小型扬声器音圈的设计

微型扬声器音圈的设计
音圈是扬声器的重要部件，其设计合理与否，对扬声器能否满足其客户所 提出的电声指标：如阻抗、功率、灵敏度、失真度和频响等影响甚大。过去对 于音圈的设计是采用定性分析、定量估算和工艺三结合的设计方法。现在有了 计算机设计软件如 Finemotor2.5,实现了扬声器的总体设计， 此软件的应用可以让 我们直观的看到：在调整音圈线径时，音圈在缝隙磁场中的相对位置，以及对 灵敏度和对于 TS 参数的影响。非常快捷。可以说设计软件的应用好比给设计人 员插上了翅膀，加速了新产品的研发进程。 音圈是扬声器的心脏，是承受功率的第一要素，它制约着扬声器的寿命， 它决定着扬声器各项指标中最重要的指标—可靠性。随着使用条件的逐渐升级， 所以音圈要具有相当的热强度，要能承受规定的噪声功率和长期最大功率，同 时它还要具有足够的刚度和精度，并能经受 85℃以上高温、-40℃以下低温和冷 热冲击的考验。可以说对于小型扬声器所使用的音圈的设计提出了极高的要求。 下面分别从阻抗、功率、灵敏度、失真度和频响讨论音圈的设计。 1. 音圈与扬声器的阻抗
2f 0 Mms Re ( BL ) 2
2 0 2 S D C
Qes =
线径细了，Mms 减轻了，虽然 L 小了，但是 Mms 减轻起了主 要作用，所以 Qes 下降 Qts =
Re QesQms = 2 Qes Qms (BL)
Mms Cms
因为 Qts 等于 Qes 和 Qms 的并联值，Qes 减小，Qts 也会随之 减小。
F0 =
1 2 MmsCms
如果 F0 不变，Mms 减小，Cms 必须加大
音圈线细了，音圈质量降低
上式说明：位移=力×力顺×修正因子。 音圈线变细后，修正因子的减小起了主要作用，造成 Xm 下降。
音圈还与扬声器失真关系很大，假设音圈设计合理，音圈置于磁场中，由
于磁场分布是不均匀的，理想的均匀磁场只在一定的范围内，上下漏磁场也不 对称，所以磁感应强度 B 是不均匀的，导致音圈受力的不均匀，因而产生失真。 对于无骨架的音圈，音圈位放到与磁蕊上下对称也是一件难事，往往是在上面 露出的比下面露出的要多，这也是产生失真的因素。 从音圈的设计到工艺， 看起来简单， 但是要想做好是需要大家一起努力的。 要想保证音圈在磁场中正常工作，还必须有良好的产品结构，也就是良好的散 热条件，对于小型产品也是必须认真考虑的。
DS
—
F
X
—
SDHT
比 DHT 张力高的铜合 金线，称超高张力线
—
DHT
5
2
DS
—
F
Y2
—
SDHT
目前使用的音圈线，正像供应商所讲你们用的是最新的材料，我们正是使用 了这些新材料，才做出了最前位的音圈。冠音泰的音圈的制作其自动化程度是 走在世界前列的。但是细节中还存在一些问题，如整线，取音圈的方法和产品 的稳定性方面有待我们去改进和提高。
Z (Ω )
RE fo
fn
f(Hz)
图 1：扬声器等效电路
图 2：扬声器阻抗曲线
根据图 1 的等效电路，扬声器的等效电阻抗为：
Z E = R E +jω L+（
1 1 jCU ） 1 RU jLU
（1）
图 2 是扬声器的阻抗曲线，可知扬声器的阻抗是频率的函数，在每个频 率点它的阻值都是不一样的。国标 GB/T9396-1996 第 18.1 条中规定： 18.1 额定阻抗 特性解释： 扬声器的额定阻抗是一个由制造厂规定的纯电阻的阻值，在确定信号源的 有效电功率时，用它来代替扬声器。 额定阻抗是指阻抗曲线（见 18.2）上紧跟在第一个极大值后面的极小值。 在额定频率范围内，阻抗模值的最低值不应小于额定阻抗的 80%，假如在额定 频率范围以外的任何频率（包括直流）的阻抗小于此值时，则应在说明书中加 以说明。 扬声器所标的阻抗就是 fn 点的数值， 此时， 机械阻抗和声阻抗接近相互抵 消。因此扬声器的阻抗就十分接近音圈的直流阻 Re,这样阻抗的计算问题归结为 直流电阻的计算问题。Re 取决于导线的直径，长度和电阻率，采用公司自编表 格软件可在瞬间求出。Re 的取值一般采取公司统一的规定数值，也就是抗值也 是一定的。音圈的设计便大大的简化了。 2．音圈与扬声器的额定噪声功率 音圈要具有相当的热强度，也就是音圈在工作时，由于音频电流通过会产 生大量的热量，音圈不应变形，粘合不应脱落，漆膜保持完好。我们都知道音 圈的口径正比于热功率容量，音圈的口径越大，承受功率也越大。目前最小的 音圈内径为φ 2（产品的额定噪声功率 30mW）, 常规音圈内径φ 7.3-φ 8.7（产 品的额定噪声功率 0.5-2W,长期最大功率为 2W） ， 利用下式计算一下几款线径的 承受功率情况。
序号 皮膜厚度 2 1 2 2 2 3 2 4 DS — F Y2
洒精型改性鄹酰氨， 烘烤后能在高温下保 持粘性
自融线 DS —
绝缘漆膜 U
130℃以上耐热性 的聚氨基甲酸脂
胶水层 P
鄹乙烯醇缩丁醛树脂 用于热风和洒精粘合
导体材料
DS
—
F
155℃以上耐热性 的聚氨基甲酸脂
X
新材料
—
DHT
铜合金导体 简称高张力线
Pe / R S0 Pe / R d 2
2
所以导线直径： d 2 ①取 J=90 A/ mm2
4 d2 1 8 =0.005
4 Pe / R J
按长期最大功率 1W
90
d=0.07(mm)
②取 J=90 A/ mm2 按额定噪声功率 0.7W
0.7 8 =0.0042 d2 90 4
J
Pe / R S0
(2)
（单位：A/ mm2 ）
式中：J — 音圈允许通过的电流强度
对于目前使用的耐高温的 LOCK 线 J=90-200 A/ mm2
Pe — 扬声器的额定噪声功率
（单位：W） （单位：Ω ） （单位： mm2 ）
R — 扬声器的标称阻抗
S 0 — 音圈裸导线的截面积
例 1： 产品阻抗 8Ω ，额定噪声功率为 0.7W,长期最大功率为 1W，求音圈线径？ 解： 先将（1）式变为： J
0.5 8 =0.0021 d=0.045(mm) d2 150 4
⑥取 J=180 A/ mm2 按额定噪声功率 0.7W
0.7 8 =0W
⑦取 J=200 A/ mm2
1 8 =0.0022 d2 200 4
d=0.045(mm)
X m Bli Cms
2 Qts 2 Qts 0.25
分析
因为扬声器的质量与辐射声功率成反比，音圈质量减轻了灵敏 度上升，下式是中频段的辐射声功率表达式：
WA
2 2 2 eg B l /( R g RE ) 2

B 2l 2 RMS 2 RMR 2 ( M MD 2M MR 2 ( R g RE )
长期最大功率为 30mW，求音圈允许通过的电流强度？按 30mW 计算。
Pe / R S0 Pe / R
J
2
d
2
0.03 32 = = 62 A/ mm2 2 0.025 2
此产品音圈允许通过的电流强度较低，通过功率试验是没有问题的。
3．音圈热容量 对于电动式扬声器而言， 在音响系统开机的瞬间， 是音圈受严酷考验的时刻， 因为总会有人在使用设备后忘记把音量旋钮旋至最小位置上。烧毁音圈多在开 机瞬间发生。烧毁的原因有二个： ① 起始时音圈是冷态的（室温） ，而且是静止的。反电动势为零（BLX=0） ，瞬 间电流很大 I U / Re ，随着音圈运动，反电动势出现，使 I (U BLX ) / Re ，电 流减小，同时随着音圈温升， Re （音圈室温时阻抗）增大，电流也将减小。 此时音圈阻抗 RL 升高，其关系如式（3） 。
4．音圈与扬声器的灵敏度、频响和失真 以上三个问题都是围绕着音圈线的承受功率进行的讨论。音圈参数对电声性 能的影响我们在使用 Finemotor2.5 中，改变音圈的线径后，结果一下就出来了。 请看表 3 和表 4。表 3 是φ 16 标准品采用 Finemotor2.5 的计算情况。
表 3（采用φ 0.056 线）
表 4（采用φ 0.05 线）
表 4 是为今讲课举的例子，是将表 3 中的音圈线径由φ 0.056 线改为φ 0.05 后， (其它参数不变如 f0)分析系列参数共 6 项的变化情况见表 6。
表6 序号 1 φ 0.056 线改为φ 0.05 线 SPL 上升 由 100.38dB 增加到 103.08dB 2 Qes 下降 由 3.51 降到 2.55 3 Qts 下降 由 1.62 降到 1.38 4 Cms 上升 由 1.45mm/N 增加到 1.96mm/N 5 Mms 下降 由 0.04g 降到 0.03g 6 Xm(最大振幅)下降 由 0.49 降到 0.3 电动力 F=BLI, 随着 L 的减小， F 减小。 Xm 也将减小。
d=0.065(mm) 按长期最大功率 1W
③取 J=120 A/ mm2
1 8 =0.0037 d2 120 4
d=0.06(mm)
④取 J=120 A/ mm2 按额定噪声功率 0.7W
0.7 8 =0.0031 d=0.055(mm) d2 120 4
以上这 4 种方法说明：当音圈允许通过的电流强度一定时，功率增大线径就 要加粗。 ⑤取 J=150 A/ mm2 按额定噪声功率 0.5W
此时 RL =1.5 Re ，在加上反电动势的作用可使输入功率减少 1/3。 ②我们知道热量的传递，是通过分子之间相互作用来完成的。空气是热的不良 导体，所以音圈的热量很难在瞬间传递出去，尤其是在开机的瞬间热量还来不 及传递到磁路系统中，只能依靠音圈本身的热容量（Q）储存能力。音圈的热容