一种环状海尔贝克磁阵列扬声器

摘要

本发明公开了一种环状海尔贝克磁阵列扬声器，包括：折叠状振动膜和环状海尔贝克磁阵列；所述环状海尔贝克磁阵列的内腔中形成单一方向的磁场，所述折叠状振动膜位于内腔中且平行于磁场方向；所述折叠状振动膜是将表面设有多根导线的平面振动膜沿导线延伸方向折叠形成的，能够沿导线延伸方向做伸缩运动，导线延伸方向垂直于磁场方向；所述导线被施加音频信号时，在磁场中受到安培力的作用，带动所述折叠状振动膜做伸缩运动，实现发声。该扬声器的磁系统采用环状海尔贝克磁阵列，磁场集中于内腔，不需要导磁板或T铁，有助于提高扬声器灵敏度；振动系统采用可伸缩运动的折叠状振动膜，没有明显的振动盆及音圈，有利于产品设计扁平化。

说明书

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，具体涉及一种环状海尔贝克磁阵列扬声器。

背景技术

海尔贝克阵列(HalbachArray、Halbachpermanent magnet)是一种磁体结构。1979年美国学者Klaus Halbach做电子加速实验时发现了这种特殊的永磁铁结构并逐步完善，最终形成了所谓的“Halbach”磁铁。它是工程上的近似理想结构，它利用特殊的磁体单元的排列，增强单位方向上的场强，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。这种阵列完全由稀土永磁材料构成，通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在磁体一侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场。这在工程上有非常重要的意义，海尔贝克阵列以出色的磁场分布特性，被广泛应用于工业领域。

图1所示是一个单一磁铁的磁力线分布图，北极(N极)全部向上，从图中可以看出磁场的强度均匀位于磁铁的底部和顶部。图2所示是一个海尔贝克阵列的磁力线分布图，从图中可以看出磁铁顶部的磁场较高，而底部则相对薄弱。通常，同等体量下海尔贝克阵列磁铁组的强侧表面磁场强度约为传统单颗磁铁的√2倍(约1.4倍)，尤其在磁铁充磁方向厚度在4～16mm时。

直线型是最基础的Halbach阵列组成形式，这种阵列磁体可视为一种径向阵列与切向阵列的结合，可以由多种不同的排列形式，如图3和图4分别示出了两种不同排列形式的直线型Halbach阵列。直线型Halbach阵列目前主要应用于直线电机、磁悬浮列车之中。

Halbach阵列还具有其它组成形式，例如环状。环状Halbach阵列可视为将直线型Halbach阵列首尾相接组合而形成的圆环形状的磁阵列。

发明内容

本发明的目的是提供一种环状海尔贝克磁阵列扬声器，用于提高扬声器的性能。

为实现该发明目的，本发明提供的一种环状海尔贝克磁阵列扬声器，包括：折叠状振动膜和环状海尔贝克磁阵列；所述环状海尔贝克磁阵列的内腔中形成单一方向的磁场，所述折叠状振动膜位于所述环状海尔贝克磁阵列的内腔中且平行于磁场方向；所述折叠状振动膜是将表面设有多根导线的平面振动膜沿导线延伸方向折叠形成的，能够沿导线延伸方向做伸缩运动，导线延伸方向垂直于磁场方向；所述导线被施加音频信号时，在磁场中受到安培力的作用，带动所述折叠状振动膜做伸缩运动，实现发声。

进一步的，所述折叠状振动膜沿导线延伸方向的截面形状为锯齿状或波纹状。

进一步的，所述折叠状振动膜穿设在沿导线延伸方向设置的一对支承轴上，能够沿所述支承轴做伸缩运动。

进一步的，所述折叠状振动膜通过所述一对支承轴安置在支承架上，所述支承架和所述环状海尔贝克磁阵列安装在底盘上，所述底盘上设有与所述导线连接的接线端子。

进一步的，所述多根导线通过设于所述底盘的外部连接线依次串联连接，所述外部连接线位于磁场外部。

进一步的，所述多根导线是电镀形成在所述平面振动膜上的金属线路，或者是粘附在所述平面振动膜上的线缆。

进一步的，所述环状海尔贝克磁阵列形成的磁场集中在其内腔中，且磁场方向垂直于所述环状海尔贝克磁阵列的轴线方向。

进一步的，所述环状海尔贝克磁阵列由12块磁体单元按照磁极方向依次偏转60度的方式同心环绕围合组成，其中位置相对的两块磁体单元的磁极方向相同。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明扬声器的磁系统由于采用环状海尔贝克磁阵列，磁力线几乎全部位于磁系统中心的内腔中，外部几乎为零；因而：一方面，其磁系统不需要导磁板或T铁，因其磁力线无需导引即集中在所需要的区域；另一方面，磁感应强度会比常规扬声器提高约1.4倍，扬声器灵敏度会相应提高。

本发明扬声器的振动系统，采用设置在环状海尔贝克磁阵列的单一方向平行磁场中的可伸缩运动的折叠状振动膜，没有明显的振动盆及音圈，有利于产品设计扁平化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是一种单一磁铁的磁力线分布图；

图2是一种Halbach阵列的磁力线分布图；

图3是一种直线型Halbach阵列的结构示意图；

图4是另一种直线型Halbach阵列的结构示意图；

图5是本发明实施例的环状Halbach磁阵列的组成结构图；

图6是本发明实施例的环状Halbach磁阵列的磁力线分布图；

图7是本发明实施例的折叠状振动膜的结构示意图；

图8是本发明实施例的环状海尔贝克磁阵列扬声器的结构示意图；

图9是本发明实施例的折叠状振动膜上的导线的受力示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供一种环状海尔贝克磁阵列扬声器(下文简称扬声器)。下面通过具体实施例，对该扬声器的结构设计和工作原理进行详细的说明。

1.环状海尔贝克(Halbach)磁阵列扬声器的结构设计。

请参考图7和图8，本发明一个实施例提供一种环状海尔贝克磁阵列扬声器，该扬声器包括磁系统和振动系统。其磁系统包括环状海尔贝克磁阵列1，其振动系统包括折叠状振动膜2。所述环状海尔贝克磁阵列1的内腔中形成单一方向的磁场，所述折叠状振动膜2位于所述环状海尔贝克磁阵列的内腔中且平行于磁场方向。所述折叠状振动膜2是将表面设有多根导线21的平面振动膜沿导线延伸方向折叠形成的，能够沿导线延伸方向做伸缩运动，导线延伸方向垂直于磁场方向。以图8为例，磁场方向垂直于纸面向里，导线延伸方向平行于纸面从左向右。所述导线21被施加音频信号时，在磁场中受到安培力的作用，带动所述折叠状振动膜2做伸缩运动，实现发声。

其中，如图5和图6所示，分别是所述环状海尔贝克磁阵列的组成结构图和磁力线分布图。可见，所述环状海尔贝克磁阵列形成的磁场集中在其内腔中，且磁场方向垂直于所述环状海尔贝克磁阵列的轴线方向。所述环状海尔贝克磁阵列可以是由12块磁体单元按照磁极方向依次偏转60度的方式同心环绕围合组成，其中，位置相对的两块磁体单元的磁极方向相同。所述环状海尔贝克磁阵列的制造及充磁，可采用现有技术。

其中，如图7所示，是所述折叠状振动膜的结构示意图。结合图7和图8可见，所述折叠状振动膜沿导线延伸方向的截面形状为锯齿状或波纹状，相应的，各导线亦为锯齿状或波纹状。所述折叠状振动膜2沿导线延伸方向的两边可各设有一组(多个)支承孔20，其利用两组支承孔20可穿设在沿导线延伸方向设置的一对支承轴22上，并能够沿所述支承轴22做伸缩运动。

进一步的，所述折叠状振动膜2可通过所述一对支承轴22安置在支承架3上，所述支承架3和所述环状海尔贝克磁阵列1安装在一底盘4上，所述底盘2上设有与所述导线21连接的用于接受外部输入的音频信号的接线端子5。

进一步的，如图7所示，所述多根导线21可通过位于磁场外部的外部连接线23依次串联连接。外部连接线23设于底盘，可以穿过所述底盘4中间，也可以设在底盘4的底部。

其中，所述多根导线21可以是电镀形成在所述平面振动膜上的金属线路，或者，也可以是粘附在所述平面振动膜上的线缆。多根导线21可以在所述平面振动膜上形成平面型导线簇。

上述环状海尔贝克磁阵列扬声器的制作流程可以包括：

首先，提供一平面振动膜例如塑料薄膜，在该平面振动膜上设置多根导线。然后采用热压或其它方式进行折叠加工，得到沿导线延伸方向的截面为锯齿状或波纹状的折叠状振动膜，如图7所示。

然后，将折叠状振动膜穿设于一对支承轴上，使折叠状振动膜可沿支撑轴做伸缩运动。

然后，将折叠状振动膜通过穿设的支承轴安置在支承架上，并将载有折叠状振动膜的支承架安装在底盘上并固定。

最后，再将环状Halbach磁阵列对准配合装配粘接在底盘上并固定，其中，需要确保导线延伸方向需垂直于磁场方向。

从而得到本发明实施例的扬声器。

2.环状海尔贝克(Halbach)磁阵列扬声器的工作原理。

该扬声器的磁系统采用一种具有内腔、形成的磁场集中在内腔中、且磁场为单一方向磁场的环状(即圆环形状，简称环状或环形)海尔贝克(Halbach)磁阵列。如图5所示是该环状Halbach磁阵列的组成结构图，如图6所示是该环状Halbach磁阵列的磁力线分布图。从图5可知，该环状Halbach磁阵列可以由12块瓦片状的磁体单元组成，12块磁体单元按照磁极方向依次偏转60度的方式同心环绕围合组成环状，其中，位置相对的两块磁体单元的磁极方向相同。该种环状海尔贝克磁阵列的中心形成圆柱形的内腔，形成的磁场集中在内腔中，且为单一方向磁场，且磁场方向垂直于环状海尔贝克磁阵列的轴线方向。具体实践中，组成该环状Halbach磁阵列的12块磁体单元，可以由一圆环状磁体等分而成的，并按图5所示的磁场方向对各磁体单元进行分别磁化，最终获得所需要的、在内腔中形成单一方向磁场的环状Halbach磁阵列。

该扬声器的振动系统，区别于常见的动圈扬声器，它没有明显的振动盆及音圈。它的原理是：设想在如图5和图6所示的环状Halbach磁阵列的磁系统中，有一组与内腔中的磁力线(或者说磁场方向)相垂直、平行放置的导线，按照左手定则，左手手心迎向磁力线，四指的方向为电流方向，则大姆指指向的就是导体的受力方向，也就是导线就会受到大姆指方向的力了。

基于上述原理，这样设计振动系统：

提供一平面振动膜，例如塑料薄膜，其形状为矩形，四个顶点分别记为ABCD。在该平面振动膜上设置多根导线21，例如电镀上多根平行的金属线路，或者，粘附多根平行的线缆。多根导线21从平面振动膜的一边AB延伸至相对的另一边CD。

然后，将平面振动膜采用热压或其它方式，折叠成锯齿状或波纹状，得到沿导线延伸方向的截面为锯齿状或波纹状的折叠状振动膜2，如图7所示。折叠状振动膜2上的导线21相应的也呈现为锯齿状或波纹状。

然后，可以在折叠状振动膜的平行于导线延伸方向的两个边，即AD边和BC边上，分别开设若干个支承孔20，就会得到两组支承孔20。用两个支承轴22穿过这两组支承孔20，折叠状振动膜2就被穿设在这一对支承轴上22，并能够沿这一对支承轴22做伸缩运动，如图7所示。

然后，如图8所示，可以将带有支承轴22的折叠状振动膜2安置在一个支承架3上，支承架3又安装在一个底盘4上并固定。折叠状振动膜2装配完成后，再将环状Halbach磁阵列1对准装配粘接在底盘4上，使折叠状振动膜2位于环状Halbach磁阵列1的内腔中且平行于磁场方向，并使折叠状振动膜2上的导线21垂直于磁场方向。

进一步的，如图7所示，折叠状振动膜2上的多根导线21需要通过位于磁场外部、设于底盘4的外部连接线23依次串联连接。即：第1条导线的右端，通过设于底盘4的一条外部连接线返回向左连接至第2条导线的左端，该第2条导线21的右端，再通过设于底盘的另一外部连接线返回向左连接至第3条导线的左端，……，这样依次串接，直到所有导线串接在一起。所有的导线21和外部连接线23串接在一起，相当于一个大线圈，该大线圈只有其上面的导线部分位于磁场内，下面的外部连接线部分位于磁场外部。需要说明的是：如果不用外部连接线进行串接，而是所有导线并联，则会有阻抗值极低的问题，电流会很大，不适于实用。而通过外部连接线将所有导线依次串联连接，可以有效增大阻抗，而适于实用。

本发明实施例的扬声器，其发声原理如下：

由于折叠状振动膜位于环状Halbach磁阵列的单一方向磁场中，因此折叠状振动膜上的导线通以电流时则会受安培力的作用。如图9所示，假设折叠状振动膜上的锯齿状导线的左端有电流流入，则在方向为垂直于纸面向里的磁场作用下，不同段的导线因电流方向的不同而受到不同方向的安培力。由于折叠状振动膜支承在支承架上，可将导线所受的安培力分解为两个分量：一为平行于支承轴的方向的平行分量，一为垂直于支承轴方向的垂直分量，后者由于支承轴的束缚而不体现出来，体现出来的则是平行于支承轴向左、向右的作用力，则使折叠状振动膜产生左、右伸缩运动。由于输入的电流是以音频信号输入的，所以折叠状振动膜产生左、右伸缩运动则是按音频信号输入的规律而变化的，这样，折叠状振动膜产生左、右伸缩运动就会推动周围的空气介质运动而相应的发出声音。

综上，本发明实施例公开了一种环状海尔贝克磁阵列扬声器，其优点包括：

①其振动系统采用可伸缩运动折叠状振动膜，没有明显的振动盆及音圈，有利于产品设计扁平化。

②其磁系统采用环状Halbach磁阵列，磁力线几乎全部在其腔体内，外部几乎为零。

③其磁系既区别于内磁式也区别于外磁式，应与外磁式较为接近，它不需要导磁板或T铁，其磁力线无需导引，就能使之依赖本身的磁结构而能达到使磁力线集中在某区域。

④其磁系统会比磁感应强度会比常规扬声器提高约1.4倍，因而其灵敏度会相应提高。

⑤其磁系统是平行磁场系统而不是辐射形的磁场系统，因而对于磁规的应用要求则要比常见的动圈扬声器生产中磁规应用的要求低得多。

本发明的环状海尔贝克磁阵列扬声器，其基本结构和原理是：利用环状Halbach磁阵列和折叠状振动膜上载流导线相互作用，使折叠状振动膜产生伸缩运动(振动)而发声。需要说明的，将该基本结构和原理应用于受话器及扬声器的其他衍生设计，也在本发明的保护范围之内。

以上，通过具体实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

应当理解，上述各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员，可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和保护范围。