影响扬声器纸质振膜动态力学性能的因素

杨 扬 王高升 许传峰 关兆云

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457;2.中国制浆造纸研究院,北京,100061;3.天津中环真美声学技术有限公司,天津,300457)

影响扬声器纸质振膜动态力学性能的因素

杨 扬1,2王高升1许传峰3关兆云1

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457;2.中国制浆造纸研究院,北京,100061;3.天津中环真美声学技术有限公司,天津,300457)

研究了不同定量、不同浆料打浆度对扬声器纸质振膜材料动态弹性模量和损耗因子的影响,并对复合纸质振膜的动态力学性能进行了研究。结果表明,随着纸张定量的增加,浆料打浆度的提高,纸张的紧度和动态弹性模量升高,损耗因子下降。纸质振膜的复合结构影响其动态力学性能,与原纸相比,干法复合导致复合纸紧度和损耗因子均升高,湿法复合使复合纸紧度降低而损耗因子升高,无论干法还是湿法复合后,复合纸的动态弹性模量变化均不明显。

纸质振膜;扬声器;动态弹性模量;损耗因子;定量;打浆;复合

振膜对扬声器的放声性能有着至关重要的作用,它决定了扬声器由力到声的转换质量。扬声器最常用的振膜是纸质振膜,又称纸盆。为了满足扬声器功率和音质的要求,振膜必须具有以下特性：①振膜的弹性模量要足够大,这就要求振膜质地坚挺,保证扬声器有较宽的频响范围,尽量减小振膜的分割振动;②材质的密度要尽可能的低,保证扬声器有较高的灵敏度;③振膜要有适当的内阻尼,内阻尼也称内摩擦,是指材料在受到不断涨落的应力后,机械能转化为热能的现象,即材料内部要有适当的吸收;④振膜要具有一定的防潮性能、湿强度性能及防霉性能[1]。

纸张是一种黏弹性材料,目前对其静态力学性能研究较多,对动态力学性能的研究较少,纸盆试样参数的检测有静态拉伸法和动态测试法,在实践中动态弹性模量比静态弹性模量更能反映材料的振动特性。本实验研究了不同纸张定量、浆料打浆度对纸质振膜动态弹性模量和损耗因子的影响,并将不同打浆度浆料抄造的纸张进行复合,研究复合成型对复合纸动态力学性能的影响。

1 实 验

1.1 原料

抄纸原料为针叶木漂白硫酸盐浆,干法复合时所用热熔胶为聚乙烯类热熔胶。

1.2 实验方法

(1)在 Valley打浆机中将浆料打至 26°SR,用抄片器抄造不同定量的纸张,在 93℃下干燥,用以研究定量对纸张动态性能的影响。

(2)用Valley打浆机将浆料打至不同的打浆度,分别进行抄纸,在 93℃下干燥,定量 150 g/m2,用以研究浆料打浆度对纸张动态性能的影响。

(3)取不同打浆度的浆料抄造成低定量的纸张,进行干法复合和湿法复合。干法复合是将干燥好的纸张用热熔胶粘合在一起,湿法复合是将成形后的湿纸页压合后再一起干燥,复合纸的定量均为150 g/m2。

1.3 测试方法

按国家标准 GB/T 451.2—2002、GB/T 451.3—2002测定纸张的定量、厚度,计算紧度。

利用德国 KL IPELL公司研制的 KL IPELL声学测试系统测定纸张动态弹性模量和损耗因子。测试纸样的宽度为 12 mm,长度 ＞50 mm,将纸样夹于设备的悬臂梁上。测定时由音频信号发生器发出不同频率的电信号,经功率放大器放大至特定工作功率,由扬声器发出不同频率的声压使纸样产生振动,激光位移传感器检测振动信号,将采集的表征位移变化的电压信号经电压放大器放大后,经 A/D转换为数字量,由计算机采集处理,根据元件的非线性位移量求得纸样的动态弹性模量和损耗因子。

2 结果与讨论

材料的动态力学行为是指材料在振动条件下,即在交变应力 (或交变应变)作用下作出的响应,而材料的静态力学行为是指材料在恒定或单调递增压力(或应变)作用下的响应。在较低应力水平 (远低于材料的屈服强度)下,动态力学性能的基本参数是指材料的动态弹性模量与阻尼[2]。对于在振动条件下使用的扬声器纸质振膜,其动态力学性能比静态力学性能更能反映实际使用条件下的性能。振膜材料的动态弹性模量和损耗因子与其音响特性有着密切的关系,理想的振膜材料要求动态弹性模量大、损耗因子适当。

2.1 定量对纸质振膜材料动态力学性能的影响

将针叶木漂白硫酸盐浆打浆至 26°SR,进行抄纸 , 定量分别为 100、125、150、175、200、225、250 g/m2,测试不同定量纸张的紧度、动态弹性模量和损耗因子,结果如图 1所示。

图1 定量对纸质振膜材料动态力学性能的影响

动态弹性模量是振膜材料发生单位形变时的应力,它表征振膜材料抵抗形变能力的大小,动态弹性模量越大,越不容易发生变形,表明振膜材料的刚度越大。振膜的动态弹性模量能保证扬声器工作时做活塞式运动,保证声音的真实性。从图 1中可以看出,纸质振膜的动态弹性模量和紧度的变化趋势相同,均随着定量的增加而增加。纸张紧度的增加说明纤维结合的紧密程度增大,纤维间彼此约束,应力不易向周围扩散,纸质振膜材料的应变减小,从而动态弹性模量升高。

损耗因子描述的是振膜材料耗散能量的能力,反映了振膜材料的阻尼性能,内阻尼相当于电路中的电阻,可以使分割振动时的共振峰减小,使输出声压频率特性平坦,防止听觉上音质劣化,损耗因子对承担中音区以下的频带振动尤其重要[3]。从图 1可看出,随着定量的增加,纸质振膜的损耗因子降低。损耗的能量主要以热量形式散失,随着紧度的增加,纤维间的结合力增加,纤维间的机械摩擦力减小,导致损耗因子下降。

综上所述,增加纸张定量可以提高纸质振膜材料的动态弹性模量,但是紧度的增加和损耗因子的降低对纸质振膜不利。因此,纸张定量是纸质振膜材料的一项重要指标,在实际生产中应该足够重视。

2.2 浆料打浆度对纸质振膜材料动态力学性能的影响

将针叶木漂白硫酸盐浆打浆至 11、18、26、33、40°SR,将不同打浆度的浆料抄纸,定量 150 g/m2,测试纸质振膜材料的紧度、动态弹性模量和损耗因子,结果如图 2所示。

图2 打浆度对纸质振膜材料动态力学性能的影响

随着浆料打浆度的增加,纸质振膜材料的紧度和动态弹性模量呈增加的趋势,损耗因子有所下降。这是因为打浆可使纤维润胀、分丝帚化,纤维之间的结合面积增加,结合更加紧密,因而动态弹性模量增加。声波进入纸张内部引起空气与纤维间的振动,造成空气与空气间、纤维间、空气与纤维间的摩擦,使振动能转化成热能而衰减,随着浆料打浆度的增加,纸质振膜材料中纤维间的空隙减少,使得上述摩擦减少,造成损耗因子的降低。这一结果与王高升等[4]的研究结果相符。

单靠打浆难以兼顾纸质振膜材料的动态弹性模量和损耗因子,本实验通过复合的方法将不同打浆度浆料抄造的纸张层合,以获得性能更佳的纸质振膜材料。

2.3 纸张复合对纸质振模材料动态力学性能的影响

将针叶木漂白硫酸盐浆打浆至 11、18、26、33、40°SR,进行抄纸。实验研究了这些纸张干法复合和湿法复合两种方式对纸质振膜材料的影响。

干法复合是将纸张用热熔胶复合,热熔胶的定量为 47 g/m2,复合纸的总定量为 150 g/m2。测试了复合纸的紧度、动态弹性模量和损耗因子,结果见表1。

湿法复合纸可归属于工程中的夹层复合材料,夹层复合材料是由强度高、动态弹性模量大的材料与中间夹一层轻而柔的材料构成,此种复合材料的特点是密度小,刚性和抗弯强度高[6]。选择打浆度 11°SR浆料抄造的纸张为湿法复合的中间层,在纸页成形器上抄造出相同定量不同打浆度的湿纸片Ⅰ、Ⅱ(11°SR),按Ⅰ+Ⅱ+Ⅰ的结构在湿态下压成一张定量为 150 g/m2的复合纸,然后进行干燥,测试湿法复合纸的紧度、动态弹性模量和损耗因子,结果见表 1。

表1 复合方式对复合纸动态力学性能的影响

2.3.1 浆料打浆度对复合纸的影响

由表 1可知,湿法复合纸以及相同打浆度的干法复合纸,动态力学性能随浆料打浆度的变化趋势与未复合的单层抄造纸张 (见图 2)相似。不同打浆度的干法复合纸,动态弹性模量和损耗因子无明显的变化规律,且损耗因子变化不大。对干法复合,不同打浆度浆料抄造的纸张复合后其紧度较相同打浆度的复合纸低,动态弹性模量和损耗因子介于两个打浆度分别复合的纸之间,如打浆度组合为 (18+33)°SR,动态弹性模量和损耗因子分别为 2.84 GPa、0.0449,介于 (18+18)°SR和 (33+33)°SR之间。

2.3.2 复合方式对动态弹性模量的影响

由表 1可以看出,与单层抄造纸张相比,干法复合纸的紧度明显增加,而湿法复合纸的紧度较低,均在 0.70 g/cm3以下;相同打浆度的纸张干法复合后其动态弹性模量与未复合的单层抄造纸相比变化不明显,因为动态弹性模量是一个结构不敏感参数,即动态弹性模量主要取决于基体的性质[5],因此动态弹性模量变化不大。干法复合纸的动态弹性模量略高于湿法复合纸的。由于干法复合是利用热熔胶加热熔融、冷却固化后产生的黏结作用,胶黏剂渗透进入纸张内部并固化后形成黏结力[6],而湿法复合仅是利用纤维间的亲和力达到互相结合的目的,因此干法复合纸的紧度、动态弹性模量高于湿法复合纸。

2.3.3 复合方式对损耗因子的影响

从表 1与图 2中可以看出,复合后纸质振膜的损耗因子均增加,未复合的单层抄造纸张除在浆料打浆度 11°SR时损耗因子高于 0.0500之外,高打浆度浆料抄造的纸张损耗因子均在 0.0400以下,而复合后纸质振膜的损耗因子最低也可达到 0.0410,而且干法复合的损耗因子大于湿法复合。

实际上,纸质振膜材料属于高聚物黏弹性体。在稳态振动时应力和应变之间存在相移,动态弹性模量是一个复数 E＊,称为复数动态弹性模量。E＊=E1+iE2,其中,实数部分 E1表征材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量,即动态弹性模量;虚数部分E2表征材料在形变过程中因黏性形变而以热能的形式损耗的能量,称为材料的动态损耗模量;E2与 E1的比值称为损耗因子[7]。热熔胶是一种聚乙烯树脂类材料,其黏性较大,经复合之后使纸张的动态损耗模量 E2增加,E2/E1值增大则损耗因子增加。由此可看出,干法复合能够在一定程度上兼顾动态弹性模量和损耗因子。湿法复合是将损耗因子不同的已成形湿纸页压合在一起,损耗因子大的中间层对材料的总体阻尼性能贡献大;还有,与纸张内部纤维间的结合相比,层间结合较疏松,消耗于纸张内部的热量较多使得湿法复合的损耗因子较大。

综合考虑,干法复合和湿法复合均能在一定程度上兼顾纸质振膜的动态弹性模量和损耗因子,提供较优越的性能。

3 结 论

3.1 随着纸张定量的增加,纸质振膜的紧度和动态弹性模量升高,损耗因子下降。

3.2 随着浆料打浆度的提高,纸质振膜的紧度和弹性模量增加,损耗因子下降。

3.3 纸质振膜的复合结构影响其动态力学性能。与未复合单层抄造纸张相比,干法复合后,复合纸的紧度和损耗因子增加;湿法复合后,复合纸的紧度降低,损耗因子升高,但是复合后的动态弹性模量变化均不明显。

[1] 周彦武.扬声器的振膜[J].视听技术,1998(7)：37.

[2] 过梅丽.高聚物与复合材料的动态力学热分析[M].北京：化学工业出版社,2002.

[3] 俞锦元.第三代振膜技术[J].电声技术,2000(8)：29.

[4] 王高升,朱 熹.扬声器纸质振膜材料的动态力学性能研究[J].中国造纸,2006,25(4)：28.

[5] 戈晓岚,许晓静.工程材料与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2007.

[6] 张运展.加工纸与特种纸[M].北京：中国轻工业出版社,2005.

[7] 郑 冀,梁 辉.材料物理性能[M].天津：天津大学出版社,2008.

(责任编辑：陈丽卿)

The Factors Influencing the Dynamic Mechanical Properties of Paper Diaphragm of the Loudspeaker

YANG Yang1,2WANG Gao-sheng1,＊XU Chuan-feng3GUAN Zhao-yun2
(1.Tianjin Key Lab of Pulp&Paper Engineering,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457;2.China National Pulp&Paper Research Institute,Beijing,100061;3.Zhonghuan Zenmay Acoustics Technology Co.,Ltd.,Tianjin,300457)
( ＊ E-mail：gs wang@tust.edu.cn)

The elastic modulu and loss factor of diaphragm are closely related to the acouse characteristic of the loudspeaker.An ideal loudspeaker diaphragm requires higher elastic modulu and proper loss factor.In this work,the influence of paper cone grammage,beating degree of the pulp used for producing paper cone,and lamination structure of paper cone on dynamic mechanical properties of the paper cone was investigated.It was found that with the beating degree and basis weight increasing the elastic modulu of paper cone increased,while the loss factor showed an opposite trend.The lamination structure had an effect on the dynamic properties of the paper cone.Compared with the base paper,dry lamination derived higher density and loss factor and wet lamination derived lower density and higher loss factor.However,there was no significant change in elastic modulu whether dry or wet lamination method was used.

paper cone;loudspeaker;elastic modulu;loss factor;grammage;beating;lamination

TS761.2

A

0254-508X(2011)04-0022-04

杨 扬女士,在读硕士研究生;主要研究方向：纸张涂布工艺技术。

2010-11-26(修改稿)

本课题得到天津市科技发展计划项目 (编号：06YFGZGX03900)资助。