CN110582040B - 带中心通风口的反结构马达换能器 - Google Patents

Abstract

一种电动换能器，包括后框架，所述后框架限定开放式框架内部并具有环形基部。中心通风口沿着中心轴线延伸穿过所述换能器，其中所述中心通风口的第一部段从所述基部向上延伸。可移动膜片定位在所述开放式框架内部内并可操作地连接到所述后框架。磁体组件相对于所述中心通风口的第二部段同心地设置并在所述膜片前方联接到所述中心通风口的第三部段，其中磁气隙限定在所述磁体组件和所述中心通风口之间。音圈设置在所述磁气隙内并可操作地连接到所述膜片。所述中心通风口允许进出所述换能器的双向空气流。当所述换能器安装在外壳中时，所述中心通风口可以用作亥姆霍兹端口。

Description

带中心通风口的反结构马达换能器

技术领域

各实施方案涉及一种具有中心通风口的反结构马达换能器(inverted motortransducer)，诸如低频低音扬声器。

背景技术

电动换能器可以用作扬声器或扬声器系统中的部件，以将电信号转换成声学信号。在典型的扬声器系统中，换能器包括磁马达组件和音圈，所述磁马达组件包括安装在顶板和背板之间的一个或多个永磁体，并且所述音圈附接到线圈架并可相对于马达组件轴向移动。线圈架和附接的音圈插入到马达组件的气隙中，使得音圈暴露于由马达组件建立的磁场。线圈架附接到由柔性材料构成的膜片上，该柔性材料响应于振动输入，使得膜片机械地参考音圈。

在扬声器的操作期间，电能被供应到音圈，从而致使音圈和所附接的膜片在气隙内轴向移动。电信号作为交流电传输通过音圈，并且交流电与气隙中的恒定磁场相互作用。该相互作用产生拉普拉斯力(Laplace force)，该拉普拉斯力表示为磁通密度、与磁通量相关的音圈匝的总长度和流过音圈的电流值的乘积。由于拉普拉斯力作用在定位于磁场中的音圈上，交流电致动音圈在气隙中来回往复运动，并相应地移动线圈架附接到的膜片。因此，往复式音圈致动膜片同样往复运动，并因此产生作为声波传播的声信号。

由于音圈的材料具有电阻，因此流过音圈的一些电能被转换成热能而不是声能。由音圈产生的热量可以累积并辐射到换能器的周围表面。由于若干原因，电阻热的产生是不利的。首先，将电能转换成热能构成了换能器在执行其预期目的，即，将电能转换成用于产生声信号的机械能时的效率损失。其次，过多的热量可能损坏扬声器的部件或电互连件和/或使通常用于将各种部件附接在一起的粘合剂降级，并且甚至可能导致扬声器停止工作。音圈温度的增加伴随着音圈直流电阻(DCR)的增加。由于所有现代放大器都是电压源，因此DCR的增加导致声压级(SPL)输出降低。音圈温度为250C对应于DCR的大约两倍，且相应地，SPL下降-6dB，这也伴随着扬声器马达非阻尼引起的频率变化。

作为额外的示例，音圈可能从线圈架脱离并因此相对于换能器的其他部件脱落出适当的位置，这不利地影响音圈和马达组件之间的适当电磁耦合以及音圈和膜片之间的机械联接。此外，过热会导致某些磁体去磁。因此，热量的产生限制了扬声器的功率处理能力和无失真音量以及它们的效率。通过音圈的电阻随着温度的升高而增加的事实加剧了这些问题。也就是说，音圈的电线变得越热，其电阻变得越高并且它产生的热量越多。

最常见的扬声器形式在单个磁气隙中使用单个音圈绕组。然而，通过使用多线圈/多间隙设计可以增强扬声器性能。多线圈换能器可以包括两个或更多个彼此轴向间隔开的单独绕组，以形成两个或更多个线圈，这些线圈通常电连接，使得线圈一起工作来移动膜片。由于两个线圈都提供用于驱动膜片的力，因此可以增加扬声器的功率输出而不会显著增加尺寸和质量。许多多线圈/多间隙设计能够为每换能器质量产生更多的功率输出，并且比传统的单线圈设计消耗更多的热量。例如，与许多单线圈配置相比，双线圈设计提供更多的线圈表面积，因此能够以更大的热传递速率耗散更大量的热量。

虽然多线圈/多间隙结构具有优于单线圈/单间隙设计的若干优点，包括更高的功率处理、减少的失真、减小的电感和扩展的频率响应，但是双线圈/双间隙扬声器存在若干缺点。首先，只要双线圈换能器的期望优点是其能够在更大功率输出下操作，在更高功率输出下操作双线圈换能器就伴随地导致双线圈换能器产生更多热量。因此，双线圈设计中固有的改善的散热可通过更大的热量产生来抵消。由于紧凑的磁体组件和磁体与发热音圈的接近，也可能存在过热磁体的问题。例如，与单线圈换能器相比，许多双线圈换能器中的足够的散热是个问题，因为必须在音圈和周围环境之间穿过更长的热路径。

发明内容

在一个或多个实施方案中，一种电动换能器包括后框架，该后框架限定开放式框架内部并具有环形基部，该后框架包括中空基座，该中空基座从基部向上延伸到框架内部中并围绕换能器的中心轴线设置。可移动膜片定位在开放式框架内部内并可操作地连接到后框架，并且中空极靴联接到基座并围绕中心轴线设置。换能器包括在膜片前方相对于极靴同心地设置的磁体组件，其中磁气隙限定在磁体组件和极靴之间。音圈设置在磁气隙中并可操作地连接到膜片，并且中空中心毂联接到极靴并围绕中心轴线设置，磁体组件联接到中心毂。延伸穿过换能器的中心通风口由基座、极靴和中心毂共同形成，该中心通风口允许进出换能器的双向空气流。

在一个或多个实施方案中，电动换能器包括后框架，该后框架限定开放式框架内部并具有环形基部。中心通风口沿着换能器的中心轴线延伸穿过换能器，该中心通风口的第一部段从基部向上延伸。可移动膜片定位在开放式框架内部内并可操作地连接到后框架。换能器还包括磁体组件，该磁体组件相对于中心通风口的第二部段同心地设置并在所述膜片前方联接到中心通风口的第三部段，其中磁气隙限定在磁体组件和中心通风口之间。音圈设置在磁气隙内并可操作地连接到膜片。中心通风口允许进出换能器的双向空气流。

在一个或多个实施方案中，扬声器系统包括外壳和安装在外壳内的换能器。换能器包括后框架和中心通风口，后框架限定开放式框架内部并具有环形基部，中心通风口沿着换能器的中心轴线延伸穿过换能器，中心通风口的第一部段从基部向上延伸。换能器还包括定位于开放式框架内部并可操作地连接到后框架的可移动膜片，以及相对于中心通风口的第二部段同心地设置并且在膜片前方及在外壳外部联接到中心通风口的第三部段的磁体组件，其中磁气隙限定在磁体组件和中心通风口之间。此外，换能器包括设置在磁气隙内并可操作地连接到膜片的音圈。外壳内的共振将空气泵送通过中心通风口，使得中心通风口用作亥姆霍兹(Helmholtz)端口。

附图说明

图1是根据一个实施方案的具有中心通风口的反结构马达换能器的截面图；

图2是换能器的顶部透视图；

图3是换能器的底部透视图；

图4是示出了在外壳内具有中心通风口的反结构马达换能器的透视、部分剖视图；

图5是示出了在通风外壳内的换能器的透视、部分剖视图；并且

图6是示出了有(下部迹线)和没有(上部迹线)防尘穹顶的反结构低音扬声器的音圈温度差异的曲线图。

具体实施方式

根据需要，本文公开了详细实施方案；但是应理解，所公开的实施方案仅仅是可以体现为各种替代形式的主题的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的特定结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以不同方式应用主题的代表性基础。

反结构马达换能器，主要是低频低音扬声器，具有马达组件和定位于膜片前面的音圈，并且与具有位于膜片后面的马达的换能器相比提供若干优点。第一个优点是较浅的轮廓，使得反结构马达换能器在空间有限的汽车音响系统中特别受欢迎。第二个优点是更好的音圈冷却，因为线圈定位于扬声器外壳的外部，其中环境温度通常低于外壳内部。音圈的较低温度降低了热压缩。另外，较低的马达温度降低了马达组件中磁体去磁的风险。第三个优点是移动组件的动态稳定性更好，因为其重心位于两个悬挂点之间，而不是像常规换能器那样位于悬挂点之外。

本文公开的实施方案包括具有大直径和长度的中心通风口的反结构马达换能器。中心通风口提供用于在外部环境空间和扬声器外壳内部的容积之间传递冷却空气的流动路径，其中中心通风口和外壳容积用作亥姆霍兹共振器。中心通风口增加了配备有单音圈或双音圈的反结构马达换能器中的音圈冷却。除了提供增加的冷却之外，中心通风口还可以执行通风箱外壳中的端口的功能。中心通风口可以本身或与低频通风箱外壳的常规端口组合地用作端口。所公开的中心通风口配置的优点包括增加的热性能，具有最小的SPL降低或灵敏度损失。所公开的实施方案直接通过马达结构产生气流，而不是需要外壳内的另一个部件，诸如电风扇。

一些现有技术的换能器已经使用防尘穹顶作为“泵”以使空气移动通过环形马达结构中的通风口。这种通风口已被用于释放防尘穹顶下的压力以影响整体空气刚度和阻尼，用于减少沿着音圈的空气流动以控制噪声(同时冷却效果受损)，用于节省材料或用于产生更高的磁通密度，有时会使钢进入饱和状态。即使这种马达通风意图用于改善热性能，在这些现有技术的配置中，它也经常导致热缺点。相反，在本文所公开的实施方案中，响应于系统共振而不是随着音圈的偏移而移动膜片，产生通过中心通风口的空气流。所公开的换能器消除了防尘穹顶和不必要的前框架。空气沿着延伸和加宽的中心通风口泵送通过马达组件，其中中心通风口的延伸可以用于降低扬声器系统的调谐频率。气流冷却金属芯，而不是沿着音圈行进，因此影响换能器的长期冷却。

图1至图3示出了具有反结构马达配置的电动换能器10的实施方案。换能器10包括篮框或后框架12、锥体或膜片14、磁体组件16、音圈18、中心毂20，以及包括环绕件22和支架24的悬架系统。值得注意的是，换能器10不包括前框架，因此具有减小换能器10的重量的优点。

所公开的换能器10包括中心通风口26，其沿中心轴线28延伸穿过换能器10，其中中心通风口26是进出换能器10的双向空气流源。中心通风口26可以包括圆柱形形状并且可以沿着其长度具有均匀的直径，这可以促进空气流动。中心通风口26的直径和长度都可以相对于换能器10的总直径相对较大，也有利于空气流过中心通风口26并从而流过换能器10。例如，在18英寸低音扬声器中，中心通风口26的内径可以在约2英寸至5英寸之间，并且长度为约12英寸。通常，中心通风口26的直径可以在换能器10的直径的约10％至25％之间，并且中心通风口26的长度可以在换能器10的直径的约60％至70％之间。当高速空气流过中心通风口26附近的部件时，由中心通风口26提供的空气流可以有利于换能器10的自冷却。下面将参考换能器10的其他部件进一步描述中心通风口26。

如图1和图3中最佳所示，后框架12可以包括限定开放式框架内部30、环形基部32和顶部平台34的圆锥形结构或其他形状。后框架12可以包括一个或多个切口36，所述切口36限定在顶部平台34和基部32之间延伸的一系列支柱38。后框架12包括中空的大致圆柱形的基座40，所述基座40沿着中心轴线28从基部32延伸到框架内部30中。基座40可以限定穿过换能器10的中心通风口26的第一部段。环形基部32可以具有圆形边缘或喇叭形配置，以形成中心通风口26的一端。如图所示，基座40及因此中心通风口26在支架24下方显著延伸。在一个或多个实施方案中，中心通风口26的长度的大约25％至35％在支架24下方延伸和/或基座40的长度的大约50％至75％在支架24下方延伸。后框架12通常可以由压制金属板构成、由塑料或铸造金属(诸如铝或钢)或其他合适的材料模制而成。

膜片14虽然可以具有任何形状，但是示出为大致圆锥形，并且可操作地连接到后框架12。在一个或多个实施方案中，膜片14具有，诸如通过传统的粘合剂，附接到环绕件22的第一端46和附接到音圈18的第二端48。如图所示，膜片14定位于开放式框架内部30内。膜片14可以由各种材料制成，包括纸、聚合物、金属基组合物或本领域已知的用于膜片的其他材料。

磁体组件16定位于膜片14的前方。在一个或多个实施方案中，磁体组件16包括联接在前环形板54和后环形板56之间的第一环形磁体50和第二环形磁体52，其中环形间隔件58在第一磁体50和第二磁体52之间。然而，在其他实施方式中，磁体组件16可以简单地包括一个或三个或更多个磁体，并且应理解，可以替代地使用磁体和板的其他配置。如图所示，前板54、第一磁体50、间隔件58、第二磁体52和后板56相对于中空的大致圆柱形极靴60同心地设置，所述中空的大致圆柱形极靴60联接到基座40并且可以限定中心通风口26的第二部段。磁体组件16的部件可以通过任何数量的方法保持在一起，包括机械紧固件或粘合剂。在本示例中，第一磁体50和第二磁体52可以由钕制成，钕是一种每质量具有高磁通量的材料，但也可以由任何数量的可用永磁材料构成。前板54和后板56可以由铁磁钢或具有高磁导率的其他合适材料制成。

中心毂20联接到极靴60并且可以包括中空的大致圆柱形配置，其具有内壁64、外壁66和形成在内壁64和外壁66之间的环形内部68。中心毂20可以限定中心通风口26的第三部段，其中内壁64可以具有圆形边缘或喇叭形配置以形成中心通风口26的另一端。中心毂20及因此中心通风口26在膜片14上方延伸，并且在一个或多个实施方案中，100％的中心毂20设置在膜片14上方。外壁66可以成角度或以其他方式配置在环形内部68的开口端70附近，以容纳磁体组件16。磁体组件16通过粘合剂、压配合或其他方式相对于中心毂20联接并固定就位。中心毂20可以由压制金属、铝、铸造或锻钢、塑料、陶瓷或任何其他合适的材料制成。在本文公开的实施方案中，换能器10不包括中心盖或防尘穹顶。

如上所述，中心通风口26可以由三个连接的部段共同形成，即作为第一部段的基座40、作为第二部段的极靴60，以及作为第三部段的中心毂20。在其他实施方案中，中心毂20、极靴60和基座40中的一个或多个可以一体地成形以形成中心通风口26。因此，在一些情况下，中心通风口26可以是整体结构。

在磁体组件16和极靴60之间形成环形磁气隙72。音圈18包围磁体组件16并且定位在磁气隙72内，其中音圈18可操作地连接到膜片14。音圈18可以诸如通过粘合剂缠绕并牢固地附接到圆柱形线圈架74。线圈架74可以具有延伸到毂的环形内部68中的顶端76，以及可以通过粘合剂或其他合适的装置附接到支架24上的底端78。线圈架74可以由坚硬的耐高温材料制成，并且可以自由地轴向移动通过磁气隙72。

在所示的实施方案中，音圈18具有包括两个不同线圈部分的双线圈配置，使得音圈18实际上构成两个单独的线圈。音圈18绕线圈架74缠绕所需的匝数以形成第一线圈部分80，然后沿线圈架74的侧面向下延伸一定轴向距离，然后绕线圈架74缠绕所需的匝数以形成第二线圈部分82，第二线圈部分82与第一线圈部分80轴向间隔开。第一线圈部分80在线圈架74上的位置可以与前板54对应。类似地，第二线圈部分82在线圈架74上的位置可以与后板56对应。在其他实施方式中，音圈18可以包括单个线圈或多于两个线圈部分。

支架24包括外凸缘84、起伏部分86和附接部分88。外凸缘84可以附接到后框架12的中间平台90，并且附接部分88可以通过粘合剂或其他合适的装置附接到线圈架74。支架24可以由多种材料制成，诸如酚醛浸渍布、橡胶、塑料、纺织品或本领域已知的其他材料。通常，支架24将音圈18连接到后框架12，并有助于使音圈18在磁隙72中和磁体组件16周围居中。

环绕件22通过粘合剂或其他合适的装置连接在顶部平台34和膜片14之间，从而将后框架12联接到膜片14。环绕件22可以由诸如橡胶、压缩泡沫橡胶、瓦楞布、纸、塑料、经处理的织物或其他合适材料的材料制成。环绕件22用于径向约束膜片14，同时允许其在由音圈18驱动时沿轴向振动。环绕件22对音圈18的最大偏移提供一定程度的约束，并且使音圈18保持与磁气隙72对中。

音圈18可以连接到用于驱动换能器10的任何合适的电路(包括例如放大器)。音圈18响应于电流而振荡，同时经受由磁性组件16建立的磁气隙72上的恒定磁场。在操作中，线圈架74与音圈18一起振荡，并且振荡被转换到膜片14，从而产生与通过音圈18传输的电信号相关的机械声能。声信号从振动膜片14传播或辐射到周围环境。与现有技术的配置相比，本文公开的大中心通风口26改善了反结构换能器10中的音圈18和磁体组件16的冷却能力。

除了提供增加的冷却之外，中心通风口26还可以执行通风箱外壳中的端口的功能。参考图4，示出了扬声器系统100，其中换能器10安装在外壳102内，其中磁体组件16在外壳102外部，并且其中中心通风口26用作独立端口。扬声器系统100可以包括外壳102内的额外内部部件，诸如但不限于放大器(未示出)。在操作期间，来自放大器或提供电信号的某一其他装置的电流驱动音圈18，并且与膜片14连接的磁气隙72中的音圈18的轴向往复运动产生表示由换能器10转换的节目材料的声音。振动换能器10在膜片14的前面发出声波，并且当膜片14前后移动时，也在膜片14的后面产生后波。许多扬声器利用这些后波来补充由膜片14产生的前向声波。系统共振可以用于泵送空气通过中心通风口26，以向换能器10提供有效的强制空气冷却，并且可以通过使热空气经过中心通风口26到周围环境来消散热量。中心通风口26的大直径类似于通风外壳中的典型端口的直径，且因此可以用作亥姆霍兹端口，因此消除了在外壳中提供额外端口以提供低音反射功能的需要。

中心通风口26还可以与通风箱外壳的常规端口104结合使用，诸如图5所示。在该实施方案中，膜片14的向后运动激发由外壳102内部的空气弹簧和端口104内包含的空气产生的共振。端口104的长度和面积通常被设计大小以调谐该共振频率。如图5所示，端口104可以设置在外壳102的前壁106中，但是这种示出的放置并非意图为限制性的。端口104具有位于前壁106或外壳102的另一外表面处的入口108，以及位于外壳102的内部112中的出口110。端口104(可以称为亥姆霍兹端口)是进出入口108和出口110的高速双向空气流源。在所示的实施方案中，端口104具有均匀直径的大致圆柱形配置，但应理解，端口104不限于这种几何形状。此外，尽管仅示出了一个端口104，但是扬声器系统100中可以包括额外的端口。

如上所述，根据本实施方案的移除防尘穹顶的一个优点是，通过允许消除前框架，允许显著简化换能器配置。作为参考，有防尘穹顶的换能器的调谐频率表示为：

其中M_av是中心通风口的声学质量，且C_ab是外壳容积的声学顺应性。

相应地，中心通风口的声学质量可以近似表示为：

其中ρ是空气密度，l_v是通风口的长度，且S_v是通风口的横截面积。在实际应用中，通风口的轮廓不是恒定的，而是在边缘处具有扩口以减轻气流湍流的可能性。为清楚起见，我们将考虑横截面恒定。

外壳容积的声学顺应性表示为：

其中V_b是外壳的容积，且c是声速。

因此，调谐频率为：

在组合端口的情况下，中心通风口的声学质量M_av与端口的声学质量M_ap组合，且调谐频率f_b1表示为：

其中S_p和l_p相应地是端口的横截面积和长度。

整体调谐频率f_b1可以根据通风口和端口尺寸的变化而变化。然而，对于给定的中心通风口的横截面积(其应该最大以使气流湍流最小化)，其调谐不能增加，但可以通过延长中心通风口的长度来降低。

图6示出了在功率测试(克利佩尔功率测试分析仪(Klippel Power TestAnalyzer))期间，基于具有和不具有防尘穹顶的4”双音圈的18”反结构低音扬声器的音圈温度的差异。下部迹线对应于存在穹顶，并且上部迹线对应于不存在穹顶。在有防尘穹顶的情况下，由于与膜片相比穹顶的面积较小，因此只有少量空气可以位移通过中心通风口。在没有防尘穹顶的情况下，循环通过中心通风口的空气量显著更高，且因此马达的冷却效果强得多。

虽然上面描述了示例性实施方案，但并非意图为这些实施方案描述本主题的全部可能形式。而是，在本说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本文中所公开的主题的精神和范围的情况下可以做出各种修改。另外，可以将各种实现实施方案的特征进行组合以形成另外的实施方案。

Claims (8)

1.一种电动换能器，其包括：

后框架，所述后框架限定开放式框架内部，所述后框架包括中空基座，所述中空基座向上延伸到所述框架内部中并围绕所述换能器的中心轴线设置，所述中空基座包括环形基部；

可移动膜片，所述可移动膜片定位在所述开放式框架内部内并可操作地连接到所述后框架；

中空极靴，所述中空极靴与所述基座一体地成形并围绕所述中心轴线设置；

磁体组件，所述磁体组件在所述膜片前方相对于所述极靴同心地设置，其中磁气隙限定在所述磁体组件和所述极靴之间；

音圈，所述音圈设置在所述磁气隙中并可操作地连接到所述膜片；以及

中空中心毂，所述中空中心毂联接到所述极靴并围绕所述中心轴线设置，所述磁体组件联接到所述中心毂；

其中延伸穿过所述换能器的中心通风口由所述基座、所述极靴和所述中心毂共同形成，而不具有中心盖或防尘穹顶，所述中心通风口允许进出所述换能器的双向空气流。

2.如权利要求1所述的换能器，其中所述中心通风口为大致圆柱形，并且沿着所述中心通风口的长度具有均匀的直径。

3.如权利要求1所述的换能器，其中所述中心通风口的直径在所述换能器的直径的10%至25%之间。

4.如权利要求1所述的换能器，其中所述音圈具有双线圈配置，所述双线圈配置包括与第二线圈部分间隔开的第一线圈部分。

5.如权利要求1所述的换能器，其中所述磁体组件包括与后环形板间隔开的前环形板和设置在其间的至少一个环形磁体。

6.如权利要求1所述的换能器，其中所述音圈附接到圆柱形线圈架，并且所述换能器还包括联接在所述线圈架和所述膜片后面的所述后框架之间的支架。

7.一种扬声器系统，其包括：

外壳；和

如权利要求1-6中任一项所述的换能器，所述换能器安装在所述外壳内；

其中所述外壳内的共振将空气泵送通过所述中心通风口，使得所述中心通风口用作亥姆霍兹端口。

8.如权利要求7所述的扬声器系统，其还包括设置在所述外壳中的端口，所述端口具有位于所述外壳的外表面处的入口和位于所述外壳内部中的出口，所述入口和所述出口允许进出所述外壳的双向空气流。

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