平面揚聲器振動板主要以振動板的剛體運動與振動板的變形兩種效應 產生聲音，也因為激振器推動振動板，使振動板表面元素推動空氣產生振 動，進而產生聲壓。由於振動板之振形有凹有凸(如圖 5.1)，所以產生之空 氣速度亦有正有負，因此聲壓才有高低起伏的現象。一般在1000Hz 左右會 產生一個起伏較大的聲壓變化，稱之為中音谷，在一條平滑的聲壓中，中 音谷的出現將使聲音在此部份聲壓下降，導致揚聲器無法表現出所有頻率 的聲音而影響揚聲器的品質。
揚聲器單體的基本結構(如圖 5.2)可分為振動板、音圈、磁鐵、懸邊以 及彈波。由電磁學的電能轉為力學能的公式為
F=IBL (5.1)
其中F 為激振力(N)，B 為磁場大小(Tesla)，I 為電流大小(A)，L 為線圈長(M) 振動板由音圈電磁力產生推力F，來激振揚聲器振動板。而懸邊與彈波主要 功能為維持揚聲器穩定振動，也是影響揚聲器彈性係數的主因。
在剛體運動方面，可由振動學的單一自由度公式：
M K 2π
1
0 =
f (5.2)
估算最低共振頻率 ，其中 K 為系統之彈性係數、M 為系統質量。聲壓-頻率曲線在 之後開始有較平穩的聲壓值表現，故稱 為一個揚聲器的實 效頻寬起始點。且 之後彈簧的影響降低，而剩振動板質量、剛性與力量 的物體運動關係，所以在一定的激振力下降低彈性支承的彈性係數、增加 振動板的剛性和減低質量將是改善揚聲器使其聲壓-阻抗曲線更加平緩的關
f0
f0 f0
f0
鍵。本章內容先介紹彈性支承的功能、傳統彈波及以往彈性支承的缺點，
接著陳述片狀彈性支承幾何形狀的最佳化，並將最佳化製作出的彈性支承 與以往的比較其改善情形。
5-1 彈性支承之功能
在傳統錐盆揚聲器中，懸邊以及彈波是主要影響彈性係數的結構，除 了讓錐盆能夠藉音圈的控制而前後運動，並且使錐盆能在運動完畢後歸回 原位，簡而言之，支承的主要功能就是兼具彈性、定向和定位。ㄧ個好的 揚聲器彈性支承的彈性係數要越小越好，使得揚聲器的起始頻率fo 下降，
但是越低的 fo 將造成越大的振幅，且運動過程中的穩定度勢必大大的下 降，ㄧ個好的揚聲器支承的設計，就是在降低振動系統fo 為前提下，能保 持振動板定向穩定運動，且在往復過程中能將振動板和激振器之間定位，
使音圈不至於和磁鐵產生磨擦，而產生不穩定的運動，並且在低頻的大振 幅下，能給予振動板穩定的支承力，使得揚聲器在低頻時能有更真實的表 現。
彈波為定位音圈使其在磁隙中穩定運動的機構，而其作法通常是以纖 維布加上適量膠壓製，為了增強其彈性，設計成具波浪紋路，如圖1-3。但 當揚聲器需要有更大的衝程時，彈波的直徑勢必要增長，較不適合長形揚 聲器之製作，且在低音承受稍大一點振幅時，及呈現出明顯的非線性的彈 性變化(如圖 5-3)，這對揚聲器低音的原音重現有非常大的不良影響。由於 揚聲器作動時為往復的週期運動，所以彈波本身要能夠有良好的抗疲勞 性，傳統彈波在長時間振動下其不織布以及熱塑膠會有龜裂現象影響其彈 性與定位效果，而且彈波黏著於音圈上，會將重量附加於其上，為了使聲
壓位準有較高之表現，所以必須選擇質量輕的材料。綜合以上，彈性支承 材料的選擇有兩大重點，一為抗疲勞性；二為質量輕。先前的設計為使用 塑膠薄片作為支承材料，但其不耐疲勞，若經常時間振動，塑膠片容易會 在轉折處發生破裂而導致失效。因此，最後的材料選為由碳纖與PE 薄膜所 組成之複材結構，其滿足了耐疲勞與質量輕之兩大重點。
5-2 碳纖片狀彈性支承
先製作幾何形狀簡單的ㄇ字型支承，製作方式如下：
1. 首先由冷凍庫中取出複合材料預浸材，並在室溫下靜置 12~14 小時。
2. 將預浸材依需要的疊層數目、角度和大小剪裁、堆疊。
3. 在鐵板上依序放置輔助材及複合材料(如圖 5-4)，並抽真空，再將模 具送上熱壓機(如圖 5-5)，依加溫時間-溫度關係及溫度-壓力關係(如 圖5-6)來控制複合積層板成型條件。
4. 等時間一到，關掉熱壓機的溫度，使模具在室溫下自然冷卻，待冷卻 到室溫時，再將碳纖支承取出，即製作完成，如圖5-7。
依上述方法即可製作出所需的彈性支承，而這種ㄇ字型彈性支承也能 提供良好的彈性。但經拉伸實驗發現，ㄇ字型支承有一缺點為，振動板往 外與往內之彈性係數並不一致，如圖5-8。振動板往外時，由於ㄇ字型支承 垂直段受拉力不易變形，只能藉由水平段提供變形，如此導致彈性係數較 大，而往內時，ㄇ字型支承垂直段受壓力會往側向彎曲，增加了柔軟度，
因此導致彈性係數較低。在彈性支承往外與往內彈性係數不同之情況下，
振動板運動並不對稱，如此會使聲音聽起來有跳動的感覺。
為解決此問題，於是在ㄇ字型支承水平段上增加了波浪設計，提高其
變形能力，依照同樣方式壓制出波浪形彈性支承(如圖 5-9)，經由實驗後發
(5.4)
μoj =1.0 η0j =1.0 j = 1, ... , n
(5.12) 5-15)，並使用拉伸實驗機量測力與位移關係，可得圖 5-16，與傳統彈波(圖 5-3)以及 5-2 節實驗之ㄇ字形(圖 5-8）與波浪形彈性支承(圖 5-10)比較，可 知幾何形狀經最佳化設計之片狀彈性支承在振幅6mm 下之拉伸實驗，其力 與位移變化幾乎為線性且正反方向彈性係數相近，大大的改善前述彈波的 缺點。
六、 平面揚聲器之研製與實驗
本章將說明各項實驗儀器、測量方法以及圓形振動板平面揚聲器的製 作過程，並經由ANSYS 模擬找出振動板在各頻率的振形，以及中音谷產生 的原因，以及使用立體加勁的方式探討其改善的效果，最後以實驗驗證之。
6-1 揚聲器製作
6-1.1 彈性矽膠懸邊之製作
懸邊的主要功能除了使振動板穩定外，還需要有良好的氣密效果，避 免振動板內側之聲音因相位與外側不同造成聽覺影響，因矽膠具有良好的 伸縮性，且不會因為環境濕氣影響造成變質，故我們選用具膠質的不織布 與矽膠熱壓成形，其製作方法如下：
1. 首先裁切適當大小之不織布。
2. 不織布下方貼放一層 PE 薄膜，以防止矽膠污染桌面，並於兩側放 置 1mm 的玻纖墊片，擠出適量之矽膠於不織布上，以刮刀將矽膠 平整的塗布於不織布上。
3. 將塗布矽膠後之不織布，以 120℃乾烤十五分鐘，以加速其硬化時 間。
4. 將塗布矽膠後之不織布，至入懸邊模具中，至入熱壓機中加壓成 型，待冷卻後，即可將懸邊取出，如圖6-1。
6-1.2 音圈與場磁鐵之製作
音圈與場磁鐵部份為設計好尺寸高度再委託，其尺寸如表 6-1、6-2 所 示。其中d1 為內徑、h 為音圈全高、tv 為捲幅。
6-1.3 平面揚聲器之製作
1. 由上敘述將彈性支承、矽膠懸邊、音圈、振動板等零件備妥，即可 一下列步驟組裝為平面揚聲器。
2. 將振動板與外框固定於定位器中，並以音圈定位器將音圈黏著於振 動板上。
3. 將音圈外環以適當高度黏於音圈。
4. 用定位器將碳纖彈性支承黏於音圈外環。
5. 在將懸邊黏著於振動板與外框，等待黏著劑乾燥固定，即完成 揚聲器製作，如圖6-2。
6-2 揚聲器各種實驗程序 6-2.1 阻尼量測實驗
本實驗使用 B&K 的 PULSE 頻譜分析儀和雷射測速儀進行振動板之頻 率-響應量測，並藉由 Bandwidth Method 來計算各激振頻率之系統阻尼比。
(一)基本設備有：
1. PULSE 信號收集及處理器 2. PULSE 軟體
3. Polytec OFV350 雷射測速儀 4. Polytec OFV2500 測速儀控制器
5. 個人電腦
6. 組裝好之平面揚聲器 將儀器如圖6-3 所示架設。
(二) 實驗程序：
1. 將待測之平面揚聲器放置在一固定台上。
2. 啟動 PULSE 程式，設定好量測頻寬、解析度、激發方式、訊號模 擬方法等。
3. 先將 OFV2500 控制器接上 OFV350 雷射測速儀對平面揚聲器進行 對焦，盡量使控制器接受訊號強度達到最大，再將 PULSE 訊號分 析儀之訊號(輸出電壓)經電纜線接到激振器上。
4. 驅動激振器，並將傳回的訊號分析處理，由於所傳回之訊號為振動 板之速度，需要將訊號對時間做一次積分以便得到振動板的位移響 應。
5. 利用 Bandwidth Method 處理振動板之位移響應，以得到某自然頻率 之阻尼比。
6-2.2 聲壓量測實驗
聲壓量測以 LINEARX 公司出的 LMS 聲壓測試系統。
(一)設備介紹如下：
1. LMS 聲壓測式系統(內含寬頻雜訊產生器、聲壓頻譜分析) 2. 桌上型電腦
3. 訊號放大器(Amplifier) 4. 麥克風
將揚聲器如圖 6-4 所示般架設在障板上。
(二) 量測步驟如下：
1. 將揚聲器架設妥當。
2. 軟體內部校正及外部校正，並將環境設定完成(如：測試頻寬、測試 速度、解析度)。
3. 麥克風放置在離揚聲器中心一公尺外之同一高度腳架上(標準量測 距離及功率為1M：1W)。
4. 待一切準備就緒，啟動電腦發出訊號，由麥克風接收聲壓訊號，傳 回電腦。
5. 將曲線平滑處理，平滑的參數是 1/3(Octave Width to Smooth By 0.3333)，即可得出頻率響應之聲壓分貝圖。
6-2.3 阻抗量測實驗
同上使用 LMS 系統，經過校正後，可量測出揚聲器系統的阻抗圖(如圖 6-5)，圖中阻抗曲線第一個突起的頂峰頻率就是整個揚聲器系統的第一個自 然頻率 f0。
6-2.4 參數量測實驗
同阻抗量測試驗，量測出第一條同上未加質量時的阻抗曲線，再附加 額外的質量黏著在板子中央處，所附加的質量要讓附加質量後量測出的阻 抗曲線的第一個突起頂峰頻率較第一條阻抗曲線的第一個突起頂峰的頻率 值減少20%~50%才可計算出準確的參數值，一般來說所附加的質量接近振 動板的質量即可在此範圍內。
量測出兩條阻抗曲線後(如圖 6-5)，在 LMS 程式之揚聲器參數計算之視 窗(如圖 6-6)選取未加附加質量以及有附加質量之阻抗曲線，輸入音圈阻 抗、振動板的面積和附加的質量即可計算出所要的參數。
量測出兩條阻抗曲線後(如圖 6-5)，在 LMS 程式之揚聲器參數計算之視 窗(如圖 6-6)選取未加附加質量以及有附加質量之阻抗曲線，輸入音圈阻 抗、振動板的面積和附加的質量即可計算出所要的參數。