3D 音效的輕量化車載震動揚聲器及其應用

文承福

（ 天津職業技術學院，天津300000）

文章通過引入先進的電聲技術，對產品結構進行開發，提升產品結構的高性能、輕量化及可靠性。借助磁路系統部品結構實施研究，并通過模擬軟件便于后續的調整。

1 通過FINE Motor 軟件，對磁路系統進行模擬設計

SPEAKER、音腔、音頻電路和MIDI 選曲是關鍵的設計要素，通過其本身的特點及相互配合形成音質。SPEAKER 單體的品質直接影響著音質的好壞，其靈敏度直接影響著聲音的大小，其低頻性能對鈴聲效果、是否有雜聲是十分必要的[1]。 音腔在某種意義上可以對Speaker 的輸出頻響曲線進行調整， 借助聲腔參數的調整改變高、低音效果，其中后聲腔容積大小直接影響著低音質量，前聲腔及出孔面積對高音效果具有直接影響。 這涉及到結構設計比如音腔的設計； 音頻電路輸出信號的失真度及電壓對音質可能會造成雜音的影響。如果輸出信號的失真度大于10%，鈴聲會出現明顯雜音[2]。 此外，輸出電壓則必須與Speaker 相匹配，不然輸出電壓過大造成Speaker 出現失真的情況比較嚴重，這也會出現雜音。MIDI選曲在某種程度上也影響著音質， 主要體現在頻譜與聲腔和Speaker 的不相匹配時，會造成音樂出現比較大的變音，影響揚聲器的聽感。為了實現揚聲器輕量化的個性化要求，通過內磁式磁路結構，應用釹鐵硼磁鋼作為物質載體，以此減小磁路體積，提升產品結構的可靠性及性能，如圖1 所示。

2 優化導磁板柱結構的定位

揚聲器的靈敏度主要取決于永久磁鐵的磁性、 紙盆的品質及裝配工藝的優劣。因為復合揚聲器的誕生，減少了揚聲器的諧振頻率大為降低,有效緩解了低頻響應。 但是因為揚聲器振膜兩面所輻射的聲波相位相反， 導致反響波相互消除， 對低頻的重放造成影響。 為了有效減少這種情況，可以通過應用揚聲器背面的輻射，提高揚聲器的低頻效果，通常應用音箱或者障板。導磁板柱大多是錐孔通透結構，具有體積小、質量輕的優勢，與顧客的輕質化要求相符合[3]。 而且有效減少了揚聲器頻響的失真情況，避免了揚聲器工作中活塞運動的氣阻影響， 顯著提升了揚聲器的效率，并具有良好的功率容量。

圖1 磁路系統的模擬設計

3 搭配振動設計，避免失真情況

內磁喇叭背后看不到磁鐵，磁鐵是包在外殼里面的，通常使用兩個相同極性的對貼以減少磁性外漏。 內磁式受到外磁場的干擾較小，鐵磁材料比較少，體積比較輕，但是不能形成較強的磁場。在可動線圈與游絲一致時，會造成靈敏度較低。外磁式鐵磁材料使用的比較多，容易受到外磁場的影響，但是可以通過屏蔽消除干擾，其靈敏度比較高。揚聲器在汽車音響系統中十分重要，要想提升車載揚聲器的音色與定位感，其對技術提出了更高的要求。在汽車內部空間，由于空間比較狹窄，受到噪音、車用材料及震動的影響，再加上揚聲器的安裝位置受到汽車內外造成的局限。 值得注意的是如果揚聲器安裝位置不同，會造成偏左或者偏右的聆聽感。因為揚聲器的指向并不是正面平均對稱， 造成頻率復雜， 出現反射性時差。 共鳴更問題。 但是基于3D 音效的輕量化車載震動揚聲器，對汽車安裝位置比較高，要形成3D 環繞的音樂效果。 因此，在實際安裝中，通過掌握不同用途、種類、屬性等揚聲器的特點，應用科學的安裝技巧及，正確處理不同揚聲器的安裝位置，確保其良好的指向性，為客戶提供優質的聆聽感。通過揚聲器振動系統與磁路系統的優化，借助錐孔結構有效避免失真情況，降低了揚聲器工作中的氣阻，顯著提升其效率，如圖2 所示。

圖2 優化后的板柱結構

4 盆架力學支撐結構，有限元驗證分析

為了拓展揚聲器單元的工作頻帶轉向高頻， 通常借助兩個紙盆進行固定，并應用音圈與定心支片連接起來。 內紙盆頂角小，勁度較大。在內外兩只紙盆間應用小波文的設計，將其作為機械濾波器，這種揚聲器的具體情況可以通過對等效線路進行說明分析。在低頻時期，使用兩個紙盆和音圈的振動，向四周輻射聲波[4]。 在高頻時，通過小紙盆和音圈的振動，在10KHz 以上可以有效輻射聲波。雙紙盆揚聲器在某種意義上影響著工作頻帶，但是因為其都處于同個音圈上，所以互調失真的情況在所難免。對于音質要求比較高的放聲系統來講， 大多是應用這種結構， 通過不同揚聲器的組合，將工作頻帶拓寬，有效改善互調失真情況。 通過對折環形狀的科學設計，可以使用不易激發共振的不對稱形狀，可以將通常應用的正弦波紋改為接近鋸齒波的波紋。 通過使用阻尼比較大的折環材料，或者在上面涂上阻尼材料，以此減小折環共振的幅度。 紙盆的壓邊大多是應用阻尼較大的材料，以此削減盆架反射的能量，以此改善中頻谷。在支撐系統力順的前提下，可以適當減小折環的寬度，以此削減折環輻射的聲波，繼而改善中頻谷的情況。 在盆架設計過程中，通過ANSYS 有限元分析技術，在保障盆架結構剛度的基礎上，實現盆架輕量化發展，減少樹脂材料的應用。同時，明顯縮短了開發周期， 并有效降低了盆架強度不夠的威脅。 通過三角支撐，保證揚聲器的支持可靠性，提升其抗共振強度，如圖3 所示。

圖3 盆架力學分析

5 振膜新材料的研究應用

通過模擬軟件設計，對“ 紙盆”選材不斷優化，提升揚聲器低音效果，確保優質、節能以及高效轉換。應用FINE Motor 軟件軟件對振動系統進行模擬設計[5]。Inter Management Engine Interface，介于固件與系統驅動之間，系統可以通過與固件之間的相互影響，繼而實現音質管理的目標。 對面罩的透音率要求，在其開模前，高音要求至少為50%，中音要求至少為40%，與面罩距離為5-7mm。 由于音響的中低音需要借助箱體配合才能實現， 人耳可以聽到的頻率范圍是20HZ-20KHZ, 大多數人能直接聽到的高頻上限在15-17KHZ 左右，高于20KHZ 的信號不能直接聽到，但是可以感受到，關于聲場的展寬及解析力的提升具有積極影響，這也是近年來高檔音響應用超高音喇叭單元的關鍵原因。 振動系統的紙盆通過橢圓指數型母線設計，實現科學有效的頻率相應，并通過計算機有限元對設計開發進行輔助，縮短紙盤開發周期，為后續音質調整提供便利。

綜上所述，Fo 越低表示該喇叭單元的低頻響應越好。單體喇叭由于在開放的空間內，紙盆向前的聲波與后方的聲波相位相反，有效過濾袋了低頻的信號。 所以，其低頻效果比較差。 同時由于后部沒有箱體反射空氣的反作用力，對紙盆產生阻尼，因此單體喇叭的功率承受能力相對較小。 因此，亟需開展基于3D 音效的輕量化車載震動揚聲器的相關研究。 輕量化揚聲器可以在商用車、輪船、汽車等傳統音響系統中應用，明顯提升了傳播效果。