浅谈平面扬声器

6498700 · 发表于 2009-4-11 21:51:38

目前在音响系统中使用最为广泛的是电动式扬声器，这种扬声器自1925年由美国通用公司工程师发明至今已有70多年的历史，由于其结构简单，性能较好，很快成为扬声器中的主流产品，占目前世界上生产的扬声器总数的99％。在如此漫长的时间内虽然历经多次改进，各项技术指标和还原声音质量不断有所提高，但它所依据的发声原理和基本结构一直没有根本性的改变。20世纪80年代之后，CD、LD、DVD等新一代视听媒体相继问世，有关的信号处理和放大设备的性能指标早已今非昔比。相形之下扬声器的发展却给人以步履艰难的感觉，性能指标进一步改善的潜力似乎行将挖掘殆尽，传统音箱的加工工艺又决定了其成本难以继续降低，而高保真音响和家庭影院系统所要求的宽频响、宽指向性和多媒体音响系统的小型化更是传统扬声器难以解决的一对矛盾。在这种背景下平板扬声器开始“浮出水面”，并以其突出的优势展现出极为诱人的应用前景。目前各个厂家推出的平板扬声器为数不少，原理各异，而成功采用在多媒体音箱系统中的有NXT平板扬声器和等磁场带式扬声器等，和传统扬声器一样，这两种平面扬声器技术仍然采用电－磁－力－声的转换原理，原理上仍然属于电动扬声器，所不同的是其发声的振动膜片采用了平面音膜。那么，和传统扬声器相比，采用平面音膜有什么优势呢？NXT平板扬声器和等磁场带式扬声器之间又有什么区别呢？下面我们进行深入的探讨。
一．传统电动扬声器
　　传统电动扬声器的结构原理见图1，其工作原理是：当音频电流流经音圈时，音圈受磁场力的作用产生相应的运动，通过音圈骨架传递给音盆，音盆振膜产生振动，从而还原出声音。长期以来传统电动扬声器的振膜大多采用纸质，纸的刚性较小，必须制成圆锥形状才能减小振动时的弯曲变形，纸质材料的性能及圆锥形状会产生下述种种弊病：

图1：传统电动扬声器原理结构图
1．前室效应导致频响特性恶化
　　圆锥形状的音盆向内凹进去的部分构成一个有相应容积的前气室，在音盆振膜振动时，前气室内的空气将产生共振，形成前气室效应。由于前气室的存在，使声场分布上出现很大的紊乱，随着频率的升高，频响曲线产生明显的峰谷点（见图2），只要音盆振膜是圆锥形状的扬声器无论怎样提高振膜的刚性也无法消除频响曲线上的峰谷点，只有将音盆振膜做成平面形状时才能获得平坦的频响曲线。

图2：圆锥形振膜产生的前室效应导致频响曲线恶化
2．  分割振动引起失真
　　理想的音盆振膜的振动应该是振膜任一部位都是同时以相同幅度相同方向振动，即做刚体活塞运动，实际上由于采用纸质材料的圆锥形状音盆，因此会产生局部分割振动。分割振动有两种，一种是轴对称分割振动，即以音盆振膜中心为圆心，靠近圆心的振膜部分和远离圆心的振膜部分振动方向存在着差异，从而引起频响曲线上产生大的峰谷；另外一种是非轴对称分割振动，即音盆上某些点的振动不能和整个音膜的振动同步，它是由于音盆振膜使用的纸质材料刚性较小，质量均匀度不够引起的。
3．  相位特性差
　　传统扬声器由于的圆锥形音盆本身有一定深度，因此从锥顶到锥底发出的声波不在一个平面上，到达聆听者耳朵的距离不同（见图3），从而产生了相位差，使声音的相位特性变劣。

二．          NXT平板扬声器
　　NXT技术的诞生可以说是完全出于偶然。80年代末期，英国国防部防务研究所的研究人员为了研究降低直升机机舱内的引擎噪声，曾尝试使用某种轻型复合材料平板来封闭引擎，然后用电噪声抵消技术来降噪。但奇怪的是噪音不但没有减少，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。又经过两年多的深入研究，终于在1991年使之成为一项实用化的平板扬声器技术，并对之进行了专利注册。英国最大的音响制造商Veiity集团看到了隐藏在这一技术创新后的巨大商机，出资将这一专利买下，并于1994年成立了一个新的子公司即NXT公司，专门从事这一技术的商品化开发与授权(NXT扬声器的注册商标如图4所示)。

1996年9月，NXT公司宣布研制成功NXT平板扬声器。从那时到现在，NXT平板扬声器逐渐发展成熟并得到各大音响厂商的认同。1999年以来，申请和得到NXT授权的厂家急剧增加，目前全球已达数百家，国内已有多家多媒体音箱厂商得到NXT授权（如深圳三诺电子有限公司），正在生产或准备生产NXT平板扬声器（见图5）。

1．NXT平板扬声器技术特点
　　目前普遍采用的电动式扬声器是利用电磁效应激励音圈，再驱动锥形音盆振动发声。NXT扬声器也通过音圈进行电磁转换，不同的是用特殊材料制成的平板代替锥形音盆振动发声。理想状态的平板振膜振动时应该是做刚性活塞运动，整个平板任一处都能同步同幅度振动，才能得到平直的频率响应。但NXT平板扬声器恰恰相反，这种看起来很像泡沫塑料的平板具有一种独特的性质，即在受到某种激励后板面上每一个微小的面积元都能作相互独立的无规则振动，而不是发生刚性的联动。它很像一个由非常多的微小单元组成的扬声器阵列，每一个单元都驱动一个非相关的信号，各个辐射元的相位各异，即在微观上看是杂乱和无规则的振动，似乎不利于声音的良好还原。但NXT扬声器技术获得了技术上的重大突破：一方面找到了一种基本适合这种振动要求的薄板材料，另一方面开发了一种能够控制这种薄板进行无规则振动的技术，即NXT所称的“分布式波模(DM，DistributedMode)”控制技术。因此，符合NXT技术要求的平板尽管在微观上看是杂乱和无规则的振动，宏观上合在一起却能产生一个可控制的也能到达声音还原所需要的声学输出。
2．NXT平板扬声器的结构
NXT将激励器附着于平板之后，线圈的振动沿着传动部件传递到平板，平板随之振动发声。从结构上看，NXT扬声器由激励器、振动板、悬吊系统3部分组成。
      激励器
激励器完成电－磁－力的转换，产生驱动力驱动平板发声，其结构如图6所示。其作用原理与电动式扬声器很相似。
   振动板
振动板就像人的声带一样，对于音色、音强、频响均匀性等起着决定性的作用，因此在平板扬声器中其地位仅次于激励器。振动板的材料大致上可分为3类，即蜂巢板、三明治板和纸浆板。蜂巢板的还声效果最好，但相对成本也最高；其次是三明治夹心板；纸浆板用的是与传统扬声器的纸盆相类似的材料，价格较低廉，但音质相对较差。
  悬吊系统
平板扬声器的振动原理与传统电动扬声器的振动原理完全不同，后者采用的是活塞式的振动方式，而前者采用的是随机振动的方式，因此它的最低谐振频率并非如传统电动扬声器只有一个点，而是有十几个点。设计良好的平面喇叭甚至有二十几个点，而且它的驱动点并不是在发声平板的正中央，因为正中央并不能获得最大的声压和最平滑的频响曲线，而是在某一最佳位置。驱动点和悬吊点的位置设计是NXT的专利，它是考虑了多种因素后经过严格的声学计算和计算机仿真得到的。

  3．NXT平板扬声器性能特点
         体积超薄，面积可大可小
NXT扬声器的发声板极薄，容易把扬声器做得很薄。就目前水平而言，NXT平板最薄可以做到1mm以下，最厚也不超过3mm，而典型的厚度为2mm。NXT扬声器的振膜尺寸与还原声音的波长关系不大，仅与总功率有关，因此它的面积可大可小，设计自由度很大。如用于手机的NXT扬声器只有信用卡般大小，而用于商业海报或愠±┮舻?/span>NXT扬声器可以达到10m见方。在传统的电动扬声器中有两个因素限制着大尺寸振膜的使用：一是指向特性，扬声器的口径越大则指向性越尖锐；二是振膜的质量，质量越大则扬声器的频率上限越小。NXT扬声器没有这些问题。
         频率响应宽广
传统扬声器由于自身发声原理的限制，其在同时实现宽频响、低失真和宽指向性方面是矛盾的。由于这样的原因，采用单个电动式扬声器不能完成全频带放音，而要获得从低频到高频的平坦频率响应必须采用多个扬声器单元配合使用，分别负责重放低音、中音或高音。这时分频器的使用是不可避免的，这就会带来一系列的副作用：一方面分频方式很难实现不同频段扬声器的理想衔接；另一方面分频器常会带来频率失真、相位失真以及与电容、电感特性有关的音质问题等。
NXT扬声器采用随机振动的平板取代了常规的振膜，其功率被直接输出到平板的机械阻抗之上。由于靠近平板的空气同样也是以随机方式运动的，这样就降低了有效的空气载荷，因而使辐射阻抗显得并不重要了。振动平板的机械阻抗取代了原来辐射阻抗的地位，成为有效功率的消耗者，而它的幅值在相当宽的范围内不随频率而变，从而使其输出声功率与频率无关。因此，NXT使用一个单元就可以获得比传统音箱还要宽阔、平坦的频率响应。

         声转换效率高
传统扬声器的振膜前后发出的声波是反相的，一经相遇就会相互抵消。为了避免这种“声短路”现象，必须采用音箱来分隔前后声波。NXT扬声器的平板前后所产生的声波是同相的，声能经叠加后得到加强，根本无需采用音箱来分隔前后声波。这也使得NXT扬声器的电——声转换效率高于传统扬声器，从理论上讲，在同样的推动电功率和相同的发声面积下，NXT扬声器的声功率应该达到普通扬声器的两倍。
  宽指向性
传统扬声器的指向性与它发出声音的频率有关，频率越高、辐射角越小则指向性越强。也就是说，当你的双耳处于扬声器的轴线附近时并不会感到音量随频率有什么变化，而当你的座位偏离该轴线一定角度时就会明显地觉察到音量随频率的上升而减小。因此，对于电动式扬声器而言，即使它在轴线上的频响做得再平坦，其变化的离轴频响依然会造成声染色并引入结象偏差。NXT扬声器发出声音的大小强弱、频响宽窄、音质优劣几乎不随相对于扬声器的距离或角度有明显的改变。无论你在室内如何走动，即使偏离扬声器轴线很远，也几乎没有明显的高低频衰减、音量变小或音场收缩的现象。NXT扬声器为前后360度指向性，而传统扬声器为向前的180度指向性。
  低频响应不足
由于NXT扬声器的设计是采用波浪式的振动方式，因此其所能推动的空气量有限，所以低频能量不够，只能发出大约100Hz-18kHz的中高频，往往使人感到声音明亮有余而柔和不足。一般都需要配备一只超低音音箱来完成100Hz以下的低频放音。就目前效果而言，超低音扬声器与平板扬声器的衔接尚有不如人意之处，音质与音色距离Hi-Fi发烧友的要求还有一定距离。
  音质有待改善
由于NXT平板扬声器是在受到激励后板面上许多微小的面积元都能作相互独立的无规则振动发声，而不是发生刚性的同步振动，因此还原的声音虽然具有一定的素质，但存在一定的失真，因此NXT平板扬声器自今也没有踏入高保真音响领域，其音质有待进一步改进。

4.NXT平板扬声器在电脑中的应用
目前多媒体电脑发展的一个重要趋势是小型化和便携化，可以装在手提包内的笔记本电脑正在迅速普及，可以握在手上的掌上电脑以及可以装在口袋里的手持电脑也已问世。这种只有几个厘米厚的袖珍型电脑难以采用传统扬声器来完成声音重放的任务，这一难题曾经困扰着电脑设计者多年之久，从某种意义上可以说是制约袖珍电脑多媒体化的一个“瓶颈”。NXT扬声器的问世使这一难题迎刃而解，它兼具超薄和超轻之特性，可与各种笔记本电脑、手持电脑或掌上电脑完美地匹配。NXT扬声器可与电脑显示器融为一体，平时将它收到电脑显示器背后或折叠起来，使用时拉开，在电脑中的获得相当理想的应用。
三．等磁场带式扬声器
在60年代初，第一个平面振膜带式电动扬声器的就已经出现并获得专利。这种平面带式振膜扬声器由数个棒形磁铁和扁平螺旋形线圈粘合在薄塑料振膜上构成。直到70年代末，许多扬声器公司都试图采用这种设计，但最终只有少数几个公司推出了并不很成熟的平面振膜带式扬声器产品，其原因是技术难度大和成本太高。随着钕铁硼磁钢等新型磁性材料进入扬声器工业和最近一些高分子有机材料由杜邦公司研制成功后，迎来了带式扬声器的春天，惠威公司美国研究中心率先成功地解决了带式扬声器设计中的全部技术难题以及制造工艺等方面的问题，推出了新型的等磁场带式高音扬声器，并于2000年底推出采用等磁场带式扬声器的M-2000多媒体音箱。
1．  带式扬声器的结构
无论是传统电动扬声器还是NXT平板扬声器，它们主要都是由负责驱动的音圈和振动音膜两个部件组成，它们的音圈构成一个驱动点，是以点带面驱动锥形音盆或平板振膜振动，属于“点”驱动方式。点驱动存在的最大问题在于整个音膜表面的振动不能同步进行，在远离驱动点的地方会出现振动滞后，引发分割振动，影响还原声音的音质。另外，传统电动扬声器和NXT平板扬声器的振膜为获得一定的刚性，振膜需要一定的厚度，因此振膜质量大，造成振膜惯性大，无法对极高频率的声音和声音中的细节进行良好还原。
针对上述问题，带式扬声器从结构和材料上完全摒弃传统电动扬声器的思路，采用独特的结构和材料设计出新型扬声器，彻底解决了这些问题。等磁场带式扬声器的结构原理见图8（局部图），带式扬声器的物理结构很简单，由外壳，磁钢组件，音圈音膜组件构成。带式扬声器好似三明治结构，由两层附着在前后外壳上的高强度磁钢组件和悬浮于其中的音膜组件组成，每层磁钢组件由多排磁钢条等距离排列附着在金属外壳上，金属外壳在磁钢条之间开有狭长的缝隙以便于声音透过；音圈用印刷或照像光刻的方法直接制造在音膜上，音圈面积到达音膜面积的90％，且音膜和音圈完全成为一个整体，图9是拆开后的带式扬声器，左边部分的支架上可看到均匀排列的钕铁硼磁钢条，右边部分则可一览无余地看到音膜以及音膜上密布的平面音圈。

6498700 · 发表于 2009-4-14 20:49:50

2．带式扬声器性能特点

      带式扬声器和NXT平板扬声器一样都是属于平面振膜的扬声器，因此，带式扬声器具有和NXT平板扬声器一些相同的特点，如体积超薄，宽指向性，声效率高等，这里对这些特点不再详述，而是重点介绍由于带式扬声器独特的结构、新材料和新工艺带来的特点。
      带式扬声器采用均匀的等磁场。
带式扬声器采用厚度仅为12mm的均匀等磁场结构，在这种磁场结构中由于采用了是普通磁钢磁场强度十多倍的钕铁硼磁钢，并且磁钢条之间缝隙非常小，营造了一个非常均匀而强度相等的“等磁场”，使整个音膜“浸泡”在均匀分布磁场中，意味着音圈能在均匀相等的磁场力的控制下非常精确地跟随音频信号而运动，从而真实地还原声音，同时这也是下面谈到的带式扬声器能实现对音膜进行“面”驱动的前提条件。而一般电动式扬声器分布在振膜的圆颈部，其音圈运动时有效的均匀磁场短，当音频信号强大时音圈运动幅度增大，音圈容易进入非均匀磁场中，从而造成声音失真。
      带式扬声器采用“面” 驱动方式。
带式扬声器在音膜的驱动方式上彻底抛弃了“点”驱动方式，完全采用了“面”驱动方式４窖锷鞯恼穸裟げ捎酶叻肿?/span>Kapton薄膜材料，在音膜表面镀上一层薄薄的铝膜，并用照像制版腐蚀法制造出音圈，因此音膜和振动膜合为一体，音圈铝导电层线条占振膜表面90%以上。音膜上的导电体覆盖有3μm的抗氧化涂层，它能防止铝导电线条在瞬间过热时氧化。在音圈流过音频电流时，均匀覆盖音膜90％面积的音圈同步带动全面积的音膜振动，实现了音膜的“面”驱动。
      带式扬声器振动系统质量极轻。
与传统电动扬声器和NXT平板扬声器相比，带式扬声器振动系统的振动质量几乎可以忽略，只有数十毫克，为传统电动扬声器和NXT平板扬声器的振膜质量的数十分之一，这样轻的振膜质量意味着对于任何输入的瞬态信号，带式扬声器几乎可以作出瞬时响应，瞬态特性极佳，同时对极其微弱的信号也能响应，对还原音乐信号中的细节极为有利。另外，对于极轻的振膜，只要施加少许力量就能轻易推动，因此带式扬声器的灵敏度和电声转换效率很高，对功放的功率需求不苛刻。
      带式扬声器频率响应优异。
带式扬声器工作时，这是由谡庵盅锷鞯拇懦×κ欠植荚谡穸考恼雒嫔希?/span>整个薄膜面积的90%的音圈完全被高强度的均匀磁场所“淹没”，因此，当音频电流流经音圈时，整个音膜完全能同步同幅度振动发声，在整个工作频带内，带式扬声器单元没有谐振，阻抗曲线为一条直线，基本没有峰谷。
      低频响应不足
带式扬声器的音膜由于紧绷在支架上，音膜无法做大幅度的位移，因此推动的空气容量有限，无法重放低于200Hz以下的声音，这是由带式扬声器的结构原理先天决定了的，目前理论和实践都实证了带式扬声器只适合于中高频的声音重放。

3．    带式扬声器在应用范围
尽管带式扬声器音质非常优异，但由于采用了大量的高科技新材料，工艺要求精密，制造成本较高，因此带式扬声器一般只在对音质要求极高的高档的高保真音箱和多媒体音箱中使用，使用范围受到一定限制。由于带式扬声器无法还原低于200Hz的低频声音，故需要配合低音音箱使用。
四．          传统扬声器、NXT平板扬声器和带式扬声器的对比
传统电动式扬声器采用锥形或球顶形状音膜，容易产生分割振动，导致还原声音时产生失真，音圈间接驱动音膜表面的点驱动方式，加上同时受到材料物理特性和尺寸限制，使频率响应容易产生各种峰谷，很难做到在整个音频频率范围内频响特性平直，要得到全频带良好的声音重放就必须采用高、低音扬声器的组合来重放不同频带声音，存在体积大，成本上升等问题。由于传统电动扬声器经历了七十多年的发展，设计方法和制造工艺已经成熟，因此声音质量较好。
NXT平板扬声器尽管用比较低的成本实现了音膜的平面化，但由于仍然采用和传统电动扬声器近似的点驱动方式，整个平板无法同步同相振动，频率响应仍然存在峰谷，加上NXT扬声器诞生才短短几年，设计和制造上存在一些不完善的地方，因此音质表现平平，听到的声音不那么清晰、透明，缺乏细节。但由于NXT平板扬声器成本低，体积薄小，应用和发展潜力很大。
带式扬声器采用了等磁场技术，音圈直接制造在振膜表面，可以同步均匀驱动振膜发声，响应速度极快，失真和频率响应不均匀度极小，声音准确，干净，音质胜过许多传统电动扬声器，NXT平板扬声器更不是其对手。带式扬声器由于成本高，其应用受到一定限制。
表一是传统扬声器、NXT平板扬声器和带式扬声器各种项目的对比。

表一：传统扬声器、NXT平板扬声器和带式扬声器的对比
项目	传统低音	传统高音	NXT扬声器	带式扬声器
工作原理	电动式	电动式	电动式	电动式
音膜形状	锥形	球顶	平面	平面
磁钢材料	铁氧体	铁氧体或钕铁硼合金	铁氧体或钕铁硼合金	钕铁硼合金
驱动方式	点驱动	点驱动	点驱动	面驱动
频率范围	25Hz－3kHz	2kHz－30kHz	100Hz－18kHz	200Hz－150kHz
频响特性	有峰谷	有峰谷	峰谷较小	接近平直
电声效率	一般	一般	比较高	很高
声音质量	较好	较好，好	一般	很好
制造成本	一般	一般	低	高

五．平面扬声器技术未来的发展
平面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。平面扬声器技术未来的发展方向一方面在于改进现有的平面扬声器技术，另一方面是根据新型材料研制开发其他形式的平面扬声器。
带式扬声器的发展方向在于进一步拓宽频率重放范围，特别是低频重放范围，使其彻底摆脱低音音箱也能对低频进行有效重放，如果能有效降低成本，高音质的带式扬声器应用前景会十分乐观。NXT平板扬声器除要进一步拓宽频率重放范围外，对音质的改善更是关键，否则难以满足人们对高保真声音的追求。
除上述二种平面扬声器外，日本松下公司也在竭力开发压电陶瓷薄片式平面扬声器技术，采用该技术的扬声器厚度只有0.5毫米，其工作原理不是电－磁－力－声的转换，而是电－力－声的转换：当在特种陶瓷片两边施加变化的电压时，特种陶瓷发生响应的形变而振动发声。其实压电陶瓷发声器我们并不陌生，常见的有声贺卡中就采用了压电陶瓷发声器。压电陶瓷扬声器由于不再需要磁场起作用，因此结构异常简单，整个扬声器就是一块两边镀有金属膜的陶瓷片，再无其他部件，因此成本非常低廉，可靠性很高。但是要将压电陶瓷发声器发展成为压电陶瓷扬声器具有一定的技术难度，日本松下公司经过几年的努力，现已基本成功开发出第一代压电陶瓷扬声器，下一步就是如何提高它的音质水准。限于篇幅，这里不再作详细介绍，我们希望通过这篇文章让读者对目前主流的平面扬声器产品有所了解，更希望国内的厂家能认识到平面扬声器技术的广阔应用前景，加入到平面扬声器技术的研究开发中来，生产出更多品种的高质量平面扬声器。

midi键盘 · 发表于 2009-4-16 13:09:25

分享了，谢谢楼主的发布，我收藏了！

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