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輕薄短小潮流興　超薄型喇叭技術廣受矚目

2009-03-31

高聖弘

不管是以電視機為主的家用影音設備，或是以手機為主的可攜式電子產品，對於喇叭微型化的要求皆與日俱增。因而使得各家廠商紛紛投入超薄型喇叭的研究，也使得相關電聲元件吹起一股超薄型浪潮。

在外觀設計美感當道的今日，所有電子產品的設計都趨向超薄型發展。例如在家用電視從陰極射線映像管(CRT)進化到電漿顯示器與液晶顯示器的過程中，雖然顯示面板的尺寸越做越大，但系統設計製造商安置喇叭的空間反而為了強調大畫面效果與產品美觀，藉此改善產品的賣相的緣故更形縮小，因此隨著顯示器尺寸越來越大，微型或超薄型喇叭反而變成市場主流。

以手機為主體的可攜式產品，由於系統本體薄型化的結果，同樣使得製造商必須在更狹窄的空間內設置喇叭。這個趨勢在日系手機上最為明顯，由於日系手機已普遍內建單波段(One Segment)收訊功能，因此其系統內部可供設置喇叭的空間更形狹隘。

以往超薄化喇叭大多採用兩個已經著磁的對向磁石，形成可以避免磁性洩漏的夾層型磁性電路，以及利用平面線圈驅動的平面狀振動平板等設計方式。

新世代超薄型細長化喇叭的厚度是傳統喇叭的四分之三，橫向寬度則降低二分之一，為滿足攜帶型電子機器超薄化要求，兩個個磁石呈斜向設置，構成斜向磁性電路，喇叭整體厚度只有1.5毫米。本文將鎖定AV電子機器與可攜式電子產品用喇叭薄型化技術，以及細長型化麥克風的動作特性。

傳統架構已達極限　三明治架構成明日之星

在影音設備所使用的細長型喇叭部分，以往細長錐體振動板的中央部位大多採用圓筒狀音圈驅動的長圓形揚聲器，在這種結構X方向剛性不足的限制下，不易獲得低頻再生效果。由於傳統喇叭的磁性電路設置在振動板的下方，造成喇叭超薄化非常困難，因此研究人員將振動板與音圈平面化，賦予平面音圈更高效率的磁界，開發全新的磁性電路結構。

圖1是傳統喇叭與新型細長型喇叭(Slim Speaker)的斷面結構比較。新開發磁性電路，設置在中央部位的平面狀振動板有磁性間隙，呈上下對稱狀三明治結構。圖2顯示這種架構所配置的兩顆磁石採用同極對向設置，形成相互排斥的磁場，彼此呈相互排斥的磁束，則從垂直方向(Z)變成水平方向(X)。圖2中的等高線圖則是磁束密度分布計算結果，圖左側是磁性電路中心，由圖2可知磁性空隙的中央部位振動板上下設有線圈，可以獲得水平方向方向變化的磁束，以及與音圈內部流動電流呈直交的驅動力。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖1　傳統與新型細長型喇叭的斷面結構比較

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖2　挾層型磁氣電路的磁束密度分布

夾層型磁性電路若與使用相同體積的傳統內磁型電路比較，前者的磁束密度非常高，因此可作高能率再生，且具備平面狀振動板驅動點最佳化的特性。

振動板設計亦為喇叭薄型化關鍵

如前所述，相較於傳統喇叭所使用的振動板，薄型喇叭的平面振動板剛性更低，因此在再生頻域的寬廣度方面較差。為了實現更寬廣的再生頻域，研究人員必須開發出可有效抑制振動板共振的最佳化驅動方法，因此研究人員應用有限元素分析法，進行可以抑制共振模式的驅動位置最佳化設計(圖3)。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖3　夾層型磁氣電路的磁束密度分布

為簡化分析過程，研究人員排除音圈與黏著劑等要因，分析時只將振動板模型化，計算驅動點與再生音壓頻率特性。圖4是頻率反應特性的計算結果，它是針對驅動振動板中央線(o－o)，以及只作中心C點驅動時的音壓頻率特性，分析時對節點施加0.5牛頓的驅動力。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖4　頻率反應特性的計算結果

根據分析結果顯示，X方向全面驅動時可以抑制X方向的共振模式，而且頻率反應特性相當平坦，不過此時會出現2.8kHz與9.8kHz的峰值低點(Peak Dip)。圖4同時還顯示2.8kHz時的振動模式計算結果，由圖可知它是將圖3的中心線a－a'標示的短邊，重疊至短柵狀變形前後的圖案上，振動模式是Z方向，亦即短徑方向a－a'的第一次共振模式。

此處將振動板的驅動位置與第一次共振模式的兩個節(變形前後圖案的交線)整合，就可以實現第一次共振模式無法表現的寬頻域音壓頻率特性平坦化(圖5)，至於9.8kHz的振動模式，就是節變成四個短徑方向a－a'的第二次共振模式。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖5　最佳化驅動時的頻率反應計算結果

為提升再生頻域的寬廣度，提高振動板Z方向的剛性實屬必要。研究人員將圖5的第二次共振頻率移動至更高頻率，藉此開發出高剛性振動板。此外，為提高音圈厚度範圍內的振動板剛性，研究人員還刻意在振動板平坦部位，製作複數個凹凸面的補強骨架(Multi-rib)(圖6)。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖6　設有Multi-rib的振動膜片俯視圖

上述有限元素分析並未將音圈與黏著劑的影響納入考量，但為了提高分析精度，必須將包含音圈、黏著劑在內所有元件都納入計算模型，再作有無補強骨架的喇叭音壓頻率特性比較。換言之，本計算結果已經將音圈承受的電磁制動，以及振動板背面音響阻抗造成的制動效應全部列入考慮。圖7是輸入功率達1瓦時，軸上1公尺的音壓頻率特性。為進行比較，圖中無補強骨架的計算值，是已經降低10dB音壓強度後的特性。由圖7可知無補強骨架時，高音域的再生頻率界限為10kHz，增加補強骨架後，再生頻率即可擴大到17kHz。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖7　有無Multi-rib的頻率特性計算結果

超薄型喇叭性能更卓越

研究人員應用上述薄型、細長型化技術，開發圖8所示，外形尺寸寬16毫米×長75毫米×厚10毫米的喇叭模組「Sound Slim Speaker」，該喇叭模組的特性與傳統直徑4公分圓型喇叭相同。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖8　傳統型與細長型喇叭的音壓強度比較

圖8是傳統型喇叭與Sound Slim Speaker的音壓頻率特性的實測強度比較，測試條件是將喇叭模組固定在JIS Box，麥克風設置在待測物1公尺外，接著再施加1瓦電力進行測試。

新世代超薄型細長化喇叭的厚度是傳統喇叭的四分之三，橫向寬度則降低二分之一，整體外形呈細長型，透過高剛性振動板與節模式驅動，傳統喇叭的高音域的再生界限頻率只有10kHz，新世代超薄型細長化喇叭，可以擴大到15kHz寬頻域。除了頻域更廣外，透過夾層型磁性電路的幫助，超薄型喇叭可以更有效利用磁石磁束，使其音壓強度比傳統喇叭提高3dB左右。

由於上述家庭影音設備用的「Sound Slim Speaker」大幅削減振動板的大小，因此其再生音域可提高到40kHz，具備超高音喇叭(Super Tweeter)再生特性。如果增加振動板的大小，還可以製成薄型、擴大低音再生特性界限的中音域(Mid Range)喇叭。

薄型需求更為嚴苛傾斜式架構應運而生

以手機為主的可攜式裝置大多使用如圖9左側，圓形直徑為16毫米小口徑喇叭單體，但為了確保音量輸出足夠，必須具備能夠使振動板充分振動的驅動力，以及振動板不會與磁性電路衝突的充分振幅空間，亦即振動板的振幅裕度。

資料來源：panasonic技報Vol.54 No.4
圖9　行動電話用喇叭的斷面結構

然而，傳統結構的喇叭如果直接進行薄型化，就無法確保驅動力與振動板要求的振幅裕度，其結果造成音壓強度會急遽降低。一般認為傳統喇叭薄型化的極限是3毫米。如要在不犧牲音壓強度的前提下實現更薄型化的喇叭，必須開發全新的磁性電路與振動板結構。

由於夾層型磁性電路在大尺寸電視所使用的薄型喇叭上有著極優異的性能表現，因此不少研究團隊曾經深入探討該架構的可行性。不過，由於手機用的喇叭必須具備更薄的外觀尺寸，採用將兩個磁性電路在Y軸厚度方向堆疊的夾層型磁性電路如果要達成如此薄型化的設計，由於磁石會變得非常薄，其結果就是造成驅動力不足、不易維持音壓強度等諸多問題，因此研究人員獲得結論，認為電視用的夾層型架構無法應用在手機喇叭上。

從水平方向作傾斜設置，便成為釜底抽薪的妙計。如圖9右側所示，藉由將磁石在水平方向上作傾斜設置，避免磁性電路在Y軸厚度方向堆疊，研究人員開發出一種名為斜向磁性電路(Oblique Magnetic Circuit, OMC)的特殊設計。至於在振動板部分，設計人員則開發出凹凸型振動板，除了可以確保必要的振幅裕度之外，還可實現可攜式設備用的薄型喇叭。

斜向磁性電路是將磁石設置在中央與外側，藉此確保充分的體積。由於外側的磁石會使磁極方向變成水平方向，再與外側的軛(Yoke)作磁性結合，因此斜向磁性電路可以大幅提高磁石的動作點與磁性效率。

振動板為確保充分的振幅裕度，配合磁石的設置結構，中央部位呈凸狀，外側呈凹狀，若與圖9左側傳統磁性電路比較，以往未作磁性利用的點線部位的空間可以設置磁石，因此喇叭薄型化時振動板驅動力不足問題即可獲得徹底改善。

圖10是傳統磁性電路與斜向磁性電路內部的磁束流動特性比較，由圖可知相較於傳統方式，振動板與軛之間幾乎呈直線性磁束分布，新型斜向磁性電路的磁束則作曲線描繪。