CN110708637B - 一种用于微型发声装置的振膜及微型发声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微型发声装置的振膜及微型发声装置，所述振膜采用丁苯橡胶制成，所述丁苯橡胶采用聚苯乙烯作为聚合主单体与交联单体交联聚合制成，所述交联单体为聚丁二烯，所述聚合主单体聚苯乙烯嵌段在丁苯橡胶中的含量为10‑45wt％；本发明提供的振膜具有更优的结构稳定性、抗偏振能力和低频灵敏性；本发明提供的微型发声装置具有更优的声学性能。

Description

一种用于微型发声装置的振膜及微型发声装置
技术领域
本发明涉及电子产品技术领域，具体地，本发明涉及一种用于微型发声装置的振膜及微型发声装置。
背景技术
现有的用于微型发声装置的振膜多采用多层复合材料，例如，PEEK、PAR、PEI、PI等工程塑料，TPU、TPEE等弹性体材料，丙烯酸胶膜、硅胶胶膜等胶膜。此外，硅橡胶具有良好的热稳定性、良好的疏水性能和优异的回弹性能，随着高功率化、防水以及高音质要求的提高，硅橡胶也逐渐被用于制作振膜。
上述材料都存在各自的缺点。例如，PEEK、PAR等工程塑料，虽然耐温性较好，但材料回弹性较差，产品易产生膜折，无法起到防水的作用。TPU、TPEE等弹性体材料的熔点较低，耐温性较差。硅橡胶材料虽然热稳定性和回弹性均较好，但因其化学结构对称，立构规整度高，对称取代的甲基空间位阻小，硅橡胶的模量或硬度相对较低，导致材料的阻尼性较低，造成硅橡胶振膜的产品失真较大。
可见，上述振膜的综合性能较差，不能满足微型发声装置的全面性能要求。因此，提供一种综合性能强、可靠性高的用于微型发声装置的振膜成为本技术领域面临的一大技术问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于微型发声装置的振膜及微型发声装置，该振膜具有更优的结构稳定性、抗偏振能力和低频灵敏性；该微型发声装置具有更优的声学性能。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于微型发声装置的振膜，所述振膜采用丁苯橡胶制成，所述丁苯橡胶采用聚苯乙烯作为聚合主单体与交联单体交联聚合制成，所述交联单体为聚丁二烯，所述聚合主单体聚苯乙烯嵌段在丁苯橡胶中的含量为10-45wt％。
可选地，所述丁苯橡胶中混合有硫化剂，所述硫化剂的硫化体系包括硫磺硫化体系、过氧化物硫化体系和树脂硫化体系中的至少一种，所述丁苯橡胶自身质量份数为100份，所述硫化剂自身的质量份数为1-15份。
可选地，所述硫化剂自身的质量份数为3-10份。
可选地，所述丁苯橡胶中混合有补强剂，所述补强剂包括炭黑、二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、有机蒙脱土、不饱和羧酸金属盐中的至少一种，所述丁苯橡胶自身质量份数为100份，所述补强剂自身的质量份数为2-80份。
可选地，所述丁苯橡胶振膜的硬度范围为25-85A。
可选地，所述丁苯橡胶中混合防老化剂，所述防老化剂包括防老化剂N-445、防老化剂246、防老化剂4010、防老化剂SP、防老化剂RD、防老化剂0DA、防老化剂OD、防老化剂WH-02中的至少一种，所述丁苯橡胶自身质量份数为100份，所述防老化剂自身的质量份数为0.5-10份。
可选地，所述防老化剂自身的质量份数为1-5份。
可选地，所述振膜为单层振膜，所述单层振膜采用一层丁苯橡胶膜层构成；
或者，所述振膜为复合振膜，所述复合振膜包括两层、三层、四层或五层膜层，所述复合振膜至少包括一层丁苯橡胶膜层。
可选地，所述丁苯橡胶膜层的厚度为10-200μm。
根据本发明的第二方面，提供了一种微型发声装置，包括微型发声装置主体和所述的振膜，所述振膜设置在所述微型发声装置主体上，所述振膜被配置为能振动发声。
本发明的技术效果在于，本发明公开了一种用于微型发声装置的振膜及微型发声装置，所述振膜采用丁苯橡胶制成，所述振膜具有更优的结构稳定性、抗偏振能力和低频灵敏性；所述微型发声装置具有更优的声学性能。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一个实施例的微型发声装置振膜不同部位在不同频率下振动位移的测试曲线；
图2为常规振膜不同部位在不同频率下振动位移的测试曲线；
图3为本发明一个实施例的振膜与常规PEEK振膜的谐波失真(THD)测试曲线；
图4为本发明一个实施例的振膜与常规PEEK振膜的应力应变曲线；
图5为本发明一个实施例的振膜与常规振膜的不同频率下响度的测试曲线(SPL曲线)。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供了一种用于微型发声装置的振膜，所述振膜采用丁苯橡胶制成。所述丁苯橡胶采用聚苯乙烯作为聚合主单体与交联单体交联聚合制成，所述交联单体为聚丁二烯。
具体地，所述丁苯橡胶的分子结构如下：
Figure BDA0002256429040000041
在以上分子式中，x,y，z为自然数。
可选地，所述聚合主单体聚苯乙烯嵌段在丁苯橡胶中的含量为10-45wt％。聚丁二烯嵌段在材料基体中提供韧性，使橡胶具有较好的耐低温性能。如果聚丁二烯嵌段的含量过高时，所述丁苯橡胶的刚性不足，难以满足使用需求。而如果聚丁二烯嵌段的含量过低时，也就是聚苯乙烯嵌段的含量过高时，由于聚苯乙烯嵌段含有苯环，具有较大的空间位阻,限制了分子链的活动,并且苯环刚性较大。因此随着聚苯乙烯嵌段含量升高，丁苯橡胶的玻璃化转变温度和拉伸强度逐渐升高。
本发明提供的丁苯橡胶振膜可以通过控制所述聚苯乙烯嵌段在丁苯橡胶中的含量范围在10-45wt％，使得所述丁苯橡胶振膜在室温下处于高弹态，分子链易于运动，分子间摩擦力大，具有较好的阻尼性能，其室温下损耗因子大于0.06，优选大于0.1。
优异的阻尼性能，使振膜具有更低的品质因数Q。振膜的阻尼性提高，振动系统在振动过程中可抑制偏振现象的能力强，振动一致性良好。而常用的工程塑料振膜的阻尼低，其损耗因子一般小于0.01，阻尼性较小。
图1是根据本发明的一个实施例的微型发声装置振膜不同部位在不同频率下振动位移的测试曲线。图2是常规振膜不同部位在不同频率下振动位移的测试曲线。
其中，振膜为矩形折环振膜。横坐标为频率(Hz),纵坐标为响度位移量(mm)。在振膜的中心部的边缘位置以及中心位置取点进行测试。
可以看出，图1中的各个曲线更集中，而图2中的各个曲线较为分散。这表明，本发明实施例振膜的各个部分的振动一致性更好，在振动过程中，振膜的摇摆振动少，音质和听音稳定性更加优良。
相对于工程塑料，本发明提供的聚苯乙烯嵌段含量范围在10-45wt％的丁苯橡胶振膜具有较宽的弹性区域，在振膜的应变发生在该区域时，待外力去除后，振膜具有优异的回复性，振膜在振动过程中，摇摆振动少，音质和听音稳定性更优。
图3为本发明的一个实施例的振膜与常规PEEK振膜的谐波失真(THD)测试曲线，从图3可以看出，本发明实施例的振膜相对于常规的PEEK振膜具有更低的THD(总谐波失真)。这表明，本发明的振膜具有更优的抗偏振能力，并且音质更佳。
可选地，所述丁苯橡胶中混合有硫化剂，所述硫化剂的硫化体系包括硫磺硫化体系、过氧化物硫化体系和树脂硫化体系中的至少一种，所述硫化剂具体包括三巯基均三嗪硫化体系、多胺、有机酸、铵盐、有机酸铵盐、二硫代氨基甲酸盐、咪唑/酸酐、异氰尿酸/季盐、硫黄/促进剂、过氧化物中的至少一种。硫化剂的添加有助于在丁苯橡胶中形成交联点，提高聚合物的交联程度。随着硫化剂用量增大，丁苯橡胶的交联度增大，分子链运动受限制，玻璃化转变温度增大，断裂伸长率降低。因此，所述丁苯橡胶自身质量份数为100份时，所述硫化剂自身的质量份数需要控制在1-15份。优选的，所述硫化剂自身的质量份数为3-10份。在上述质量份数的情况下，既能够保证丁苯橡胶具有适当的交联度，又能够满足对丁苯橡胶振膜材料的玻璃化转变温度、力学性能的要求。
所以，所述丁苯橡胶中聚苯乙烯嵌段的含量和硫化剂的添加份数直接影响了丁苯橡胶的玻璃化转变温度和拉伸强度。在硫化剂添加份数一定的条件下，丁苯橡胶中聚苯乙烯嵌段的含量与其玻璃化转变温度和拉伸强度正相关，具体对应数据如表1所示。
表1丁苯橡胶中聚苯乙烯嵌段含量与其玻璃化转变温度和拉伸强度的关系
Figure BDA0002256429040000051
由于丁苯橡胶具有较高的分子量，并且其分子链较柔顺，具有较好的耐低温性能，在此基础上，为了使丁苯橡胶振膜在常温下能够保持高弹态，回弹性良好，其玻璃化转变温度需要控制在-50～0℃的范围。在一定范围，玻璃化转变温度越低，振膜即可在更低的温度下正常工作。
为了使得在低于0℃时，丁苯橡胶振膜工作时可以一直保持较好的橡胶弹性，从而微型发声装置表现出较高的音质，降低在低温环境中振膜破坏的风险，需要控制丁苯橡胶振膜的玻璃化转变温度在-45～-10℃的范围，也就是将所述聚苯乙烯嵌段在丁苯橡胶中的含量控制在10-45wt％的范围内。
可选地，所述丁苯橡胶中聚苯乙烯嵌段的含量和硫化剂的添加份数直接影响了丁苯橡胶橡胶的韧性。添加合适份数硫化剂且聚苯乙烯嵌段含量范围在10-45wt％的丁苯橡胶振膜具有优异的韧性，断裂伸长率大于100％，优选大于150％，具有较高的断裂伸长率使得振膜在微型发声装置中使用时不易出现破膜等可靠性问题。
图4为本发明的一个实施例的振膜与常规PEEK振膜的应力应变曲线，由图4可以看出，在相同的应力下，本发明实施例提供的振膜的应变明显大于常规PEEK振膜。这表明，本发明实施例提供的振膜的杨氏模量明显小于常规的PEEK振膜。
此外，PEEK振膜形成了明显的屈服点，约在应变0.4-0.5％。而本发明提供的振膜不存在屈服点，这表明，本发明提供的振膜具有更宽的弹性区域，并且回弹性能优良。
丁苯橡胶振膜具有良好的柔韧性，例如，断裂伸长率≥100％。聚苯乙烯嵌段对断裂伸长率有重要影响,本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。这使得振膜的振动位移更大，响度更大。并且可靠性、耐用性良好。振膜材料的柔韧性越好，断裂伸长率越大，则振膜抵抗破坏的能力越强。振膜处于大振幅状态振动时，振膜材料产生了较大的应变，长时间振动时会出现膜折、膜裂或破膜的风险。以丁苯橡胶作为基材的本发明的振膜，具有良好的柔韧性，降低了振膜破坏的风险。
可选地，丁苯橡胶在添加合适份数硫化剂且聚苯乙烯嵌段含量范围在10-45wt％的情况下，由于丁苯橡胶振膜材料具有稳定的交联结构，振膜具有较高的使用温度范围，在150℃下可连续工作3天，可满足微型发声装置对高低温的需求，在实际使用中不会出现温度过高而结构塌陷的风险。
可选地，所述丁苯橡胶中混合有补强剂，所述补强剂包括炭黑、二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、有机蒙脱土、不饱和羧酸金属盐中的至少一种，在丁苯橡胶的质量份数为100份的情况下，所述补强剂自身的质量份数为2-80份。优选的，所述补强剂自身的质量份数为5-60份。
补强剂的表面具有能够发生取代、还原、氧化等反应的氢、羧基、内酯基、自由基、醌基等基团。将补强剂混合入丁苯橡胶中后，由于补强剂与丁苯橡胶的聚合物嵌段的界面之间的强相互作用，丁苯橡胶受力时，分子链比较容易在补强剂微粒表面上滑动，但不易和补强剂微粒脱离，丁苯橡胶与补强剂微粒构成一种能够滑动的强固的键，力学强度增大。
以炭黑为例，炭黑是一种无定形结构，粒子通过相互之间的物理化学结合构成聚集体。炭黑的一次结构由聚集体构成，同时聚集体之间存在范德华力或氢键，能够聚集成空间网络结构，也就是炭黑的二次结构。炭黑表面具有上述基团。炭黑微粒能够与聚合物分子链形成上述关系，增强丁苯橡胶的力学强度。
所以，丁苯橡胶材料强度主要通过混合补强剂来调节，但如果力学强度过高，反而会造成微型发声装置的谐振频率过高，低频响应能力下降。所述丁苯橡胶振膜的硬度范围可以为25-85A，优选为30-80A。室温下所述丁苯橡胶振膜的力学强度可以达到0.5-50MPa，优选为1-30MPa。
微型发声装置的谐振频率F0与振膜的模量和厚度呈正比。而对于丁苯橡胶而言，其模量与硬度呈正比。因此，可以用硬度来体现丁苯橡胶振膜的模量。橡胶振膜材料强度和硬度越高，振膜材料的F0就越高，导致微型发声装置的响度降低，低音变差。表2给出了具有相同厚度但硬度不同的振膜的F0值，从表2可以看出，随着振膜材料硬度的增大，F0急剧增大。
表2相同厚度和不同硬度的振膜的F0值
硬度(A) 20 25 30 80 85
F0(Hz) 579 631 682 899 998
本发明提供的用于微型发声装置的振膜为折环振膜或者平板振膜。该微型发声装置的谐振频率F0正比于振膜的杨氏模量和厚度，可以通过改变振膜的厚度以及杨氏模量来实现F0的变化，具体调节原理如下：
Figure BDA0002256429040000081
其中Mms为微型发声装置的等效振动质量，Cms为微型发声装置的等效顺性：
Figure BDA0002256429040000082
其中，Cm1为弹波顺性,Cm2为振膜顺性。无弹波设计时，微型发声装置的等效顺性即为振膜顺性：
Figure BDA0002256429040000083
其中W为振膜的折环部的总宽度，t为膜片厚度；dvc为振膜音圈贴合外径；E为振膜材质的杨氏模量；a1和a2为修正系数，a1的值取决于振膜基材的形状，a2等于h(折环高度)/W；u为振膜材质的泊松比。
可见，为得到饱满的低音和舒适的听感，在微型发声装置具有较低的F0的同时，应使振膜具有足够的刚度和阻尼。本领域技术人员可以通过调节振膜的硬度以及厚度来调节F0的大小。优选地，所述振膜的邵氏硬度优选为30-80A。所述振膜的厚度为30-120μm。这使得微型发声装置的谐振频率F0的能够达到150-1500Hz。微型发声装置的低频性能优良。
图5为本发明的一个实施例的振膜与常规振膜的不同频率下响度的测试曲线(SPL曲线)。振膜为折环振膜。横坐标为频率(Hz),纵坐标为响度。
由图5可以看出，两个振膜F0一致，均为830Hz，但本实施例中振膜的低频灵敏度均高于常规振膜。也就是说，采用本发明实施例的振膜的微型发声装置具有更高的响度和舒适度。
可选地，所述丁苯橡胶中混合防老化剂，所述防老化剂包括防老化剂N-445、防老化剂246、防老化剂4010、防老化剂SP、防老化剂RD、防老化剂0DA、防老化剂OD、防老化剂WH-02中的至少一种。
丁苯橡胶在使用过程中，随着时间的延长，丁苯橡胶的分子链断裂产生游离的自由基，这种现象是丁苯橡胶的自然老化现象。通过在丁苯橡胶中混合防老化剂，能够防止或中止、减缓丁苯橡胶中产生活性游离基的自催化现象。
当防老化剂添加量过少时，达不到延长丁苯橡胶使用寿命的效果；而过多添加防老化剂，会由于防老化剂不能与丁苯橡胶弹性体较好的互溶，难以均匀分散，因此有可能导致丁苯橡胶材料力学性能下降。所以，在丁苯橡胶的质量份数为100份的情况下，防老化剂自身的质量份数需要控制在0.5-10份。优选地，所述防老化剂自身的质量份数为1-5份。
可选地，所述振膜为单层振膜，也可以为多层的复合振膜。所述单层振膜采用一层丁苯橡胶膜层构成；而所述复合振膜则是由多层丁苯橡胶膜层依次层叠形成的振膜。或者，复合振膜可以包括至少一层丁苯橡胶膜层，该丁苯橡胶膜层与其它材料制成的膜层层叠复合，构成多种材料制成的复合振膜。所述复合振膜包括两层、三层、四层或五层膜层，本发明不对此进行限制。
对于所述丁苯橡胶膜层，其厚度可以为10-200μm，优选为30-120μm。丁苯橡胶膜层的厚度在该范围内时，能够更好的满足微型发声装置的性能要求和装配空间的要求。
可选地，所述丁苯橡胶振膜采用模压-注塑成型或者气压成型的方式制备而成，由于本发明的丁苯橡胶振膜具有很低的玻璃化转变温度，而且振膜材料强度和韧性好，可以在高温下长时间使用，所以采用简单的模压-注塑成型或者气压成型的方式便可以将振膜快速成型，提高了生产效率。
本发明还提供了一种微型发声装置，包括微型发声装置主体和所述的丁苯橡胶制成的振膜，所述振膜设置在所述微型发声装置主体上，所述振膜被配置为能振动，通过振动进而产生声音。所述微型发声装置主体中可以配置有线圈、磁路系统等部件，通过电磁感应驱动所述振膜振动。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述振膜采用丁苯橡胶制成，所述丁苯橡胶采用聚苯乙烯作为聚合主单体与交联单体交联聚合制成，所述交联单体为聚丁二烯，所述聚合主单体聚苯乙烯嵌段在丁苯橡胶中的含量为10-45wt％；
所述振膜包括丁苯橡胶膜层，所述丁苯橡胶膜层的厚度为10-200μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述丁苯橡胶中混合有硫化剂，所述硫化剂的硫化体系包括硫磺硫化体系、过氧化物硫化体系和树脂硫化体系中的至少一种，所述丁苯橡胶自身质量份数为100份，所述硫化剂自身的质量份数为1-15份。
3.根据权利要求2所述的一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述硫化剂自身的质量份数为3-10份。
4.根据权利要求1所述的一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述丁苯橡胶中混合有补强剂，所述补强剂包括炭黑、二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、有机蒙脱土、不饱和羧酸金属盐中的至少一种，所述丁苯橡胶自身质量份数为100份，所述补强剂自身的质量份数为2-80份。
5.根据权利要求4所述的一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述丁苯橡胶振膜的硬度范围为25-85A。
6.根据权利要求1所述的一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述丁苯橡胶中混合防老化剂，所述防老化剂包括防老化剂N-445、防老化剂246、防老化剂4010、防老化剂SP、防老化剂RD、防老化剂0DA、防老化剂OD、防老化剂WH-02中的至少一种，所述丁苯橡胶自身质量份数为100份，所述防老化剂自身的质量份数为0.5-10份。
7.根据权利要求6所述的一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述防老化剂自身的质量份数为1-5份。
8.根据权利要求1所述的一种用于微型发声装置的振膜，其特征在于，所述振膜为单层振膜，所述单层振膜采用一层丁苯橡胶膜层构成；
或者，所述振膜为复合振膜，所述复合振膜包括两层、三层、四层或五层膜层，所述复合振膜至少包括一层丁苯橡胶膜层。
9.一种微型发声装置，其特征在于，包括微型发声装置主体和权利要求1-8任意之一所述的振膜，所述振膜设置在所述微型发声装置主体上，所述振膜被配置为能振动发声。
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