蜂巢平板扬声器设计若干问题研究

夏 利

（普瑞姆扬声器系统（深圳）有限公司，广东 深圳 518034）

目前，市场上蜂巢平板鼓纸扬声器主要用在多媒体音响方面，而在大型扬声器方面应用较少。出现这样的局面的主要原因在于，扬声器口径越大，制造工艺要求越高，同时对平板鼓纸的质量要求也越高。在实际生产工程中，该类型扬声器容易出现振动软件杂音、音圈与磁回系统触碰、大功率情况下振膜容易脱层等问题。但是，平板鼓纸扬声器由于鼓纸形状容易制作且高度低，很容易降低扬声器的安装深度，极大地满足了电子产品的小型化和超薄化发展趋势。因此，本文重点探讨在产品设计和制造过程中怎样避免问题的发生，并提升产品品质。

1 平板鼓纸设计

要设计一款频宽宽、失真小的扬声器，鼓纸必须满足3 个条件——平板胴体抗弯曲强度高、内阻尼大以及质量轻。平板胴体抗弯曲强度D的公式为［1］：

式中：Ec为平板蜂巢的杨氏模量；μc为平板蜂巢的泊松比；tc为平板蜂巢的厚度；Ef为薄膜的杨氏模量；μf为薄膜的泊松比；tf为薄膜的厚度。

从式（1）可以看出，要使平板鼓纸的抗弯曲强度大一些，必须选用蜂巢平板基材杨氏模量较大的材料。同一种材料要得到较大的杨氏模量，必须增加基材的厚度。但是，增加厚度意味着增加重量，而重量的增加将直接影响扬声器的灵敏度。

根据自振模态分析［2］方法，使用3 个圆形的蜂巢平板进行实验，测试数据如图1 所示。在相同的频率范围内，胴体面积越大，它的自振频率密度越大，低频段发声性能就越好。所以，在设计鼓纸时尽量使胴体尺寸大一些，这样低频响应下潜越多，有利于增加中高频段内自振频率次数，从而提升扬声器的灵敏度。

根据上面的分析可知，在鼓纸设计上要综合考虑胴体厚度、外径尺寸大小以及材质的选择，使其与扬声器设计性能相吻合。

如图2 所示，蜂巢平板鼓纸主要由胴体与悬边组成，而胴体由蜂巢和薄膜组成。蜂巢基材材质一般有石墨聚合物、铝和牛皮纸3 种；薄膜基材材质有玻璃纤维、碳纤维、纸浆纤维、聚丙烯纤维、尼龙纤维以及棉纤维等。悬边材料一般有橡胶和发泡泡沫。

1.1 蜂巢平板鼓纸胴体生产工艺

薄膜主要以纤维纱线为基材，经过机械编织成为一种编织物，再经过酚醛树脂、聚酯树脂以及环氧树脂等溶剂含浸处理［3］而成。

平板鼓纸胴体主要由蜂巢平面状的基材和薄膜状的基材通过胶水粘合后，经过辊轮加以适当压力后再通过烘干技术处理，等到半干燥后放入模具中通过高温、高压硬化成型，最后经修边、剪裁使其成型为所需要的胴体尺寸。

同样地，在宜兴窑紫砂梅花鹿的译文中，译者也只侧重了对宜兴窑紫砂梅花鹿外观描述，形态描述，没有涉及鹿的文化内涵，即谐音“禄”，象征吉祥长寿和升官之意。而两者隐含的象征之意，中文官网介绍均有涉及，这反映了译者摘译的失误，遗漏了与主题十分相关的重要信息点。如果对中国文化不甚熟悉，外国游客将无法知道这类文物的隐性文化信息，从而不利于跨文化的传播。作为译者，应通过合理的摘译，充分传达文物的寓意，体现文物的文化内涵。以紫砂梅花鹿为例，笔者将其改译如下。

1.1.1 蜂巢平板鼓纸胴体生产缺陷

蜂巢基材形状像蜜蜂的窝，上下两个平面与薄膜粘结，但是粘结面呈网状，蜂巢与薄膜不能完全粘结，留有缝隙。在将基材切割成鼓纸胴体时，它的边缘呈现3 层结构，径向方向会有凸凹现象。将胴体与悬边粘结后，在其边缘加一圈补强胶。这种作业方法是目前供应商生产平板振膜鼓纸的基本方法。

按照目前的生产工艺生产的平板鼓纸存在先天缺陷：当胴体切割成型时，层与层之间会有分离的潜在风险；蜂巢本体在切割时，网状线条也会因外力的作用产生内应力，从而存在内应力产生形变的风险。当扬声器运动时，因电磁力的作用推动鼓纸运动，容易因力的作用使鼓纸边缘产生形变，使层与层之间产生分离而产生杂音。

1.1.2 蜂巢平板鼓纸胴体生产工艺改善

蜂巢平板扬声器发声原理是模态弯曲波所产生的声场辐射［4］。这个理论说明鼓纸胴体的刚度对音质有影响。

鼓纸胴体在切割成型时有分层的风险，可以利用一种胶水进行粘合处理，如图3 所示。使用胶水时需注意：一是胶水干燥时间要短；二是胶水对胴体材质没有腐蚀作用；三是胶水干燥后质量要轻，杨氏模量要大。

1.2 蜂巢平板鼓纸悬边设计

1.2.1 蜂巢平板鼓纸悬边设计缺陷

设计这款鼓纸时按照固有思维来设计，没有考虑到鼓纸胴体构成的特殊性。需要注意，胴体基材是3 层材料粘结而成，不像纸胴体把几种纸浆混合在一起成型出来。

1.2.2 蜂巢平板鼓纸悬边新设计

采用包边之一体式结构技术［5］将悬边与胴体粘合，如图4 所示。该技术的悬边与胴体粘合面呈U 型，可以把胴体上下及外部边缘全部粘合形成一个整体。由于增加了悬边与胴体粘结面，胴体内部的内应力在热压粘合时会被消除。这种设计在一定程度上增加了胴体的刚性强度，有利于抑制谐波的产生，降低了扬声器的失真，同时阻止了胴体分层的潜在威胁。

2 托杯设计

托杯在平板类型扬声器中主要起到连接鼓纸与音圈的作用。托杯设计的质量直接关系到扬声器的声学性能和生产效率。

2.1 市场上的托杯设计

目前，扬声器厂商大部分托杯设计采用小托杯，如图5 所示。一种方式是托杯颈部直接嵌入到音圈骨架，另一种方式是托杯与音圈骨架直接合二为一，既是托杯又是音圈。无论采用那种方式都存在一个致命的缺陷，即托杯与鼓纸胴体粘结部位容易产生内应力而存在分层的危险。胴体一旦分层，扬声器将产生杂音，意味着扬声器的使用寿命终结。

按照平板扬声器发声原理，托杯与鼓纸胴体在鼓纸中心部位粘结，减少了平板胴体弯曲变形的量，降低了扬声器的声压级。

使用小托杯设计时，为了增加支撑强度，托杯一般采用塑胶或金属材质。由于托杯与鼓纸胴体之间接触面积较小，扬声器工作时鼓纸胴体与托杯之间由于弹性变形会产生相对运动，继而产生二次谐波失真。

2.2 托杯设计优化

可以把平板鼓纸胴体想象成一个大的防尘盖，把托杯当成一个锥形鼓纸的胴体，这样比较容易解决平板鼓纸胴体内应力的产生。由于托杯不是真正意义上的鼓纸胴体，在托杯（如图6 所示）设计时，在边缘部分要做一个2～4 mm 宽的平台，便于悬边与托杯粘合。因为此工艺不能采用鼓纸粘合的热压工艺，所以在胶水选择方面需要注意相关问题。首先，在扬声器产品设计时可能会用到不同材质的悬边材质，要根据具体材质选择合适的胶水，使其不能腐蚀悬边。其次，胶水的流动性不能太好，否则胶水会沿托杯往外或内流动，使扬声器存在杂音的潜在风险。再次，胶水的粘结力要强，在-40～120 ℃环境下粘结力也不会下降。最后，胶水干燥后质量要轻，不能明显增加扬声器的有效振动质量。

3 装配工艺

平板鼓纸扬声器的装配重点有两个：一是托杯，二是鼓纸。托杯由于没有悬边与盆架粘合面作为支撑面固定，所以需要治具（如图7 所示）进行辅助装配。设计中，可以把盆架与悬边粘合面作为支持面，把托杯边缘平台作为另一个支持面。当把音圈、弹波与盆架组装好后，用治具把托杯固定在音圈轴向中心与弹波径向位置后再进行中心胶涂胶作业。等待托杯与音圈粘结位置胶水干燥后取下治具，这样托杯就可固定在扬声器的中心位置。

平板鼓纸与托杯粘结也需要治具（如图8 所示），而不是简单地使用附加质量法［6］。因为托杯类似鼓纸胴体性质，所以胴体要与悬边边缘进行紧密粘结。当托杯与悬边粘结后，需要施加一个外力使其无缝粘结。治具形状与悬边外形一致，中间中孔，这样可以让悬边下粘结面与托杯平台得到一个有效重力，控制托杯与悬边不会因胶水干燥过程产生缝隙。等到胶水完全干燥后取下治具，这样托杯与鼓纸将紧密粘结在一起。

4 结语

蜂巢平板鼓纸扬声器看似结构简单，但其设计和生产工艺是一个比较复杂的过程。不仅要考虑扬声器的各项声学性能指标，还要考虑零件结构力学和生产装配工艺。本文从关键零件鼓纸、托杯设计方面出发进行探讨，剖析扬声器生产装配工艺，进而对蜂巢平板扬声器设计提出一些独特的见解，以期提高生产效率和扬声器的声学性能品质。