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聲學領域

彥遠科技(APEquamm Technology Co.,Ltd)使用獨特的技術,在人們的音樂裝置上來重建這些“聲音的經歷”。

我們使用材料聲學、 材料的新應用、 類比和數位半導體音效技術,從數位媒體記錄中,使這些聲音重現。

由移動設備的要求小巧尺寸,帶動傳統的電磁線圈揚聲器在過去幾年內有大改善,但“1.5毫米厚度的揚聲器”(參閱下文“傳統線圈揚聲器”),似乎是當今技術的限制。

然而,微型傳統線圈揚聲器的低音表現,所必需要的揚聲器共鳴音箱設計,為微型傳統線圈揚聲器結構根本理論條件的所限制,亦妨礙設備的總厚度的縮小。

因此APEquamm揚聲器採用了全新的聲學概念的理論、半導體和裝配技術,克服了“1.5mm厚度的限制”,完成1.05毫米和1.25毫米產品設計,而且不需要有額外的共鳴音箱。未來產品還將嵌入如麥克風與ANC音頻編解碼器等功能的組件。

傳統線圈揚聲器

傳統揚聲器是用音圈推動一個尺寸固定的紙盆而發聲,其自身的結構與特點決定了揚聲器不能實現薄型化與小型化。其次、固定的振動盆直徑,使得揚聲器通頻帶很窄,幅頻特性很差,整個頻響特性具有在其機械諧振頻率點上呈單峰特性,致使低失真(高保真)音箱不得不以高、中、低音揚聲器用分頻組合方式來實現。音圈是推動器,又是發聲體的一部份,其自身的機械結構與性能產生矛盾,特別是在低失真(高保真)系統中,要實現大的動態範圍,則要求功率要大,這樣對音圈的機械強度要求高,線圈不得不做得結實些,但這樣音圈的機械慣性增大,高頻特性將大大下降,為了同時滿足機械強度與高頻特性的需要,音圈通常都工作在極限環境中,極易燒毀。因此,用傳統揚聲器設計製造的低失真(高保真)音箱體積大、成本高、可靠性差。

在外觀設計美感當道的今日,所有電子產品的設計都趨向超薄型發展。家用影音設備,或可攜式電子產品,對於揚聲器微型化的要求皆與日俱增。為適應現代音響對音箱的寬頻響、寬指向性和小型化的要求,微型或平板揚聲器開始變得非常流行,並以其突出的優勢展現出極為誘人的應用前景。較為典型的有NXT平板揚聲器和等磁場帶式揚聲器,但它們都存在低頻回應不足、音質差等缺點。

傳統超薄細長型(夾層型)線圈揚聲器的架構

以手機為主體的可攜式產品,由於系統本體薄型化的結果,同樣使得製造商必須在更狹窄的空間內設置揚聲器。因此其系統內部可供設置揚聲器的空間更形狹隘。但由於傳統揚聲器的磁性電路設置在振動板的下方,造成揚聲器超薄化非常困難。

以往超薄化揚聲器大多採用兩個已經磁化後的對向磁石,形成可以避免磁性洩漏的夾層型磁性電路,以及利用平面線圈驅動的平面狀振動平板等設計方式,下圖是傳統揚聲器與細長型揚聲器的斷面結構比較。細長型揚聲器磁性電路,設置在中央部位的平面狀振動板有磁性間隙,呈上下對稱狀三明治結構。這種架構所配置的兩顆磁石採用同極對向設置,形成相互排斥的磁場,彼此呈相互排斥的磁束,則從垂直方向(Z)變成水平方向(X)。等高線圖則是磁束密度分布計算結果,圖左側是磁性電路中心,磁性空隙的中央部位振動板上下設有線圈,可以獲得水平方向方向變化的磁束,以及與音圈內部流動電流呈直交的驅動力。

夾層型磁性電路若與使用相同體積的傳統內磁型電路比較,前者的磁束密度非常高,因此可作高能率再生,且具備平面狀振動板驅動點最佳化的特性。

應用上述超薄細長型化技術,開發外形尺寸寬16mm(毫米)×長75mm(毫米)×厚10mm(毫米)的超薄細長型揚聲器(Slim Speaker),該揚聲器的特性與傳統直徑4公分圓型揚聲器相同。

下圖是傳統型揚聲器與超薄細長型揚聲器的音壓頻率特性的實測強度比較,測試條件是將揚聲器模組固定在JIS Box,麥克風設置在待測物1公尺外,接著再施加1瓦電力進行測試。

超薄型細長化揚聲器的厚度是傳統揚聲器的四分之三,橫向寬度則降低二分之一,整體外形呈細長型,透過高剛性振動板與節模式驅動,傳統揚聲器的高音域的再生界限頻率只有10kHz,超薄型細長化揚聲器可擴大到15kHz寬頻域。除了頻域更廣外,透過夾層型磁性電路的幫助,超薄型揚聲器可以更有效利用磁石磁束,使其音壓強度比傳統揚聲器提高3dB左右。

傳統超薄傾斜式型(三明治型)線圈揚聲器的架構

以手機為主的可攜式裝置對揚聲器的厚度需求更為嚴苛,傾斜式架構應運而生然而,傳統結構的揚聲器如果直接進行薄型化,就無法確保驅動力與振動板要求的振幅裕度,其結果造成音壓強度會急遽降低。一般認為傳統揚聲器薄型化的極限是3毫米。如要在不犧牲音壓強度的前提下實現更薄型化的揚聲器,必須開發全新的磁性電路與振動板結構。

由於夾層型磁性電路在大尺寸電視所使用的薄型揚聲器上有著極優異的性能表現,因此不少研究曾經深入探討該架構小型化的可行性。

不過,由於手機用的揚聲器必須具備更薄的外觀尺寸,採用將兩個磁性電路在Y軸厚度方向堆疊的夾層型磁性電路如果要達成如此薄型化的設計,由於磁石會變得非常薄,其結果就是造成驅動力不足、不易維持音壓強度等諸多問題。因此,研究結論認為電視用的夾層型架構無法應用在手機揚聲器上。

從水平方向作傾斜設置,便成為釜底抽薪的妙計。如下圖右側所示,藉由將磁石在水平方向上作傾斜設置,避免磁性電路在Y軸厚度方向堆疊,是一種名為斜向磁性電路(Oblique Magnetic Circuit, OMC)的特殊設計。至於在振動板部分,設計人員則開發出凹凸型振動板,除了可以確保必要的振幅裕度之外,還可實現可攜式設備用的薄型揚聲器。

斜向磁性電路是將磁石設置在中央與外側,藉此確保充分的體積。由於外側的磁石會使磁極方向變成水平方向,再與外側的軛(yoke)作磁性結合,因此斜向磁性電路可以大幅提高磁石的動作點與磁性效率。

振動板為確保充分的振幅裕度,配合磁石的設置結構,中央部位呈凸狀,外側呈凹狀,若與下圖左側傳統磁性電路比較,以往未作磁性利用的點線部位的空間可以設置磁石,因此揚聲器薄型化時振動板驅動力不足問題即可獲得徹底改善。

下圖是傳統磁性電路與斜向磁性電路內部的磁束流動特性比較,由圖可知相較於傳統方式,振動板與軛之間幾乎呈直線性磁束分布,新型斜向磁性電路的磁束則作曲線描繪。

由於斜向磁性方式的磁束流動,主要是利用在磁石表面與磁極面呈垂直的特性,即使磁性電路中央部位的磁石,與外圍部位傾斜磁石的設置,音圈位置還是可以實現與傳統方式相同的水平方向磁束,使音圈獲得很高的驅動力。

下圖是厚度都是1.5mm(毫米)的傳統揚聲器與斜向方式揚聲器,兩者的磁性電路在X軸方向時,音圈位置的磁束密度分布計算結果,由圖可知雖然兩方式的揚聲器厚度完全相同,不過磁性電路結構的差異,斜向方式揚聲器卻可以實現高磁束密度的要求。

下圖是現時的行動電話用揚聲器,與傳統揚聲器的音壓頻率特性實測結果,由圖可知厚度1.5毫米的新型行動電話揚聲器與厚度2.7毫米的傳統揚聲器的音壓強度幾乎完全相同,不過超薄型揚聲器的厚度卻只有傳統揚聲器的44%。

但這類三明治架構揚聲器厚度1.5mm(毫米)已達極限,再者此類揚聲器必要加上共鳴音箱的設計(>1,000m3) ,實際使用在移動設備中的揚聲器模塊高度,約為3.5〜4.5mm(毫米)。

 

下圖是蘋果公司(Apple Inc.)iPhone 4S和iPhone 5的揚聲器模塊(共鳴音箱),和沒有共鳴音箱的揚聲器。

參考資料:

a) https://www.ifixit.com/Guide/iPhone+4S+Speaker+Enclosure+Replacement/7287/

b) http://www.lennonbus.org/index.php?/blog/posts/how_do_speakers_work/

c) http://www.jygnt.com/bbs/board.php?bo_table=product01_kor&wr_id=20/

d) http://robertcampbelluas.edublogs.org/ferrofluid/

e) Panasonic技報 54 No.4

f) APEquamm Technology Co., Ltd 内部技術共享報告 Vol.101 No.18