揚聲器與傳聲器

1、文章編號：1002-8684(2011)12002106ECM的相位受振膜材料影響的討論 (1東南大學(xué)物理系，江蘇 南京 210096；2：美特科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215131；3美律電子(深圳)有限公司，廣東 深圳 518109)【摘 要】著重討論了駐極體電容傳聲器(ECM)的相位受振膜材料影響的問題，唧振膜的基材在生產(chǎn)中，受生產(chǎn)過程影響而對振膜產(chǎn)生影響的分析，以及各種因素形成的應(yīng)力對駐極體電容傳聲器(ECM)相位影響的分析?！娟P(guān)鍵詞】駐極體電容傳聲器；相位；振膜材料【中圖分類號】TN641 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A The Discussion on the Influence of

2、the Material of the Diaphragm on the Phase of ECM (1Physics DeptSoutheast University，Nanjing 210096，China；2Merry Electronics(Suzhou)Company Limited，Suzhou jiangsu 2 1 5 1 3 1，China；3Merry Electronics(Shenzhen)Company Limited，Shenzhen Guangdong 5 1 8 1 09，China)【Abstract】The influence of the material

3、 of the diaphragm of the phase on the electrets condenser microphone(ECM)is fo-eused onThe discussion contains to parts，the first part is the analysis of the diaphragm influenced by the substrate of diaphragm in the production；the second part is the analysis of phase of ECM influenced by various str

4、esses.【Key ords】electret condenser microphone；phase；material of the diaphragm1 引言 隨著電聲科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，對單體電聲器件一致性的要求也越加嚴(yán)格，特別是傳聲器陣列、波形型指向傳聲器等對傳聲器相位的要求則尤為突出，因而也促使人們對傳聲器相位問題的重視。駐極體電容傳聲器(ECM)的相位是指對駐極體電容傳聲器作用的聲信號與駐極體電容傳聲器輸出的電信號之間出現(xiàn)的相位不一致現(xiàn)象。而且在同一批次生產(chǎn)的駐極體電容傳聲器中，對不同的駐極體電容傳聲器這種相位不一致現(xiàn)象又有差別，這樣就形成了以相同的聲信號作用不同的駐極體電容傳聲器

5、會出現(xiàn)不同相位的現(xiàn)象。為了討論駐極體電容傳聲器相位問題，本文著重討論駐極體電容傳聲器的相位受振膜材料影響的問題，討論分兩大部分，第一部分是振膜的基材在生產(chǎn)過程中，受生產(chǎn)過程影響而對振膜影響的分析，第二部分是各種因素形成的應(yīng)力對振膜相位影響的分析。2 生產(chǎn)過程對振膜產(chǎn)生影響的分析駐極體電容傳聲器所使用薄膜的生產(chǎn)，一般是與電容器用塑料薄膜的生產(chǎn)工藝過程類似，但使用的材質(zhì)則有所不同，常用的材質(zhì)為：PET，PP，PPS，F(xiàn)EP，PEEK等，其鍍層厚度標(biāo)準(zhǔn)是：300400 A，日本的JIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，幅度方向與長度方向上的設(shè)定膜層膜厚應(yīng)控制在一5+5的誤差范圍內(nèi)。電容器用塑料薄膜鍍膜走行速度為2504

6、00 mrain，使用這樣的走行速度并對蒸發(fā)源進(jìn)行溫度控制，這樣，若以鍍m時鍍膜材料量來說，其用量的標(biāo)準(zhǔn)是：02O3 gs(若以鍍Ni來計算則為0435-065 gs)¨1。 在薄塑料膜上進(jìn)行物理方法的表面處理時，由于在處理過程中有凝縮潛熱、離子發(fā)射、蒸發(fā)源等的輻射熱量的發(fā)出，因而使薄膜的溫度上升而產(chǎn)生熱劣化的現(xiàn)象。所謂凝縮潛熱是指在向基材表面上蒸鍍金屬時，蒸鍍金屬的原子(分子)在基材表面上由蒸汽狀態(tài)凝結(jié)為固態(tài)而放出熱量，這個熱量與金屬的汽化熱相等，由于這個熱量是透過基材而再消散的，因而會有熱量轉(zhuǎn)移存儲于基材中，這就產(chǎn)生了所謂的凝縮潛熱現(xiàn)象。由于作為基材的塑料薄膜其熱容量小，則對于耐

7、熱性能差的材料，若不采用合適的加工處理技術(shù)，則熱劣化現(xiàn)象是極為嚴(yán)重的問題。目前駐極體傳聲器所使用的薄膜，都是大型設(shè)備用連續(xù)蒸鍍方法來生產(chǎn)的，設(shè)備運轉(zhuǎn)的速度較快，若以每分鐘數(shù)十米的卷帶速度來考慮，則幾乎都是由凝縮潛熱為主要供熱源來提供熱量的，而其他的熱源，如蒸發(fā)源的輻射等因素均可忽略不計。凝縮潛熱與金屬的比重、汽化熱以及金屬層的膜厚成正比，所以，金屬的比重越大，金屬的汽化熱越大，金屬層的膜厚也越大，則其能提供的熱量就越多，另外，作為基材的塑料薄膜，若其膜厚越薄，則塑料薄膜的溫升就越顯著。 圖1是在不用冷卻滾筒冷卻下聚酯(PET)鍍燦時鍍層厚度、基材厚度、薄膜溫升的關(guān)系圖。圖中橫坐標(biāo)是鍍層厚度，縱

8、坐標(biāo)是薄膜溫升，圖中各線標(biāo)注的是基材厚度，不過，這里的供熱源只考慮凝縮潛熱，輻射熱等都忽略不計，而且薄膜的原始溫度為25。 為了防止薄膜在溫升過程中出現(xiàn)的熱損傷(熱收縮、局部皺褶、歪斜變形等)和有氣體釋放，在實際生產(chǎn)中常常引入了用冷卻滾筒等熱交換器，并讓薄膜覆蓋其上來冷卻，為使從薄膜到冷卻滾筒的熱傳導(dǎo)更好，會給薄膜施加一定的張力將薄膜拉緊，這樣，越是機(jī)械強(qiáng)度差的薄膜則因為它難以給其施加一定的張力將其拉緊，則越易產(chǎn)生永久性的歪斜和收縮，由此，則需要對薄膜的材質(zhì)、厚度進(jìn)行選擇。但是，給薄膜施加一定的張力將薄膜拉緊，也會出現(xiàn)一個新問題，即由于是在有一定溫度的條件下，進(jìn)行給其施加一定的張力將其拉緊，而

9、同時又用冷卻滾筒等熱交換器來冷卻，所以，這樣的工藝條件下獲得的薄膜則不可避免地有殘留應(yīng)力的存在。 圖2是大型連續(xù)蒸鍍方法生產(chǎn)蒸鍍金屬塑料膜的設(shè)備，圖2中右上方是一個送料滾筒，它順時針方向轉(zhuǎn)動，通過小的中間滾筒將薄膜復(fù)蓋于一個大的冷卻滾筒上，它仍以順時針方向?qū)Щ∧魉偷阶笊戏降木韼L筒上，分別位于冷卻滾筒兩側(cè)的中間滾筒還具有拉緊薄膜的作用。冷卻滾筒上半部處于預(yù)真空區(qū)，其真空度為：1010一Tort，冷卻滾筒下半部處于高真空區(qū)，其真空度為：lo10Tort，在高真空區(qū)內(nèi)有一蒸發(fā)源，它是通過電阻絲加熱或高頻感應(yīng)加熱或者用電子束的方法，使被蒸鍍金屬蒸鍍到帶基薄膜上。 對于寬幅薄膜塑料膜的金屬蒸鍍，

10、從蒸鍍專業(yè)角度而言，常見的品質(zhì)缺陷有10余種，其中較有代表性的外觀品質(zhì)缺陷有：(1)皺褶斑駁(線狀的膜斑駁)；(2)針孔；(3)擦傷等。 對塑料膜而言，無論材質(zhì)如何總會有帶狀的松弛現(xiàn)象，這樣就會出現(xiàn)膜厚不均勻，又由于出現(xiàn)松弛后，松弛部分和冷卻滾筒接觸不充分或者根本未接觸，這些區(qū)域就會溫度上升劇烈， 而熱歪斜變形和塑料膜面對冷卻滾筒的內(nèi)表面釋放出的氣體，就使塑料膜和冷卻滾筒接觸部分受到了一個“推斥力”，而又使松弛現(xiàn)象加劇擴(kuò)大，并且，這種松弛區(qū)會成為蒸鍍過程中，由蒸發(fā)源到塑料膜上的陰影區(qū)域使蒸鍍不均勻，因而形成了線狀的膜皺褶斑駁，這種現(xiàn)象是在真空中產(chǎn)生的，耐熱性差、熱變化大、延展性差的薄膜就更易產(chǎn)

11、生。 按理說由于科技的進(jìn)步，可能會做到薄膜基材基本無松弛，膜厚的厚度均勻性誤差可控制在1左右，這樣就能如同紙一樣，對于強(qiáng)度好的薄膜則可做到無皺褶斑駁了。但是，現(xiàn)實中這種塑料薄膜幾乎是完全沒有的，所以往往只能是用機(jī)械的方法力圖克服薄膜固有的缺點和外在的缺陷了。其實，它是因材質(zhì)的不同而性質(zhì)各異的，即使是同一材料、不同生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品也會存在差異，由此更可見材料本身對薄膜影響之大了。 生產(chǎn)蒸鍍金屬塑料膜是處于真空環(huán)境下進(jìn)行的，而生產(chǎn)蒸鍍金屬塑料膜的過程中，從未蒸鍍的帶基薄膜到完成蒸鍍的帶基薄膜，帶基薄膜需從常溫的大氣環(huán)境到真空環(huán)境并再回到常溫的大氣環(huán)境中，并經(jīng)受溫度由常溫到高溫再回到常溫的變化，在此過

12、程中，帶基薄膜會有怎樣的變化呢?筆者曾專程訪問過生產(chǎn)供駐極體電容傳聲器中振膜使的日本廠商，據(jù)解釋、說明在上述的生產(chǎn)過程中，會有以下變化： (1)真空中卷帶和大氣中卷帶不同，大氣中卷帶不會有空氣卷進(jìn)的問題，而真空中卷帶和由真空中出來再卷帶時會有空氣卷進(jìn)的問題，薄膜會出現(xiàn)“偏肉”(厚度不均一)現(xiàn)象。 (2)若薄膜卷體柔軟，在大氣導(dǎo)入時，由于在大氣中薄膜會回縮，嚴(yán)重時薄膜會坍塌，這樣，薄膜會受損傷以及在薄膜卷體放卷時出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。 (3)施加張力可防止回縮，但在卷進(jìn)的空氣和薄膜釋出氣體的作用下，則又會有“錯位"(薄膜與滾筒位置不對應(yīng))現(xiàn)象。 總之，由上討論可以看到，駐極體電容傳聲器中振膜材

13、料在實際生產(chǎn)中，會出現(xiàn)的問題是：(1)由于薄膜會出現(xiàn)厚度不均一的“偏肉”現(xiàn)象，則作為用于制造3 mm以下的振膜時，則更因此而使參數(shù)變化而偏離原設(shè)計指標(biāo)；(2)整筒的帶基薄膜上，無論在長度方向上或是幅度方向上，取材位置不同則其殘留應(yīng)力不同，也就是說不同的取材位置處于不同的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下。3 應(yīng)力對振膜相位影響的分析 振膜的實際制作是這樣進(jìn)行的，首先將已經(jīng)蒸鍍金屬的薄膜固定在一個150 mm的大繃膜環(huán)(治具)上，調(diào)節(jié)膜片的張力，經(jīng)蒸鍍金屬再進(jìn)行測量，其調(diào)節(jié)方法是用諧振法，即將其置于一個外聲源(揚聲器)上，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器使外聲源(揚聲器)發(fā)出聲信號，當(dāng)達(dá)到繃膜環(huán)上薄膜的諧振頻率時，薄膜的振幅最大，因而

14、輸出信號也最大，這就是其諧振頻率fo1(o)，由于諧振頻率fo1(o)己知，從常用的公式中可將己知數(shù)值代人，而計算出其張力的大小2-3。（1）式中，R為圓膜半徑；T為圓膜周邊單位長度上的張力；m為圓膜單位面積上的質(zhì)量。 調(diào)節(jié)完膜片的張力后，就將嘶mm或科nln等的黃銅圓環(huán)粘上。其過程是在黃銅圓環(huán)下表面均勻涂布環(huán)氧樹脂(或UV膠)膠層，再將其放置在已金屬化了的塑料薄膜上，該塑料薄膜已經(jīng)按要求調(diào)到一定的張力了。待環(huán)氧樹脂(或UV膠)經(jīng)熱固化(或UV照射固化)成型后割下待用，經(jīng)過駐極化后，再安裝于駐極體電容傳聲器中。 實測結(jié)果如下： 圖3是實驗實際測量fo的步驟，先準(zhǔn)備5張大膜繃緊在治具上，其中1張

15、調(diào)至400 Hz，其余4張調(diào)至600 Hz，分別經(jīng)蒸鍍金屬再進(jìn)行測量，顯然由于膜的質(zhì)量m增大而使其共振頻率下降，再分別用不同的膠水粘接，由于膠水可能會殘留而增加膜的質(zhì)量，則使膜片的共振頻率要降低一些，而不會達(dá)到400 X25 Hz和600 X 25 Hz的大小(150 mm÷6 mm=25)。 表l是治具上PPS膜fo與做成6mm振膜fo的比較，由于大繃膜環(huán)(治具)的尺寸是由150 mm，它是6mm振膜的25倍，按照上述計算公式可得6mm振膜fo應(yīng)為大繃膜環(huán)(治具) fo的25倍，但是在大繃膜環(huán)(治具)上時是尚未蒸鍍金屬，其m值要小，蒸鍍有金屬后m要增大，從上述計算公式可知，這時的f

16、o要變小，因此在10 000 Hz上下是可信的。表1 治具上PPS膜fo與做成嘶mm振膜fo的比較 從表1又可見，對于厚度為2m和4m的兩種薄膜來說，4m的薄膜受“偏肉”(厚度不均一)現(xiàn)象的影響，要比厚度為2 m的薄膜要嚴(yán)重，2 m的變化不顯著。圖4所示可以說明結(jié)果的正確性。 討論駐極體電容傳聲器的相位受振膜材料影響的問題，雖是以6mm或4mm等的駐極體電容傳聲器的振膜為首選研究對象，但討論駐極體電容傳聲器的相位受振膜材料影響的問題，還必須涉及駐極體電容傳聲器的系統(tǒng)來綜合討論。 文獻(xiàn)3給出了駐極體電容傳聲器振膜的受力模型，如圖5所示，T為圓膜周邊長度上的張力(若有預(yù)應(yīng)力，則也應(yīng)包括其中)，2R

17、為圓膜周邊長度，r為徑向，為圓膜的角度取向，在膜片受力形變時，該力對外的貢獻(xiàn)則為 F=T2R (2) 在膜片受外界聲信號的壓力P=Posint作用時，它和F的共同作用才是對膜片受力形變結(jié)果的原因。由于駐極體電容傳聲器振膜的制備，是要從整筒的帶基薄膜上取材，并按照預(yù)設(shè)的要求進(jìn)行繃緊的，所以，無論在長度方向上或是幅度方向上，取材位置不同則其殘留應(yīng)力不同，也就是說不同的取材位置處于不同的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下，這樣，預(yù)設(shè)的張力和不同的預(yù)應(yīng)力，則決定了薄膜的的諧振頻率fo1(o)，尤其是對于6mm或4mm等的小尺寸的振膜，其性能的不一致性就尤為明顯，因為不同的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)是具有隨機(jī)性的4-5。 下面對駐極體電容傳

18、聲器系統(tǒng)進(jìn)行綜合討論，文獻(xiàn)6在對ECM的振動特性的討論中指出有一種常見的討論是對整個振動系統(tǒng)進(jìn)行的，這種討論一般是以活塞模型來進(jìn)行的，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。 這個裝置是由一個活塞(質(zhì)量為m，面積為)和腔體組成，活塞由帶彈簧的剛性圓柱腔體支撐，彈簧的彈性系數(shù)為K，活塞處于平衡位置(距腔體底部距離為ho)，活塞隨外部壓力Pout變化而產(chǎn)生位移，系統(tǒng)的運動方程為m=-Kx-(Pin-Pout)a-r (3)式中，Pin為腔體內(nèi)瞬時壓力；為活塞與平衡位置間距離；r為與活塞速率有關(guān)的阻尼常數(shù)。 當(dāng)有圓頻率為的聲波作用時，這時外部瞬時壓力為 Pout =Po+Psejt (4)式中，Po為環(huán)境氣壓；p。為聲波

19、壓力。方程式中的相應(yīng)的量應(yīng)為x=Aej(t-1)Pin=Po+Bej(t-2) (5)式中，1，2分別為其初相位。 這里需特別指出的是，對于這種對整個振動系統(tǒng)進(jìn)行討論的模型，有三種圓頻率，為外加聲波的圓頻率，o為系統(tǒng)視為彈性常數(shù)為K的彈性系統(tǒng)的共振圓頻率，g為腔體本身的共振圓頻率。研究得出1，2, go及o有相應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。圖7是1與go及o的關(guān)系圖，圖中是由腔體共振圓頻率和外加聲壓及活塞幾何參數(shù)決定的一個常數(shù)。 由于為外加聲波的圓頻率及g。為腔體本身的共振圓頻率對某個系統(tǒng)及某個作用是確定的，而o為系統(tǒng)視為彈性常數(shù)為K的彈性系統(tǒng)的共振圓頻率，從本文討論中表明，它是振膜振動的特征量。同樣，2與g

20、o及o有相應(yīng)的關(guān)系。圖8是2與go, o的關(guān)系圖，圖中同圖7。 駐極體電容傳聲器(ECM)的相位是指對駐極體電容傳聲器作用的聲信號與駐極體電容傳聲器輸出的電信號之間出現(xiàn)的相位不一致現(xiàn)象。1，2則是直接與上述的兩信號的相位相關(guān)聯(lián)的4。而且從上述討論中也可見，它們都是頻率(圓頻率)的函數(shù)，對于這種相位特性也可用儀器實測，圖9是一個相位特性測試的原理圖。 聲頻信號發(fā)生器輸出的聲頻信號通過靜電激發(fā)器作用到傳聲器膜片上，傳聲器輸出電壓信號，通過測量放大器輸給相位計，并與聲頻信號發(fā)生器輸出的聲頻信號相位相比較。相位計輸出一個與兩信號的相位差成正比的直流信號，饋給電平記錄儀，由電平記錄儀控制聲頻信號發(fā)生器，

21、使之同步，自動記錄相位差隨頻率變化的曲線，從而得到傳聲器的相位特性。測量傳聲器的相位特性還有其他的方法，這里就不作介紹了6-7。 實際測量時，隨機(jī)取出6 mm的EM6015計100只，分別進(jìn)行相位測試，圖lO是實測中的相位特性測試分布圖，圖中橫坐標(biāo)是樣品號，縱坐標(biāo)是1 kHz時的相位值。圖1 1是實測時的相位隨頻率的變化圖。 由實際結(jié)果得出以下結(jié)論： (1)取樣樣品隨機(jī)，1 kHz時的相位差值分布也隨機(jī)，1 kHz時的相位差值變化的線性關(guān)系不明顯。 (2)1 kHz時的相位差值變化，能在4-15。范圍內(nèi)。 (3)相位隨頻率的變化，有周期性的正、負(fù)交替現(xiàn)象。4 小結(jié) 本文著重討論了駐極體電容傳聲器的相位受振膜材料影響的問題。 (1)由于薄膜會出現(xiàn)厚度不均一的“偏肉”現(xiàn)象，及整筒的帶基薄膜上，取材位置不同則其殘留應(yīng)力不同，也就是預(yù)應(yīng)力狀態(tài)不同，則影響了薄膜的諧振頻率fo1(o)。 (2)通過對駐極體電容傳聲器