扬声器的散热方式及应用

扬声器的散热方式及应用【摘要】文章通过对扬声器的散热方式介绍，针对不同方式进行比较，利于在设 计扬声器散热方式时做出合适的选择。【关键词】扬声器，音T铁，传导，辐射，对流，热导率。引言：扬声器的寿命有多长，承受功率有多大，这是大家所关心的，也是客户和设 计者一直追求的，人们知道扬声器的功率和寿命主要受音圈的制约，也就是人们 常说的，比喻音圈为扬声器的心脏，音圈的损坏将导致扬声器工作终结，而音圈 的损坏有热损坏和机械损坏，尤其是热损坏最容易发生，也是音圈损坏的主要因 素。人们知道扬声器的功率越大，热能就越大，导致音圈温度上升，如果这时不 能很好地给予音圈提供散热，当音圈材料达到承受极限时就会烧毁，为此众多设 计者绞尽脑汁开发了很多种散热方法和利用辅助材料对扬声器进行散热，这些方 法中从单一的热能降低来说是可行的，但一定程度影响了对扬声器成本及其它参 数性能，究竟哪种方法是最有效的和实用的，通过下述方案讨论，希望能给设计 者和读者一些帮助及参考。正文：散热的方式人们早已知道热传播的3种方式：“传导、辐射、对流”具体方式及应用如下：传导热量为）= -XA （肿皿）式中A热导率；1血积：“ /土巳温度变化率：传导主要是考虑物质的热导率，如何选择好的热传导物质特性可参考下述表单金属在0°C时的热导率（表一）化学符号热导率金属化学符号熱导率铝A10.203Ni0.Q5WBi0.00837SnW山Pa0()674铁Fe0.06】9钳Pt0.0695铁f含的钢）0.04S5|Ji金Au0.296汞Hg0.00636k0.059Pb0X)3520.0933也fL41©钾K1).099Sb0,0136姑（.混A 0Cg0.0692116回锂10.070钛18.().0544錢哋0.155确（45时）TcQ.m铜Qioiw碳（煤烟C钿Ma0.146跋石墨）C0.0157钠Na0.135气体在0°C时的热导率（表二）热导率 X l(rJ/ CkWZ (ml：)物晅分子式勲导率X 10 5/ (內7 ( m T )氮屯2.282.SJ氮XI j2.00氮f L4.44Ar1.58汞(20TC )盹(1.772苯G耳0.825醇(100誓)Q Hi OilJ.%水蒸气 100七）SO2. 17氯1.37空气2.21二乙醸（仏也O.7IR氮氐J3.9L2I通过上表可发现热导率最好的依次是金、银、铜、铝，由于金银物质成本昂 贵的原因，很少被采用，而用的最多是铜和铝，扬声器的磁路基材是铁，铜的导 热能力是铁的6.268倍，铝的导热能力是铁的3.279倍，热导率为每单位时间内 通过平面层的热量，我们知道音圈的温度首先是通过空气传导给T铁、磁铁、华 司，再经表面热辐射而损耗，为了能让空气很好传导热能，所以很多扬声器磁路 设计在T铁中柱上面增加铝环或铜环，有的是在T铁背面增加铝散热片，此举作 用一是扩大散热面积，二是增大传导热量，三是铝材不影响磁路特性参数，为了 改善空气的热传导，也有很多设计应用了磁液，因为在磁路间隙中，音圈的热量 依靠传导方式散热时利用的是空气，通过上表我们看出空气的热传导率又很低， 而磁液的热传导率是空气的56倍，所以在高音扬声器被广泛的应用，但不管是 用何方式或材质无疑都会增加扬声器的成本，相对成本考虑、设计采用较少，只 是作为客户的卖点！实例：为了改善和加强散热，特意在T铁中柱上增加一截铝柱，如图一所示：（图一）2辐射我们知道扬声器的热源，主要是音圈，当它发热时便与磁路系统产生了温差， 而两物体表面存在温差即有了辐射，单位面积热辐射量为：9切（尸-处）式中7热辐射系数；T辐射血的热丿J学温度；T.吸热血热丿J学温度。由上式可见，辐射温差愈大，则辐射量愈大，对扬声器而言，当温度较高时，辐 射密度不可忽视。热辐射系数与物体表面特性及色泽有关，物体辐射能力与吸收能是一致的，吸热系数大，热辐射系数亦大，深色表面及粗糙表面的吸热系数大，绝对黑色体A1,所以很多扬声器设计采用了黑色铝管音圈，黑色表面T铁和华司，甚至用 黑色铝盆架，因为辐射的能量关系，通常辐射方式会与传导及对流方式并用。下 表是各种物体吸热系数（A）的值，供参考。吸热系数表（表三）衣面物质表哪恃征A表血物质A金属:石平滑蓟<1.47铁麝光測：.?asaifii0.9氧化表面o.y-0.75钢O.Ji粗糙面OS氧化我面0.6垩D.H5铜磨光面0.15各种林料：铜氧化董面0.5煤烟).95氧化表面().6玻璃平構面o.ycj锌氧化表巾i2冰-U.67铅氧化表血0.60.64铝氧化表面0J紙粗糙廊0.K11氧化表rfri().4毛、丝卩一加.建筑材料：棉制物0.73木平滑面0用13.对流（空气流动引起的强迫热交换，与音圈面积无关，热效率取决于热空气体积速 度），V.AU尸2_ （i+Av Ag）（乜内间隙面积，心中间通孔面积；活塞振动速度，-厂防尘帽下方挤压 空气的面积）我们通常都采用开孔方法，根据磁路结构和特性开孔方式的功效各有千秋，当然 用的最多的还是在T铁中柱开孔，也有的在弹波面或防尘盖以下鼓纸颈部开口， 音圈管开孔等等，这些所作除了散热功效外，还可对扬声器内部起到缓解压力的 作用，（因为在磁路间隙中，防尘盖以下是一个封闭空间，会对扬声器振动系统 起粘滞作用），下图是扬声器采用空气对流设计各种开孔方式：通过T鉄打中孔进行然对流通过T铁底部打孔进行热对流冷空气进入流气流气/ I H I 'If I JI111汤J¥":刘气流冷空气逬入X /、|1（图三）（图二）曜过強爭在拜技打孔J进:亍热对谎（图四）（图五）散热模型RtvPr&hPedlRteCtv ATcoiITaR© 纸猛振动引起了强边刈流时脱的总热阴KZ 音圈到施体的总热阻°铜毀胶水绝缘层）一內骨架丁铁柱（外）华可*磁钢Rttn:磁体到拈用空气的总城阻°1二要他養热传导Ctv：音圏总热容 =CpM v ATC tm t 磁休总热容n =C niM m TPed：涡流热效应所对应的热功率a被分成：PedK 对青圈和磁体温度的页献，Ped2仅对鹼体温度有贡献°P®音圈热功率a-i' 11 |j.态温升 ZTess =!（Pre + P它1Rte Rttu -r An-RteCRrm-f-Rrv）井联，X 中一个愈小A Tess 小.R 忆的作 HJIdi 天 口在上述的方案中，确实对散热有些帮助，但也给众多设计者带去更多的艰难 决择，因为我们知道，所有的开孔都会形成气流通道，从而形成另外的气流声， 就是人们常碰到的开孔过小形成的啸叫（喘流噪声）气流速度达到空气速度的5% 以上即开始，10%空气速度噪声明显。在鼓纸和弹波上的开孔，无疑也会影响它 们的强度，所有的这些工艺增加同样带来加工成本的增加，这些已形成共识，不 会让大多数人引起重视，但是T铁开孔过大引起的扬声器参数改变却不容忽视， 笔者曾试作两个12低音扬声器（T铁开孔和不开孔），进行了两种不同对流散热 模式进行比较，参考下图。11过T扶打中孑L进抒辄对竟適过宝泵底部弄窗进行热对谎挣空汽进入（图六，样品1）（图七，样品2）在样品1&2的对流方式中，从结构图（图六，样品1） & （图七，样品2）中 可看出，最大的差别是扬声器振动时，样品1的热空气大部分直接通过T铁孔排 出，只在防尘盖下重复吸放动作，仅少部分空气进入磁间隙交换，而样品2则是 全部的热空气只能利用音圈管内外间隙进行对流，通过盆架底部窗口进行冷热交 换，音圈受对流影响而保持温升和降低温升。（注意：音圈管不能打孔）251-3时间功率：275W功率：2251W（图八） 红色实线为样品1 （T铁开孔），分别在225W&275W时的T铁表面温度 兰色实线为样品2 （T铁无孔），分别在225W&275W时的T铁表面温度上述图八，是笔者利用样品1&2进行功率递增验证音圈升温，实测T铁表 面温度的记录，从记录中我们发现，样品1在225W时的T铁表面温度高于样品 2约5°C，当再提升50W至275W时，T铁表面温度已高于样品2约10°C。（因考 虑样品的承受功率问题，未再继续），我们知道扬声器热损坏主要还是在音圈， 为了进一步的验证此举实效，笔者又进行了音圈温度的实测，通过数据对比我们 更直观的看出样品1音圈温度比样品2明显高出达37C，见如下实验。功率试验音圈温度测量1. 机种：T4512-44样品1 （T铁开孔20mm）2. 机种：T4512-44样品2 （T铁无孔）3. 功率试验4. EIA-426B 信号，225W 4H / 275W 4H 4Q 并联为 2Q5. 音圈温度计：ONSOKU （MODEL OMT-205）ONSOKUYAMAHAONSOKUCCD机前置放大器CDX-496 v y1 MODEL OPA-384YAMAHAONSOKUrl功率放大器音圈温度计AX-497.MODEL OMT-205实效电压表JMODEL OMR-107A 丿6. 测试电路示意图:试验扬声器7. 音圈温度记录。8. 试验时间：2010 年 6 月 21 日 （10： 30-18： 30），环境温度：25°C。功率225W275W时间11： 3012： 3013： 3014： 3015： 3016： 3017： 3018： 30T铁开孔音圈温度112 C118 C118 C118 C133 C135 C135 C135 CT铁无孔音圈温度81C83 C86 C87 C98 C98 C98 C98 C呂 ggE 昭匸dm 口寸户.:.由2 “已亠二遊 Hr":EL匸叱訂匚让：!*.篇玄需豐霊誥孟霊囂囂常霊中-L7-豐瞿盟竄需瓷蒙瓷氛强并忑Hkk L- ZI> Yuinng, 9-d-tikT Ca L<tL L9&4- 2H2 Juuac C-sceex 1-u（图九，样品2）FJam L'W j.】.討轄T虫 Li.V4-TlB>qM a.KiMiORk?ia am2.fi43r?i-aCd 丄问mcv-2.0!i£3a>ara l.$E7Cp-aH irLiSJe-ew s. Ywu-ami uni-in mMe-fliH L<WSc-4M jaaai-aiM -l5TSa-4M ihALeYW H&aEN 9!TLa-dM Ql»E-dlM £倔I制 7丹"亍<9甲； -2-S5I9r-41M（图十，样品1）从上述测试图（图九&图十），我们还可以看出利用Maxwell磁场模拟分析发现样品1 （T铁开孔）的磁通分布曲线中的最大BL值，比样品2低，再经LMS测试实际样品，同样发现样品1的BL值明显低于样品2,故而影响到扬声器的Qts值。（表四）参数Rdc(Q)Fs(Hz)QmsQesQtsVas (Lt r)Mmd (g)BL(TM)T铁 开孔T铁 成本 (RMB)样品13.3295.8341.5871.248104.163108.966.70620mm27.03样品23.329.64.291.2160.94899.317108.967.926N/A26.43结论：综合上述我们发现扬声器散热尽管有很多种方式可以采用，但在空气对流 方式上，由其是大口径，大功率、大振幅的产品，如何利用对流让音圈保持温升 和降低温升在选择对流方式上是非常重要的，从样品2及表四中我们可看出T铁 的加工成本要比样品 1 低，而且更有效的利用了磁场磁束。从两只样品的功率试 验T铁及音圈温度测试来看，T铁开孔的样品明显高于盆架开孔的样品，同时验 证采用盆架开孔散热比T铁开孔散热效果更好。参考文献新编扬声器优化设计与生产装配与检测维修技术标准-于玲中国科技文化出版社出版时间：2006年9 月第1 版扬声器磁路的散热设计-王富裕2006 年南京大学电声系列讲座（深圳）磁路系统设计讲座学习资料实用扬声器技术手册-王以真国防工业出版社 出版时间：2003年 4月第1 版