CN107529118A - 琴弦振动式扬声器的改进 - Google Patents

Abstract

琴弦振动式扬声器有两种：一种是由一些平行排列的长方体磁铁、以及一些放置于其间的带状振膜组成，振膜由粘附有金属线束的带状塑料膜做成，另一种是由一些平行排列的环形磁铁、以及一些放置于其间的环形振膜组成，振膜由附在塑料膜上的单层金属线圈做成。振膜做成如同微波起伏的形状，使之具有伸缩性。这种扬声器和其他将音圈和振膜合为一体的扬声器一样，具有失真小，音质好，瞬态响应好等优点，但是一直存在着诸如封边方法不好，磁铁用量大，评估的制造成本过高，灵敏度低等问题。经过多年的改进性实验，本专利申请提出了一些有效的方案来改进扬声器的做法。这些改进方案包括：新的振膜封边方法，提高磁铁利用率的方法，新的振膜制作方法，环管形或柱形扬声器的改进。

Description

琴弦振动式扬声器的改进

技术领域

扬声器是信息科学领域属下的视听技术的一个终端元件，终端元件包括供眼睛看的以及供耳朵听的两大类，前者主要是显示屏，已经达到了很高的水平，后者主要是扬声器，长期以来没有多大变化，几乎处于停滞不前的状态。

背景技术

现在使用的动圈式(又称电动式)扬声器是1861年发明的，至今已有很长的历史。其间曾出现过舌簧喇叭、压电陶瓷喇叭、号筒喇叭、静电扬声器等，它们从未被广泛采用过。动圈式扬声器虽有其一些优点，但它的失真度仍高达5％，这是它的结构性缺陷造成的，要再降低一点都很困难，人们对这样的失真度已经是听之任之，无可奈何了，高保真求之而不得，有人则去追求音乐感以代之。信息时代的到来迫使模拟电路退场，数字电路登台，后者已经可以做到无失真记录、传递和放大音频电信号，动圈式扬声器早已不适应这种发展趋势的要求了。

另一方面，随着微电子技术的发展，在我国出现了一批专门制作柔性印刷电路的厂家，它们的设备和生产工艺正好可以用来开发和制作新型扬声器的振膜，即把音圈和振膜合为一体的“柔性振膜扬声器“的振膜；而制作这种新型扬声器所需要的磁力极强的钕铁硼磁体，无论是生产数量还是产品质量、乃至性价比，我国都早就处于世界领先的水平。依靠这两大产业作为支柱，再加上广大的市场需求，这种新型扬声器必定会在我国落地生根，开花结果。

发明内容

琴弦振动式扬声器的结构与传统扬声器完全不同。它的基本构架由一些条形或环形的磁铁组成。磁铁间有支撑物，使得每两个磁铁间形成一个磁场空间，最早的琴弦振动式扬声器是用一条柔软的、而且具有一定弹性的带状导电塑料薄膜依次穿过这些磁场空间，被固定于每个磁场空间的那些段就是一些振膜，每一段做振膜用的带子被加热定形成波形面，使得振膜像弹簧一样有伸缩性。振膜表面上的每条直线与磁力线平行，振膜上的音频电流沿着微波起伏的带子流动，音频电流的流向与磁力线垂直。当音频电流流经振膜时，振膜将受到垂直于其表面的电磁力作用而振动，从而推动空气，发出声波。这种导电的振膜既作为音频电流载体，又用其表面直接推动空气发声。这种扬声器是把传统扬声器的音圈和振膜合为一体的新型电动式扬声器。

琴弦振动式扬声器可以做成许多形状，例如，选取多根长方体磁铁，作等间距排列，并在某些位置夹入铁件让排列转向，可构成中空方柱形或中空圆柱形等等形状的扬声器；或者，选取磁极面为平面的一些环形磁铁，沿轴向排列，或夹入铁件让这种排列转向，便做成柱形或环管形扬声器。对于长方体磁铁形成的磁场空间，其间的振膜是两端被固定的长直带状导电薄膜，例如铺有金属线束在其表面上的塑料薄带，铝箔与塑料薄膜的带状复合膜等等。对于环形磁铁形成的磁场空间，其间的振膜是环圈形导电薄膜，或者是附在塑料膜上的单层平绕线圈。

琴弦振动式扬声器早在近20年前就做出来了，它能够发出高音，中音和低音，其音域覆盖了整个音频频率范围，它的失真小，瞬态响应好。缺点是克服声短路的方法不好，扬声器较笨重，电声转换效率(即灵敏度)较低，制作成本较高，漏磁较大等，需要做出改进。经过多年的努力，这些缺点大部分已经找到了可靠的方法去克服，从而对琴弦振动式扬声器做出了重要的改进，这些改进包括：新的振膜封边方法，提高磁铁利用率的方法，新的振膜制作方法，环管形或柱形扬声器的改进。我们将把这些新的方法或者新的改进在“具体实施方式”中逐一介绍。

附图说明

图1为新提出的振膜封边方法。

图2为提高磁铁利用率而做出的磁构件的结构。

图3为一个附在塑料膜上的金属平面矩形螺旋线圈。

图4为两个附在同一塑料膜上的金属平面矩形螺旋线圈。

图5为一个金属平面矩形螺旋线圈做出一主一负两个振膜的方法。

图6为附在塑料膜上的单层平绕金属线圈制作带状振膜的方法。

图7为单柱形和双柱形扬声器。

具体实施方式

1.新的振膜封边方法

琴弦振动式扬声器的带状振膜的宽度小于两磁铁相邻磁极面间距，如直接放于充满磁场的间隙中，两边缘与磁极面间会有较大的空气隙，从而在振动时，前面声波的一部分与后面的反相声波通过空气隙互相抵消，也就是造成所谓的声短路，因此必须尽可能割断振膜前方和后方的空气通道，我们称为封边。最早使用的方法是在振膜边缘与磁极面间注入磁性液体。但在使用过程中发现磁性液体会飞溅，会挥发，会干枯，且磁性液体对振膜的阻尼不易控制，存在阻尼过大的问题。经过反复试验，找到的改进方法是在振膜两边缘上各加一条可动磁性边做成封边条。一种方法是在振膜上加一层同样宽度的聚酯薄膜带，这层聚酯薄膜只沿中线与振膜连接在一起，然后在其间每边夹一条磁带，如图1中的(1.1)所示。第二种方法是沿着振膜边缘各粘一层对折的聚酯薄膜，粘时将对折边向里，开口边向外，然后从开口边往里夹入一条磁带，这条磁带可以用录音机磁带做成，如图1中的(1.2)所示。第三种方法是将磁带沿中线对折后，在振膜的每条边缘上，各套一条对折了的磁带，我们称它为磁性外套，如图1中的(1.3)所示。当这种边缘夹有磁带或套有磁带的振膜放入充满磁场的间隙中的时候，磁带受磁力吸引而向磁极方向伸出，直到磁带边缘与磁极面接触为止，于是自动把振膜边缘与磁极面间的缝隙封堵死。如找不到磁带，可用能吸纳或浸潤油脂的材料剪裁的带子放入代替。因磁性液体是油性的，待振膜放入两磁铁或磁构件之间后，在代替磁带用的带子上涂刷一些磁性液体以及在夹层内注入一些磁性液体即可。磁性液体刷过的地方，即使油质挥发掉，磁粉依然在其上。磁性封边条既可隔断振膜边缘与磁极面间的气隙，还可帮助振膜定位，在振动时提供部分指向磁极面中线的恢复力。需要注意的是：封边条过于厚重则阻尼过大，封边条过于轻薄则达不到隔断空气和帮助定位的效果。

带状振膜在做好磁性封边条以后，才能够进入下一道工序，即将振膜加热定型成微波起伏的曲面。

2.提高磁铁利用率的方法

对于多振膜的大型琴弦振动式扬声器，存在着磁铁用量大的问题，它使得扬声器重量过大，成本过高。为解决这个问题，我们用两条长方体木块(或塑料块)拼接在每条长方体磁铁的两端，木块和磁体的拼接端面尺寸相同，这就相当于把磁铁加长了，之所以可以这样做，是因为带状振膜对于中心地段受到的力最敏感，受到很小的力就产生很大的动作，而振膜两端固定点附近的地段则相反，受到很大的力也只产生很小的动作，所以靠近两端的地段有没有磁场是无关紧要的。用木块代替磁铁，就减少了磁铁的总用量，达到了减轻重量。降低成本的目的。此外，为了配合把封边方式由磁性液体改为磁性封边条，减小振膜边缘上的封边条与磁极所在面间的摩擦力，还应该将磁极所在的那个表面做得尽量光滑，可在其表面贴一层聚四氟乙烯薄膜。我们把这种结构称为磁构件。磁构件由7个元件组成，如图6所示：中间是一块条形的长方体磁铁，它的磁场方向为横向，如图2中的(2.1)所示。沿磁铁纵向，即长边方向，两端各粘一块长方形木头，或类似材质的长方块，如图2中的(2.2)所示，两块木头端面与磁铁端面尺寸大小相同，在磁铁与木头接合的端面涂胶使其紧密粘合。之后在其两侧面再粘上铝皮或其它非铁质薄板进行加固，如图6中的(2.3)所示。最后在两个磁极所在的平面上，敷贴一层磨擦系数很小的光滑薄膜，如涂有石墨的薄膜或聚四氟乙烯薄膜，如图2中的(2.4)所示。最后这道工序也可省去，代之以在磁构件四个侧面粘上双面胶，再用包水管螺纹用的生料带环绕磁构件裹上，这样就做成了两端为木头，中间为磁铁，四周有包裹层的长方形磁构件。

用上述磁构件来代替以往用磁铁的地方，可以提高对磁铁的利用率，减轻扬声器重量，降低成本，防止封边条与磁极面摩擦而产生噪声。

3.新的振膜制作方法

早期曾打算用铺有一些金属丝在其表面上的带状塑料薄膜、来试生产琴弦振动式扬声器，结果发现需要投入的设备太多，需要的资金太多，不同的产品需要不同宽度，不同阻抗，不同材质的带子，机器做得出这一种规格的带子，就难于做出那一种规格的带子，等等这些问题不好解决。而且，用带子制作振膜，其中传导段的长度比用作振膜的驱动段的长度长得多，致使扬声器的热损耗太大，电声转换效率太低。因此，无人敢去试制产品。

随着微电子技术的飞速发展，在我国涌现出了一批专门制作柔性印刷电路的厂家，它们的生产设备和工艺刚好可用于开发和制造我们的扬声器使用的振膜，即用附在塑料膜上的金属平面矩形螺旋线圈做的振膜。

平面矩形螺旋线圈是用金属箔(如铜箔或铝箔)和塑料膜的复合膜做基材，使用柔性印刷电路的制作方法，在塑料薄膜上印出的一个金属线圈，如图3所示。可以看出，其内电流是一圈一圈兜着圈子从里向外流，或者从外向里流的。使用前，必须把塑料薄膜画有斜线的矩形区域挖掉，形成一个窗口，图中竖直方向的直导线按窗口左边和右边分成两组，同组内所有导线的电流方向相同，两组的电流则彼此相反。可以选取任意一组作为振膜，这组振膜内的导线就作为驱动线，亦即产生动力的导线，而另外一组导线以及所有横向导线就作为传导线。矩形螺旋线圈被选做振膜的这一段的两边，可参照图1并按前面介绍的方法制作磁性封边条，然后将这一段加热定形成波形面，再剪好四块长方形纤维板或硬纸板，其横向尺寸等于磁极间距，纵向尺寸等于横向传导线区的宽度，将四板块涂胶后粘于振膜上下端部横向传导线区的前面和后面，再对其周边涂胶后置入，使振膜端部固定于两个磁构件以及上下两支撑物所围空间的顶部和底部居中的位置，粘时必须使封边条与磁构件表面保持接触。线圈余下的部分，即传导线部分，可依次粘于磁构件内壁和侧壁上，其中，竖直传导线的带长超过了磁构件长度，须先将它折叠一小段，使得经折叠后它的长度与磁构件同长再粘贴，最后将被折叠的这段，加绝缘纸后压平粘贴。

平面矩形螺旋线圈在设计时的要点是：(1)根据金属箔的厚度和电阻率，以及此线圈要求的阻抗计算出导线的总长度和宽度，以待作图。(2)用作振膜的那段带子的宽度必须小于两相邻磁极面间距。(3)平面矩形螺旋线圈的长边尺寸，应根据振膜做成波形面后的长度加上下横向传导线区的宽度等于磁构件的长度来计算。(4)怎样焊接平面矩形螺旋线圈向外连接的传导线，焊接点位置如何设定。(5)热稳定性。

用柔性印刷电路制作的平面矩形螺旋线圈来做振膜，是一种既经济，又简便的办法。这种方法还有如下优点：(1)它使每个振膜连同它两侧的长方体磁铁成为一个独立的发声单元，即便只有一个振膜在工作，也能发出声音来。从结构上来说也是这样，用一个平面矩形螺旋线圈，以及两条长方体磁铁，就可以做出一个最小配置的琴弦振动式扬声器，例如做成耳机或者受话器，任何一个用这种线圈制作所有振膜的琴弦振动式扬声器，都是由多个这种独立发声单元组合而成的，因此，制作每个单元用的材质、每个单元的制作方法、频率范围、谐振频率等，可以彼此相同，也可以彼此不同。(2)对于多振膜扬声器，用这种线圈做振膜时，通常是并联接往功放，或者分组并联，再将各组串联在一起，振膜相互并联比相互串联的同步性要好，还可使振膜之间产生寄生振荡以及滞后效应的可能性大为减小。(3)除了用一个线圈做一个振膜以外，还可以用两个线圈来做一个振膜，也可以把传导线做得较宽以减少热损耗，如图4所示。如用双面金属复合膜，两面都进行印刷，就可以用四个线圈来做一个振膜，这些方法将有效地降低热损耗、提高电声转换效率。(4)利用磁铁侧面的反向磁场，还可以把第二组竖直导线也做成振膜，如图5所示，可将第二振膜两端用方形纸片垫高粘固，并在这个振膜背面的磁构件侧壁上粘一层吸声材料。

做振膜的另一种简便方法，是使用塑料膜衬底的单层平绕金属线圈来做，这种线圈不仅可以用作圆柱型琴弦振动式扬声器的振膜，而且可以用作平板型琴弦振动式扬声器的振膜，在此专门介绍怎样用它作为平板型琴弦振动式扬声器的振膜。在做线圈以前，需要选好线材，选好线的粗细和长度，定好线圈的宽度，计算出线圈的直径，亦可将圆线碾成扁线后再用绕线机绕制和上胶，绕前在线圈底部先裹一层塑料膜，可以采用间绕方式，如绕前将导线涂上一层绝缘漆，就可以采用密绕方式。线圈做好以后，将指定用作振膜的一段做出封边条，并将这段加热定形成波形面，余下部分就作为传导线区，这部分可按图6所示折叠压平。振膜上下端的安装固定方法与平面矩形螺旋线圈相同，传导线区也只要涂胶粘于磁构件的表面上即可。

如要把扬声器用于低音频段，可选用弹性好的金属线绕制，例如用磷铜线绕制。一般琴弦振动式扬声器的谐振频率过低，往往会掉到几赫兹以下，如能提升至几十到一百赫兹，对发低音就很有利。使用两个线圈做一个振膜就可以帮助提高谐振频率，可将两个线圈用作振膜的那段按图1中的(1.1)重叠，并沿中线粘连在一起，在两个粘连振膜之间夹入磁性封边条，或者将两个线圈用作振膜的那两段全部粘合在一起，再按图1中的(1.2)制作磁性封边条。对于弹性好的金属性振膜，只有另想(机械滚齿或碾压之类的)办法做出如正弦曲线起伏的曲面，甚至可把这项工作提到工序的最前面。安装固定振膜时也必须适度拉伸绷紧，如同调琴弦的松紧度一样。

用附在塑料膜上的单层金属线圈做振膜的扬声器，它使每个振膜连同它两侧的长方体磁铁成为一个独立的发声单元，也就是说，用一个单层金属线圈制作振膜，再加上两条长方体磁铁，就可以做出一个最小配置的琴弦振动式扬声器，如耳机或者受话器。任何一个琴弦振动式扬声器，只要它的振膜全部是用单层线圈做成的，就都属于这样的一些独立发声单元的组合体，因此，制作每个单元用的材质、每个单元的发音性质、谐振频率等，可以彼此相同，也可以彼此不同。

4.环管形和柱形扬声器的改进

环管型扬声器如同环形日光灯管，柱形扬声器可以做成单柱形或双柱形，如图(7)所示。这类扬声器使用环形磁铁，两个磁极面为平面。至于这个环形是甚么形状的环形，要由扬声器制作方去选择。两个磁极面要请磁铁工厂用热熔方法上一层聚四氟乙烯薄膜。

环管形或柱形扬声器的振膜一般为塑料膜衬底的单层平绕线圈，改进后的环形振膜应该首先做出两层沿中线粘合的环状塑料薄膜，再在其上绕制线圈，然后在两层塑料膜间置入一条磁带或可吸纳磁性液体的带子，总之，边缘仍应按前面介绍的方法制作可滑动的磁性封边条，然后把振膜连同磁性封边条一起加热模压造出波形面，使得环形振膜像弹簧一样有伸缩性。

至于做环形振膜的线圈的线材，除了压扁的铜线，压扁的铜包铝线以外，还可以用压扁的铜包钢线绕制，铜包钢线的镀铜层要求厚一些，聚集磁力线的本领(即铁芯用料的磁导率)也要求高一些，这样，做出的线圈的电声转换效率就比用其它金属线高，这是用铜包钢线的一个优点。用塑料薄膜衬底铜包钢线绕制的线圈，自己有自成形和自定位能力。如果环形磁铁是梅花形的，振膜也可以很可靠地做出梅花形，这是用铜包钢线的另一个优点。

环形振膜的最后工序，就是在每个振膜表面的几个预先设定的固定位置，准确粘上黄铜片做的定位夹，定位夹的高度与支架上的支撑板高度、即两磁极面间距相同，定位夹个数与支撑板个数相同，安装工序是：一个磁环，一个支架，一个振膜，并将振膜上的定位夹卡在支撑板端部上，再放置下一个磁环，如此循环操作，即可完成安装。最后是线圈引出线的连接，可用串并联混合连接，并要保证任意时刻，所有线圈都向外发送同位相声波。

扬声器安装完毕后，在每个环形振膜边缘与磁铁表面间注入少量的磁性液体。此时环形振膜的两条可动磁性边，会被磁铁吸引而向外滑动，直至其边缘碰到磁铁表面为止。这样便自动地把振膜边缘与磁铁表面间的缝隙封掉，隔断了振膜内外空气流通的渠道。

环管形或柱形扬声器不需要音箱，它本身既是扬声器，又是音箱，这是它的一大优点。柱形扬声器的柱的顶部和底部要用厚铁板盖住，对于单柱形，要利用铁柄使上下铁盖板磁力线闭合，对于双柱形，要借助两个铁盖板使两个柱体磁力线闭合。扬声器内部除了每相邻两磁铁之间有一个支架外，还应该在它的内部空间填充一些人造棉或泡沫塑料，用来把反相声波吸收掉。

Claims (8)

1.改进的琴弦振动式扬声器有两种类型，第1种类型的每个发声单元主体包括两条平行排列的长方体磁铁或磁构件，以及置于其间的一个振膜，振膜为两端被固定的呈波形面的带状振膜，振膜由附在塑料膜上的金属平面矩形螺旋线圈做成，或者由附在塑料膜上的单层金属线圈做成，振膜的两边缘附有可动磁性边；第2种类型的每个发声单元主体包括两块平行排列的环形磁铁，以及置于其间的一个呈波形面的环形振膜，环形振膜的一些支点被固定于磁铁间的支撑板端部上，环形振膜由附在塑料膜上的单层金属线圈做成，振膜的两边缘附有可动磁性边。

2.如权利要求1所述的扬声器，其特征在于，磁铁或磁构件的磁极所在面有磨擦系数很小的覆盖层。

3.如权利要求1所述的扬声器，其特征在于，振膜或振膜两边缘可以被做成夹层结构，两条可自由进出的磁带或吸附了磁性液体的带子分别置于两边的夹层之中，振膜放入磁场以后，磁带或吸附了磁性液体的带子被磁极吸引而部分伸出，直到其边缘碰到磁极面为止。

4.如权利要求1所述的扬声器，其特征在于，振膜两边缘若为单层结构，则在其两边缘各有一条可自由平移的磁性外套，磁性外套用磁带或吸附了磁性液体的带子做成，振膜放入磁场以后，磁性外套被磁极吸引而移向磁极，直到其边缘碰到磁极面为止。

5.如权利要求1所述的扬声器，其特征在于，用附在塑料膜上的金属平面矩形螺旋线圈制作振膜的扬声器，只用一个这样的振膜，以及两条长方体磁铁，就可以做成一个最小配置的琴弦振动式扬声器。

6.如权利要求1所述的扬声器，其特征在于，用附在塑料膜上的金属平面矩形螺旋线圈制作振膜的扬声器，每个发声单元是独立的，任何一个用这种线圈制作的多个振膜的扬声器，都属于多个独立发声单元的组合体。

7.如权利要求1所述的扬声器，其特征在于，用附在塑料膜上的单层金属线圈制作振膜的扬声器，只用一个这样的振膜，以及两块磁铁，就可以做成一个最小配置的琴弦振动式扬声器。

8.如权利要求1所述的扬声器，其特征在于，用附在塑料膜上的单层金属线圈制作振膜的扬声器，每个发声单元是独立的，任何一个用这种线圈制作的多个振膜的扬声器，都属于多个独立发声单元的组合体。