超磁致伸縮平面揚(yáng)聲器靈敏度的研究

周 強(qiáng)， 羅良進(jìn)， 張石清， 劉 楓

(1．臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000； 2．臺(tái)州市三甲中學(xué)，浙江 臺(tái)州 318000)

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超磁致伸縮平面揚(yáng)聲器靈敏度的研究

周 強(qiáng)1， 羅良進(jìn)1， 張石清1， 劉 楓2

(1．臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000； 2．臺(tái)州市三甲中學(xué)，浙江 臺(tái)州 318000)

采用模擬法在半消音室環(huán)境里對(duì)平面揚(yáng)聲器和動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的靈敏度進(jìn)行測(cè)試,在音頻范圍內(nèi)按1/3倍頻點(diǎn)選擇測(cè)試點(diǎn)。搭架數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)并調(diào)節(jié)功率放大器以保證揚(yáng)聲器的輸入功率恒定1 W，記錄離揚(yáng)聲器軸向1 m處聲壓計(jì)的讀數(shù)。選取力學(xué)參數(shù)相差較大的玻璃板、五夾板和ABS塑料板為振動(dòng)薄板，同時(shí)每種材質(zhì)都有大小相同的兩種尺寸。測(cè)試結(jié)果表明：動(dòng)圈式揚(yáng)聲器在高頻區(qū)輸出響應(yīng)下降趨勢(shì)比平面揚(yáng)聲器明顯，平面揚(yáng)聲器的高頻響應(yīng)較好，帶寬較寬；靈敏度與振動(dòng)薄板的材質(zhì)與面積均存在著一定的關(guān)系，聲速較高的材料靈敏度相對(duì)較高，而面積較大的則低頻響應(yīng)相對(duì)強(qiáng)。

平面揚(yáng)聲器； 超磁致伸縮； 靈敏度

0 引 言

超磁致伸縮平面揚(yáng)聲器與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的工作機(jī)理不同，其核心器件是寬帶的線性驅(qū)勵(lì)器[1]。它主要是由超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)、驅(qū)動(dòng)線圈、永磁體等幾個(gè)部件構(gòu)成，GMM棒放置在磁場(chǎng)中并在線圈的驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁致伸縮力，激發(fā)硬質(zhì)板狀物體振動(dòng)發(fā)聲，實(shí)現(xiàn)了電-磁-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換[2-3]。此類揚(yáng)聲器具有響應(yīng)速度快、無(wú)指向性、低頻無(wú)諧振峰等優(yōu)異特性，在液晶電視、公共廣播系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)有源噪聲控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4-6]。揚(yáng)聲器的靈敏度是其性能的一個(gè)主要標(biāo)志，直接反映著揚(yáng)聲器的電聲轉(zhuǎn)換效率，在音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)中這是一個(gè)極為有用的技術(shù)參數(shù)，它體現(xiàn)了電能轉(zhuǎn)換為聲能的效率，靈敏度越高，揚(yáng)聲器越容易被功放驅(qū)動(dòng)[7]。因此，本文采用模擬法測(cè)試平面揚(yáng)聲器的靈敏度，分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)平面揚(yáng)聲器的靈敏度進(jìn)行研究。

1 線性驅(qū)動(dòng)器

超磁致伸縮平面揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由GMM棒、激勵(lì)線圈骨架、外殼構(gòu)成閉合磁路。GMM棒是整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的核心部件，目前應(yīng)用較多的是Terfenol-D棒。

圖1 超磁致伸縮線性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)激勵(lì)線圈輸入音頻信號(hào)時(shí)，GMM棒在交變磁場(chǎng)作用下按該音頻信號(hào)頻率作相應(yīng)的軸向伸縮變形，其變形量可以線性對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻輸入信號(hào)的幅度。最后由輸出桿推動(dòng)硬質(zhì)平板彎曲振動(dòng)，向周圍空氣中輻射聲波，從而實(shí)現(xiàn)了聲音的回放[8-9]。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方案

2.1 揚(yáng)聲器靈敏度的定義

(1)

取Pi=1 W，L=1 m時(shí)，有：

(2)

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

由于用純音訊號(hào)與用1/3倍頻程粉紅噪聲訊號(hào)測(cè)得的聲壓頻響曲線近似相同，所以本實(shí)驗(yàn)采用音頻范圍內(nèi)的純音信號(hào)進(jìn)行測(cè)試[12]。實(shí)驗(yàn)電路圖見(jiàn)圖2，信號(hào)采集系統(tǒng)由北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV3018系統(tǒng)、DASP-V1.0系統(tǒng)以及一臺(tái)示波器組成，每秒能采樣400個(gè)樣品，每個(gè)通道512 K采樣點(diǎn)，電壓精度±2 mV，帶寬20 MHz。DASP-V1.0系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)采集和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能(含A計(jì)權(quán)的聲壓級(jí)運(yùn)算處理)，使測(cè)試方案更加科學(xué)合理。

圖2 平面揚(yáng)聲器靈敏度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)電路

在揚(yáng)聲器和音頻功率放大器之間串聯(lián)一采樣電阻R，電阻兩端接差動(dòng)放大器。差動(dòng)放大器的運(yùn)放采用AD620，具有高精度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，具體電路如圖3所示，設(shè)差動(dòng)放大器的增益為Av，則有：

(3)

圖3 差動(dòng)放大器電路圖

多路信號(hào)采集系統(tǒng)CH1通道檢測(cè)功放輸出信號(hào)U1，CH3通道采集差動(dòng)放大器的輸出信號(hào)Uo，則此刻平面揚(yáng)聲器的輸入功率：

(4)

由于超磁致伸縮平面揚(yáng)聲器的阻抗隨著頻率的變化趨勢(shì)類似于高損耗電感[13]，在測(cè)試過(guò)程中需要調(diào)節(jié)功率放大器的輸出幅度使平面揚(yáng)聲器的輸入功率始終維持在1 W，然后記錄聲級(jí)計(jì)的讀數(shù)。在音頻范圍內(nèi)選擇按1/3倍頻點(diǎn)取樣n點(diǎn)，若第k點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聲壓值為pk，頻率響應(yīng)范圍內(nèi)的平均聲壓為

(5)

則聲壓級(jí)

(6)

其中，P0為空氣中的基準(zhǔn)聲壓，取20 μPa。

2.3 實(shí)驗(yàn)振動(dòng)薄板的選擇

對(duì)于四邊簡(jiǎn)支密度均勻的薄板，設(shè)長(zhǎng)為a，寬為b，厚為h，在單點(diǎn)激勵(lì)下，其彎曲振動(dòng)的簡(jiǎn)正頻率[14]：

(7)

參照NXT制定出的兩種最佳長(zhǎng)寬比例，本次測(cè)試選取振動(dòng)平板長(zhǎng)度a和寬度b的比例為0.88∶1.00。結(jié)合式(6)、(7)及材料的力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)確定兩種尺寸分別是70.4 cm×80 cm、26.4 cm×30 cm，3種日常生活中常見(jiàn)的玻璃板、五夾板和ABS塑料板作為樣品，其中玻璃板和ABS塑料板的厚度為8 mm，玻璃板、五夾板和ABS塑料板分別代表高、中和低聲速材料。測(cè)試時(shí)把驅(qū)動(dòng)器放置在平板中心，此時(shí)，聲場(chǎng)相對(duì)均勻，聲壓傳感器的響應(yīng)曲線也較為平坦[15]。

表1 3種材料的力學(xué)參數(shù)表

3 結(jié)果與討論

在半消音室內(nèi)對(duì)6個(gè)樣品及動(dòng)圈式揚(yáng)聲器進(jìn)行測(cè)試，玻璃板、五夾板、ABS塑料板以及紙盆揚(yáng)聲器所測(cè)得的輸入信號(hào)頻率(Hz)與聲壓級(jí)(dB)的關(guān)系圖分別如圖4所示。其中：實(shí)心圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為小尺寸板；空心圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為大尺寸板。

(a)玻璃板(b)五夾板(c)ABS塑料板(d)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)

圖4 樣品測(cè)試結(jié)果圖

3.1 平面揚(yáng)聲器和動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的靈敏度比較

對(duì)比圖4，輸入信號(hào)的頻率以0.4、10 kHz為臨界點(diǎn)，把音頻范圍分為低頻區(qū)、中頻區(qū)和高頻區(qū)。在低頻率平面揚(yáng)聲器和動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的輸出響應(yīng)都較低，這與聲壓級(jí)的計(jì)權(quán)方式有關(guān)；中頻率，兩者都表現(xiàn)得比較平穩(wěn)；在高頻區(qū)，兩者的輸出響應(yīng)較中頻區(qū)均有所下降，但動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的下降幅度明顯大于平面揚(yáng)聲器。

3.2 振動(dòng)薄板的材質(zhì)與靈敏度關(guān)系

從圖4(a)～(c)可見(jiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率改變時(shí)，平面揚(yáng)聲器的輸出聲壓級(jí)變化趨勢(shì)相近。當(dāng)振動(dòng)薄板采用玻璃板時(shí)揚(yáng)聲器輸出聲壓級(jí)最大；五夾板次之；ABS塑料板最小。說(shuō)明采用玻璃板這類高聲速的振動(dòng)薄板的聲輻射效率相對(duì)較大。

3.3 振動(dòng)薄板的尺寸與靈敏度關(guān)系

對(duì)比圖4(a)～(c)中的實(shí)心圓點(diǎn)和空心圓點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)3種材料中大尺寸板對(duì)應(yīng)的中、高頻區(qū)聲壓級(jí)均略低于小尺寸板，但是在低頻區(qū)的聲壓級(jí)明顯高于前者。因此增大板材的尺寸，可以提高其低頻區(qū)的聲輻射效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

相比動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，平面揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)帶寬較寬，振動(dòng)薄板選用玻璃等硬質(zhì)聲速較高材料薄板時(shí)，平面揚(yáng)聲器的靈敏度相對(duì)較高；選擇面積較大的振動(dòng)薄板，可以適當(dāng)?shù)靥岣叩皖l區(qū)的輸出聲壓級(jí)。進(jìn)一步提高平面揚(yáng)聲器的靈敏度：①繼續(xù)優(yōu)化超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證GMM棒在工作時(shí)的良好散熱；②選擇更為合適的尺寸及材料的振動(dòng)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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61203257)

周 強(qiáng)(1982-)，男，浙江臺(tái)州人，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)主要從事傳感器與檢測(cè)技術(shù)、機(jī)電一體化的教學(xué)與研究。

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

TN 643

A

1006-7167(2015)11-0011-03