CN109788411B - 一种电声换能器和动圈平板复合扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电声换能器，包括动圈式换能模组和平板式换能模组。动圈式换能模组包括磁铁、音圈和振动元件，音圈安放在磁铁的磁极之间并与振动元件连接。平板式换能模组包括框架、振膜和平板磁铁阵列。振膜周缘固定在框架上并设置有线圈，在振膜单侧或两侧对应线圈区域配置平板磁铁阵列。本发明能够提高平板式扬声器的低频响应效果，增大扬声器声场的纵深距离，从而有效改善扬声器的声场，提高空间层次感。
Description
技术领域
本发明涉及扬声器技术应用领域，尤其涉及一种电声换能器和动圈平板复合扬声器。
背景技术
目前HiFi电声扬声器以驱动方式分类可大致分为平板式扬声器、动圈式扬声器和静电式扬声器。
最常见的扬声器是动圈式扬声器，包括由音圈和振膜组成的振动系统，由永磁体、铁芯柱和导磁夹板组成的磁回路系统，和辅助支撑系统。当对音圈输入交变的音频电流时，在永磁体的恒磁场作用下，根据法拉第定律和左手定则，音圈会受到交变驱动力作用，进而带动振膜进行往复运动。振膜的振动带动其周围的声因传播介质振动（通常为空气），从而完成音频电信号与声信号的转化。音圈和振膜周围的辅助支撑结构保证二者的同轴轴向振动。动圈式扬声器效率比较高，可靠耐用，大多用作音响输出驱动。动圈单元的声音特点就是低频，中频和高频三者衔接流畅，声场自然宽松，听感舒适，尤其低频响应效果突出。
平板式扬声器在低频方面相比静电式扬声器拥有更好的表现，而在高频方面也强于动式圈扬声器。其核心换能器的结构通常为在中空框架上固定有柔性振膜，在振膜的一侧设置（单端式）或两侧分别设置（推挽式）磁轭，磁轭上固定有多个条状或圆形的永磁体（多采用牌号N50及以上的钕铁硼磁铁），在振膜上与永磁体磁极面对应的位置设有线圈。线圈内部流动的音频电流与由永磁体的磁场相垂直，使得输入线圈的音频电流，按照法拉第定律受到磁场产生的作用力，该作用力使振膜在垂直方向上产生振动，使得音频电流信号转变为声音信号。虽然平板式扬声器在低频响应方面相对于静电式扬声器有所提高，但与动圈式扬声器相比还存在一定不足。
HiFi系统的目的是还原人耳听到的声音，还原过程中耳机的两项重要指标包括结像面积和纵深度。耳机是通过曲线调音来完成声音相位还原，因而耳机声场是一个虚拟场，导致所有耳机系统的结像感都存在或多或少的失真，失真表现在声场大小、形状；结像面大小、形状、定位、纵深距离上。现有平板式扬声器在HiFi系统中应用时，不可避免因低频响应方面的不足而存在一定的系统性失真。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术结构上的缺点，提出一种电声换能器和动圈平板复合扬声器，解决现有平板式扬声器存在的系统性失真问题。
本发明的一个实施例提供一种电声换能器，包括动圈式换能模组和平板式换能模组；动圈式换能模组包括磁铁、音圈和振动元件，音圈安放在磁铁的磁极之间并与振动元件连接；以及平板式换能模组包括框架、振膜和平板磁铁阵列，振膜周缘固定在框架上且上面设置有线圈，在振膜单侧或两侧对应线圈区域配置平板磁铁阵列。
在一优选实施例中，平板磁铁阵列由多个永磁体沿任一方向等间距排列组成；永磁体的底部为平面，永磁体的磁场方向垂直于底部；以及组成平板磁铁阵列的多个永磁体底部共面，且底部朝向并平行于振膜。
在一优选实施例中，底部为正多边形、圆形、椭圆形或长方形。
在一优选实施例中，永磁体沿垂直于线圈方向的断面形状为长方形、等腰三角形、等腰梯形、半圆形或半椭圆形。
在一优选实施例中，平板磁铁阵列由多个环形永磁体沿径向等间距套设组成；永磁体的底部为平面，永磁体的磁场方向垂直于底部；以及组成平板磁铁阵列的多个永磁体底部共面，且底部朝向并平行于振膜。
在一优选实施例中，多个永磁体底部径向尺寸相等或者沿径向向内减小。
在一优选实施例中，动圈式换能模组和平板式换能模组的声音输出面之间的夹角小于180º。
在一优选实施例中，动圈式换能模组和平板式换能模组的声音输出面之间夹角的角度范围为100°-150º。
在一优选实施例中，动圈式换能模组和平板式换能模组的声音输出面之间夹角的角度范围为105°-120º。
在一优选实施例中，动圈式换能模组的磁铁采用内磁式磁路结构或外磁式磁路结构。
在一优选实施例中，动圈式换能模组的振动元件采用直线型椎体形状或曲线型椎体形状。
本发明的另一实施例提供一种动圈平板复合扬声器，包括如上的任意一种电声换能器。
在一优选实施例中，扬声器的音频输出面法线与动圈式换能模组的声音输出面法线或平板式换能模组的声音输出面法线相重合。
在一优选实施例中，扬声器的音频输出面法线分别与动圈式换能模组的声音输出面法线和平板式换能模组的声音输出面法线形成的夹角不等。
在一优选实施例中，扬声器的音频输出面法线分别与动圈式换能模组的声音输出面法线和平板式换能模组的声音输出面法线形成的夹角相等。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：通过由动圈式换能模组和平板式换能模组组成的动圈平板复合扬声器，提高平板式扬声器的低频响应效果，增大扬声器声场的纵深距离，从而有效改善扬声器的声场，提高空间层次感。
附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明实施例1的电声换能器的结构示意图。
图2为本发明实施例1的电声换能器中动圈式换能模组的结构示意图。
图3为本发明实施例1的动圈式换能模组的内磁式磁路结构示意图。
图4为本发明实施例1的动圈式换能模组的外磁式磁路结构示意图。
图5为本发明实施例1的电声换能器中平板式换能模组的结构示意图。
图6为本发明实施例1的平板式换能模组的第一种平板磁铁阵列结构示意图。
图7为本发明实施例1的平板式换能模组的第一种平板磁铁阵列的永磁体底部形状示意图。
图8为图6中A-A方向的平板磁铁阵列的永磁体断面形状示意图。
图9为本发明实施例1的平板式换能模组的第二种平板磁铁阵列结构示意图。
图10为本发明实施例1的平板式换能模组的第二种平板磁铁阵列的永磁体底部形状示意图。
图11为本发明实施例2的一种动圈平板复合扬声器的结构示意图。
图12为本发明实施例2的一种变形动圈平板复合扬声器的结构示意图。
图13为本发明实施例2的另一种变形动圈平板复合扬声器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例1：
参见图1，图1所示为一种电声换能器。该电声换能器包括动圈式换能模组100和平板式换能模组200。参见图2，图2所示为电声换能器的动圈式换能模组100。动圈式换能器100包括磁铁101、音圈102和振动元件103。音圈102安放在磁铁101的磁极之间并与振动元件103连接。音圈102由具有褶纹的定芯支片保持在磁路空隙的磁场正中，并输入有音频电流。参见图3，图3所示为动圈式换能模组的磁铁采用的内磁式磁路结构。内磁式磁路结构包括碗状软磁结构，中心设置圆柱形磁铁，在磁铁上设置磁芯，边沿设置环形软磁材质制成的磁极，在磁芯和磁极之间形成有磁场空隙。内磁式磁路的磁铁一般用铝镍钻合金磁体，也可采用铁氧体磁体。由于采用磁芯位于碗状软磁结构的中心，软磁结构同时可以用做磁屏障，使得内磁式磁路对外界不会产生杂散磁场影响。参见图4，图4所示为动圈式换能模组的磁铁采用的外磁式磁路结构。外磁式磁路结构包括圆片形软磁结构，环柱状磁铁的一端位于其周缘，软磁材质的磁芯位于其中心。作为磁极的软磁环片位于磁铁的另一端。在磁芯和磁极之间形成磁场空隙。外磁式磁路大多采用铁氧体磁体。磁铁采用铝镍钻合金磁体时，体积小而重量轻，但价格高；采用铁氧体磁体时，重量和体积较大，但价格低廉。动圈式换能模组100的振动元件103可以采用直线型椎体形状或者曲线型椎体形状。
参照图5，图5所示为电声换能器中的平板式换能模组200。平板式换能模组200包括振膜201、框架202和平板磁铁阵列203。振膜201周缘固定在框架202上，振膜201上设置有线圈并输入有音频电流(图中未示出)。在振膜201单侧对应线圈区域配置平板磁铁阵列203（单端式），或者两侧对应线圈区域配置平板磁铁阵列203（推挽式）。
参见图6，图6所示为平板式换能模组的一种平板磁铁阵列结构。本实施例的平板磁铁阵列由多个永磁体沿任一方向等间距排列组成，以保证振膜上的磁场强度，提高能量转换效率。其中永磁体在不同方向的间距可以相等也可以不等，例如第一方向的间距W1不同于第二方向的间距W2。永磁体沿垂直于振膜线圈方向具有旋转对称性，包括底部、顶部和腰部，其中底部为平面。阵列中永磁体的底部共面并朝向且平行于振膜。
参见图7，图7所示为该平板磁铁结构的永磁体底部形状。永磁体的底部采用正多边形、圆形、椭圆形或长方形。此外，底部还作为永磁体的一个磁极，使永磁体的磁场方向垂直于底部，进而垂直于振膜上的线圈。永磁体可以采用钕铁硼磁铁。平板磁铁阵列可以采用对称式磁场结构，也可以采用非对称式磁场结构。
参照图8，图8所示为图6中A-A方向的平板磁铁阵列的永磁体断面形状。永磁体的断面形状为长方形、等腰三角形、等腰梯形、半圆形或半椭圆形。为降低声音在永磁体之间多次反射导致的能量损失，永磁体的断面形状还可以采用腰部303从底部301到顶部302收缩的断面形状，包括渐进收缩的半圆形和半椭圆形，阶跃收缩的等腰三角形和等腰梯形，从而减小声波的能量损耗，降低声波相互干扰。优选的，永磁体300的腰部303从距离顶部302的1/5 H（H为永磁体沿垂直于振膜线圈方向的最大尺寸）处开始向顶部302收缩。更优选地，腰部303从距离顶部302的1/2 H处开始向顶部302缩减，从而减小永磁铁300边缘与中心的磁场强度偏差，在磁场强度、声音效果和加工成本方面获得较好的综合效果。
参见图9，图9所示为平板换能模组的另一种平板磁铁阵列结构。该平板磁铁阵列203由多个环形结构的永磁体400沿径向等间距套设组成，以保证振膜上的磁场强度，提高能量转换效率。永磁体400沿垂直于振膜线圈方向具有旋转对称性，包括底部、顶部和腰部，底部为平面。阵列中永磁体400的底部共面，朝向且平行于振膜。不同永磁体400的底部的径向尺寸可以相等。如图10所述，多个永磁体400的底部的径向尺寸也可以沿径向向中心减小。此外，底部还作为永磁体400的一个磁极，使永磁体400的磁场方向垂直于底部，进而垂直于振膜上的线圈。永磁体400可以采用钕铁硼磁铁。平板磁铁阵列可以采用对称式磁场结构，也可以采用非对称式磁场结构。
后端耳机在前端系统保持合适推力，不丢信息的情况下，三频能量分布直接关系到系统的结像能力。动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面之间的夹角小于180º，可以增大人耳敏感度最高的中高音频响度的同时，减小极高频和极低频两个频段的延迟感，从而提高人耳的距离判断准确度，从而在增大声场结像面积的同时，增大纵深距离。优选的，动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面夹角的角度范围为100°-150º。进一步优选的，动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面夹角的角度范围为105°-120º。最优选的，动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面夹角的角度范围为110°-115º。
实施例2
本实施例提供一种动圈平板复合扬声器，该动圈平板复合扬声器包括实施例1中的任意一种电声换能器。该电声换能器包括动圈式换能模组100和平板式换能模组200。该动圈式换能器100包括磁铁101、音圈102和振动元件103。音圈102安放在磁铁101的磁极之间并振动元件103连接。音圈102由具有褶纹的定芯支片保持在磁路空气隙的磁场正中，并输入有音频电流。动圈式换能模组100的磁铁101采用内磁式磁路结构或者外磁式磁路结构。磁铁101采用铝镍钻合金磁体或者铁氧体磁体。动圈式换能模组100的振动元件103采用直线型椎体形状或者曲线型椎体形状。
平板式换能模组200包括振膜201、框架202和平板磁铁阵列203。振膜201周缘固定在框架202上，振膜201上设置有线圈并输入有音频电流(图中未示出)，在振膜201单侧或双侧对应线圈区域配置平板磁铁阵列。平板磁铁阵列203由多个永磁体沿任一方向等间距排列组成，其中永磁体在不同方向的间距可以相等也可以不等。永磁体沿垂直于振膜线圈方向具有旋转对称性，包括底部、顶部和腰部，底部为平面。阵列中永磁体的底部共面，朝向且平行于振膜。底部还作为永磁体的一个磁极，使永磁体的磁场方向垂直于底部，进而垂直于振膜上的线圈。平板磁铁阵列203由多个永磁体也可以由多个环形结构的永磁体沿径向等间距套设组成。不同永磁体的底部的径向尺寸可以相等，也可以沿径向向中心减小。平板磁铁阵列203可以同时采用对称式磁场结构，也可以采用非对称式磁场结构。
为降低声音在永磁体之间多次反射导致的能量损失，永磁体的断面形状还可以采用腰部从底部到顶部收缩的断面形状，包括渐进收缩的半圆形和半椭圆形，阶跃收缩的等腰三角形和等腰梯形，从而减小声波的能量损耗，降低声波相互干扰。优选的，永磁体的腰部从距离顶部的1/5 H（H为永磁体沿垂直于振膜线圈方向的最大尺寸）处开始向顶部收缩。更优选地，腰部从距离顶部的1/2 H处开始向顶部缩减，从而减小永磁铁边缘与中心的磁场强度偏差，在磁场强度、声音效果和加工成本方面获得较好的综合效果。
动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面之间的夹角小于180º，可以增大人耳敏感度最高的中高音频响度的同时，减小极高频和极低频两个频段的延迟感，从而提高人耳的距离判断准确度，从而在增大声场结像面积的同时，增大纵深距离。优选的，动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面之间夹角的角度范围为100°-150º。进一步优选的，动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面之间夹角的角度范围为105°-120º。最优选的，动圈式换能模组100和平板式换能模组200的声音输出面之间夹角的角度范围为110°-115º。
如图11所示，扬声器的音频输出面法线与电声换能器的动圈换能模组100的声音输出面法线或平板换能模组200的声音输出面法线相重合。优选的，复合扬声器的音频输出面法线分别与电声换能器的动圈换能模组100的声音输出面法线和平板换能模组200的声音输出面法线形成的夹角为角α1和角α2。如图12所示，角α1和角α2不等。或者如图13所示，角α1和角α2相等。
以上通过实施例对于本发明的发明意图和实施方式进行详细说明，但是本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。
需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种电声换能器，包括动圈式换能模组和平板式换能模组；
所述动圈式换能模组包括磁铁、音圈和振动元件，所述音圈安放在所述磁铁的磁极之间并与所述振动元件连接；以及
所述平板式换能模组包括框架、振膜和平板磁铁阵列，所述振膜周缘固定在所述框架上且上面设置有线圈，在所述振膜单侧或两侧对应所述线圈区域配置所述平板磁铁阵列；平板磁铁阵列里的永磁体的腰部从距离顶部的1/2H处开始向顶部收缩，其中H为永磁体沿垂直于振膜线圈方向的最大尺寸，从而减小永磁铁边缘与中心的磁场强度偏差，在磁场强度、声音效果和加工成本方面获得较好的综合效果；所述动圈式换能模组和平板式换能模组的声音输出面之间夹角的角度范围为100°-150°。
2.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于：所述平板磁铁阵列由多个永磁体沿任一方向等间距排列组成；
所述永磁体的底部为平面，所述永磁体的磁场方向垂直于底部；以及
组成所述平板磁铁阵列的多个永磁体底部共面，且底部朝向并平行于所述振膜。
3.根据权利要求2所述的电声换能器，其特征在于：所述底部为正多边形、圆形、椭圆形或长方形。
4.根据权利要求3所述的电声换能器，其特征在于：所述永磁体沿垂直于所述线圈方向的断面形状为长方形、等腰三角形、等腰梯形、半圆形或半椭圆形。
5.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于：所述平板磁铁阵列由多个环形永磁体沿径向等间距套设组成；
所述永磁体的底部为平面，所述永磁体的磁场方向垂直于底部；以及
组成所述平板磁铁阵列的多个永磁体底部共面，且底部朝向并平行所述振膜。
6.根据权利要求5所述的电声换能器，其特征在于：所述多个永磁体底部径向尺寸相等或者沿径向向内减小。
7.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于：所述动圈式换能模组和平板式换能模组的声音输出面之间夹角的角度范围为105°-120°。
8.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于：所述动圈式换能模组的磁铁采用内磁式磁路结构或外磁式磁路结构。
9.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于：所述动圈式换能模组的振动元件采用直线型椎体形状或曲线型椎体形状。
10.一种动圈平板复合扬声器，其特征在于：包括如权利要求1-9任意一项所述的电声换能器。
11.根据权利要求10所述的动圈平板复合扬声器，其特征在于：所述扬声器的音频输出面法线与所述动圈式换能模组的声音输出面法线或所述平板式换能模组的声音输出面法线相重合。
12.根据权利要求10所述的动圈平板复合扬声器，其特征在于：所述扬声器的音频输出面法线分别与所述动圈式换能模组的声音输出面法线和所述平板式换能模组的声音输出面法线形成的夹角不等。
13.根据权利要求10所述的动圈平板复合扬声器，其特征在于：所述扬声器的音频输出面法线分别与所述动圈式换能模组的声音输出面法线和所述平板式换能模组的声音输出面法线形成的夹角相等。
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