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2010年 第34卷 第04期电声技术文章编号：1002-8684（2010）04-0025-05扬声器新动态俞锦元（广州国光电器股份有限公司，广东广州510800）【摘要】介绍了近年来国外不用纸锥盆作声辐射零件的金属盆，铍、铝、镁、鈦等几种轻金属特性，以及金属氧化后（陶瓷化）的材料特性。还介绍了轻金属合金及供锥盆使用的工程纤维特性。最后介绍一种无磁芯、无导磁夹板的钕铁硼新磁路，并进行了FEMM 1 in芯模拟，显示其B值可达1.3 T。这是一种失真甚小的Hi-Fi用磁路，可供有条件的音响发烧友参考。【关键词】通用金属；通用陶瓷；轻金属合金；工程纤维；锥盆；球顶；钕铁硼；FEMM模拟【中图分类号】TN643【文献标识码】ANew Development of LoundspeakerYU Jin-yuan（Guoguang Electric Company Ltd.，Guangzhou 510800，China）【Abstract】In recent years，some light metal cones，such as beryllium，aluminum，magnesium and titanium，notpaper are used as the sound radiation part overseas.The characteristics of light metal and the anodized metal areintroduced.The characteristics of the light metal alloy and the engineering fiber characteristics for cone applicationare described.Moreover，a kind of NdFeB new magnetic system without T yoke and top plate is introduced,whichis simulated in 2.54cm（1 in）voice coil.The simulation results show that the Bg value reaches to 1.3 T.The lowdistortion magnetic system for Hi-Fi is available for the audiophile.【Key words】common light metal；common ceramic；light metal alloy；engineering fiber；cone；dome；NdFeB；FEMM simulation1现代扬声器工程材料介绍1-2音频换能器的振膜、锥盆及膜片组件都是重要的元件。材料要求不仅要包括强度对质量的比值大，还要具有稳健性（robustness）和美观。有一些公司，例如B&W，Focal，Accuton，Genesis，Infinity以及Revel已放弃了纸和PP，赞同使用轻金属和合金，陶瓷，CVD（化学气相沉积）钻石及一些复合材料。从国防、航天、汽车和消费工业的应用和实施已经清晰地提升了音频换能器的现代工艺，但是仍有许多工作要做。下面是高音振膜模型、低频振动系统模型及适合锥盆和球顶膜的高性能材料的一些指导性讨论。目的在于确认现有的工艺、材料开发和实施即确定最好的振膜材料，以及指出未来开发的另外机会。当前，纸盆制作中，说得有点“玄乎”的配比、锥盆公式、剂量，已经渐渐有效地趋向技术创新的，可清晰表达的有机化学、结构工程以及材料科学代替了。但是，对于音频换能器有效的研究和开发以及工艺实施，专用的FEA（有限元分析）模拟和设计能力还都是基本要点。1.1锥盆和球顶膜用的通用金属Beryllium是符号为Be（铍）的化学元素，在元素周期表中原子序号为4。铍是青灰色的，坚硬、质轻、脆性的碱性金属。这种元素对植物或动物的生命的必要性或有用性现在尚不清楚。由于毒性，特别是通过吸入含铍的粉尘中毒使铍金属的应用提出了技术上的挑战。铍是地球上和宇宙中相对稀有的元素。除中东外世界各地都有铍储量。美国是当今最大的铍产品生产者而且有著名的大矿藏，特别在犹他州。全球还有几个重要的著名铍矿，据估计巴西、乌干达、俄罗斯铍储量超过地球总储量的50%。Aluminum是硼组韧性的化学元素，它的符号为Al（铝），原子序号为13。在正常情况下它不溶解于水。在地壳中铝是最丰富的金属，而且是排在氧和硅之后的全部元素中位居第三的最丰富元素。在自然界中，像自由金属一样铝也会发生化学反应。另外，还能找到与铝结合的超过270种不同的矿石。铝的主要来源 论文 LoudspeakerandMicrophonE扬 声 器 与 传 声 器輦輳讂2010年 第34卷 第04期电声技术是矾土矿。Magnesium是符号为Mg（镁）的化学元素，其原子序号为12。镁是宇宙中质量第九位最丰富的元素。它组成了约2%的地壳质量，而且是溶解于海水中的第三丰富的元素。镁离子对所有活细胞是必不可少的，而且在人类身体质量中它是第十一位最丰富元素。在自然界镁的自由元素（金属）是找不到的。曾经从镁盐来生产，但是，现在这种碱土金属主要是通过盐水电解来获得了，而且被用作合金要素，用以制造铝镁合金。Titanium钛，钛是符号为Ti的化学元素，其原子序号为22。钛相当轻，坚硬，有光泽，抗腐蚀（包括抗海水和氯），过渡金属带浅灰色。这种元素存在于许多矿藏中，原则上是金红石和钛铁矿，它们广泛分布于地壳和岩石层，而且在几乎所有的生命体、岩石、水体和土壤中都能找到Ti。轻金属的材料特性列于表1。在深度阳极氧化，轻合金表面处理或一些其他处理时这些金属就会变成金属氧化陶瓷。1.2通用陶瓷Beryllia or Beryllium Oxide（BeO）铍或氧化铍（BeO）是白色结晶的氧化物。值得注意的是，它是比其他任何非金属热传导率更高的电绝缘体。它的高熔点导致其可用作再加工。在自然界它作为白色氧化物矿而存在。历史上铍氧化物曾被称为Gl（即Be）。Alumina or Aluminum Oxide铝或氧化铝，它是一种带有化学分子式Al2O3的两性（酸与碱）氧化物。铝氧化物是一种电绝缘体但是有相对高的热传导率。铝氧化物最常见的结晶形态被称为刚玉。Magnesia or Megnesium Oxide镁或氧化镁，它是一种以方镁石存在于自然界的白色固体矿物。其所用的分子式是MgO。这是通过一个镁原子和一个氧原子之间的离子键形成的。早期，氧化镁是通过在耀眼的白光中镁带燃烧氧化，产生粉末制成的。Titania or Titanium Oxide钛或氧化钛，这是自然界中存在的钛氧化物，化学分子式TiO2。在自然界，钛存在于名为金红石、锐钛矿和板钛矿中。但是，最常见的形式是金红石，它也是最稳定的形式，锐钛矿和板钛矿遇热就会转变成金红石。氧化和从金属到陶瓷以后，材料特性的变化是十分戏剧性的，而且始终难以直接观察到。陶瓷是十分脆弱的。4种通用陶瓷的材料特性如表2所示。从表12可看出，以铝为例，陶瓷化后特性变化是非常明显的。1.3锥盆和球顶膜用的轻金属合金AlBeMet 162是62%铍和剩余为铝的金属基复合材料合金。AlBeMet 140是40%铍，其余为铝的金属基复合材料合金。Dural Aluninum杜拉铝是强度高、质量轻的合金。通常，其成分为95%铝、4%铜和1%镁。在解决了热处理和老化的条件下，机械特性会好于或等同于低碳钢。5052铝是另一种强度高、质量轻的合金，通常为97.5%铝和2.5%镁的合金。轻金属合金导致了材料特性的增强但是与所组成金属的基本特性是很直接的。美国Brush Wellman公司的产品线经理Gordon Simmons先生曾告诉作者，虽然AlBeMet140已 有 限 量 供 应，但 还 没 有 用 上AlBeMet162膜片的换能器。AlBeMet薄膜成本相比纯铍虽说只是略有降低，但铍被广泛应用于高音及高性能换能器中。一些轻金属合金典型的材料特性示于表3。表1通用轻金属材料特性密度/（kgm-3）1 8402 6991 7404 500杨氏模量E/（109Pa）3036844116声速E/姨/（ms-1）12 8325 0195 0295 077张力强度/（106Pa）24090115140泊松比v0.070.180.330.350.34热传导率/W（mK）-126021015917导电率/107（m）-12.33.72.21.8特性材料BerylliumAluminumMagnesium Titanium表3轻金属合金材料特性密度/（kgm-3）2 0712 2802 8002 680杨氏模量E/（109Pa）193158.57370声速E/姨/（ms-1）9 6548 3385 1065 110张力强度/（106Pa）276172420325泊松比v0.170.200.330.33热传导率/W（mK）-1212210147138导电率/107（m）-12.92.82.02.0特性材料AlBeMet162AlBeMet140Dural（Al/Cu/Mg）5052 Al（Al/Mg）表2通用陶瓷材料特性密度/（kgm-3）2 8503 9603 4004 000杨氏模量E/（109Pa）350370250250声速E/姨/（ms-1）11 0009 7008 6007 900张力强度/（106Pa）220300165140泊松比v0.260.220.280.27热传导率/W（mK）-128530912导电率/（m）-10000特性材料Beryllia（BeO）Alumina（Al203）Magnesia（MgO）Titania（Ti02）Loudspeaker and Microphone扬 声 器 与 传 声 器輦輴讂2010年 第34卷 第04期电声技术轻金属和轻金属合金要列出某些种类的抗腐蚀处理要求，只有钛例外，钛的抗腐蚀性是固有的。应用铍时还有一个毒性问题。表面处理的轻合金（Keronite）能隔离这种毒性，以及防止腐蚀，甚至，用陶瓷涂复应用中的磨损处也要关注。在表面处理轻合金过程中AlBeMet的氧化会产生BeO和Al2O3。这些陶瓷的特性很优良，但是，Al2O3是高密度的，其值约为4 000 kg/m3。在处理过程中氧化层的厚度必须限定和受控。在马来西亚和中国已利用Keronite处理了。AlBeMet振膜经处理后材料总的有效特性近似值列于表4。CVD钻石和CVD碳化硅是真正的尖端材料。CVD钻石/CVD碳化硅/CVD钻石三文治复合材料的开发必将导致例如23 in（1 in=2.54 cm）中音或twiddler高音用较大振膜和锥盆的实施。纯CVD钻石锥盆的成本和处理是昂贵及复杂的。但是，用这种三文治复合材料的球顶高音扬声器的价格会低于铍球顶和纯钻石膜球顶扬声器。这种三文治复合材料的声速特性除了钻石本身外，超过每种可用的材料，其中包括纯铍。作为特色，三文治结构还适当地改善了弯曲模式的阻尼。CVD材料特性如表5所示。1.4锥盆和球顶振膜用的工程纤维Carbon Fiber碳纤维主要是由极细的碳原子构成的纤维组成，它们以微小晶体纤维结合在一起，并或多或少平行排列于纤维长轴的材料。晶体排列使纤维形体产生难以置信的强度。数千条碳纤维绞合成纱线，即可单独使用也可纺织成布。碳纤维与树脂结合后还能卷绕或模压成复合材料，以提供强度/质量比高的材料。碳纤维的特性，例如，张力强度高、质量轻和热膨胀系数小使它在航天、军事以及赛车和其他竞技运动中应用非常广泛。碳纤维独特的外观还使它在美容用途方面较普及。Kevlar（Aramid）Fiber，Kevlar（芳纶）纤维是一种耐热而坚硬的合成纤维。它们已在航天和军事方面得到应用，如用作弹道导弹额定防弹衣面料以及作为无毒的石棉替代品。芳纶是芳香族聚酰胺的简称。这种纤维中的链状分子是沿着纤维轴向高度取向的，所以化学键的强度能得以利用。Zylon Fiber，Zylon是日本东洋纺（Toyobo）公司开发的一种新颖的高性能纤维。它是由聚合物（聚对苯-2和6-恶唑；P-phenylene-2，6-benzobisoxazole；PBO）的刚性棒状链分子组成。它的典型用途是人体防弹衣。Zylon HM是已考虑的下一代纤维，而且是对Kevlar的升级。Dyneema（Polyethylene）Fiber，Dyneema（聚乙烯）纤维是世界上最坚硬和最轻的纤维（按质量）。聚乙烯纤维比钢硬10倍而且比芳纶硬40%。它做的浮舟可耐化学品和水的侵蚀，展现了纤维间优良的耐磨性。聚乙烯纤维有多种应用，其中包括警用，军用防弹背心、头盔和装甲车辆、帆布、钓鱼丝、船用绳索、提升吊索、防割手套以及各种用途的防护服装。这些高性能工程纤维的材料特性列于表6。为了实施纤维锥盆或球顶振膜要用到粘合剂材料，通常要求用环氧树脂。表7列出了纤维和数脂为50%/50%成分混合的材料特性。TEPEX，层板粘结的TEPEX三文治108，208和308分别是带50%玻璃纤维，50%碳纤维或50%芳纶纤维对50%环氧树脂的蒙皮和Rohacell泡沫塑料芯构成的三文治锥盆复合材料。这些三文治锥盆典型特点是很厚，厚度约为210 mm。这种锥盆所达到的刚性，总阻尼，以及传输损耗都很杰出。Zylon-环氧树脂或密度/（kgm-3）（9%/82%/9%）2 290（9%/82%/9%）2 500杨氏模量E/Pa复合材料模数复合材料模数声速E/姨/（ms-1）10 0009 000张力强度/（106Pa）270200泊松比v0.20.2热传导率/W（mK）-1200200导电率/（m）-10（Keronite绝缘）0（Keronite绝缘）特性AlBeMet 162表面处理AlBeMet 140表面处理材料表4金属基复合材料特性密度/（kgm-3）3 5153 2103 260杨氏模量E/（109Pa）1 050466复合材料模量声速E/姨/（ms-1）17 30012 05013 000张力强度/（106Pa）750470500泊松比v0.100.210.20热传导率/W（mK）-11 800300400导电率/（m）-1 0 0 0特性CVD钻石CVD碳化硅钻石/硅/钻石材料表5CVD（Chemical Vapor Deposition化学气相沉积）材料特性表6工程纤维的材料特性密度/（kgm-3）1 8101 4701 560970杨氏模量E/（109Pa）228179280110声速E/姨/（ms-1）11 22311 03513 39710 649张力强度/（106Pa）3 8003 4505 8003 500泊松比v0.330.330.330.33热传导率/W（mK）-1 0 0 0 0导电率/（m）-1 0 0 0 0特性材料CarbonAramidZylon HM PolyethyleneLoudspeakerandMicrophonE扬 声 器 与 传 声 器輦輵讂2010年 第34卷 第04期电声技术表750%纤维-50%环氧数脂的混合材料特性密度/（kgm-3）1 6801 5101 5551 260杨氏模量E/（109Pa）1109014060声速E/姨/（ms-1）8 000 8 0009 000 7 000张力强度/（106Pa）1 8001 6002 7001 600泊松比v0.330.330.330.33热传导率/W（mK）-1 0 0 0 0导电率/（m）-1 0 0 0 0特性材料Carbon-环氧Kevlar-环氧Zylon-环氧Dyneema-环氧Dyneema-环氧树脂复合材料能够取代有刚性和质量要求的蒙皮材料。Zylon纤维能提供比碳纤维或芳纶纤维更好的性能，而Dyneema纤维则能提供减小密度，由此减轻质量（-20%）的好特性。ROHACELL是一种用于质量轻的三文治结构，带有均质材料特性的Poly-Methacryl-Imide（PMI，聚-甲基丙烯-酰亚胺）经亲和处理的坚硬的闭孔泡沫塑料。这种材料具有优良的机械特性，其中包括0.10的材料的高阻尼，在热条件下的尺寸高稳定性，良好的抗化学溶剂性以及突出的抗蠕变压缩。现在，任何密度可比的泡沫塑料产品的机械特性还没有能超越它的。Rohacell是热成形的，而且只提供片料。表8列出了适用于三文治复合锥盆和典型的环氧树脂比较的几种Rohacell等级的材料特性。请注意表8中IG表示工业级，WF表示航空级（介质温度），而XT表示高温服务级。在各个级别中列出的是最低可用密度。从28 mm厚的Rohacell 31 IG是典型的作三文治复合锥盆用的。增加的航空专用的高刚性Rohacell泡沫芯材料已经显示了一种可达到高刚性、良好阻尼以及振膜具有高传输损耗的优秀表现。B&W公司已经在扬声器工业中为公司旗下传奇性的800系列扬声器领先开发了采用碳纤维、环氧树脂以及Rohacell泡沫塑料的低音扬声器锥盆。三文治复合材料锥盆的模拟和设计比单层振膜复杂。作为有竞争力的换能器和扬声器的研发、模拟和设计三文治锥盆及球顶振膜已经变成一个很现实的问题。而现在尚没有可用的，容易模拟和设计三文治复合材料锥盆及球顶振膜的商业软件。S.M音频工程公司已经开发出有专利权的动态自然频率有限元分析（FEA）软件，该软件能够模拟各个自然频率处材料的弯曲模式形状以及在这些自然频率上 复 合 材 料 的 阻 尼 模 式。模 拟 的 举 例 已 发 表 于“VOICE COIL”杂志2006年第5期中的金属三文治复合材料锥盆讨论一文中阐明了。通过轴对称复合材料壳形有限元，包括有限元和非线性几何尺寸行为模型中的每种材料层的材料特性和厚度分析，方案容易解决。作为三文治复合材料设计以及包括底层气相沉积钻石（CVD）的实施，这是一个能确定各种最佳材料和材料层厚的强有力的工程工具。2无磁芯、无夹板磁路简析大家知道，在扬声器磁路中磁芯、导磁夹板等钢金属材料或称铁磁性材料是公认的非线性失真的源头。因为这些材料传导电和磁通两部分，而在铁磁性材料中的交流涡流就导致了集肤效应损耗，电感，磁通调制和发热。据文献2介绍，英国B&W公司生产的一款高音扬声器夹板采用了镀银夹板，用来保持钢夹板中涡流最小值，而其他大多数Hi-Fi高音扬声器则采用铜短路环，以及其他铜钢复合层等以取代磁路装配中的镀锌零件。虽然这些设计技术在减少非线性失真方面有效，但是，与无磁芯、无夹板的空气芯磁路相比，应该只能算是减少失真的初级方案而已。钢和铁材料的导磁率恰恰是不能取得线性的。空气和稀土磁体在它们各自的工作温度时对于磁通B和磁场H的关系来说是线性的。磁体和空气的直流导磁率是一个常数，空气为，而且空气的导电率为零，NdFeB磁体是很差的导体，其导电率不到钢的10%。大多数聚合物具有近似于空气的电磁材料特性。利用无铁磁性或不导电材料实施高性能高音扬声器零部件且达到一个无磁芯、无夹板的空气芯磁场环境是可能的。许多资深音响发烧友在制作自己的分频器时是很不想使用铁芯电感的。这是因为人们对铁芯电感的“饱和”及非线性问题早就耳闻目睹了。但是，在电声换能器中要取消磁芯、夹板或导磁碗却是比较困难的。关于磁体，只有两种合适类型可用于无磁芯、无夹板的空气芯：釤钴磁Sm2Co17，钕铁硼磁NdFeB。表8ROHACELL和环氧树脂特性密度/（kgm-3）3252751 550杨氏模量E/（106Pa）36751053.75声速E/姨/（ms-1）1 0611 0211 1831 555张力强度/（106Pa）1.01.62.276泊松比v0.30.30.30.3最高工作温度/（C）180205240180特性材料31 IG51 WF71 XT环氧树脂Loudspeaker and Microphone扬 声 器 与 传 声 器輦輶讂2010年 第34卷 第04期电声技术参考文献1郑典勇，徐文学，何健，等.扩声系统发展浅述J.电声技术，2009，33（9）：7-12.2王峥，陈金京.建筑声学与音响工程现代建筑中的声学设计M.北京：机械工业出版社，2007.3高玉龙.厅堂建筑音质计算机辅助设计J.电声技术，2007，31（12）：1319.4潘立超，陆文秋.扩声系统语言清析度的工程估算和修正J.电声技术，2009，33（5）：45.5OLSON H F.Acoustical Engineering M.New York：D.VanNostrand Company，1957.6杨华.浅谈线阵列扬声器及其室内应用J.电声技术，2007，31（12）：2629.7Renkus-Heinz.Iconyx engineering whitePaper EB/OL.（2006-06-17）2009-12-08.www.renkus-support/software-support/iconyx/IconyxWhitePaper.pdf.8Duran Audio.Axys_intellivox_brochure（IVXA40607）.EB/OL.（2007-03-12）2009-12-08.http：/www.duran-pdfs/downloads/brochures/AXYS_Intellivox_brochure.pdf.9EAW.DSA230i_SPECS_rev A EB/OL.（2006-03-16）2009-12-20.http：/er_Product_Info/Current_Loudspeakers/DSA230i/DSA230i_SPECS_revA.pdf.10Tannoy.QFLEX BROCHURE EB/OL.（2007-12-10）2009-12-18.http：/83.138.162.162/products/317/QFLEX%20BROCHURE%20（updated）.pdf.11Renkus-Heinz.The advantageEB/OL.（2007-11-18）2009-10-18.http：/www.renkus-keting_sales_support/brochures/brochures_pdf/The Advan-tage Low Res.pdf.责任编辑史丽丽收稿日期 2009-12-19Sm2Co17可用于室温，BHmax为（3031）MGOe，但价格太高。可用于室温的钕铁硼磁能积为（3338）MGOe，举例中用的就是N38磁。图1是进行FEMM模拟用的无磁芯、无夹板的磁路尺寸图。请注意，这是一个1 in芯的球顶高音扬声器磁路尺寸，充磁方向为推挽方式。图2为FEMM模拟得到的磁通密度分布图。在图3的局部放大图中，软件可在磁场中作线段积分，即得工作气隙中的Bg值为1.3 T。这是非常强的磁通密度。图1中磁体间隔环和后托板都是由非铁磁性与不导电材料模拟的。从图2磁路外围有明显的磁泄漏，这与铁氧体磁路情况相似。一般来说，用于多媒体扬声器的磁泄漏在1.0 cm距离上应该小于2高斯。关于FEMM的应用可以参考文献3。感谢海帆公司应正铭先生为本文提供磁液信息。参考文献1MOWRY S.An engineering materials update，part 1J.VoiceCoil，2008（12）：26-41.2MOWRY S.Almost air coreJ.Voice coil，2009（2）：28-38.3俞锦元.静磁-带式扬声器综述J.电声技术，2008（4）：1314.责任编辑史丽丽收稿日期 2009-12-26图2FEMM模拟得到的磁通密度分布图图3FEMM模拟得到的放大的磁通分布图1无磁芯、无夹板磁路尺寸19.813.312.56.04.04.01.0SNNSSNNS（单位：mm）!（上接第22页）LoudspeakerandMicrophonE扬 声 器 与 传 声 器輦輷讂