解决声音失真问题的新型耳机扬声器结构设计

摘要：为解决耳机声音失真问题，对耳机扬声器进行了创新设计。新装置主要简化了喇叭支架、磁路系统以及振动系统三部分的内部结构，以降低磁性损耗，保证原声的高品质输出。

关键词：失真;耳机扬声器;结构设计

0 引言

耳机作为典型的电声能量转换装置，能将声音在更小的空穴中进行传递。耳机使用过程中，对捕捉到的音源信号进行外放，容易导致原有音频信号的波形、频率等出现变化，导致耳机声音失真。为尽可能消除耳机的声音失真问题，提高人们的听觉体验，本文对耳机扬声器进行了创新设计，力求做到原声的高品质输出。

1 耳机扬声器概述

对于音响系统而言，其喇叭或扬声器的设计意图是将声能传递到多维空间，让不同空间的受众都能接收到声音。在一些场合，扬声器不能随意外放声音，因而需要使用耳机。耳机中存在扬声器装置，但与传统的音响系统扬声器不同，耳机的设计功能是力求在小型空间内传递声音。常规耳机的工作频率主要集中在20～20 000 Hz，这一区间是人耳听觉可接受的范围，而现有的声学频率范围可从次声波频率扩展到特超声波频率，前者可低至0.1 Hz，后者可高达上千兆赫兹，因此，人的听觉可接受频率段事实上十分狭窄。耳机扬声器作为耳机的发声元件，在改进设计过程中，可视为在等效抗性网络环境中思考解决人耳可接受的高低频率变化和控制问题。通常在技术层面看，耳机及扬声器的设计要结合机、电、声不同系统进行分析，综合考量不同要素，这在一定程度上受到设计者思维的影响。耳机扬声器对音效的控制主要考察设计者对磁回路系统的设计能力。

2 耳机扬声器设计

2.1    耳机扬声器的基本结构组成

图1为本文所设计的耳机扬声器装置的立体分解图，耳机扬聲器装置主要由喇叭支架、磁路系统、振动系统构成。

从图1可知，本文设计的耳机扬声器主要结构除了喇叭支架、磁路系统和振动系统以外，还包括屏蔽组和磁性件、U杯、阻尼片与开口以及电路板等结构元件。3个主要结构作为3个小型系统，各自结构又可作进一步细分。图1中从元件6外侧按中线A-A可作剖视图，如图2所示。

综合图1、图2可知，系统1中的通孔11是为磁路系统的结构而布置。挡环结构的设计位置在音膜端部，可阻止系统2的磁性件向音膜移动。U杯的设计固定在音膜背面端部，开口腔元件的底腔壁主要用于固定第二屏蔽组和磁性件。系统2的内外磁环相互套嵌，保持同一轴线，两环间留有间隙，因两环均带磁性且磁极相反，在间隙间存在均匀分布的径向磁力线。内外磁环结构均有多个对应内外磁性单元，数量上一一对应，截面形态上多为矩形或扇形，各单元首尾互连自成体系，内外磁性单元各有一套完整的内外磁性端，其中内磁性单元的磁性端为第二序列，外磁性单元的磁性端为第一序列。屏蔽组和磁性件的结构设置与内外磁环的断面固定，组成了具有封闭性的环形磁路。

2.2    耳机扬声器的具体设计思路

2.2.1    1系元件设计

耳机扬声器的磁路系统在充磁感应下将同时对内外磁环实施充磁，让内外磁环的间隙出现大量磁力线，呈径向分布，由于外磁环内面与内磁环外面之间存在磁性相反的磁极，两个相对面保持平行，均与两磁环的轴线呈平行关系，因此间隙中的磁力线均匀对称分布，方向均由环体指向环形中心，产生了典型的环形磁场。

2.2.2    3系元件设计

音圈的两端均与特定元件保持固定连接，一侧为音膜元件，一侧为线圈元件。音圈在均匀对称的磁场影响下仅受轴向作用力，从而带动音膜保持必要的振动，对扬声器对外传输的音频信号的高保真输出效果进行了优化。线圈主要指的是在音圈一侧外围壁存在的绕圈导线，主要作用在于将耳机所连通接收到的电子音频信号与存在间隙中的径向环形磁场相互作用，形成典型的电磁感应物理现象，按照著名的左手定则原理，存在磁场的环境中，电流的流动将会在沿着内外磁环轴线的方向产生作用力，该力的幅度不确定，但可发挥驱动作用，驱动线圈在间隙磁场中做往复线性运动，能够降低或缓解耳机扬声器的振动系统所呈现的分割振动，使得电子音频信号顺利转换为声音信号。

音膜的设计从材质上看，建议采用新型高分子材料，如PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PEI（聚醚酰亚胺）、PAR（聚芳基酸酯）、PEEK（聚醚醚酮）等，并制作成单层薄膜，与镀钛层复合，从而更好地提升音膜刚性，达到延展高频的效果。本文中的耳机扬声器的音膜可细分为内环膜、外环膜以及中环膜，内外环膜均为中空，而中环膜处于内外环膜中间，其截面形态为圆弧状。外环膜与支架系统断面固定，中环膜则将弧口对准音圈，音圈在运动时可直接牵动中环膜，使得后者变形产生弹性势能，变形后的中环膜随着音圈受轴向作用力的影响而出现振动，振动状态下，音频信号将被积极传输。中环膜与音圈相对面上加设多个均匀分布的加强筋，此元件呈条状，指向为由内环膜向外环膜发散，加强筋的存在一方面提升了音膜刚性，另一方面则积极优化了音频质量，最终保障音频的输出品质达到理想水平。音圈与中环膜之间相对固定，前者一端借助强力胶水与后者表面粘连，要求使用耐热度高的胶水。

2.2.3    4、5系元件设计

本文设计摒弃了传统耳机扬声器设计中所使用的极芯与下导磁板结构元件，特别是将原有以低碳钢材制作而成的导磁板用磁铁材料取代。在磁路系统的屏蔽组和磁性件设计中，两个屏蔽组与磁性件与音膜之间的结构部署可形成相对独立且封闭的环形磁路。环形磁路主要设计于内外磁环两端，因而能够较为理想地建立防干扰机制，减少径向磁力可能受到的外部电磁场的干扰，有利于提升音频的输出外放品质。屏蔽组件的设计，能够有效保障磁回路的低漏磁效果，同时配合内外磁环的多个磁性单元所具备的径向充磁设计，体现出磁场中磁力线的分布均匀性以及对称性，从而使振动系统可在磁路作线性往复运动，抑制分割性振动现象出现，这是解决耳机扬声器声音失真的关键。

本文设计加入的两个磁性组，在增强环形磁路抗外部电磁干扰能力的同时，还将及时对内外磁环充磁，有效提升内外磁环磁性，使得内外磁环始终处于磁力饱满状态，不会使耳机长期使用后因磁性衰减而降低音频输出品质。

2.2.4    6系元件设计

本文的耳机扬声器设计U杯元件，该元件设置位置固定于支架与音膜的背面端侧，U杯的开口腔底腔壁有半径为2～6 mm的穿孔，与支架通孔保持连通，第二内外磁性件就固定在开口腔底腔壁，在面对内外磁环间隙位置所设计的环形挡块两侧，可将第二内外磁性件分隔，防止磁极相反的内外磁性件受磁力作用而结合，降低磁路影响。整个底腔壁在靠近穿孔外缘处设计挡筒元件，向音膜呈凸向分布，挡筒外侧壁、开口腔底腔壁、开口腔侧腔壁等结构紧排成环形槽，从截面看具有典型的U状，环形槽内就是磁路系统的固定位置。

支架与U杯正面相对的端面设有環形连接筒，该元件主要围绕通孔端口边缘而设，筒体表面与U杯开口端面进行强力固定，通常以超声焊接工艺完成紧密对接，确保两个面之间的完全密封，阻挡灰尘杂物或不明液体进入环形槽内部造成污染。环形连接筒与U杯开口焊接对接的端面形态主要为阶梯状，同时U杯与环形连接筒的次级对接面也保持规则的阶梯状。支架与音膜元件之间的正面相对面同时设计增扩凹向容槽，容槽底壁和侧壁的交接部位设计了具有细微工艺的环形台阶，音膜元件的外边缘就在环形台阶的平面处固定。

2.2.5    7系元件设计

本文设计的耳机扬声器设计有阻尼片，呈环形分布，同时设计了明确的开口，支架以及音膜的外表环形容槽是存放阻尼片的空间，在布局结构上高度体现紧凑性，环形容槽底壁上设计穿设支架孔，孔口朝向与音膜相对，孔外有阻尼片加盖，可进一步抑制噪声及震动。

2.2.6    8系元件设计

本文设计的耳机扬声器设计了微型电路板，电路板与耳机所连接的音频设备输出线路连通后，可与线圈完全接触并启动音频信号传递机制。电路板的固定位置是在环形容槽向阻尼片开口正对的底壁所凸设的一对隔挡条中间。

3 结语

本文新设计的耳机扬声器在内外磁环完成充磁并带磁性后，内外磁环的间隙可形成磁力线，具有均匀和对称的特点，音圈将受轴向作用力而牵引音膜振动，保证了音频在耳机扬声器中输出的高保真性，满足了用户的听觉体验。

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[2] 贡维勇，吴海全，师瑞文.一种扬声器及耳机：201621155117.8[P].2016-10-31.

[3] 师瑞文.主动降噪耳机的技术分析[J].电子世界，2019（11）：198-199.

收稿日期：2020-06-08

作者简介：师瑞文（1966—），男，河北易县人，工程师，从事智能听戴产品、电子产品的研发、设计和项目管理工作。