CN1240326A - 电声换能设备耦合全对称磁场结构 - Google Patents

Abstract

本发明用于扬声器、耳机或话筒等电声换能设备中的耦合全对称磁场结构,包括由主磁钢、音圈、铁板、T铁或连体铁罩形成的主磁场结构,其特征在于主磁场结构外设置稳定校正磁钢,主磁钢与稳定校正磁钢的磁场密切耦合,使罐形磁路的极靴间隙磁场为匀强磁场并有最佳的磁力线分布,显著改善电声换能设备互调失真、瞬态失真、谐波失真、相位失真,扩大有效频响并消除频响曲线中的凹谷,显著提高电声换能设备的品质。

Description

电声换能设备耦合全对称磁场结构

本发明属于电声换能设备技术领域，具体涉及用于扬声器、耳机或话筒等电声设备中的耦合全对称磁场结构。

近数十年来，数码科技的兴起把人们带入了一个从未有过的美妙影音天地，促使人们对节目源的制作到音响器材的设计与改良提出了很高的要求。而扬声器、耳机和话筒是声频录、放系统的终端，也是整个声频系统最薄弱的环节。它们的电声指标往往比声频系统的其它环节几乎要低一个数量级，严重影响整套电声换能设备的鉴听放声效果。当前主要运用以下三类技术手段来改善扬声器放声指标：①对扬声器本身结构和组成材料的改进；②运用电子电路补偿扬声器放声的某些不足；③运用特殊的箱体抑制或改善扬声器某些固有指标(但主要用于低频扬声器)。(参见：①《音响技术》96年合订本5-28页标题“扬声器失真对音质的影响及其消除方法”、6-5页标准“德国CANTON音箱的有源低频失真修正”；②《音响技术》95合订本2-30页标题“音箱漫谈一”、3-17页标题“音箱漫谈二”；③《无线电与电视》1997年版8期3-35页“介绍几种扬声器的新技术和新材料”，1997年版11期11-12页“扬声器设计新理念—松下SB-M10000扬声器系统”。)上述第一类技术的手段主要是：①对磁路结构的改进。如全对称磁路配合长音圈以及很少采用的双磁体(外磁式)，主要改善扬声器放声时偶次谐波失真(表现在中频段和中低频段)；②对扬声器特定部位结构的改进。如法国FOCAL公司的“自由的机械振动”、丹麦皇冠的“抗谐振相位技术”、英国KEF公司、天朗公司的“同轴发声技术”等等；③运用新颖材料。如超强钕铁硼磁、新式复合振膜(防弹布、液晶聚合物、聚丙烯、金属振膜等等)。但以上技术手段都不能显著改善单只扬声器或扬声器箱的互调失真、瞬态失真、谐波失真、相位失真以及单只扬声器频响曲线中的许多凹谷，并且频率的指向性、设备的灵敏度仍然较差，仍存在高灵敏度与高音质相矛盾的情况。为此高级音箱的分频线路(主要为无源分频)变得十分复杂，并造成各扬声器间的相位极难控制一致，扬声器和音箱的制作成本大幅提高，对于正确重现音乐本质的音响设备普及推广造成重大的困难。

扬声器、耳机、话筒基本原理及核心部分就是音圈在罐形磁路的极靴磁场中(或音圈固定，导磁极板振动)作随输入音圈电流波形变化相一致的活塞运动，这必须具备两个要素：①音圈作活塞运动时极靴间隙两边缘磁通必须均匀；②罐形磁路的极靴间隙磁场是匀强磁场。而现有的磁场结构中存在两个问题：一是磁钢的生产压制工艺造成磁钢两面密度不均，造成磁钢南北极磁场强度差异大，导致极靴间隙磁场为非匀强磁场，使音圈(或导磁极板)在离开平衡位置的两边位移量不一致；二是罐形磁路的两极导磁铁板的路径差异造成两极铁板的磁阻差异过大。而现有音圈通常由2层以上的线圈组成，由于磁隙间距很小，在非匀强磁场中内外层线圈的受力情况不一样，音圈所受磁场力是几层线圈的合力。这些原因造成扬声器、耳机、话筒较大的互调失真、瞬态失真、谐波失真、相位失真及频率指向性、灵敏度差等缺陷，并成为整个高保真音响系统中的瓶颈。

本发明的目的在于针对现有电声换能设备基础结构缺陷及其技术存在的上述不足，采用主磁钢加稳定校正磁钢形式，使罐形磁路的极靴间隙磁场为匀强磁场，从而可显著改善电声换能设备互调失真、瞬态失真、谐波失真、相位失真以及频率指向性和灵敏度，消除频响曲线中的凹谷并扩大有效频响范围的电声换能设备耦合全对称磁场结构。

本发明在现有电声换能设备如扬声器、耳机或话筒中，对由主磁钢、音圈、铁板、T铁或连体铁罩形成的主磁场结构外与主磁钢对应设置稳定校正磁钢，主磁钢与稳定校正磁钢相接近端极性相同，使两磁钢磁场密切耦合，致使罐形磁路的极靴间隙磁场近似于匀强磁场，可视为匀强磁场。

其中主磁场结构内设T铁的电声换能设备是在主磁场结构底部或内底部与主磁钢相对的位置粘接稳定校正磁钢，该稳定校正磁钢既可为空心也可为实心，空心或实心稳定校正磁钢的外径值为主磁钢内径值的60-125％，空心稳定校正磁钢的内径值为T铁柱蕊直径的30-125％。另一种主磁场结构内设连体铁罩的电声换能设备是在主磁场结构底部与主磁钢位置相对粘接有空心稳定校正磁钢，空心稳定校正磁钢的内径值为主磁钢外径值的60％-125％。上述的稳定校正磁钢的磁场强度是主磁钢低密度面磁场强度的1/2-1/11，使极靴间隙磁场为匀强磁场并有最佳的磁力线分布。

通常稳定校正磁钢粘接在主磁钢低密度面这端，可获得平直的频响特性曲线，但当电声换能设备的高、中、低音存在相位差时，也可将稳定校正磁钢粘接在主磁钢高密度面一端，可极大提高低频瞬态指标。

本发明的优点是：

1.在原有主磁场结构基础上外加主磁钢低密度面磁场强度1/2-1/11的稳定校正磁钢，并通过对稳定校正磁钢的内外径值进行限定，从而加强了主磁钢同稳定校正磁钢的磁场密切耦合，使极靴间隙磁场为匀强磁场并有最佳的磁力线分布。稳定校正磁钢的重要作用有两方面：一是稳定并校正T铁或连体铁罩对主磁场单极磁力线的传导，并有最佳的磁力线分布，显著降低它们因自身磁阻过大而对主磁场传导变小的影响。二是准确校正主磁钢单极磁场强度，使极靴间隙磁场为匀强磁场。这样能显著降低扬声器、耳机和话筒的瞬态失真、互调失真、相位失真或谐波失真，消除了它们频响曲线中凹谷，使之变得平直并扩大有效频响范围，从而使扬声器、耳机、话筒品质易于控制，并显著提高其电声性能指标、频率指向性和主磁钢磁场利用率，明显提高电声换能设备的灵敏度，能很好解决高灵敏度与高音质不相协调一致的问题，适合于大批量工业化生产。

2.电动式话筒采用此种结构形式后，各频率指向性得到极大改善，频段指向图形大致相当，能够达到优质电容式话筒的电声指标和音色，可大量用于录音棚等高要求的场合。

3.这种结构形式对于各种档次音箱，可使其分频线路(无源分频)变得简单，大大降低音箱的设计及其生产成本，例如可用结构简单的平底T铁代替锥形T铁；也可增加主磁钢的厚度，使单个音箱的功率增大，从而减少音箱的使用个数。

4.采用此种结构形式还易于控制音箱各扬声器的相位，使音箱放声的音场宽阔、音乐的细节以及透明度表现力增强、乐器和人声定位性好。

5.本耦合磁场结构形式允许扬声器主磁钢厚度进一步增大，特别适用于生产长冲程大功率的家用和专业各种口径的低频扬声器，对于音箱小型化具有重大意义。

下面再结合附图和实施例对本发明做进一步说明；

图1为电声换能设备的罐形磁路极靴磁场断面图；

图2为电声换能设备空心稳定校正磁钢使用前后的磁力线分布状态图；

图3为外磁式扬声器耦合全对称磁场结构图；

图4为防磁式扬声器耦合全对称磁场结构图；

图5为防磁式长冲程锥形T铁扬声器耦合全对称磁场结构图；

图6为同轴式扬声器耦合全对称磁场结构；

图7为簧片式扬声器耦合全对称磁场结构；

图8为激振式扬声器耦合全对称磁场结构；

图9为普通话筒耦合全对磁场结构图。

图中：1.铁板  2.T铁  3.主磁钢  4.稳定校正磁钢  5.音圈  6.连体铁罩  7.磁屏蔽罩  8.防磁磁钢  9.极靴间隙匀强磁场  10.柱蕊  11.隔离板  12.外壳  13.振膜  14.定位弹性系统  15.定位板16.连接体17.振动板18.耦合磁力线  19.稳定磁力线  20.主磁钢磁力线

图1为电声换能设备的罐形磁路极靴磁场断面图。

根据物理学原理，形成匀强磁场的条件有两方面：一是磁力线彼此平行；二是磁力线间距相等，即两极磁场大小相等。参见图1，假定主磁钢N极磁场＝S极磁场，可得出所有间隙磁力线的间距相等，但由于它是环形极靴磁场，所有间隙磁力线间彼此不平行，它只是近似于匀强磁场，因此S极T铁柱蕊10的磁通密度将大于N极铁板1内圆磁通密度，要使音圈5受力均匀，主磁钢3的N极磁场必须大于S极磁场。因此考虑采用本发明结构，即在S极外底部设稳定校正磁钢4，就可精细调校S极磁场的大小，以及柱蕊10(或S极连体铁罩6内)磁力线的最佳分布，并稳定S极T铁2(或连体铁罩6)的磁力线传导，使音圈5在磁场中受力均匀。

图2为电声换能设备空心稳定校正磁钢使用前后的磁力线分布状态图。

未使用空心稳定校正磁钢4的磁力线分布参见图2左侧部分。受磁钢生产压制工艺及其基础结构缺陷影响，一般为主磁钢N极和S极磁场强度不相等，此处设主磁钢3的高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极。这就导致音圈5两端N、S极的磁力线分布疏密不对称，主磁钢3的高密度面的N极磁力线密集，在低密度面的S极磁力线分布稀疏，主磁钢磁力线20主要分布在S极T铁柱蕊10的边缘，导致极靴间隙磁场为非对称匀强磁场。而使用稳定校正磁钢4后的磁力线分布如图2右侧部分所示。由于在主磁钢3低密度面的相应位置处粘接有稳定校正磁钢4，通过对稳定校正磁钢内外径值进行限定，形成耦合磁力线18，该耦合磁场不仅不对主磁钢磁场产生排斥现象，而且还能稳定并校正主磁钢3的磁力线传导，形成稳定校正磁力线19，使S极T铁柱蕊10磁力线分布向柱蕊10中心移动，最终形成磁力线对称分布均匀的极靴间隙匀强磁场9。实心稳定校正磁钢使用前后的磁力线分布与图2相同。

实施例：

例1：如图3所示为外磁式扬声器的耦合全对称磁场结构，主磁钢3的一端为N极铁板1，另一端为S极T铁2，N极铁板1与S极T铁2之间设音圈5。由于一般磁钢的N极和S极磁场均不对称，本主磁钢3的高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极。主磁钢3的低密度面底面粘接有与主磁钢3相对的空心稳定校正磁钢4，二者相接近端同为S极。稳定校正磁钢4的外径值等于主磁钢3内径值，内径值为S极T铁柱蕊10直径值的75％，使两者密切耦合。稳定校正磁钢4的磁场强度是主磁钢3低密度面磁场强度的1/8，在N极铁板1与S极T铁2之间形成极靴间隙匀强磁场9。本例中主磁钢也可是低密度面在上，为N极，高密度面在下，为S极，稳定校正磁钢的磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/5。

例2，如图4所示为防磁式扬声器耦合全对称磁场结构，磁屏蔽罩7内装有主磁钢3，主磁钢3一端为N极铁板1，另一端为S极T铁2，主磁钢3的高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极。N极铁板1与S极T铁2之间设音圈5，S极T体2另一面与主磁钢3对应设防磁磁钢8。空心稳定校正磁钢4粘接于主磁钢低密度面底部，与主磁钢3相对。稳定校正磁钢与主磁钢相近端同为S极，其外径值为主磁钢3内径值的90％，使两者密切耦合。稳定校正磁钢4的磁场强度是主磁钢低密度面磁场强度的1/7，在N极铁板1与S极T铁2之间形成极靴间隙匀强磁场9。本例中主磁钢也可是低密度面在上，为N极，高密度面在下，为S极，稳定校正磁钢的磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/3。

例3，如图5所示为防磁式长冲程锥形T铁扬声器耦合全对称磁场结构，磁屏蔽罩7内装有主磁钢3，主磁钢3一端为N极铁板1，另一端为锥形底的S极T铁2，主磁钢高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极。音圈5置于N极铁板1与S极T铁2之间，S极T铁2另一面与主磁钢3对应设防磁磁钢8，空心稳定校正磁钢4粘接于主磁钢低密度面底部，与主磁钢3相对，空心稳定校正磁钢与主磁钢相近端同为S极，其外径值为主磁钢3内径值的60％，内径值等于S极T铁柱蕊10直径的40％，使两者密切耦合，其磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/6，在N极铁板1与S极T铁2之间形成极靴间隙匀强磁场9。本例中主磁钢也可是低密度面在上，为N极，高密度面在下，为S极，稳定校正磁钢的磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/2。

例4，如图6所示为同轴式扬声器耦合全对称磁场结构。该种扬声器内部有两个主磁钢3，分别作为低频和高频扬声器主磁钢使用，低频主磁钢在高频主磁钢上方，且两主磁钢位于同一轴线上。在上的低频主磁钢3的一端为低频N极铁板1，另一端为低频S极T铁2。低频S极T铁2另一面粘接一隔离板11，用以调整低频扬声器S极T铁2的磁阻，从而控制高频扬声器主磁钢3磁场强度大小(即调整控制高频扬声器的灵敏度)。在隔离板11下端与低频主磁钢3相应位置处设一高频主磁钢3，该高频主磁钢3的一端接高频S极铁板1，另一端接高频N极T铁2。此高频主磁钢3的外径值等于低频主磁钢的内径值，内径值为低频S极T铁柱蕊10直径的60％，在低频N极铁板1与低频S极T铁2之间以及高频S极铁板1和高频N极T铁2之间均设置与振膜13相连的音圈5。由于一般主磁钢的N极和S极磁场强度均不对称，在该例中低频主磁钢的高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极。高频主磁钢的高密度面在上为S极，低密度面在下为N极。空心稳定校正磁钢4粘接在高频主磁钢3低密度面的N极T铁2外，两者相接近端同为N极。空心稳定校正磁钢4的外径值等于高频主磁钢3的内径值，内径值为高频N极T铁柱蕊10直径值的90％，使两者密切耦合，其磁场强度为高频主磁钢3低密度面磁场强度的1/8。这样，在高频S极铁板1与高频N极T铁2之间可形成极靴间隙匀强磁场9。此外，该例的高频主磁钢3也起低频稳定校正磁钢的作用，同样能使低频N极铁板1与低频S极T铁2之间形成极靴间隙匀强磁场9。本例中低频主磁钢也可是低密度面在上，为N极，高密度面在下，为S极。高频主磁钢的低密度面在上，为S极，低密度面下，为N极。稳定校正磁钢的磁场强度为高频主磁钢低密度面磁场强度的1/8。

例5，如图7为簧片式扬声器耦合全对称磁场结构图，主磁钢3的一端为N极铁板1，它为一导磁薄钢片(同时也是振动发音膜)，主磁钢另一端为S极T铁2。N极铁板1与S极T铁2之间设音圈5。由于一般磁钢的N极和S极磁场均不对称，本主磁钢3的高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极。空心稳定校正磁钢4粘接在主磁钢3的低密度面的S极T铁2外，主磁钢3和稳定校正磁钢4相近两端均为S极。稳定校正磁钢4的外径值等于主磁钢3内径值，稳定校正磁钢的内径值为S极T铁柱蕊10直径径值的30％，使两者密切耦合，稳定校正磁钢的磁场强度是主磁钢细密度面磁场强度的1/11，这样在N极铁板1与S极T铁2之间可形成极靴间隙匀强磁场9。本例中主磁钢也可是低密度面在上，为N极，高密度面在下，为S极，稳定校正磁钢的磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/9。

上述各例中的空心稳定校正磁钢均可用实心稳定校正磁钢代替，各实心稳定校正磁钢的外径值和磁场强度与所取代的空心稳定校正磁钢相同。

例6，图8为激振式扬声器耦合全对称磁场结构。该种扬声器有一非导磁外壳12，其内设置有主磁钢3，主磁钢3的一端为N极T铁2，主磁钢3的另一端为S极连体铁罩6，在N极T铁2与S极连体铁罩6之间设音圈5。为防止音圈5在工作中偏离正常位置，可用与非导磁外壳12及定位板15相连的音圈定位弹性系统14来定位，该音圈5和音圈定位弹性系统14通过连接体16与位于扬声器顶部的振动板17相连。因一般主磁钢的N极和S极磁场强度均不对称，本例中主磁钢，低密度面在上，为N极，高密度面在下，为S极，故在主磁钢3高密度面的S极连体铁罩6外与主磁钢3相应位置处设置一空心稳定校正磁钢4，该稳定校正磁钢4粘接在非导磁外壳12的内底部，靠近主磁钢3的一端为S极，其内径值等于主磁钢3的外径值，二者密切耦合。稳定校正磁钢4的磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/6。这样，在N极T铁2与S极连体铁罩6这间就可形成极靴间隙匀强磁场9。在工作状态下，音圈5在极靴间隙匀强磁场9中作上、下运动，带动与连接体16相连的振动板17上下振动。该种结构的扬声器可用于透明直播室、透明厨窗内，将振动板17贴近玻璃，通过振动板17引起玻璃振动而发声。本例中主磁钢也可是高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极，稳定校正磁钢的磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/6。

例8，如图9所示为普通话筒耦合全对称磁场结构，主磁钢3一端为N极铁板1，另一端为S极连体铁罩6，音圈5置于N极铁板1与S极连体铁罩6之间。本主磁钢的低密度面在上，为N极。高密度面在下，为S极，在主磁钢3的高密度面的S极连体铁罩6另一面与主磁钢3相对粘接有空心稳定校正磁钢4，主磁钢3与稳定校正磁钢4相近两端极性同为S极。空心稳定校正磁钢4的内径值等于主磁钢3的外径值，其外径值等于S极连体铁罩6圆环的外径值。使两者密切耦合，其磁场强度是主磁钢磁场强度的1/4，从而达到主磁钢N、S极磁场强度平衡，这样在N极铁板1与S极连体铁罩6之间形成极靴间隙匀强磁场9。该例中主磁钢也可是高密度面在上，为N极，低密度面在下，为S极，稳定校正磁钢磁场强度为主磁钢低密度面磁场强度的1/5。

耳机的耦合全对称磁场结构与话筒相同。

Claims (4)

1.电声换能设备耦合全对称磁场结构，包括由主磁钢、音圈、铁板、T铁或连体铁罩形成的主磁场结构，其特征在于主磁场结构外与主磁钢对应设置稳定校正磁钢，两者相接近端极性相同，主磁钢与稳定校正磁钢的磁场密切耦合。

2.根据权利要求1所述的电声换能设备耦合全对称磁场结构，其特征在于由T铁构成的主磁场结构底部或内底部与主磁钢相对的位置粘接稳定校正磁钢，该稳定校正磁钢既可为空心又可为实心，空心或实心稳定校正磁钢的外径值为主磁钢内径值的60-125％，空心稳定校正磁钢的内径值为T铁柱蕊直径的30-125％。

3.根据权利要求1所述的电声换能设备耦合全对称磁场结构，其特征在于由连体铁罩构成的主磁场结构底部与主磁钢位置相对粘接有空心稳定校正磁钢，空心稳定校正磁钢的内径值为主磁钢外径值的60-125％。

4.根据权利要求2或3所述的电声换能设备耦合全对称磁场结构，其特征在于稳定校正磁钢的磁场强度是主磁钢低密度面磁场强度的1/2-1/11。

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