新型平板扬声器的设计

摘要：针对传统扬声器的缺点，提出了一种平板扬声器的设计。扬声器由软磁材料、音圈、平板发声盘、环形导电线圈、偏磁线圈组成，并将音圈固定在以软磁材料形成的半闭合磁路上，音图形成的电流通过导电环产生互感磁通而迫使发声盘振动，从而带动扬声器的振膜振动而发声。实践表明该扬声器具有频响宽、功率大、失真小、结构简单等特点，既能满足高保真音响和家庭影院系统需求，又能应用于多媒体音响系统的小型化要求，具有较好的应用前景。
关键词：平板扬声器；软磁材料；音圈；偏磁线圈

0 引言
    传统扬声器是用音圈推动一个尺寸固定的纸盆而发声，其自身的结构与特点决定了扬声器不能实现平板化与小型化。其次、固定的振动盆直径，使得扬声器通频带很窄，幅频特性很差，整个频响特性具有在其机械谐振频率点上呈单峰特性，致使高保真音箱不得不以高、中、低音扬声器用分频组合方式来实现。音圈是推动器，又是发声体的一部份，其自身的机械结构与性能产生矛盾，特别是在高保真系统中，要实现大的动态范围，则要求功率要大，这样对音圈的机械强度要求高，线圈不得不做得结实些，但这样音圈的机械惯性增大，高频特性将大大下降，为了同时满足机械强度与高频特性的需要，音圈通常都工作在极限环境中，极易烧毁。因此，用传统扬声器设计制造的高保真音箱体积大、成本高、可靠性差。
    为适应现代音响对音箱的宽频响、宽指向性和小型化的要求，平板扬声器开始“浮出水面”，并以其突出的优势展现出极为诱人的应用前景。较为典型的有NXT平板扬声器和等磁场带式扬声器，但它们都存在低频响应不足、音质差等缺点。本文给出一种平板扬声器系统，通过对其结构分析可知，用它作为高保真音箱的发声体，可显著提高平板音箱的低频响应，使平板音箱的频响特性更加平坦。

1 平板扬声器结构与原理
1．1 平板扬声器的结构
    平板扬声器的结构如图1所示，主要由软磁材料、音圈、平板发声盘、环形导电线圈、偏磁线圈组成。其结构要求音圈固定在以软磁材料为支架的半闭合磁路上，振动发声盘为四边固定的张紧的柔性导电盘或内部相嵌有多个(3个以上)同心导电环的柔性圆盘构成，并保证磁路完全穿过振动盘。偏磁线圈的作用是在扬声器工作时加入合适的直流或超音频交流偏磁电流，使磁路中的音频磁场避开磁化曲线的非线性区。

    平板扬声器发声盘的结构如图2所示，其中图2(a)为环状导电环的发声盘，在其内部相嵌有环形导电线圈，其分布要求尽可能密些，发音膜的柔韧性要好，内孔径决定它的高频特性，发音盘的内外环形导电线圈直径比值越大，幅频特性越宽，导电环的数量越多，分布越均匀，扬声器幅频特性越平坦。图2(b)为软性导电盘，由柔性的导电膜或柔性的金属网膜构成，要求柔韧性好。发声盘的外径主要决定扬声器低频特性，其越大低频特性越好，幅频特性越宽。

1．2 平板扬声器工作原理
    当音圈中通过经功放放大的音频电流时，音频电流在软磁材料中产生的音频变化磁通穿过发声盘，平板发声盘内的各导电环产生互感磁通，互感磁场与音频磁场相互作用而迫使发声盘产生音频的机械振动而发声。由于软磁材料的磁化曲线是非线性的，使得音频电流的过零点产生很大的失真。因此在磁路中加一个偏磁线圈，外加一恒定的直流或超音频交流偏磁电流，精确调整偏磁电流的大小和音频信号的幅度，使音频磁通避开磁化曲线的非线性区。

2 平板扬声器应用与特点分析
2．1 平板扬声器应用
    平板扬声器应用示意如图3所示，其中超音频交流振荡电路或直流稳压电源为偏磁线圈提供偏磁电流，R为限流电阻，为了使偏磁线圈不会对音频磁通短路，要求R尽可能大些，RW是最佳偏磁调节器，调节其大小可保证加给扬声器的直流(或交流)偏磁刚好使音频信号磁场在软磁体的磁化曲线的线性段中间。功率放大器输出的音频信号加到音圈上，将音频电流转变成音频变化的磁场，此磁场穿过发声盘各导电环，各导电环的互感磁场与音频磁场相互作用而推动发声盘还原高保真声场。

2．2 平板扬声器特点分析
    该设计的平板扬声器具有频响宽、功率大、失真小、体型薄、外形随意、结构简单、加工方便、不易破损及无磁干扰等特点。
    (1)频响宽。由于扬声器振动发声盘内相嵌有多个放射状排列的同心导电环，各环的半径不一样，各个环在单独作用时就有不同的机械谐振频率，导电环的数量越多，分布越均匀，扬声器幅频特性越平坦，不再在传统扬声器发音盘尺寸固定而产生单一波峰的幅频特性；发声盘的外内径比值越大，幅频特性越宽；很容易就能在一个扬声器上实现了从20 Hz～20 kHz的平坦的幅频特性。
    (2)输出功率大。由于音圈固定在磁路上，它可做得更粗，更结实，不存在传统的扬声器音圈易烧毁，易振与松动的现象，发音盘中的环形导电线圈进一步起到音膜加固作用，比传统扬声器发音膜具有更强的机械特性，从而使输出功率更大。
    (3)失真小。平板扬声器在磁路中加一个偏磁线圈，扬声器工作时加入合适的直流或超音频交流偏磁电流在偏磁线圈上，使磁路中的音频磁场避开磁化曲线的非线性区，音频信号磁场几乎不失真地加在了发音盘上，从而使本扬声器的失真非常小。
    (4)体型薄。该扬声器中使用了平面的发音盘，故扬声器可做得很薄，它的厚度主要由磁路结构与发音盘振动所需的空间决定。
    (5)外形设计随意。在该扬声器中，只要将磁通穿过发音盘的中心孔，对磁路的形状没有要求，发音盘不一定非要圆形，它们均可根据美学与机械要求设计成任意形状，发音盘的表面便是各种艺术绘画作器的最佳居所。
    (6)结构简单、加工方便、不易破损。该扬声器中磁路结构简单，各部分配合精度要求不高，音圈、磁路、发音盘可由产家做好后由普通用户自行安装。由于发音盘使用了多个导电环驱动方式，即使某部分导电环损坏，其他环仍可正常工作，不会对扬声器产生致命的影响。而传统的音圈驱动方式，一旦音圈烧坏，就不能再继续使用。

3 结语
    平板扬声器技术最大的优势在于体积的薄小，非常符合现代硬件设备小型化的趋势。该设计的平板扬声器能满足高保真音响和家庭影院系统所要求的宽频响、宽指向性，也能应用于多媒体音响系统的小型化要求，具有较好的应用前景。