超磁致伸缩平面扬声器灵敏度的研究

周 强， 罗良进， 张石清， 刘 枫

(1．台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000； 2．台州市三甲中学，浙江 台州 318000)



超磁致伸缩平面扬声器灵敏度的研究

周 强1， 罗良进1， 张石清1， 刘 枫2

(1．台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000； 2．台州市三甲中学，浙江 台州 318000)

采用模拟法在半消音室环境里对平面扬声器和动圈式扬声器的灵敏度进行测试,在音频范围内按1/3倍频点选择测试点。搭架数字信号采集系统并调节功率放大器以保证扬声器的输入功率恒定1 W，记录离扬声器轴向1 m处声压计的读数。选取力学参数相差较大的玻璃板、五夹板和ABS塑料板为振动薄板，同时每种材质都有大小相同的两种尺寸。测试结果表明：动圈式扬声器在高频区输出响应下降趋势比平面扬声器明显，平面扬声器的高频响应较好，带宽较宽；灵敏度与振动薄板的材质与面积均存在着一定的关系，声速较高的材料灵敏度相对较高，而面积较大的则低频响应相对强。

平面扬声器； 超磁致伸缩； 灵敏度

0 引 言

超磁致伸缩平面扬声器与传统扬声器的工作机理不同，其核心器件是宽带的线性驱励器[1]。它主要是由超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)、驱动线圈、永磁体等几个部件构成，GMM棒放置在磁场中并在线圈的驱动电流作用下产生磁致伸缩力，激发硬质板状物体振动发声，实现了电-磁-机械能的转换[2-3]。此类扬声器具有响应速度快、无指向性、低频无谐振峰等优异特性，在液晶电视、公共广播系统、结构有源噪声控制等领域有着广泛的应用[4-6]。扬声器的灵敏度是其性能的一个主要标志，直接反映着扬声器的电声转换效率，在音响系统设计中这是一个极为有用的技术参数，它体现了电能转换为声能的效率，灵敏度越高，扬声器越容易被功放驱动[7]。因此，本文采用模拟法测试平面扬声器的灵敏度，分析比较实验结果，对平面扬声器的灵敏度进行研究。

1 线性驱动器

超磁致伸缩平面扬声器的结构如图1所示，由GMM棒、激励线圈骨架、外壳构成闭合磁路。GMM棒是整个驱动器的核心部件，目前应用较多的是Terfenol-D棒。

图1 超磁致伸缩线性驱动器结构图

当激励线圈输入音频信号时，GMM棒在交变磁场作用下按该音频信号频率作相应的轴向伸缩变形，其变形量可以线性对应同一时刻输入信号的幅度。最后由输出杆推动硬质平板弯曲振动，向周围空气中辐射声波，从而实现了声音的回放[8-9]。

2 实验原理及方案

2.1 扬声器灵敏度的定义

(1)

取Pi=1 W，L=1 m时，有：

(2)

2.2 实验测试方案

由于用纯音讯号与用1/3倍频程粉红噪声讯号测得的声压频响曲线近似相同，所以本实验采用音频范围内的纯音信号进行测试[12]。实验电路图见图2，信号采集系统由北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3018系统、DASP-V1.0系统以及一台示波器组成，每秒能采样400个样品，每个通道512 K采样点，电压精度±2 mV，带宽20 MHz。DASP-V1.0系统具有实时信号数据采集和强大的数据处理功能(含A计权的声压级运算处理)，使测试方案更加科学合理。

图2 平面扬声器灵敏度测试的实验电路

在扬声器和音频功率放大器之间串联一采样电阻R，电阻两端接差动放大器。差动放大器的运放采用AD620，具有高精度、低噪声等优点，具体电路如图3所示，设差动放大器的增益为Av，则有：

(3)

图3 差动放大器电路图

多路信号采集系统CH1通道检测功放输出信号U1，CH3通道采集差动放大器的输出信号Uo，则此刻平面扬声器的输入功率：

(4)

由于超磁致伸缩平面扬声器的阻抗随着频率的变化趋势类似于高损耗电感[13]，在测试过程中需要调节功率放大器的输出幅度使平面扬声器的输入功率始终维持在1 W，然后记录声级计的读数。在音频范围内选择按1/3倍频点取样n点，若第k点对应的声压值为pk，频率响应范围内的平均声压为

(5)

则声压级

(6)

其中，P0为空气中的基准声压，取20 μPa。

2.3 实验振动薄板的选择

对于四边简支密度均匀的薄板，设长为a，宽为b，厚为h，在单点激励下，其弯曲振动的简正频率[14]：

(7)

参照NXT制定出的两种最佳长宽比例，本次测试选取振动平板长度a和宽度b的比例为0.88∶1.00。结合式(6)、(7)及材料的力学参数(见表1)确定两种尺寸分别是70.4 cm×80 cm、26.4 cm×30 cm，3种日常生活中常见的玻璃板、五夹板和ABS塑料板作为样品，其中玻璃板和ABS塑料板的厚度为8 mm，玻璃板、五夹板和ABS塑料板分别代表高、中和低声速材料。测试时把驱动器放置在平板中心，此时，声场相对均匀，声压传感器的响应曲线也较为平坦[15]。

表1 3种材料的力学参数表

3 结果与讨论

在半消音室内对6个样品及动圈式扬声器进行测试，玻璃板、五夹板、ABS塑料板以及纸盆扬声器所测得的输入信号频率(Hz)与声压级(dB)的关系图分别如图4所示。其中：实心圆点对应的点为小尺寸板；空心圆点对应的点为大尺寸板。

(a)玻璃板(b)五夹板(c)ABS塑料板(d)动圈式扬声器的对应声压级

图4 样品测试结果图

3.1 平面扬声器和动圈式扬声器的灵敏度比较

对比图4，输入信号的频率以0.4、10 kHz为临界点，把音频范围分为低频区、中频区和高频区。在低频率平面扬声器和动圈式扬声器的输出响应都较低，这与声压级的计权方式有关；中频率，两者都表现得比较平稳；在高频区，两者的输出响应较中频区均有所下降，但动圈式扬声器的下降幅度明显大于平面扬声器。

3.2 振动薄板的材质与灵敏度关系

从图4(a)～(c)可见，当输入信号的频率改变时，平面扬声器的输出声压级变化趋势相近。当振动薄板采用玻璃板时扬声器输出声压级最大；五夹板次之；ABS塑料板最小。说明采用玻璃板这类高声速的振动薄板的声辐射效率相对较大。

3.3 振动薄板的尺寸与灵敏度关系

对比图4(a)～(c)中的实心圆点和空心圆点，可以发现3种材料中大尺寸板对应的中、高频区声压级均略低于小尺寸板，但是在低频区的声压级明显高于前者。因此增大板材的尺寸，可以提高其低频区的声辐射效率。

4 结 语

相比动圈式扬声器，平面扬声器频率响应带宽较宽，振动薄板选用玻璃等硬质声速较高材料薄板时，平面扬声器的灵敏度相对较高；选择面积较大的振动薄板，可以适当地提高低频区的输出声压级。进一步提高平面扬声器的灵敏度：①继续优化超磁致伸缩驱动器内部结构，保证GMM棒在工作时的良好散热；②选择更为合适的尺寸及材料的振动薄板。

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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

国家自然科学基金资助项目(61203257)

周 强(1982-)，男，浙江台州人，实验师，现主要从事传感器与检测技术、机电一体化的教学与研究。

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

TN 643

A

1006-7167(2015)11-0011-03