模态控制技术与龙骨振膜扬声器——现代扬声器设计的发展趋势

模态控制技术与龙骨振膜扬声器——现代扬声器设计的发展
趋势
程光
【摘要】提出了扬声器的声信噪比问题及其测量方法,指出扬声器的声信噪比是评价扬声器音质的重要指标.介绍了现代扬声器的设计方法--模态控制技术及采用模态控制技术设计的龙骨振膜扬声器.在提高振膜的信噪比、音质和有效传递驱动力方面,采用模态控制技术设计的扬声器龙骨振膜结构优于现有的其他结构.
【期刊名称】《电声技术》
【年(卷),期】2010(034)008
【总页数】4页(P27-29,43)
【关键词】扬声器的信噪比;扬声器振膜的信噪比;扬声器振膜的模态分析;模态控制技术;扬声器龙骨振膜;龙骨振膜扬声器
【作者】程光
【作者单位】深圳市世纪声电子技术有限公司,广东,深圳,518040
【正文语种】中文
【中图分类】TN643
音响系统，无论简单还是复杂，都是为了推动一片物体振动，从而发出声音。

这片物体除了将电信号转换成声音外，自身还会发生扭曲变形，像抖动纸片或金属
片一样发出噪声。

1 扬声器与腔体
单独的扬声器发出的声音是不好听的，人们总是将扬声器装在一个箱体中，把小音箱放在房间里或汽车内会比放在露天好听。

简单的扬声器系统可以看成是双腔耦合系统。

内腔就是音箱，外腔是房间或车厢。

露天的情形相当于把房间的前后左右墙壁和天花板打开，保留地面的无限大房间。

对于复杂的房间或多腔体音箱，就构成多腔耦合系统。

这些腔体的大小、结构和材质对扬声器的音质影响极大。

一只4
in（100 mm）的扬声器，一般情况下低频很难做到50 Hz以下。

如果放在汽车里，就很容易做到这一点。

同样，把耳机放在桌面上听，500 Hz以下很难放出来，如果戴在耳朵上，由于耦合腔很小，频响很容易做到20 Hz～20 kHz。

因此，扬
声器的设计并不是孤立的，必须根据使用的环境和音箱的要求来确定设计方案。

同样，评价一只扬声器的好坏也应该针对具体的使用环境来对比，不同使用环境的扬声器可比性不高。

在进行计算机模型分析时，要把各种腔体的参数包括边界条件输入进去，才能得到正确的结果。

2 模态控制技术[1]
当物体受到外力作用时会发生扭曲变形。

一面旗帜，在风中会飘扬起来，可看到各种各样的变形形态，抖动一张纸，也可以看到各种变形形态。

这些变形的形态就叫“模态”。

薄壁特征的部件模态比较多。

如火箭、飞机、汽车、家电的外壳在外力激励下会发生模态共振，轻则发出噪声，重则会发生结构断裂，造成灾难性后果。

宇宙飞船升空时，航天员感受到巨大的振动，某型战机试飞时遇到过剧烈振动，导致尾翼脱落，一些汽车时速达到90 km以上时，车内噪声巨大，难以忍受。

这些
问题都跟模态共振有关。

过去谈到共振，关注物体的固有频率，只想到一个共振频率，其实，真实的物体都不是刚体，会有多个固有频率，只不过在多数情况下，第一个固有频率的振幅往往最大。

多个固有频率发生共振就出现多模共振即模态共振。

模态共振产生的噪声频带比较宽。

模态共振与构件材料的弹性模量、阻尼系数、结构特征、支撑和约束方式以及策动力有关。

采用计算机有限元分析方法，找到可能的模态，挑选出危害大的模态，通过调整以上几个关联因子，把模态共振控制在允许范围内的技术即模态控制技术。

3 扬声器振膜的模态分析方法
扬声器振膜是典型的薄壁振动构件。

到目前为止，扬声器的设计主要沿用的是几十年前开发出来的等效电路分析法。

将力学特征用阻、容、抗元件代替，与电学特征一起构成一个等效电路。

其最主要的简化就是将扬声器振膜的锥体简化为刚体。

这种方法只能算出一个特征模态即谐振频率F0附近的一些相关物理量，如Q值，F0，等效容积VS等。

这些参数对音箱设计非常有用。

后来人们又开发出一种二维旋转对称有限元分析法，可以比较准确地算出中频谷对应的模态，最多能算出两三个比较接近的模态，其余模态都是不准确的，而且全部都是鞭模态，数量最多的瓣模态、噪声最大的碎模态、容易造成音圈损坏的摆模态都算不出来（扬声器振膜的模态分析和模态分类详见参考文献[2]）。

这就是目前国内外大多数著名扬声器厂家能够达到的最高水平，再往前走就要凭经验和运气了。

目前世界上许多比较好的扬声器并不是设计出来的，而是在以往经验的基础上通过大量的试错，碰运气做出来的。

不久前，一个外资企业，国外著名厂家的振膜供应商，为美国的一家企业开发振膜，修改重做了81次模具，耗费了4年多时间，依然达不到要求，请求笔者帮助分析，笔者采用模态控制技术，仅用了1小时就设计出来了。

第二天做了100个样品，各项指标全部超过客户标准。

随着计算机技术的飞速发展，大型通用有限元分析软件在三维多物理量分析方面已取得重大进展。

运用三维多物理量耦合有限元分析方法，可以对扬声器振膜的模态进行精确的模拟分析研究，对影响音质的模态进行有效的控制，可设计出音质优良的扬声器。

4 模态分析的完整法和简化法
完整法要求按照扬声器的实际工作状态将各部件的材料特征参数输入，包括线圈、磁路、前后耦合空腔等。

在线圈中通入宽频信号，产生策动力。

这种方法精度高，但数据量过大，一般计算机难以承受。

简化法将电动策动力用机械策动力代替，将电阻尼用机械阻尼替代，只要简化合理，结果也很满意。

如果仅仅进行振膜部分的模态分析，还可以进一步简化。

笔者在PC机上进行一次高精度简化分析耗时多达20小时，进行振膜部分局部简化分析，10多分钟就可以完成。

5 扬声器的音质测试与设计
影响扬声器音质的参数很多，目前常用的测试方法仅仅反映了扬声器音质的部分信息，还有一些更重要的信息没有反映。

这就造成了测试参数好，而音质不好的怪现象。

由于重要测试参数缺失和设计手段落后，专家往往做不出好的扬声器。

失去了理论指导，音质评价像写诗一样随意，发烧友们发明了许多稀奇古怪的名词来评价音质。

音质评价变成了玄学。

其实，音质评价的标准只有一个，就是真实还原本来信号的能力，任何相对于原信号的偏离都是失真。

通过频响曲线可以了解频率失真，脉冲响应和瀑布图可以了解瞬态失真。

而通过谐波失真和互调失真也可以了解部分失真。

还有一项对音质影响最大的参数没有测试，就是模态失真。

谐波失真和互调失真是从电子学引入的参量，用来评价扬声器是不准确的。

机械扭曲变形发出的噪声跟电子学中信号的失真规律是不同的。

谈到信噪比，都会想到功放和电信号。

其实，扬声器本身也有声信噪比。

扬声器振膜在被信号驱动时除了将电信号还原成声音外，自身振动时产生的变形模态也会发出噪声，随着信号的增大，这些模态噪声以更快的速度增大。

这就是很多音响开得越大声越听不清楚的原因。

随着激励信号的增强，越来越多的模态被激励起来，发生共振。

有效声音信号的声压与振膜本身产生的模态噪声声压之比就是扬声器本身的声信噪比。

扬声器的声信噪比不是一个常数，它随激励信号的大小和频率而变化。

扬声器声信噪比的测试可以采用正弦波慢扫频的方法，将测试传声器拾取的信号与发出的信号进行比对，用计算机信号处理方法——快速傅里叶变换FFT，将有效
信号和噪声信号分离，从而计算出扬声器在相应激励条件下的声信噪比。

加上这一指标，对扬声器的音质测试和分析才会更为清晰准确。

扬声器的信噪比主要是振膜的信噪比。

扬声器的音质设计除了采用现有的传统方法计算频响及其他参数外，更重要的是采用模态控制技术来控制扬声器振膜的模态共振，提高扬声器振膜的信噪比。

在其他参数相近的情况下，扬声器振膜信噪比的高低决定了扬声器音质的好坏。

6 扬声器振膜的结构与音质
目前广泛使用的扬声器振膜基本上都是各种薄片材料制成的，比如中低音用的纸盆、PP盆、蜂窝或泡沫三明治，高音用的丝膜、铝膜、钛膜等。

这些材料制成的扬声
器振膜的结构变化主要是形状和厚薄的变化。

从截面来看，无非是直线、曲线。

曲线盆又有指数曲线、圆弧曲线、双曲线、抛物线等。

圆弧曲线分为突出的球顶和下凹的锅底。

还有将不同的曲线或直线组合起来的剖面线形。

折环的形状也各式各样。

一般扬声器的驱动方式主要有三种：点驱动、线驱动和面驱动。

老式的舌簧扬声器就是通过振膜锥体中心来驱动的。

现在大多数电动式扬声器的振膜是通过与音圈相连的圆圈线来驱动的。

静电式扬声器则是面驱动的。

如何将音圈的驱动力有效地传递给振膜，这么多种线性选哪种好？这里挑选最典型的直线盆和指数曲线盆来做一个简单的简化对比分析。

首先进行简化的静力学分析，先将边缘做固定约束，再沿音圈驱动的方向施加一个驱动力。

观察两者的应力和应变，发现直线盆的应力和应变集中在根部，而指数曲线盆的应力和应变分布比较均匀。

简单地用手按压一下两种纸盆，从两侧向中间挤压，直线盆比较容易向中间塌陷。

用一个杯子托着纸盆的外缘，正向和反向推拉纸盆，发现两个方向的刚性差别比较大，表明音圈驱动纸盆时，信号的正半周和负半周是不对称的。

对同样厚度的直线盆和指数曲线盆进行模
态分析发现指数曲线盆的模态数比直线盆的模态数少。

说明指数曲线盆的模态失真较小，扬声器的声信噪比较高，音质较好。

但是，指数曲线盆的外缘第一个鞭模态比直线盆的第一个鞭模态出现的频率低。

说明指数曲线盆的中频谷出现的频率较低，根部的鞭模态出现的频率较高，指数曲线盆的频响曲线中部起伏较大，高频端起伏较小。

指数曲线盆的频响较宽。

7 龙骨振膜的模态控制方法
传统的扬声器振膜，无论是纸盆、热成型的塑料盆、压制的金属盆还是蜂窝结构或泡沫夹心三明治盆，本质上都是薄片结构的。

三明治结构对于抑制模态共振有较好的效果。

但由于蜂窝或泡沫结构与面层粘接面较小，支撑部分较薄，容易产生小模态共振，在中高频会发出类似敲击威化饼的声音，就像抖动金属片一样，低频激励会产生中高频噪声。

许多扬声器大信号时的信噪比只有30～40 dB，扬声器振膜
的信噪比比电信号的信噪比差得多。

有的扬声器频响曲线很平，但信噪比低，放出的声音很吵，音质很差。

现有的技术将扬声器的曲线做平并不困难，但要提高扬声器振膜的信噪比，把音质做好，就没那么容易了。

做应力分析还发现，锥盆的根部，与音圈相连的部位是应力最集中的地方，除了纸盆以外，热成型的锥盆由于根部拉伸较大，往往比较薄，刚好与振膜的力学要求相反。

扬声器龙骨振膜刚好像打开的折扇那样，应力大的根部龙骨较密，应力较小的外缘，龙骨较疏，正好符合扬声器振膜的力学要求。

扬声器龙骨振膜除了可以像传统振膜一样选择剖面线形来提高整体结构稳固性，减少模态共振，提高振膜的信噪比外，还可以调整龙骨的疏密、大小、高低来进行模态控制。

图1和图2是笔者开发的一款采用模态控制技术设计
的龙骨振膜扬声器——云飞凌VIFILING-135G。

样品于2008年通过国家科技成果鉴定（深科同鉴字[2008]第1032号）。

图3是第一款中低音采用上述龙骨振膜扬声器的高保真音箱——云飞凌VIFILINGM520。

分频点4 000 Hz。

用模态控制技术设计的龙骨振膜扬声器声信噪比极高，声音甜美，清晰。

在提高振膜的信噪比、音质和有效传递驱动力方面，采用模态控制技术设计的扬声器龙骨振膜结构优于现有的其他结构，但其主要缺点是设计困难，传统的扬声器设计方法和软件都不适用于复杂结构的设计分析，致开发成本过高。

国内外许多著名品牌都尝试过开发龙骨振膜，结果都以失败告终。

因他们对音质理解不全面，采用落后的开发技术，不知如何据材料特性设计合理的龙骨结构，还是采用经验加碰运气的方法来设计，导致开发成本数百倍于传统振膜。

参考文献
[1] 程光.扬声器振膜：中国，ZL 200420094318.2[P].2005-11-02.
[2] 程光.扬声器振动系[J].电声技术，2009，33（6）：21-25.。