扬声器与传声器(共9页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上文章编号：1002-8684(2011)12002106ECM的相位受振膜材料影响的讨论 (1东南大学物理系，江苏 南京 ；2：美特科技(苏州)有限公司，江苏 苏州 ；3美律电子(深圳)有限公司，广东 深圳 )【摘 要】着重讨论了驻极体电容传声器(ECM)的相位受振膜材料影响的问题，唧振膜的基材在生产中，受生产过程影响而对振膜产生影响的分析，以及各种因素形成的应力对驻极体电容传声器(ECM)相位影响的分析。【关键词】驻极体电容传声器；相位；振膜材料【中图分类号】TN641 【文献标识码】A The Discussion on the Influence ofthe M

2、aterial of the Diaphragm on the Phase of ECM (1Physics DeptSoutheast University，Nanjing ，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 of the dia

3、phragm 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 stresses.【Key

4、ords】electret condenser microphone；phase；material of the diaphragm1 引言 随着电声科技发展的不断进步，对单体电声器件一致性的要求也越加严格，特别是传声器阵列、波形型指向传声器等对传声器相位的要求则尤为突出，因而也促使人们对传声器相位问题的重视。驻极体电容传声器(ECM)的相位是指对驻极体电容传声器作用的声信号与驻极体电容传声器输出的电信号之间出现的相位不一致现象。而且在同一批次生产的驻极体电容传声器中，对不同的驻极体电容传声器这种相位不一致现象又有差别，这样就形成了以相同的声信号作用不同的驻极体电容传声器会出现不同相位的现象。

5、为了讨论驻极体电容传声器相位问题，本文着重讨论驻极体电容传声器的相位受振膜材料影响的问题，讨论分两大部分，第一部分是振膜的基材在生产过程中，受生产过程影响而对振膜影响的分析，第二部分是各种因素形成的应力对振膜相位影响的分析。2 生产过程对振膜产生影响的分析驻极体电容传声器所使用薄膜的生产，一般是与电容器用塑料薄膜的生产工艺过程类似，但使用的材质则有所不同，常用的材质为：PET，PP，PPS，FEP，PEEK等，其镀层厚度标准是：300400 A，日本的JIS技术标准规定，幅度方向与长度方向上的设定膜层膜厚应控制在一5+5的误差范围内。电容器用塑料薄膜镀膜走行速度为250400 mrain，使用

6、这样的走行速度并对蒸发源进行温度控制，这样，若以镀m时镀膜材料量来说，其用量的标准是：02O3 gs(若以镀Ni来计算则为0435-065 gs)1。 在薄塑料膜上进行物理方法的表面处理时，由于在处理过程中有凝缩潜热、离子发射、蒸发源等的辐射热量的发出，因而使薄膜的温度上升而产生热劣化的现象。所谓凝缩潜热是指在向基材表面上蒸镀金属时，蒸镀金属的原子(分子)在基材表面上由蒸汽状态凝结为固态而放出热量，这个热量与金属的汽化热相等，由于这个热量是透过基材而再消散的，因而会有热量转移存储于基材中，这就产生了所谓的凝缩潜热现象。由于作为基材的塑料薄膜其热容量小，则对于耐热性能差的材料，若不采用合适的加工

7、处理技术，则热劣化现象是极为严重的问题。目前驻极体传声器所使用的薄膜，都是大型设备用连续蒸镀方法来生产的，设备运转的速度较快，若以每分钟数十米的卷带速度来考虑，则几乎都是由凝缩潜热为主要供热源来提供热量的，而其他的热源，如蒸发源的辐射等因素均可忽略不计。凝缩潜热与金属的比重、汽化热以及金属层的膜厚成正比，所以，金属的比重越大，金属的汽化热越大，金属层的膜厚也越大，则其能提供的热量就越多，另外，作为基材的塑料薄膜，若其膜厚越薄，则塑料薄膜的温升就越显著。 图1是在不用冷却滚筒冷却下聚酯(PET)镀灿时镀层厚度、基材厚度、薄膜温升的关系图。图中横坐标是镀层厚度，纵坐标是薄膜温升，图中各线标注的是基

8、材厚度，不过，这里的供热源只考虑凝缩潜热，辐射热等都忽略不计，而且薄膜的原始温度为25。 为了防止薄膜在温升过程中出现的热损伤(热收缩、局部皱褶、歪斜变形等)和有气体释放，在实际生产中常常引入了用冷却滚筒等热交换器，并让薄膜覆盖其上来冷却，为使从薄膜到冷却滚筒的热传导更好，会给薄膜施加一定的张力将薄膜拉紧，这样，越是机械强度差的薄膜则因为它难以给其施加一定的张力将其拉紧，则越易产生永久性的歪斜和收缩，由此，则需要对薄膜的材质、厚度进行选择。但是，给薄膜施加一定的张力将薄膜拉紧，也会出现一个新问题，即由于是在有一定温度的条件下，进行给其施加一定的张力将其拉紧，而同时又用冷却滚筒等热交换器来冷却，

9、所以，这样的工艺条件下获得的薄膜则不可避免地有残留应力的存在。 图2是大型连续蒸镀方法生产蒸镀金属塑料膜的设备，图2中右上方是一个送料滚筒，它顺时针方向转动，通过小的中间滚筒将薄膜复盖于一个大的冷却滚筒上，它仍以顺时针方向将带基薄膜传送到左上方的卷带滚筒上，分别位于冷却滚筒两侧的中间滚筒还具有拉紧薄膜的作用。冷却滚筒上半部处于预真空区，其真空度为：1010一Tort，冷却滚筒下半部处于高真空区，其真空度为：lo10Tort，在高真空区内有一蒸发源，它是通过电阻丝加热或高频感应加热或者用电子束的方法，使被蒸镀金属蒸镀到带基薄膜上。 对于宽幅薄膜塑料膜的金属蒸镀，从蒸镀专业角度而言，常见的品质缺陷

10、有10余种，其中较有代表性的外观品质缺陷有：(1)皱褶斑驳(线状的膜斑驳)；(2)针孔；(3)擦伤等。 对塑料膜而言，无论材质如何总会有带状的松弛现象，这样就会出现膜厚不均匀，又由于出现松弛后，松弛部分和冷却滚筒接触不充分或者根本未接触，这些区域就会温度上升剧烈， 而热歪斜变形和塑料膜面对冷却滚筒的内表面释放出的气体，就使塑料膜和冷却滚筒接触部分受到了一个“推斥力”，而又使松弛现象加剧扩大，并且，这种松弛区会成为蒸镀过程中，由蒸发源到塑料膜上的阴影区域使蒸镀不均匀，因而形成了线状的膜皱褶斑驳，这种现象是在真空中产生的，耐热性差、热变化大、延展性差的薄膜就更易产生。 按理说由于科技的进步，可能会

11、做到薄膜基材基本无松弛，膜厚的厚度均匀性误差可控制在1左右，这样就能如同纸一样，对于强度好的薄膜则可做到无皱褶斑驳了。但是，现实中这种塑料薄膜几乎是完全没有的，所以往往只能是用机械的方法力图克服薄膜固有的缺点和外在的缺陷了。其实，它是因材质的不同而性质各异的，即使是同一材料、不同生产厂商的产品也会存在差异，由此更可见材料本身对薄膜影响之大了。 生产蒸镀金属塑料膜是处于真空环境下进行的，而生产蒸镀金属塑料膜的过程中，从未蒸镀的带基薄膜到完成蒸镀的带基薄膜，带基薄膜需从常温的大气环境到真空环境并再回到常温的大气环境中，并经受温度由常温到高温再回到常温的变化，在此过程中，带基薄膜会有怎样的变化呢?笔

12、者曾专程访问过生产供驻极体电容传声器中振膜使的日本厂商，据解释、说明在上述的生产过程中，会有以下变化： (1)真空中卷带和大气中卷带不同，大气中卷带不会有空气卷进的问题，而真空中卷带和由真空中出来再卷带时会有空气卷进的问题，薄膜会出现“偏肉”(厚度不均一)现象。 (2)若薄膜卷体柔软，在大气导入时，由于在大气中薄膜会回缩，严重时薄膜会坍塌，这样，薄膜会受损伤以及在薄膜卷体放卷时出现阻塞现象。 (3)施加张力可防止回缩，但在卷进的空气和薄膜释出气体的作用下，则又会有“错位(薄膜与滚筒位置不对应)现象。 总之，由上讨论可以看到，驻极体电容传声器中振膜材料在实际生产中，会出现的问题是：(1)由于薄膜

13、会出现厚度不均一的“偏肉”现象，则作为用于制造3 mm以下的振膜时，则更因此而使参数变化而偏离原设计指标；(2)整筒的带基薄膜上，无论在长度方向上或是幅度方向上，取材位置不同则其残留应力不同，也就是说不同的取材位置处于不同的预应力状态下。3 应力对振膜相位影响的分析 振膜的实际制作是这样进行的，首先将已经蒸镀金属的薄膜固定在一个150 mm的大绷膜环(治具)上，调节膜片的张力，经蒸镀金属再进行测量，其调节方法是用谐振法，即将其置于一个外声源(扬声器)上，调节信号发生器使外声源(扬声器)发出声信号，当达到绷膜环上薄膜的谐振频率时，薄膜的振幅最大，因而输出信号也最大，这就是其谐振频率fo1(o)，

14、由于谐振频率fo1(o)己知，从常用的公式中可将己知数值代人，而计算出其张力的大小2-3。（1）式中，R为圆膜半径；T为圆膜周边单位长度上的张力；m为圆膜单位面积上的质量。 调节完膜片的张力后，就将嘶mm或科nln等的黄铜圆环粘上。其过程是在黄铜圆环下表面均匀涂布环氧树脂(或UV胶)胶层，再将其放置在已金属化了的塑料薄膜上，该塑料薄膜已经按要求调到一定的张力了。待环氧树脂(或UV胶)经热固化(或UV照射固化)成型后割下待用，经过驻极化后，再安装于驻极体电容传声器中。 实测结果如下： 图3是实验实际测量fo的步骤，先准备5张大膜绷紧在治具上，其中1张调至400 Hz，其余4张调至600 Hz，分

15、别经蒸镀金属再进行测量，显然由于膜的质量m增大而使其共振频率下降，再分别用不同的胶水粘接，由于胶水可能会残留而增加膜的质量，则使膜片的共振频率要降低一些，而不会达到400 X25 Hz和600 X 25 Hz的大小(150 mm6 mm=25)。 表l是治具上PPS膜fo与做成6mm振膜fo的比较，由于大绷膜环(治具)的尺寸是由150 mm，它是6mm振膜的25倍，按照上述计算公式可得6mm振膜fo应为大绷膜环(治具) fo的25倍，但是在大绷膜环(治具)上时是尚未蒸镀金属，其m值要小，蒸镀有金属后m要增大，从上述计算公式可知，这时的fo要变小，因此在10 000 Hz上下是可信的。表1 治具

16、上PPS膜fo与做成嘶mm振膜fo的比较 从表1又可见，对于厚度为2m和4m的两种薄膜来说，4m的薄膜受“偏肉”(厚度不均一)现象的影响，要比厚度为2 m的薄膜要严重，2 m的变化不显著。图4所示可以说明结果的正确性。 讨论驻极体电容传声器的相位受振膜材料影响的问题，虽是以6mm或4mm等的驻极体电容传声器的振膜为首选研究对象，但讨论驻极体电容传声器的相位受振膜材料影响的问题，还必须涉及驻极体电容传声器的系统来综合讨论。 文献3给出了驻极体电容传声器振膜的受力模型，如图5所示，T为圆膜周边长度上的张力(若有预应力，则也应包括其中)，2R为圆膜周边长度，r为径向，为圆膜的角度取向，在膜片受力形变

17、时，该力对外的贡献则为 F=T2R (2) 在膜片受外界声信号的压力P=Posint作用时，它和F的共同作用才是对膜片受力形变结果的原因。由于驻极体电容传声器振膜的制备，是要从整筒的带基薄膜上取材，并按照预设的要求进行绷紧的，所以，无论在长度方向上或是幅度方向上，取材位置不同则其残留应力不同，也就是说不同的取材位置处于不同的预应力状态下，这样，预设的张力和不同的预应力，则决定了薄膜的的谐振频率fo1(o)，尤其是对于6mm或4mm等的小尺寸的振膜，其性能的不一致性就尤为明显，因为不同的预应力状态是具有随机性的4-5。 下面对驻极体电容传声器系统进行综合讨论，文献6在对ECM的振动特性的讨论中指

18、出有一种常见的讨论是对整个振动系统进行的，这种讨论一般是以活塞模型来进行的，其结构如图6所示。 这个装置是由一个活塞(质量为m，面积为)和腔体组成，活塞由带弹簧的刚性圆柱腔体支撑，弹簧的弹性系数为K，活塞处于平衡位置(距腔体底部距离为ho)，活塞随外部压力Pout变化而产生位移，系统的运动方程为m=-Kx-(Pin-Pout)a-r (3)式中，Pin为腔体内瞬时压力；为活塞与平衡位置间距离；r为与活塞速率有关的阻尼常数。 当有圆频率为的声波作用时，这时外部瞬时压力为 Pout =Po+Psejt (4)式中，Po为环境气压；p。为声波压力。方程式中的相应的量应为x=Aej(t-1)Pin=P

19、o+Bej(t-2) (5)式中，1，2分别为其初相位。 这里需特别指出的是，对于这种对整个振动系统进行讨论的模型，有三种圆频率，为外加声波的圆频率，o为系统视为弹性常数为K的弹性系统的共振圆频率，g为腔体本身的共振圆频率。研究得出1，2, go及o有相应的关联关系。图7是1与go及o的关系图，图中是由腔体共振圆频率和外加声压及活塞几何参数决定的一个常数。 由于为外加声波的圆频率及g。为腔体本身的共振圆频率对某个系统及某个作用是确定的，而o为系统视为弹性常数为K的弹性系统的共振圆频率，从本文讨论中表明，它是振膜振动的特征量。同样，2与go及o有相应的关系。图8是2与go, o的关系图，图中同图

20、7。 驻极体电容传声器(ECM)的相位是指对驻极体电容传声器作用的声信号与驻极体电容传声器输出的电信号之间出现的相位不一致现象。1，2则是直接与上述的两信号的相位相关联的4。而且从上述讨论中也可见，它们都是频率(圆频率)的函数，对于这种相位特性也可用仪器实测，图9是一个相位特性测试的原理图。 声频信号发生器输出的声频信号通过静电激发器作用到传声器膜片上，传声器输出电压信号，通过测量放大器输给相位计，并与声频信号发生器输出的声频信号相位相比较。相位计输出一个与两信号的相位差成正比的直流信号，馈给电平记录仪，由电平记录仪控制声频信号发生器，使之同步，自动记录相位差随频率变化的曲线，从而得到传声器的

21、相位特性。测量传声器的相位特性还有其他的方法，这里就不作介绍了6-7。 实际测量时，随机取出6 mm的EM6015计100只，分别进行相位测试，图lO是实测中的相位特性测试分布图，图中横坐标是样品号，纵坐标是1 kHz时的相位值。图1 1是实测时的相位随频率的变化图。 由实际结果得出以下结论： (1)取样样品随机，1 kHz时的相位差值分布也随机，1 kHz时的相位差值变化的线性关系不明显。 (2)1 kHz时的相位差值变化，能在4-15。范围内。 (3)相位随频率的变化，有周期性的正、负交替现象。4 小结 本文着重讨论了驻极体电容传声器的相位受振膜材料影响的问题。 (1)由于薄膜会出现厚度不

22、均一的“偏肉”现象，及整筒的带基薄膜上，取材位置不同则其残留应力不同，也就是预应力状态不同，则影响了薄膜的谐振频率fo1(o)。 (2)通过对驻极体电容传声器系统的综合讨论，整个振动系统模型，有三种圆频率，为外加声波的圆频率，o为系统视为弹性常数为K的弹性系统的共振圆频率，g为腔体本身的共振圆频率，而且振动位移和外加声压存在1，2的初相位。1，2与go及o有相应的关系，从中可以讨论驻极体电容传声器作用的声信号与驻极体电容传声器输出的电信号之间出现的相位不一致与1，2的关联特性。 (3) 1，2是频率(圆频率)的函数，这种相位特性也可用仪器实测。 但是，因为振膜材料影响的问题是生产过程的问题，而

23、且随机性大，并且它的解决又不能如解决电子线路中通过改变元件参数那样可控，因而有必要在此作些深入的讨论，以供有兴趣的读者参考。本文写作中曾和哥本哈根的马桂林博士、豪恩科技的温志锋工程师等讨论过，并得到他们的支持和帮助，在此特致谢意。参考文献松森邦彦蒸着技术J高分子，l 891，30(355)： 7487502奥尔森H F声学工程M张遵彦，沈壕，译北京：科 学出版社，19643YASUNO Y，OHGA JTemperature characteristics of elec- tret condenser microphonesJAeoustSci&Tech，2007，27 (4)：2162244吴宗汉振膜系统材料特性对传声器相关特性影响的分 析J电声技术，2009，33(10)：17195吴宗汉零部件材质物性对ECM特性影响分析J电 声技术，2009，33(5)：21226吴宗汉微型驻极体传声器的设计M北京：国防工业 出版社，20097山本武夫扬声器系统M王以真，吴光威，张绍高， 译北京：国防工业出版社，2010责任编辑】史丽丽 收稿日期】2011-03-16专心-专注-专业