超磁致伸縮平面揚聲器靈敏度的研究

周 強， 羅良進， 張石清， 劉 楓

(1．臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000； 2．臺州市三甲中學，浙江 臺州 318000)

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超磁致伸縮平面揚聲器靈敏度的研究

周 強1， 羅良進1， 張石清1， 劉 楓2

(1．臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000； 2．臺州市三甲中學，浙江 臺州 318000)

采用模擬法在半消音室環境里對平面揚聲器和動圈式揚聲器的靈敏度進行測試,在音頻范圍內按1/3倍頻點選擇測試點。搭架數字信號采集系統并調節功率放大器以保證揚聲器的輸入功率恒定1 W，記錄離揚聲器軸向1 m處聲壓計的讀數。選取力學參數相差較大的玻璃板、五夾板和ABS塑料板為振動薄板，同時每種材質都有大小相同的兩種尺寸。測試結果表明：動圈式揚聲器在高頻區輸出響應下降趨勢比平面揚聲器明顯，平面揚聲器的高頻響應較好，帶寬較寬；靈敏度與振動薄板的材質與面積均存在著一定的關系，聲速較高的材料靈敏度相對較高，而面積較大的則低頻響應相對強。

平面揚聲器； 超磁致伸縮； 靈敏度

0 引 言

超磁致伸縮平面揚聲器與傳統揚聲器的工作機理不同，其核心器件是寬帶的線性驅勵器[1]。它主要是由超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)、驅動線圈、永磁體等幾個部件構成，GMM棒放置在磁場中并在線圈的驅動電流作用下產生磁致伸縮力，激發硬質板狀物體振動發聲，實現了電-磁-機械能的轉換[2-3]。此類揚聲器具有響應速度快、無指向性、低頻無諧振峰等優異特性，在液晶電視、公共廣播系統、結構有源噪聲控制等領域有著廣泛的應用[4-6]。揚聲器的靈敏度是其性能的一個主要標志，直接反映著揚聲器的電聲轉換效率，在音響系統設計中這是一個極為有用的技術參數，它體現了電能轉換為聲能的效率，靈敏度越高，揚聲器越容易被功放驅動[7]。因此，本文采用模擬法測試平面揚聲器的靈敏度，分析比較實驗結果，對平面揚聲器的靈敏度進行研究。

1 線性驅動器

超磁致伸縮平面揚聲器的結構如圖1所示，由GMM棒、激勵線圈骨架、外殼構成閉合磁路。GMM棒是整個驅動器的核心部件，目前應用較多的是Terfenol-D棒。

圖1 超磁致伸縮線性驅動器結構圖

當激勵線圈輸入音頻信號時，GMM棒在交變磁場作用下按該音頻信號頻率作相應的軸向伸縮變形，其變形量可以線性對應同一時刻輸入信號的幅度。最后由輸出桿推動硬質平板彎曲振動，向周圍空氣中輻射聲波，從而實現了聲音的回放[8-9]。

2 實驗原理及方案

2.1 揚聲器靈敏度的定義

(1)

取Pi=1 W，L=1 m時，有：

(2)

2.2 實驗測試方案

由于用純音訊號與用1/3倍頻程粉紅噪聲訊號測得的聲壓頻響曲線近似相同，所以本實驗采用音頻范圍內的純音信號進行測試[12]。實驗電路圖見圖2，信號采集系統由北京東方振動和噪聲技術研究所生產的INV3018系統、DASP-V1.0系統以及一臺示波器組成，每秒能采樣400個樣品，每個通道512 K采樣點，電壓精度±2 mV，帶寬20 MHz。DASP-V1.0系統具有實時信號數據采集和強大的數據處理功能(含A計權的聲壓級運算處理)，使測試方案更加科學合理。

圖2 平面揚聲器靈敏度測試的實驗電路

在揚聲器和音頻功率放大器之間串聯一采樣電阻R，電阻兩端接差動放大器。差動放大器的運放采用AD620，具有高精度、低噪聲等優點，具體電路如圖3所示，設差動放大器的增益為Av，則有：

(3)

圖3 差動放大器電路圖

多路信號采集系統CH1通道檢測功放輸出信號U1，CH3通道采集差動放大器的輸出信號Uo，則此刻平面揚聲器的輸入功率：

(4)

由于超磁致伸縮平面揚聲器的阻抗隨著頻率的變化趨勢類似于高損耗電感[13]，在測試過程中需要調節功率放大器的輸出幅度使平面揚聲器的輸入功率始終維持在1 W，然后記錄聲級計的讀數。在音頻范圍內選擇按1/3倍頻點取樣n點，若第k點對應的聲壓值為pk，頻率響應范圍內的平均聲壓為

(5)

則聲壓級

(6)

其中，P0為空氣中的基準聲壓，取20 μPa。

2.3 實驗振動薄板的選擇

對于四邊簡支密度均勻的薄板，設長為a，寬為b，厚為h，在單點激勵下，其彎曲振動的簡正頻率[14]：

(7)

參照NXT制定出的兩種最佳長寬比例，本次測試選取振動平板長度a和寬度b的比例為0.88∶1.00。結合式(6)、(7)及材料的力學參數(見表1)確定兩種尺寸分別是70.4 cm×80 cm、26.4 cm×30 cm，3種日常生活中常見的玻璃板、五夾板和ABS塑料板作為樣品，其中玻璃板和ABS塑料板的厚度為8 mm，玻璃板、五夾板和ABS塑料板分別代表高、中和低聲速材料。測試時把驅動器放置在平板中心，此時，聲場相對均勻，聲壓傳感器的響應曲線也較為平坦[15]。

表1 3種材料的力學參數表

3 結果與討論

在半消音室內對6個樣品及動圈式揚聲器進行測試，玻璃板、五夾板、ABS塑料板以及紙盆揚聲器所測得的輸入信號頻率(Hz)與聲壓級(dB)的關系圖分別如圖4所示。其中：實心圓點對應的點為小尺寸板；空心圓點對應的點為大尺寸板。

(a)玻璃板(b)五夾板(c)ABS塑料板(d)動圈式揚聲器的對應聲壓級

圖4 樣品測試結果圖

3.1 平面揚聲器和動圈式揚聲器的靈敏度比較

對比圖4，輸入信號的頻率以0.4、10 kHz為臨界點，把音頻范圍分為低頻區、中頻區和高頻區。在低頻率平面揚聲器和動圈式揚聲器的輸出響應都較低，這與聲壓級的計權方式有關；中頻率，兩者都表現得比較平穩；在高頻區，兩者的輸出響應較中頻區均有所下降，但動圈式揚聲器的下降幅度明顯大于平面揚聲器。

3.2 振動薄板的材質與靈敏度關系

從圖4(a)～(c)可見，當輸入信號的頻率改變時，平面揚聲器的輸出聲壓級變化趨勢相近。當振動薄板采用玻璃板時揚聲器輸出聲壓級最大；五夾板次之；ABS塑料板最小。說明采用玻璃板這類高聲速的振動薄板的聲輻射效率相對較大。

3.3 振動薄板的尺寸與靈敏度關系

對比圖4(a)～(c)中的實心圓點和空心圓點，可以發現3種材料中大尺寸板對應的中、高頻區聲壓級均略低于小尺寸板，但是在低頻區的聲壓級明顯高于前者。因此增大板材的尺寸，可以提高其低頻區的聲輻射效率。

4 結 語

相比動圈式揚聲器，平面揚聲器頻率響應帶寬較寬，振動薄板選用玻璃等硬質聲速較高材料薄板時，平面揚聲器的靈敏度相對較高；選擇面積較大的振動薄板，可以適當地提高低頻區的輸出聲壓級。進一步提高平面揚聲器的靈敏度：①繼續優化超磁致伸縮驅動器內部結構，保證GMM棒在工作時的良好散熱；②選擇更為合適的尺寸及材料的振動薄板。

[1] 姜廣軍,莫喜平.“音響蟲”驅動薄板的振動特性有限元分析[J].聲學技術，2013,32(6):486-489.

[2] 陳克安, 鐘維彬, 曾向陽.平面揚聲器及其聲學特性[J].電聲技術,2003(9):21-23 .

[3] 王玉生,王玉娜.散布式磁致伸縮平板揚聲器研制[J].機電工程，2008,25(4):84-86.

[4] 李 雙, 陳克安.結構振動模態和聲輻射模態之間的對應關系及其應用[J].聲學學報,2007,32(2):171-177

[5] 鄔義杰,劉楚輝.超磁致伸縮驅動器設計方法的研究[J].浙江大學學報(工學版)，2004,38(6):747-750.

[6] 李昌碌，蘇寒松.超磁致伸縮驅動電源的設計與制作[J].實驗室研究與探索，2011,30(5):28-31.

[7] 黃來友,吳玉奎,徐柏齡，等.脈沖法測量揚聲器特性[J].電聲技術，1990(3):10-16.

[8] Bhardwaj M，Garnett T，Chandrakasan A P. Upper bounds on the lifetime of sensor networks[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications(ICC’01)，Helsinki，Finland，2001：785-790.

[9] 羅良進,周 強,徐維林，等.三激勵振子分布模式揚聲器研制[J].科技通報，2011,27(4):575-579.

[10] 沈 勇,魏世雄,楊定軍，等.揚聲器系統的理論與應用[M].北京:國防工業出版社,2011:209.

[11] [美]Don Davis,Eugene Patronis,Jr.音響系統工程[M].朱 偉,胡 澤,吳帆譯.北京:人民郵電出版社,2010:275.

[12] 余家升,孫廣榮.關于揚聲器特性靈敏度的測量[J].電聲技術，1982(1):16-20.

[13] 周 強,金才積,羅良進，等.超磁致伸縮平面揚聲器阻抗特性的研究[J].實驗技術與管理，2011,28(3):81-83.

[14] 羅良進,朱愛卿,周 強，等.基于模態分析的散布式揚聲器幅頻特性研究[J].電聲技術，2010,34(8): 23- 26.

[15] 方 兵,郭吉豐,何 聞，等.平面揚聲器激勵矩形小室聲場有限元數值分析[J].電聲技術，2013，37(12):25-30.

Study on Sensitivity of Giant Magnetostrictive Flat Panel Loudspeaker

ZHOUQiang1,LUOLiang-jin1,ZHANGShi-qing1,LIUFeng2

(1.School of Physics and Electronic Engineering, Taizhou College, Taizhou 318000, China；2.Sanjia Middle School, Taizhou 318000, China)

In order to study the sensitivity of giant magnetostrictive flat panel loudspeaker, the paper used the simulation method to test the sensitivity of flat panel loudspeakers and moving-coil loudspeaker in the semi anechoic chamber environment. The test point was selected at one-third octave band in the audio range. The input power of loudspeaker was kept at a constant value 1 W by regulating the power amplifier and using a digital signal acquisition platform. The reading of sound level mete which away from 1m of the loudspeaker axial was recorded. Meanwhile, the tests of vibration modes and the theoretical research were proceed with different materials of flat panel loudspeaker vibration sheets, such as glass sheets, five plywood and acrylonitrile- butadiene-styrene. and two sizes were fixed for every material. The experimental result showed that compared with moving-coil loudspeaker，flat panel loudspeaker had wider frequency response, the sensitivity of giant magnetostrictive flat panel loudspeaker was certainly decided by the area and materials of vibration thin plate. The sensitivity of a sound speed faster material was relatively higher, and the area wass larger, and the low-frequency response was stronger.

flat panel loudspeaker; giant magnetostrictive; sensitivity

2015-01-26

國家自然科學基金資助項目(61203257)

周 強(1982-)，男，浙江臺州人，實驗師，現主要從事傳感器與檢測技術、機電一體化的教學與研究。

Tel.:13706765316；E-mail:zhouqiang@tzc.edu.cn

TN 643

A

1006-7167(2015)11-0011-03