CN109451403B - 一种微型平板扬声器换能器振膜结构及具有该换能器振膜的扬声器 - Google Patents

Abstract

一种微型平板扬声器换能器振膜及具有该换能器振膜的扬声器结构，能够将平板振膜扬声器尺寸在保证灵敏度大于105dB的情况下尺寸缩小到120平方毫米以内，将平板振膜扬声器应用于能够放入人外耳道内的入耳式耳塞领域，使耳塞同样能够实现音场、音像更大，充斥整个头部空间并扩充至肩部并达到充分隔音的静谧效果。

Description

一种微型平板扬声器换能器振膜结构及具有该换能器振膜的 扬声器

技术领域

本发明涉及平板扬声器领域，尤其涉及一种微型平板扬声器换能器振膜结构。

背景技术

目前电声扬声器以驱动方式分类可大致分为动圈式扬声器、静电式扬声器及平板式扬声器(又名等磁式扬声器)。

(1)动圈式扬声器：最普通，最常见的扬声器，技术最成熟，它的驱动单元由处于永磁场中的音圈驱动与之相连的振膜振动。动圈式扬声器效率比较高，大多可为音响上的扬声器输出驱动，且可靠耐用，参见图1常规动圈耳机工作原理图。

(2)静电式扬声器：静电式扬声器有轻而薄的的振膜，由高直流电压极化，极化所需的电能由交流电转化，也有由电池供电的。振膜悬挂在由两块固定的金属板(定子)形成的静电场中，当音频信号载到定子上时，静电场发生变化，驱动振膜振动。单定子也是可以驱动振膜的，但双定子的推挽形式失真更小。静电扬声器必须使用的特殊的放大器将音频信号转化为数百伏的电压信号，通过在功率放大器的输出端连接变压器的办法也可以驱动静电扬声器，这一方案在20世纪六七十年代的静电扬声器上得到广泛采用，它是对静电扬声器放大器昂贵成本的妥协，其信号质量达不到专门设计的静电扬声器放大器的水平。静电扬声器结构精密，对材料要求高，而且多为手工装配调试，故价格昂贵。静电式扬声器常常被考虑用来提供高质量的音频再现，主要应用于高级的扬声器和音箱。传统静电式扬声器的作用原理是将两片具有开孔且固定的极板通常采用pcb板、金属板、带绝缘层的金属板)挟持导电的振膜形成电容，通过供给振膜直流偏压以及给予两个电极音频的交流电压，利用正负电场所发生的静电力，带动振膜振动并将声音辐射出去。为降低振膜的振动质量，振膜的结构大多采用绝缘薄膜，并在绝缘薄膜的表层镀一层极薄的电传导性涂层，如金属、半导体。

对比来看，相对最常见的动圈式扬声器，后来者静电扬声器有很大的优势：一是振膜可以做得极薄极轻，如较新一代的中高档静电扬声器振膜厚度约1.35微米，这是动圈扬声器的振膜无论如何无法接近的。目前最高级的动圈扬声器的振膜也至少有5微米厚，因为动圈振膜必须保持一定的刚性，加上音圈重量也远大于静电。静电式扬声器更轻更薄的振膜带来的是更快的速度、更佳的瞬态反应、更强的细节表现力。其二，动圈扬声器的振膜无论怎样设计，振膜受力都不均匀，存在着分割振动，而静电扬声器的振膜是夹在正负两个平行固定极板之间的完全平面的振膜，受到的电场是完全均匀的，所以能做到线性驱动，不存在分割振动，动圈扬声器的这项局限不会发生在静电扬声器上。第三，静电扬声器的结构设计好，对振膜的控制也比动圈技术的扬声器的面积大，所以静电扬声器与动圈技术扬声器相比较灵敏度更高，可以重放现场的每一个细节，且失真极低，音质也更好，使耳朵听起来更为舒适。

静电扬声器相对于动圈扬声器的缺点也很明显：首先，在价格方面，动圈扬声器技术成熟，可靠性高，是绝大多数扬声器的首选，静电扬声器制作过程复杂且它的制作技术只掌握在少数的几个公司的手里，所以他的价格极其昂贵。其次，静电扬声器处于湿度或尘埃较大的环境时很容易损坏，部分使用静电扬声器的用户甚至会需要配备专门的防潮箱来保存，保养比较麻烦，整套系统体积重量都很大，不方便携带，受限于其本身的制造精密度，其可靠性和寿命低于常规动圈扬声器。此外，静电扬声器体积大，重量大，难以驱动，需要专用的前端才可以使用，而且每次开机都要预热一段时间。而最为致命的静电扬声器由于其定子和振膜间的距离有限，振膜的行程受限，所能达到的声压级没有动圈式扬声器大，即低频段表现不佳，参见图2常规静电耳机工作原理图。

(3)平板式扬声器：平板式扬声器的驱动器类似于缩小的平面扬声器，平面音圈嵌入在轻薄的振膜里。磁体集中在振膜的一侧或两侧(推挽式)，振膜在其形成的磁场中振动。平板单元通常由两个极板提供永磁磁场，印有细密电路置于磁场中，电信号连接振膜上的印刷电路上，在磁场中产生正负电荷，因整个振膜均匀印刷了可导电的电路。电路内部流动的电流与由永磁体生成的磁场正交，通过在电路中流通交流电流，电路即产生遵从法拉第定律的力，在该力的作用下振膜在垂直方向上振动，从而产生振动，将交流电流信号变换为声音信号。这种发声原理类似静电单元，技术细节上又有着较大不同的形式拥有着许多类似静电单元的特性，既能达到延伸出色、瞬态好、失真小的效果。此外，在听感上传统动圈扬声器的音场、音像只能集中在耳部、头骨范围内的区域，而平板式扬声器的音场、音像更大，可以充斥整个头部空间并扩充至肩部，声音会更加真实、宽松、自然，参见图3常规平板耳机工作原理图。

综上所述，平板式扬声器可以认为结合了动圈扬声器和静电扬声器两者的优点，在低频方面相比静电式拥有更好的表现，并且在高频方面也强于动圈式。由于平板扬声器无需静电扬声器所需的升压驱动，使其使用门槛比静电单元更低。

但在平板扬声器换能器设计中，线圈质量对于换能器发声效果有直接的影响，当音圈较重时，会使高频响应低落，而使高音域的共振周波数低落，而且当振动质量大时，由于惯性较大，使声音的瞬态特性变差，故通常在设计时平板换能器希望获得较低的线圈质量，部分平板扬声器产品的线圈材料采用延展性好的金材料制成，这样可使线圈厚度达到纳米级，大辐降低了线圈的质量，因此获得了极好的瞬态和解析力。但由于振膜尺寸限制，其延展性好的线圈材料必须密布在在较大尺寸的振膜上，因此平板扬声器多应用于音响、耳麦等较大尺寸的电子设备上，而当振膜尺寸缩小时，其振膜表面积无法满足足够的线圈排布，即使将振膜表面排满线圈电路，也依然会产生失真现象，因此，现有的线圈质量-厚度-面积之间的关系无法应用于较小尺寸的耳塞上。目前随着平板面积的缩小，平板扬声器的声音质量(灵敏度)也会随之明显下降，当前该领域还没有人成功将平板振膜扬声器应用于可入耳式耳塞领域。

其次，现有的类似产品中大都通过在人耳廓部分放置较大的平板振膜单元实现平板振膜扬声器的小型化应用，没有真正意义上实现振膜单元入耳的效果，也就达不到让耳塞实现和耳麦一样的音场、音像更大，可以充斥整个头部空间并扩充至肩部，声音更加真实、宽松、自然的技术效果，也达不到完全隔音的静谧效果。

同时，在扬声器的研发过程中，最终调音风格始终是依靠人耳的实际聆听的，这就意味着要掌握线圈电路的理想厚度、面积、质量或上述三者的区间，需要制作大量的不同线圈厚度、面积、质量的振膜，这不仅对平板扬声器制造工艺提出了非常高的要求，而且研发成本和研发周期过长，企业难以负担。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术结构上的缺点，提出一种微型平板扬声器换能器振膜及具有该换能器振膜的扬声器结构，能够将平板振膜扬声器尺寸在保证灵敏度大于105dB的情况下尺寸缩小到120平方毫米以内，开创性的将平板振膜扬声器应用于能够放入人外耳道内的入耳式耳塞领域，使耳塞同样能够实现音场、音像更大，充斥整个头部空间并扩充至肩部并达到充分隔音的静谧效果。

为了达到上述发明目的，本发明一种微型平板扬声器换能器振膜是通过以下技术方案实现的:

一种平板扬声器换能器振膜结构,包括周缘被固定在第一线架和第二线架上的具有第一平面形状的振膜，所述振膜包括第一表面和第二表面，所述第一线架和第二线架分别位于振膜的第一表面和第二表面并与振膜固定连接，振膜上布置有线圈和/或印刷电路，所述线圈和/或印刷电路由导体材料规则布线形成，其特征在于：换能器振膜结构总面积不超过120平方毫米且灵敏度大于105dB，所述振膜上所述线圈或印刷电路对应设置有第一磁架和第二磁架，所述第一磁架、第二磁架上分别对应排列设置有第一磁性元件和第二磁性元件，所述线圈和/或印刷电路通过气相或液相沉积在所述振膜的第一表面和第二表面上并对应形成串联和/或并联线路的第一子线圈和第二子线圈。

所述第一子线圈和第二子线圈在所述振膜第一表面和第二表面上的投影互不重叠或重叠不超过20％。

所述规则布线包括三角形、嵌套三角形、圆形、嵌套圆形、环形、嵌套环形、螺纹型、多边形、嵌套多边形、五角星型、嵌套五角星型布线形式。

所述线圈或印刷电路的导体材料包括金、箔、铜、铁，所述磁性元件包括、永磁体、电磁体、人工磁体，所述磁性元件含有条形磁体，所述条形磁体的数量为1-50个，所述条形磁体对称平行设置或交错平行设置。

所述第一平面形状包括：三角形、四边形、圆形、椭圆形、不规则锯齿形。

根据权利要求1所述平板扬声器换能器振膜结构，所述固定连接不限于柔性连接、铆接、胶接、焊接、粘结、静电连接、激光熔接。

所述固定连接包括与振膜一体成型。

所述振膜可以是平行波浪形或交错波浪形或水波圆形。

所述串联和/或并联线路可以制作成1-100层。

所述换能器振膜结构为10mm×12mm的矩形振膜。

所述换能器振膜结构为直径不超过12mm的圆形振膜。

所述振膜结构被固定设置在环状刚性框架上，为提高所述刚性框架的强度和固有频率，环状刚性框架的内部可以设置一体成型的内部支撑结构。

磁性元件中的条形磁铁可以采用呈犬牙交错布置的铝铁硼磁铁。

磁性元件中的条形磁铁可以采用呈犬牙交错布置铁氧体磁条。

第一子线圈和第二子线圈由导体材料规则布线形成，并设于所述振膜的中心位置。第一子线圈、第二子线圈呈迂回曲折的螺旋形或往复交错形结构。

本发明提供的微型平板扬声器换能器振膜及具有该换能器振膜的扬声器，结构采用多线圈串联的方式形成复合结构的平板换能器振膜线圈，其中的一种线圈采用延展性较好的金或怕制成，而另一种线圈采用延展性和对较羌的金属材料制成，通过控制两种线圈的长度和面积来控制线圈进而控制换能器的声音特性，使低、高频响应以及瞬态更加均衡，因此达到在保证尺寸和灵敏度的前提下进一步实现良好的声音效果。

附图说明

图1为常规动圈耳机工作原理图。

图2为常规静电耳机工作原理图。

图3为常规平板耳机工作原理图。

图4为本发明实施例振膜结构示意图。

图5为本发明实施例振膜结构平面示意图。

图6为本发明实施例振膜结构平面分解示意图。

图7为本发明实施例振膜结构爆炸示意图。

图8为本发明实施例扬声器结构耳塞应用爆炸示意图。

图9为实施例1中矩形振膜结构上机后的灵敏度测试曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图4-图6所示，标号分别表示：紧固螺丝1、外框2、第一磁性元件3、第一磁架4、第一线架5、振膜6、第二线架7、第二磁性元件8、第二磁架9、固定片10。

实施例1：

参见图7所示，图7为本发明实施例振膜结构爆炸示意图。本实施例首先提出一种微型平板扬声器换能器振膜结构，包括周缘被固定在第一线架5和第二线架7上的具有第一平面形状的振膜6，该振膜6包括第一表面和第二表面，该振膜6的形状为矩形，尺寸为10mm×12mm的矩形振膜，根据实际工作需要尺寸可以进一步设置成1mm×12mm至10mm×1mm等不同尺寸，如5mm×8mm；2mm×3mm；4mm×7mm等不大于120平方毫米的尺寸；振膜6周缘通过紧固螺丝1穿过外框2被固定在框架上，再与固定片10连接上。所述振膜6上敷设有线圈和/或印刷电路，框架与振膜6间通过第一线架5、第二线架7和第一磁架4、第二磁架9固定第一磁性元件3、第二磁性元件8及线圈和/或印刷电路，通过气相或液相沉积在所述振膜6的第一表面和/或第二表面上并对应形成串联和/或并联线路的第一子线圈和/或第二子线圈,第一子线圈和第二子线圈由导体材料规则布线形成，并设于所述振膜6的中心位置；可以进一步根据设计灵敏度调整为只有单面线圈的布置方式或双面都有线圈的布置方式。第一子线圈、第二子线圈呈迂回曲折的螺旋形或往复交错形结构。第一子线圈设于所述第二子线圈的两侧，且所述第一子线圈和第二子线圈在振膜所在平面上的投影不重合，均匀的布设在振膜6上。同时，第一子线圈和第二子线圈构成的音圈总成绕所述振膜的中心旋转对称。

上述实施例是申请人在经过创造性的理论矫正和长时间的研究后终于找到的能够平衡振膜尺寸小于120平方毫米且灵敏度大于105dB的理想耳机制作结构，如图9的矩形振膜结构上机后的灵敏度测试曲线图。进一步的在既能保证在振动状态下足够的稳定，又尽可能降低线圈质量的前提下，其中第一子线圈、第二子线圈的厚度为50纳米至10微米，振膜的厚度为100纳米至20微米，不节约成本的情况下可以进一步优选为50纳米至1微米。

磁性元件中的条形磁铁采用铝铁硼磁条，呈犬牙交错布置，此外，由于本发明的振膜在尺寸缩小的情况下，灵敏度并没有明显降低，因此还可以在保证总谐波失真度一定的前提下，进一步利用铁氧体磁铁替换铝铁硼磁铁来降低成本。

优选的，所述第一子线圈长度为第二子线圈长度的10的m次方倍,其中0≤m≤5；第一子线圈的投影面积为第二子线圈投影面积的10的s次方倍，-3≤s≤6；相同投影面积的第一子线圈的质量为第二子线圈质量的10的n次方倍，其中-3≤n≤5，其中m、s、n为无量纲参数。

对于电连接结构基于现有线圈和导线的连接方式，为本领域技术人员公知技术，故在此不再赘述。

实施例2

本实施例提供另一种换能器振膜结构，和实施例1区别在于：振膜为圆形振膜，直径为12mm，也可以进一步根据需要设置成1mm、2mm、5mm、10mm、11mm等不大于12mm的其他直径尺寸，磁体形状为环形磁体、圆形磁体或螺旋形磁体，相对实施例2中结构，实施例1中矩形振膜的制造工艺更简单，成本相对较低，为优选方案。

实施例3

本实施例提供一种具有实施例1或实施例2中的换能器振膜的扬声器，其结构如图8所示，图8为本发明实施例扬声器结构耳塞应用爆炸示意图，本实施例提供的一种平板式耳塞，具有耳机线、耳塞壳体和内置的平板振膜单元，其中的平板振膜单元如上文实施例1和实施例2内容所述，在此不再赘述。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种微型平板扬声器换能器振膜结构,包括周缘被固定在第一线架和第二线架上的具有第一平面形状的振膜，所述振膜包括第一表面和第二表面，所述第一线架和第二线架分别位于振膜的第一表面和第二表面并与振膜固定连接，振膜上布置有线圈和/或印刷电路，所述线圈和/或印刷电路由导体材料规则布线形成，其特征在于：换能器振膜结构总面积不超过120平方毫米且灵敏度大于105dB，所述振膜上所述线圈和/或印刷电路对应设置有第一磁架和第二磁架，所述第一磁架、第二磁架上分别对应排列设置有第一磁性元件和第二磁性元件，所述线圈和/或印刷电路通过气相或液相沉积在所述振膜的第一表面上并对应形成串联和/或并联线路的第一子线圈；所述线圈和/或印刷电路通过气相或液相沉积在所述振膜的第二表面上并对应形成串联和/或并联线路的第二子线圈；所述第一子线圈长度为第二子线圈长度的10的m次方倍,其中0≤m≤5；第一子线圈的投影面积为第二子线圈投影面积的10的s次方倍，-3≤s≤6；相同投影面积的第一子线圈的质量为第二子线圈质量的10的n次方倍，其中-3≤n≤5，其中m、s、n为无量纲参数；所述第一子线圈和第二子线圈在所述振膜第一表面和第二表面上的投影互不重叠或重叠不超过20％。

2.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述规则布线包括三角形、嵌套三角形、圆形、嵌套圆形、环形、嵌套环形、螺纹型、多边形、嵌套多边形、五角星型、嵌套五角星型布线形式。

3.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述线圈和/或印刷电路的导体材料包括金、箔、铜、铁，所述磁性元件包括：永磁体、电磁体、人工磁体，所述磁性元件含有条形磁体，所述条形磁体的数量为1-50个，所述条形磁体对称平行设置或交错平行设置。

4.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述第一平面形状包括：三角形、四边形、圆形、椭圆形、不规则锯齿形。

5.根据权利要求1所述平板扬声器换能器振膜结构，所述固定连接包括但不限于柔性连接、铆接、胶接、焊接、粘结、静电连接、激光熔接。

6.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述固定连接包括与振膜一体成型工艺。

7.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述振膜是平行波浪形或交错波浪形或水波圆形。

8.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述串联和/或并联线路可以制作成1-100层。

9.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述换能器振膜结构为10mm×12mm的矩形振膜。

10.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述换能器振膜结构含有直径不超过12mm的圆形振膜。

11.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述第一子线圈、第二子线圈的厚度为50纳米至10微米，振膜的厚度为100纳米至20微米。

12.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，所述振膜结构被固定设置在环状刚性框架上，为提高所述刚性框架的强度和固有频率，环状刚性框架的内部设置一体成型的内部支撑结构。

13.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，磁性元件中的条形磁铁采用呈犬牙交错布置的铝铁硼磁铁。

14.根据权利要求1所述的微型平板扬声器换能器振膜结构，其特征在于，磁性元件中的条形磁铁采用呈犬牙交错布置铁氧体磁条。

15.一种微型平板扬声器，其特征在于：包括如权利要求1-12中任一项所述的微型平板扬声器换能器振膜结构。

16.一种耳塞，其特征在于：包含如权利要求15所述的微型平板扬声器。

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