传声器设计点滴

传声器设计点滴

北京第七九七音响股份有限公司 华子兴

传声器作为一种声接收器件，除了传统的会议扩声、专业、音乐录扩音、通信和声学测量外，随着技术的发展，诸如在声控和声探测定位领域也得到广泛的应用。应用领域的扩展、使用要求的提高，对传声器的性能要求越来越高，同时又会提出新的要求。

目前在广播、录音扩声领域中应用最广的传声器是动圈式传声器和电容式传声器。 为保证、提高传声器换能单元的基本性能，在此与大家讨论和传声器设计有关的点滴问题。

一、涉及传声器的两个最基本的声学基础问题

传声器的构成中均有一个既要承担接收声波又是振动元件的“振膜”。当传声器工作时，首先是接收声波，在声波的激励下传声器“振膜”产生振动，然后由“振膜”的振动完成“声”转换成“电”。为此，传声器处在什么状态接收声波和振膜振动处于何种控制状态，与设计者所期望的传声器的指向性特性和频响特性有直接关系 。 1） 质点的受迫振动

在频率较低时，总可以将“振膜”视作为质量和弹性元件的组合体，“振膜”在外力（声波）的作用下产生振动可

等效成如图一所示的质点受迫振动。设外力：

t F F A F ωc o s =→t j A e F ω

ω—外力的圆频率

M Z —系统的力阻抗

M R —力阻 图 一

⎪⎪⎭⎫

⎝

⎛-=M M M C M X ωω1 —力抗

经过足够长的时间，振动只存在稳态状态，以余弦函数()θωξξ-=t A cos 表示

位移振幅： 2

2⎪⎭

⎫

⎝

⎛

-

+=

ωωωξM M M A

A k M R F

由此，振幅A ξ 与外力A F 、外力的圆频率ω有关，还取决于M M 、M k 、M R 等。

M

M

M R M Q 0ω=

为品质因素，

0ω =

M M M k 为固有圆频率(M k =M C 1

)， 设0

ωω=Z

R M

F F

(

)

M

M M

A A Q

Z Z M Q F 22

2

2

2

1-+=

ωξ

当 Z <<1 时，即 f <<0f

M

A A M

A A M

A M A A k F a k F V k F M F 2

2

0ωωωξ=

=

=

=

当外力的频率远低于系统的固有频率时，系统的 图 二

弹性对振动起主要作用。此时的控制状态称为弹性控制，这个频段称为弹性控制区。

在弹性控制区内位移振幅与频率无关。由以()

M

M

A A

Q z z Q A 22

220

1-+==

ξξ为纵座标，

z 为横座标，M Q 为参数如图二所示的曲线可见，在z <<1的范围曲线呈现一平坦区，A

的极限值为1。 当z =1时，曲线出现峰值，此时称之为位移共振，与此对应的频率称为位移共振频率。M Q 越大，共振的位移振幅也越大。

压强式测量电容传声器要求频带宽、频响平坦。它的输出e ～

ξD

E 0

, 0E 为直流电压，D 为振膜与后极板之间的距离,ξ为振膜受声波作用振动的位移。由输出表示式看出，只要

当位移ξ与频率无关时，输出e 与频率无关。把振膜的振动状态设计在弹性控制区，这时振膜的固有频率远高于工作频段范围，就能实现在很宽的频段内达到频响是平坦、均匀的。

当 1=Z 时， 即 0f f =

M

A M M A A M

A M M A A R F a R F V R F M Q F ωωωξ=

=

=

=

2

系统振动在固有频率附近，力阻起主导作用，力阻越大，振速幅度越小，此时振动系统处于阻尼控制，这个频段称为阻尼控制区。

在阻尼控制区内振速与频率无关。由以M

M

A

M A Q

z z Q F M

V B 22

2

2

20)1(-+=

=ω为纵座

标，z 为横座标，M Q 为参数如图三所示的曲线可见，当z =1时，曲线出现极大值，表示发生速度共振。同时也可看出，M Q 越大，速度共振峰就越高。

压强式动圈传声器当振膜受到声波作用产生振动，音圈中产生的感应电动势为

e ～Blv ，也就是输出与音圈（即振动系统）的振速成 图 三

正比。为了实现输出e 与频率关系是平直的，只要使音圈的振速v 与频率无关。为此把动圈

传声器的振动系统设计在力阻控制状态，满足M

A

A R F V =,这时，传声器的输出就与频率无关。 2） 声波的接收原理

最简单、基本的声接收器结构如图四所示，它总是由密封盒一侧装配有振膜，而另一侧则为有声阻尼的进声孔组成，振膜受到的作用合力为振膜正向作用声波0p 和由另一侧进声孔处声

波2p 的迭加。 图 四

在球面波情况下，()

kr t j pe

p -=ω1

R 2Z A

()θωcos 1222B s C Z R j R Z R Z p F A AD AD AD A A +⋅⋅⎥⎥

⎥

⎥⎥

⎦

⎤⎢⎢⎢⎢

⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⋅⋅= ()θcos 1B s G p A +⋅⋅⋅=

这里：B ～

2

R C l

A ⋅∆此数值实际上表示“压差”效应与“压强”效应的比例。

合理、适当选择l ∆、A C 、2R 等声学元件，以获得不同数值的B ，相对应的传声器就具有如图五所示不同的指向性特性。

B=0 时 1 无压差效应 指向性呈圆形

θcos 1B + 1>>B 时 θc o s 压强效应极微 指向性呈∞字形

1=B 时 θcos 1+ 压差效应与压强效应同等 指向性呈心形

2=B 时 1+2θcos 压差效应2倍于压强效应 指向性呈超心型

图 五

二、 传声器的振膜

无论是动圈式传声器还是电容式传声器的振膜既是声接收元件又是机械元件，当它受到声波的激励时会产生振动，传声器的性能与振膜的质量优劣息息相关。描述振膜这个元件的参数一般用顺性C 、质量M 和力阻R ，有时还增加共振频率0f 和机械品质因数Q 。 良好的动圈式传声器振膜应满足：a).顺性尽可能大；b).顶部刚性要好；c).质量轻；d).有适当的内阻尼；e).振动线性范围要大；f).不应产生不规则的分区振动；g).受环境温湿度影响要小等等。这些要求实际上有些是互相矛盾和制约的，所以要实现和达到优良振膜的上述要求，必须从振膜材质选择、几何尺寸及结构去综合平衡、考虑。 1） 振膜材质选择

振膜的性能在一定程度上依赖于薄膜材质的性能，要求材质(1).密度ρ小；(2).杨氏模量

E 大（可实现ρE

比值大）

；(3).有适当的内阻尼；(4).随温湿度变化小、不易老化等。

目前振膜材质普遍采用高分子塑料膜，聚碳酸脂膜和聚脂膜是最常用材料。实践证实，

B=0B >>1

B=1B=2