3D 音效的轻量化车载震动扬声器及其应用

文承福

（ 天津职业技术学院，天津300000）

文章通过引入先进的电声技术，对产品结构进行开发，提升产品结构的高性能、轻量化及可靠性。借助磁路系统部品结构实施研究，并通过模拟软件便于后续的调整。

1 通过FINE Motor 软件，对磁路系统进行模拟设计

SPEAKER、音腔、音频电路和MIDI 选曲是关键的设计要素，通过其本身的特点及相互配合形成音质。SPEAKER 单体的品质直接影响着音质的好坏，其灵敏度直接影响着声音的大小，其低频性能对铃声效果、是否有杂声是十分必要的[1]。 音腔在某种意义上可以对Speaker 的输出频响曲线进行调整， 借助声腔参数的调整改变高、低音效果，其中后声腔容积大小直接影响着低音质量，前声腔及出孔面积对高音效果具有直接影响。 这涉及到结构设计比如音腔的设计； 音频电路输出信号的失真度及电压对音质可能会造成杂音的影响。如果输出信号的失真度大于10%，铃声会出现明显杂音[2]。 此外，输出电压则必须与Speaker 相匹配，不然输出电压过大造成Speaker 出现失真的情况比较严重，这也会出现杂音。MIDI选曲在某种程度上也影响着音质， 主要体现在频谱与声腔和Speaker 的不相匹配时，会造成音乐出现比较大的变音，影响扬声器的听感。为了实现扬声器轻量化的个性化要求，通过内磁式磁路结构，应用钕铁硼磁钢作为物质载体，以此减小磁路体积，提升产品结构的可靠性及性能，如图1 所示。

2 优化导磁板柱结构的定位

扬声器的灵敏度主要取决于永久磁铁的磁性、 纸盆的品质及装配工艺的优劣。因为复合扬声器的诞生，减少了扬声器的谐振频率大为降低,有效缓解了低频响应。 但是因为扬声器振膜两面所辐射的声波相位相反， 导致反响波相互消除， 对低频的重放造成影响。 为了有效减少这种情况，可以通过应用扬声器背面的辐射，提高扬声器的低频效果，通常应用音箱或者障板。导磁板柱大多是锥孔通透结构，具有体积小、质量轻的优势，与顾客的轻质化要求相符合[3]。 而且有效减少了扬声器频响的失真情况，避免了扬声器工作中活塞运动的气阻影响， 显著提升了扬声器的效率，并具有良好的功率容量。

图1 磁路系统的模拟设计

3 搭配振动设计，避免失真情况

内磁喇叭背后看不到磁铁，磁铁是包在外壳里面的，通常使用两个相同极性的对贴以减少磁性外漏。 内磁式受到外磁场的干扰较小，铁磁材料比较少，体积比较轻，但是不能形成较强的磁场。在可动线圈与游丝一致时，会造成灵敏度较低。外磁式铁磁材料使用的比较多，容易受到外磁场的影响，但是可以通过屏蔽消除干扰，其灵敏度比较高。扬声器在汽车音响系统中十分重要，要想提升车载扬声器的音色与定位感，其对技术提出了更高的要求。在汽车内部空间，由于空间比较狭窄，受到噪音、车用材料及震动的影响，再加上扬声器的安装位置受到汽车内外造成的局限。 值得注意的是如果扬声器安装位置不同，会造成偏左或者偏右的聆听感。因为扬声器的指向并不是正面平均对称， 造成频率复杂， 出现反射性时差。 共鸣更问题。 但是基于3D 音效的轻量化车载震动扬声器，对汽车安装位置比较高，要形成3D 环绕的音乐效果。 因此，在实际安装中，通过掌握不同用途、种类、属性等扬声器的特点，应用科学的安装技巧及，正确处理不同扬声器的安装位置，确保其良好的指向性，为客户提供优质的聆听感。通过扬声器振动系统与磁路系统的优化，借助锥孔结构有效避免失真情况，降低了扬声器工作中的气阻，显著提升其效率，如图2 所示。

图2 优化后的板柱结构

4 盆架力学支撑结构，有限元验证分析

为了拓展扬声器单元的工作频带转向高频， 通常借助两个纸盆进行固定，并应用音圈与定心支片连接起来。 内纸盆顶角小，劲度较大。在内外两只纸盆间应用小波文的设计，将其作为机械滤波器，这种扬声器的具体情况可以通过对等效线路进行说明分析。在低频时期，使用两个纸盆和音圈的振动，向四周辐射声波[4]。 在高频时，通过小纸盆和音圈的振动，在10KHz 以上可以有效辐射声波。双纸盆扬声器在某种意义上影响着工作频带，但是因为其都处于同个音圈上，所以互调失真的情况在所难免。对于音质要求比较高的放声系统来讲， 大多是应用这种结构， 通过不同扬声器的组合，将工作频带拓宽，有效改善互调失真情况。 通过对折环形状的科学设计，可以使用不易激发共振的不对称形状，可以将通常应用的正弦波纹改为接近锯齿波的波纹。 通过使用阻尼比较大的折环材料，或者在上面涂上阻尼材料，以此减小折环共振的幅度。 纸盆的压边大多是应用阻尼较大的材料，以此削减盆架反射的能量，以此改善中频谷。在支撑系统力顺的前提下，可以适当减小折环的宽度，以此削减折环辐射的声波，继而改善中频谷的情况。 在盆架设计过程中，通过ANSYS 有限元分析技术，在保障盆架结构刚度的基础上，实现盆架轻量化发展，减少树脂材料的应用。同时，明显缩短了开发周期， 并有效降低了盆架强度不够的威胁。 通过三角支撑，保证扬声器的支持可靠性，提升其抗共振强度，如图3 所示。

图3 盆架力学分析

5 振膜新材料的研究应用

通过模拟软件设计，对“ 纸盆”选材不断优化，提升扬声器低音效果，确保优质、节能以及高效转换。应用FINE Motor 软件软件对振动系统进行模拟设计[5]。Inter Management Engine Interface，介于固件与系统驱动之间，系统可以通过与固件之间的相互影响，继而实现音质管理的目标。 对面罩的透音率要求，在其开模前，高音要求至少为50%，中音要求至少为40%，与面罩距离为5-7mm。 由于音响的中低音需要借助箱体配合才能实现， 人耳可以听到的频率范围是20HZ-20KHZ, 大多数人能直接听到的高频上限在15-17KHZ 左右，高于20KHZ 的信号不能直接听到，但是可以感受到，关于声场的展宽及解析力的提升具有积极影响，这也是近年来高档音响应用超高音喇叭单元的关键原因。 振动系统的纸盆通过椭圆指数型母线设计，实现科学有效的频率相应，并通过计算机有限元对设计开发进行辅助，缩短纸盘开发周期，为后续音质调整提供便利。

综上所述，Fo 越低表示该喇叭单元的低频响应越好。单体喇叭由于在开放的空间内，纸盆向前的声波与后方的声波相位相反，有效过滤袋了低频的信号。 所以，其低频效果比较差。 同时由于后部没有箱体反射空气的反作用力，对纸盆产生阻尼，因此单体喇叭的功率承受能力相对较小。 因此，亟需开展基于3D 音效的轻量化车载震动扬声器的相关研究。 轻量化扬声器可以在商用车、轮船、汽车等传统音响系统中应用，明显提升了传播效果。