一种超大功率电磁吸力推挽驱动声源的制作方法

专利名称：一种超大功率电磁吸力推挽驱动声源的制作方法
技术领域：
本发明属于声学领域，具体地说，本发明涉及一种超大功率电激励式声源。
背景技术：
传统的电激励式声源包括电动式、电磁式、压电式、磁致伸縮式等多种形式。 其缺点一是功率受限，不能产生超大功率(一般指百声瓦级以上)声发射；二是
效率较低。具体来说，如图la所示的号筒式电动式扬声器(或电动式水声换能
器、电动式气流扬声器)，由于是利用线圈在磁隙中受洛仑兹力作用下作直线运
动，带动振膜l振动而发声，其驱动力低，电一声转换效率低；另外线圈振幅不 能超出磁隙长度；线圈在大幅度振动时容易发生蹭圈(指线圈体与磁隙边沿的棱 角碰撞)而损坏，大振幅下会发生线圈散圈；线圈产生的热量不容易释放出来； 振膜太薄不可能承受大振幅；线圈的驱动力集中在膜上一条细环上，容易出现分 相振动现象而降低声辐射效率；这几方面原因决定了传统的电动扬声器的声功率 输出不可能太大。而压电式扬声器(或压电式水声换能器)由于振幅受限，不能 产生超大功率振动，而且存在大电容使得功率因数低，导致能量转换效率低，即 使采用了压电材料堆砌式也不可能产生超大功率输出。磁致伸縮式扬声器(或磁 致伸縮式水声换能器)由于振幅受限，不能产生超大功率振动，而且由于存在涡 流损耗的问题，能量转换效率低，即使采用了磁致伸縮材料堆砌式也不可能产生 超大功率输出。普通电磁扬声器俗称舌簧式，如图lb所示，它为了保持换能方 式的线性而采用了在直流偏磁状态下工作，电激励只产生微小的磁场波动来使振 膜1振动发声，虽然能量利用率高，电一声转换效率很高，但其振幅很小，声功 率小。
单磁基座式电磁吸力式扬声器采用非平衡驱动方式工作，振膜上线圈3产生 的磁场与基座线圈产生的磁场的极性交替变化，就能使振膜1上、下振动发声， 如图2所示。声音信号经过功率放大器后，分成两路信号接到振动线圈9和线圈 基座10上，其中振动线圈9信号是线圈基座信号经过全波整流得到的信号。控
制电流信号经过全波整流后接到振膜线圈上。当电流为负时，基座磁场为NrS T，振膜受斥力推动向上方振动，并且振幅越大时，电流转化成的斥力越弱，电 流和斥力的关系是开平方关系。当电流为正时，基座磁场为NrSi，振膜受吸 力拉动向下方振动，并且振幅越大时，吸力越强，电流和吸力的关系是二次方关 系。该方案存在正负极性不平衡的电一声转换现象。靠近基座的振动比离开基座 的振动效率高。当信号为零电压时，两个线圈中无电流，因而没有磁场产生，线 圈间没有吸力。因而形成了当信号为正电压时，两个线圈所产生的磁场正对面相 吸，并且由于相吸使得两个线圈的距离更接近，磁场强度增大，吸力增大，吸力 波形与控制信号波形的二次方成正比。当信号为负电压时，两个线圈所产生的磁 场正对面相斥，并且由于相斥使得两个线圈的距离被拉开，磁场强度减小，斥力 降低，按照这种方式控制两个线圈的电流，就可以产生所需要的振动。振动线圈 所受的力F与线圈基座和振膜线圈上的电流信号波形的关系如图3所示。相同幅 值下在信号的正半周时力F比负半周时力小得多，所以电一声转换效率低。
实用新型专利ZL93207777.3提到用一种电磁吸力产生振动的电磁力扬声 器，其特征在于圆锥形音膜的中央固定了一个音圈，在非导磁材料圆形平面振膜 的边沿对称地在正三角形的3个顶点放置了 3个同心绕制的空心音圈，音圈轴线 与振膜垂直，在每一个音圈的上、下方向有同磁性的永久磁场。当音膜上的这三 个线圈通电时产生与永磁场相反或相同的磁性，而受磁力作用振动发声。这种扬 声器的第一个问题在于它环形永磁体和环形导磁板并没有覆盖音膜和音圈，存在 严重的漏磁;第二个问题在于三个音圈所受的力不完全均匀时，只利用三点振动， 会使振膜出现分相振动，容易破坏振膜;第三个问题在于两个永磁体同极性相对， 没有形成闭合的磁路，很容易退磁，因而不可能产生大功率的声音输出。
美国发明专利US6570819B1提出了一种双线圈振膜式声源，可以做成扬声 器或水声换能器，特别适用于低频发声。该声源的特点在于用两个绕制参数完全 一样的平面线圈正对安装，外加铠装或保护套。当这两个线圈中通过相同的电流 时，两个线圈所产生的磁场正对面相反，因而两个音膜相吸，产生负声压。当两 个线圈中通过幅度相等，相位相反的电流时，线圈正对面所产生的磁场相同，线 圈相斥，两个音膜相斥而产生正声压。这种方案的第一个问题在于音圈的安匝数 低，不可能产生大磁力，因而不适合产生超大功率声音；第二个问题在于它是一 个偶极子声源，辐射效率低；第三个问题是所产生的声音有非线性失真严重；第
四个问题在于音膜上有线圈，容易损坏，功率不可能大。
另外，现代数字信号处理技术的发展提供了将换能器的非线性问题通过信号 的预畸变补偿处理来消除的方法，从而能够利用非线性的换能器实现在保持输出 线性的情况下产生大功率的声音输出。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够输出超大声功率，且能 量转换效率较高，采用电磁吸力推挽方式驱动的电激励式声源；并且该电激励式 声源采用数字信号处理技术的预畸变补偿处理后能够抑制非线性失真。
为实现上述发明目的，本发明提供的超大功率电磁吸力推挽驱动声源，包括
基座IO，安装于基座10内的上、下线圈9，安装在所述上、下线圈9之间空隙
处的振动单元，以及安装在基座上侧的声辐射器21;所述上、下线圈9同轴布 置，且二者绕制方向一致，上、下线圈的其它参数均一致或接近；所述声源还包
括一个控制信号处理单元，该单元包括半波整流电路8，所述半波整流电路8将
控制信号的正信号部分和负信号部分分别提供给所述上线圈和下线圈。
上述技术方案中，所述基座IO包括上、下基座磁轭11，上、下中心磁轭15， 所述上、下基座磁轭11通过中间隔磁环13固定在一起，所述上、下中心磁轭 15分别安装在上、下基座磁轭11上，且两个中心磁轭15相对布置，所述上、 下音频励磁线圈9分别缠绕在所述上、下中心磁轭15上；所述振动单元通过支 承5与所述中间隔磁环13连接。
上述技术方案中，所述中心磁轭15采用高磁导率U ，高饱和磁感应强度BS， 低顽力Hc，且高电阻率P的材料制作。
上述技术方案中，所述基座IO采用高磁导率且高电阻率的材料制作。 上述技术方案中，所述中间隔磁环13采用非导磁材料制作。 上述技术方案中，所述振动单元包括导磁振膜l,振膜基2，折环4。 上述技术方案中，所述导磁振膜1是用高导磁、低矫顽力、高弹性、高强度、 轻质量的软磁材料制作的。
上述技术方案中，所述振膜基2是用非导磁，高弹性、高强度材料制作的。 上述技术方案中，所述折环4是用高弹性的非导磁材料，如坡青铜或有机材
料一类材料制作成的同心环状波纹膜。
上述技术方案中，所述导磁振膜l也可以采用夹心结构的振膜l，该夹心结 构的振膜中间是非导磁片，非导磁片上下表面均贴有导磁膜，夹心振膜有利于增 强膜的强度并减轻膜的质量。
上述技术方案中，所述导磁振膜1也可以采用膜盒结构的振膜，该膜盒结构 的振膜中间是非导磁膜盒支架16，非导磁膜盒支架16的上下表面均贴有导磁膜。
上述技术方案中，所述导磁振膜1也可以采用带线圈盒式结构的振膜，该盒 式结构的振膜中间是非导磁膜盒支架16，非导磁膜盒支架16的上下表面均贴有 平面式导电线圈3构成的平膜。
上述技术方案中，所述喉塞22是非导磁材料制作的带有均匀分布的多道槽 的声导结构。
上述技术方案中，所述声辐射器21是喇叭或发声板。
上述技术方案中，所述中心磁轭15采用硅钢片或中频铁氧体材料制作，要 求用线性动态范围大的顺磁材料。
上述技术方案中，所述声源为电激励驱动扬声器，电激励驱动水声换能器， 或电激励驱动气流扬声器，所述电激励驱动气流扬声器的动环17由所述导磁振 膜1驱动。
上述技术方案中，所述控制信号处理单元包括半波整流电路8和退磁限流电 阻器12，退磁限流电阻器12为上、下线圈9提供退磁电流。
上述技术方案中，所述控制信号处理单元还包括预畸变补偿处理器38和功 率放大器39，该预畸变补偿处理电路对原始控制信号的无符号幅值进行预畸变 补偿，同时保持原有极性不变。
本发明具有如下技术效果
本发明采用了双电磁铁推挽驱动的振动方式，在音频信号的正半周和负半周 都产生电磁场对振膜产生吸力来推动音膜的振动，其振动幅度大，电一力能量转 换效率高，因而所产生的声音的功率大，电-声转换效率高，可设计成超大功率、 高效率的电激励声源，实现以小体积小重量产生大声功率输出。推挽式电磁吸力 驱动的超大功率声源具有一系列优点 1. 音膜上无线圈，最大声功率输出的设计不受限，能产生百声瓦级以上的超 大功率声发射，涡流损耗小，使用限流退磁减小磁滞损耗可降低非线性失真，综
合电一声效率比传统电激励扬声器高；
2. 将音频电流信号的正、负半周分开，分别驱动两个相对安装的电磁线圈， 交替地产生磁场，交替地对音膜产生吸力；
3. 利用电磁吸力实现电一力转换，磁能泄漏小，能量利用率高，效率高；
4. 音频电流经过非线性预畸变补偿环节，可保证输出声音的低失调；
5. 安装上喉塞和喇叭可形成空气中的大功率扬声器，安装振板并水密封后可 形成大功率水声换能器。用作气流扬声器的动环驱动单元可形成超大功率气流扬 声器。


图la是传统电动扬声器的结构示意图； 图lb是传统电磁扬声器的结构示意图2是单线圈励磁基座和线圈振膜式电磁力驱动扬声器原理示意图3单线圈励磁基座和线圈振膜式电磁力驱动扬声器的振膜位移与控制电 流波形的对应关系示意图4是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力扬声器结构示意图5是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力扬声器正半周信号时的磁闭合回路；
图6是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力扬声器正半周信号时振膜的振动波
形；
图7是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力扬声器负半周信号时的磁闭合回路； 图8是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力扬声器负半周信号时振膜的振动波
形；
图9是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力扬声器的振膜位移组合波形与控制 信号波形的对应关系示意图IO是推挽电磁吸力扬声器正弦波控制电流(虚线)产生的有畸变振动波 形(实线)对应关系示意图11是推挽电磁吸力扬声器正弦波经过预畸变补偿后的控制电流(虚线) 产生的无畸变振动波形(实线)对应关系示意图12是用硅钢片作软导磁体的推挽电磁吸力式扬声器原理结构示意图； 图13是用硅钢片导磁的扬声器的上半截组合示意图； 图14是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力水声换能器结构示意图； 图15是单膜低漏磁双基座推挽电磁吸力扬声器的高磁阻双层夹芯复合振膜 结构示意图16是有中心磁轭的双线圈励磁基座和夹芯复合振膜式推挽电磁吸力扬声
器原理示意图17是推挽电磁吸力扬声器双层盒式振膜与中间隔磁环组合结构示意图； 图18是推挽电磁吸力扬声器双层盒式振膜与基座磁轭配装示意图； 图19是无漏磁双线圈励磁基座和盒式振膜电磁力驱动扬声器原理示意图； 图20是无漏磁双线圈励磁基座和盒式振膜扬声器正半周信号时的磁闭合回
路；
图21是无漏磁双线圈励磁基座和盒式振膜扬声器负半周信号时的磁闭合回
路；
图22是双线圈基座的盒式振膜推挽电磁吸力扬声器的后腔穹盖、下磁路、 膜盒、上磁路装配示意图23是双线圈励磁基座磁绝缘和双钴钒片振膜推挽式电磁力驱动扬声器原 理示意图24是带音圈的盒式振摸组件示意图25是带音圈盒式振摸电磁力驱动扬声器原理示意图26是带音圈盒式振摸正半周信号时的磁闭合回路；
图27是带线圈盒式振摸负半周信号时的磁闭合回路；
图28是双线圈励磁基座磁绝缘和双钴钒片振膜推挽式调制气流扬声器原理 示意图。
图中各部件的含义为
l-振膜，2-振膜基，3-振膜上线圈，4-折环，5-支承，6-信号线接线端子， 7-引线，8-整流二极管，9-线圈，10-基座，11-基座磁轭，12-退磁限流电阻， 13-中间隔磁环，14-后腔穹盖，15-中心磁轭，16-膜盒支架，17-动环，18-定环， 19-进气口， 20-出声道，21-喇叭，22-音喉塞，23-振板，24-驱动杆，25-硅钢
片磁轭中心导磁圆板，26-硅钢片磁轭导磁圆环，27-声导槽，28-水密封橡胶， 29-永磁体，30-均压孔，31-固定螺钉，32-管形磁轭，33-线包，34-外接信号插 座，35-全波整流，36-前腔，37-后腔，38-预畸变补偿处理器，39-功率放大器。
具体实施例方式
本发明提供了一种利用电磁吸力推挽式驱动发声的超大功率声源。 本发明采用双线圈基座中间夹振膜(或振动线圈)的组合方式。将两个绕制 方向、圈数、直径和线圈其它参数完全一致的大线圈基座相对安装，中间位置安 装振膜。振膜可以是单层导磁膜，也可以是非导磁膜基的上、下两面各贴一层导 磁膜。振膜和线圈基座间有磁阻尼介质，如空气，或磁流体，起到减小非线性的 效应，在超大功率使用设计中应利用空气介质，因为虽然空气的磁导率低，但是 空气的饱和磁感应强度最高。双极性控制电流信号经功放后接到两个线圈上。两 个线圈的同名端方向相同。两个基座线圈分别接有半波整流二极管。
当控制电流信号为正信号时，正电流进入上线圈基座，而下线圈基座无电流。 下线圈基座不产生磁场，上线圈基座产生磁场(Ni-ST)，振膜被向上吸引，产 生正向振动。并且正电流越大，电流转化成的拉力效率越高，因而电一声转换效 率越高。
当控制电流信号为负信号时，负电流进入下线圈基座，而上线圈基座无电流。 上线圈基座不产生磁场，下线圈基座产生磁场(S±-NT)，振膜被向下吸引，产 生负向振动。并且负电流越大，电流转化成的拉力效率越高，因而电一声转换效 率越高。
本发明的这种控制方式能产生大振幅的声波，所产生的振动位移与控制信号 的幅值(正极性和负极性)是平方关系，并且能提高电一声转换的效率，只要事 先将播放信号的幅值开方，并且保持原有极性不变，并进行失调补偿，所产生的 振动就会与播放信号的波形是线性对应关系。
另外本发明采用双线圈基座的形式，避免了传统的单基座驱动时的吸力与斥 力不平衡而造成的振动不平衡现象。
本发明的电磁吸力式扬声器可以实现超大功率发声，第一方面是因为振膜上 没有线圈，不会出现传统电动扬声器存在的大功率时线圈被振坏的问题，第二方 面是因为振膜强度可以加大，保证了在大振幅时振膜不被振裂，第三方面是因为 磁场吸力远大于洛仑兹力，第四方面是因为采用了面受力方式，避免了传统电动 扬声器只有膜上的一条细环受力的问题。第五是即使在大振幅下向外泄漏的磁能 也很小，能量转换效率高。
与传统电动扬声器或电磁扬声器相比，除了基本的"电一磁一力"特征相同 外，本发明的电激励声源的能量转换中的一个突出优势是，只要使用了铁损足够 小的高导磁材料作为基座导磁体，音频电能通过线圈产生磁场力，在线圈基座的 导磁环的间隙中产生漏磁场，该漏磁场以面作用力方式驱动振膜，而向外泄漏的 磁能小，因而音频电能一机械能转换效率高。而传统的洛仑兹力驱动的扬声器的 音频电能一机械能的转换效率低。而与传统的电磁扬声器相比，由于没有电磁扬 声器的恒磁激励时的消磁和退磁效应，而直接用音频电流励磁，非线性效应是通 过预畸变补偿处理来解决的，所以所产生的声功率输出高。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。 实施例1
本实施例是一种单膜双基座推挽驱动的电磁吸力式扬声器，其结构如图4， 包括，上、下基座磁轭ll，上、下中心磁轭15，上、下线圈9，振膜l，中间隔 磁环13，折环4，音喉塞22，出声道20和喇叭21，以及控制信号处理电路。
本实施例中，中心磁轭15为管状，管道是声辐射通道，采用锰锌中频铁氧 体软磁材料，该类软磁体具有高磁导率(>10000H/m)、高电阻率OllOQm)、 低比重、低矫顽力(<4.3A/m)、工作频率可覆盖音频范围的特点。上、下基座磁 轭ll采用锰锌中频铁氧体软磁材料制作，上、下中心磁轭15分别安装在上、下 基座磁轭11上。上、下基座磁轭11通过中间隔磁环固13定在一起。所述振膜 1通过折环4和支承5固定在所述中间隔磁环上13。中间隔磁环13 —般用非导 磁材料(如硬铝材料)制作，该非导磁材料是为保证上、下磁路被分开，即当上 线圈9通电产生磁场时，磁通不会通过基座磁轭11连接到下磁路中心磁轭15 上，从而避免振膜l同时受到上、下两方向的力。为了保持良好的磁绝缘，中间 隔磁环13要有足够的高度，上、下基座磁轭11与中间隔磁环上13通过固定螺 钉31紧固在一起。本实施例中，折环4也由非导磁体(如坡青铜)制作。上、 下线圈9分别缠绕在上、下中心磁轭15上，所述上、下线圈9的绕制方向和线 圈参数完全一致，线圈引线7通过信号线接线端子6与线圈相接，信号线接线端 子6固定在磁轭上。保持对于相同幅度的正电流时膜片承受的上方向的磁场吸
力，与相同幅度的负电流时膜片承受的下方向的磁场吸力幅度完全一致，方向相 反。
本实施例中振膜1可以直接采用高弹性、高磁导率的材料(如钴钒片或铁钴
合金膜)制作，也可以采用在高弹性的非导磁材料振膜基2的上、下表面贴高导 磁材料的形式制成。
本实施例中，管状的上中心磁轭15通过出声道20与喇叭21连通。所述下 基座磁轭11下方还安装有后腔穹盖14，形成一个后腔37，其目的是提高低频声 辐射效率。本实施例中还可以保证在上线圈9与振膜1间的前腔36足够小，因 而前腔36对发声的影响可以忽略。
在振膜1与上线圈基座10之间的前腔36要加一个音喉塞22，前腔36应尽 量小，喉塞的作用是形成空气压縮比，提高辐射效率，喉塞与振膜1的距离要很 近，几乎就是最大振幅的距离，同时喉塞起到调节相位一致性的作用，否则喉部 的空间压縮会导致声音失真，即高频和低频声音相位不一致，输出的频率特性产 生畸变。
本实施例的控制信号处理电路包括预畸变补偿处理器38、功率放大器39、 半波整流电路8、剩磁退磁限流电路。其中，预畸变补偿处理器38的功能是对 控制信号(即播放信号)幅值进行以开方为主要内容的预处理，同时保持原有极 性(即正相或负相)不变。半波整流电路8分别将经预畸变补偿后的控制信号的 正信号部分和负信号部分输出到上、下线圈9。
本实施例还在上、下磁路控制电路中间加装了一个退磁限流电阻12，目的 是消除线圈中的剩余磁场，减少磁滞损耗。当上线圈通电产生磁场时，下磁路无 励磁电流，但是以前通电时产生的磁场还没有完全消失，这是因为导磁体存在一 定的矫顽力。为此，利用一个大限流电阻从上线圈电流中引入一个小电流，在下 基座线圈中产生一个很小的相反磁场来抵消下线圈中的剩余磁场。当下线圈通电 产生磁场时，同样利用一个大限流电阻从下线圈电流中引入一个小电流，在上基 座线圈中产生一个很小的相反磁场来抵消上线圈中的剩余磁场。
这里的退磁限流电阻12应该较大，只需要提供很小的电流给需要退磁的线 圈。另一方面，上线圈工作时对下线圈具有退磁作用，反之亦然。 在控制电流的正半周，上线圈通电产生磁场，下磁路无磁场(可能存在微弱 的剩余磁场)，磁路如图5所示，振膜被吸力拉向上方，下方剩余磁力的影响进 一步减小。向上的最大振幅受折环4约束，折环4使得振膜不会与磁铁吸死，此 时产生正向振波，振动波形与控制电流的对应关系如图6所示。在控制电流的负
半周，下线圈通电产生磁场，上磁路无磁场(可能存在微弱的剩余磁场)，磁路
如图7所示，振膜被吸力拉向下方，上方剩余磁力的影响进一步减小。向下的最 大振幅受折环4限制，折环4使得振膜不会与磁铁吸死，此时产生负向振波。振 动波形与控制电流的对应关系如图8所示。这种方式的控制使得向上和向下的振 幅都能达到极大值，即电一声转换效率最高。上、下磁路引起的振膜的上、下振 动合成的声音波形与控制电流的关系如图9所示。
由于非线性关系，正弦控制电流下输出声音波形产生了畸变，如图IO所示。 图中的虚线是控制电流的波形，实线是振膜振动产生的声音波形。将控制电流经 过开平方的预畸变补偿处理后，再控制线圈产生的磁场，就可以得到与初始控制 电流呈线性关系的声音输出。经过预畸变补偿处理后产生的声音波形与控制电流 的对应关系如图11所示。
这种电磁吸力激励扬声器的一个问题是，磁轭中存在很大的涡流损耗。为此 需釆用高电阻率的软磁材料作为磁轭。另一方面，振膜在强大振幅下的刚性和牢 固性也是非常关键的。
本发明的电磁吸力推挽驱动方式还具有散热效率高的特点。当控制电流是正 弦波时，上、下磁路分别由控制电流的正半周和负半周控制，每个磁路的产生的 热量降低到全通电时的1/8,双磁路所产生的热量降低到原来全通电时的1/4，所 以磁路产生的热量大大降低，而两个线圈分别通过结构件将各自产生的热量散发 出去。
十分明显的一点是，高频电流产生的磁场会在磁轭中产生很强的涡流，频率 越高，涡流越强。所以这种扬声器更适合产生低频声音。在使用中频硅钢片式磁 轭或中频铁氧体磁轭时，可产生15000Hz以下频率的声音，但是频率越低，效 率越高。当使用电阻率更高，磁导率也更高的磁轭材料时，所产生的声音的频率 上限会更高。
实施例2
本实施例的基本构思与实施例1 一致。为进一步提高能量利用率，本实施例 使用中频硅钢片制作中心磁轭15及基座磁轭11。中频硅钢片的涡流小，磁导率 高，片间绝缘对涡流形成了高电阻率。使用硅钢片可以使得对音频电流的涡流损 耗减小，提高总能量利用率。中频硅钢片可以在15000Hz左右频率仍只有较小 的涡流。
如图12所示，本实施例采用的是"山"形硅钢片，使用中需将硅钢片压紧 并用环氧树脂粘和后经30(TC高温固定，选择导磁性无取向的硅钢片，在"山" 形硅钢片的端口加装一个环形纯铁导磁板(即硅钢片磁轭导磁圆环26)和一个 圆形纯铁导磁板(即硅钢片磁轭中心导磁圆板25)， 二者之间有足够的宽度以产 生足够的漏磁场，并且在圆周方向对振膜产生均匀的吸力。中央纯铁导磁圆板与 "山"形硅钢片磁轭中间的导磁体契形紧密安装，环形纯铁导磁板与"山"形硅 钢片磁轭两边的导磁体契形紧密安装，形成一个圆形均匀磁场。环形导磁体与中 央圆形导磁体间的磁隙较大，磁隙的漏磁就是用来产生吸力的磁能。
由于在导磁体中心开孔会加大线圈的直径，会导致线圈重量增加和线圈电阻 增加，这些会降低扬声器的效率。所以本实施例在硅钢片导磁体外，设计了导声 槽27，因而振膜直径要比线圈(线包)直径更大，振膜上有与环形导磁体外径 一样的导磁膜。本实施例不可避免地有一个较大的前腔36，这个前腔需要在设 计使用中尽量减小。
另一方面，本实施例还需要在出声道20的出声口内安装一个音喉塞22，该 喉塞是用铝材料做成的，是具有多道槽的圆锥形声导器，目的是在保证一定的体 积压縮比的前提下使高频声音和低频声音在出声口处具有相同的初始相位，减小 对声音的频率成份的破坏，即避免染色效应的出现，并提高辐射效率。
另外，本实施例中的振膜1可以采用夹心结构，其中间为非导磁体制作的弹 性圆片，圆片上下均贴有导磁膜，夹心膜可以增加膜的强度而保持质量轻。
本实施例中的上半部分的部件的安装如图13所示。下半部分的安装与上半 部分对称。
在上半部分中，上基座IO是一个带底孔的圆盖，盖底是锥形收口状。紧贴 其下的是音喉塞，喉塞轮廓是锥形的，与基座10内底形状相配。喉塞上按照等 角度均匀分布有多道指数曲线形扩张的槽，喉塞的顶部中心收于一个尖，底部与
圆柱声导槽配接。圆柱声导槽与喉塞上的声导槽数目和宽度完全一样。其中间是 安装硅钢片磁轭和音频线圈的？L。硅钢片磁轭和音频线圈下部安装导磁板，其中 圆形导磁板以契形方式安装在硅钢片中心磁轭上，圆环形导磁板安装以契形方式 在硅钢片基座磁轭。
振膜1与折环4一起，安装在中间隔磁环13上，中间隔磁环13是用硬铝材 料制作的具有一定厚度和强度的圆环，中间隔磁环13与上、下基座10紧密安装。
实施例3
本实施例是用双线圈基座推挽电磁驱动的超大功率的水声换能器，其基本构 思与实施例1一致，与实施例1的区别是用发声板取代喇叭作为声辐射器。
如图14所示，本实施例用一个刚性驱动杆24 (也可以是管或其它形式的连 接件)将振膜1的振动引到外层，在外层发声板(即振板23)下，用橡胶(即 水密封橡胶28水密后，不需使用象空气中的扬声器那样的大喇叭就形成了水声 换能器。本实施例的水声换能器，其振幅大，功率大，工作频带宽，电—声转换 效率高。
实施例4
本实施例是用夹心式复合振膜的双线圈基座推挽电磁驱动的超大功率扬声 器，其基本构思与实施例1 一致，与实施例1的区别是使用夹心式复合振膜。
如图15所示，本实施例的振膜l的中间是非导磁的轻质高弹性材料，是为 了保证振膜有足够的强度，而又能增加下层(或上层)到上线圈(或下线圈)产 生的磁场的磁阻。避免在振膜的上、下方向同时存在相等的磁场。该复合振膜的 边沿到中心的厚度是渐变的，靠近边沿时非导磁材料的厚度很大，因而使得要将 一个线圈的磁场引到另一面时，磁阻增大一倍，以此来降低上、下磁路的串扰。 这种方式是为了保证振膜有足够的强度并且上下磁路有足够的磁阻，而基座10 与振膜1是磁闭合的。双层夹芯复合振膜的中间是高磁阻高弹性的铍青铜材料或 其它高弹性的有机材料，上、下表面是坡钼合金蒙皮，组合成复合振膜。复合振 膜具有高弹性，而且上、下表面之间不导磁。这样就可以在基座线圈中间安装管 形磁轭32来提高"电一磁"转换效率，管形磁轭32与实施例1的中心磁轭15 的功能是一样的。 使用夹芯复合振膜的双基座电磁吸力推挽扬声器如图16所示，由于上、下 两个磁路都是闭合的，无漏磁，所以上下磁路互不影响。
夹芯复合振膜上没有线圈，所以不存在引线振断的问题。同时没有线圈在狭 窄气隙中的振动，因而寿命长，该系统中只有振子本身可能存在振裂影响寿命的 问题。
实施例5
本实施例是用盒式振膜的双线圈基座推挽电磁驱动的超大功率扬声器，其基 本构思与实施例1 一致，与实施例1的区别是使用盒式振膜。
如图17所示，本实施例的盒式振膜有上、下两个相隔一定距离的高导磁膜。 盒式振膜的中间是高磁阻轻质材料支架(即膜盒支架16)，边沿是高磁阻的硬铝 材料组合成膜盒边框。盒式振膜上、下表面间不导磁。盒式振膜的两端是不导磁 的铍青铜折环4。折环4边沿固定在用铝或铜做成的中间隔磁环13上，上、下 磁路的磁轭与中间隔磁环13有一定的横向距离，使得上、下磁路间的磁绝缘良 好。合式振膜的作用是减小上、下磁路的互相串扰。但是膜盒相当于一下前腔， 对发声具有一定的消极作用。
双层盒式振膜的安装示意图如图18所示。上、下导磁膜分别与相应的基座 磁轭11配装，并处于滑动配合状态，基间的气隙很小，目的是减小漏磁。上磁 路通过上振膜实现磁路闭合，该磁路上共有二个气隙非常小的膜与基座磁轭间 的气隙，较大的膜与线圈中心的导磁材料间的气隙。膜盒与上线圈导磁板的最大 设计距离取决于要求产生的声音的最大振幅。盒式振膜下表面的导磁膜与下磁路 间也是滑动配合，有很窄的气隙，下磁路通过下振膜实现磁路闭合，该磁路上共 有二个气隙非常小的膜与基座磁轭11间的气隙，较大的膜与线圈中心的导磁
材料间的气隙。膜盒与下线圈导磁板的最大设计距离也取决于要产生的声音的最
大振幅。
安装盒式振膜的双线圈基座推挽电磁驱动的超大功率扬声器如图19所示。
当上线圈通电产生磁场时，下磁路无磁场(可能存在微弱的剩余磁场)，盒式振
膜被吸力拉向上方，如图20所示，此时下磁路断开，下方剩余磁力的影响进一 步减小。向上的最大振幅受折环4约束，此时产生正向振波，波形如图6所示。 折环4使得振膜不会与磁铁吸死。当下线圈通电产生磁场时，上磁路无磁场(可 能存在微弱的剩余磁场)，盒式振膜被吸力拉向下方，如图21所示，此时上磁路
断开，上方剩余磁力的影响进一步减小。向下的最大振幅受折环4限制，此时产 生负向振波，波形如图8所示。折环4使得振膜不会与磁铁吸死。这种方式的控 制使得向上和向下的振幅都能达到极大值，即电一声转换效率最高。盒式振膜的 双膜距离越大，上、下磁路互相影响最小，扬声器输出声音的非线性误差越小， 但是当双膜距离过大时，膜盒的牢固度和偏心扭摆将影响大功率发声，也会降低 声辐射效率。
盒式振膜的双磁路推挽驱动的扬声器的组合方式如图22所示。上磁路出口 接喇叭。喇叭喉处还要安装一个音喉塞，起到空间压縮提高辐射阻抗，并且保持 不同频率声音在出口处具有一致的相位的作用，上、下磁路外侧有接功放输出声
音信号的插座。后腔穹盖是为了提高低频声辐射效率。采用膜盒方式的最大好处 是可以没有漏磁。特别是将上、下膜嵌定在基座磁轭导磁体上，将折环4做在上 下膜片之间的中间隔磁环13上，漏磁可以接近于零。能量转换效率可以大大提 高。
实施例6
本实施例是用双支承双膜振子的双线圈基座推挽电磁驱动的超大功率扬声 器，其基本构思与实施例5—致，与实施例5的区别是使用双支承双膜振子。
如图23所示，本实施例的双膜振子是安装在双支承上的，支承5是非导磁 的弹性材料的，如橡胶，环氧树脂，铍青铜材料等。双支承保证了大振幅时系统 的稳定性。这种结构的磁路闭合效果好，双支承使得振子不容易由于偏轴而产生 扭摆，避免导致振子损坏。这种结构很适合于气流扬声器的气流调制阀的控制。
实施例7
本实施例是用带线圈盒式振摸的双恒磁基座推挽电磁驱动的超大功率扬声 器，其基本构思与实施例1 一致，与实施例1的区别是使用双恒磁基座，而在双 振膜上有两个线圈形成振膜。
如图24所示，本实施例的带线圈盒式振摸组件中，上、下振膜分别贴有一 个平膜式线圈，两个线圈分别在控制电流的正半周和负半周通电产生磁场。带线 圈盒式振摸的双恒磁基座10推挽电磁驱动的超大功率扬声器的安装如图25所 示。其中的上、下基座IO是用恒磁来实现的。控制电流经过半波整流后对振膜
上的两个线圈推挽式地驱动。
这种方式是为了消除涡流影响带来的对高频的限制，适合用来产生100声瓦 级以下声功率输出。它采用了永磁体29代替线圈电磁铁基座，可以基本上不考 虑铁损。但是振摸上的线圈引线要用软质的编织导线，并留有足够的余量。由于 需要在振膜上安装线圈，因为振膜上的线圈易振断导致寿命会下降，功率不能大， 并且由于恒磁是同极性相对安装，会出现退磁。
振膜上的线圈产生与基座磁场一致的磁性时，振膜被吸力拉向基座10。且 振膜上的导磁膜与基座10形成磁路闭合，防止了磁场泄漏。在控制电流的正半
周，上振膜上的线圈产生S J: — NT的磁场，使得盒式振膜被向上吸引，如图26
所示。同时电流经过限流电阻后到下振膜上的线圈，产生一个微弱的S i—N t 磁场，用于使下线圈退磁，并与下磁路形成相反的磁性，产生一个很小的斥力使 振膜被向上推。并且下磁路断开，下磁路的剩余磁场的影响减小。
在控制电流的负半周，下振膜上的线圈产生Ni — Sr的磁场。使得盒式振膜 被向下吸引，如图27所示。同时电流经过限流电阻后到上振膜上的线圈，产生 一个微弱的Nj: — ST磁场，用于使上线圈退磁，并与上磁路形成相反的磁性，产 生一个很小的斥力使振膜被向下推。并且上磁路断开，上磁路的剩余磁场的影响 减小。
实施例8
本实施例是双线圈磁基座的推挽驱动的超大功率气流扬声器，其基本构思与 实施例1 一致，不同之处在于用气流扬声器的调制阀取代了普通扬声器的振膜作 为发声元件。
如图28所示，本实施例的调制阀由开有相互对应的多排槽的动环17和定环 18组成，动环17套在定环18外侧。
本实施例具有上、下两个环形振膜，均采用具有足够刚性的，质量轻的导磁 材料制作，分别连接在动环的上、下两端的侧壁上。动环的上、下两端与上、下 环形振膜分别紧靠上、下励磁线包。上、下两个导磁振膜边与动环粘接，外边支 撑在上、下两个弹性支承5上，该支承5上有均压孔30，目的是消除气压对动 环的作用力，从而减小振膜的负载。气流从进气口 19进入气室，振膜在电磁吸 力作用下上、下振动，带动动环上、下振动，进而调制动环与定环的通气面积，
达到调制出气量的目的，振膜固定在弹性支承上。
双线圈磁基座的推挽驱动的超大功率气流扬声器，其振子上没有线圈和引 线，同时没有线圈在狭窄气隙中的振动，因而寿命长，该系统中只有振子本身可 能存在振裂影响寿命的问题。所以适合于^生超大声功率的输出。可做成10万 瓦到100万瓦级的气流扬声器。
在控制信号的正半周时，上基座线圈通电产生Nj: — ST的磁场，吸引振膜向
上振动。同时退磁限流电阻给下基座线圈通一个小电流消除负半周时产生的N上
—S T剩余磁场。另一方面，上线圈的磁场不会通过外壳导磁体传到下线圈。在
控制信号的负半周时，下基座线圈通电产生N T—S ±的磁场，吸引振膜向下振动。
同时抵消上基座线圈以前通电产生NT — Sj:的剩余磁场。
权利要求
1、一种超大功率电磁吸力推挽驱动声源，包括基座，安装于基座内的上、下线圈，安装在所述上、下线圈之间空隙处的振动单元，以及安装在基座上侧的声辐射器；所述上、下线圈同轴布置，且二者绕制方向一致；所述声源还包括一半波整流电路，所述半波整流电路将控制信号的正信号部分和负信号部分分别提供给所述上线圈和下线圈。
2、 按权利要求1所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述基座包 括上、下基座磁轭，上、下中心磁轭，所述上、下基座磁轭通过中间隔磁环固定 在一起，所述上、下中心磁轭分别安装在上、下基座磁轭上，且两个中心磁轭相 对布置，所述上、下线圈分别缠绕在所述上、下中心磁轭上；所述振动部件通过 支承与所述中间隔磁环连接。
3、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述中心磁 轭采用导磁材料制作。
4、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述基座磁 轭采用导磁材料制作。
5、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述中间隔 磁环釆用非导磁材料制作。
6、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述振动部 件为采用导磁材料制作的单层振膜。
7、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述振动部 件采用夹心结构的振膜，该夹心结构的振膜中间是非导磁片，非导磁片上下表面 均贴有导磁膜。
8、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述振动部 件采用膜盒结构的振膜，该膜盒结构的振膜中间是非导磁支架，非导磁支架上下 表面均贴有导磁膜。
9、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述振动部 件采用带线圈盒式结构的振膜，该盒式结构的振膜中间是非导磁支架，非导磁支 架上下表面均贴有平面式导电线圈构成的平膜。
10、 按权利要求l所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述声辐射 器是喇叭或发声板。
11、 按权利要求2所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述中心磁 轭采用中频硅钢片或中频铁氧体材料制作。
12、 按权利要求l所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，该声源可以 是气流扬声器，所述气流扬声器的动环由所述双膜振子部件驱动。
13、 按权利要求l所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，该声源可以是水声换能器，所述水声换能器的发声板通过连杆与振膜连接。
14、 按权利要求l所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，所述半波整流电路还并联有退磁电路，所述退磁电路具有限流电阻，为上、下线圈提供退磁电流。
15、 按权利要求l所述的电磁吸力推挽驱动声源，其特征在于，该声源还包 括预畸变补偿处理电路，该预畸变补偿处理电路对原始控制信号幅值进行开方， 同时保持原有极性不变。
全文摘要
本发明涉及一种超大功率电磁吸力推挽驱动声源，包括基座，安装于基座内的上、下线圈，安装在所述上、下线圈之间空隙处的振动部件，以及安装在基座上侧的声辐射器；所述上、下线圈同轴布置，且二者绕制方向一致；所述声源还包括一控制信号处理电路，该电路包括半波整流电路，所述半波整流电路将控制信号的正信号部分和负信号部分分别提供给所述上线圈和下线圈。本发明的突出特点是能产生超大声功率输出，能量转换效率较高，且能够抑制非线性失真。
文档编号H04R3/00GK101340738SQ20071011843
公开日2009年1月7日 申请日期2007年7月5日 优先权日2007年7月5日
发明者杨亦春 申请人:中国科学院声学研究所