扬声器的制作方法

本发明涉及扬声器领域，并且特别是涉及感测音圈和音圈线圈架的瞬时速度，音圈和音圈线圈架在使用中往复运动以便驱动声学振动膜，声波从该声学振动膜辐射。本发明涉及扬声器设计方法和扬声器及其音圈线圈架。

背景技术：

1、存在许多类型的常规声学扬声器，其将电音频信号转换成对应的声音；扬声器通常包括一个或多个驱动器、外壳和电连接，并且通常包括诸如分频网络之类的电路。本发明涉及的驱动器是音圈，即围绕刚性且通常为圆柱形的线圈架螺旋缠绕的导电线圈。这些驱动器位于磁场内，并且当电音频信号穿过音圈时，使其往复运动并驱动声学振动膜辐射声波。这样的布置已经使用了一个世纪，例如已经成为us1707570的主题。

2、理想地，对于扬声器来说，音圈的运动将与施加到扬声器驱动器端子的电信号线性相关，使得如果构成一个或多个正弦波的信号被施加到扬声器，则音圈的所得运动仅由同一组正弦波构成。然而，在真实设备中，情况并非如此，并且传递函数中存在显著的非线性。结果是，当一个或多个正弦波被施加到扬声器驱动器端子时，所得音圈运动也包含所施加的正弦波的倍频、以及和频和差频下的谐波。这种行为对于高质量的声音再现来说是不合期望的。

3、非线性行为是由于扬声器操作期间传递函数参数的调制、并且特别是作为音圈电流、音圈温度以及音圈和振动膜位移的函数的调制。引起非线性的主要机制通常是：

4、悬挂和环绕刚度作为音圈位置的函数而变化；

5、电机系统强度(bl)作为音圈位置的函数而变化；

6、音圈线的电阻作为音圈温度的函数而变化，以及

7、音圈电感的变化作为音圈位置的函数，作为电机系统中磁路状态的函数，本身是当前和过去音圈位置和音圈电流的函数。

8、扬声器设计中采用的一种方法是尝试并且最小化这些机制，但这种方法通常显著增加额外成本和复杂性。降低扬声器驱动器中非线性的另一种方法是感测音圈的运动，并在负反馈回路中使用该感测信号(使用适当的放大器和控制电子器件)。这第二种方法通常被称为“运动反馈”，并且是众所周知的，但是主要由于布置的附加复杂性以及可用运动传感器的成本和性能，在商业扬声器中没有普遍使用。us3941932是运动反馈的一个示例，其使用位于驱动器防尘盖下的压电加速度计来感测音圈的加速度。运动反馈的另一个众所周知的示例是向磁体电机间隙中放置附加的感测绕组，与音圈同轴缠绕，如图1中所示。

9、在图1中作为截面侧视图示意性示出的常规速度感测运动反馈布置中，扬声器具有铁氧体环形磁体2、钢轭4和钢前板6，它们组合以提供磁隙8，音圈线圈架10在磁隙8内沿轴12往复运动以驱动振动膜(未示出)。音圈14以常规方式围绕音圈线圈架10缠绕，并沿轴12延伸足够的距离，以适应音圈线圈架10的往复运动，音圈线圈架10通过用电信号激励音圈14来驱动；施加到音圈14的电压产生磁场，该磁场与磁隙8中的磁场相互作用，以根据众所周知的电磁感应原理驱动音圈线圈架10沿轴12移动。细线感测线圈16与音圈14同轴缠绕；当音圈线圈架10带着感测线圈16随其在磁隙8中往复运动时，间隙8中的磁场在感测线圈16中感应出电压，并且该电压可以被测量并用于确定音圈线圈架10的瞬时速度。

10、感测绕组连同音圈一起移动，并且理论上，当感测绕组穿过磁体电机间隙中的磁场时，由于动生电动势emfεmotion，感测绕组生成与音圈移动速度成比例的输出电压，根据等式：

11、

12、其中(bl)sc是灵敏度系数(这是穿过感测音圈绕组的平均磁通密度(b)乘以速度感测绕组线的长度(l))，并且是线圈的速度。

13、使用次级绕组的运动反馈方法具有超过使用加速度计的方法的若干优点，即：

14、所感测的速度可以几乎就是轴向音圈运动，直到非常高的频率，并且不包括任何寄生的自谐振或来自传感器安装的谐振，这对于诸如加速度计之类的其他传感器来说经常是一个问题；

15、速度感测绕组具有低阻抗输出，并且不需要驱动器的移动部件上的近端电放大；

16、移动驱动器部件的任何摇摆运动(即，不平行于往复运动轴的运动)将趋于不被感测到，因为这导致速度感测绕组的一半向后移动，而另一半向前移动(这是一个优点，因为少量摇摆在许多驱动器中是常见的，并且对性能具有极小影响)，并且

17、速度感测绕组不承载任何显著的电流，并且因此可以使用非常细的线，这意味着它占用很少的空间，并且给移动组装件增加了微不足道的质量。

18、图1中所示的常规速度感测绕组方法存在两个主要问题，这两个问题显著影响性能并限制了该方法的使用。首先，为了使感测电压vs与音圈速度成线性相关，等式1.1中的灵敏度系数(bl)sc必须是恒定的。图1描绘有悬臂式速度感测绕组布置，使得磁体电机间隙的长度a短于速度感测绕组的长度d。这意味着当驱动器偏移(驱动器远离其“静止”位置的移动，如图1中所示)小于距离c时，感测绕组受到的平均磁通密度几乎是恒定的。对于大于距离c的偏移，平均磁通密度变化(因为仅一部分绕组在电机间隙内)，因此速度感测绕组的灵敏度急剧下降。为了解决非线性的这个原因，可以增大速度感测绕组的绕组高度，使得它超过音圈的绕组高度，但是这是没有帮助的，因为这将需要增大线圈架的长度，增加了驱动器的重量和扬声器的大小，并且将需要增大线圈架和钢轭之间的间距，以避免操作期间的碰撞。

19、第二，由于与音圈中流动的电流的变压器式耦合，在速度感测绕组的端子处存在附加的互感电动势。速度感测绕组电压的更准确描述是：

20、

21、其中，m是音圈和速度感测绕组之间的互感，并且i是音圈中流动的电流。这种互感效应是众所周知的，并且污染典型驱动器中的感测信号到使有用的反馈带宽受显著限制的程度。图2示出了典型低电感扬声器的模拟速度感测绕组电压和组成emf，其中速度感测绕组直接缠绕在音圈顶部，并清楚地图示了高频下互感如何主导感测电压。在动生电动势和互感电动势具有相同值的频率下，感测信号中存在大幅下降。

22、根据下式，互感值取决于每个线圈的自感和两个线圈之间的磁耦合：

23、m＝k（lelesc)1/2        1.3

24、其中le是音圈的自感，lesc是速度感测绕组的自感，并且k是耦合系数，其具有在0和1之间的值，描述了来自耦合到一个线圈的另一个线圈的磁通量的比例。互感电动势与音圈和速度感测绕组匝数的平方成比例，而bl和(bl)sc与匝数成比例。这意味着，对于具有高音圈匝数的驱动器，互感电动势特别高。例如，图3(其示出了对于音圈和速度感测绕组之间具有高电感和强耦合的扬声器，所测量的速度感测绕组电压和实际速度(由激光测量))示出了，在一些情况下，速度信号完全被互感电动势淹没，使得音频质量很差，并且该布置不可用于感测音频带宽内的速度。需要一种速度感测运动反馈方法，其适用于所有扬声器，包括具有高电感音圈的扬声器，并且解决或改善了常规系统的问题。

技术实现思路

1、本发明基于这样的认识，即通过提供主要是径向的磁场以便激励音圈轴向移动，并且还沿音圈轴的至少一部分提供具有比主要是径向的磁场更高阶的圆周周期性的辅助磁场，可能的是提供一种速度感测布置，其相对紧凑、重量轻并且制造简单，并且不在相同程度上遭受常规速度感测运动反馈设备的问题。

2、因此，本发明提供了一种测量在磁场中往复运动的扬声器驱动器的瞬时速度的方法，该驱动器具有围绕线圈架同轴缠绕的音圈和围绕线圈架同轴布置的感测绕组，通过向音圈施加电信号来驱动驱动器以便沿往复运动轴往复运动，该方法包括：提供第一磁场，该第一磁场被布置并适于主要与音圈耦合；提供第二磁场，该第二磁场被布置并适于主要与感测绕组耦合；当第二感测绕组在第二磁场中轴向往复运动时，感测在第二感测绕组中感应的电压，其中第二磁场具有相对于往复运动轴为圆周的定向周期性，并且该定向周期性沿往复运动轴在线圈架的至少一部分长度上延伸。

3、以这种方式，磁路提供两种通量分布，一种几乎独立地与音圈和感测绕组中的每一个相互作用。第一通量分布相当于正常电机系统磁隙，其被优化以最大程度地与音圈耦合，具有基本上径向的场。第二通量分布被优化以最大程度地与感测绕组耦合。感测绕组被设计成使得它最小程度地耦合到第一磁通量集中区域，并且第二磁隙相对于音圈被设计和布置成使得音圈最小程度地耦合到第二磁通量集中区域。可以以若干种不同的方式体现的两个磁场(其中一些在下面描述)允许在沿扬声器轴的一个或多个位置处存在垂直于扬声器轴的平面中变化的总磁场，这继而使得能够采用不同的感测绕组布置以用于感测当扬声器在使用中时音圈线圈架的瞬时速度，并且这是对常规的速度感测运动反馈扬声器的改进。根据本发明原理的扬声器在感测电压/音圈速度关系中示出减小的非线性和极低的互感。

4、第一和第二磁场可以定位在沿轴的不同位置处。附加地或替代地，第一和第二磁场可以叠加。相对于往复运动轴抵消两个磁场有助于增加感测绕组的线性范围。叠加磁场准许更紧凑的设计。

5、这样的布置允许感测绕组被配置为使得当电信号被施加来驱动音圈时，它不与音圈生成的驱动磁场相互作用(诸如通过确保感测绕组在大体上所有点处都垂直于往复运动轴)。因此，音圈和速度感测绕组之间的耦合系数将接近于零，并且因此互感将接近于零。结果是，即使对于具有非常高电感音圈的驱动器，互感电动势也将接近于零，并且速度感测绕组电压由动生电动势信号主导。感测绕组优选地被配置为具有与第二磁场的圆周周期性相匹配的圆周周期性。

6、第一磁场相对于往复运动轴可以主要是径向的，并且第二磁场可以具有小的周向变化分量，使得当两个磁场叠加时，存在基线径向通量，并且周向行进时，存在径向通量略高于基线径向通量的区域，以及径向通量略低于基线径向通量的区域。如果两个磁场不是叠加的而是轴向分离的，那么第一磁通量在第一轴向距离上围绕磁隙的圆周大体上是恒定的，并且在周向上且在第二轴向距离上，第二磁场具有稍微正的径向通量的区域和稍微负的径向通量的区域。

7、另一方面，本发明还提供了一种扬声器，包括：围绕线圈架同轴缠绕的音圈，当电信号施加到音圈时，音圈和线圈架一起适于在磁体布置的间隙内沿往复运动轴往复运动，以便使连接到线圈架的声学振动膜沿往复运动轴往复运动并辐射声能，音圈沿轴和线圈架延伸第一距离；以及感测绕组，其围绕线圈架同轴布置并且沿往复运动轴延伸第二距离，其中磁体布置适于并且被配置为生成两个磁场，第一磁场主要用于驱动音圈往复运动并轴向邻近第一距离定位，并且第二磁场轴向邻近第二距离定位并且适于主要与感测绕组耦合，并且其中感测绕组以偶数个环的形式围绕线圈架的圆周布置，这些环围绕线圈架的圆周分离地设置，但是电连接以形成单个绕组，每个环围绕大体上垂直于往复运动轴的环轴而延伸。

8、线圈围绕线圈架圆周的位置为感测绕组提供了圆周周期性的灵敏度；该灵敏度周期性优选地与第二磁场的周期性相匹配。

9、第一和第二磁场以及第一和第二距离在往复运动轴的方向上可以不重叠(而是沿往复运动轴抵消)，或者第一和第二磁场以及第一和第二距离可以在往复运动轴的方向上重叠。如上面所解释的，抵消或叠加磁场每个具有其优势。

10、第二感测绕组可以在线圈架的外表面上形成在一层或多层中，所述一层或多层包括围绕线圈架周向设置的多个单独的线圈，每个线圈包括围绕环轴延伸的多个相邻匝。线圈架的外表面可以包括线圈架的径向最外表面和/或其径向最内表面。周向相邻的线圈可以围绕它们相应的轴以交替的方向转动，以便与径向通量幅值的变化对齐，该变化可以由第二磁场中交替的径向磁极性产生。周向不变的初级场和音圈场可以在个体环内导致感应电压，但是由于环的交替极性，将不会从由环形成的次级绕组产生净emf。

11、两个或更多个线圈可以提供在叠加的相邻层中，或者它们可以叠加，其中大多数匝被提供在单一层中，并且每个匝的一小部分在第二相邻层中提供交叉路径，在该交叉路径中一个线圈的匝与另一个线圈的匝交叉。

12、感测绕组可以包括两个或更多个印刷层，其中一层中的印刷线圈围绕往复运动轴与相邻层中的印刷线圈周向对齐。优选地，每个线圈的一部分垂直于往复运动轴对齐，并且每个线圈的该部分中的匝相对于往复运动轴可以彼此间隔开的距离大于形成该线圈其余部分的匝。这允许灵敏度系数(bl)sc在感测绕组位置的非常宽的轴向范围内保持大体上恒定。第一距离优选小于第二距离，这有助于保持感测绕组的灵敏度沿往复运动轴恒定。

13、磁体布置可以包括用于生成第一和第二磁场的单独的第一和第二磁体，或者可以存在适于生成与组合的第一和第二磁场等效的场的单个整体磁体。

14、在另外的方面，本发明还提供了一种用于围绕其同轴缠绕扬声器音圈的线圈架，该线圈架和音圈适于在磁体布置中的间隙内沿往复运动轴往复运动，以便使连接到线圈架的声学振动膜沿往复运动轴往复运动并辐射声能，该线圈架包括形成在线圈架的外和/或内表面上、一个或多个印刷电路层中的感测绕组，所述印刷电路层包括围绕线圈架周向设置的多个单独的感测线圈，每个感测线圈包括多个相邻的匝，该感测线圈围绕线圈架的圆周分离地设置，但是电连接以形成单个绕组，每个感测线圈围绕大体上垂直于往复运动轴的环轴而延伸。

15、这样的布置对于在由磁体布置创建的磁隙中作为速度感测绕组来操作是理想的，该磁体布置适于并被配置为生成两个磁场，第一磁场主要用于驱动音圈往复运动，并且第二磁场轴向邻近第一磁场定位并适于主要与感测绕组耦合。线圈架可以包括两个或更多个印刷层，一层中的印刷线圈与相邻层中的印刷线圈围绕轴而周向对齐。每个线圈的一部分可以垂直于往复运动轴对齐，每个线圈的该部分中的匝相对于往复运动轴彼此间隔开的距离大于形成该线圈其余部分的匝。