扬声器的可靠性探讨

1  扬声器的可靠性

扬声器有多个技术指标,如阻抗、频率响应、灵敏度、失真等。但其中扬声器的可靠性, 无疑是一个十分重要的性能。扬声器的可靠性通常如下考核,是指在扬声器标准规定的条件下,馈给扬声器规定的信号功率,扬声器能正常工作的规定时间。
   特别对扩声类扬声器,由于其输入功率大、工作条件差、连续工作时间长,对可 靠性提出更严格的要求。而且若扬声器在扩声工作中突然损坏,往往会带来不良后果。因此扬声器的可靠性受到扬声器技术人员、扬声器使用人员的广泛关注。
2   扬声器寿命的薄弱环节
   音圈号称为扬声器的心脏,扬声器的失效除机械因素(如撞坏、压坏等)以外,绝大多数是由于音圈的烧坏、音圈引线的折断所引起的。在实际使用中扬声器的损 坏由音圈引起的比例占80%以上。电动式扬声器是靠输入音频电流的音圈在磁场受力振动, 推动振膜而发声。由于是电→力→声两次能量转换,因此效率只有百分之几到百分之十几。大量的能量转化为热能, 使音圈导线、音圈骨架、音圈引线发热、升温。在工作时又往复振动。如果做得不好,出现某个薄弱环节, 音圈会突然崩溃,扬声器寿命会突然终结,声信号也戛然而止,而且事先并不警告。
3  针对性的措施
   图1是一只音圈的外形。为提高扬声器的可靠性,人们首先想到的是从音圈本身下手,提高音圈的可靠性,也就是分别研究音圈骨架、音圈线、胶粘剂、引线和绕制工艺。    (1) 音圈骨架

音圈骨架先后采用的材料有: 牛皮纸、石棉纸、铝箔 (纯铝、锰铝合金、铝镁合金)、聚酰亚胺(KAPTON)、NOMEX、纯铜箔、改性酰亚胺漆布(TIL)、钛箔、玻璃纤维和芳纶(PPTA)等。仅以耐温计:NOMEX:220℃;KAPTO N: 250℃; TIL: 250℃; 钛箔: 300℃; PPTA:400℃。由此可见,只要选择合适材料的骨架,耐热不是问题。
   (2) 漆包线
   从耐温角度看:聚酯亚胺漆膜(EIW): 180℃;聚酰胺亚胺(EI-AIW): 200℃;热固型漆膜: 250℃; 由此可见, 漆包线的耐温特性制约音圈耐温的提高。
   (3) 操作工艺
   精细的操作工艺, 也是保证音圈可靠性的重要手段。另外,从实践中也可看到骨架内外绕线的音圈耐温状况,一般好于单面绕线的音圈。
4   音圈的损坏状况
   胡秉奇等研究了音圈损坏状况。一个烧坏的音圈如图2所示。

   从所有烧坏音圈都可发现,音圈两端烧糊变色,中间颜色变化较少。即绕线两端烧毁的情况都会比中间段情况严重。其原因是音圈各段在磁路中所处位置不同所致, 如图3所示。

   由图可见,音圈中部靠近导磁板、导磁柱,这部分产生的热能通过很短的热辐射距离传到导磁板、导磁柱上,由其将热能导出, 因此散热良好。而音圈上下两端, 主要靠空气散热, 所以温度高。由此可见,提高音圈可靠性,一是从音圈本身下手,二是改进音圈和磁路的散热状况。
5   磁路的散热
   (1) 改善磁路散热的办法——对流
   利用打孔来加强对流散热是常用的方法。可在导磁柱、导磁板上打孔。在导磁柱中打孔最为有效, 它可将热量从中孔散逸。在导磁柱上打孔, 特别是在大口径扬声器中, 除了散热以外, 还有一种缓解压力的作用。图4是一个打孔的实例, 不但在导磁柱打中孔,而且在导磁柱外圆再打3个小孔。 这样形成一个冷热 空气的循环、对流,更有利散热。

  图5是一高频单元的剖面图。它示意了这种导磁板打孔扬声器的气流传导结构。热气流逸出, 冷气流进入。图6则是将散热和 声传播通道一体化, 这无疑也是一个巧妙的构思。在导磁板外加散热片,也是一种热散的方式。这种结构,导磁柱中孔既是声传播途径,又是散热通道。当然这些孔要达到最佳的热对流效果, 又要不影响原来磁路结构、不降低强度、不影响传导、不产生湍流噪声,还要简单易行。

   (2) 改善磁路的散热方法——传导
   E-V公司为了改进散热,特意在导磁柱上再加散热环,如图7所示。它们被称为导 热线,将音圈热量带走,还起到短路环的作用。此方法着眼于热传导。热传导特性可用导热系数描述。导热系数为每单位时间内通过平面层的热量。

   由表1可见,空气的导热率是很低的。铁的导热率是空气的2 774倍,而铝的导热系数是空气的9096倍。因此音圈产生的热量绝大部分是通过导磁上板和导磁柱传出的。

   传导热量
   Q=-λA (dT/dx) (1 )
其中 : λ是导热系数; A是面积; dT/dx 是温度变化率。
   而铝导热的能力又是铁的 3.279 倍,于是人们采用铝材来帮助散热。充分利用扬声器的可用空间,用多种铝环来加强散热, 如图8所示。散热环有置于导磁柱上方、有置于导磁板上方、有置于磁体内环处,可因磁路结构而变。选用铝材一是因为铝导热优异,二是因为铝不会影响磁路。

   (3) 改善磁路的 散热方法——辐射
   在图7中,导磁板上还有一层涂复(PROTEF), 其目的是为了提高热辐射系数。 人们早已知道“传导”、“对流”、“辐射”是热传播的3种方式。当两物体表面存在温差即有辐射, 和介质无关。
   单位面积热辐射量
   q∝η(T 4-T 40) (2)
其中:η为热辐射系数; T为辐射面的绝对温度; T0为吸热面绝对温度。
   由式(2)可见, 辐射温度差愈大,辐射量愈大。对扬声器而言, 当温度较高时,辐 射比重不可忽视。而热辐射系数与物体表面特性有关。物体辐射能力与吸收能力一致, 吸热系数大, 热辐射系数亦大。深色表面、粗糙表面的吸热系数大, 绝对黑体吸热系数约为1。为此扬声器音圈骨架应采用深色;导磁板、导磁柱、导热铝环可采用烤黑处理。音圈绕组外可涂黑色辐射材料。
6   新概念的讨论
   前面提到的主要是针对音圈散热条件的改善, 但同时对扬声器结构也提出许多 要求。 有没有一个较简单的方法, 能适当地改善音圈散热条件, 这里提出一个概念, 就是等音圈。传统提法有长音圈、短音圈。从对扬声器可靠性而言最重要的是等音圈。可以定义等音圈:音圈宽度为0.9~1.2 倍导磁板厚度。从图2照片损坏情况的分析可知,在导磁板厚度范围内的绕组段是比较容易散热的, 从而热损坏的几率比较小。从失真角度看, 真正的短音圈失真是小的。但有的扬声器设计师会认为, 将长音圈改成短音圈,非线性失真会加大。对这个问题有以下两个对策:
   (1)这个非线性失真加大,仅出现在谐振频率附近。可以在扬声器易损和失真局部加两害之间权衡,两害权衡取其轻。
   (2)选用长音圈时,可采用图8所示结构,这相当于准等音圈。实际使用的大多数也是等音圈。