本文探討在一定功率下，我們希望好的揚聲器其聲壓值和輸入的能量 呈線性關係。由文獻[15]可知大功率的輸出將影響揚聲行為，其中包括了場 磁鐵的磁場非線性分布、彈性支承的幾何非線性、聲場的非線性流體分布 等，本文專注於彈性支承：懸邊和接腳的幾何非線性問題，由不同的設計 來改善彈性支承的線性勁度，以利增加揚聲器的作動衝程。故以下為討論 不同設計的改善，並且對於揚聲行為的助益。
5-1 彈性支承：接腳
傳統彈波的使用，易受揚聲器本身設計而侷限住外型和效能，且使用 布類材質將隨著時間而變質，抗疲勞程度也隨之降低。本文研究的平面式 揚聲器在加強振動板往復運動中，使用複合材料接腳來代替傳統彈波，扮 演著質輕、耐用、穩定、高度線性勁度的角色，其利用空間上有大大的優 勢，因應不同形狀的外框，設計適當的接腳進行組裝，因此本文將探討不 同設計的接腳受到大變形時，非線性的位移量是否和線性差異大，而導致 平面式揚聲器在大瓦數輸出時，接腳影響振動板的揚聲行為。
5-1.1 2-D 接腳
接腳的設計可分為 2-D 與 3-D 兩種規格，2-D 接腳係由一懸臂樑 為基本的規格，而懸臂樑在大變形下會產生剛度硬化的現象，不是個 線性度佳的彈簧，故本文設計片狀接腳來做分析，如圖 3-7 所示，片狀 接腳係由數個懸臂樑組合而成，可增加衝程並配合空間上的使用。圖 5-1(a)、(b)皆由數個片狀懸臂樑組成，雖可增加衝程距離但依舊表現出 剛度硬化情形。因此，最後將懸臂樑往內做延伸的設計，如圖 5-1(c) 所示，由靜力實驗得出彈簧常數為81 (N/m)，將其接腳搭配 D7-D5-H1 懸邊由聲壓實驗測得 Fo 為 98.9Hz，此設計除了增加支承的變形量，由
圖(5-3)、表(5-1)可看出 5mm 的衝程內其非線性程度皆在 10%以內，但 為求更好的線性衝程，我們考慮 3-D 的立體設計。
5-1.2 3-D 接腳
3-D 接腳設計先於考慮簡單的ㄇ字型設計，如圖 5-2(a)所示，可得 出呈現剛度軟化的曲線，其線性範圍也較不佳，且在正、反方向的彈 性係數差異大，導致往復運動不對稱，使聲音聽起來會有跳動的情形。
因此考慮了以圓弧代替懸臂樑的設計，如圖 5-2(b) 所示，將圓弧設計 為同一方向呈現的勁度和ㄇ字型設計相差不大，由於圓弧受到拉和壓 的往復運動中，會呈現出不同的剛度變化。因此，利用不同的圓弧方 向設計不僅可以增加衝程，而且觀察出不同方向的圓弧組合，可相互 抵銷剛度軟化的現象，而提升了線性衝程，由圖 5-2(c)所示，但在正、
負方向的勁度不一樣，原因為圓弧半徑設計不同。
因此最後以同半徑的波浪造型為我們 3-D 接腳設計，圖 5-2(d)所 示，在勁度的對稱性方面有明顯的改善。由靜力實驗得出彈簧常數為 93 (N/m)，將其接腳搭配 D7-D5-H1 懸邊由聲壓實驗測得 Fo 為
113.9Hz，和片狀接腳相差不大。由圖(5-3)、表(5-1)可看出，相較於 2-D 設計的片狀接腳，3-D 的波浪接腳在 5mm 的衝程下，差異值皆在 5%
以內，此接腳設計更加符合本文所期待的高度線性支承。
5-2 彈性支承：懸邊
一般揚聲器皆使用懸邊來固定振動板，而懸邊的勁度較接腳的大，因 此扮演著重要的彈簧角色。由第三章選定了PU 材料為我們懸邊的材質，並 由有限分析軟體確立其材料常數，來做未來分析的數值。
5-2.1 傳統懸邊
圖(5-4)為平面式揚聲器的傳統懸邊，因應狹長型的振動板，設計 為長 100mm 和寬 20mm 的尺寸，在半圓設計為固定直徑 5mm。由第 四章非線性靜力分析方法中可將此尺寸的模型帶入，得到力與位移關 係，如圖 5-5 所示，這裡我們觀察其非線性程度表(5-2)，差異值為靜力 線性分析與非線性分析之間的差異百分比，可以觀察出傳統懸邊的設 計在超過 2mm 的衝程，其差異程度超過 10%。另外，傳統設計上都會 有剛度硬化的現象，也就是說隨著位移增大，勁度 K 值也會越來越大，
導致高功率輸出時位移無法推出去，發聲行為受到限制而有聲壓衰減 的現象。所以傳統的設計以不敷本文的期待，以下為改變不同幾何形 狀，對於改善非線性現象的所作出的貢獻。
5-2.2 改變懸邊圓弧處設計
傳統懸邊的設計已不符合本文期待的，具有高度線性的勁度關 係，故進行提高線性範圍的形狀設計。考慮了懸邊在揚聲器扮演的重 要彈簧角色，所以彈簧是否均勻分布，將影響揚聲板邊緣處在往復運 動所受到的力是否均勻。
因此，我們改變圓弧處的半圓半徑為 7mm，重新設計成新的 D7-D5 懸邊，如圖5-6 所示，利用 ANSYS 做簡諧激震來看 D7-D5 懸邊，並抓 揚聲板上三點的振幅量 A、B、C，如圖(5-7)所示，可看出在 Fo 的頻率 下揚聲板為一剛體運動，而三個點的振幅卻相差甚大，故在圓弧處和 直線處的振幅量受到勁度不同的影響。由表(5-3)可看出和傳統設計相 比較，差異值由 9.63%降低至 9.17%，此設計可改善圓弧處的非線性位 移。但若增加圓弧處的半圓半徑勢必減小揚聲板的面積，而使聲壓值 降低，因此在不影響聲壓下改善半圓半徑就得改變外框的設計。
由表(5-4)可看出 D7-D5 直線處的非線性現象依舊沒有減低，和傳 統 D5 懸邊相近，對於剛度硬化現象並無改善，因此考慮了最後的懸邊 設計。
5-2.3 改變懸邊高度設計
D7-D5 懸邊雖能改善彈簧均勻分布的情形，其非線性現象和傳統 設計D5 懸邊一樣，可想到的原因為圓弧設計的形狀，雖然較平面式的 彈性支承(如懸臂樑)有較大的線性衝程表現，但在大衝程下非線性位移 依舊無法改善。因此，考慮了揚聲板既有的尺寸與外框的配置，在不 改變揚聲板面積下考慮了提高懸邊的高度來做設計。
圖(5-8)為兩種不同的墊高設計，半圓的直徑在直線處 5mm，圓弧 處依舊7mm，另外墊高 1mm 和 2mm 來做分析，由上視圖可發現墊高 2mm 的設計在圓弧處類似垂直的變形量，而 1mm 設計是較有弧度的變 形，並且由剖面圖可發現1mm 變形時呈現 s 形狀，更能增加變形量，
因此墊高 2mm 設計在超過 2mm 的位移量其正反方向的勁度呈現較不 對稱的情形，呈現軟化現象。由勁度圖來看可觀察出墊高設計確實能 夠改善非線性曲線，但高度設計有一定的極限值，最後考慮了墊高1mm 的設計，如圖(5-9)所示，與以上兩種設計相比較，如圖(5-10)所示，新 設計改善了剛度硬化的現象。整理成數據來看，如表(5-5)所示，在 5mm 的衝程內差異值皆在 10%以內，已經符合本文的期待，另外，在 4mm~5mm 的衝程有剛度軟化至剛度硬化的現象，由圖(5-11)可觀察在 相 近 的 位 移 下 懸 邊 的 剖 面 圖 ，D5 變形處是較平滑的形狀改變，
D7-D5-H1 的變形處是呈現一個 S 型的形狀改變，由此可見新墊高的設 計，改變了傳統波浪在變形時的形狀改變，提高了線性衝程，但在4mm 處能有接近10%的差異值，不過相對於傳統的懸邊設計已有改善。
5-3 彈性支承非線性行為與聲傳影響
由靜力實驗和非線性的靜力分析來對彈性支承做分析後，可以找出符 合本文期待的高度線性衝程的彈性支承組合，接下來要探討其組合的揚聲 行為。
好的彈性支承其正、反方向的彈簧常數要相近，若勁度值相差太大導 致揚聲板往復運動不對稱，將會使揚聲器的聲音聽起來有跳動的感覺。觀 察新設計的D7-D5-H1 懸邊在正反方向的勁度關係圖，如圖(5-12)所示，正、
負方向的勁度差異在7%左右，為可接受的範圍。
為探討彈性支承組合的揚聲行為，我們將三種不同組合來做聲壓實 驗，給定不同電壓值來求得聲壓無因次化的數值，並和線性的振動響應來 做比較，線性減去非線性值的比例為我們觀察的聲壓差異值，如表5-6 所 示。比較傳統錐盆式喇叭的設計和使用片狀接腳與D7-D5-H1 懸邊組合的揚 聲器，差異值相近，傳統錐盆喇叭皆為高衝程的設計，可看出此組合已可 滿足一般市面上的高衝程揚聲器。最後我們使用最佳線性衝程的波浪接 腳，可看出差異值皆為10%以內，其聲壓的線性程度已超越傳統揚聲器，
而其中差異值在2V 處較接近 10%，可看出波浪接腳線性程度佳，而 D7-D5-H1 懸邊的非線性現象影響了揚聲行為，剛度的變化改變了聲壓輸 出。
第六章 結論與未來研究方向 6-1 結論
揚聲器在每個功率輸出下的聲壓值並不為線性的響應，反而是隨著能 量增加聲壓值衰減的現象。本文主要研究如何設計彈性支承，來減低受幾 何非線性行為而使勁度產生的非線性差異度，然後近一步改善聲壓輸出的 線性響應。
彈性支承分為兩部分：接腳和懸邊，本文利用非線性靜力分析與實驗 做驗證，來探討彈性支承的最佳設計。接腳方面，2-D 設計的片狀接腳利用 懸臂樑的組合，來增加衝程和改善非線性現象，由最後的設計確實改善了 非線性差異度，並且使聲壓的差異值和傳統錐盆喇叭相比擬。3-D 接腳最後 利用波浪設計成功減低非線性差異值，位移量的線性表現較2-D 設計佳，
並由均勻的波浪設計可改善勁度的對稱性，使得揚聲板能夠穩定的往復運 動，並且使聲壓的差異值減至最低。2-D 接腳較 3-D 接腳有著正反勁度對稱 的優勢，故未來若要設計高衝程，可考慮增加懸臂樑的路徑組合，利用不 同的平面幾何形狀來增加線性範圍。3-D 接腳線性表現較 2-D 接腳佳，未來 可考慮加大波浪半徑和波浪個數來增加衝程，並研究其中形狀和尺寸間的 參數組合，來提升高衝程的線性程度。
懸邊方面，D7-D5 懸邊改變了圓弧處的半圓半徑，有助於彈簧均勻分
懸邊方面，D7-D5 懸邊改變了圓弧處的半圓半徑，有助於彈簧均勻分