扬声器振膜振动分析

Lili匠

在低频段，扬声器的驱动与机械系统可利用集总参数的等效电路加以模拟，信号在一维路径中通过电信号（如电压）和机械信号（如速度）进行转换。在高频段，为了描述振膜和悬挂系统的振动情况，则需要一个包含许多参数和状态变量的分布参数模型。

现代激光扫描技术能够高精确测量机械振动和振膜的几何结构。这些机械分布参数对评估机械行为、预估辐射声压输出等非常重要。
*****最佳扫描网格*****

Klippel SCN激光扫描系统提供多种扫描网格。


Explore Scan探讨扫描已经有足够高精度来预估声压输出；Detailed Scan详细扫描则可用高精度来分析振膜各处位移情况以及一些不规则振动行为；Profile Scan概要扫描所花时间最少，但是只能用来检测完全轴对称的振动，不能精确预估声压输出（如下图3.8kHz处有较大偏差）；Rectangular Scan矩形扫描一般应用于TV喇叭和微型扬声器的扫描。

SCN激光扫描分析后可以获取扬声器的机械和声学特性，帮助特定应用选择最佳换能单元，并有助于改进结构和提供备选设计方案。

*****累计加速度级*****

SCN分析软件中最重要的一个参数就是累计加速度级AAL（Accumulated Acceleration Level）。它定义为：

其中Paa(ra)为声压势能：

上式中振膜上加速度的绝对值由所有点rc在辐射面积Sc上积分得到，而其他常数和在远场参考点ra处计算声压（忽略相位信息）类似。由此看来，AAL其实描述了振膜的整体机械振动（整体能量，通过绝对值计算把负向的运动能量也计入其中）；它可比于声压级，但是绝不会小于声压级（声压级考虑了相位信息，会产生抵消效应）；在低频段，振膜做活塞运动，所有点处的相位一致，此时ALL和SPL相等，高频段后，振膜开始分割振动，各处有的点向上振动，有点向下振动，出现相位不一致情况，因而产生抵消cancellation，声压级会小于AAL。如下图：

*****模态分析*****

AAL响应曲线的峰值类似于集总参数模型中的基波共振，它们的共振频率（固有频率）相互正交，因此振膜上rc处的加速度可以构造函数来级数展开：

这样加速度为各个正交模式的总和，Ψ(rc)为各个模式特性图（即各个“去除共振能量”的共振模式图）：

H(jw)为每个振动模式的频率响应，ωi为每个振动的固有频率，ηi是每个振动模式的模态损耗因子，描述了每个振动的“能量”：ηi越大，模式共振幅值越小，反之亦然，因此反映出了所用振膜材料本身的性能。除了与频率相关，还与温度相关。一般我们用3dB带宽来确定它：

*****轴对称分解*****

大部分情况下扬声器振膜形状是圆形的，我们可以把总体振动分解成径向和周向两部分。

其中，径向上的模式传播可通过将振动(v)对角度(φ)平均得出径向速度来计算，而周向模式则为总振动量与径向振动量的差值。两个分量的SPL和AAL都能进行定量评估并在SCN软件中进行动画演示。

一般而言周向的AAL会随着频率的增加而提高，具有高振幅的周向模式将会导致显著的非线性失真，同时也会降低径向的声压级输出。另外，周向模式会产生显著的旁瓣，使得指向性指数降低。最低的周向分量发生在摇摆模式处，导致音圈擦圈。

*****诊断*****

辐射器表面有足够的振动？

分析振动得从计算累计加速度级AAL开始，低频处，AAL值和轴上SPL响应相等，这是因为此时辐射面的振动犹如刚性体，没有声抵消出现；高频处，AAL响应上会出现一些峰值，位于机械模式的固有频率处。

中高频对声压输出有益的高阶模式是弯曲波模式，此频段有足够弯曲振动（即足够AAL）并且弯曲模式密集，假若每个模式都有最佳的损耗因子，这样就能得到平滑的SPL响应。增加弯曲模式的数目，可以使用低杨氏模量的材料，可以减少锥体音盆的厚度，或者辐射器外部区域的曲率。

什么导致了频响中的峰值？

高累计加速度级AAL同时对应于SPL响应中的高峰值，这些峰值是因为其模态谐振没有足够的阻尼引起的。如Part 1中所讲，特定固有频率处的模态损耗因子ηi可以用AAL响应的3dB带宽来计算。

上图是一个使用镁制振膜材料的例子，第一个分割模式发生在8kHz附近，如果是作为低音单元使用是不受影响的；更高阶模态处由于材料的低阻尼使其机械振动的幅值很高，如果想要使用该喇叭单元的全频域，则需要额外的阻尼。上图中首个固有频率8kHz处的损耗因子小于0.01，如果想要抑制SPL响应上的峰值，那么损耗因子就必须增大数十倍。可以通过更换辐射体材料或者对辐射面采用粘滞性材料作局部被覆处理来增大阻尼。为了增加个别模式的阻尼而对辐射面进行全面被覆处理通常是不需要的，而且也是不希望的，因为额外的质量会降低单元的灵敏度。

不希望的材料特性？

SCN对振膜扫描分析后可以动画演示其各个振动模式图，它们能揭示辐射器所用材料的各向异性、不均匀性和其他特殊特性。

上图显示了使用凯夫拉Kevlar材料制作音盆的中音驱动单元的振动模式，包括振动时的相位分布图及幅值模式图。可以看出，凯夫拉材料音盆的编制结构抑制了扬声器对角线方向上的振动。

摇摆模式是否太严重？

出现在折环上的首个圆周模态将导致音盆锥体和音圈产生摇摆运动。这有可能会导致音圈在磁隙中出现碰擦现象，产生可闻的失真，甚至导致扬声器的永久性损坏。摇摆模式对于总的声压输出没有明显的贡献。侦测摇摆模式可以检查周向分量的AAL响应，如果和总AAL响应相差小于10dB，则说明出现了严重的摇摆模式。

一般像耳机或微型扬声器都没有设计定心支片来进行稳定，这类单元更易于出现摇摆模式。来自折环角度方向上的任何刚性的变化、附加引线的惯性都会激发并促使摇摆模式的产生，其在AAL幅值响应上有明显的变化，但是在辐射的声压输出中却很难侦测到。KLIPPEL提供的RMA模组能帮助侦测并解决此类问题。

什么导致非线性失真？

除了轴对称和圆周振动之外，振膜上还可能会有其它的不规则的振动，而这些振动是有限元分析法不可能预测到的。比如，质量分布的不平衡、材质密度不均匀、或在辐射体成形过程中无意导致的折痕等，都可能会产生不规则的振动。

大多数不规则振动对于总SPL和AAL的贡献都相对很小，但是这些振动在某些特殊点可能会有很大的位移，从而导致大量的非线性失真。不规则振动会在圆周分量的AAL响应上产生明显的峰，这一特征有益于我们侦测不规则振动。

参考：

• KLIPPEL线上培训 - 训练2：
  
  https://klippel.net.cn/training/attachments/training2/Training_2_Vibration_and_Radiation_Behavior_of_Loudspeakers_Membrane_cn.pdf
• KLIPPEL SCN模组介绍：
  https://klippel.net.cn/products/rd-system/modules/scn-scanning-vibrometer-system.html
• 论文：描述扬声器驱动单元振动和辐射行为的分布机械参数
  https://klippel.net.cn/fileadmin/_migrated/content_uploads/Klippel__Schlechter__Distributed_parameter.pdf