CN1819711B - 中空磁芯内磁极内音圈扬声器及其功率驱动与控制电路 - Google Patents

Abstract

一种中空磁芯内磁极内音圈扬声器及其功率驱动与控制电路，由本发明特别设计的扬声器及其音频控制开关，隔直和音频输出电容器，二极管，功放管及其集电极、发射极和基极电阻器，音频信号输入控制开关和音频信号输入电容器顺序电连接组成；能方便自如任意切换为听筒或扬声器方式，超薄、超轻、超小型化及高灵敏度、高功效和高输出功率与音质优美、失真小等优点，为实现和满足产品轻薄小型化及消费者随时需要与爱好而任意自由选择听筒或扬声器通话方式等诸多使用性能需求方面提供了极大方便，并避免因使用耳机增加辐射及对使用者的危害等错误倾向及使用耳机的麻烦和不方便，在笔记本电脑、发声电子词典等轻薄小型高音质电子领域及其产品中也可广泛应用。

Description

中空磁芯内磁极内音圈扬声器及其功率驱动与控制电路

因电话机免提功能的方便、目前产销厂商产销的电话机基本上都带免提功能，同时、为保密等不同需要又必需保留发声元器件即听筒。传统的免提功能主要是靠加装发声元器件扬声器和相应的功率驱动放大器来实现，这就不可避免地增加了扬声器及其重量和其所占的面积与体积，同样也不可避免地使整机体积、重量、可靠性(事实与经验都反复证明：在其它条件相同的前提下、故障率往往总是与元器件数量的多寡成高度正相关)与设计及制造成本和难度相应增加，尤其是面对越来越小型化、超薄化、超轻化的发展与消费市场需求总趋势，则更显示出其市场竞争能力高低等至关重要性。听筒相对于扬声器而言一般都是阻抗很高、功率很小的发声元器件，因此其很难代替扬声器及其功能，且因阻抗高用线细而使其线圈的直流电阻很大、加上因高阻抗使输出功率很低，这些因素加在一起使其耗能及发热也就必然同样很大，故其能量利用效率很低，尤其是对于广泛使用、数量极其庞大的移动电话及其它声讯设备而言，能量利用效率低就意味着必须加大发射和接收功率，这就不可避免地增加电磁辐射量、特别是对人体危害更大的电磁辐射强度；有一种广为流传和使用的所谓用耳(塞)机代替近身的听筒来达到减小移动声讯设备包括移动电话即手机在内的辐射量和强度及其对人体的危害程度，其实不然，这种做法只会加强而非削弱对人体及周边环境的电磁污染与危害，因为连接耳机的电线和耳机音圈绕组的电阻与它们之间、包括与本机之间的分布电容(量)之间互相组成了一个和/或多个新的相当于阻容耦和与感应式的电磁波中继发射与接收器，即此时耳机及其联线充当了加强传播电磁辐射的天线、且比机载天线要长得多、铺设的范围也广得多，这些因素的叠加就大大加强了电磁辐射的范围和强度，危害自然就比近身耳机更大更广；还有一种同样广为流传和使用、甚至比增加耳机更广泛的就是增加所谓的防辐射贴膜来达到削弱移动电话等声讯设备的电磁辐射与危害目的，其实这也是一种难以真正能实现的错误倾向，因为许多权威检测事实证明绝大多数所谓的防辐射贴膜或其它所谓的保护膜基本都不具备防辐射能力、很少甚至根本不能减轻任何辐射及其能量，退一步说、即便真能有效减轻辐射与危害、也是以牺牲发射和接收信号强度为代价的，因为能减轻辐射强度的手段无非主要是屏蔽电磁波，这就必然导致以加大发射和接收功率为代价来抵消保护膜对电磁波的屏蔽，不禁更加耗能、且因电磁辐射量和强度的增加也会正相关地增加对人体的电磁辐射量和强度即危害程度，还因功率的增加而使电池寿命大幅缩短、每次充电后使用的时间也大幅缩短，即便以提高方向性(无线电波方向性很强)来减少发射与接收功率以减少电磁危害与污染和电池消耗，但这就使得无线声讯设备方向性极强，通话质量如声音忽大忽小、模糊不清、断断续续甚至通话故障如反复断线等使工作可靠性和其它性能大为降低，解决办法仍然是加大功率，所以其危害结果基本相同，且这些因素还都会严重影响产品市场竞争能力和严重增加因电池报废加快等而产生的环境污染和使用成本的增加(手机电池一般都较贵，至少数十甚至上百元人民币)；增加扬声器因能相对于听筒而言的远距离无线接听故能有效减小对人体贴身及周边环境的电磁辐射与危害，但又有前述的诸如增加元器件及其体积、面积、重量、成本等不足问题。显然，如能将听筒的保密性和扬声器的低辐射危害性结合在一起的创新发声元器件及配以创新可(易)控驱动功放电路，则其不仅能有效克服上述现有技术和产品的系列缺点，且其系列重大优点尤以都必将最终体现于市场竞争力即市场份额等优势都是显而易见的。

本发明就是为解决现有技术和产品的系列问题而设计的出于一个总的发明目的的中空磁芯内磁极内音圈扬声器及其功率驱动与控制电路，现将原理、方案和主要优点继续介绍如后。本发明以其直接利用听筒及其所拥有的位置、体积、面积、重量，并革除定圈及振动膜片和铁芯、分别改以直接发声的振动膜片一体化但线圈圈数很少即动圈和强磁永磁合金代替，以改变听筒靠线径极细圈数很多而电阻较大、耗能及产热均较多的定圈先产生电磁场并磁化铁芯、再由磁化后的铁芯产生的吸、推力来吸、放振动膜片间接发声的工作原理与模式；因动圈运动空间大且一体化失真小而音质更加逼真和灵敏度更高、圈数少而易增大线径故电阻能耗及发热更小，但其却能承受和输出很大音频功率，不仅解决了听筒及其定圈诸如功率小、能耗高、声音易失真尤其是声音较大时因振动膜运动空间极其有限而引起的严重失真甚至嘶哑难听的严重杂音等所有难题，还因采用强磁永磁合金及其具有的超强磁性和同样强大的磁保留能力而只需要很少磁性材料就可获得强大永久磁力，使本发明产品可以极其容易地做得很小、很轻、很薄但其音质、功率和灵敏度却很优异，从而解决了现有产品亟待解决的小型、超薄、超轻、大功率和高音质、高灵敏度等系列难题，再配以可控易(方便)控功率驱动电路，就全面圆满实现了出于一个总的发明构思的本发明及其发明目的。

附图及工作原理和优点说明：

对照附图：Y为扬声器；V为Y的磁体；Q为Y的动(音)圈，B为加固Q而特别设计的底板层；X为Q的中空磁极；Z为Y的振动膜即发声体；P为Z的固定支架兼用作外磁极；D为二极管；J为功放管，c为J的输出(集电)极、b为J的基极、e为J的发射极；K₁为音频信号输入控制开关，K₁’、K₁”分别为K₁的一端；K₂、K₃分别为Q的线圈M的双组绕组FF’和GG’的音频输入端F和G的控制开关；C₁为音频输入电容器；C₂为隔直和音频输出电容器；R₁为功放管J基极b(偏置电路、电流)电阻器；R₂为c的供电与负载电阻器；R₃为e的通路和稳定J的工作点的电阻器。

C₂的一端与K₂-K₅的一端电连接、C₂的另一端与D的负极和c及R₂的一端电连接，K₂-K₃的另一端分别与同自己对应的F-G端电连接、F’-G’各端直接与电源的-(负)极电连接即接地，D的正极与K₁的一端K₁’电连接，K₁的另一端K₁”与b电连接、K₁与R₁和C₁的一端电连接，R₁和R₂的另一端与电源的+极端电连接，C₁的另一端与本机音频源输出端电连接(省略)，R₃的一端和e电连接、R₃的另一端接地。

对照附图进一步介绍结构、功用及创新优点：扬声器Y因采用永磁性强磁材料，所以其磁体V做得很薄、磁芯X也做成中空式，这就大大减轻了重量和体积；另外，因磁芯为中空式、故可使用此空间用作安放动圈Q及其的活动空间，还可进一步利用动圈的内部空间将动圈的两个绕组都制作在动圈的内壁上，这就又省去了动圈及其活动本应另占的很多空间而使扬声器更加小型化；再者，本发明动圈绕组即线圈一改传统单线单绕单组串联为双线同向间绕双组且既能单用又可串联或并联等多种用法与用途的独立绕组即独立线圈，使每组线圈的内、外径及重量和有效(即产生和切割磁力线)线长与出力大小及均匀度和电阻(包括直流电阻和交流阻抗)等与音量和增加输出功率并减小失真即提高音质(见后述)密切相关的系列重要指标与数据都同时做到高度一致，而这些正是传统音圈的重大缺点和所望尘莫及的，如其单一线圈的直流电阻及其能耗(直流电阻因直接耗能而减少输出功率并发热、甚至烧毁音圈的事也时有发生、并非罕见，相对而言交流电阻即阻抗一般不耗能也不发热)仅为传统串联音圈的1/2、当只需要小音量时无论是在听筒或免提状态下都可只任用一组音圈以减小音量和节电以延长电池使用时间与寿命，当需要较大音量时并联音圈直流电阻仅为传统串联音圈的1/4、这些是因为两个独立线圈的每一个的圈数和直流电阻仅为其串联线圈的1/2，同时又因并联相当于加大了一倍线径、其直流电阻得以再减半，当需要极低音量时也可串联，由此可见其适应性、适用性和包(兼)容性很宽很强，优点的确较多也重要，因为这些正是多数声讯工具的主要功能和使用价值之所在；第四，因膨胀不仅使线圈直径加大且方向也向外，将磁芯设计成中空磁芯和将动圈设计成内圈及其相应的内层绕组，特别是本发明内圈因线圈附着在音圈骨架内壁上、可借助无绕组的音圈外壁的保护作用而很难与磁芯发生磨擦、除非磨擦严重到外壁都被磨穿的程度、而这种可能性即发生的概率是很小的，另外还在音圈底部做一个约0.1-1mm可薄可厚的底板层B以增强支撑力，加上音圈顶部与振动膜直接牢固胶接甚至将内、外型音圈与振动膜直接做成一体化而有力抗变形，这些也是本发明才可能具有的系列重要独特优点，故可有效防止常见的传统双层磁极构成的磁缝式实芯磁芯扬声器因动圈线圈长期运动及发热或受潮膨胀变形及因碰撞或固定双层磁极的紧固物如镙丝钉或粘结剂如胶松动使双层磁极产生位移、使线圈与磁芯磨擦而音小失真及当线圈绝缘层(因漆包线漆层很薄及受热软化或变性如附着力下降甚至破裂等而很易很快)被磁芯磨破后产生的强大噪音]或兼用空间活动式，不仅有效防止了变形和位移及其不良后果，还有效减轻了重量和/或体积、并高效(尤其是内外兼用式可两次利用并转换永久磁力为发声动力)利用了内部磁场力和磁力线密度远高于外部、磁感应强度也远高于外部的磁场特性，这就使动圈即使是仅通以弱电而仅能产生较弱的交变磁场与磁力、但其在与永磁体产生的强大恒定永久磁力相互作用(同极性磁力相斥、异极性磁力相引)时、也会因强大永久磁力对其产生同样强大的吸、斥力而得到显著增大(等同于放大)的作用力，从而加大了动圈的活动能量、使其推动与之粘接为一体的振动膜即发声体Z的能量也同步增长，亦即较小交变磁场(力)可借助于较强的永久磁力、仅需以消耗较小的发声功率为代价就可很容易地将部分永久磁力的力量也转换成发声所需消耗的部分能量即推动音圈和振动膜运(振)动的动能并由此而进一步转换成为推动空气运(振)动的动能即发声的声能，从而可用较小的输入功率也可获得较大音量，亦即增加了动圈的输出功率，也就是说较小的交变磁力可被较强的永久磁力所放大、故可用较小的输入功率获得较大的输出功率而可使本发明扬声器及其功率驱动电路及相应的元器件进一步轻薄小型和高品质化、消耗的电能和发热量根据能量守恒定律原理也因输出功率的增大而更小，从而大幅减少收、发功率及发热量和电池及其电能消耗与环境污染和使用成本，如因仅需较小的发声输入功率、就使得仅需很小的音频输入信号就可达到通话目的、相当于提高了整机灵敏度和通话质量如减小通话方向性和断线等，这就可使发射与接收功率都可双向减少、意味着无论是发射站及其发射设备的数量与发射功率还是接收设备即与之对应的移动声讯接收设备的收发功率都能双向减少；扬声器Y的振动膜Z和音圈Q的固定支(托)架P做成与磁铁同宽并平行，且因其与磁铁同宽并平行、又是用与磁铁即中空磁芯相同的永磁材料做成而同具强大永久性磁力，故兼用作外磁极并强化作用于动圈的永久磁力与功效、磁力强化效果极其显著并进一步使扬声器轻薄小型化，从而使扬声器的整体体积和重量减到最低限度，这些有利因素都进一步更加有效地减少整机尤其是大规模产销使用的手机的体积、重量、发热量与能源消耗及环境污染和使用成本，如延长电池寿命和减少发射站数量与(发射功率)规模及发射与接收设备的收、发功率等造成的对人体的电磁危害及废电池数量等环境污染、以及减少电池能源消耗量并延长电池待机时间与提高市场竞争能力(轻薄小型化是根本标志、而低发热量又是轻薄小型的根本前提)等系列重大优势；二极管D的作用为当使用听筒功能时使能量较小的音频信号利用其正向导通特性以直接输入扬声器、使其仅能发出微弱的声音以适合听筒只需小音量特点，此时扬声器代替并充当听筒使用并发挥听筒的相应功能，且无论扬声器是作听筒或免提使用时二极管D又都能自动利用自身极大反相电阻来阻断功率放大管J输出(集电)极c及其供电与负载电阻R₂的直流反输到开关K₁’，也就避免了前级音频信号源即C₁及其连线因与K₁’太近而在扬声器作免提使用时易引起的感应并经功放管反复来复放大后的失真甚或哨叫等干扰，但扬声器在听筒状态时因基极b无偏流、J不导通，其c极和R₂上虽有直流压降但无电流及强弱或方向变化、即无交变信号产生，故也无C₁感应问题即无干扰，D的正极端与隔直(流电源)电容器C₂的一端电连接、其负极端与音频信号输入控制开关K₁的一端K₁’电连接、以提供听筒状态下的扬声器音频电源输入通路；C₂能同时隔离R₁和R₂分别产生和性质与作用均不相同的直流压降和直流电流，以避免动圈也因通过这些直流电并产生永久磁场力对抗并削弱扬声器永磁材料的磁性即“消磁”等副作用降低或破坏扬声器包括音质与音量等性能，K₂-K₃的作用是进一步调控音质、音量或静音，因调控音量的同时也调控了振动膜的振动位置、强度与幅度而有效调控了音质：当各键均闭合时音量最大、均打开时为静音、依此类推，这样就可不用通过常规的削减输入音频信号强度的传统方式来调控音质、音量，从而减少噪音提高信噪比即改善音质；K₂-K₃还可采用可变电阻即电位器以变开关的跃变式音量音质调控为渐变式连续调控，且无论是采用开关或电位器调控均比复杂繁琐易坏的集成芯片运算电路与调控更加可靠、方便且简单易行；C₂的另一作用是调控音质、通过调节C₂的电容量大小来控制通过的音频电流的频率高低范围，由于C₂在扬声器兼作听筒使用时的同时也为C₁的音频电流提供了通路、即是包括功放输出音频电流在内的总通路，其电容量因考虑通过的电流较大而取值一般较C₁为大，又因C₂与C₁构成的是串联电容电路而削减了C2部份电容量、加上在C₁和C₂中间还有D₂数欧-数十欧的直流内阻对来自C₁的较高频率的音频电流的一定幅度的衰减作用，故很容易通过适当调整C₂(实测约为C₁容量的3-10倍)容量就能很好实现兼容C₁频率特性即总体音质平衡；通过K₁接通与断开R₁和b的偏流电连接以改变传统偏流永久性固定电连接模式，不仅可保障前述的当使用听筒时功放管基极因无偏流而被截止故不产生噪音干扰听筒音质、还可保障当扬声器代替听筒使用时提供功放管偏流来减少失真以改善音质，e通过与其串联的稳定工作点和兼做保险器用的小阻值(一般约为0.5-1欧)电阻R₃接地、以构成音频交变电路回路。

实施例及本发明工作原理与优点补充说明：对照附图，扬声器Y因采用永磁性强磁材料、所以其磁体V和磁芯X均做得很薄、一般0.2-0.5cm甚至更(超)薄即足够，磁芯X做成中空式并将动(音)圈Q悬空安放在磁芯的最上方即磁极处、动圈壁以与磁芯壁保持0.1-0.2mm间歇为宜，因为只有磁极处的磁力线最集中、密度最大故磁力最强大，安放的深度以音圈绕组中部平面与磁芯最上端平面基本齐平、以保障音圈无论上下运动时都可最大限度地切割磁力线而产生最大的推动振动膜同步运动即振动的动力、从而获得最大音频输出功率即最大音量，振动膜的形状可以是凹型、凸型、平面型、圆型、矩型或其它任何形状或其组合形状均可，本实施例为进一步节约空间采用平面型，但这并不是说本发明只能采用平面形(下同)；二极管D用功率大于0.1W、耐压大于6V的任何类型的硅或锗二极管均可，本实施例采用价廉物美且最广泛使用的1N4004及1N4007等；功放管J用功率大于0.3W、耐压大于20V的任何类型的PNP或NPN管均可，附图采用0.5-1W、耐压25-50V NPN型，如采用PNP型供电极性与NPN型相反即可；音频信号输入控制开关K₁用任何类型的微型单刀双组开关如按键锁定式、拨动式、电子控制如触摸或触压式等均可，本实施例采用按压式、使用操作维修等更简单方便；与K₁同样道理，音圈开关K₂-K₃也用微型按键锁定式、但改用单刀单联式即可；电容器C₁用容量大于0.1μF、耐压6-10伏的无极性电容器，本实施例采用0.3μF6.3伏；电容器C₂用容量大于1μF的无极性或电解电容器均可，本实施例采用10μF10伏电解电容器；R₁和R₂的阻值随具体的功放管J及参数如放大倍数的成倍差异等和电源电压变化较宽，显然也就不可能事先以实施例等具体方式并规定其具体值，故声明参考值R₁200欧-20K和R₂20欧-2K仅供参考使用，但这丝毫不影响专利法所述的本领域技术人员实施本专利，因为在具体的功放管选定后、其产品说明书或查阅手册等工具书都会获得准确无误的各项具体参数，调整电阻值使参数达到适宜范围也只是必须具备的最基本常识、且同样有大量且常用的测试与调整方法及工具书、产品说明书等的详细介绍与记载而同属常识；如前所述，因R₃的功能主要是稳定工作点和充当保险(电阻)丝，而这些功能在正常工作状态下即多数情况下极少有大的变化、故其对准确性和精确度要求不高，多数情况下阻值约在0.5-2欧的区间内都很适宜，太低稳定性和保险作用差、太高对扬声器和功放管输出功率和后者的放大能力等重要参数影响较大；其余情况与附图及其说明、优点介绍相似，不再重复冗述。

本发明还有以下系列重大优点：因集听筒和扬声器及其功能于一体且能自由切换及切换极方便自如、可随时任意切换为听筒或扬声器方式而无需中断通话，单一扬声器兼作听筒和超薄、超轻、超小型化(可做得比听筒耳机还小还轻还薄很多)及高灵敏度、高功效和高输出功率与音质优美、失真小等系列重大创新与优势，这些优点为实现和满足产品轻薄小型化、尤其是音质悦耳优美及消费者的随时需要和爱好而任意自由选择通话和音乐欣赏方式等诸多决定市场份额的关键使用性能及消费需求方面提供了极大方便与竞争能力，如利于纠正所谓耳(塞)机减轻辐射及对使用者的危害等错误倾向，因如前述使用耳机不仅麻烦不方便、且实为增加了辐射和危害性。本发明集上述系列重大优点于一体，故具良好应用与市场前景，如除上所述及的手机等要求轻薄小型低能耗低发热量应用领域外，在诸如与手机同具庞大市场的笔记本电脑、发声电子词典等轻薄小型高音质电子领域及产品中的应用也同样广阔。

Claims (4)

1.一种中空磁芯内磁极内音圈扬声器，其特征如下：强磁性合金永久磁体连接并固定振动膜固定支架和中空磁芯；振动膜固定支架连接和固定振动膜，并兼作中空磁芯的外磁极；中空磁芯由内、外磁极构成，内置双绕组音圈；振动膜连接并固定双绕组音圈；双绕组音圈双线同向间绕、相互独立；双绕组音圈有底板层，底板层固定在双绕组音圈的底部。

2.权利要求1所述的中空磁芯内磁极内音圈扬声器的功放与控制电路，其特征如下：隔直和音频输出电容器(C₂)的一端与音频输入控制开关(K₂)、(K₃)的一端电连接、音频输出电容器(C₂)的另一端与二极管(D)的负极和功放管(J)的集电极(c)及集电极(c)的供电与负载电阻器(R₂)的一端电连接，音频输入控制开关(K₂)、(K₃)的另一端分别与同自己对应的扬声器(Y)的动圈(Q)的线圈(M)的双组绕组(FF’)和(GG’)的音频输入端(F)、(G)电连接，扬声器(Y)的动圈(Q)的线圈(M)的双组绕组(FF’)和(GG’)的音频输出端(F’)、(G’)接地，二极管(D)的正极与音频信号输入控制开关(K₁)的一端(K_1’)电连接，音频信号输入控制开关(K₁)的另一端(K_1”)与功放管(J)的基极(b)电连接，音频信号输入控制开关(K₁)与功放管(J)的基极(b)的电阻器(R₁)和音频输入电容器(C₁)的一端电连接，功放管(J)的基极(b)的电阻器(R₁)和功放管(J)的集电极(c)的供电与负载电阻器(R₂)的另一端与电源的正极端(+)电连接，音频输入电容器(C₁)的另一端与本机音频源输出端电连接，功放管(J)的发射极(e)的通路和稳定功放管(J)的工作点的电阻器(R₃)的一端和功放管(J)的发射极(e)电连接、稳定功放管(J)的工作点的电阻器(R₃)的另一端接地。

3.权利要求2所述的中空磁芯内磁极内音圈扬声器的功放与控制电路，其特征是功放管为PNP型或NPN型。

4.权利要求2所述的中空磁芯内磁极内音圈扬声器的功放与控制电路，其特征是二极管为硅或锗二极管。

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