CN1109669A - 全频谱电声换能器 - Google Patents

Abstract

利用电磁学、力学、振动学、声学原理将永磁和软 磁材料合理结构形成n重磁场，和n重与之相适配 的电声换能元件相互作用，而制成的一种全频谱电声 换能器，用于所有电声变换，并可逆。适用于制造各 种功率和体积的全声频一体化电声换能器；在大型、 中型、小型、微型场合应用，都能发挥其优越性；克服 了现有多扬声器音箱所不能克服的声源位置失真、体 积大等固有缺陷，在广扩的电声变换领域实现全频谱 高保真、高音质电声响应。

Description

本发明属电声换能装置。

由于电声换能振动无件的材料、几何形状和尺寸及固体振动特性所致，一个电声换能器振动体只能均匀响应某一频率段的声振动，所以现有电声换能器要获得宽频谱响应，只能分频段独立设置多套大小不同，材质不同或形状不同的多个换能系统的组合，如现代具有高、中、低频三个或多个扬声器的音箱;因而存在结构元件多、造价高、体积大、占用材料多、费工、费时……等缺点;且不可能在小型和微型的收音机、收录放音机、大小电视机中，更不能在耳机，助听器中采用分频式换能器扩宽频响带。

再者，从同一声源发出的声音，被按频率分段，从平面上不同位置的高、中、低音多个扬声器响应发出，因而出现由音箱结构所决定的声源位置失真，就成为现代音箱不可避免的缺点。

中国专利CN2041875.U，试图解决上述问题。该专利的技术方案要点是将口径较小的高音扬声器，以低音扬声器的铁心柱支撑于直径较大、较深的低音扬声器纸盆口平面内侧，同轴线安装。实质上，除只是机械的将高、低音扬声器进行了相对几何位置的调整外，对高、低音扬声器本身，未作结构改进。同时，按该方案，对全频谱声振动的响应，只能以高、低音两个振动件响应，显然其频宽有限，顾及了高频段和低频段，则中频段不足，反之亦然。再者，就其结构而论，亦不便于同轴安装两个以上的扬声器;姑且假定同轴安装多个扬声器能够实现，所作的结果，无异于将现代音箱上平面分布的多个扬声器改为同轴直线分布安装，从而产生声源位置直线分布的距离失真，也同样解决不了声源空间分布的失真问题。

类似的设计还见于山东科学技术出版社以书号15195.161号，于1985年出版的“立体声接收与重放技术”一书第618页。

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种结构新颖、频响范围宽、能克服声源位置失真、缩小设备体积、节省元部件的全频谱电声换能器及其变形结构，均可解决上述问题。

传统动圈式高、中、低音扬声器，有激磁式和永磁式，又分外磁式和内磁式等结构，它们的共同特点是在磁路构件形成的一个单独的环状径向磁场中，装置一个固结振动体的动圈，即能实现某一频段声音的响应，但都不能满足覆盖声域较宽频谱的需求。本发明根据声域频宽和声源位置集中的要求，应用相似于动圈式扬声器原有的各构件，形成同心、同轴的多重磁场与多重适配的固结振动体的动圈，同时分别响应多个不同频段的声振动，并从同一中心辐射的新颖结构，因此克服了上述现有扬声器和组合音箱的缺陷，达到本发明的目的。

按全频谱电声换能器的结构原理，分n重磁场的形成、电声换能元件的结构、电声换能的机理和过程、改善系统性能的措施几部分，结合附图说明如下：

图1：全频谱套环式（n＝4分频）电声换能器全剖面图;

图2：实心（图2-1）和空心（图2-2）塔轮式磁路系统剖面图;

图3：实心（图3-1）和空心（图3-2、3-3）叠磁式磁路系统剖面图;

图4：双向式（n＝4分频）磁路系统剖面图;

图5：全频谱套环叠磁式（n＝4分频）电声换能器全剖面图;

图6：双频段扬声器剖面图;

图7-1、7-2、7-3：振动体结构型式剖面图;

各图中，C、C₁、C₂、C₃、C₄-园台（园柱）或园筒形磁体;

T₀-杯形导磁体;T₁、T₂、T₃、T₄-园盘或园环形导磁体;

D、D₁、D₂、D₃、D₄-动圈;Z、Z₁、Z₂、Z₃、Z₄-振动体;

K-气孔兼作导电引出线孔;X-导电引出线（双线）;

J-绝缘接线板;P-盆架或支架;

Y-压边环;H、H₁、H₂-折环;

F-防护罩;B-弹性定心支片;

G-声隔离反射器;L-吸声材料;

构成n重同心磁场的方法如下：

图1中，在园筒杯形导磁体（T₀）内壁和在杯内底面同心、同轴圈结轴向磁化的园柱形永磁体（C₁）之间，贴底、同心、同轴平行套装从小到大的n（≥2）级与永磁体C₁等高的、并相互留有间距的、轴向磁化的环状永磁体（C₂、C₃、C₄…），各永磁体上端面同心固结外径大于对应永磁体外径、内径小于对应永磁环的内径、环间相邻侧面相互间隔并对齐的、具有3级环状阶梯的园环导磁体（T₂、T₃、T₄…），C₁顶面固结园盘形导磁体，形成n级从小到大的同心、同轴、环状、轴向投影为同心园环的径向磁场;称为套环式磁路系统结构（如图1所示）。

为减少各振动体振动时的空气阻力，在各导磁体（T₂、T₃、T₄…）第二阶梯和杯形导磁体（T₀）底部（和侧壁）均匀分布轴向（径向）通气孔兼作导线引出线孔（K）6～40个。

图2中，用多个直径不同的轴向磁化的磁体园台或园环（C₁、C₂、C₃…），从小到大顺秩同轴固结或制作成整体塔轮式，在所形成的阶梯上同轴固结用导磁体制成侧面有气孔、带底边内环和有轴向气孔外环的园筒，园筒内底边环直径可等于或大于上级磁体外径，外边环外径等于或大于该阶梯外径，在与上下园筒之间即形成环状、间隙均匀的径向磁场（如图2-1所示）;称为实心（如图2-1）或空心（如图2-2）的塔轮式磁路系统结构。

图3中，园台或园环形永磁体C₁上同心固结直径大于或等于C₁外径的导磁体园盘T₁，再将多个直径依秩增大的轴向磁化的园台或园环磁体（C₂、C₃…）、分别同轴固结在用导磁体制成侧面有径向气孔（K）并有轴向气孔（K）的底边环和底的园筒（T₂、T₃）及最后一个为杯形导磁体T₀底部[无底孔如（图3-1、3-2）或有与园环磁体适配的中心底孔（如图3-3）]，再按从小到大顺序同轴固结为一整体;在上下相邻两园筒之间形成两级间隔均匀的环状径向磁场（如图3-1、3-2、3-3所示），称为实心（图3-1）或空心（图3-2内孔径不等、图3-3内孔径相等）叠磁式磁路系统结构。

上述形成n（≥2）重同心磁场的套环式、塔轮式、叠磁式磁路系统结构，可以组合应用，如套环塔轮式、套环叠磁式等（如图5所示），图5中，第1.2级为套环式磁路结构，第3.4级为无中心孔的叠磁式磁路结构;显然，第3.4…级用其他塔轮式或叠磁式结构同样能形式所需多级同心径向环状磁场。

上述结构还可以有多种变形结构，如套环式结构中各元部件的形状、尺寸、位置不变，若原各环状导磁体和T₀用按底面至环侧面方向磁化的永磁体代换，原各永磁体用导磁体代换，即材料互换所构成的n（≥2）级环状同心磁场。

又如套环式结构中的永磁体相间（如图1中的C₁和相间的C₂）换成形体相同的软磁性材料制成的导磁体，其余结构全部不变的可节省半数永磁体所形成的n（≥2）级同心磁场的磁路系统。

又如上述全频谱n分频电声换能器中的磁体可以是激磁式（电磁式）磁体，也可以是整体式或组合式永磁体（由稀土永磁材料、铁镍钴、永磁铁氧体、磁钢等永磁体整块或多块组合而成），也可以用永磁体和软磁材料（纯铁、硅钢、软磁铁氧体、坡莫合金等）组合而成，亦可形成n（≥2）级同心磁场磁路系统。

又如在上述各型电声换能器的杯形导磁体（T₀）的底面反向安装一种上述各型磁路系统，组装成种种n（≥2）级双向电声换能器（如图4）;其优点是节省材料，在相同空间内能安装更多频段换能级，即体积相近而功能更强;且能直接向双向空间发射声波，使原扬声器只能直接形成半空间声场，而变为直接辐射形成全空间声场。

全频谱电声换能器的电声换能元件的结构是由动圈（D）和振动体（Z）同心固结构成的。其中，动圈用绝缘导线密绕在簿壳园筒上形成，簿壳园筒上口与振动体同心固结，各振动体的边缘有随响应频段的降低制成的0至多个弹性折环（H）构成;用金属、塑料或棉、毛、麻、丝等动植物纤维和人造纤维为材料的各种织物及其以橡胶、树脂、聚脂涂料经涂覆、浸渍、压制等工艺成形;其基本形状类型为球顶接环边形（图7-1），中央球顶接半环柱面形（图7-2）和球顶接中截线为直线、曲线、折线或波纹线旋转面的截锥形（图7-3）;振动体Z的质量、厚度随频响段的降低而增加。

全频谱电声换能器的机理和转换过程如下：在前述各类型n级同心磁场中心、同轴分别安装与各级磁场和频响段适配的、能在磁隙中轴向自由运动的动圈;各级动圈和与之固结的适应相应频段的振动体，响应各自频段的声振动。当动圈（D）中输入声振动的电信号时，通电线圈在磁场力的作用下带动振动体（Z）作机械振动，从而输出随电信号变化的声音;若输入声振动时，其对应振动体（Z）在声压作用下振动，带动动圈（D）在磁场中运动，根据电磁感应定律，即可感应输出对应声振动的信号电流。因此，本电声换能器的机制、电声转换过程和用途都是可逆的，即声振动的电信号和声振动可以互为对应输入或输出。因此，既可作扬声器、耳机，也可作传声器等。

将各频响段的动圈串联或并联时，由各级振动体的自有频谱响应特性所致，形成自然分频响应。需强制分频响应时，可外设电信号分频器，亦可内置电信号分频器;内置电信号分频器的结构为：各频段分频器的电容用金属箔带和绝缘带相间、平行卷绕在可套上该频段磁性元件（C）侧壁的绝缘簿壳园筒上，并引出电容电极;以绝缘金属导线平绕于同级电容元件外侧形成电感元件，引出电感电极，即构成分频器同轴、平行电容、电感一体化元件，（数值计算公式从略），同轴套置于同级磁性元件（如图中的C）侧壁，设计其适配体积、厚度、长短，安装位置以不影响振动体的振幅为度，并留出气体通道。

综上所述：本发明的目的通过以下措施来实现：由整体式或组合式的导磁体和磁性体（激磁式-电磁式、永磁式）制成套环式、塔轮式、叠磁式或其组合，构成单向式或双向式的n（≥2）重从小到大的同心、同轴、环状、轴向投影为同心园环的径向磁场，再同心、同轴分别安装与各级同心磁场和频响段适配的电声换能元件-动圈固结振动体，使各动圈能在各自磁场中轴向自由运动，响应各自频段的声振动。

为改善本发明电声换能系统性能，可增加以下措施：

1.全频谱电声换能器中加装的声隔离反射器（G），为厚度大于等于0.2mm的硬质材料构成中截线为直线、曲线、折线或波纹线旋转面的截锥形，截段高度适当（低于盆架口平面），内壁可粘贴有吸声材料;它们的作用在于支撑、定位对应动圈（D）和振动体（Z），并吸收其与内置振膜之间的声辐射，隔离相邻振动体声振动的相互干涉;其外壁反射下一级振动体发出的声幅射，提高相应级的幅射效率。

2.为保护电声换能器各重磁场不受外界动态和静态磁场干扰，并能防尘、防机械损伤，特别是防止磁性物质如铁磁物质落入换能器内，损坏元部件、破坏磁场分布，阻碍动圈自由运动以至损坏扬声器，全频谱电声换能器的外壳兼保护罩用磁性材料板网制成平面、曲面、波纹面或其组合的磁性封闭体，构成磁屏蔽，表面有带小孔的织物并可有装饰物或图案。

用于全频谱n分频扬声器的外壳兼保护罩由盆架和盆口保护罩组成，其中盆架（P）由磁性材料构成，呈框架结构;有足够支撑承重（承载整个扬声器及其振动）力和强度。其框孔应带有磁性材料构成的网，与用磁性材料板网制成平面、曲面、波纹面或其组合的盆口保护罩（F），共同形成磁性封闭体，构成完整的磁屏蔽，表面有带小孔的织物，既可通过声波又用以防尘，并可加装饰物或图案。

作为本发明的实施例结合图1进一步说明：

图1为4分频电声换能器沿中轴线的全剖面图，图中元部件均以中轴线为对称轴安装。一园柱形永磁体（C₁）顶面固结园盘导磁体（T₁），它们的外侧和园筒杯形导磁体（T₀）内壁之间从小到大同心、同轴逐级平行套装外磁式扬声器用的环状、轴向磁化永磁体C₂、C₃、C₄和上端面有3级阶梯的导磁体T₂、T₃、T₄（形状如图所示）;其中各永磁体的外径小于对应导磁体的外径，各永磁体的内径大于各对应导磁体的内径（如图1所示）。在各导磁体之间形成4级同心、同轴、平行、对称、均匀的环状径向磁场，在这4级磁场中，分别同心、同轴，平行安装与响应频段适配的4套电声换能元件-分别固结着各自振动体（Z₁、Z₂、Z₃、Z₄）的动圈（D₁、D₂、D₃、D₄），使各动圈能在各自磁场中轴向运动自如;各频段线圈两端用绝缘导线作电流引出线，经磁路上各导磁体上就近的气孔（兼做导线引出线孔）（K）引出，接至用螺钉固定在盆架（P）或园筒杯形导磁体（T₀）壁上的绝缘接线板（J）的接线支点（4×2个）上，声电流由此出入。

超高频振动体（Z₁），采用金属球顶形振动膜，球顶底半径与动圈D₁半径相等，其周边外为相同金属膜的平面园环，环的外半径与导磁体（T₂）上的第二级阶梯的外半径相等，该环固结在该阶沿上（如图1所示）。动圈（D₁）的线圈两端用绝缘导线（X）引出并固结在该平面园环下，经导磁体（T₂）侧孔（K）和杯形导磁体（T₀）侧面或底上的气孔（K）引至绝缘接线板（J）的两个接线点上。

高频振动体（Z₂），采用金属球顶形振动膜，球顶底半径与动圈（D₂）半径相等，其周边外为被垂直于对称轴的平面所截得园柱环面的一部分，其内径等于动圈（D₂）的外径、其外径与导磁体（T₃）上的第二级阶梯的内径相等，该园柱环面外接一平面园环，与导磁体（T₃）上的第二级阶梯环面大小相同，并与之固结。动圈（D₂）的线圈两端用绝缘导线（X）引出并固结在该园柱环面下，经导磁体（T₃）轴向侧孔和杯形导磁体（T₀）底上的气孔（K）引至绝缘接线板（J）的两个接线点上。

中频振动体（Z₃），采用常用振膜材料（布基涂料、塑料、纸等）制成的球顶形振动膜，球顶底半径与动圈（D₃）半径相等，其周边外为被垂直于对称轴的平面所截得园柱环面的一部分，它的内径等于动圈（D₃）的外径、其外径与导磁体（T₄）上的第三级阶梯的内径相等，该园环柱面外接一与导磁体（T₄）上的第三级阶梯环面大小相同的平面园环，并与之固结。在振动体（Z₃）的园环柱面与动圈（D₃）相结处之下，固结一个内径等于动圈（D₃）外径的弹性定心支片（B），支片外沿固结在导磁体（T₄）的第二阶沿上（如图1所示）。动圈（D₃）的线圈两端用绝缘导线（X）引出并固结在该园柱环面下，经导磁体（T₄）轴向侧孔和杯形导磁体（T₀）底上的气孔（K）引至绝缘接线板（J）的两个接线点上。

低频振动体（Z₄），采用常用振膜材料（布基涂料、塑料、纸等）制成的球顶形振动膜，球顶底半径与动圈（D₄）半径相等，其周边外为喇叭形，下口径等于动圈（D₄）的半径、上口边沿加布基涂料（或橡胶）拆环（H）1～2个，固结于盆架（P）上口边沿，可加有压边环（Y）。在振动体（Z₄）喇叭下口与动圈（D₄）相结处之下，固结一个内径等于动圈（D₄）外径的弹性定心支片（B），其外沿固结在盆架（P）的第二阶沿上（如图1所示）。动圈（D₄）的线圈引出线（X）经盆架（P）的侧孔（K）引至绝缘接线板（J）上的两个接线点上。

为减少各振动体振动时的空气阻力，在各导磁体第二阶梯和园筒杯体底部和底边环轴向均匀分布通气孔兼作导线引出线孔（K）6～30个。

如上安装完成，即构成全频谱套环式4分频电声换能器。

作为本发明的实施例、最佳实施例进一步说明如下。

例一：套环整体式二分频电声换能器：

如图6，用一个环形轴向磁化永磁体（C），（T₁）可以是园柱形导磁体（为加强磁场也可用园柱形轴向磁化永磁体，其顶面是导磁体园盘），与T₁、T₂和T₀如图6安装，即形成两重同心环状磁场，再安装上与之一一对应的Z₁、Z₂，D₁、D₂、声隔离反射器（G）、磁性防护罩（F）和相应附件即成二分频套环整体式电声换能器。本例的特点和优点是可用一个环状磁体即形成具有二级同心磁场的磁路系统，制成二频段电声换能系统，比现有技术制成的二扬声器音箱不但节省一套磁路元件，而且克服了声源位置失真等缺点;缩小了音箱体积，也可省去音箱箱体。

例二：套环三分频电声换能器：

如图1，取n＝3，为节省永磁体，采用C₂，C₃二个轴向磁化永磁体，C₃磁极性与C₂磁极性反向同心安装，C₁、T₁、T₂、T₃和T₀采用工业纯铁，Z₁、Z₂、Z₃和D₁、D₂、D₃，如图1安装，加装相应附件，即成高、中、低音三分频套环整体式电声换能器。

例三：套环四分频电声换能器：

如图1取n＝4，为节省永磁体又有强劲磁场，C₂、C₄采用轴向磁化高磁能积稀土永磁合金环形永磁体，为提高特高频和高频响应效率，T₁、T₂采用坡莫合金，为降低造价，T₃、T₄和T₀采用工业纯铁制成，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄采用如图1所示振动膜，Z₄折边用2道环形橡皮折边，Z₃折边用1道环形布基-涂塑折环，D₁、D₂、D₃、D₄均为动圈，加上所有附件，即可制成全频谱4分频套环整体式扬声器。本例的特点和优点是只用二个环状磁体即形成具有四级同心磁场的磁路系统，制成四频段电声换能系统，比现有技术制成的四扬声器音箱不但节省两套磁路元件及附件，而且克服了声源位置失真等缺点。

例四：套环叠磁整体式四分频电声换能器：

如图5安装即成;由于C₃、C₄磁体实有体积大，内含磁能多，其间又有导磁体，故磁路短，磁隙磁场强度高，因而换能灵敏度和换能效率更高。

例五：双向套环叠磁式电声换能器：将例一、二、三、四任意两个相背设置即成;除具有上述各例优点外，还能使原扬声器只能直接向半空间辐射，扩大为直接向全空间辐射，形成全空间声场。

综上所述，本发明提出合理设置同轴、同心n重磁场和与之一一对应、同心放置、几何尺寸和机械振动特性都不同的n重电声换能元件之间相互作用，制成能响应全频谱声振动的电声换能装置，无论各振动体的结构、材料、大小如何差异，其几何位置和轴对称性决定它们的声振动是同心发出的，从而克服了用现有技术制成的音响设备的声源位置的线性分布、平面分布和空间分布的失真;如果按需适当选择设置n个具有响应布满（包括互补）所需频响带的电声换能级，按本发明的技术方案制成的电声换能器，必然实现满足所需全频宽的电声响应设备。因此，制成总体效果为具有理想频带宽度、频响特性平坦均匀、克服声源位置失真的音响装置是现实的。其效果和优点如下：

1.一个电声换能器能实现声振动全频谱电声换能，并可逆，用途广泛。

2.解决了分频段多扬声器组合音箱响应的声源平面分布的位置失真问题。

3.解决了同轴组合扬声器声源沿轴线分布的声源位置失真问题。

4.解决了“同轴双频组合扬声器”的频宽不足问题。

5.音箱体积相对大为缩小或免去箱体。

6.节省结构元件，对n分频组合音响设备而言，可节省永磁体n/2个及若干相应元件，造价降低。

7.使小型微型电声换能器的分频响应成为可能，包括制成线度1″以下的分频式高性能小型扬声器、耳机和传声器，并有效增宽响应频带。

8.可按需设置多个频段，有效扩宽音响设备响应频带。

9.充分利用n个可选频段，使各个振动体的最佳频响带均匀布满声域全频谱，获得全频谱均匀响应的电声换能效果。

10.由磁性防护罩和盆架及其上的磁性网体构成的全封闭磁屏蔽，使电声换能器内磁场免受外界动态和静态磁场干扰，音质更加纯净。

11.各频段振动体间所设声隔离反射器，有效的防止了各频段振动体声振动波的相互干涉，并提高相应频段电声换能效率和声辐射效率。

12.应用内置电信号分频器电容、电感一体化元件，实现电声换能器一体化。

从而使人们获得高保真、高品质音响享受。

Claims (4)

1、一种全频谱电声换能器由磁体、电声换能元件-动圈固结振动体、动圈绝缘导电引出线、压边环、外壳兼防护罩或盆架(支架)和保护罩、弹性定心支片，绝缘接线板、外置或内置分频器构成，并可装有声隔离反射器，其特征在于：由整体式或组合式的导磁体和磁性体(激磁式-电磁式、永磁式)制成套环式、塔轮式、叠磁式或其组合构成单向式或双向式的n(≥2)重从小到大的同心、同轴、环状、轴向投影为同心园环的径向磁场，再同心、同轴分别安装与各级同心磁场和频响段适配的电声换能元件-动圈固结振动体，使各动圈能在各自磁场中轴向自由运动，响应各自频段的声振动。

2、根据权利要求1所述的全频谱电声换能器中的声隔离反射器G其特征在于具有支撑、定位同级换能元件并吸收其间的声辐射、隔离两相邻振动体声振动、防止声波的相互干涉、其外壁反射其外侧振动体发出的声幅射，提高总幅射效率作用的、用厚度大于等于0.2mm的硬质材料构成的中截线为直线、曲线、折线或波纹线旋转面的截锥形，内壁可粘贴有吸声材料。

3、根据权利要求1所述的全频谱电声换能器中所安装的外壳兼防护罩或盆架（支架）和保护罩;其特征在于：具有保护电声换能器各重磁场不受外界动态和静态磁场干扰，并能防尘、防机械损伤，特别是防止磁性物质落入电声换能器内，损坏元部件、破坏磁场分布，阻碍动圈自由运动以至损坏电声换能器作用的用磁性材料板、网制成平面、曲面、波纹面或其组合的磁性封闭体，构成磁屏蔽，表面有带小孔的织物并可有装饰物或图案。

4、根据权利要求1所述的内置分频器，由电容、电感构成;其特征在于：各频段分频器所用电容元件，以金属箔带和绝缘带相间、平行卷绕在直径略大于该频段对应磁性元件（C）直径的绝缘簿壳园筒上，引出电容电极;其外壁以绝缘金属导线平绕其上，形成电感元件，引出电感电极，构成一体化筒状电容、电感元件。

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