Page 47 - 《应用声学》2023年第1期
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第 42 卷 第 1 期 廖灿杰等： 包含外壳磁阻的微型平衡电枢换能器仿真模型的阻抗和振动分析 43
略不计。Tsai等 [15] 改进了Jensen的工作，研究并改
0 引言
进了 “E” 型电枢的对称和非对称磁路。Klippel [16]
平衡电枢换能器 (或常称为动铁单元) 是大多 在 Jensen 等的基础上改进了包含悬臂磁阻的 “E”
数助听器中的主要电声元件。近年来，平衡电枢换 型电枢非线性磁路模型，但是仍没有考虑平衡电枢
能器已经逐渐推广到消费级耳机市场之中。比起常 金属外壳所带来的磁阻影响。
见的微型电动扬声器 (动圈单元)，平衡电枢换能器 参照 “U” 型平衡电枢模型对金属外壳磁阻影
有着体积小、防水、隔声、发声效率高等优点，但是 响的研究，本文在 Klippel [16] 的 “E” 型电枢的非线
Killion 等 [1] 也指出其非线性特性会随着体积变化 性磁路模型的基础上，通过在磁路模型加入了金属
的缺点，更小的体积会有着更高的共振频率。目前 外壳磁阻的影响，进一步推导了一个包含了金属外
平衡电枢换能器的振动仿真主要有等效电路模型 壳磁阻的 “E” 型平衡电枢的模型，并通过软件仿真
仿真和有限元仿真两种方式。等效电路模型对不同 对比了不同条件金属外壳磁阻下该模型的性能情
形状设计的平衡电枢换能器运用同一种电 -力 -声 况。在本文模型的研究成果上，可以分析金属外壳
类比方法进行仿真，基本忽略了器件的物理结构导 磁阻对于位移频率响应曲线的影响，对调整 “E” 平
致的磁路差异，但因模型参数更容易调整、计算复 衡电枢换能器从设计到生产之间的误差，分析共振
杂度低，目前仍被普遍采用。 峰的幅值，“E” 平衡电枢换能器声阻尼网的选择等
平衡电枢换能器主要有 “U” 型和 “E” 型这两 都有一定的指导意义。
种设计。在 “U” 型平衡电枢的研究方面，Kim 等 [2]
通过电 -磁 -机耦合效应对电机振动进行分析，对 1 平衡电枢换能器的结构和工作原理
使用同样方法分析平衡电枢换能器振动声压级提
图 1 展示了 “E” 型电枢的截面模型图。在 “E”
供了理论上的帮助。贺志坚等 [3] 提出了一个基于
型平衡电枢外包裹着金属外壳，以振膜分割金属外
电 -力 -声类比的 “U” 型平衡电枢的等效电路图。
壳的内部上下空间，分为前腔和后腔。后腔放置平
Kim 等 [4] 提出了一个电 -力 -声类比电路图，而后改
进了该模型 [5] ，但Kim 的两个模型都不能很好地描 衡电枢，振动通过传动杆传递到振膜上，振膜振动产
述平衡电枢的非线性磁路特性。蒋佳为等 [6] 建立 生的声音通过前腔的出声孔传递给外界。平衡电枢
了一个用于设计入耳式耳机腔体的动铁单元类比 处于静止状态时，在上下两个横截面积为 A m 永磁
电路模型，进行了平衡电枢换能器在实际使用情况 体的作用下，电枢悬臂位于平衡位置 X 0 处，上下有
下的性能仿真。邱士嘉等 [7] 研究不同材料材质的平 近似相等的间隙。当电枢线圈通入电流i之后，产生
衡电枢本体和金属外壳对 “U” 型动铁曲线的影响。 了磁动势 F a ；在磁动势 F a 的作用下，磁路中的产生
Ziolkowski 等 [8] 对电枢的静态磁路进行了分析，建 了磁通 ϕ a 和力 F ϕ ；在力 F ϕ 的作用下悬臂开始向上
立了 “U” 型平衡电枢的磁路模型，但是没有分析工 移动，到达位置 X a 。悬臂从平衡位置 X 0 来到位置
作状态的非线性磁路特征。Jiang 等 [9] 把非线性磁 X a 产生的位移x 导致的振动，通过传动杆传递给振
路参数引入 “U” 型平衡电枢的模型中，并分析了其 膜，进而产生了声音输出。
工作状态。Xu等通过建立等效电路模型仿真 [10] 和 从图 1 可以明显看出，随着位移 x 改变，电枢
有限元仿真 [11] 两种方法，建立了一个了 “U” 型电 悬臂产生的形变会导致上下气隙长度产生变化，从
枢的非线性磁路模型，在考虑电枢本体和金属外壳 磁路理论来看，气隙长度的变化会导致气隙磁阻
的软磁材料带来的磁阻影响的情况下，对模型进行 的变化。而气隙磁阻的改变会反过来导致平衡电
了静止状态和工作状态的分析，并对比两种方法的 枢工作时的磁路产生非线性变化。通过把磁路中
结果 [12] 。 关于位移 x 和电流 i 的非线性磁阻量整合进简易磁
除了对“U”型平衡电枢的研究外，Jensen等 [13] 路图中，并将磁路模型和传统电 -力 -声类比模型
用等效磁路方法研究了 “E” 型电枢的非线性磁特 相结合，可以使用集总参数模型仿真分析金属外
性，并改进了该模型 [14] 。他们假设平衡电枢中的软 壳磁阻对于平衡电枢换能器工作时的阻抗和振动
磁材料的磁导率是无限的，因此它们的磁阻可以忽 影响。
