论文总字数：31388字

摘 要

目前，为了适应智能手机、平板电脑、可穿戴设备等移动数码产品日趋薄型化和轻量化的潮流，无磁化、平面化、超薄化、柔性化是受话器（扬声器）研究中几个值得重视的方向。

本课题将传统的动圈式受话器（扬声器）结构进行了改良，基于载流密绕线圈间相互作用的原理，旨在国内目前材料发展的过渡期，实现一种与现有工艺兼容的，易于无磁化、平面化、超薄化、柔性化的非磁钢系统平面受话器（扬声器）设计方案。

课题主要从非磁钢系统平面受话器（扬声器）原理分析论证，样品实际生产，以及与之相应的专用驱动电路（芯片）设计这三方面进行研究。首先对受话器（扬声器）的结构进行了数学建模与数值仿真，并对磁钢进行了实际测量；基于测量结果与公司现有产品，制造了受话器（扬声器）样品；针对其特有的结构，进行了专用驱动电路的设计与PCB测试板的制作；对电路进行实际调试并对样品进行了声学参数的实际测量；最后，利用Cadence软件进行了芯片电路的设计工作。本课题主要对非磁钢系统平面受话器（扬声器）的设计进行了前期的原理性的验证工作，使该原理的进一步应用成为可能。

关键词：非磁钢系统，受话器（扬声器），样品生产，频响测量，驱动电路（芯片）

Abstract

At present, in order to adapt to the new trend in the thinner and lighter design of mobile digital products such as smart phones, tablet computers and wearable devices, non-magnet, planar, ultra-thin and flexible applications are four research fields that are of great importance to researchers.

Based on the principle of interaction between current-carrying coils under dense winding condition, this undergraduate thesis project made some improvements to the traditional moving-coil receiver (loudspeaker). These improvements are aimed at realizing one type of non-magnet system planar receiver (loudspeaker) in China's current transition period of material development, which is compatible with existing manufacture process and can be easily designed to realize non-magnet, planar, ultra-thin and flexible applications.

This undergraduate thesis project mainly conduct researches from this three aspects: analysis and argumentation for principle of non-magnet system planar receiver (loudspeaker), actual manufacturing of receiver (loudspeaker) samples, corresponding application-specific driving circuit (chip) design. Firstly, a mathematical model of receiver (loudspeaker) is established and some numerical simulations are conducted. The magnet's practical measurement of magnet field is also conducted. Secondly, based on test results and company's existing products, the receiver (loudspeaker) samples are manufactured. Thirdly, on account of its unique structure, the application-specific driving circuit is designed and the PCB test board is made. Then, the circuit is practically tested and the acoustic characteristics of receiver (loudspeaker) samples are measured. Lastly, with the help of Cadence, the chip of driving circuit is designed and simulated. This undergraduate thesis project mainly conduct early theoretical verification of the non-magnet system planar receiver (loudspeaker) design, which enables this principle's further applications.

Keywords: non-magnet system, receiver (loudspeaker), sample manufacturing, frequency response measurement, driving circuit (chip)

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 非磁钢系统平面受话器（扬声器）研究现状 1

1.3 本课题研究目的和主要内容 2

第二章 原理分析与论证 5

2.1 系统建模 5

2.1.1 载流密绕线圈精确模型 5

2.1.2 共轴载流密绕线圈精确模型 5

2.1.3 磁场分布与磁力精确解析表达式计算 6

2.1.4 共轴载流密绕线圈近似模型 7

2.2 磁场分布数值仿真 9

2.3 实验测量 10

2.4 载流线圈绕线及结构设计 11

2.5 本章小结 12

第三章 样品设计与实际生产 13

3.1 绕线方案的实际参数仿真 13

3.2 非磁钢系统平面受话器设计 13

3.3 非磁钢系统平面扬声器设计 15

3.4 载流线圈相互作用原理在新型受话器（扬声器）中的应用 16

3.5 本章小结 18

第四章 专用驱动电路设计与仿真 19

4.1 音圈驱动方案 19

4.2 线圈驱动方案 20

4.2.1 直流驱动 20

4.2.2 音频交流驱动 21

4.2.3 直流与音频交流混合驱动 22

4.2.4 音频全波整流驱动 24

4.2.5 直流与音频全波整流混合驱动 28

4.3 本章小结 29

第五章 专用驱动电路制作与样品实际测试 31

5.1 PCB测试板设计与制作 31

5.1.1 电源电路 31

5.1.2 音圈与线圈驱动电路 33

5.1.3 电路切换方式 34

5.2 测试电路调试结果 34

5.3 耳机样品参数测量及最终方案 35

5.3.1 参数定义 36

5.3.2 参数测量结果 36

5.4 最终方案 37

5.5 本章小结 38

第六章 专用驱动芯片设计与仿真 39

6.1 轨到轨运放单元设计 39

6.1.1 轨到轨输入级 39

6.1.2 轨到轨输出级 40

6.1.3 轨到轨运放单元整体设计 41

6.2 专用驱动芯片电路设计 41

6.2.1 精密全波整流前级 41

6.2.2 同相比例中间增益级 42

6.2.3 共漏功率放大级 42

6.3 精密全波整流与驱动级芯片电路前仿真 42

6.4 本章小结 42

第七章 总结与展望 43

7.1 全文总结 43

7.2 未来工作展望 44

致谢 45

参考文献 46

附录 47

附录A 物理系田家炳楼BDG-1型数字式高斯计 47

附录B 测试板PCB原理图 47

附录C 集成电路学院创新实验室焊接调试台 48

附录D 美律电子公司样品灵敏度、频响特性测量平台 48

附录E 耳机样品图与PCB实物图 50

附录F 驱动芯片中轨到轨运放单元的Cadence电路图 51

绪论

1.1 课题背景与意义

受话器（Receiver）和扬声器（Loudspeaker）均是把电信号转变为声信号的电声器件。对于音响效果而言，与之相应的耳机和喇叭，均是音响设备中最重要的部件。目前，无磁化、平面化、超薄化、柔性化是受话器（扬声器）研究中几个值得重视的方向。

永磁性部件（磁钢）是传统的电磁式受话器（扬声器）结构中不可或缺的部分，通常会占据受话器（扬声器）内非常大的空间。此外，传统的受话器（扬声器）一般采用锥体振膜。因其固有的几何形状，它不可避免地存在着前室效应和分割振动的现象，致使频响特性变坏。以上因素均进一步限制了受话器（扬声器）小型化的实现以及其音效的进一步提升。

传统的受话器（扬声器）主要有动圈式、动铁式、等磁式、静电式等结构^[1]。为了适应智能手机、平板电脑、可穿戴设备等移动数码产品日趋薄型化和轻量化的潮流，各种利用新材料、新结构设计而成的“可挠式超薄型”^[2]、“碳纳米管薄膜型”^[3]和“压电薄膜型”^[4]等新型电声器件便应运而生。但是，目前这些受话器（扬声器）仍处于研发试用阶段，与现有工艺不兼容，成本较高，并且频响特性仍无法与传统的受话器（扬声器）相媲美，故其距高音质、低成本的产品化、平民化仍需较长的发展时间^[2-4]。从结构改良角度出发，在国内目前材料发展的过渡期研究出一种频响特性较好、低成本、平民化、与现有工艺兼容、同时适应超薄柔性化新潮流的过渡产品是非常有意义的。

本课题将传统的动圈式受话器（扬声器）结构进行了改良，并设计了相应的专用驱动电路（芯片），旨在实现一种与现有工艺兼容的，易于无磁化、平面化、超薄化、柔性化的非磁钢系统平面受话器（扬声器）方案。课题主要从非磁钢系统平面受话器（扬声器）原理分析论证，样品实际生产，以及与之相应的专用驱动电路（芯片）设计这三方面进行研究，主要的目标是对非磁钢系统平面受话器（扬声器）的设计进行前期的原理性的验证工作，使该原理的进一步应用成为可能。

1.2 非磁钢系统平面受话器（扬声器）研究现状

对于无磁化设计，与传统的电磁式受话器（扬声器）相比，非磁钢系统设计可以摆脱对稀土永磁体的依赖，并且实现对国外专利壁垒的突破，有助于国内相关受话器（扬声器）产业的进一步发展。同时，该设计解放了原来被磁钢所占据的空间，易于实现器件的小型化。对于平面化要求，平面振膜设计可以消除前室效应，并且由于其均匀受力，可最大程度地抑制分割振动的产生，进一步提升音质。

为了适应日趋薄型化和轻量化的新潮流，受话器（扬声器）的设计者们主要从材料改良和结构改良两方面进行新型受话器（扬声器）的设计与改良。

其中，材料改良的成果中较为经典的有：2008年，清华大学成功利用热声效应研制出碳纳米管薄膜扬声器^[3]；2013年，日本京瓷（Kyocera）公司宣布成功研制出“Smart Sonic Sound”压电薄膜超薄扬声器，厚度仅1mm^[4]。对于结构改良，2007年，台湾工研院对静电驻极体式扬声器进行改良，成功研制出“纸喇叭”，即可挠式超薄扬声器^[2]；另外，就是本课题的相关研究，一种动磁式平面超薄柔性受话器（扬声器），利用载流线圈之间的相互作用而发声，相关发明专利已获授权^[5-8]，其他与之关联的专利也已在审核阶段。

以上四种方案均是属于非磁钢系统平面受话器（扬声器）的设计范畴。但是，对于前三种而言，存在上文提及的与现有工艺不兼容、频响特性有待提升等问题，需要在未来的研究中予以克服。第四种方案正是本课题所采用的方案，该方案仍处于理论研究阶段，并未进行实际生产，本课题所做的工作正是对其进行前期的原理性的验证工作。与本课题相关的理论分析论文已经在“2014年声频工程学术交流年会 (AESC)”中进行了汇报^[12]，并在国内电声行业核心期刊《电声技术》中进行了发表^[13]；此外，与之相关的专利“一种动磁、平面涡旋多层联结式超薄受话器（扬声器）”和“一种柔性可弯曲超薄受话器（扬声器）”已经提交专利局审核，并已通过补正等程序。

本方案对传统的动圈式受话器（扬声器）进行了改良，去除了占体积较大的磁钢部分，采用载流线圈间相互作用的方式发声。根据目前从专利局了解的情况来看，虽然线圈间相互作用的原理已被运用到各种基于电磁效应的仪器设备中，但将其应用到电声器件中实现发声应属首创，因此本课题具有一定的新颖性和探索性。该方案与现有的动圈式受话器（扬声器）工艺兼容，并且继承了动圈式受话器（扬声器）频响特性较好的特点。并且，基于该原理所制成的受话器（扬声器），易于实现进一步的无磁化、平面化、超薄化和柔性化，在国内目前材料发展的过渡期具有良好的发展前景。但是本方案与前三种一样，会存在研究初期处于研发试用阶段、成本较高等问题，不过与前三种相比，相信本方案能更快地进行克服，并且更快地融入到现有的生产工艺之中，从而降低成本，实现最终的产品化。

1.3 本课题研究目的和主要内容

为了适应目前受话器（扬声器）无磁化、平面化、超薄化、柔性化的发展潮流，在国内目前材料发展的过渡期研究出一种与现有工艺兼容，并且具有较好的频响特性的受话器（扬声器）是本课题的最终的长远目标。但是，考虑到研究初期成本较高等问题，本课题的重点是对其进行前期的原理性的验证工作，并尝试生产相应的样品，设计相应的专用驱动电路（芯片），最后进行原理性的参数测试与比较。虽然无法达到产品化的要求，但是对其设计原理的可行性验证还是具有相当重要的意义的。本课题的合作单位主要有东南大学集成电路学院和物理系，以及深圳华玮旭电子和美律电子等公司。本课题主要从非磁钢系统平面受话器（扬声器）原理分析论证，样品实际生产，以及与之相应的专用驱动电路（芯片）设计这三方面进行研究，具体工作如下：

(1) 理论分析。学习传统受话器（扬声器）的基本物理原理，了解其指标参数，进而掌握利用载流线圈相互作用而形成非磁钢系统平面受话器（扬声器）的原理，并会对其进行基本的力学、声学、电磁学等的分析。

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