CN108668214A

CN108668214A - 一种扬声器振膜及其制备方法

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Publication number: CN108668214A
Application number: CN201810501587.2A
Authority: CN
Inventors: 张祥奎
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Current assignee: Individual
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2038-05-23
Also published as: CN108668214B

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

一种扬声器振膜及其制备方法

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m_d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＝m_v+m_d+m_c可知，对于某一特定口径的扬声器，其m_c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m_d，则可以增加音圈的质量m_v,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m_d，采用轻质材料振膜，有利于增大驱动力F，减少振动质量m_0，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m_d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：

m_dk-----Kevlar层质量；

m_dp-----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M_d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(M_d)、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f_a～f_b，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＝m_v+m_d+2m_ad，其中m_v为音圈有效质量，m_ad为空气附加质量(对应不同口径的扬声器，其m_ad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m_v的参考值，最后经过实测优选，可确定m_v的值，由m₀＝m_v+m_d+2m_ad，可计算出振膜的有效质量m_d。

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m_k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：ρ_p2＝ρ_p1。5、采用分组优选法，确定ρ_p1δ_p1及ρ_p2δ_p2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ρ_p1δ_p1及ρ_p2δ_p2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δ_p1、δ_p2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

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；

(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。