传声器设计点滴北京第七九七音响股份有限公司 华子兴传声器作为一种声接收器件，除了传统的会议扩声、专业、音乐录扩音、通信和声学测量外，随着技术的发展，诸如在声控和声探测定位领域也得到广泛的应用。

应用领域的扩展、使用要求的提高，对传声器的性能要求越来越高，同时又会提出新的要求。

目前在广播、录音扩声领域中应用最广的传声器是动圈式传声器和电容式传声器。

为保证、提高传声器换能单元的基本性能，在此与大家讨论和传声器设计有关的点滴问题。

一、涉及传声器的两个最基本的声学基础问题传声器的构成中均有一个既要承担接收声波又是振动元件的“振膜”。

当传声器工作时，首先是接收声波，在声波的激励下传声器“振膜”产生振动，然后由“振膜”的振动完成“声”转换成“电”。

为此，传声器处在什么状态接收声波和振膜振动处于何种控制状态，与设计者所期望的传声器的指向性特性和频响特性有直接关系 。

1） 质点的受迫振动在频率较低时，总可以将“振膜”视作为质量和弹性元件的组合体，“振膜”在外力（声波）的作用下产生振动可等效成如图一所示的质点受迫振动。

设外力：t F F A F ωc o s =→t j A e F ωω—外力的圆频率M Z —系统的力阻抗M R —力阻 图 一⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=M M M C M X ωω1 —力抗经过足够长的时间，振动只存在稳态状态，以余弦函数()θωξξ-=t A cos 表示位移振幅： 22⎪⎭⎫⎝⎛-+=ωωωξM M M AA k M R F由此，振幅A ξ 与外力A F 、外力的圆频率ω有关，还取决于M M 、M k 、M R 等。

MMM R M Q 0ω=为品质因素，0ω =M M M k 为固有圆频率(M k =M C 1)， 设0ωω=ZR MF F()MM MA A QZ Z M Q F 222221-+=ωξ当 Z <<1 时，即 f <<0fMA A MA A MA M A A k F a k F V k F M F 220ωωωξ====当外力的频率远低于系统的固有频率时，系统的 图 二弹性对振动起主要作用。

此时的控制状态称为弹性控制，这个频段称为弹性控制区。

在弹性控制区内位移振幅与频率无关。

由以()MMA AQ z z Q A 222201-+==ξξ为纵座标，z 为横座标，M Q 为参数如图二所示的曲线可见，在z <<1的范围曲线呈现一平坦区，A的极限值为1。

当z =1时，曲线出现峰值，此时称之为位移共振，与此对应的频率称为位移共振频率。

M Q 越大，共振的位移振幅也越大。

压强式测量电容传声器要求频带宽、频响平坦。

它的输出e ～ξDE 0, 0E 为直流电压，D 为振膜与后极板之间的距离,ξ为振膜受声波作用振动的位移。

由输出表示式看出，只要当位移ξ与频率无关时，输出e 与频率无关。

把振膜的振动状态设计在弹性控制区，这时振膜的固有频率远高于工作频段范围，就能实现在很宽的频段内达到频响是平坦、均匀的。

当 1=Z 时， 即 0f f =MA M M A A MA M M A A R F a R F V R F M Q F ωωωξ====2系统振动在固有频率附近，力阻起主导作用，力阻越大，振速幅度越小，此时振动系统处于阻尼控制，这个频段称为阻尼控制区。

在阻尼控制区内振速与频率无关。

由以MMAM A Qz z Q F MV B 222220)1(-+==ω为纵座标，z 为横座标，M Q 为参数如图三所示的曲线可见，当z =1时，曲线出现极大值，表示发生速度共振。

同时也可看出，M Q 越大，速度共振峰就越高。

压强式动圈传声器当振膜受到声波作用产生振动，音圈中产生的感应电动势为e ～Blv ，也就是输出与音圈（即振动系统）的振速成 图 三正比。

为了实现输出e 与频率关系是平直的，只要使音圈的振速v 与频率无关。

为此把动圈传声器的振动系统设计在力阻控制状态，满足MAA R F V =,这时，传声器的输出就与频率无关。

2） 声波的接收原理最简单、基本的声接收器结构如图四所示，它总是由密封盒一侧装配有振膜，而另一侧则为有声阻尼的进声孔组成，振膜受到的作用合力为振膜正向作用声波0p 和由另一侧进声孔处声波2p 的迭加。

图 四在球面波情况下，()kr t j pep -=ω1R 2Z A()θωcos 1222B s C Z R j R Z R Z p F A AD AD AD A A +⋅⋅⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⋅⋅= ()θcos 1B s G p A +⋅⋅⋅=这里：B ～2R C lA ⋅∆此数值实际上表示“压差”效应与“压强”效应的比例。

合理、适当选择l ∆、A C 、2R 等声学元件，以获得不同数值的B ，相对应的传声器就具有如图五所示不同的指向性特性。

B=0 时 1 无压差效应 指向性呈圆形θcos 1B + 1>>B 时 θc o s 压强效应极微 指向性呈∞字形1=B 时 θcos 1+ 压差效应与压强效应同等 指向性呈心形2=B 时 1+2θcos 压差效应2倍于压强效应 指向性呈超心型图 五二、 传声器的振膜无论是动圈式传声器还是电容式传声器的振膜既是声接收元件又是机械元件，当它受到声波的激励时会产生振动，传声器的性能与振膜的质量优劣息息相关。

描述振膜这个元件的参数一般用顺性C 、质量M 和力阻R ，有时还增加共振频率0f 和机械品质因数Q 。

良好的动圈式传声器振膜应满足：a).顺性尽可能大；b).顶部刚性要好；c).质量轻；d).有适当的内阻尼；e).振动线性范围要大；f).不应产生不规则的分区振动；g).受环境温湿度影响要小等等。

这些要求实际上有些是互相矛盾和制约的，所以要实现和达到优良振膜的上述要求，必须从振膜材质选择、几何尺寸及结构去综合平衡、考虑。

1） 振膜材质选择振膜的性能在一定程度上依赖于薄膜材质的性能，要求材质(1).密度ρ小；(2).杨氏模量E 大（可实现ρE比值大）；(3).有适当的内阻尼；(4).随温湿度变化小、不易老化等。

目前振膜材质普遍采用高分子塑料膜，聚碳酸脂膜和聚脂膜是最常用材料。

实践证实，B=0B >>1B=1B=2当聚碳酸脂膜和聚脂膜采用同一模具成形的振膜，采用聚脂膜的传声器低频响应要比采用聚碳酸脂膜的传声器的低频响应差，但采用聚脂膜的传声器有较好的高频响应。

2动圈式传声器振膜的基本形状如图六所示，由球顶部分和顺性部分组成。

早期的传声器振膜顺性部分均采用放射型花纹，而目前各主要生产厂家均将放射型花纹改为R结构，这种设计的优点是振膜顺性可通过主R的尺寸、主R上增设小R节，所以可调整的随意性变大了。

同时要平衡考虑球顶部分的高度与球顶的球面半径、球顶部分弦长与振膜有效直径的比例，使振膜这个“薄壳”结构的机械强度最佳，处于顺性大、整体刚性好的机械状态。

图六3）振膜的结构优良的振膜应是顺性大、刚性好、质量轻，为获得高质量的振膜，仅由一张薄膜材料来成形，可能难度就很大。

为此，有的优良振膜采用复合结构，即采用很薄的薄膜成形振膜，在此基础上再在球顶部分复合一层，以增强振膜球顶部分的刚性。

这样的振膜，顺性部分可做得顺性很好，又保证了球顶部分有足够的刚性。

MD441振膜是典型的复合结构：它的顺性部分仅约8μm厚、而球顶部分厚则达到约20μm。

复合膜的种类还有：球顶部分采用金属铍、球顶部分真空镀一层金属、球顶部分真空涂一层金刚石等等，目的都是在尽量降低振膜谐频的情况下，又增强球顶部分的刚性，以避免在高频区产生明显的分割振动，达到传声器频响的高端部分相对平滑，出现的峰谷会明显减小。

与此相类似，为防止顺性部分出现分割振动，在此Array部位涂覆合适的阻尼胶也是可采取的有效办法。

三．试验状况（一）．图七所示的是一种典型的复合式接收原理的动圈传声器换能音头，它的机电类比图如图八所示。

图七A C 是护盖与振膜之间间隙的顺性，可调整高频状态；1m 、1R 、1C 是振膜下通管、阻尼、和传声器外壳内腔形成一个亥氏共鸣器，可提供传声器的低频补偿；2p 、3p 则是振膜后两个进声通道处的声压，用于 图 八 调整传声器频响特性和指向性特性。

1） 如果将振膜下通管上的阻尼1R 加至无限大（堵死），此时共鸣器就不存在，那末，传声器频响的低频端会出现如图九所示明显地衰减。

2） 没有护盖或护盖没有盖好，相当于护盖与图 九振膜之间间隙的顺性A C 加大，高频被短路，表现出传声器频响的高端如图十所示有明显的差异。

3） 侧阻 尼2R 、3R 的作用。

如将侧阻尼的状态加大至几乎堵死，频响的中频区出现一个鼓包，如图十一对应的频率应是振动系统装配在磁路上的固有频率，此时传声器处于接近声压接收状态；如果将侧阻尼减小至几 图 十 乎为零，频响出现两头翘中间凹的状态，此时传声器处于振膜两侧都暴露在声场中时的声压差接收状态。

3010050200Hz 正常频响低端状态低频补偿管堵死时的频响低端状态-60-55dB -651000050002000Hz dB 护盖没有盖紧时的频响高端状态护盖揭掉时的频响高端状态正常频响高端状态-55-50-60图 十一动圈式传声器的设计实际上是在振动系统的主谐振状态的基础上，设计多个m 、c 型谐振声路及相移网络，协调各声路的声学元件，使主谐振和各声路互相协调配合，最终获得良的频率响应及指向性特性。

图十二形象地表示各谐振声路对传声器频响的配合、协调及贡献。

（二）．图十三所示的是一种典型的复合式接 收原理的单膜片电容传声器换能音头，它的机电 类比图如图十四所示。

0m 、0C 为振膜的质量和顺性；1R 、1m 为振膜与后极板之间缝隙的阻尼 图 十二 和质量；2C 、2R 为振膜后腔体顺性和后进声孔处阻尼。

所需要的频响和方向性如图十五所示。

1）增大振膜后腔体阻尼，减小后进声孔的声 压，改变传声器振膜受到的“声压差”值，如图十六所示，传声器的指向性特性明显变差。

2) 增大振膜与后极板之间的间隙，依据e ～DE 0，传声器灵敏度肯定会降低，由于 图 十三 1R 降低及1m 增大，传声器的频响（特别是 高频端）和指向性也会引起相应的改变。

图十七反映了这种现象。

图 十四2010010005050040002002000HzdB -60-55-50-45正常频响中频状态阻尼片1被揭掉（阻尼很小）阻尼片1处阻尼很大图 十五 图 十六图 十七当然电容式传声器的频响和功能还可以通过放大电路来弥补、改善。

结束语本文从与传声器设计有密切关系的两点最基本的声学基础出发，介绍了动圈传声器振膜及要求，列举了一些传声器的试验数据和状况。

由于描述传声器声迥路的元件和振动系统特性的元件参数要测定、测准是非常难的，本人觉得目前传声器的设计过程主要还是依据对传声器等效电路的分析用来指导试验；等效电路的分析是基础，试验是实践。