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摘要:手机扬声器的面盖不仅起保护扬声器的作用, 而且会对电声性能产生影响。研究了面盖开孔率、均匀与对称排列方式、非均匀和非对称排列方式与手机扬声器电声性能的关系。实验测试表明, 面盖开孔对手机扬声器电 声性能有明显影响。并给出结合扬声器设计面盖的实例。
1 引言
一般手机扬声器前部都有面盖。手机扬声器面盖的最大作用就是保护扬声器的振动膜片, 以防止振动膜片受到损坏。振动膜片现一般使用聚脂薄膜, 现在可以用到手机上的主要有 PEN, PEI, PPS, PAR, PI 等。这 些振动膜片都很薄,大多数的使用厚度都在 20 um 左 右, 若不加以保护, 很容易受外力而变形。但又不能为 防止其变形而一味地加厚( 加硬) 振动膜片。手机扬声 器的 F0( 固有频率) 大多在 700 Hz~1 kHz, 因为手机扬声器没有弹波/定心支片( spider/damper) , 所以其顺性( compliance) 的"绝大"部分由振动膜片的顺性来决定。而顺性在同等材料、同样形状下主要由厚度决定。越厚顺性越小, 扬声器F0 越大。所以在要求低F0 的手机扬声器上不能靠加厚振动膜片来保护振动膜片, 只能用面盖。
电声分类中手机扬声器属于顺性控制系统, 顺性的改变对其电声性能有很大的影响。扬声器的使用目的就是为了"出音", 而手机扬声器为了"出音"则在扬声器的前部面盖上开了出音孔。本文将讨论出音孔的大小、位置对扬声器电声性能的影响。
2 穿孔率的影响
孔的大小可转化为"穿孔率"来定量分析。按照音箱的传统理论: 音箱的前方用网罩, 在电声等效电路图上, 应视其为等效声质量、等效声阻的声阻抗。在低频段由于对 Q( 品质因数) 的阻尼, 而使特性下降; 在中频段由于贴附网罩的方法不同而使特性产生峰谷; 在高频段由于对声音透过时的声阻而使特性衰减。当使用冲孔金属板时, 如开孔率达不到 70%, 则将在中音频段产生峰谷, 并在高音频段产生衰减。特别是在使用冲孔金属板时, 若开孔率小, 则在扬声器与冲孔金属板之间 会产生反射波, 使频率特性产生大的峰谷。
同样, 手机扬声器的面盖也有其对应的声学参量, 但还是与传统音箱理论有所不同。下面先由实例来论 述穿孔率和穿孔的位置对电声性能的影响。图1是同一扬声器, 同一测试条件( 5 cm/2 V 障板测试,下文中所有测试都在这个条件下进行) , 同样的开孔位置, 只是改变开孔的大小所测试的频响曲线。
从图 1 可以看出,此扬声器面盖开孔率的改变( 37.0%变到22.9%) 影响最大的是 8 kHz以后的高频段响应, 使此频段的灵敏度得到提高, 最高处"提高"了近 3 dB, 此处的影响是提高了高频的灵敏度。
但这只是表面现象, 最重要的是:
( 1) 虽然手机音频电路部分高频信号输出有时可以进行选择( 见图 2 所示的手机音频电路信号输出曲线) ,但同样手机扬声器面盖开孔同样能间接地对整个手机此段的声音进行修正。
( 2) 从声学的语言清晰度和掩蔽效应上看, 高频部分多一点, 有利于提 高 语 音 清 晰 度 ( 播 放 人 声 时 ) 和 响 度( 感觉音量大) 。但这样也有缺点, 即不适当提高( 在提 高的限度内) , 或多或少会引起铃声在听感上感到"刺 耳"不舒服。这在 PEN 材质的振动膜片上比较明显, 但造成此结果, 也不完全是频响曲线高频处的原因, 还跟振动膜片的材质有关。此处的评述, 前提是扬声器装到手机壳后, 手机壳的开孔对扬声器无影响。手机扬声器 出音方式为直接辐射式。
扬 声 器 的 有 、无 金 属 面 盖 的 对 比 曲 线 如 图 3 所示, 可见在加上穿孔率 37%的面盖后, 最明显的变化 是高频段。因为手机扬声器的金属面盖通常为 0.10~0.15 mm 的不锈钢( 也有部分用塑胶面盖) , 整体高度 在 1.00 mm 左右,所以此时面盖穿孔对同振质量的改 变不大。从图 3 上也可看到, 其他频段虽有改变, 但都不明显。
3 面盖开孔均匀分布与对称分布
当面盖的开孔不是均匀分布而是对称分布时, 曲线如何变化?图 4为面盖通用的均匀、对称布孔的图示; 图 5为面盖开孔均匀分布与对称分布的对比曲线。 图 5 可看出, 均匀布孔和对称在高频部分对曲线的改变略有差异, 但从整体上看, 对高频部分的提升都是不错的选择。但对称布孔对高频的提高比均匀布孔对 高频的提高效果明显( 在降低同样的穿孔率的条件下) 。
图 6 是面盖的穿孔率再降低时的对称布孔测试对比曲线。由图 6 可以看出, 对称和均匀布孔对曲线的影响并不一样。对称布孔在穿孔率降低的情况下, 不仅对一段高频进行了提高, 而且还能对高频的"末端"进行 "截取"。这有点像大扬声器防尘冒的一个作用。现在很 多手机扬声器工厂在对扬声器进行测试时只测试到10 kHz, 这是不可取的: 一是忽略了其高频段对听感的影响和作用; 二是不能反映扬声器面盖的布孔方式。在实际运用上, 圆形面盖一般取均匀布孔, 而非圆形, 如 椭圆, 在保证一定穿孔率的条件下, 不易取均匀布孔, 所以通常取对称布孔。穿孔率和位置的改变会对扬声 器的辐射阻抗有显著影响。
4 面盖开孔不均匀分布与不对称分布上面的两种布孔方式是有规律可循的。
均匀布孔:开孔的数目和圆心的位置相对某一几何图形均匀分布;
对称布孔:开孔在面盖上呈现几何对称分布。
而面盖的穿孔不均匀和不对称变化, 频响曲线又产生怎样的变化?
图7为一直径18mm的手机扬声器面盖中孔不变, 边孔依次减少的对比曲线。面盖穿孔率26.3%,中孔直径4.2mm,中孔四周均布直径3mm的6个圆孔,每减少一边孔(直径3mm), 穿孔率减少约3%。
从图7可以看出, 对此扬声器来讲, 穿孔率23%是最适用的,对扬声器曲线起了良好的修正作用。在实际运用中, 决大部分手机扬声器电声工程师都把这一修正曲线的任务强加给振动膜片厂, 说其他方面的修改不能对此频段修正, 这有些不公平。当然此处只是想说明不对称布孔可以对曲线进行修正, 并且其改变已对5~10kHz的频段产生了影响, 其穿孔的变化方式见图8。
由此可见, 不均匀、不对称的布孔在操作和定量上比较复杂, 但其有利一面还是能展现出来的。
5 实际应用举例
在实际运用中, 盖穿孔率的定量是最关键的, 但基本考虑的方向是面盖的穿孔应满足2个基本要求:
(1)对扬声器的电声性能不能产生不利影响;
(2)保证基本的强度, 以保护振动膜片。
以一扬声器的曲线变化来说明, 如图9所示。为使其变化明显, 以不均匀布孔条件测试。
从图9曲线变化可以看出, 随开孔率的改变, 变化最明显的是高频段的曲线波动, 即开孔率减小时能对 曲线形成一个带通滤波作用( 此作用要在开孔达到一 定条件后才出现) , 但在曲线依次变化中, 又可看到开孔率的变化对低频段也有影响; 曲线的700 Hz~3 kHz 频段, 在开孔率下降为17%时( 粗点曲线) , 此频段的灵 敏度开始明显下降 ( 与开孔率 19.7%相比达到 2 dB) 。
此频段的灵敏度对手机扬声器很重要: ( 1) 在听感上人耳对此处的响度感受很灵敏。( 2) 在现行的手机扬声器 灵敏度的标注上都与此段的灵敏度高低关系很大( 现 行标注方式为定点和均点, 但都取用此处的灵敏度作基准) 。所以, 对此款手机扬声器开孔率应控制在20% 以上, 否则很难达到良好的出音效果。但开孔率又不易太大, 在开孔率达到50%以上时, 因开孔太多, 面盖强度会大打折扣。且在开孔率达到某一数值时, 对曲线的影响已不明显。
在面盖的使用上, 还有塑胶面盖, 其最初使用的目的是防静电。因其要注塑成型且要保证其强度, 所以一般注塑厚度在 0.5 mm 以上, 整体高度在 1.5 mm 以上。
图 10 为同一扬声器在不同面盖( 0.5 mm 注塑和0.15 mm不锈钢, 其内部有效高度不变, 穿孔率注塑小) 下的测试对比曲线。重点看曲线低频段, 曲线有整体往低频"移动", 测试 F0, 发现用注塑面盖的F0 降低了约 5%。可见, 此时开孔面盖厚度的改变对手机扬声器的电声性能也有影响。
6 结论
正如前面所说, 手机扬声器的面盖也有其对应的 声学参量, 但与传统的音箱网罩对电声性能的影响有所不同。手机扬声器易受很多变量的影响, 很多时候很多变量难以精确定量; 由于仪器设备条件的限制及个人水平有限, 对面盖电声性能的试验肯定有不足之处。
另外, 面盖对受话器( receiver)电声性能的影响, 只做了些试探性的试验。当把一单功能的受话器在障板上测试时( 用于曲线对比) , 其高频段一般都是由振动膜片自己"截取"了, 即高频段( 8~10 kHz 以后) 频响曲线已被低通滤波, 似乎已无必要再作分析。以上都是讨论手机扬声器面盖开孔对电声性能影响的试验和看法。 同时, 笔者在实际设计运用中发现, 面盖开孔对其他类型的微型扬声器电声性能的影响还有更多值得大家共 同讨论的地方。
