一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器的制作方法

1.本发明属于扬声器设备技术领域，具体为一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器。


背景技术：

2.现有的扬声器有分为由磁场激发的：动圈扬声器、动铁扬声器，或者混合二者的；也有由电场激发的：静电式扬声器。扬声器的应用非常广泛，应用于电子电器，钟表，通讯，低压电器，电子玩具行业的相关产品中；民用、工业、军工等电子产品领域；应用于家庭影院，多媒体音响，笔记本电脑，游戏机，蓝牙等各方面。
3.现有技术中，对于磁场驱动的扬声器，它的工作原理是让电流通过线圈产生磁场，利用这个激励出来的磁场和扬声器原有的磁场(磁铁)作用产生振动，它是最常用的扬声器。电磁式扬声器大致分为以下三个主要部分：
4.动力系统：包括音圈也就是电线圈，线圈通常同振动系统固定在一起，通过振膜将线圈的振动转换成声音信号。
5.振动系统：包括音膜，也就是喇叭膜片、振膜。振膜可以由各种材料构成，可以说振膜的材料、制作工艺在很大程度上决定了扬声器的发声质量。按照制作材料不同，可以将振膜分为以下几种：纸盆：纸盆的成本较低，而且还可以和其它纤维混合起来制作成混合型振膜，它是应用最多的振膜材料。陶瓷：重低音效果较好。羊毛：在纸浆中混合进羊毛制作而成，低音效果不佳。聚丙烯：成本较高。金属：多用于高音球顶喇叭。木质：声音温暖，较适合听人声或古典。
6.支撑系统：包括盆架等磁铁，按照其磁铁安装方式不同分为：外磁式：让音圈包著磁铁，所以音圈尺寸要大于磁铁。外音圈尺寸提升，与振膜接触面积也更大，动态也就更好。加大尺寸的音圈，还具备更高的散热效率。内磁式：音圈做在磁铁内部，所以音圈尺寸较小得多。
7.传统的磁场驱动的扬声器要么是动圈式扬声器，即音圈振动引起振膜发声；要么是动铁式扬声器，即永磁体振动引起振膜发声，无论怎样，发声区域都是被统一控制。振膜的种类也非常多：纸盆、陶瓷、羊毛、聚丙烯、木制品，但都各有不足。
8.电场驱动的扬声器就是静电式扬声器，它是利用带电薄膜在电场下振动发声的，静电式扬声器一般体积比较庞大，需要的功率也比较大，因此价格比较高。但随着社会经济生活的发展，市场对扬声器的要求是体积更小、声音更大、频率特性更多样、听觉效果更好、更节约能源，而现有技术的扬声器都是基于振动力和磁场的线性关系，无法进一步满足市场不断发展的需求。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，引入一个由永磁铁提供的初始强场，让磁性膜受到的磁场力与线圈产生的磁场呈非
线性关系，磁性膜振动发声，强场的初始耦合与线圈产生的场产生一个相互作用能，提高了能量转换效率，以解决上述背景技术中提出的问题。
10.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，其特征在于，包括线圈阵列、垫片、磁性膜、磁铁阵列以及控制器，所述线圈阵列和垫片设置有两个，分别设置在磁性膜两侧，所述线圈阵列与磁性膜之间通过垫片进行贴合，所述磁铁阵列位于其中一个线圈阵列的一侧表面上，所述磁铁阵列与线圈阵列一侧的表面进行贴合，所述磁铁阵列中固定的磁铁单元为永磁体，所述控制器与线圈阵列进行电连接。
11.进一步，所述线圈阵列、垫片、磁性膜、磁铁阵列对应的贴合在一起，形成按阵列形状排列布局的多个扬声器单元，所述每个扬声器单元对应地包括两个线圈单元、两个垫片单元、一个磁性膜单元、一个磁铁单元。
12.进一步，所述线圈单元的形状包括单层式、多层式、密绕式、间绕式、脱胎式、蜂房式以及乱绕式，所述线圈单元材质为铜、银、金或合金的金属导体。
13.进一步，所述磁性膜选用磁导率为定值或者磁导率随磁场变化的功能复合型膜，功能复合型膜选用磁性颗粒混合在pe或pvc膜中制成的复合膜，或选用将磁性颗粒利用粘合剂粘附在pe或pvc膜表面的复合膜。
14.进一步，所述磁性膜上的磁性颗粒利用粘合剂粘附在pe或pvc膜表面时，其磁性颗粒和粘合剂可以组合构成各种图案在pe或pvc膜表面，图案为双面设计或单面设计，所述图案按照扬声器的共振频率要求进行设计。
15.进一步，所述控制器与每一个线圈单元电连接。
16.进一步，所述磁性膜的刚度和涂层厚度按照扬声器的张力系数以及面质量密度要求进行设计，通过移动共振频率点来控制频谱。
17.进一步，所述垫片的材质选用不导磁的纸张、亚克力板、pet膜材料，所述垫片的形状为圆环、栅格状、放射状的其中一种。
18.进一步，所述磁铁单元的形状为圆柱形、马蹄形、条形、u形、纽扣形、环形、棒形的其中一种。
19.进一步，所述磁铁与磁性膜的位置包括以下三种：磁铁位于线圈与磁性膜中间、位于线圈的另一侧、位于磁性膜的上面或下面。
20.与现有技术相比，本发明提供了一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，具备以下有益效果：
21.1、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，声音响度相比于其他直接线圈磁场激发磁性膜振动的扬声器大很多。
22.2、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，能量转换效率相比于其他直接线圈磁场激发磁性膜振动的扬声器高很多。
23.3、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，振动模式更加多样，能够通过控制系统控制产生出更好的振动情况，产生更好的声音效果。
24.4、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，可以按照设计要求做成不同尺寸的扬声器，并且轻便，应用范围更加广。
25.5、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，振动系统是磁性膜，磁场引起
的振动膜片是通过在聚合物薄膜上涂覆磁性物质来设计和制造的，这种膜片在交替的磁场下表现出良好的振动特性和频率响应。
26.6、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，磁性膜片的频率响应主要取决于薄膜的刚度，磁性颗粒尺寸以及涂层厚度，可以涂覆在薄膜表面的振动图案会引起的局部场强从而主导了振动特性。
附图说明
27.图1为本发明提出的一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器的对比结构示意图；
28.图1(a)为未设置磁体阵列的扬声器结构；
29.图1(b)为设置磁铁阵列的扬声器结构；
30.图2为本发明提出的一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器的一个扬声器单元的结构示意图；
31.图3为本发明提出的一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器的磁性膜的图案形状示意图；
32.图4为本发明提出的一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器的声强对比数据图；
33.图5为本发明提出的一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器的运行温度对比数据图。
34.图中：1、线圈阵列；2、垫片；3、磁性膜；4、磁铁阵列；5、控制器；11线圈单元；21、垫片单元；31、磁性膜单元；41、磁铁单元。
具体实施方式
35.下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例一：
37.一种基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，包括线圈阵列1、垫片2、磁性膜3、磁铁阵列4以及控制器5，如图1所示，所述线圈阵列1和垫片阵列2设置有两个，分别设置在磁性膜3两侧，所述线圈阵列1与磁性膜3之间通过垫片2进行贴合，所述磁铁阵列4位于其中一个线圈1的一侧表面上，所述磁铁阵列4与线圈阵列1一侧的表面进行贴合，所述线圈阵列1为两块用印刷电路板制作的螺旋式的平面线圈1，所述磁铁4选用永磁体。
38.如图1所示，图1(a)为没有安装磁铁阵列4的扬声器，图1(b)为安装有磁铁阵列4的扬声器，所述磁铁阵列4利用磁铁盖板对永磁体进行固定，也可以选用pmma开孔，在孔中插入的永磁体进行固定，所述控制器5与线圈阵列1进行电连接，控制器5用于同时控制所有线圈阵列1的电流以及电压的两种电信号。
39.如图2所示，所述线圈阵列1、垫片2、磁性膜3、磁铁阵列4对应的贴合在一起，形成按阵列形状排列布局的多个扬声器单元，所述每个扬声器单元对应地包括两个线圈单元
11、两个垫片单元21、一个磁性膜单元31、一个磁铁单元41。
40.所述控制器5可以与每一个线圈单元11电连接，独立控制每一个线圈单元11的磁场情况，而每一个线圈单元11会对应一个磁铁单元41、一个磁性膜单元31，不同的磁铁单元41和磁性膜单元31会让磁性膜3的预张力不同，并且磁性膜3可以通过改变其面质量密度、振动半径，达到改变共振频率的效果，所述控制器5与外部的感应器进行电性连接。
41.其中，所述线圈单元11的形状可以选择单层、多层、蜂房式、密绕式、间绕式、脱胎式、蜂房式以及乱绕式，所述线圈单元11材质为铜、银、金或合金的金属导体，本实施例中，我们选择多层形状的线圈组成的线圈单元11，线圈11的材质选用铜导线，线圈单元11的构成方式为线圈进行多次叠加，直至叠加成多层形状，多个线圈单元11组成一个线圈阵列1，多个线圈单元11之间可串联、并联或独自接线。
42.其中，所述的线圈阵列1的形式可以是任意形式的，比如说方形排列、圆形排列、正六边形等，本实施例中，我们选择正方形排列的线圈阵列1形式。
43.其中，所述垫片2的材质可以选用不导磁的纸张、亚克力板、pet膜材料，所述垫片2的形状为圆环、栅格状、放射状的其中一种，也可以和磁性颗粒和粘合剂绘制的图案的一致，所述垫片2厚度是可调的。本实施例中，我们选择不导磁的纸张作为垫片2的材质，选择厚度为0.1mm的纸张，所述垫片2的形状选择圆环。
44.其中，所述磁性膜3选用磁导率为定值或者磁导率随磁场变化的功能复合型膜，功能复合型膜选用磁性颗粒混合在pe或pvc膜中制成的复合膜，或选用将磁性颗粒利用粘合剂粘附在pe或pvc膜表面的复合膜。当所述磁性膜3上的磁性颗粒利用粘合剂粘附在pe或pvc膜表面时，其磁性颗粒和粘合剂可以组合构成各种图案在pe或pvc膜表面，图案为双面设计或单面设计。所述磁性膜3的图案按照扬声器的共振频率要求进行设计，所述磁性膜3的刚度和涂层厚度按照扬声器的张力系数以及面质量密度要求进行设计，通过移动共振频率点来控制频谱。本实施例中，我们选用将磁性颗粒利用粘合剂粘附在pe膜表面的复合膜，图案为双面设计，所述磁性膜3选用如图3所示的三种图案形状中的其中一种。
45.其中，所述磁铁单元41的形状为圆柱形、马蹄形、条形、u形、纽扣形、环形、棒形的其中一种，所述磁铁阵列4可位于磁性膜3的任意位置，包括以下三种位置：位于线圈阵列1与磁性膜3中间、位于线圈阵列1的另一侧、位于磁性膜3的上面或下面，磁铁单元41的磁性是任意的，磁铁41的个数是任意的，可以是一个也可以是多个。本实施例中，我们选择磁铁阵列4位于磁性膜3的一侧表面，磁铁单元41数量选择为25个。
46.应用上述实施例的基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，与没有安装磁铁单元41的扬声器进行分析和数据对比，在没有永磁体的扬声器中，磁膜将不会受到磁场力的作用。上述实施例一的基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，磁性膜3将被磁铁阵列4上的永磁体磁化并达到新的平衡状态，其中磁场为b0，b是膜受到的总的磁场强度，有永磁体的情况下b＝b0 b
coil
,没有永磁体的情况下b＝b
coil
，平衡磁性膜3在该位置处接收到的磁场力等于其张力，具体公式如以下所示：μr是磁性膜的相对磁导率；μ0是真空磁导率；
47.其中，磁性膜3所受到的磁力为：
[0048][0049]
因此，对于没有永磁体的扬声器，由励磁场b
coil
产生的力为：
[0050][0051]
对于具有永磁体的扬声器，由励磁场b
coil
产生的力为：
[0052][0053]
因此，我们可以得出力变化因子q：
[0054][0055]
根据我们的测量，磁场b0的大小约为2000高斯，它无法磁化磁性膜3以达到其饱和磁化强度，而励磁磁场b
coil
的大小约为12高斯。也就是说，在相同的激励场下，永磁体将磁场力从平面线圈b
coil
放大了近400倍，测量中声强的差异大于40db，因此，永磁体用作力放大器。来自永磁体的磁场直接放大了振动力，然后更大的振动力作用在空气上以产生更高的声强。如图4所示，利用型号为ar854的声强计，我们通过实验测试了整个线圈阵列，带有永磁体的扬声器的声音强度水平明显大于没有永磁体的扬声器的声音强度水平。
[0056]
为了表征这两个系统的能量转换效率，我们对带有永磁体和没有永磁体的扬声器都输入相同的电压和电流。我们使用型号为thermovision a40的红外摄像机来监视两个系统的热量生成。在一段时间内运行1000hz后，它们的温度分布被绘制并绘制在图5中。我们可以观察到，当没有电流通过线圈，即没有激发场时，没有线圈交变磁场，如图5-(a)和(e)，它们的温度均为室温；当有激发场时，没有永磁体的系统会严重发热，如图5-(a-d)，这意味着在没有永磁体的系统中，能量转换效率很低，并且大部分输入能量以热量的形式散发。相比之下，具有永磁体的系统产生的热量低得多，如图5-(e-h)，从而导致温度分布低得多，并实现了更高的能量转换效率。
[0057]
以上实施例的试验结果表明：
[0058]
1、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，声音强度相比于其他直接线圈磁场激发磁性膜振动的扬声器大很多。
[0059]
2、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，能量转换效率相比于其他直接线圈磁场激发磁性膜振动的扬声器高很多。
[0060]
3、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，振动模式更加多样，能够通过控制系统控制产生出更好的振动情况，产生更好的声音效果。
[0061]
4、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，可以按照设计要求做成不同尺寸的扬声器，并且轻便，应用范围更加广。
[0062]
5、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，振动系统是磁性膜3，磁场引起的振动膜片是通过在聚合物薄膜上涂覆磁性物质来设计和制造的，这种膜片在交替的磁场下表现出良好的振动特性和频率响应。
[0063]
6、该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，磁性膜3的频率响应主要取决于薄膜的刚度，磁性颗粒尺寸以及涂层厚度，可以涂覆在薄膜表面的振动图案会引起的局部场强从而主导了振动特性。
[0064]
综上所述，该基于振动力与磁场非线性耦合的新型扬声器，声音响度好，能量利用率高，并且磁性膜3也具有良好的振动特性和频率响应，从而有着很好的实用性。
[0065]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0066]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。