喇叭

最常見的喇叭為動圈式喇叭（dynamic speaker），昊宬製造的是微小化、小功率的微型喇叭（micro-speaker），並非音響（loudspeaker），惟兩者的動作原理相同。喇叭依照動作原理尚分為壓電式喇叭、靜電式喇叭、微機電喇叭等，在此以｢喇叭」一詞指涉動圈式喇叭，並大致介紹。

動圈式喇叭顧名思義是有｢會動的音圈」，振膜（diaphragm）和音圈（voice coil）黏合在一起，在磁鐵（magnet）和軛鐵（yoke）所組成的磁迴路裡面上下移動。移動的力量來自於電磁力（Bli）和反電動勢造成的力（Blv）。某些喇叭因為結構較寬大，會加上彈波（spider）、音圈管（bobbin）和防塵蓋（dust cap）等更精密的零件。

1. 整體結構

依結構可將動圈喇叭內磁式和外磁式喇叭。顧名思義，內磁式喇叭就是｢磁鐵」在音圈｢以內」，外磁式就是｢磁鐵」在音圈｢以外」。 內磁式的磁鐵位於腔體內緣，可以充分利用磁鐵的磁力線，所以優點是漏磁通量比較小。外磁式的磁鐵位於腔體外面，體積可以比較大，如此磁迴路可以增強。即使外磁的漏磁通量較大，但因為它的BL值基礎也高，故整體而言驅動力通常比內磁高。微型喇叭因受限於尺寸限制，一般都是內磁式喇叭為主，相對的大型音響單體都是外磁式居多。

2. 振膜

以尺寸來說，通常振膜越小，越適合高頻；振膜越大，越適合低頻：

  • 振膜越小，分割運動（breakup mode）的機率也越小，高頻較穩定。
  • 振膜尺寸越小，代表相對之下，聲波波長越長，這代表繞射（diffraction）現象更明顯，聲音散播的角度越大。因此針對高頻而言，波長較小，尺寸也要做得比較小
  • 振膜越大，假設本體質量（mass）也跟著增大，這代表說諧振頻率會變低，這就適合低音喇叭
  • 振膜越大，意味著附加空氣質量（added air mass）會越大，因為能推動空氣面積的質量增加。附加空氣質量越大代表系統質量越大，因此適合低音喇叭
  • 振膜越大，假設慣性質量也跟著增大，則表示驅動功率就要越大，這不一定是優勢。因此我們不會無緣無故增加振膜質量，除非是為了降低低音喇叭的共振頻率。於是知中高音喇叭的尺寸不必大。
  • 低音波長大，要在這樣大的波長範圍提高或降低空氣壓力，振膜必須要輸出足夠體積的氣流，所以低音喇叭必須大。在必要的體積速度（volume velocity）之下，若位移（displacement）不足，則須增加振動面積來補償。若位移設計得太大，不但不現實，也會產生過多失真
  • 針對高音喇叭而言，振膜越大雖然代表音壓越大，但同時振膜面積越大，也會造成頻響上限值（cutoff frequency）下降，反而會搶到中音喇叭的頻段，使高音略顯不足。

以材質來說，最常見的是紙質，再來是一些塑膠複合式振膜如PET等。紙盆振膜的音質雖天生良好，但仍會進行後處理來強化材質。

  • 在紙盆加入碳纖維，加入後剛性變大，可以加寬高頻的延展。並且在紙盆厚度相同的前提下，碳纖維紙盆輕而剛，因此輸出聲壓較高。同時，若能維持紙盆的內阻尼特性，則可以抑制振膜的分割運動（breakup mode），使頻響曲線較為平坦。
  • 在紙盆蒸鍍一層金屬鈹（Be），提高紙盆的E/值，其中E為楊氏模數（Young’s Modulus），是密度。
  • 加入金屬材料例如鋁合金，為得到適當阻尼，常做成多層結構，層間填充高阻尼樹脂。
  • 採用強化發泡金屬，如發泡鎳層。因氣孔率可高達98％，所以密度可以很小
  • 平板振膜可採用蜂巢結構，可同時保有阻尼和剛性。

 

振膜也可以是塑膠材質，常見的材質如下：

英文

中文

特性

PA

非晶形熱塑性聚芳基樹脂

聚酯樹脂的一種，成型好，尺寸穩定性好，溫度影響也小，但缺點是彈性模數較低

PP

聚丙烯

是一種使用廣泛的半透明、半結晶熱塑型聚合物，對於各種化學品具有極佳的抗化學腐蝕性

PE

聚乙烯

是工業、生活上應用最廣的塑膠，一般常分為高密度聚乙烯（HDPE）與低密度聚乙烯（LDPE）兩種，HDPE較LDPE熔點高、硬度大，且更耐腐蝕性液體之侵蝕。

PS

聚苯乙烯

分為通用型聚苯乙烯（GPPS）與高衝擊聚苯乙烯（HIPS）

PC

聚碳酸酯

一般講的聚碳酸酯指的是雙酚A型聚碳酸酯，是CD唱盤的主要材料，因為尺寸穩定性良好，吸水率很低

LCP

液晶

彈性係數高，可以加入玻璃纖維、碳纖維來更加強化剛性跟彈性係數。另外，液晶的現性膨脹係數小，因此尺寸穩定性良好。由於液晶聚合物是多層結構，因此內阻尼也大。

PET

聚對苯二甲酸乙二醇酯

是聚酯薄膜（Mylar）的一種，屬於熱塑性塑膠，開發較早

PBT

聚對苯二甲酸丁二醇酯

是聚酯薄膜（Mylar）的一種，屬於熱塑性塑膠，開發較早

PEN

聚乙烯苯二甲酸鹽

是聚酯薄膜（Mylar）的升級材料，密度小，剛性又好，彈性係數比Mylar高，耐溫高達攝氏160度，比一般聚酯薄膜的130度還要高

PEI

聚醚醯亞胺

具有優良的機械性能、電絕緣性能、耐輻射照射性能，耐高低溫、耐磨性能

PI

聚醯亞胺

商品名稱為Kapton，較聚酯薄膜的剛性高、質量小。但是相較聚酯薄膜而言，PI的成型較為困難，而且價格貴得多

PEEK

聚醚醚酮

高強度、耐磨、易加工成型。

PPS

聚苯硫醚

商品名俗稱Deltron，高機械強度、高剛性

以振膜幾何而言，已知振膜角度越窄，分割運動越不明顯。分割運動通常產生於高頻的時候，此時會擾亂聲波振動而產生失真，因此當高頻的分割運動越不明顯，就表示高頻的表現越好。知振膜角度越窄，高頻表現越好。根據簡化的經驗法則，喇叭振膜的合高頻上限頻率定為fh，fh越高，代表振膜所能延展的高頻越高。

其中Me為振膜質量，Mv為音圈質量，Sn為振膜頸部的機械抵抗（stiffness），E為振膜的彈性係數，L為振膜頸部的厚度，x為開放角度的一半。由此可知，振膜開放角度越小，高頻表現越好。同式也可以推知，振膜頸部厚度越大、越強韌，越能支撐高頻。由此也可以驗證其他方面的理論，也就是質量系統越大，就越適合低音輸出。

3. 音圈

以音圈的寬窄而言，窄音圈推動紙盆時，力量轉換的面積很小，這麼小的接觸轉換面積，卻要推動這麼寬廣的紙盆，容易造成紙盆運動時失真，也就是會有位移的遲滯落後。真正產生力學振動的是音圈，如果音圈要能精準的把位移傳導給紙盆，轉換過程就必須要是線性低失真的。因此音圈在這方面來說，必須要寬廣一些才好，請見下圖討論：

在窄音圈時，音源點（acoustic source） 離紙盆「較遠」，這會導致在機聲轉換時，紙盆會跟音圈有相位差。並且這麼小的施力面積所受的壓力過大，造成失真。如果音圈變寬廣，好處是音源振動點離紙盆更近，另一方面也能夠分散給紙盆的壓力，這會使得紙盆的剛性（rigidity）增加，失真減小。在寬音圈的情況，相當於更多的紙盆面積是被「罩在」音圈面積之中，呈現一個中央拱形（dome）的突起，拱形完全被音圈所精準控制（time-align）。這樣一來，振膜可以做得比較輕薄，也不用擔心太輕薄會讓剛性減小。振膜比較薄，表示質量減低。如此一來便有餘裕，我們可以藉機增加音圈的重量。增加音圈的重量可以增加驅動力，整體而言這樣的寬音圈設計可以提高聲波輻射的效率，但要小心音圈也不要過重，畢竟音圈也是質量系統的一部分。

喇叭承受功率越高，音圈的線徑就要越高，請參考下列公式：

其中，J為音圈允許通過的電流密度（A/mm2），一般取70 A/mm2。Prated為額定功率。Rrated為額定阻抗。S為音圈導線的截面積（mm2）。假設某喇叭8歐姆，音圈線徑0.13mm、截面積0.013mm2，則套入公式得最大輸入功率Prated為7W。如果我們想要增加功率，就必須要增加線徑。

4. 音圈管

音圈可以繞製在不同材質的骨架上，主要分為導體和非導體式骨架。以微型喇叭而言，因為音圈很小，所以有時不用音圈管，若有使用，也是用一般非導體式紙管。以中大喇叭而言，最普遍的是導體式骨架，用鋁或硬鋁的薄片製成。硬鋁強度更剛，可以避免頸部在長時間衝程下變形。由於鋁是一種導電材料，他會與部分驅動系統（導磁柱和導磁板）相同的方式產生渦流（eddy current），這些寄生電流會引起損失、失真。鋁骨架不是一個連續的圓筒，而是有一條細縫貫穿首尾，這樣他就不會像短路元件。如果把隙縫去掉，使用一個連續的鋁卷，則不會得到與短路環相同的效果。導體骨架的機械品質因子（以下簡稱Qms）比非導體骨架低2~4，非導體骨架的Qms較高，大概介於4~12。為什麼導體會較低？是因為渦流損失會降低Qms。由於非導體骨架沒有感生渦流，它們的失真通常也較低。

5. 磁鐵

可分為鋁鎳鈷（Alnico）磁體、鐵氧體（Ferrite）磁體和銣鐵硼（NdFeB）等稀土磁鐵等。

鋁鎳鈷系列的磁石主要是鐵（Fe）、鋁（Al）、鎳（Ni）、鈷（Co）為主要成分，再加以少量的銅（Cu）、鈦（Ti）等。他的系列名稱—Alnico—就是反映此系列最主要的三種元素，鋁鎳鈷。鋁鎳鈷的標準元素構成是Co=24％, Ni=14％, Al=8％, Cu=3.2％, Fe= 50.8％。製造方法以鑄造為主，也有少許鍛造的鋁鎳鈷磁石，但不作為喇叭之用。鋁鈷鎳磁性強，剩磁好，可以重複充磁，因此可以製成小體積的圓柱形或扁形。圓柱形高度較扁形高，圓柱形直徑較扁形低。鋁鈷鎳一般安裝在小口徑的喇叭導磁板內部，也就是用於內磁式喇叭。鋁鎳鈷質地堅硬，溫度穩定性佳，可耐至攝氏600度。鋁鎳鈷是喇叭首先使用的永磁材料，但因為鋁鎳鈷價格貴，鈷又是稀缺物質，所以最後不敵價格低廉的鐵氧體磁體。

鐵氧體是目前應用數量最多的永磁，其成份除了鐵、氧以外，有時會參雜其他金屬，例如鉛、鋇、鍶。以下舉出常見的鐵養體化學式：鋇鐵氧體（Barium Ferrite），BaO˙6Fe2O3。鍶鐵氧體（Strontium Ferrite），SrO˙6Fe2O3。鋅鐵氧體（Zinc Ferrite），Zn˙Fe2O4。較少見的鈷鐵氧體（Cobalt Ferrite），CoO˙6Fe2O3。鐵氧體的製造方法是從上述成分的粉末混合起來，以沖壓（Press）成型，然後在高熱爐內燒製，最後充磁而成。由於它的製造燒製工藝跟陶瓷類似，所以也叫做陶瓷磁鐵（ceramic magnet）。鐵氧體的磁阻較大，宜製成扁體、圓環形，是用於外磁式喇叭。這種鐵氧體的磁性稍差，所以必須要用較大的體積，重量相對較重，但優點就是價錢便宜。鍶鐵氧體的磁性能力比鋇磁還要好，故在相同的靈敏度之下，鍶磁性的喇叭可以做得更小一些，相對成本又可以更低。

最後，稀土磁鐵指的是稀土金屬（釹鐵硼，稱NdFeB）和過渡族金屬（鐵、鈷、鎳、錳），其矯頑力高、剩磁高，密度低、易於成型，可以做超薄的樣態。他的磁力強度是鐵氧體的10倍以上，但價格是普通磁體的7~8之倍。稀土磁鐵可以減少磁路的質量，體積也可以更小，因此可以用於內磁式。釹鐵硼的缺點是容易生鏽，因此可以用鍍上鋅、銅、鎳等，亦可塗上環氧樹脂。釹鐵硼矯頑力高因此適合作成薄片，但是易碎、不宜用力沖擊，喇叭用這個當磁鐵的話，喇叭的耐沖擊力就有限了。但也因為矯頑力高，所以普通的充磁機難以將磁性分子排列好，必須使用專用的充磁設備。由於矯頑力強，所以充磁後再裝磁路對B值影響不大。釹鐵硼因為難以製成大體積，成本太高，因此一般我們會做成瓦形，因為小體積的成本較低。然後再把數個瓦形釹鐵硼拼湊成一個中空圓柱形，適用於內磁式應用。

6. 受話器與耳機單元

有一種小型的喇叭稱為受話器（receiver）或耳機單元（earphone driver）。這牽涉到許多業界內的用語差異和約定成俗的說法。昊宬的喇叭（speaker）泛指微型喇叭（micro-speaker），適用在3C產品。有一類3C產品為穿戴式裝置（wearables），使用者要很靠近出音孔才能聽得到聲音，這類產品例如電話機、頭罩式耳機、入耳式耳機、智慧眼鏡和助聽器等，他們使用的單體可能比較小。其中的單體一般稱為受話器或耳機單元，這些族群包括動圈式受話器（dynamic receiver）、動圈式耳機喇叭（dynamic earphone speaker）、平衡式電樞（Balanced Armature, BA）或是微機電喇叭（MEMS speaker）等。在某些場合，有些人都通稱他們為喇叭單元。最方便的區分方法就是，由終端產品的應用來判斷單體種類。