响应或前沿上升时间的一个主要因素是铁芯的磁滞效应，而由铁磁学的理论可知，铁磁材料如铁等，内部磁场越强即越接近饱和状态(相当于给变压器铁芯加了一个很大的直流偏置磁场)，磁导率就越低，磁滞就越明显。

分析扬声器磁路，无论内磁式还是外磁式，由磁路的计算机模拟可得，如外磁式图3和内磁式图4所示，上极板2(俗称华司，英文washer)靠近磁间隙的边缘部分2.1即上极板2超出磁钢以外部分，通常磁力线最密，磁场最强，即最为接近磁化饱和。而这部分又最接近音圈(位于磁间隙中，图中未画出)，故该部分对音圈提供了最多的磁滞影响，对音圈运动产生较大的磁滞阻尼。也即音圈运动受到的磁滞效应的影响，主要来自音圈附近的磁路铁质构件，并且主要来自于铁质构件的磁饱和度高或者说磁化最强的部分，并且这个部分通常是上极板或华司超出磁钢，靠近磁间隙的边缘部分。在外磁式磁路中，是上极板或华司的内缘边缘部分2.1；在内磁式磁路中，是上极板或华司的外缘边缘部分2.1。因此本发明设计了一种针对该磁场最强部分磁滞效应的短路环设计方案。

如何有效地降低这个磁滞的影响，用短路环来稳定附近的铁质构件磁场，减少音圈电流对铁质构件磁化最强部分2.1的磁化也就可以减少磁滞。先要对短路环稳定附近磁场的能力进行分析。短路环可以视做一个短的罗线管或单匝线圈，可以简单地得到单匝线圈的磁场分布图或磁力线图，如图5所示，可见短路环1的磁力影响范围主要在于线圈的内外两侧区域7，并且内侧磁力线更密集，影响更强。紧邻线圈或短路环的上下两侧区域8影响是最弱的。所以如JBL专利中所设计的(如图2)短路环1对华司2的磁场稳定效果是不佳的，因为该设计中，华司2位于短路环1正下方的弱影响区域8，短路环1的影响很弱。

根据以上分析和图5可以简单地设计理想的短路环1来稳定华司边缘部分2.1的内磁场，最有效地降低音圈受到的磁滞效应的影响。对外磁式磁路如图6所示，在华司2上表面设置一个薄膜式短路环1，环的内径约等于或略大于磁钢的内径。选择环的厚度使得环对扬声器的阻抗的影响小于5％或2％最好，经实验，铜环的厚度在10～85微米较好，对于常见的高音扬声器，50微米厚度的铜短路环对阻抗的极大值Zmax的影响小于2％，85微米厚度的铜短路环对阻抗Zmax的影响小于5％。对阻抗的其它部分和音圈电感影响很小。如此华司里饱和度最高，磁滞贡献最大的部分，恰好位于所设置的短路环的内侧，受到短路环的较强影响，磁场稳定，音圈受到的磁滞影响就被有效地降低，制成的扬声器或耳机的瞬态响应大为改善。而扬声器或耳机的阻抗基本不变，频响不变。而且本设计的短路环厚度很薄，贴在华司上，安装方便，不改变扬声器的整体结构，而且质量轻，加工易，成本低。

在内磁式磁路中，可以如图7所示，在上极板2上设置一个薄膜短路环1，外径略小于或等于磁钢的外径，厚度为10～85微米。但是有时内磁式磁路设计时导磁碗5的侧壁壁厚较薄，侧壁的磁饱和度也会很高，如图8所示。此时薄膜短路环设置可以如图9所示，薄壁圆筒形的薄膜短路环1套在导磁碗5的外侧，使得导磁碗的靠近音圈的强磁化侧壁部分5.1，处于短路环1的内侧的强影响区，稳定其磁场，减少磁滞影响。也可以把图7和图9结合起来，同时加两个薄膜短路环，分别在华司2上和导磁碗5外侧壁。此处设计的加在导磁碗外侧壁的短路环方案，比之于先锋公司CN200610144815.2中提出的，短路环加在导磁碗内侧、磁间隙内的方案，优点如下：一是不加宽磁间隙，不会降低间隙磁场影响灵敏度；二是磁间隙里的短路环会加大不良率，三是先锋方案的短路环的加工精度高，成本高，安装难度也大；四是本发明方案短路环把导磁碗的侧壁也包含在短路环内侧的磁场强影响区域内，磁场稳定效果更好。

因为本设计的薄膜短路环厚度薄且不改变扬声器的结构和基本性能，就具有一个独特的优点：可以广泛地用于现有扬声器的改进，尤其是高音扬声器的改进。对市售丹麦产某款高音单元(其磁路为28芯高音外磁路，华司是Φ70×Φ29×3mm，磁钢为Φ72×Φ32×15mm，根据前述思路，其华司边缘部分Φ32×Φ29×3mm处于高磁化高磁饱和状态，且又靠近音圈，是影响扬声器的主要磁滞阻尼来源)的实验表明，在其华司2上表面，加入一个Φ50×Φ38MM的高导电金属铜或铝、银等金属薄膜制成的圆环作为薄膜短路环1，厚度分别为铝10μm，铜35μm，铜50μm，铜85μm。然后馈入模拟δ信号(cosX)/X，如图10所示，检测扬声器的输出如图11所示，并对主脉冲峰值归一化，然后对其主脉冲前的十个前沿涟波脉冲10的P-P峰峰值求和，得到加入不同厚度的薄膜短路环的不同的前沿瞬态响应，如表1所示。可见未加薄膜短路环的原单元的前沿响应约为输入的30％，而加入薄膜式短路环后，改善了6％到11％不等。并且在50μm厚度以上接近饱和状态，改善变小了。

对上述的原高音单元和各种改进，也进行了主观听音的实验，重放小提琴、吉他、打击乐和二胡等类音乐。主观听音结果差别明显：对比来讲，未改单元重放的音乐，有雾感，不透明不清晰，速度慢，很多音乐的细节出不来。相同的一只单元加入薄膜短路环后，重放变得透明清晰，速度快，多了许多音乐细节，乐器的质感强烈，但又更为圆润。而加不同厚度薄膜短路环的听感相互差别不明显。

而上述单元的阻抗、频响和谐波失真也进行了测试，频响和失真无可见变化，阻抗的高段即上升段无变化，即音圈电感无明显改变。阻抗的峰值Zmax有细微的差别：未加薄膜短路环时原单元的Zmax为11.72欧，加入50μm薄膜式短路环时Zmax为11.52欧，加入85μm薄膜式短路环时Zmax为11.32欧，改变分别小于2％和5％。结合听音实验的结果，可以得出加入薄膜短路环的最佳厚度范围是不大于85μm，进一步优化为不大于50μm为宜。

可见本发明提出了一种不改变(或改变很小)扬声器的基本性能的，却明显改善扬声器前沿瞬态响应的，高导电金属薄膜短路环的设计方案。其基本理论是：在音圈附近的磁路的铁质构件中，有个别部分处于高磁场高磁化饱和状态，这些铁质构件的高磁化饱和部分又紧贴音圈，是音圈运动受到的磁滞阻尼的主要来源。仅需要在这些高磁化饱和部分的内侧或外侧设置高导电金属薄膜短路环，使得这些铁质构件的磁场最强高磁化饱和部分处于短路环的内外侧强影响区域，使得高磁化饱和部分的磁场变化被短路环所有效阻止，减少音圈电流对这些铁质构件的磁场最强部分的内部磁场的调制，进而减少磁滞阻尼效应。并且因为本发明的出发点是改善扬声器的前沿瞬态响应，而不去盲目地把音圈电感抵消或大幅降低，那样做好处不多，副作用不少，成本又高，也影响扬声器的结构。所以本设计方案中采用的铜箔薄膜短路环，完全违反了现有技术的短路环要厚、要重的教导。并且本发明首先提出短路环的磁场强影响区域的概念，并应用于实际设计，提出短路环的设置应使得靠近音圈的铁质构件的磁场最强部分，处于短路环的磁场强影响区内。这也违反了现有技术的短路环要贴近音圈安装的教导。

本设计中基本方案是高导电金属薄膜短路环设置在磁路的华司(或上极板)的表面，通常选上表面，而华司的超出磁钢以外，又靠近磁间隙的边缘部分通常是磁场最强区，短路环的设置使得短路环和磁间隙把华司的强磁化边缘部分恰好夹在中间。高导电金属薄膜短路环安装在上极板即华司上时，厚度优选为85μm或以下，进一步优选为50μm或以下。

进一步优选方案为将高导电金属薄膜式短路环与常见的高音扬声器的支架一体化。即把高导电金属薄膜式短路环1贴合在支架9的下表面(即安装时与磁路华司的接触面)，如图10所示，这样安装方便简易。进一步优化，可以用单层或多层印刷电路板制成所述的高音支架，而印制板表面或内部保留有一个或若干个铜箔圆环带，起到高导电金属薄膜短路环的作用。如此高导电金属薄膜短路环1与高音扬声器的支架9完全一体化，更为简捷。

本发明的另一方案是短路环加在内磁式磁路的导磁碗的外侧壁。

本发明的创新点为，一是提出抵消音圈电感的传统短路环设计思路有误，不需要用厚重的短路环。二是提出音圈附近的铁质构件的高磁化饱和部分，是音圈受到的磁滞阻尼的主要来源。三是提出短路环的内外两侧是短路环稳定外磁场的强影响区域7，而上下两侧是短路环对外磁场的弱影响区域8。四是提出短路环不应该盲目贴近音圈安装，而是要与音圈即磁间隙，分别位于铁质构件强磁化部分的两侧。五是提出把薄膜短路环与高音支架一体化。

附图说明

图1是扬声器的典型阻抗和幅频响应的示意图，上面标有sp1的是幅度即声压级曲线，下面标有Z的是阻抗曲线。而虚线部分是音圈电感被短路环抵消后曲线变化的示意。

图2是依照JBL专利中其附图4给出的短路环设计重绘的剖面示意图。

图3外磁式磁路的磁场分布示意图，图中圆圈圈起的华司2的边缘部分2.1是磁力线6最密集即磁化最强的部分。

图4内磁式磁路的磁场分布示意图，图中圆圈圈起的华司2的边缘部分2.1是磁力线6最密集即磁化最强的部分。

图5是短路环或单匝线圈的磁场分布纵剖剖面示意，可见环的内外两侧是磁力线密集区域，也即短路环对外磁场的强影响区域7；而环的上下面邻近区域是磁力线稀疏区域，也即短路环对外磁场的弱影响区域8。

图6是本发明设计的外磁式磁路的使用薄膜短路环1的剖面示意图。

图7是本发明设计的内磁式磁路的使用薄膜短路环1的剖面示意图。

图8是内磁式磁路当导磁碗侧壁较薄时，侧壁部分5.1成为磁化最强的区域的示意图。

图9是针对图8的情形，本发明设计的紧贴导磁碗外侧壁设置圆筒状薄膜短路环1的剖面示意图。

图10是高音扬声器支架9上设置一体化薄膜短路环1的示意图。

图11是测试扬声器瞬态响应时馈入的模拟δ信号(cosX)/X的实测波形图，横轴时间，单位毫秒。

图12是扬声器的输出波形，主脉冲前的前沿涟波响应10是本发明研究扬声器前沿瞬态响应的关注对象。

具体实施方式

实施例1

在市售某品牌高音扬声器上，其磁路为28芯高音铁氧体外磁路，华司2是Φ70×Φ29×3mm的圆环，磁钢3为Φ72×Φ32×15mm的圆环，在其华司上表面，加入与其高音支架尺寸相同的Φ50×Φ38MM，厚度为18μm的铜箔制成的圆环1。重新装配好即构成带薄膜短路环的高音扬声器。前沿响应改善了8％。而主观听音实验中，加短路环的高音与未改高音相比，声底透明清晰，反应快速，细节丰富，重放小提琴、打击乐、二胡等乐器时更为细腻圆润，活生感强，音象结像更为具体。而加不同厚度铜箔制成的短路环的高音之间听感差别不明显。

实施例2

在本发明人设计的某型号28芯高音单元，改用单面印刷电路板制成“带薄膜短路环的一体化支架”，如图10所示，支架9为Φ72×Φ36×2.5MM的圆环；在其下表面，即安装时与华司接触的面上，有Φ64×Φ37MM的铜箔环带即薄膜短路环1，铜箔是一盎司的，即视在厚度18μm。其余装配工艺照常。制成的新的带薄膜式短路环的高音扬声器，使用在原有定型生产的扬声器系统即音箱上直接代替原高音，无须调整改变分频器，音色平衡度未见变化，阻抗频响失真等测试性能也未见可测变化。但音色有明显提升改善：高频表现更为细腻圆润，反应敏锐，弦乐表现力丰富，音场音象透明清晰。主观听音实验参加者一致意见为改变明显，效果极佳。

实施例3

在本发明人设计的某型号25芯高音单元，其磁路为25芯高音铁氧体外磁路，华司2是Φ70×Φ26.5×3mm，磁钢3为Φ72×Φ32×15mm。如图10示意，其支架9为Φ65×Φ31×2MM。在其下表面，即安装时与华司2接触的面，贴上预先制好的铜箔圆环即薄膜短路环1，尺寸为Φ64×Φ32MM，铜箔为18μm厚，即一盎司铜箔。其余装配照常，制成带薄膜短路环的高音扬声器。

改进后高音在测试时阻抗、频响和失真等为见可测的变化，而按前述的前沿响应的测试方法测得前沿响应改善了9％。主观听音实验结果与实施例2相同。

本实施例中，铜箔短路环1也可以直接贴在磁路的华司2上，但磁路充磁时有一定的破损率，故而以贴在支架9上为宜。

实施例4

在本发明人设计的某型号6.5寸75芯中低音单元，其磁路为75芯钕铁硼内磁磁路，U型导磁碗外径85mm，内径78mm，其导磁碗侧壁的磁饱和问题明显。在导磁碗外侧壁上部，加上一个由一条10mm宽，0.1mm厚铜箔条头尾焊接成的，薄壁圆筒状的薄膜短路环，如图9所示。实测前沿响应大为改善，主脉冲由峰底上升到峰顶的时间由改进前的113毫秒大幅降低为改进后的90.7毫秒。主观听感也改善明显，相对来说，未改单元的声底不透亮，有雾霾的感觉，少细节，干硬晦涩。改进后的单元声底透明，细节丰富，圆润顺滑。

	pw256-0		pw256-10			pw256-35			pw256-50			pw256-80
																未改变		Al10um			Cu35um			Cu50um			Cu80um
p10	0.007582		0.009872			0.009722			0.009373			0.009326
															p9	-0.01287		-0.01068			-0.01086			-0.0121			-0.01167
p8	0.010408		0.012877			0.012734			0.012547			0.01247
															p7	-0.01477		-0.01279			-0.01302			-0.01428			-0.01392
p6	0.01296		0.015636			0.015383			0.015512			0.015202
															p5	-0.01865		-0.01707			-0.01722			-0.0187			-0.01828
p4	0.018158		0.021161			0.020884			0.021296			0.020784
															p3	-0.02662		-0.02573			-0.02571			-0.02766			-0.0269
p2	0.032701		0.0371			0.036508			0.037233			0.036428
															p1	-0.06058		-0.06205			-0.06146			-0.06395			-0.06258
	0.364682		0.38795			0.377254			0.38542			0.380982
															脉冲峰值	0.971926		0.960015			0.949929			0.953754			0.953475
																归一化		归一化			归一化			归一化			归一化
p10	0.007801		0.010283			0.010234			0.009827			0.009781
															p9	-0.013242		-0.011125			-0.011432			-0.012687			-0.012239
p8	0.010709		0.013413			0.013405			0.013155			0.013078
															p7	-0.015197		-0.013323			-0.013706			-0.014972			-0.014599
p6	0.013334		0.016287			0.016194			0.016264			0.015944
															p5	-0.019189		-0.017781			-0.018128			-0.019607			-0.019172
p4	0.018682		0.022042			0.021985			0.022329			0.021798
															p3	-0.027389		-0.026802			-0.027065			-0.029001			-0.028213
p2	0.033646		0.038645			0.038432			0.039038			0.038206
															p1	-0.062330		-0.064634			-0.064700			-0.067051			-0.065634
	0.375216		0.404108			0.397139			0.404108			0.399572
															脉冲峰值	1.000000		1.000000			1.000000			1.000000			1.000000
															p10-p9	0.021043		0.021408			0.021667			0.022514			0.022021
p8-p9	0.023950		0.024538			0.024838			0.025842			0.025318
															p8-p7	0.025905		0.026736			0.027111			0.028128			0.027678
p6-p7	0.028531		0.029610			0.029900			0.031237			0.030543
															p6-p5	0.032523		0.034068			0.034322			0.035871			0.035116
p4-p5	0.037871		0.039823			0.040112			0.041935			0.040970
															p4-p3	0.046071		0.048844			0.049050			0.051330			0.050011
p2-p3	0.061034		0.065447			0.065498			0.068040			0.066418
															p2-p1	0.095975		0.103280			0.103132			0.106089			0.103839
		重放		重放	改进		重放	改进		重放	改进		重放	改进
															∑p-p 1-3	0.144977	30.4％	0.154114	32.4％	106％	0.154660	32.5％	107％	0.161305	33.9％	111％	0.157399	33.1％	109％
∑p-p 1-5	0.273476	31.1％	0.291462	33.1％	107％	0.292113	33.2％	107％	0.303265	34.4％	111％	0.296354	33.7％	108％
															∑p-p 1-9	0.372905	32.8％	0.393754	34.7％	106％	0.395630	34.8％	106％	0.410985	36.2％	110％	0.401913	35.4％	108％

表1

Claims (8)

1.一种新型的电磁驱动器的薄膜短路环，电磁驱动器由一个形成环状磁间隙的磁路，和一个位于磁间隙中的音圈组成，当输入音频电流时音圈产生电磁力，并上下运动，可以制作扬声器、耳机或直线电机等，磁路的上极板靠近磁间隙的边缘部分处于强磁化状态，其特征在于，薄膜短路环由高导电金属制成，位于上极板的表面，且与磁间隙分别位于上极板的强磁化边缘部分的两侧，靠近上极板的强磁化边缘部分设置。

2.一种新型的电磁驱动器的薄膜短路环，电磁驱动器由一个形成环状磁间隙的内磁式磁路，和一个位于磁间隙中的音圈组成，当输入音频电流时音圈产生电磁力，并上下运动，可以用来制作扬声器、耳机或直线电机等，导磁碗侧壁上部处于强磁化状态，其特征在于，薄膜短路环是一个高导电金属薄膜制成的薄壁圆筒，紧贴在导磁碗强磁化侧壁部分的外侧面设置，且与磁间隙分别位于导磁碗的强磁化侧壁部分的两侧。

3.如权利要求1所述新型薄膜式短路环其特征还在于，短路环的厚度优选为不大于85μm。

4.如权利要求1所述新型薄膜式短路环其特征还在于，短路环的厚度进一步优选为不大于50μm。

5.如权利要求1所述新型薄膜式短路环其特征还在于，短路环对制成的扬声器、耳机等产品工作频段内的阻抗的影响小于5％。

6.如权利要求1所述新型薄膜式短路环其特征还在于，短路环对制成扬声器、耳机等产品工作频段内的阻抗的影响不大于2％。

7.如权利要求1所述新型薄膜式短路环其特征还在于，薄膜短路环贴在高音扬声器支架的下表面上，薄膜短路环与扬声器的支架一体化。

8.如权利要求1所述新型薄膜短路环其特征还在于，用于高音扬声器中，高音扬声器的支架用印刷电路板制成，在支架表面或内部设置有铜箔环带，构成所述薄膜短路环，形成一体化的短路环与支架。

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