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弯曲振动型薄板扬声器出现于20世纪90年代,作为一种新型的电声换能器件,已经越来越引起人们的兴趣和科研工作的重视。目前,弯曲振动型薄板扬声器的主要研发机构为英国新型换能器公司(NXT),在美国音频工程学会的会议上,已出现过大量介绍其弯曲振动型薄板扬声器的文章。然而,目前关于这种扬声器基本理论的研究性文献尚不多见,已有文献中的理论预测与实测结果之间的差距仍很大。因此,有必要从基本发声原理上研究这种扬声器的特性。
根据弯曲振动型薄板扬声器的基本结构,本文将其理想化成“点力驱动的边界弹性支撑的薄板”。依据经典的薄板Kirchhoff假设和哈密顿原理,利用能量积分方程描述了薄板振动。为了统一薄板的弯曲振动与活塞运动,本文选择了扩展模式基函数作为Rayleigh-Ritz方法的试探函数,并推导出系统的线形代数方程组。
依据上述理论模型,本文分析了薄板模态分布与薄板形状、边界条件、表面附加质量等等因素的关系,并从理论上定性解释了弯曲振动型薄板扬声器电阻抗特性。当薄板后加箱体时,箱内声场对薄板振动有一定的阻尼作用,本文从上述模型出发,在系统方程中进一步引入了阻尼矩阵,并研究了箱内声场及吸声材料对薄板振动及声辐射的影响。
弯曲振动型薄板扬声器的性能与传统扬声器仍有较大差距,主要表现在频率响应的起伏较大。依据上述理论模型,本文提出了多驱动器法、箱内吸声材料法、附加质量法、提升弯曲振动型薄板扬声器频率响应的方案。为了激发起尽可能多的薄板模式以获得相对平坦的声压振幅频率响应,应尽可能布置多个驱动器于不同位置,理论上的计算可以发现不同驱动器位置时响应曲线的差异。当扬声器后带箱体时,调节箱内吸声材料可以带来频率响应的改善。
利用遗传算法,本文对薄板表面若干附加质量的位置进行了优化计算以尽可能避免薄板模式简并化,薄板模式简并化程度的判断准则借用了房间声学中判断
模式简并化的判据。不同优化计算结果表明附加质量的位置有一定规律性,为实验提供了可行性。根据本文的理论模型,我们在消声室中进行了大量实验,实验结果证明本文的理论和方法是切实可行的。