微型揚(yáng)聲器擺動(dòng)模態(tài)對(duì)其輻射聲場(chǎng)的影響?

毛燕蓉 沈 勇

(南京大學(xué)聲學(xué)研究所 近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210093)

0 引言

近年來(lái)，隨著智能手機(jī)、筆記本電腦、可穿戴設(shè)備等移動(dòng)終端的興起與普及，微型揚(yáng)聲器單元的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)微型揚(yáng)聲器單元音質(zhì)的要求也越來(lái)越高。因此，對(duì)微型揚(yáng)聲器單元性能的研究與優(yōu)化逐漸成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)[1?4]。這些研究大多集中于對(duì)微型揚(yáng)聲器單元設(shè)計(jì)參數(shù)、造型等進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)提升微型揚(yáng)聲器單元的聲學(xué)性能。然而，這些研究大多假設(shè)微型揚(yáng)聲器單元振動(dòng)系統(tǒng)只存在一維縱向振動(dòng)(即振動(dòng)方向垂直于振膜面)，而忽略了微型揚(yáng)聲器單元的擺動(dòng)模態(tài)對(duì)其性能的影響。

在中低頻段，常規(guī)的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器單元在對(duì)稱力的作用下僅產(chǎn)生沿球頂法向的位移且振膜各處位移相同，可以看作活塞運(yùn)動(dòng)。但是揚(yáng)聲器在生產(chǎn)和使用過(guò)程中通常出現(xiàn)大量不對(duì)稱現(xiàn)象，如質(zhì)量分布不均勻，折環(huán)順性不對(duì)稱，側(cè)出聲情況下聲負(fù)載不對(duì)稱等，此時(shí)揚(yáng)聲器單元由于受力不平衡，會(huì)出現(xiàn)不理想的搖擺振動(dòng)，產(chǎn)生明顯的擺動(dòng)模態(tài)。不同于普通揚(yáng)聲器，由于缺少定位支片，在微型化、高聲輸出的發(fā)展趨勢(shì)下，微型揚(yáng)聲器單元的擺動(dòng)模態(tài)尤其突出，如圖1所示。

圖1 微型揚(yáng)聲器單元擺動(dòng)模態(tài)(繞短軸方向擺動(dòng))Fig.1 Rocking modes in micro speakers (Short axis direction)

Bright 等[5]用實(shí)驗(yàn)的方法證明了擺動(dòng)模態(tài)的存在，提出產(chǎn)生擺動(dòng)模態(tài)的關(guān)鍵在于質(zhì)量、順性或磁場(chǎng)分布等的不對(duì)稱，并建立理論模型，用模態(tài)分析的方法對(duì)不對(duì)稱順性造成的擺動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析。Klippel 等[6?7]在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，將擺動(dòng)模態(tài)下的振膜運(yùn)動(dòng)分解為擺動(dòng)與平動(dòng)兩部分，并通過(guò)模態(tài)分析預(yù)測(cè)振膜表面上造成擺動(dòng)模態(tài)的位置和原因。Cardenas 等[8]通過(guò)有限元模型對(duì)擺動(dòng)模態(tài)進(jìn)行模擬并分析其根因。

然而，上述研究大多集中在對(duì)揚(yáng)聲器單元擺動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生根源的探究及其測(cè)試方法，而擺動(dòng)模態(tài)對(duì)其輻射聲場(chǎng)的影響卻少有提及。由于移動(dòng)終端所使用的微型揚(yáng)聲器單元絕大多數(shù)為電動(dòng)式矩形揚(yáng)聲器，故本文針對(duì)一款具有擺動(dòng)模態(tài)的矩形微型揚(yáng)聲器單元(繞短軸方向擺動(dòng)，如圖1所示)，利用激光傳感器采集擺動(dòng)模態(tài)下微型揚(yáng)聲器單元振膜的振動(dòng)位移，通過(guò)理論計(jì)算，從輻射聲壓級(jí)、指向性與平面聲場(chǎng)等角度探究矩形微型揚(yáng)聲器單元擺動(dòng)模態(tài)對(duì)其輻射聲場(chǎng)的影響。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，除了會(huì)造成微型揚(yáng)聲器單元擦圈打底等機(jī)械性缺陷，擺動(dòng)模態(tài)還會(huì)造成微型揚(yáng)聲器單元頻響凹陷、中低頻存在指向性等現(xiàn)象，對(duì)其輻射聲場(chǎng)產(chǎn)生明顯的影響。

1 微型揚(yáng)聲器單元輻射聲場(chǎng)的測(cè)量與計(jì)算

通用的聲場(chǎng)測(cè)量方法需利用傳聲器對(duì)聲場(chǎng)中各點(diǎn)進(jìn)行聲壓采集，一般而言，較大范圍的聲場(chǎng)測(cè)量均極為耗時(shí)。此外，為獲得準(zhǔn)確的聲場(chǎng)信息，對(duì)各測(cè)量點(diǎn)的位置定位也要求較高。因此，為快速獲得微型揚(yáng)聲器單元的輻射聲場(chǎng)，本文利用激光傳感器采集振膜的振動(dòng)位移對(duì)輻射聲場(chǎng)進(jìn)行理論計(jì)算，從而避免繁雜的聲場(chǎng)測(cè)量過(guò)程。

1.1 微型揚(yáng)聲器單元振動(dòng)位移采集

如圖2所示測(cè)量系統(tǒng)，安裝于可移動(dòng)導(dǎo)軌上的激光傳感器采集微型揚(yáng)聲器單元振膜的振動(dòng)位移，位置控制器利用導(dǎo)軌控制激光傳感器對(duì)振膜各點(diǎn)位移進(jìn)行拾取。同步記錄測(cè)試點(diǎn)位置信息與振膜振動(dòng)位移信息，即可對(duì)整個(gè)微型揚(yáng)聲器單元振膜的振動(dòng)進(jìn)行采集。

圖2 微型揚(yáng)聲器單元位移采集系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of displacement acquisition system for micro speaker unit

圖3給出實(shí)測(cè)的一款存在擺動(dòng)模態(tài)的微型揚(yáng)聲器單元振膜上三個(gè)不同位置(振膜中心點(diǎn)及兩條短邊中點(diǎn))的位移幅值與相位響應(yīng)曲線。由圖3可以看出，不同于正常微型揚(yáng)聲器單元的活塞振動(dòng)情況，具有擺動(dòng)模態(tài)的微型揚(yáng)聲器單元振膜上各點(diǎn)位移的幅值與相位差異明顯，特別在擺動(dòng)頻率點(diǎn)附近(本文研究單元擺動(dòng)頻點(diǎn)為f= 1100 Hz，此處擺動(dòng)最為劇烈)，部分位置點(diǎn)相位差大于90?，存在明顯的反向振動(dòng)情況。圖中1 點(diǎn)為振膜中心點(diǎn)，2、3 分別為兩邊短軸的中點(diǎn)。

圖3 具有擺動(dòng)模態(tài)的微型揚(yáng)聲器單元振膜上不同位置的位移響應(yīng)曲線Fig.3 Displacement response curves of micro speaker with different position of rocking modes

1.2 微型揚(yáng)聲器單元輻射聲場(chǎng)的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

一般而言，微型揚(yáng)聲器單元需安裝于障板上進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，為方便說(shuō)明，規(guī)定微型揚(yáng)聲器單元振膜面為x-z平面，其中短軸為z軸，振膜中心與坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，如圖4(a)所示，后續(xù)章節(jié)均采用此坐標(biāo)系，不再贅述。對(duì)于一般的微型揚(yáng)聲器單元，由于在中低頻段振膜上各點(diǎn)振動(dòng)位移基本一致，因此其振動(dòng)可以等效為剛性活塞運(yùn)動(dòng)，其輻射聲壓可由式(1)計(jì)算[9]。

其中，ρ0為空氣密度，c0為空氣中聲速，ua為速度復(fù)振幅，h為振膜各點(diǎn)與聲壓采集點(diǎn)S的距離。

圖4 微型揚(yáng)聲器單元輻射模型Fig.4 Radiation model of micro speaker

然而在擺動(dòng)模態(tài)下，微型揚(yáng)聲器單元振膜上各點(diǎn)振動(dòng)位移的大小與相位均不相同，不能再對(duì)整體使用式(1)。將振膜平面分割為若干個(gè)小矩形面元，如圖4(b)所示，本文根據(jù)振膜大小劃分成7×9 個(gè)矩形面元，以每個(gè)面元中心點(diǎn)(m,n)的振動(dòng)位移作為整個(gè)面元的振動(dòng)位移，則面元dS在空間中任一觀測(cè)點(diǎn)S(x,y,z)處產(chǎn)生聲壓為

式(2)中，xa(m,n)為面元位移的幅度函數(shù)，?(m,n)為面元位移的相位函數(shù)。面元與觀測(cè)點(diǎn)之間距離則觀測(cè)點(diǎn)處總聲壓可通過(guò)對(duì)振膜面積進(jìn)行積分獲得，為

對(duì)式(3)進(jìn)行離散化，則觀測(cè)點(diǎn)聲壓p為

為驗(yàn)證上述理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，針對(duì)一普通微型揚(yáng)聲器單元(產(chǎn)品規(guī)格1511，后續(xù)均采用此款單元，不再贅述)，不失一般性地隨機(jī)選取聲場(chǎng)中任意三點(diǎn)(本文選取的三點(diǎn)分別為(?7,?2,5)，(6,4,2)，(0,1,4)，單位為cm)進(jìn)行聲壓測(cè)試并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。圖5給出實(shí)測(cè)頻響曲線與計(jì)算頻響曲線的對(duì)比。由圖5可以看出，采用本節(jié)所述方法進(jìn)行的微型揚(yáng)聲器單元輻射聲場(chǎng)的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)吻合良好，理論符合實(shí)際。

圖5 微型揚(yáng)聲器單元頻響曲線的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.5 Theoretical calculation and measurement comparison of frequency response curves for micro speaker

2 微型揚(yáng)聲器單元擺動(dòng)模態(tài)對(duì)其輻射聲場(chǎng)的影響

為探究擺動(dòng)模態(tài)對(duì)微型揚(yáng)聲器單元輻射聲場(chǎng)的影響，本節(jié)選擇一款存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元(繞短軸擺動(dòng)，擺動(dòng)主要由折環(huán)順性不同引起，見(jiàn)圖1進(jìn)行說(shuō)明，并利用一無(wú)明顯擺動(dòng)的同款微型揚(yáng)聲器單元作為對(duì)比。對(duì)于其他擺動(dòng)方向，原理相同，本文不作贅述。利用第1 節(jié)所述位移測(cè)量與聲場(chǎng)計(jì)算方法，對(duì)其輻射聲場(chǎng)進(jìn)行探究。

2.1 擺動(dòng)模態(tài)對(duì)微型揚(yáng)聲器單元頻率響應(yīng)的影響

聲壓級(jí)頻率響應(yīng)SPL(f)是評(píng)價(jià)微型揚(yáng)聲器單元聲學(xué)性能的重要指標(biāo)[10]，一般選取振膜正前方10 cm 作為測(cè)試點(diǎn)。由式(4)可知，微型揚(yáng)聲器單元聲壓頻率響應(yīng)SPL(f)為

式(5)中，pRef= 2×10?5Pa 為參考聲壓。根據(jù)測(cè)量位移和式(5)分別計(jì)算并作出繞短軸擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元與正常微型揚(yáng)聲器單元的聲壓頻率響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示(具有擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元實(shí)測(cè)頻響曲線同步繪于圖中)。

圖6 具有擺動(dòng)模態(tài)的微型揚(yáng)聲器單元與無(wú)擺動(dòng)模態(tài)的微型揚(yáng)聲器單元的頻率響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of frequency response curves between micro speaker with rocking modes and without rocking modes

從圖6可以看出，由于擺動(dòng)模態(tài)，存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)在相應(yīng)的擺動(dòng)頻點(diǎn)附近存在明顯的凹谷，與正常微型揚(yáng)聲器單元頻響相比差異明顯。而在非擺動(dòng)頻點(diǎn)附近，除了由于順性不同導(dǎo)致的頻響上升段差異外，二者頻率響應(yīng)無(wú)明顯不同。這是由于擺動(dòng)模態(tài)下振膜上各點(diǎn)位移的大小和相位各不相同，在聲壓采集點(diǎn)處產(chǎn)生“聲抵消”現(xiàn)象，造成聲壓級(jí)頻率響應(yīng)凹陷。因此可以得出結(jié)論：由于擺動(dòng)模態(tài)的存在，造成微型揚(yáng)聲器單元聲壓級(jí)頻率響應(yīng)在擺動(dòng)頻點(diǎn)附近存在異常凹谷，影響微型揚(yáng)聲器單元的頻率響應(yīng)。

2.2 擺動(dòng)模態(tài)對(duì)微型揚(yáng)聲器單元輻射指向性的影響

輻射指向性描述了聲源輻射隨方向而異的相關(guān)特性，為任意方向角θ方向的聲壓幅值與θ= 0?軸上的聲壓幅值之比[9]，即D(θ) = (pa)θ/(pa)θ=0。一般而言，由于微型揚(yáng)聲器單元尺寸較小，在中低頻段可以視為點(diǎn)源，因此不存在明顯指向性。然而由于擺動(dòng)模態(tài)的存在，上述結(jié)論不再成立。為探究擺動(dòng)模態(tài)對(duì)微型揚(yáng)聲器單元輻射指向性的影響，分別計(jì)算微型揚(yáng)聲器單元在圖4(a)所示的y-x平面與y-z平面上的輻射聲場(chǎng)與指向特性，討論擺動(dòng)模態(tài)對(duì)垂直于擺動(dòng)軸、平行于擺動(dòng)軸這兩個(gè)方向的輻射指向性的影響。

圖7對(duì)比了存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元與正常微型揚(yáng)聲器單元在垂直于擺動(dòng)軸平面(y-x平面)上的輻射聲場(chǎng)與輻射指向性。由圖7(a)、圖7(c)可以看出，在擺動(dòng)頻率點(diǎn)上，不同于正常微型揚(yáng)聲器單元在平面聲場(chǎng)上類似于點(diǎn)源輻射的情況，存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元平面聲場(chǎng)明顯向一側(cè)偏移。與此同時(shí)，由圖7(b)、圖7(d)對(duì)比二者指向性圖也可以說(shuō)明同樣現(xiàn)象：正常微型揚(yáng)聲器單元指向性圖基本為圓形，說(shuō)明其無(wú)指向性。而存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元在擺動(dòng)頻點(diǎn)上則存在明顯的指向性。由圖7(e)、圖7(f)可以看出，在非擺動(dòng)頻率點(diǎn)上，存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元也不存在指向性。

在平行于擺動(dòng)軸的平面(y-z平面)上，存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元的輻射聲場(chǎng)與輻射指向性如圖8所示。由圖8可以看出，此時(shí)微型揚(yáng)聲器單元在此方向上也無(wú)明顯指向性。

圖7 微型揚(yáng)聲器單元在y-x 平面的輻射聲場(chǎng)與指向性對(duì)比Fig.7 Comparison of radiation sound field and directivity of micro speaker in y-x plane

圖8 微型揚(yáng)聲器單元平面輻射聲場(chǎng)與指向性對(duì)比Fig.8 Comparison of planar radiated sound field and directivity of micro speaker

因此，通過(guò)上述分析，可以得出結(jié)論：擺動(dòng)模態(tài)能夠顯著影響微型揚(yáng)聲器單元的輻射聲場(chǎng)與輻射指向性，造成微型揚(yáng)聲器單元產(chǎn)生中低頻指向性。由于擺動(dòng)模態(tài)的存在，在對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)頻點(diǎn)上，微型揚(yáng)聲器單元在垂直于擺動(dòng)軸的平面上存在明顯的指向性，y-z平面聲場(chǎng)發(fā)生明顯的偏移。而在非擺動(dòng)頻點(diǎn)，在平行于擺動(dòng)軸平面(y-z平面)上，微型揚(yáng)聲器單元指向性未發(fā)生明顯變化。

3 結(jié)論

伴隨著微型揚(yáng)聲器單元微型化、纖薄化、高聲輸出的發(fā)展趨勢(shì)，擺動(dòng)模態(tài)對(duì)微型揚(yáng)聲器單元的影響越發(fā)受到業(yè)界的關(guān)注。當(dāng)前，關(guān)于擺動(dòng)模態(tài)的研究大多集中在對(duì)擺動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生根源的探究及其測(cè)試方法，而擺動(dòng)模態(tài)對(duì)微型揚(yáng)聲器單元聲學(xué)性能的影響卻少有涉及。

本文利用激光傳感器采集擺動(dòng)模態(tài)下微型揚(yáng)聲器單元的振動(dòng)位移，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，存在擺動(dòng)的微型揚(yáng)聲器單元在擺動(dòng)頻率點(diǎn)附近不再表現(xiàn)為整體活塞振動(dòng)，振膜上各點(diǎn)位移的幅值與相位差異明顯。

在準(zhǔn)確獲得微型揚(yáng)聲器單元振動(dòng)位移的基礎(chǔ)上，本文基于理論計(jì)算，從輻射聲壓級(jí)、輻射指向性與平面聲場(chǎng)等角度探究微型揚(yáng)聲器單元擺動(dòng)模態(tài)對(duì)其輻射聲場(chǎng)的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)模態(tài)會(huì)造成微型揚(yáng)聲器單元出現(xiàn)異常的頻響凹陷。此外，由于擺動(dòng)模態(tài)的存在，微型揚(yáng)聲器單元在垂直于擺動(dòng)軸平面上出現(xiàn)中低頻指向性等現(xiàn)象，對(duì)其輻射聲場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響。在實(shí)際的微型揚(yáng)聲器單元開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以根據(jù)頻響是否存在異常凹谷來(lái)判斷微型揚(yáng)聲器單元受擺動(dòng)模態(tài)影響與否，并根據(jù)其中低頻輻射指向性來(lái)判斷擺動(dòng)模態(tài)的擺動(dòng)方向，由此可以進(jìn)一步定位其產(chǎn)生根因并加以改善。