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声学领域

彦远科技(APEquamm Technology Co.,Ltd)使用独特的技术,在人们的音乐装置上来重建这些“声音的经历”。

我们使用材料声学,材料的新应用,类比和数位半导体音效技术,从数位媒体记录中,使这些声音重现。

由移动设备的要求小巧尺寸,带动传统的电磁线圈扬声器在过去几年内有大改善,但“1.5毫米厚度的扬声器”(参阅下文“传统线圈扬声器”),似乎是当今技术的限制。

然而,微型传统线圈扬声器的低音表现,所必需要的扬声器共鸣音箱设计,为微型传统线圈扬声器结构根本理论条件的所限制,亦妨碍设备的总厚度的缩小。

因此APEquamm扬声器采用了全新的声学概念的理论,半导体和装配技术,克服了“1.5毫米厚度的限制”,完成1.05毫米和1.25毫米产品设计,而且不需要有额外的共鸣音箱。未来产品还将嵌入如麦克风与ANC音频编解码器等功能的组件。

传统线圈扬声器

传统扬声器是用音圈推动一个尺寸固定的纸盆而发声,其自身的结构与特点决定了扬声器不能实现薄型化与小型化。其次,固定的振动盆直径,使得扬声器通频带很窄,幅频特性很差,整个频响特性具有在其机械谐振频率点上呈单峰特性,致使低失真(高保真)音箱不得不以高,中,低音扬声器用分频组合方式来实现。音圈是推动器,又是发声体的一部份,其自身的机械结构与性能产生矛盾,特别是在低失真(高保真)系统中,要实现大的动态范围,则要求功率要大,这样对音圈的机械强度要求高,线圈不得不做得结实些,但这样音圈的机械惯性增大,高频特性将大大下降,为了同时满足机械强度与高频特性的需要,音圈通常都工作在极限环境中,极易烧毁。因此,用传统扬声器设计制造的低失真(高保真)音箱体积大,成本高,可靠性差。

在外观设计美感当道的今日,所有电子产品的设计都趋向超薄型发展。家用影音设备,或可携式电子产品,对于扬声器微型化的要求皆与日俱增。为适应现代音响对音箱的宽频响,宽指向性和小型化的要求,微型或平板扬声器开始变得非常流行,并以其突出的优势展现出极为诱人的应用前景。较为典型的有NXT平板扬声器和等磁场带式扬声器,但它们都存在低频回应不足,音质差等缺点。

传统超薄细长型(夹层型)线圈扬声器的架构

以手机为主体的可携式产品,由于系统本体薄型化的结果,同样使得制造商必须在更狭窄的空间内设置扬声器。因此其系统内部可供设置扬声器的空间更形狭隘。但由于传统扬声器的磁性电路设置在振动板的下方,造成扬声器超薄化非常困难。

以往超薄化扬声器大多采用两个已经磁化后的对向磁石,形成可以避免磁性泄漏的夹层型磁性电路,以及利用平面线圈驱动的平面状振动平板等设计方式,下图是传统扬声器与细长型扬声器的断面结构比较。细长型扬声器磁性电路,设置在中央部位的平面状振动板有磁性间隙,呈上下对称状三明治结构。这种架构所配置的两颗磁石采用同极对向设置,形成相互排斥的磁场,彼此呈相互排斥的磁束,则从垂直方向(Z)变成水平方向(X)。等高线图则是磁束密度分布计算结果,图左侧是磁性电路中心,磁性空隙的中央部位振动板上下设有线圈,可以获得水平方向方向变化的磁束,以及与音圈内部流动电流呈直交的驱动力。

夹层型磁性电路若与使用相同体积的传统内磁型电路比较,前者的磁束密度非常高,因此可作高能率再生,且具备平面状振动板驱动点最佳化的特性。

应用上述超薄细长型化技术,开发外形尺寸宽16mm(毫米)×长75mm(毫米)×厚10mm(毫米)的超薄细长型扬声器(Slim Speaker),该扬声器的特性与传统直径4公分圆型扬声器相同。

下图是传统型扬声器与超薄细长型扬声器的音压频率特性的实测强度比较,测试条件是将扬声器模组固定在JIS Box,麦克风设置在待测物1公尺外,接着再施加1瓦电力进行测试。

超薄型细长化扬声器的厚度是传统扬声器的四分之三,横向宽度则降低二分之一,整体外形呈细长型,透过高刚性振动板与节模式驱动,传统扬声器的高音域的再生界限频率只有10kHz时,超薄型细长化扬声器可扩大到15kHz的宽频域。除了频域更广外,透过夹层型磁性电路的帮助,超薄型扬声器可以更有效利用磁石磁束,使其音压强度比传统扬声器提高3分贝左右。

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