7-1 結論
由於電視與顯示器的平面化趨勢，所搭配的揚聲器也由傳統的錐盆式 揚聲器改為平面式揚聲器。若要使揚聲器的時效頻寬起始點(fo)降低，且有 良好的低音表現，則需要衝程大、彈性係數佳以及能有定位音圈效果的彈 性支承。另一重點為平面揚聲器之中音谷問題，要增加揚聲器之頻寬，就 必須將振動板剛性增強使其中音谷發生之頻率提高，但碳纖三明治板因重 量的關係會使得揚聲器整體感度下降，因此設計揚聲器時必須考慮此二因 素。
傳統的彈波會使得 fo 較高，且要另平面揚聲器有更好的低音效果時，
會因波浪紋路的限制使得衝程不足，而在長時間的往復振動下其不織布容 易變質而破裂，因此先後研製出ㄇ字形及波浪型的碳纖片狀彈性支承，但 缺點為在大衝程時振動方向不同其彈性係數也不一樣。故本文利用最佳化 程式去設計碳纖片狀彈性支承的幾何形狀，經實驗後，fo 自 95Hz 降為 50~60Hz，且在不同方向之彈性係數問題已經解決，已經改良先前的設計，
且可以利用最佳化程式對不同需求的揚聲器設計適合的彈性支承，由於幾 何形狀的緣故，與傳統彈波相比更可解決平面揚聲器的空間利用問題。
為解決中音谷問題，本文提出了在不影響揚聲器感度的前提下，以碳 纖條做振動板立體加勁的方式，改變振動板的模態振形，提高中音谷發生 的頻率使中低音揚聲器的實效頻寬增加，並探討加勁的長度對聲壓影響。
模擬的結果發現，加勁長度有一臨界值，過長的碳纖加勁並不會有效的提 高中音谷頻率，而且會令中音谷落差更明顯。而加勁的方向與彎矩變形方
向應配合，本文中影響中音谷之彎矩變形為 y 方向，若 x 方向加勁越長，
中音谷頻率會上升且其落差減少，而 y 方向加勁僅影響中音谷頻率，對落 差改善不大，而當x、y 方向均加至 27mm 時，振動板剛性並無明顯提高，
但中音谷落差變大，由文獻[20]推測可能是在邊界有過多的加勁重量使中音 谷落差增大。經實驗後證明，在少量的碳纖支承加勁下，即可提高中音谷 頻率使其達到碳纖三明治板的水準，且聲壓感度較碳纖三明治板為佳。
7-2 未來研究方向
設計之片狀彈性支承，在低音部分有晃動的現象發生，故在其晃動嚴 重的部份加上泡棉，實驗結果並不影響整體聲壓曲線，僅 fo 頻率提高 5~8Hz。往後可針對碳纖彈性支承之寬度、材料以及製作方式等做研究，改 良低音晃動的問題使其更加穩定。
本文碳纖加勁以 10mm 寬度做討論，對各種不同之振動板加勁的長、
寬、高以及加勁的方式也不應相同。而立體加勁方式與文獻[20]之附加質量 點相似，除了在適當位置提供質量使中音谷落差降低，更可有效提高振動 板剛性。此外高頻時的落差主因是振動板上各位置小面積的變形，故未來 研究的問題應放在平面加勁與立體加勁交互應用，改善其聲壓曲線。
參 考 文 獻
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21. 陳建勳，「揚聲器平板之最佳參數研究」，國立交通大學機械工程研 究所碩士論文，新竹市，2006。
表 3-1 ANSYS 模擬之材料常數
巴桑木 碳纖材料 音圈
E1 3.7GPa 147.503GPa 75GPa
E2 0.055GPa 9.223GPa
G12 0.01GPa 6.835GPa
G23 0.00167GPa 1.122GPa
v12 0.2 0.327 0.3 v23 0.499 0.25 D (density) 210Kg/m^3 1424.32Kg/m^3 2700Kg/m^3
t (thick) 2mm 0.15mm 0.3mm
表3-2 平面揚聲器量測參數
Revc 7.600 Ohm Mmd 5.009m Kg
Fo 53.975 Hz Mms 5.243 g Sd 5.500m M BL 3.876 T
Krm 147.742u Ohm Qms 3.411
Erm 0.965 Qes 1.099
Kxm 4.096m H Qts 0.831
Exm 0.676 No 0.120%
Vas 4.767m M SPLo 13.845K
Cms 1.3124m M/N
表3-3 文獻[2]中的材料常數
E1(GPa) 68.9 E2(GPa) 68.9 E3(GPa) 68.9 Poisson’s ratio 0.3
G12(GPa) 26.5 G23(GPa) 26.5 G13(GPa) 26.5 Density( )(Kg/ρ m3) 2770
表3-4 文獻[2]與 ANSYS 各元素自然頻率分析比較
文獻[2]
Shell91 (開啟三明
治選項)
Shell91 (不開啟三 明治選項)
Shell99 Mode 1(Hz) 23.05 23.275 23.464 23.464 Mode 2(Hz) 43.91 44.649 45.167 45.167 Mode 3(Hz) 71.06 70.092 72.1 72.1 Mode 4(Hz) 78.37 79.926 81.311 81.311 Mode 5(Hz) 90.85 90.887 93.795 93.795
Mode 6(Hz) 123.82 125.22 129.92 129.92
表3-5 文獻[7]與 ANSYS 模擬比較
Load P(N) 文獻[7] (M)
Beam3 (M) nlgeom,off
Beam3 (M)
nlgeom,on Shell93 (M) 889.6 8.3467 9.4074 8.3477 8.3514 1779.2 13.2910 18.815 13.294 13.304 2668.8 15.9766 28.222 15.980 16.011 4448 18.5964 47.037 18.605 18.736 11120 21.3776 117.59 21.386 21.412 22240 22.5770 235.19 22.593 22.879
表5-1 最佳化之局部與總域極小值
1 2 3 4
start final start final start final start final x1 1.650 4.317 12.115 4.317 7.139 4.317 15.156 4.317 x2 10.679 6.614 12.867 6.614 13.110 6.614 18.636 6.614 x3 23.747 9.342 20.338 9.342 18.277 9.342 20.657 9.342 x4 26.801 12.254 22.460 12.254 19.088 12.254 23.385 12.254 x5 27.811 14.085 24.460 14.085 21.591 14.085 25.683 14.085 y1 0.715 4.426 2.312 4.426 2.611 4.426 4.570 4.426 y2 4.529 1.593 3.965 1.593 4.507 1.593 1.733 1.593 y3 4.099 2.425 3.679 2.425 3.646 2.425 3.661 2.425
迭代次數 12 11 12 10
表5-2 最佳化之彈性支承 ANSYS 模擬之力與位移關係 Force (N) Displ. (mm)
1.0 7.984 0.5 4.244 -0.5 -4.349 -1.0 -7.717
表6-1 音圈規格表
d1 13.2mm h 18.5mm tv 5mm 電阻 7.6Ohm
材質 Kapton 重量 1.24g
表6-2 場磁鐵規格表 總高 15mm 磁石直徑 12.8mm 導磁片厚度 2mm
最大外徑 13.8mm
表6-3 ANSYS 模擬立體加勁之彎矩模態頻率與中音谷聲壓落差 彎矩模態頻率 中音谷落差
Balsawood 945Hz 20.6dB 11mm 1047Hz 16.8dB 19mm 1188Hz 14.2dB 27mm 1218Hz 24.5dB
表6-4 x 軸向固定 19mm 加勁與 y 軸之不同加勁長度比較 y 軸加勁長度 彎矩模態頻率 中音谷落差
0mm 981Hz 15.6dB 11mm 1099Hz 16.1dB 19mm 1188Hz 14.2dB 27mm 1211Hz 17.7dB
表6-5 y 軸向固定 19mm 加勁與 x 軸之不同加勁長度比較 x 軸加勁長度 彎矩模態頻率 中音谷落差
0mm 1011Hz 21.1dB 11mm 1109Hz 16.9dB 19mm 1188Hz 14.2dB 27mm 1221Hz 20.3dB
圖1-1 傳統振動板為錐盆型的揚聲器
圖1-2 振動板為平面的揚聲器
圖1-3 傳統半月型波浪彈波
圖2-1 平板所受應力的合力圖
圖 2-2 半徑為 a 公尺之具彈性支撐圓形板
1000 1200 1400 1600 1800 2000
0.00E+000 5.00E-010 1.00E-009 1.50E-009 2.00E-009 2.50E-009 3.00E-009 3.50E-009
Response amplitude, m
Exciting frequency f, Hz
amplitude peak / sqr(2)
f1 f2
peak response
圖2-3 頻率-位移圖
圖2-4 Rayleigh Damping
圖3-1 ANSYS 模擬 model
圖3-2 平面揚聲器阻抗圖
(a) 低頻部份之位移響應
Autospectrum(Signal 2) - Input (Magnitude) Working : Input : Input : FFT Analyzer
10k 20k
0
Autospectrum(Signal 2) - Input (Magnitude) Working : Input : Input : FFT Analyzer
10k 20k
0
9050Hz 10700Hz
12290Hz
14720Hz
(b) 高頻部份之位移響應
圖3-3 以雷射測速儀量測振動板中心點位移響應
S
Δ
ir
圖3-4 聲壓距離示意圖
圖3-5 ANSYS 模擬與文獻[7]之力與位移比較
圖3-6 純巴桑木振動板揚聲器實驗與 ANSYS 模擬比較
x
R1 Y1 R2 Y R3 Y
2 3 4
X
X1 X* X2 X3
F(x)
Y 質點
圖4-1 能量守恆觀點最小值示意圖
start
constants : α,γ,ε,Km
Set Values:
∞
=
=
= K Ft
j 0, 0, Start New Trajectory Trajectory Searching
+1
Yes Yes
Stop
Termination Condition No
Yes
j=0 Downhill?
j
圖4-3 總域極小化流程圖
Start
Local Minimization Procedure
1 1
圖5-1 振動板之振形
圖5-2 揚聲器結構
-7.00E+00 -6.00E+00 -5.00E+00 -4.00E+00 -3.00E+00 -2.00E+00 -1.00E+00 0.00E+00 -7.00E-03 -6.00E-03 -5.00E-03 -4.00E-03 -3.00E-03 -2.00E-03 -1.00E-03 0.00E+00
IN out
圖5-3 傳統波浪圓形彈波之力與位移示意圖
圖5-4 碳纖壓製疊層順序
圖5-5 熱壓機
圖5-6 複合材料積層板之加熱加壓硬化成型製程圖
圖5-7 ㄇ字型彈性支承
y = 0.1559x + 0.0186 y = 0.1052x - 0.0065
-0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00
-3 -2 -1 0 1
mm
kg-f
ㄇ形﹍往外 ㄇ形﹍往內
線性 (ㄇ形﹍往外) 線性 (ㄇ形﹍往內)
圖5-8 ㄇ字型支承之力與位移示意圖
圖5-9 具波浪形彈性支承
圖5-10 具波浪形彈性支承之力與位移示意圖
圖5-11 彈性支承設計變數示意圖
圖5-12 ANSYS 模擬之力-位移示意圖
圖5-13 最佳化彈性支承幾何形狀示意圖
圖 5-14 ANSYS 模擬最佳化彈性支承之力-位移關係圖
圖5-15 片狀碳纖彈性支承成品
圖 5-16 拉伸實驗：片狀彈性支承之力與位移示意圖
圖6-1 彈性矽膠懸邊完成品
圖6-2 揚聲器製作完成品
圖6-3 阻尼比量測實驗架設示意圖
圖6-4 聲壓量測實驗架設圖
圖6-5 平面揚聲器阻抗圖
圖6-6 揚聲器參數計算
圖6-7 具碳纖彈波巴沙木振動板與 ANSYS 模擬之聲壓曲線
63.777Hz 80.865Hz 152.14Hz
176.468Hz 524.406Hz 547.712Hz
749.808Hz 812.474Hz 924.607Hz
945.826Hz 1283Hz 1315Hz 圖6-8(a) 具碳纖支承巴桑木振動板自然頻率圖
1327Hz 1488Hz 1539Hz
1559Hz 1837Hz 2134Hz 圖6-8(b) 具碳纖支承巴桑木振動板自然頻率圖
圖 6-9 具碳纖支承之剛體振動板 ANSYS 模擬圖
圖6-10 ANSYS 模擬剛體振動板振形圖
圖6-11 碳纖平面加勁示意圖
圖 6-12 慣性矩說明
圖 6-13 碳纖立體加勁位置示意圖
圖6-14 巴桑木與 11mm 立體加勁聲壓圖
圖6-15 巴桑木與 19mm 立體加勁聲壓圖
圖6-16 巴桑木與 27mm 立體加勁聲壓圖
balsawood 11mm
19mm 27mm
圖6-17 立體加勁與彎矩模態圖
945
1047
1188 1218
700 800 900 1000 1100 1200 1300
0 5 10 15 20 25 30
碳纖加勁長度
Hz
bending mode頻率
圖 6-18 碳纖加勁長度與彎矩模態頻率關係
20.6
16.8
14.2
24.5
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30
碳纖加勁長度
dB
中音谷落差
圖6-19 碳纖加勁長度與中音谷落差關係
圖 6-20 碳纖立體 y 軸不同加勁位置示意圖
圖 6-21 19mm 與 y 軸不同加勁位置聲壓圖
圖 6-22 碳纖立體 x 軸不同加勁位置示意圖
圖 6-23 19mm 與 x 軸不同加勁位置聲壓圖
981
1099
1188 1211
700 800 900 1000 1100 1200 1300
0 5 10 碳纖加勁長度15 20 25 30
Hz
改變y軸長度 改變x軸長度
圖6-24 改變 x、y 軸之彎矩振形頻率比較
8 10 12 14 16 18 20 22
0 5 10 碳纖加勁長度15 20 25 30
dB
改變y軸長度 改變x軸長度
圖6-25 改變 x、y 軸之中音谷落差比較
圖6-26 具立體碳纖加勁振動板
圖6-27 碳纖立體加勁板實驗聲壓圖
圖 6-28 19mm 加勁板與碳纖三明治板聲壓比較
圖 6-29 ANSYS 模擬之彈性支承變形振動模態
圖6-30 加泡棉之碳纖彈性支承
圖 6-31 19mm 加勁板與彈性支承加泡棉之比較