CN112585996A - 双音圈扬声器变换器单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扬声器驱动器，包括具有至少一个间隙的磁体系统，其中在每个间隙中，音圈组件被布置为在间隙中运动，其中任意两个不同的线圈被布置在音圈组件上，一个线圈在另一个线圈之上，并且磁体系统包括两个极片，一个极片在另一个极片之上，在所述极片和磁轭之间产生一对磁化区域，使得在每个极片和磁轭之间产生磁通量场。在可选方案中，提供了两个同心间隙，其中音圈组件包括两个同心布置的子音圈，其中每个子音圈设置有不同的音圈，并且磁体组件具有两个同心布置的磁环，磁环的中心布置有磁轭，从而产生两个同心间隙，并且音圈组件基本上正交于间隙中的通量场移动，并且进一步地，每个极片的面向间隙的至少一部分由软磁复合(SMC)材料制成。

Description

双音圈扬声器变换器单元

发明领域

本发明涉及扬声器驱动器。这种驱动器用于扬声器，将来自放大器或类似装置的功率信号转换成声音。

发明背景

在本领域中，已经对磁体系统的构造提出了许多不同的解决方案。当使用磁体系统作为通过移动薄膜来产生声音的驱动器时，通常在磁体系统的两个部分之间布置间隙，使得将有跨过该间隙布置的磁通量场。在该间隙中布置有音圈。响应于在线圈中感应的交流电，音圈将在通量场中移动。磁体的磁通量场将迫使线圈在磁通量场中在基本上垂直于构成通量场的磁通线(flux line)的方向并且垂直于电流的方向上移动。当音圈附着在薄膜上时，音圈中的交流电会产生来自于扬声器的声音。

在本领域中，通常有两种类型的磁体组件设计，第一种是悬垂的，其中相对较宽的音圈布置在相对较窄的间隙中，以这样的方式使得线圈的实际延伸超过间隙的实际延伸。通常应用的另一个原理是所谓的下悬系统，其中相对较窄的线圈被布置在相对较宽的间隙中，以这样的方式使得间隙的实际延伸超过音圈的实际延伸。

本发明适用于两种类型的设计以及中性悬挂设计，即音圈和间隙具有相同尺寸的设计。

一般来说，希望在整个气隙获得尽可能线性的磁场，以避免产生的声音失真。涡电流会产生失真，因此希望在气隙中产生基本上没有涡电流的磁通量。

在扬声器中精确再现声音的一个先决条件是，由扬声器的运动薄膜产生的声波尽可能真实地代表提供给扬声器的电压。各种各样的参数影响产生的声波的波形的准确性。对所产生声音的准确度有很大影响的一个重要参数是提供给扬声器的电信号和薄膜的实际运动之间的线性度。

影响薄膜运动准确度的参数至少有两个。为了获得薄膜对所提供电信号的高保真响应，薄膜的实际运动应该对电信号作出线性响应。为了实现薄膜的这种线性响应，容纳线圈的间隙中的磁通量必须尽可能均匀。通量越均匀，产生的失真越小。

此外，重要的是，B场的衰减(roll-off)强度尽可能对称，在于根据与间隙中心的距离而代表B场的曲线应该在从间隙中心开始的任一实际方向上表现出相似的特性。因此，根据与间隙中心的距离而代表B场的曲线应该尽可能在落入间隙内的距离以及刚好落在间隙外的距离上围绕间隙中心对称。以这种方式，可以减少所谓的偶次谐波失真。此外，在间隙外具有对称的B场的衰减强度意味着线圈可以部分离开间隙，而不会引起任何不可接受的失真。换句话说，在围绕气隙的导电构件之间的磁通量场中存在的涡电流越少，通量场的线性就越好，因此音圈在整个气隙上、并且从而在扬声器的范围内以线性方式的响应就越好。

SMC材料的特性取决于SMC的组成，即颗粒尺寸、形状、添加剂等。但是对于本发明，已经发现被具有减少的空气空隙含量的无机电绝缘化合物覆盖的颗粒提供了上面已经提到的优点。

在另一个有利的实施例中，整个磁轭和/或整个顶板由软磁复合材料制成。

SMC材料的特性是使得例如通过压力(将铁和SMC熔合在一起)能够将铁和SMC连接在一起，以这种方式，当一种材料到另一种材料存在限制时，基本上是不可区分的。因此，有可能生产利用铁零件锻造的复合材料的原始材料块，然后将这些块加工成所需的形状。

SMC材料与其他材料的区别在于铁粉颗粒在陶瓷烧结过程中结合在一起，其中形成氧化物层作为颗粒之间的连接边界层。与使用聚合物将颗粒连接/结合在一起的其他材料相反，提供了坚固和刚性的连接。这种聚合物虽然具有很好的电绝缘性能，但对温度变化很敏感。在使用中，扬声器的磁体系统将被加热，由此聚合物结合材料将变得越来越具有可塑性和可形变性。这将造成材料的变形，由此所产生的声音失真。

在本领域中，提出了许多不同的驱动器结构。所讨论的本发明是双线圈型的，这意味着在音圈上布置了两个独立且不同的线圈，并且磁体系统具有两个极片，这两个极片相对于磁轭布置有气隙，从而产生两个通量场。音圈被通电，从而由于电磁力而在气隙/通量场中移动。当薄膜附着到音圈时，薄膜将随着音圈移动，从而激活/激发环境空气(或空气中的颗粒)，产生对应于激活磁体和音圈之间的电磁关系的电信号的声音。

US6,768,806公开了一种双线圈扬声器驱动器的示例。为了改善和/或控制失真等，该扬声器驱动器在结构的不同位置使用短路环。

发明目的

本发明的目的是以简化的方式提高现有技术扬声器驱动器的性能。

发明描述

因此，本发明涉及一种扬声器驱动器，其包括具有至少一个间隙的磁体系统，其中，在每个间隙中，音圈组件被布置为在间隙中运动，其中任意两个不同的线圈被布置在音圈组件上，一个线圈在另一个线圈之上，并且磁体系统包括两个极片，一个极片在另一个极片之上，在所述极片和磁轭之间产生一对磁化区域，使得在每个极片和磁轭之间产生磁通量场，或者提供两个同心间隙，其中音圈组件包括两个同心布置的子音圈，其中每个子音圈设置有不同的线圈，并且磁体组件具有两个同心布置的磁环，磁环的中心布置有磁轭，从而产生两个同心间隙，并且音圈组件基本上正交于间隙中的通量场移动，并且进一步地，每个极片的面向间隙的至少一部分由软磁复合(SMC)材料制成。

特别是对软磁复合材料(SMC)的使用在间隙中提供了极低的涡电流的产生。因为这些材料通常比用于电磁驱动单元的传统铁材料更昂贵，所以仅将软磁复合材料(SMC)布置在涡电流可能影响音圈的地方是有利的。

SMC是一种各向同性的铁基材料，具有非常低的电导率，但具有非常高的磁导率和高饱和磁感应。有了这些特性，通量饱和度非常高，由此产生的磁通量变得更加均匀和一致。

表1相关参数的相对比较。

对于如上所述的电磁驱动单元类型的扬声器驱动器，重要的是具有高磁导率，但是导电特性尽可能小。导电材料将有助于涡电流的产生，从而产生上面已经提到的失真。SMC材料是一种不良电导体，但由于其含铁量相对较高，因此具有很好的磁导率。相比之下，例如纯铁的电阻(也参见表1)约为0.097μΩm，对于烧结的铁粉材料，相应的电阻为1.0μΩm，而对于SMC材料，根据软磁复合材料的组成，它们的电阻约为400-8000μΩm。因此，使用SMC材料来产生通量场，保持了磁导率，而电导率比传统铁产品小大约10,000倍，由此涡电流的产生急剧最小化。因此，气隙中的通量场将更加均匀，从而呈现增加的线性。

影响通量场随时间推移的性能的另一个因素是材料的磁滞磁性，例如在GB2022362中讨论过。由于其固有的结构具有相对较差的导电性，SMC材料还将具有与材料的磁滞磁性相关的改善的线性。

在本发明的变型中，提供了两个同心间隙，并且音圈组件包括两个同心布置的子音圈，使得每个子音圈设置有不同的线圈，并且磁体组件具有两个同心布置的磁环，磁环在中心布置有磁轭，由此产生两个同心间隙，子线圈布置在每个间隙中。音圈和间隙的这种布置提供了非常浅的结构高度，但是相对于其尺寸而言，仍然是非常强大的变换器单元。

在另一个实施例中，音圈上的两个不同的线圈以相反的方向被极化。以这种方式，当两个线圈在通量场中移动时产生的自感基本上被彼此抵消。如果极片是由铁制成的，铁系统中涡电流的产生会使两个线圈相互屏蔽，从而不会产生抵消效应。然而，使用SMC可以将涡电流的产生减少100-10000倍，见上表。此外，在高频率下，这种现象更加明显，因此使用SMC变得更加有利。

在另一个实施例中，每个极片具有正交于通量场的范围(extent)“a”，并且每个音圈相对于极片布置，使得音圈在未极化时延伸到通量场中1/2a的距离。

显然，通量场以线性和非线性的方式从极片延伸到磁轭，但是至少为了该实施例的目的，所参考的通量场应被解释为通量场的最强部分，即极片和磁轭之间的基本线性的磁通线。

音圈未被极化的状态旨在表示线圈中没有电流，因此没有磁场产生的情况。

通过根据该实施例布置线圈，在任何一个时间，在通量场中都存在基本恒定的音圈长度。当一个音圈移出通量场时，另一个音圈进一步移入通量场。以这种方式，在变换器中转换均匀的“功率”。

在一个实施例中，每个极片具有正交于通量场的范围“a”，并且每个音圈在未极化时相对于极片布置，使得每个音圈在正交于通量场的每个音圈的范围内1/2a的距离重叠。利用这种布置，可以实现相同的效果，即在任何时候，间隙中存在基本相同长度的音圈。

在扬声器的另一个实施例中，音圈以音圈之间的最小距离布置。

在这种情况下，最小距离由至少两个因素决定，第一个因素是极片和分隔极片的磁体的物理尺寸。由于磁体将在极片之间产生间隔，这允许构件(音圈布置在其上)在间隙中具有一定长度，以容纳线圈。线圈的长度(即绕组的数量)也是一个限制因素，即绕组越多，在间隙中延伸得越长。因此，认为技术人员在实施本发明时会认识到这些限制因素。极片和分离磁体的设计受扬声器本身所需特性影响。

最小距离也是受该事实决定的--即音圈在非极化状态下延伸到磁场中1/2a的距离。

在另一个实施例中，音圈以音圈之间的最大距离布置。

此外，这种布置受到外部因素的限制，尤其受该事实的限制--即音圈在非极化状态下延伸到通量场中1/2a的距离。该实施例对极片和分离磁体之间的几何关系不太敏感。

一般来说，希望在间隙中有尽可能多的线圈材料。出于这个原因，在另一个实施例中，扬声器设置有音圈，其中绕组由具有四边横截面的导电线制成。不希望有多于一层的绕组，但是同时，希望在音圈中具有尽可能多的传导材料。如果存在多层绕组，多层绕组在通电时会产生不可控磁场。然而，通过使用具有矩形或正方形横截面(四边横截面)的导线，与具有圆形横截面的导线相比，导电材料密度增加。

在另一个实施例中，磁轭设置有通量聚焦装置，并且可选地，与磁轭上的通量聚焦装置相对的极片设置有通量聚焦装置。

通量聚焦装置通常是极片和磁轭各自的环形突起，在通量场的方向上分别朝向磁轭和极片延伸，使得来自饱和极片和磁轭的通量将被聚焦，从而在通量场中提供更好的线性。通量聚焦装置朝向间隙的材料(分别制造极片和磁轭)也可以是锥形的或厚度渐小的。

同样，与铁相比，使用SMC是非常有利的，因为由于没有涡电流，线圈可以“察觉”彼此，并且以这种方式抵消或消除产生的涡电流，其中由于涡电流会相互抵消，因此铁极片不会受益。在聚焦的通量场中，铁的这种效应会增加，并对扬声器的性能造成不利影响。

以这种方式使用SMC提供了更强的B场(从磁体传递到线圈导线的力)。

附图说明

现在将参考附图描述本发明。

在图1中示出了扬声器驱动器的一部分；

在图2中，示出了一个实施例的两种变型，其中两个音圈以不同的方式布置在间隙中；

在图3和图4中，各种材料组合的相应电感被示为频率的函数；

在图5a和图5b中，示出了设置有特殊的通量聚焦装置的双线圈系统；

在图6中，示出了具有两个同心间隙和音圈的变换器单元的横截面。

发明的详细描述

在图1中示出了根据本发明的扬声器驱动器的一部分。在图中示出了扬声器驱动器1的一部分，其中气隙10布置在磁轭12和两个极片14、16之间。以这种方式，在每个极片14、16和磁轭12之间产生两个不同的磁通量场20、22。音圈组件30具有布置在音圈上的两个不同的线圈32、34，其中两个不同的线圈32、34被布置成位于单独的通量场20、22中。音圈32、34已经被安装成使得它们具有相反的极性，由此两个线圈32、34中的自感基本上相互抵消。以这样的方式，系统的自感大大降低。

每个极片的面向间隙的至少一部分14’、16’由软磁复合(SMC)材料制成。由于SMC比常规铁更贵，所以对SMC的使用考虑到了相关的成本和获得的性能。整个极片和磁轭可以由SMC制造。

SMC材料在间隙中提供极低的涡电流的产生，因此特别是当在间隙中使用两个不同的音圈32、34时，音圈中涡电流的显著减少有助于两个线圈不相互干扰，使得它们可以在音圈组件30上彼此非常靠近地布置。以这种方式，可以构造强大(由于两个线圈)但非常紧凑的驱动器单元。

表1(见上文)列出了典型材料的传导特性。从表中可以明显看出，根据SMC材料的成分，SMC相对于所列出的其它材料减少涡电流在100-10,000倍之间，特别是相对于普通铁，减少大约10,000倍。对于这些类型的系统来说，这是显著的减少。

在图2中，示出了一个实施例的两种变型，其中与上面参照图1描述的实施例相比，两个音圈以不同的方式布置在间隙10中。极片的厚度正交于通量场“a”。

在图2中右手侧所示的实施例中，音圈32、34移位1/2a，使得上部音圈32延伸1/2a到由极片14和磁轭12产生的通量场中。同样，音圈34延伸1/2a到由极片16和磁轭12产生的通量场中。

在左手侧所示的变型中，音圈32’、34’同样延伸1/2a到由极片14、16和磁轭12产生的通量场中。由于极片14、16的至少一部分由SMC材料制成的事实，音圈可以布置得非常接近(如图2所示实施例的左手侧变型所示)，而不会相互干扰。通过这种布置，进一步实现了当音圈30在间隙20中上下移动时，音圈32、34、32’、34’在通量场中呈现基本恒定的长度。

在图2中，极片14、16未示出为具有面向气隙的SMC材料，但是自然地，每个极片的面向间隙的至少一部分同样可以由软磁合成物制成。当要获得如上所述的益处时，这一点尤其重要，特别是当音圈32’、34’布置得非常接近时，如图2所示的实施例的左手侧的变型的情况。

通过如图2所示布置音圈，实现了几乎完美的对称，因为音圈将移动，使得当一个线圈的一部分离开其各自的通量场时，另一个线圈被迫进一步进入其各自的通量场。

在图3、图4和图5中，各种材料组合的相应电感被示为频率的函数。

SMC材料相对于铁基材料的基本用途在于SMC降低自感。

在图3中，示出了SMC基的变换器单元的性能。这些曲线是实验室大量测试的结果，因此反映了从双线圈驱动器导出的实际测量结果。

电感从大约1000Hz开始并且向上(中调扬声器朝向高音扬声器)增加。上部曲线40示出了分别是两个线圈的电感的合计，而曲线42示出了分别是各个线圈的电感(即线圈相同，但是在相反方向上缠绕)。

该曲线示出了如上参照图1和图2所述构建的驱动单元，其中在极片和磁轭上使用SMC材料。很明显，产生的电感抵消到低于每个单独线圈的值(即1+1等于2以上)。因此，当分别测量两个线圈时，两个线圈具有有益的关系，产生了比原本预期更好的阻尼。

图4中示出了相应的图案，其中驱动器由传统的铁基材料制成。这个系统的电感似乎只是有在线圈总数和每个独立线圈之间的一定程度的抵消。

总的来说，SMC采用如上所述的双线圈布置抵消到铁基材料大约相同的水平，因此同时获得了铁的优点和SMC的优异特性。

由于SMC与铁相比的电导率较低(见上表1)，因此通过使用SMC，与铁相比，大大减少了涡电流(因数为100至10000)。非常小的涡电流和本发明中提出的紧凑结构的结合确保了两个线圈的自感基本上被补偿/抵消，同时线圈将暴露于(能够察觉)等量的铁，从而在结构中产生对称，有利于系统的最终特性。

由于涡电流的存在相对较高，特别是在较高的频率下，涡电流损耗显著，因此铁系统将两个线圈相互屏蔽，而SMC基的系统以及由此固有的涡电流非常低，因此线圈可以在所有频率处彼此察觉，确保在整个频率范围内提高性能。

在图5a中，双线圈系统设置有特殊的通量聚焦装置46、47、48、49，由此间隙20中的磁通量场更加聚焦。由于音圈(30)上的线圈(32，34)之间相对较大的距离，以及SMC材料可以彼此察觉的事实(在铁系统中不是这种情况)，因此与可比的铁系统相比，聚焦的通量场具有较大的影响。另一方面，对于B场，还希望在两个极片(14，16)之间提供相对厚的磁体(50)，以便将极片隔开。

在图5b中，示意性地示出了扬声器驱动器1的平面图，该扬声器驱动器1包括由极片14、16包围的磁轭12，在磁轭12和极片14、16之间设置有气隙20，音圈(未示出)在该气隙20中往复进出该图的平面。通量聚焦装置46、47、48、49在该实施例中为环形突起的形状，分别与磁轭和极片紧密且传导地接触，使得来自磁轭和极片的磁通量可以集中在气隙上。

在图6中，示出了具有两个间隙10、10’的变换器的横截面。间隙10、10’围绕磁轭12’同心布置。在每个圆形间隙10、10’中布置有音圈32’、34’。如参照图1所解释的情况，在间隙10、10’中产生了两个不同的通量场20’、22’。在间隙10、10’的任一侧布置有SMC材料。实际上，极片14″、16″是布置在环形磁体60顶部的SMC材料的环。环形磁体60通过铁片61接触。

音圈32’、34’布置在间隙10、10’中，并由音圈组件板62保持，其直接或间接与扬声器薄膜/锥体(未示出)接触。

Claims (9)

1.一种扬声器驱动器，包括具有至少一个间隙的磁体系统，其中，在每个间隙中，音圈组件被布置为在所述间隙中运动，其中任意两个不同的线圈被布置在所述音圈组件上，一个线圈在另一个线圈之上，并且所述磁体系统包括两个极片，一个极片在另一个极片之上，在所述极片和磁轭之间产生一对磁化区域，使得在每个极片和磁轭之间产生磁通量场，或者提供两个同心间隙，其中所述音圈组件包括两个同心布置的子音圈，其中每个子音圈设置有不同的音圈，并且所述磁体组件具有两个同心布置的磁环，所述磁环的中心布置有磁轭，从而产生两个同心间隙，并且所述音圈组件基本上正交于所述间隙中的通量场移动，并且进一步地，每个极片的面向所述间隙的至少一部分由软磁复合(SMC)材料制成。

2.根据权利要求1所述的扬声器驱动器，其中，所述音圈组件上的或每个音圈组件上的所述两个不同的线圈在相反的方向上极化。

3.根据权利要求1所述的扬声器驱动器，其中，每个极片具有正交于所述通量场的范围“a”，并且其中每个音圈在未极化时相对于所述极片布置，使得所述音圈的范围延伸到所述通量场中1/2a的距离。

4.根据权利要求3所述的扬声器驱动器，其中，当所述音圈被布置在同一音圈上时，所述线圈以所述音圈之间的最小距离被布置。

5.根据权利要求3所述的扬声器驱动器，其中，当所述音圈被布置在同一音圈上时，所述线圈以所述音圈之间的最大距离被布置。

6.根据权利要求1所述的扬声器，其中，所述磁轭设置有通量聚焦装置，并且其中可选地，与所述磁轭上的所述通量聚焦装置相对的所述极片也设置有通量聚焦装置。

7.根据权利要求6所述的扬声器，其中，所述通量聚焦装置朝向分别制造极片和磁轭的材料的边缘是锥形的或厚度渐小的。

8.根据权利要求1所述的扬声器，其中，绕组由具有四边横截面的导电线制成。

9.根据权利要求1所述的扬声器，其中，所述同心布置的子音圈连接到正交于所述线圈运动方向布置的板。

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