吴宗汉，徐世和
样品设计与制作
a）非磁钢系统扬声器设计
非磁钢系统扬声器研制设计中，我们先依据╳╳公司的一款Φ52mm的扬声器模具，生产符合受话器规格的电声器件来进行原理的验证，其CAD图如图8所示。实际应用中将此扬声器当作受话器使用，从而设计耳机样品，进行样品的测试等工作。
扬声器主要由磁钢、导磁板（T铁、极片）、盆架（支架）、定心支片（弹波）、音圈、振膜和防尘帽等部件组成[14]，如图9所示。因此，在非磁钢系统平面受话器（扬声器）的设计中，可在去除磁铁后，充分利用T铁周围的多余空间，进行用以代替磁钢的线圈的绕制与固定工作，并以塑料壳填充中间的空余部分以起到支撑作用，绕线实物图如图10所示，最终实物图如图11和图12
其中音圈的规格如下：内径Φ13.21mm，外径Φ15.8mm，高度11mm，阻抗1.6Ω，单层铜质漆包线Φ0.28mm，圈数125（5）圈。其中线圈的规格如下：内径Φ13.21mm，外径Φ15.84mm，高度11mm，阻抗0.8Ω，双层铜质漆包线Φ0.28mm，内圈数64（3）圈，外圈数63（3）圈。
由于是利用现有的模具，所以没法对振膜进行改变，进而做成平面受话器（扬声器）的样品。为了验证原理的可行性，而是用了最简单的锥形振膜的结构。基于非磁钢系统平面受话器（扬声器）原理制成的受话器（扬声器）是与现有工艺兼容的。首先，模具，即对于支架而言，可完全利用现有支架进行设计生产。对于磁路部件，即线圈而言，生产上仍为传统的绕线工艺，且音圈部分无需进行改动，仅需将磁钢去除并在原来的位置放置特殊生产的用以代替磁钢的线圈即可。对于发声部件，即振膜而言，该结构也不需要单独进行设计与修改。可见，除了绕制用以代替磁钢的线圈这一步骤是多出来的以外，其他步骤均是继承了现有的传统工艺，并不要进行改变，这在生产上是有一定优势的。此外，基于该原理，还可以进行进一步的扩展，提出更多种类的，符合各种新型受话器（扬声器）使用场合要求的新器件。
b）载流线圈绕线及结构设计
通过对自动绕线机生产线圈方式的研究，发现可以通过增加层数的方式进一步提高线圈的总体圈数，如图13所示，此时可生产圈数较多、且径向较厚的多圈多层密绕制线圈。基于该结构，采用近似计算的方式，对线圈绕制方式进行进一步的设计和仿真。结果表明，虽然不能较好地替代扬声器的磁钢，但是受话器的磁钢能基本实现在同一数量级。因此，与扬声器相比，本的非磁钢系统平面结构更加适用于受话器的设计和实现。
图13
此外，为彻底摆脱对稀土元素的依赖，还可在动磁式受话器（扬声器）的基础上进行改造，实现非磁钢系统平面超薄、柔性受话器（扬声器）的设计。基于原来动磁式受话器（扬声器），将上下两音圈用柔性FPC结构代替原来的硬质PCB结构，并类似等磁式（场极式）受话器（扬声器），将刻有多层涡旋密绕线圈的FPC粘在振膜上，从而在三个复合线圈的相互作用下使振膜振动发声。但是，由于多层涡旋密绕线圈本身所固有的不对称性，线圈之间相互作用力并不是严格轴向的，存在着水平的不对称分量。粘在振膜上的FPC若受到水平不对称力的作用，除了发声所需要的轴向振动外，会同时带动振膜横向振动，影响器件整体的振动模式，使频响等声学参数变坏，限制了其进一步的应用。因此，在涡旋线圈多层刻蚀时，采用一种基于补偿结构的线圈布局，可以有效地消除不对称的受力，并且为了方便层与层之间通孔连通，采用三种镜像组合实现设计，如图14所示。
图14
该改良结构继承了等磁式（场极式）受话器（扬声器）极宽且平稳的频响特性（平面振膜），同时又舍弃了其最占体积的磁钢部分，并且采用了柔性印制电路板，从而实现了超薄柔性化。
但是，该改良结构可能会存在磁场不够、持续供电、线圈发热、阻抗过高、FPC工艺控制等问题，这些都是需要在不断的研究和探索过程中予以反思和克服的。[9 10 11 12 13]
c） 专用驱动电路设计
针对非磁钢系统扬声器所特有双线圈的结构（一为音圈；一为驱动线圈），与之相应的驱动线圈专用驱动电路需要进行单独的设计。本次的受话器扬声器样品，实为四端口器件（两个信号端，两个接地端），与传统的功放驱动电路相比，需要增加一个输出端口。另外，在正常驱动音圈的同时，还需要对底部代替磁钢的驱动线圈进行驱动。我们提出了五种驱动方案：直流驱动；音频交流驱动；直流与音频交流混合驱动；音频全波整流驱动；直流与音频全波整流混合驱动。有关内容请详见在我们发表在《电声技术》的文章，其中都进行了详细的叙述。[17]
设计的非磁钢系统受话器（扬声器）的专用驱动电路，采用现有的集成芯片进行设计与搭建。针对五种用于代替磁钢的线圈的驱动方式，包括直流驱动，音频交流驱动，直流与音频交流混合驱动，音频全波整流驱动，以及直流与音频全波整流混合驱动等，进行了驱动特性的比较与分析，从原理上选取了较为合理的直流与音频全波整流混合驱动的方案，为非磁钢系统受话器（扬声器）的进一步放计、应用和实际生产打下了基础。仿真部分内容从略。如图15所示，分别为直流驱动、音频交流驱动、直流与音频交流混合驱动、音频全波整流驱动，以及直流与音频全波整流混合驱动下的样品受话器（扬声器）的频率响应，实测直流驱动电流与混合驱动电流有效值约均为0.7A。可以发现，在相同的输入条件下，直流驱动具有最好的频率响应与灵敏度，但是此时样品发热量较大。音频交流驱动的频率响应较差，高频处有明显抖动，且f0点对应的灵敏度比其他方案低很多，这与理论分析和实际听感是一致的。直流与音频交流混合驱动、音频全波整流驱动，以及直流与音频全波整流混合驱动方案下的频响特性基本相似，虽然没有直流驱动时的灵敏度高，但并没有低太多。[17]
图15
本设计最终完成的耳机样品图与实验中几种驱动器实物图如图16，图17。
这种设想完全可以用于MEMS扬声器的设计中，为了能使非磁钢系统、有音响效果的新型MEMS扬声器样品能正常工作，本设计介绍的相应的专用驱动电路（芯片），并对之进行了原理性的参数测试与比较，都可以借鉴。虽然目前尚未达到产品化的要求，深入完善本设计的开发并产品化投入市场，则须进一步完成。[16 15 17]
为了适应目前受话器（扬声器）无磁化、平面化、超薄化、柔性化的发展潮流，在国内目前材料发展的过渡期研究出一种与现有工艺兼容，并且具有较好的频响特性的受话器（扬声器）是本课题的最终的长远目标。但是，考虑到研究初期成本较高等问题，当前的重点是对其进行前期的原理性的验证工作，并尝试生产出了相应的、有音响效果的样品，并设计出相应的专用驱动电路（芯片），最后进行原理性的参数测试与比较。（另文讨论）虽然目前尚未达到产品化的要求，但是对其设计原理的可行性验证还是具有相当重要的意义的。
结语
为了开发拓扑号筒（Topology Horn）式新型扬声器（喇叭）、羯鼓式新型仿古扬声器（喇叭）、及非磁钢系统扬声器（喇叭）等几种新型扬声器，本文不仅从设计理念、设计原理、工艺制造等方面进行了介绍，而且非磁钢系统扬声器（喇叭），还完成了一些研制工作，并有样品制成。最后，文中把拓扑号筒（Topology Horn）式新型扬声器（喇叭）相关的示意的原理图，完善成可供制造的设计图是由深圳豪恩声学的温志锋先生完成的，在此特致谢意。
（全文连载完）
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