几种新型扬声器设计的构想（上）

吴宗汉，徐世和

摘要

本文从设计理念、设计原理、工艺制造等方面，对拓扑号筒（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）等几种新型扬声器作了介绍，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。本文的不少内容是尚未见诸报道的。

关键词

拓扑号筒式新型扬声器、羯鼓式新型仿古扬声器、非磁钢系统扬声器

Design Conception of Several New Types ofSpeakers

Zonghan Wu (Department of physics,Southeast University, Nanjing, 210096)

Shihe Xu (Merry (Suzhou) Co. Ltd.,Suzhou, 215131)

Abstract

In thispaper, several new types of loudspeakers, such as Topology Horn loudspeaker,New Antique Loudspeaker of ancient drum andnon-magnetic system loudspeaker, are introduced from the aspects of designconcept, design principle and process manufacture. Many of them have not beenreported yet.

Keywords

TopologyHorn loudspeaker  New Antique Loudspeaker of ancient drum  Non-magnetic system loudspeaker

前言

本文介绍了拓扑号筒（TopologyHorn）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）等几种新型扬声器的设计。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。这些扬声器有别于当前常见的扬声器（喇叭），值得圈内有兴趣的人士参考。

㈠  拓扑号筒（Topology Horn）式新型扬声器（喇叭）

NXT平面扬声器技术

要了解拓扑号筒（Topology Horn）式新型扬声器（喇叭）的设计，则必须从先了解NXT技术谈起，先给大家普及一下英国NXT平面扬声器技术的相关知识。 NXT技术的诞生可以说完全出于偶然。八十年代末期，英国国防部的研究人员为了研究降低战斗直升机引擎噪声的方法，曾尝试使用复合平面材料封闭引擎，然后用电噪声抵消技术来降噪。但奇怪的是噪音非但没有减小，反而是这些复合平板材料有如扬声器一般因振动而发出声音。于是，研究人员想到了利用这种复合平板材料来制造扬声器，并开始进行这方面的开发工作。NXT具有很优良的特性，随着科技的发展和社会的进步，家庭影院音响设备也在不断地更新换代，其中，目前市场上备受关注的英嘉尼隐形音箱就是源于英国NXT平面扬声器技术。

NXT是一种宽波段声学辐射器。NXT平面扬声器的基本结构，是驱动器加上音板。该技术彻底放弃了传统活塞式运动的设计，音板用一块轻质的平板也可以是某个箱体外壳或一个平面。驱动后整个表面几乎是随机振动、而不是规律性振动振膜振动。在音板受到某种激励以后，音板上每一个面积单元都能作相互独立的无规则振动，以至于我们可以将整块音板设想成是一个由微型扬声器组成的阵列。每个微型扬声器单元都辐射一个非相关的信号，但它们的信号又最后合成在一起，从宏观上形成一个我们所需要的声学输出。这种随机振动的平板与常规振膜大相径庭，因为其功率是被直接输出到相对频率恒定的平板机械阻抗之上，NXT具有很优良的特性。^[1]

莫比乌斯带音板

我们设想若驱动器驱动的音板是莫比乌斯带。莫比乌斯带是1858年，德国数学家莫比乌斯（Mobius，1790～1868）和约翰·李斯丁发现：把一根纸条扭转180°后，两头再粘接起来做成的纸带圈，具有魔术般的性质。普通纸带具有两个面（即双侧曲面），一个正面，一个反面，两个面可以涂成不同的颜色；而这样的纸带只有一个面（即单侧曲面），一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘。这种纸带被称为“莫比乌斯带”（也就是说，它的曲面只有一个）。^[2] 

驱动器驱动的莫比乌斯带则和传统扬声器的锥形纸盆作活塞式运动不同，传统扬声器的锥形纸盆其正面发出的声音和背面发出的声音是反相的。而莫比乌斯带上的振动和NXT技术相类似，其特点是正反面辐射同向（或由正向逐渐变化到反向）声波。其原因是由于分布模式复杂的辐射特性，以及从远场看来辐射元之间互不相关的相位特性，音板在其前后两面所产生的声波是同相的。从背面发出的声音，不仅不会与其正面发出的声音功率互相抵消，反而会很好地叠加在一起。但是，在实际生产、制造工艺上却有困难，难以进行规格化、一致性的生产。尤其是莫比乌斯帶难以固定，若是几点式固定则难做到规格化、一致性的效果；若是莫比乌斯帶边界固定，则又难做到在实际生产、制造工艺上得到保证，因此，具体生产制造有困难。于是我们想到了克莱因瓶。

克莱因瓶结构的应用

著名数学家菲利克斯·克莱因（FelixKlein）发现了后来以他的名字命名的著名“瓶子”。这是一个像球面那样封闭的（也就是说没有边）曲面，但是它却只有一个面。从数学角度来理解，克莱因瓶属于一种无定向性的平面；从拓扑学角度理解，克莱因瓶指的是不可定向的拓扑空间；图1上我们看到的克莱因瓶的确就像是一个瓶子。从外观上来看，克莱因瓶指的是，一个瓶形物体其底部有个洞，该事物的颈部能够被不断延伸，直至插入瓶形事物内部，颈部与底部相接。该拓扑号筒（Topology Horn）式新型结构喇叭的工作原理及结构尚未见报道。^[19]

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图1

这种瓶子根本没有内、外之分，无论从什么地方穿透曲面，到达之处依然在瓶的外面，所以，它本质上就是一个“有外无内”的古怪东西。 尽管现代玻璃工业已经发展得非常先进，但是，所谓的“克莱因瓶”却始终是大数学家克莱因先生脑子里头的“虚构物”，根本制造不出来。许多国家的数学家总是想造一个出来，从上面的构造来看，真正的克莱因瓶（Klein Bottle）是光滑的，最多只有两条黏接细缝，但现在的克莱因瓶能做出来了，其不同是多了个洞（图1上的粗线处）！它不是真正的克莱因瓶，只是一种三维空间无法顺利表达它的妥协之举。然而利用该方法我们就可以提出了一个拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭结构的结构设计了。（示意图如图3）

拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭结构设计

图4是从克莱因瓶转化成一个拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭结构设计的对比图。A为喇叭口；B为大喇叭口；从构造上来看，真正的克莱因瓶（Klein Bottle）是光滑的，最多只有两条黏接细缝，但现在的克莱因瓶其不同是多了个洞，B则是开洞的位置，而在拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭结构则是喇叭向外传送声音的开口；C为细管和整体相接口。D为箱（瓶）体。1-2-3-4-5-6是细管的走向顺序，但4,5处是安放振动声源的接口位置。

拓扑号筒（TopologyHorn）式新型喇叭结构设计中D作为箱体，它的形状可以是抛物线型、双曲线型、直线型等形状。

由于拓扑号筒（TopologyHorn）式新型喇叭既有壳体表面振动又有腔体内空气的振动，因此，该喇叭需要采用悬挂式固定方式固定。

图4

拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭振动声源驱动器设计

振动声源有两种功能：

①激励产生表面振动。这是利用一个圆环形的电磁激振装置，当通以音频信号后产生振动从而激励管道表面随音频信号振动，它类似于NXT技术的驱动器；

② 激励产生腔体内空气振动。这是在管道截面处安装在4,5处安放振动声源的接口位置上，利用一个圆环形的电磁激振装置，当通以音频信号后产生振动从而激励管道表面C处周围的壳体面随音频信号振动，而产生推动腔内气体的振动而发声。其振动声源可以是利用圆环形的电磁激振装置，也可以是粘贴薄的压电片（多个且形状、尺寸不一），在外加信号电压的驱动下起振而推动管道表面C处周围的壳体面随音频信号振动，而产生推动腔内气体的振动而发声。

本设计构想的技术特征

⒈ 常见的非拓朴结构总是存在内表面及与之不相连通的外表面，当外来的激励信号使外表面振动和使内表面振动时，其位相则相差π的位相。但本设计构想是设计拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭结构，其特点是：这种结构根本没有内、外之分，无论从什么地方穿透曲面，到达之处依然在瓶的外面，所以，它本质上就是一个“有外无内”的古怪东西。因此，当外来的激励信号使外表面振动时，其难以区分内、外表面的振动。或者说，其外表面振动会逐步变成内表面振动，这就和常见的非拓朴结构腔体有根本不同了。而且该拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭既有壳体表面振动又有腔体内空气的振动。

⒉  在管道截面处安装在4,5处安放振动声源的接口位置上，振动声源有两种功能：①激励产生表面振动。这是利用一个圆环形的电磁激振装置，当通以音频信号后产生振动从而激励管道表面随音频信号振动，它类似于NXT技术的驱动器；②激励产生腔体内空气振动。这是在管道截面处安装在4,5处安放振动声源的接口位置上，利用一个圆环形的电磁激振装置，当通以音频信号后产生振动从而激励管道表面C处周围的壳体面随音频信号振动，而产生推动腔内气体的振动而发声。其振动声源可以是利用圆环形的电磁激振装置，也可以是粘贴薄的压电片（多个且形状、尺寸不一），在外加信号电压的驱动下起振而推动管道表面C处周围的壳体面随音频信号振动，而产生推动腔内气体的振动而发声。

⒊ 对于D来说，它为箱（瓶）体。而细管的走向顺序1-2-3-4-5-6则相当于是一个倒相管，这也相当于一个音箱了。实际上，现在的拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭结构，其特点则是号筒喇叭和音箱复合体结构。

⒋  前面提及的振动声源有两种功能：①激励产生表面振动。；②激励产生腔体内空气振动。这是在管道截面处安装在4,5处安放振动声源的接口位置上，利用一个圆环形的电磁激振装置，当通以音频信号后产生振动从而激励管道表面C处周围的壳体面随音频信号振动，而产生推动腔内气体的振动而发声。其振动声源可以是利用圆环形的电磁激振装置，也可以是粘贴薄的压电片（多个且形状、尺寸不一），在外加信号电压的驱动下起振而推动管道表面C处周围的壳体面随音频信号振动，而产生推动腔内气体的振动而发声。

⒌  本设计的拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭的发声机构则与一般的号筒喇叭不同，又和一般的音箱不同。该拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭的声輻射特性也和目前常见的号筒喇叭不同，又和一般的音箱不同。

⒍  本设计又是把表面振动和激励腔内空气振动相结合的拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭。

⒎  由于拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭既有壳体表面振动又有腔体内空气的振动，因此，该喇叭需要采用悬挂式固定方式。

本设计预想的优点

⒈指向性好。一般用传统喇叭构成的音箱，指向性很差，你必须站在音箱的前面，才能听到较完美的声音，特别是高音的部分；而如果你站在音箱的侧面，可能有些背景或伴奏声音就听不到了；如果你站在音箱的背面，可能那甜美的歌声，已经变成了不愿意欣赏的声音了。而本设计产品却没有上述的问题存在，无论你站在任何位置，都能欣赏到完整、真实的声音。

⒉声音衰减较小。传统的音箱，当你靠得太近会发现声音很大，而距离稍远时，你又觉得声音小了许多。而没有以上问题，无论你是在近距离还是稍远距离，所听到的声音大小并没有太大的差异。

⒊声音的保真度较高。一般传统的喇叭，它的形状为圆锥形，当它振动发出声音时，往往将声音集中在喉部，经过压缩，再传播出来，而人们所听到的声音，是经过压缩而变形的声音。本设计产品就不会有上述问题，只因为人们以往听太多失真的声音，所以，可以预料一旦接触到本设计产品时，开始聆听时会觉得它很平凡，随后却往往被它自然的表现而深深吸引。

⒋由于本设计产品的特殊构造，制成的拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭的发声机构则与一般的号筒喇叭不同，又和一般的音箱不同。该拓扑号筒（Topology Horn）式新型喇叭的声輻射特性也和目前常见的号筒喇叭不同，又和一般的音箱不同，听到的效果也大不相同。实际制造上先有一个箱体，前面开口(B)后面开口(C)，在箱子前面开口旁的箱壁上开一个孔A，再用一个弯曲的管道连接A孔后，经几个弯头再接到C口上去。而在C口外有一个圆环形的法蘭盘，裝在管道外，其目的是为了装振动源。如图5。

图5

（二）  羯鼓式仿古式新型扬声器（喇叭）

历史记载唐玄宗李隆基是敲击羯鼓的高手，唐玄宗举行家宴时，通常会亲自打羯鼓助酒兴。因为技艺高超，高亢的鼓声，总会力压其它乐器一筹。羯鼓的形状和结构如下所述：羯鼓两面蒙皮，腰部细，用公羊皮做鼓皮，两鼓皮用弹性绳索連接，并用鼓槌敲击使之振动发声，因此叫羯鼓。它发出的音主要是古时十二律中阳律第二律一度。古时，龟兹、高昌、疏勒、天竺等地的居民都使用羯鼓

图6

新型的羯鼓式仿古扬声器结构设计

我们设计的新型的羯鼓式仿古扬声器，是设想将两个尺寸不同（或相同）、参数不同（或相同）但位相相反的扬声器背靠背相连，在一个音圈骨架上有两个不同（或相同）的音圈，这就类似于羯鼓的结构了，由此来装配成一个扬声器系统。这样就可以获得一个具有良好频响的扬声器系统了。这种新型的羯鼓式仿古扬声器，其优奌是仅需一个磁场结构，两个相联的大、小音圈在工作，低频、高频响应都能兼顾，且在平面360⁰的方向上有很好的传播。

本设计构想的技术特征

新型的羯鼓式仿古扬声器是设想将两个尺寸不同（或相同）、参数不同（或相同）但位相相反的扬声器背靠背相连，且两个不同（或相同）的音圈弹性联结和电路相联，这就类似于羯鼓的结构了，用一个电容C_E来分流,由此装配成一个扬声器系统。若第一个（大）音圈的电感L₁,电阻r_E1,若第二个（小）音圈的电感L₂,电阻r_E2,；在力学线路里m₁是大音圈的质量，m₂是小音圈的质量，在低频时电容C_E，的电抗比大音圈的电感L₁,电阻r_E1大，流经两音圈的电流相同，将音圈分为两部分的力顺C_M的力抭比m₁的力阻抗z_m1大.因此，两音圈都处在低频的状态中。在高频时电容C_E，的电抗既比大音圈的电感L₁,电阻r_E1小，又比小音圈的电感L₂,电阻r_E2小，实际上所有电流都流入小的音圈力顺C_M的力抭比m₁的力阻抗z_m1小，因此，高频时.小音圈被策动，大音圈基本不动作，这种新型的羯鼓式仿古扬声器，其优奌是仅需一个磁场结构，两个相联的大、小音圈在工作，低频、高频响应都能兼顾，且在平面360⁰的方向上有很好的传播。

⒈   若设计是将两个尺寸相同的扬声器背靠背相连并且连通，中间有一圆柱状长条形磁体，为了磁力增强可采用海尔贝克条形磁阵列磁体，并在一个音圈骨架上分别有两个位相相反的音圈在磁体外，且分别与两边的扬声器纸盆粘接，由此来装配成一个扬声器系统，这也类似于羯鼓的结构。

⒉   磁体制作中利用磁体是利用的是海尔貝克线性磁阵列（图7），这是可以获得较一般磁体要强的方法，这完全可以实現的。

3.   若设计是采用铁氧体磁钢，T铁中间有孔，可以连通并有一定空间，并分别有两个位相相反的音圈在磁体空间内，当音频信号通入音圈后则会带动纸盆而发声。

4.   采用的铁氧体磁钢是将径向磁化和轴向磁化的铁氧体磁钢交叉排列以达到减少漏磁化增强磁场的方法。

羯鼓式仿古扬声器结构制造的工艺设计

本设计在工艺实现上有一定的要求，它需要一个专用的治、夹具系统，首先要确定座标，对于一操作者其面对的方向取平行于地面的方向为Z轴；操作者的左右手连线方向为X轴；垂直于地面的高度方向为Y轴，Z轴方向上有一可以前进或后退的夹具；在Y轴的左、右两边对称分布著各有一个可供喇叭装配的夹具，这两个夹具可以在XY平面内绕Z轴旋转，当其中之一处于操作者面前的Z轴位置上可操作的工位上进行喇叭的装配，该喇叭装配完成后，可在XY平面内绕Z轴旋转π的角度，让和它对称的另一喇叭处于操作者面前的Z轴位置上可操作的工位上进行喇叭的装配，在Y轴的左、右两边对称分布著各有一个可供喇叭装配的夹具，在X轴方向上可以移动改变其距Z轴的位置。本专利要求的喇叭盆架上有别于常用的喇叭盆架，其在底部外围有一“飞边”的圆环，其上对称分布有3-4个可供固定固紧螺栓的圆孔；而在Z轴上有一夹具它夹持着一个圆盘，圆盘中央垂直固定着条形磁钢，其周围也有和喇叭盆架上在底部外围有一“飞边”的圆环上相同位置对称分布有3-4个可供固定固紧螺栓的圆孔，当两喇叭装配完成后，Z轴方向的夹具移动至操作者面前的工位上，再将两喇叭位置调整到合适的位置使两个喇叭盆架上在底部外围有一“飞边”的圆环上相同位置对称分布有3-4个可供固定固紧螺栓的圆孔和Z轴上夹具夹持垂直固定条形磁钢的圆盘，其周围有和喇叭盆架上在底部外围有一“飞边”的圆环上相同位置对称分布有3-4个可供固定固紧螺栓的圆孔定位重合，再用固定螺栓固定。若设计是采用铁氧体磁钢，T铁中间有孔，可以连通并有一定空间，其装配方式也类似。

（三）  非磁钢系统扬声器（喇叭）的设计

无磁化、平面化、超薄化和柔性化是当前电声器件发展中的一个令人瞩目的亮点。与传统的电磁式受话器（扬声器）相比，非磁钢系统设计可以摆脱对稀土永磁体的依赖，并且实现对国外专利壁垒的突破，有助于国内相关受话器（扬声器）产业的进一步发展。同时，该设计解放了原来被磁钢所占据的空间，易于实现器件的小型化。对于平面化要求，平面振膜设计可以消除前室效应，并且由于其均匀受力，可最大程度地抑制分割振动的产生，进一步提升音质。为了适应日趋薄型化和轻量化的新潮流，受话器（扬声器）的设计者们主要从材料改良和结构改良两方面进行新型受话器（扬声器）的设计与改良。^[3]

其中，材料改良的成果中较为经典的有：2008年，清华大学利用热声效应，成功研制出碳纳米管薄膜扬声器；2013年，日本京瓷（Kyocera）公司宣布成功研制出“Smart Sonic Sound”压电薄膜超薄扬声器，厚度仅1mm。对于结构改良，2007年，台湾工研院对静电驻极体式扬声器进行改良，成功研制出“纸喇叭”，即可挠式超薄扬声器；另外，就是本设计的相关研究，一种动磁式平面超薄柔性受话器（扬声器），利用载流线圈之间的相互作用而发声，我们的相关发明专利已获授权，其他与之关联的专利也已在审核阶段。^{[ 3 4 5]}

以上四种方案均是属于非磁钢系统平面受话器（扬声器）的设计范畴。但是，对于前三种而言，存在与现有工艺不兼容、频响特性有待提升等问题，需要在未来的研究中予以克服。第四种方案正是本课题所采用的方案，该方案仍处于理论研究阶段和样品研制阶段，虽有样品制成，但并未进行实际生产，本工作相关的理论分析论文已经在“2014年声频工程学术交流年会 (AESC)”中进行了汇报，并在《电声技术》中进行了发表；此外，与之相关的专利“一种动磁、平面涡旋多层联结式超薄受话器（扬声器）”和“一种柔性可弯曲超薄受话器（扬声器）”已经提交专利局审核，并已通过补正等程序。

为了对传统的动圈式受话器（扬声器）进行改良，去除占体积较大的磁钢部分，現介绍采用载流线圈间相互作用的方式发声。根据目前从专利局了解的情况来看，虽然线圈间相互作用的原理已被运用到各种基于电磁效应的仪器设备中，但将其应用到电声器件中实现发声应属首创。该方案与现有的动圈式受话器（扬声器）工艺兼容，并且继承了动圈式受话器（扬声器）频响特性较好的特点。并且，基于该原理所制成的受话器（扬声器），易于实现进一步的无磁化、平面化、超薄化和柔性化，在国内目前材料发展的过渡期具有良好的发展前景。但是本方案与前三种一样，会存在研究初期处于研发试用阶段、成本较高等问题，不过与前三种相比，相信本方案能更快地进行克服，并且更快地融入到现有的生产工艺之中，从而降低成本，实现最终的产品化。^{[ 6 7 8]}

原理分析及计算

载流线圈组相互作用的建模与仿真是非磁钢系统受话器（扬声器）的设计基础。两密绕平面线圈通以同方向的电流时，二者受力表现为相吸的作用，若通以反方向的电流时，二者表现为相斥的力的作用，若通以交变的电流，则其相应的作用力也随交变的电流的变化而变化，这就是非磁钢系统平面受话器（扬声器）的基本物理原理。根据此物理原理进行数学建模，则可为样品设计的实际实现提供坚实的理论支撑。这些内容都已在《电声技术》中进行了发表。^{[14 16]} 原理分析及计算包括以下内容：

1. a)  载流密绕线圈精确模型；

2. b)  共轴载流密绕线圈精确模型；

3. c)  磁场分布与磁力精确解析表达式计算；

4. d)  共轴载流密绕线圈近似模型；

这些内容在我们发表在《电声技术》的文章中都进行了详细的叙述。^[17]文章中并运用MATLAB软件对磁场空间分布和受力进行数值仿真分析和作图。对此本文从略不作讨论。我们曾讨论了如下的样品，受话器磁钢的直径约为12mm，高约为2mm；扬声器磁钢的直径同样约为12mm，高则约为4mm。基于以上几何结构数据，设计线圈的结构，忽略线径，仿真计算相应产生的磁场大小，并算出同样半径的线圈，需要达到与受话器和扬声器磁钢相同数量级的磁场强度时，一般需要多少圈数。假设通以1A的电流，经过仿真，可得圈数分别约为760圈和1900圈时可产生相等的磁场，圈数分别约为90圈和950圈时产生相同数量级的磁场，因此正常绕线机能绕制的圈数对实际实现是远远不够的，可见载流线圈是难以很容易地达到与磁钢所比拟的磁场的，这与主观预估一致，需要对绕线方法进行单独设计。

（未完待续）

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