解決聲音失真問題的新型耳機揚聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要：為解決耳機聲音失真問題，對耳機揚聲器進行了創(chuàng)新設(shè)計。新裝置主要簡化了喇叭支架、磁路系統(tǒng)以及振動系統(tǒng)三部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以降低磁性損耗，保證原聲的高品質(zhì)輸出。

關(guān)鍵詞：失真;耳機揚聲器;結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

耳機作為典型的電聲能量轉(zhuǎn)換裝置，能將聲音在更小的空穴中進行傳遞。耳機使用過程中，對捕捉到的音源信號進行外放，容易導致原有音頻信號的波形、頻率等出現(xiàn)變化，導致耳機聲音失真。為盡可能消除耳機的聲音失真問題，提高人們的聽覺體驗，本文對耳機揚聲器進行了創(chuàng)新設(shè)計，力求做到原聲的高品質(zhì)輸出。

1 耳機揚聲器概述

對于音響系統(tǒng)而言，其喇叭或揚聲器的設(shè)計意圖是將聲能傳遞到多維空間，讓不同空間的受眾都能接收到聲音。在一些場合，揚聲器不能隨意外放聲音，因而需要使用耳機。耳機中存在揚聲器裝置，但與傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)揚聲器不同，耳機的設(shè)計功能是力求在小型空間內(nèi)傳遞聲音。常規(guī)耳機的工作頻率主要集中在20～20 000 Hz，這一區(qū)間是人耳聽覺可接受的范圍，而現(xiàn)有的聲學頻率范圍可從次聲波頻率擴展到特超聲波頻率，前者可低至0.1 Hz，后者可高達上千兆赫茲，因此，人的聽覺可接受頻率段事實上十分狹窄。耳機揚聲器作為耳機的發(fā)聲元件，在改進設(shè)計過程中，可視為在等效抗性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中思考解決人耳可接受的高低頻率變化和控制問題。通常在技術(shù)層面看，耳機及揚聲器的設(shè)計要結(jié)合機、電、聲不同系統(tǒng)進行分析，綜合考量不同要素，這在一定程度上受到設(shè)計者思維的影響。耳機揚聲器對音效的控制主要考察設(shè)計者對磁回路系統(tǒng)的設(shè)計能力。

2 耳機揚聲器設(shè)計

2.1? ? 耳機揚聲器的基本結(jié)構(gòu)組成

圖1為本文所設(shè)計的耳機揚聲器裝置的立體分解圖，耳機揚聲器裝置主要由喇叭支架、磁路系統(tǒng)、振動系統(tǒng)構(gòu)成。

從圖1可知，本文設(shè)計的耳機揚聲器主要結(jié)構(gòu)除了喇叭支架、磁路系統(tǒng)和振動系統(tǒng)以外，還包括屏蔽組和磁性件、U杯、阻尼片與開口以及電路板等結(jié)構(gòu)元件。3個主要結(jié)構(gòu)作為3個小型系統(tǒng)，各自結(jié)構(gòu)又可作進一步細分。圖1中從元件6外側(cè)按中線A-A可作剖視圖，如圖2所示。

綜合圖1、圖2可知，系統(tǒng)1中的通孔11是為磁路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而布置。擋環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計位置在音膜端部，可阻止系統(tǒng)2的磁性件向音膜移動。U杯的設(shè)計固定在音膜背面端部，開口腔元件的底腔壁主要用于固定第二屏蔽組和磁性件。系統(tǒng)2的內(nèi)外磁環(huán)相互套嵌，保持同一軸線，兩環(huán)間留有間隙，因兩環(huán)均帶磁性且磁極相反，在間隙間存在均勻分布的徑向磁力線。內(nèi)外磁環(huán)結(jié)構(gòu)均有多個對應(yīng)內(nèi)外磁性單元，數(shù)量上一一對應(yīng)，截面形態(tài)上多為矩形或扇形，各單元首尾互連自成體系，內(nèi)外磁性單元各有一套完整的內(nèi)外磁性端，其中內(nèi)磁性單元的磁性端為第二序列，外磁性單元的磁性端為第一序列。屏蔽組和磁性件的結(jié)構(gòu)設(shè)置與內(nèi)外磁環(huán)的斷面固定，組成了具有封閉性的環(huán)形磁路。

2.2? ? 耳機揚聲器的具體設(shè)計思路

2.2.1? ? 1系元件設(shè)計

耳機揚聲器的磁路系統(tǒng)在充磁感應(yīng)下將同時對內(nèi)外磁環(huán)實施充磁，讓內(nèi)外磁環(huán)的間隙出現(xiàn)大量磁力線，呈徑向分布，由于外磁環(huán)內(nèi)面與內(nèi)磁環(huán)外面之間存在磁性相反的磁極，兩個相對面保持平行，均與兩磁環(huán)的軸線呈平行關(guān)系，因此間隙中的磁力線均勻?qū)ΨQ分布，方向均由環(huán)體指向環(huán)形中心，產(chǎn)生了典型的環(huán)形磁場。

2.2.2? ? 3系元件設(shè)計

音圈的兩端均與特定元件保持固定連接，一側(cè)為音膜元件，一側(cè)為線圈元件。音圈在均勻?qū)ΨQ的磁場影響下僅受軸向作用力，從而帶動音膜保持必要的振動，對揚聲器對外傳輸?shù)囊纛l信號的高保真輸出效果進行了優(yōu)化。線圈主要指的是在音圈一側(cè)外圍壁存在的繞圈導線，主要作用在于將耳機所連通接收到的電子音頻信號與存在間隙中的徑向環(huán)形磁場相互作用，形成典型的電磁感應(yīng)物理現(xiàn)象，按照著名的左手定則原理，存在磁場的環(huán)境中，電流的流動將會在沿著內(nèi)外磁環(huán)軸線的方向產(chǎn)生作用力，該力的幅度不確定，但可發(fā)揮驅(qū)動作用，驅(qū)動線圈在間隙磁場中做往復線性運動，能夠降低或緩解耳機揚聲器的振動系統(tǒng)所呈現(xiàn)的分割振動，使得電子音頻信號順利轉(zhuǎn)換為聲音信號。

音膜的設(shè)計從材質(zhì)上看，建議采用新型高分子材料，如PET（聚對苯二甲酸乙二酯）、PEI（聚醚酰亞胺）、PAR（聚芳基酸酯）、PEEK（聚醚醚酮）等，并制作成單層薄膜，與鍍鈦層復合，從而更好地提升音膜剛性，達到延展高頻的效果。本文中的耳機揚聲器的音膜可細分為內(nèi)環(huán)膜、外環(huán)膜以及中環(huán)膜，內(nèi)外環(huán)膜均為中空，而中環(huán)膜處于內(nèi)外環(huán)膜中間，其截面形態(tài)為圓弧狀。外環(huán)膜與支架系統(tǒng)斷面固定，中環(huán)膜則將弧口對準音圈，音圈在運動時可直接牽動中環(huán)膜，使得后者變形產(chǎn)生彈性勢能，變形后的中環(huán)膜隨著音圈受軸向作用力的影響而出現(xiàn)振動，振動狀態(tài)下，音頻信號將被積極傳輸。中環(huán)膜與音圈相對面上加設(shè)多個均勻分布的加強筋，此元件呈條狀，指向為由內(nèi)環(huán)膜向外環(huán)膜發(fā)散，加強筋的存在一方面提升了音膜剛性，另一方面則積極優(yōu)化了音頻質(zhì)量，最終保障音頻的輸出品質(zhì)達到理想水平。音圈與中環(huán)膜之間相對固定，前者一端借助強力膠水與后者表面粘連，要求使用耐熱度高的膠水。

2.2.3? ? 4、5系元件設(shè)計

本文設(shè)計摒棄了傳統(tǒng)耳機揚聲器設(shè)計中所使用的極芯與下導磁板結(jié)構(gòu)元件，特別是將原有以低碳鋼材制作而成的導磁板用磁鐵材料取代。在磁路系統(tǒng)的屏蔽組和磁性件設(shè)計中，兩個屏蔽組與磁性件與音膜之間的結(jié)構(gòu)部署可形成相對獨立且封閉的環(huán)形磁路。環(huán)形磁路主要設(shè)計于內(nèi)外磁環(huán)兩端，因而能夠較為理想地建立防干擾機制，減少徑向磁力可能受到的外部電磁場的干擾，有利于提升音頻的輸出外放品質(zhì)。屏蔽組件的設(shè)計，能夠有效保障磁回路的低漏磁效果，同時配合內(nèi)外磁環(huán)的多個磁性單元所具備的徑向充磁設(shè)計，體現(xiàn)出磁場中磁力線的分布均勻性以及對稱性，從而使振動系統(tǒng)可在磁路作線性往復運動，抑制分割性振動現(xiàn)象出現(xiàn)，這是解決耳機揚聲器聲音失真的關(guān)鍵。

本文設(shè)計加入的兩個磁性組，在增強環(huán)形磁路抗外部電磁干擾能力的同時，還將及時對內(nèi)外磁環(huán)充磁，有效提升內(nèi)外磁環(huán)磁性，使得內(nèi)外磁環(huán)始終處于磁力飽滿狀態(tài)，不會使耳機長期使用后因磁性衰減而降低音頻輸出品質(zhì)。

2.2.4? ? 6系元件設(shè)計

本文的耳機揚聲器設(shè)計U杯元件，該元件設(shè)置位置固定于支架與音膜的背面端側(cè)，U杯的開口腔底腔壁有半徑為2～6 mm的穿孔，與支架通孔保持連通，第二內(nèi)外磁性件就固定在開口腔底腔壁，在面對內(nèi)外磁環(huán)間隙位置所設(shè)計的環(huán)形擋塊兩側(cè)，可將第二內(nèi)外磁性件分隔，防止磁極相反的內(nèi)外磁性件受磁力作用而結(jié)合，降低磁路影響。整個底腔壁在靠近穿孔外緣處設(shè)計擋筒元件，向音膜呈凸向分布，擋筒外側(cè)壁、開口腔底腔壁、開口腔側(cè)腔壁等結(jié)構(gòu)緊排成環(huán)形槽，從截面看具有典型的U狀，環(huán)形槽內(nèi)就是磁路系統(tǒng)的固定位置。

支架與U杯正面相對的端面設(shè)有環(huán)形連接筒，該元件主要圍繞通孔端口邊緣而設(shè)，筒體表面與U杯開口端面進行強力固定，通常以超聲焊接工藝完成緊密對接，確保兩個面之間的完全密封，阻擋灰塵雜物或不明液體進入環(huán)形槽內(nèi)部造成污染。環(huán)形連接筒與U杯開口焊接對接的端面形態(tài)主要為階梯狀，同時U杯與環(huán)形連接筒的次級對接面也保持規(guī)則的階梯狀。支架與音膜元件之間的正面相對面同時設(shè)計增擴凹向容槽，容槽底壁和側(cè)壁的交接部位設(shè)計了具有細微工藝的環(huán)形臺階，音膜元件的外邊緣就在環(huán)形臺階的平面處固定。

2.2.5? ? 7系元件設(shè)計

本文設(shè)計的耳機揚聲器設(shè)計有阻尼片，呈環(huán)形分布，同時設(shè)計了明確的開口，支架以及音膜的外表環(huán)形容槽是存放阻尼片的空間，在布局結(jié)構(gòu)上高度體現(xiàn)緊湊性，環(huán)形容槽底壁上設(shè)計穿設(shè)支架孔，孔口朝向與音膜相對，孔外有阻尼片加蓋，可進一步抑制噪聲及震動。

2.2.6? ? 8系元件設(shè)計

本文設(shè)計的耳機揚聲器設(shè)計了微型電路板，電路板與耳機所連接的音頻設(shè)備輸出線路連通后，可與線圈完全接觸并啟動音頻信號傳遞機制。電路板的固定位置是在環(huán)形容槽向阻尼片開口正對的底壁所凸設(shè)的一對隔擋條中間。

3 結(jié)語

本文新設(shè)計的耳機揚聲器在內(nèi)外磁環(huán)完成充磁并帶磁性后，內(nèi)外磁環(huán)的間隙可形成磁力線，具有均勻和對稱的特點，音圈將受軸向作用力而牽引音膜振動，保證了音頻在耳機揚聲器中輸出的高保真性，滿足了用戶的聽覺體驗。

[參考文獻]

[1] 張愛平.電動式耳機非線性研究[D].南京：南京大學，2011.

[2] 貢維勇，吳海全，師瑞文.一種揚聲器及耳機：201621155117.8[P].2016-10-31.

[3] 師瑞文.主動降噪耳機的技術(shù)分析[J].電子世界，2019（11）：198-199.

收稿日期：2020-06-08

作者簡介：師瑞文（1966—），男，河北易縣人，工程師，從事智能聽戴產(chǎn)品、電子產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計和項目管理工作。