CN108668214A - 一种扬声器振膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种扬声器振膜,包括Kevlar纤维编织布和PMI复合层,所述PMI复合层由一层以上不同密度的PMI层组成。本发明振膜选择的基材为:编织KEVLAR纤维和PMI发泡材料,之所以选择这两种材料,是由于两者有非常接近的物理特性:高刚性、高模量、低密度、极好的耐温性能(‑190℃~200℃)和极低的热胀系数,良好的耐腐蚀性,优异的抗疲劳性能;同时,两者均具有等方向机械性能即各向同性。自身内阻尼可调,通过改变后阻尼材料的密度,实现整体振膜的内阻尼可调,从而改变复合振膜的谐振特性,使其共振频率远离工作频率范围,因而在有效工作频率范围内,最大限度的减少分割振动,继而降低失真。
Description
技术领域
本发明涉及扬声器,尤其是一种扬声器振膜及其制备方法。
背景技术
振膜作为扬声器的核心部件,其材质和特性直接决定了扬声器的音质和性能。理想的振膜应具备以下特性:1、轻—质量轻,密度小;2、刚性大—高弹性模量;3、内阻尼适当—抑制共振。
在扬声器的诸多性能指标中,最重要的是瞬态特性,因为其直接反映了扬声的声学特性,即:解析度(清晰度)和还原度(保真度)。换言之,声音信号能否真实的重放,瞬态特性起了决定性作用。通常,瞬态特性的测试指标有脉冲响曲线及时间频率导积频谱图(又称瀑布图)。
瞬态相应,严格的讲分前沿瞬态和后沿瞬态。一个声音的起始与爆发是前沿,而声音的终止、消失是后沿。理想的瞬态特性是:声音的起始与终止都是瞬时完成,干净利落而无拖泥带水的声染色。
而现实扬声器的结构中,尤其是振膜材料的特性,很难同时兼顾前沿与后沿特性。理想状态的振膜材料应具备的特性中,质量轻、刚性大(硬)决定了前沿特性,而内阻尼决定了后沿特性。
现有已知的振膜材料中,轻而硬的高模量材料,如碳纤维、KEVLAR纤维、金属薄膜类,其前沿特性优良,而因内阻尼小而导致后沿特性恶化。而常用纸质振膜,内阻尼好而且轻,后沿瞬态特性表现良好,但因其刚性小而导致前沿特性较差。虽经多年的配方强化(如掺入碳纤维等高刚性材料),但因其基材(连续相特性)仍然为纸质,因此,特性改善幅度有限,难以突破,因而距理想的瞬态特性要求相差甚远。
由上述分析可知,单一材料及混合材料(连续相基材料加游离相强化材料)均无法同时兼顾轻、硬和适当内阻尼的三大特性,因而无法实现理想的前后沿瞬态特性这一扬声器最重要的技术指标。
因此,多种材料复合而成的复合材料振膜,成为业界研发的新方向,其重要手法为用两种或多种材料,由物理方法复合在一起,使其兼顾各自的特性而形成综合特性,在轻、硬、适当内阻尼三方面取得平衡。
常见的有金属+纸复合、纤维+蜂窝+纤维、纤维+轻质发泡层+纤维等复合振膜。但是这些复合振膜都存在着共同性的缺点:
1、因材料的热胀冷缩特性差异大,而导致的复合层分离脱落现象。
2、因材料的弹性模量差异大,而使其固有的共振频率差异大,因而随着振膜的振动频率增加,某种材料发生共振,而使复合振膜发生不同步分割振动,从而使其整体失效或产生谐振失真,而无法适应较高的工作频率或较大动态的实际应用。而专业扩声领域高功率、大动态则是应用常态,因而上述类型的复合振膜将难以适应(通常用于民用,Hi-Fi等近声场,小动态场所)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种扬声器振膜及其制备方法,可改变复合振膜的谐振特性,因而相对单一材质的振膜在其有效工作频率范围内,最大限的减少因共振引起的分割振动,从而大幅降低失真;能适用于较高的工作频率和大动态的专业扩声应用领域;大幅提升其使用寿命及长期的机械一致性。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种扬声器振膜,包括Kevlar纤维编织布和PMI复合层,所述PMI复合层由一层以上不同密度的PMI层组成。本发明振膜选择的基材为:编织KEVLAR纤维和PMI发泡材料,之所以选择这两种材料,是由于两者有非常接近的物理特性:高刚性、高模量、低密度、极好的耐温性能(-190℃~200℃)和极低的热胀系数,良好的耐腐蚀性,优异的抗疲劳性能;同时,两者均具有等方向机械性能即各向同性。自身内阻尼可调,通过改变后阻尼材料的密度,实现整体振膜的内阻尼可调,从而改变复合振膜的谐振特性,使其共振频率远离工作频率范围,因而在有效工作频率范围内,最大限度的减少分割振动,继而降低失真。
作为改进,所述PMI复合层包括低密度PMI层,低密度PMI层通过第一复合层与Kevlar纤维编织布复合。
作为改进,所述PMI复合层还包括高密度PMI层,低密度PMI层通过第二复合层与高密度PMI层复合。
作为改进,所述第一复合层由纳米级碳纤或玻纤粉末,掺入改性环氧树脂制成;所述第二复合层由纳米级碳纤或玻纤粉末,掺入改性环氧树脂制成。
作为改进,所述高密度PMI层和低密度PMI层均由PMI材料经加热发泡冷压成板材,再切割成不同的厚度形成。
作为改进,通过不同密度的PMI层组合调节振膜的阻尼。高密度PMI层的密度大于低密度PMI层的密度,且二者的密度范围为0.42g/cm3-1.27g/cm3。
本发明振膜制备方法:
(1)成型出不同密度的PMI层;
(2)利用复合层组份胶将PMI层逐层与Kevlar纤维编织布复合。
本发明制备方法的优化方案:
(1)成型出高密度PMI层和低密度PMI层;
(2)根据所需的固化强度及固化体积,将适量的纳米级碳纤或玻纤粉末,掺入改性环氧树脂,形成第一复合层组份胶;由滚刷式布胶机将第一复合层组份胶均匀涂于Kevlar纤维编织布背面;然后,将已布胶的Kevlar纤维编织贴于已成型的低密度PMI层的正面,由对应尺寸的加热模组加热并保温定型形成半成品复合振膜;
(3)将与第一复合层组份胶同材的第二复合层组份胶涂布于高密度PMI层的内表面;将步骤(2)中成型的半成品复合振膜放置于高密度PMI层的已布胶面,由对应尺寸的加热模组加热并保温定型;退模冷却,完成Kevlar纤维编织布、低密度PMI层和高密度PMI层的复合;
(4)裁剪后得到扬声器振膜成品。
步骤(1)中的高密度PMI层和低密度PMI层的成型方法:(1a)根据扬声器振膜的外径尺寸,将选定密度ρ及厚度δ的PMI板材,剪裁成所需尺寸的片料;(1b)选择对应曲率的内、外成型模组,将成型模组缓慢升温至200℃;将PMI片料放于内、外成型模组之间,缓慢加压直至内成型模下压至预设的垫片组位置,保温25~35分钟定型。
步骤(2)中,加热模组温升至180℃,保温5分钟定型;步骤(3)中,加热模组温升至180℃,保温10分钟定型。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是:
1、本专利创新性的提出了驱动比和质量复合比的概念,为决定振膜特性的三大要素质量、刚性、阻尼特性提供了可以量化的指标基准;
2、本专利可通过调节复合比,实现复合振膜质量与刚性的优化匹配,从而使前沿瞬态特性大幅提高,同时通过调节PMI层的密度,实现振膜内阻尼可调,使扬声器的后沿瞬态特性得以优化;同时,内阻尼可调特性,可改变复合振膜的谐振特性,因而相对单一材质的振膜在其有效工作频率范围内,最大限的减少因共振引起的分割振动,从而大幅降低失真;
3、本复合振膜选用物理特性(弹性模量、热胀系数、抗机械疲劳特性等)相近的材料进行复合,避免了因材料特性差异引起的热胀分离,共振分割剥离,从而更适于较高的工作频率和大动态的专业扩声应用领域;
4、本复合振膜采用高温热压成型工艺,使材料复合层形成嵌入式结构,即增加了复合强度,又形成了良好的等方向机械特性,即各向同性,这将有利于减少振膜在振动中,因机械形变引起的各种疲劳失效,从而大幅提升其使用寿命及长期的机械一致性;
5、本复合振膜具有抗腐蚀性及优异的耐温性(-100℃~200℃)、良好的阻燃性,这些都使其应用范围大幅扩展,尤其是特殊环境条件下,应用优势明显。
附图说明
图1为扬声器工作频率图。
图2为振膜层结构图。
具体实施方式
下面结合说明书附图本发明作进一步说明。
如图2所示,一种扬声器振膜,从表层到底层依次包括Kevlar纤维编织布1、第一复合层2、低密度PMI层3、第二复合层4和高密度PMI层5,第一复合层2用于Kevlar纤维编织布1与低密度PMI层3复合,第二复合层4用于低密度PMI层3与高密度PMI层5复合。其中Kevlar纤维编织布1作为表层,低密度PMI层3作为阻尼层,高密度PMI层5作为强化层。
本发明振膜选择的基材为:编织KEVLAR纤维和PMI发泡材料,之所以选择这两种材料,是由于两者有非常接近的物理特性:高刚性、高模量、低密度、极好的耐温性能(-190℃~200℃)和极低的热胀系数,良好的耐腐蚀性,优异的抗疲劳性能;同时,两者均具有等方向机械性能即各向同性。自身内阻尼可调,通过改变后阻尼材料的密度,实现整体振膜的内阻尼可调,从而改变复合振膜的谐振特性,使其共振频率远离工作频率范围,因而在有效工作频率范围内,最大限度的减少分割振动,继而降低失真。下表为编织KEVLAR纤维和PMI发泡材料的特性:
。
PMI层是由PMI经加热发泡冷压成板材,再切割成不同的厚度(其泡沫为均匀的闭孔型泡沫),且调整发泡工艺,可制成不同密度的板材,即:可实现自身密度可调(0.42g/cm3-1.27g/cm3)。此特性对复合振膜非常重要,因其自身密度可调,则可实现振膜复合后其内阻尼可调。此材料同其它发泡材料相比(如聚丙烯),在相同密度条件下,刚性和强度均最大。更重要的是:PMI发泡率最大可达3倍,则其密度可减少为原来的1/3,比弹性率比未发泡前提高1.4倍,弯曲刚性可提高12倍,内阻尼加大12%~20%。由此可见,由于发泡率的改变,可使振膜各项性能有一个大范围的“可调性”空间。这些均为扬声器的优化设计奠定了良好基础。
由前述扬声器工作原理可知,电动式扬声器,其驱动力为F=IBL,而其机械振动系统相当于一个振动质量m悬挂在一个具有一定的驱动力F的弹簧上。由机械原理可知,该系统存有一个谐振频率,即为扬声器的谐振频率f0。
对于电动式扬声器而言,谐振频率f0是一个重要的参数指标,它决定了扬声器的振动特性。而振膜质量md是决定f0的决定参数之一。
由上述分析可知,驱动力F和振动质量m0是决定扬声器振动特性的两大主要因素,我们创新性的提出驱动比的概念,即a=F/m0(相当于加速度概念),它在驱动特性范畴,决定了扬声器的瞬态特性。高驱动比,意味着更好的瞬态响应。
而由m0=mv+md+mc可知,对于某一特定口径的扬声器,其mc趋于恒定。假设扬声器f0不变,m0不变,减少扬声器振膜的质量md,则可以增加音圈的质量mv,这将使音圈的卷度L加大。
由F=IBL可知,L与F成正比,且L加大,可使音圈可以承受更大的电流I,这些因素都有利于扬声器获得更大的驱动力F,且可使承受功率加大,降低失真。因此,减少md,采用轻质材料振膜,有利于增大驱动力F,减少振动质量m0,最终使驱动比a加大,使扬声器的瞬态响应得以优化。
实际测试中,与同尺寸的纸盆相比,在刚性和阻尼大幅提高的同时,复合振膜的md为纸盆的2/3。
同时,针对振膜另外两个特性参量刚性和阻尼,我们再次创新性的提出了《质量复合比KP》的概念。即KP=MdK/Mdp,由本专利振膜复合剖而结构图可知:
mdk-----Kevlar层质量;
mdp-----PMI层(单层或多层)的总质量;
其中ρ为材料密度,S为材料面积,δ为材料厚度,可以通过改变材料的密度或厚度,改变KP值。换言之,同等KP值条件,可通过ρ与δ的匹配使KP保持恒定。即:在保持Md不变的条件下,使振膜的刚性与阻尼特性实现可调节。
假设选定某一型号的Kevlar编织布料,则其ρ、δ为一常量。我们可以根据振膜工作频率范围的特性(低音区跟更注重刚性,而中音区更注重阻尼),调节ρ和δ的匹配特性,使KP值保持不变。
由上述分析可知,KP值的概念,将决定振膜电声的三大要素:质量(Md)、刚性(ρ)、阻尼特性(δ)有机的结合在一起,在KP值不变的条件,可实现三者的优化匹配,而KP值的相对恒定,决定了在不同频率范围工作的振膜,其基准电声特性的一致性,这将为扬声器系统的分频交叠区音色一致性优化,相位特性优化等奠定良好的基础。
本发明具体设计方法:
1、根据系统设计,如图1所示,确定扬声器的有效工作频率范围fa~fb,及其谐振频率f0。
2、根据谐振频率计算公式:
计算出振动质量m0的值。因m0=mv+md+2mad,其中mv为音圈有效质量,mad为空气附加质量(对应不同口径的扬声器,其mad为一常量,可查表获得)。
3、根据扬声器电特性,参考驱动比经验参数,由
及F=IBL
可推导出mv的参考值,最后经过实测优选,可确定mv的值,由m0=mv+md+2mad,可计算出振膜的有效质量md。
4、根据复合比公式:
材料说明:
1)在选定某一型号的Kevlar纤维编织布和振动尺寸后,在mk值得为一常量;
2)为减化筛选工作量,PMI的选材,采用密度2:1选材法,即:ρp2=ρp1。5、采用分组优选法,确定ρp1δp1及ρp2δp2最佳值:
1)选择不同密度及厚度的PEI材料,分组制成复合振动膜,对应一一编号;
2)组装成扬声器,用标准板障测试法,测出f0值,根据f0下一个倍频程(oct)法,即:f0≤f0/2,淘汰不合格组分;
3)采用扫频仪,在f0/2~2f0范围,额定功率条件下,逐点扫描,淘汰有共振响应的组分;
4)采用光谱干涉仪,将剩余组分逐一测试,根据干涉测量结果,选出最有方案,即可最终确定ρp1δp1及ρp2δp2最佳值。
本发明振膜的复合工艺:
1、根据扬声器振膜的外径尺寸,将选定密度ρ及厚度δ的PMI板材,剪裁成所需尺寸的片料;
2、选择对应曲率的内、外成型模组,缓升温至200℃,(PMI的热塑变形温度为180℃~200℃),将PMI片料放于内,外成型模组之间,缓慢加压(由高精度液压装置控制),直至内模组下压至预设的垫片组(垫片组的高度值,由δp1、δp2的计算值确定)位置,保温30分钟,定型;低密度PMI层及高密度PMI层选用此工艺成型;
3、根据所需的固化强度及固化体积,将适量的纳米级碳纤或玻纤粉末,掺入改性环氧树脂,形成复合组份胶,由滚刷式布胶机将复合组份胶均匀涂于已由激光切割定尺寸裁剪的Kevlar纤维编织布背面;然后,将已布胶的Kevlar纤维编织布贴于已成型的低密度PMI层的正面,由对应尺寸的加热模组,温升至180℃,保温5分钟定型,即完成Kevlar纤维编织布+第一复合层+低密度PMI层的复合过程,成为半成品复合振膜;
4、由离心布胶机均匀的将与第一复合层同材复合组份胶布于高密度PMI层内表面,选择对应的加热模组,调节垫片组至预设高度,将步骤3已成型的半成品复合振膜放置于高密度PMI层已布胶面,温升只180℃,加压保温10分钟定型,退模冷却,即完成半成品复合振膜+第二复合层+高密度PMI层的复合过程,成为由Kevlar纤维编织布、第一复合层、低密度PMI层、第二复合层和高密度PMI层五组份复合而成的复合振膜;
5、由激光切割机切边,切中孔,形成成品。
Claims (10)
1.一种扬声器振膜,其特征在于:包括Kevlar纤维编织布和PMI复合层,所述PMI复合层由一层以上不同密度的PMI层组成。
2.根据权利要求1所述的一种扬声器振膜,其特征在于:所述PMI复合层包括低密度PMI层,低密度PMI层通过第一复合层与Kevlar纤维编织布复合。
3.根据权利要求2所述的一种扬声器振膜,其特征在于:所述PMI复合层还包括高密度PMI层,低密度PMI层通过第二复合层与高密度PMI层复合。
4.根据权利要求3所述的一种扬声器振膜,其特征在于:所述第一复合层由纳米级碳纤或玻纤粉末,掺入改性环氧树脂制成;所述第二复合层由纳米级碳纤或玻纤粉末,掺入改性环氧树脂制成。
5.根据权利要求3所述的一种扬声器振膜,其特征在于:所述高密度PMI层和低密度PMI层均由PMI材料经加热发泡冷压成板材,再切割成不同的厚度形成。
6.根据权利要求3所述的一种扬声器振膜,其特征在于:通过不同密度的PMI层组合调节振膜的阻尼。
7.一种如权利要求1所述扬声器振膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)成型出不同密度的PMI层;
(2)利用复合层组份胶将PMI层逐层与Kevlar纤维编织布复合。
8.根据权利要求7所述的一种扬声器振膜制备方法,其特征在于:
(1)成型出高密度PMI层和低密度PMI层;
(2)根据所需的固化强度及固化体积,将适量的纳米级碳纤或玻纤粉末,掺入改性环氧树脂,形成第一复合层组份胶;由滚刷式布胶机将第一复合层组份胶均匀涂于Kevlar纤维编织布背面;然后,将已布胶的Kevlar纤维编织贴于已成型的低密度PMI层的正面,由对应尺寸的加热模组加热并保温定型形成半成品复合振膜;
(3)将与第一复合层组份胶同材的第二复合层组份胶涂布于高密度PMI层的内表面;将步骤(2)中成型的半成品复合振膜放置于高密度PMI层的已布胶面,由对应尺寸的加热模组加热并保温定型;退模冷却,完成Kevlar纤维编织布、低密度PMI层和高密度PMI层的复合;
(4)裁剪后得到扬声器振膜成品。
9.根据权利要求8所述的扬声器振膜的制备方法,其特征在于:步骤(1)中的高密度PMI层和低密度PMI层的成型方法:
(1a)根据扬声器振膜的外径尺寸,将选定密度ρ及厚度δ的PMI板材,剪裁成所需尺寸的片料;
(1b)选择对应曲率的内、外成型模组,将成型模组缓慢升温至200℃;将PMI片料放于内、外成型模组之间,缓慢加压直至内成型模下压至预设的垫片组位置,保温25~35分钟定型。
10.根据权利要求8所述的扬声器振膜的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,加热模组温升至180℃,保温5分钟定型;步骤(3)中,加热模组温升至180℃,保温10分钟定型。
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