扬声器的论文参考文献

高效率音频功率放大器的研制白林景,邵光存,李岸然,常兴连,王振伟(山东省科学院激光研究所,山东济宁 272100) 摘 要:本设计以高效率D类功率放大器为中心,输出开关管采用高速场效应管,连接成互补对称H桥式结构,兼有输出1: 1双变单电路和输出短路保护功能,比较理想地实现了输出功率大于2w,平均效率可达到75%的高效音功率放大器。关键词:D类音频功率放大器; PWM调制器; H桥功率放大器中图分类号: TN722. 1 文献标识码:A引言全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环保的要求,要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。传统的音频功率放大器工作于线性放大区,功率耗散较大,虽然采用推挽输出,仍然很难满足大功率输出;而且需要设计复杂的补偿电路和过流,过压,过热等保护电路。D类开关音频功率放大器的工作于PWM模式,将音频信号与采样频率比较,经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波,经过驱动电路,加到MOS的栅极,控制功率器件的开关,实现放大,放大的PWM信号送入滤波器,还原为音频信号。从而实现大功率高效率的音频功率放大器。系统电路本文采用H型桥式D类功率放大电路,电路如图一所示。图一 音频功率放大器电路(1) 三角波产生电路利用NE555构成的多谐振荡器以恒流源的方式对电容线性冲、放电产生三角波。接通电源瞬间,NE555芯片的3脚输出高电平,二极管D2、D3 截止,D1、D4 导通, Vcc通过T1 , T2 , R1 ,D1 对电容C1 恒流充电,当C1 上电压达到2 /3Vcc时,NE555芯片的输出发生翻转,即3脚输出低电平,此时,D2、D3 导通, D1、D4 截止,电容C1 通过D2 , T3 ,T4 , R2 恒流放电,直到C1电压等于1 /3Vcc,电容又开始充电,如此循环,电容C1上可以得到线性度良好的三角波。为了提高带负载能力,输出通过由LM358A组成的电压跟随器。输出三角波频率的计算:电阻R1 上电压等于T1 的VVbe≈ 0. 7V,故流过R1 的电流I = 0. 7V /300Ω = 2. 33mA,忽略T1 的基极电流,则流过R1 的电流即为T2 的射级电流,约等于T2 的集电极电流,故C1 的充电电流约为2mA,同理, C1 的放电电流约为2mA。设充电时间为t1 ,放电时间为t2 ,则有:23Vcc =13Vcc +i ×t1C13Vcc =23Vcc -i ×t2C可得三角波的周期: T = t1 + t2 =2Vcc ×C3 ×i故三角波频率为: f =3 ×i2Vcc ×C(2)前置放大电路 前置放大电路采用低噪声、高速运放的NE5532运算放大器,组成增益可调的同相宽带放大电路。功放最大不失真输出时,负载上等效正弦波的电压峰峰值为VP - P ,载波调制的调制波(正弦波)最大峰峰— 27 —值为VP - Pm ax ,对应的调制放大增益为AV2 =VP - PVP - Pm ax,运算放大电路中反馈电阻为R8 ,反相端电阻R7 ,则前置放大器的增益AV1为:AV1 = 1 +R8R7,通过选取调制波的峰值电压VP - Pm ax和调整R8 的阻值,可实现整个功率放大单元的电压增益连续可调。(3)脉宽调制( PWM)电路 采用高速、精密的比较器芯片,以音频信号为调制波,频率为f的三角波为载波,两路信号均加上1 /2Vcc的直流偏置电压,通过比较器进行比较,得到幅值相同,占空比随音频幅度变化的脉冲信号。(4)驱动电路 驱动电路由施密特触发器芯片和三极管组成,两个三极管组成的互补对称式射极跟随器。PWM信号经过驱动电路后,形成两个前后沿更加陡峭的倒相脉冲,两脉冲之间有一定的死区时间,防止了桥式驱动电路出现直通现象。(5) H型桥式驱动电路 由场效应管组成的功率开关管和四阶巴特沃兹LC滤波电路组成。T9、T12导通, T10、T11截止时,负载上的电压降VM AB0 =Vcc; T10、T11导通,T9、T12截止时,负载上的电压降VAB = - Vcc,因此,负载上的电压降可达到2倍的电源电压。解调信号放大后经过LC滤波送到扬声器。(6)短路保护电路 短路(或过流)保护电路采用0. 1过流取样电阻与扬声器串联方式, 0. 1电阻上的取样电压经过由NE5532组成的减法放大器进行放大。电压放大倍数为:Av =R19R17经放大后的音频信号再通过由D9、C9、R20组成的峰值检波电路,检出幅度电平,送给电压比较器U7的“ + ”端,U7的“—”端电平设置为5. 1v,由R22和稳压管D12组成,比较器接成迟滞比较方式,一旦过载,即可锁定状态。正常工作时,通过0. 1上的最大电流幅度Im =Vcc /(R + 0. 1) , 0. 1上的最大压降为0. 1 ×Im ,经放大后输出的电压幅值为Vim ×AV = 0. 1 ×Im ×AV ,检波后的直流电压稍小于此值,此时比较器输出低电平, T13截止,继电器J1不吸合,处于常闭状态,电源Vcc通过常闭触点送给功放。一旦扬声器两端短路或输入电流过大, 0. 1上电流、电压增大,经过电压放大、峰值检波后,大于比较器反相端电压,则比较器翻转为高电平并自锁, T13导通,继电器吸合,切断功放Vcc电源,功放电路得到保护。R21、C11、D10、D11组成开机延时电路,防止开机瞬间比较器自锁,关机后C11上的电压通过D10快速放掉,以保证再开机时C11的起始电压为零。讨论D类放大器工作于开关状态,无信号输入时无电流,而导通时,没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流,而导通时器件并没有完全短路,尚有一定的管压降,故存在较少直流损耗,实际效率在80% - 90% ,是实用放大器中效率最高的。参考文献:[ 1 ]Wing - Hong, Lau , IEEE Trans. Realization ofDigitalAudi2o Amp lifier Using Zero - Voltage - Switched PWM PowerConverter, Circuits Syst . Vol 47,NO. 3,March 2000.[ 2 ]Ashok Bindra. All - digital App roach HikesAudio Quality InConsumer Product.[ 3 ]李子升,吴锦铭,钟国新. 高效率音频功率放大器.[ 4 ]李振玉,姚光圻. 高效率放大及功率合成技术. 中国铁道出版社, 1985.[ 5 ]陈伟鑫. 新型实用电路精选指南. 电子工业出版社.[ 6 ]瞿安连. 应用电子技术. 北京科学出版社, 2003.[ 7 ]王金明等编著. 数字系统设计. 电子工业出版社出版.[ 8 ]全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选. 1994 - 1999.[ 9 ]虎永存,现代音响技术, D类放大器的原理和电路, 1998年第5期.[ 10 ]无线电2004合订本第2、3期. 无线电杂志社,人民邮电出版社.这个是从付费论文网站上买的，真珍贵的

MIT科学家造出纸一样薄的扬声器，可铺满全屋

MIT科学家造出纸一样薄的扬声器，可铺满全屋，这种薄膜扬声器需要的能量仅为传统扬声器所需能量的一小部分，但却能够产生极小失真的高品质声音，MIT科学家造出纸一样薄的扬声器，可铺满全屋。

麻省理工学院的工程师们开发出了一种像纸一样薄的扬声器，可以将任何表面变成音源。

它的重量相当于一个 10 美分的硬币，无论粘在什么表面上都能生成高品质的声音。

这种薄膜扬声器产生的声音失真最小，而且使用的能量也比传统扬声器少得多。

为了实现这些特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，只需要三个基本步骤。利用这种技术，他们可以制造出足够大的超薄扬声器，覆盖汽车内部或整个房间。

此外，这种薄膜扬声器可以通过产生振幅相同但相位相反的声音，在嘈杂的环境（如飞机驾驶舱）中进行主动降噪。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐，比如在剧院或主题公园里提供三维音频。由于它重量轻，运行时需要的电量很少，因此非常适合电池寿命有限的智能设备应用。

这项研究成果近日发表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。

论文链接：

「拿起一张看起来很薄的纸，用两个夹子夹住它，把它插到你电脑的耳机接口上，然后开始听到它发出的声音，这种感觉很棒。它可以在任何地方使用，只需要一点点电力就可以运行，」 的主任、论文作者 Vladimir Bulovi 表示。

这种薄膜扬声器是怎么做出来的？

耳机或音频系统中常见的典型扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场移动扬声器薄膜，带动薄膜上方的空气，从而产生我们听到的声音。相比之下，MIT 工程师设计的新扬声器简化了传统设计，使用了一种成型的压电材料薄膜。当电压施加在其上时，薄膜会移动，从而带动其上方的空气并产生声音。

大多数薄膜扬声器都被设计成独立式（不需依靠支撑物），因为薄膜必须自由弯曲才能发声。将这些扬声器安装在某个表面上会阻碍振动，并妨碍它们产生声音的能力。

为了克服这一问题，MIT 的团队重新思考了薄膜扬声器的设计。他们给出的方案是：不让整个材料振动，而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶振动发声，其中的每个小圆顶都是单独振动。

这些圆顶每个只有几根头发那么宽，被薄膜顶部和底部的间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。在日常操作中，相同的间隔层保护圆顶免受磨损和冲击，提高了扬声器的耐用性。

为了制造扬声器，研究人员使用激光在 PET 薄片上切割出微小的孔，PET 是一种轻质塑料。他们在穿孔 PET 层的下面贴上一层非常薄（8 微米）的压电材料薄膜，称为 PVDF。然后他们把粘合的薄片上方抽成真空，并在薄片下方施加 80 摄氏度的热源。

由于 PVDF 层很薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。PVDF 不能强行穿过 PET 层，所以在没有被 PET 阻挡的地方会有微小的圆顶突起。这些突起与 PET 层中的孔自对准。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一层 PET 层压在一起，作为圆顶和粘合表面之间的隔离物。

「这是一个非常简单明了的过程。如果我们将其与卷对卷制程工艺（roll-to-roll）相结合，我们就能量产这些扬声器，然后用类似贴墙纸的方式将其覆盖到墙壁、汽车或飞机内部。」论文一作 Jinchi Han 表示。

高品质、低功耗

薄膜扬声器中的小圆顶高 15 微米，大约是人类头发厚度的六分之一，它们振动时只能上下移动大约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元，所以需要成千上万个这样的小圆顶一起振动才能产生听得见的声音。

制造过程简单的另一个好处是可调性强——研究人员可以改变 PET 上孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶能带动更多的空气振动，产生更大的声音，但较大的圆顶也有较低的共振频率，这会导致音频失真。

在完善了制造技术之后，研究人员测试了几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度，以达到最佳组合。

他们将薄膜扬声器安装在距离麦克风 30 厘米的墙上，测试其声压水平（以分贝为单位）。当 25 伏特的电压以 1 千赫兹的频率通过该装置时，扬声器产生了 66 分贝的高质量声音。在 10 千赫时，声压级增加到 86 分贝，大约相当于城市交通的音量。

这种节能装置每平方米扬声器面积只需要大约 100 毫瓦的功率，相比之下，如果在类似距离内产生相近的声压，一个普通家用扬声器可能要消耗超过 1 瓦特的电力。

Han 解释说，因为是微型的拱顶在振动，而不是整个薄膜振动，扬声器有足够高的共振频率，可以有效地用于超声波应用，比如成像方面。超声成像使用极高频的声波产生图像，更高的频率能够产生更高分辨率的图像。

Bulovi表示，这种装置还可以利用超声波探测人类站在房间里的位置，就像蝙蝠会利用回声定位一样，然后跟随人类的移动形成声波。如果在薄膜的振动圆顶上覆盖一层反射表面，它们可以用来为未来显示技术的发光模式提供思路。如果被浸泡于液体中，振动膜可以提供一种搅拌化学品的新方法，使得化学处理技术能够比大批量处理方法使用更少的能源。

「我们有能力通过激活可伸缩的物理表面，精确地生成空气的机械运动。这种技术带给人的想象空间是无限的。」Bulovi说道。

近日，来麻省理工学院（MIT）的工程师们开发了一种新型超薄扬声器，这种灵活的薄膜设备，有可能将任何物体表面变成低功耗、高品质的音频源。

这种薄膜扬声器需要的能量仅为传统扬声器所需能量的一小部分，但却能够产生极小失真的高品质声音。根据研究团队的演示，手掌大小的扬声器，重量仅为一角硬币，而且无论该薄膜粘合到什么表面，都可以产生高质量的声音。

为了实现这些特性，研究人员还开创了一种看似简单的制造技术，并且可以按比例放大以生产大到足以覆盖汽车内部或房间墙纸的超薄扬声器。使用这种方式，薄膜扬声器可以在嘈杂的环境（例如飞机驾驶舱）中通过产生相同幅度但相反相位的声音，来提供主动降噪（即让两种声音相互抵消）功能。

此外，这种新型设备还可以用于沉浸式娱乐，比如在剧院或主题公园游乐设施中提供 3D 音频。而且由于它重量轻且运行所需的电量非常少，因此该设备非常适合电池寿命有限的智能设备上。

「看起来像一张薄薄的纸，在上面贴上两个夹子，将它插入电脑的耳机端口，然后开始听到它发出的声音，感觉很了不起。它可以在任何地方使用，只需要一个运行它的电力。」研究论文通讯作者、 主任、有机和纳米结构电子实验室（ONE Lab）的负责人 Vladimir Bolovi 说。

Bulovi 与论文第一作者、 ONE Lab 博士后 Jinchi Han，以及电气工程教授 Jeffrey Lang 共同撰写了这篇论文。该研究发表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。

全新的超薄扬声器

我们都知道，耳机或音响系统中的传统扬声器使用电流输入，当不断变化的电流输入通过能够产生磁场的线圈，并推送扬声器膜的振动，进而使其上方的空气振动，从而产生我们听到的声音。

相比之下，这款新的扬声器设备，通过使用一种压电材料（piezoelectric material）薄膜来简化扬声器设计，当电压施加在其上时，该薄膜会移动，从而使其上方的空气振动并产生声音。

由于薄膜扬声器设计为独立式，因此薄膜材料必须自由弯曲才能产生声音。但将这些扬声器安装在物体表面上会阻碍振动并妨碍它们产生声音的能力。

为了克服这个问题，麻省理工学院的团队重新考虑了薄膜扬声器的设计。他们的设计不是让整个材料振动，而是依靠一层薄薄的压电材料上的微小圆顶，让每个圆顶都单独振动。

这些小圆顶，只有几根头发的宽度，被薄膜顶部和底部的间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。相同的间隔层可保护圆顶在日常操作过程中免受磨损和冲击，从而提高扬声器的耐用性。

制作过程看起来也十分简单。首先，研究人员使用激光在PET（这是一种轻质塑料）薄片上切割出小孔，穿孔的' PET 下侧层压了一层非常薄的压电材料（薄至 8 微米），称为 PVDF；然后他们在粘合的薄片上方施加真空，并在下方施加 80 摄氏度的热源。

由于 PVDF 层非常薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。但是 PVDF 无法强行穿过 PET 层，因此微小的圆顶会在未被 PET 阻挡的区域突出。而这些突起与 PET 层中的孔各自对齐。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一个 PET 层层压在一起，作为小圆顶和粘合表面之间的隔离物。

「这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来将其与卷对卷（roll-to-roll）工艺集成，它将允许我们以高通量方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，就像墙纸可以覆盖墙壁、汽车或飞机内部。」Han 说。

高品质、低功耗，应用潜力无限

每个圆顶都是一个单独的发声单元，由于圆顶高 15 微米，约为人类头发厚度的六分之一，振动时仅能够上下移动约半微米，因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能产生可听的声音。

此外，该超薄发声设备的制造还有另一个好处，就是它的可调性，因为研究人员可以改变 PET 中孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶会推动更多的空气并产生更大的声音，但较大的圆顶也具有较低的谐振频率（resonance frequency）。谐振频率是设备运行效率最高的频率，较低的谐振频率会导致音频失真。

（来源：MIT）

经过多次的测试，研究人员找到不同的圆顶尺寸和压电层厚度的最佳组合。然后，他们通过将薄膜扬声器安装到距离麦克风 30 厘米的墙壁上来测试他们的薄膜扬声器。

当 25 伏特的电流以 1 千赫兹（每秒 1,000 次循环的速率）通过该设备时，扬声器会产生 66 分贝的会话级别的高质量声音。在 10 千赫兹时，声压级增加到 86 分贝，与城市交通的音量水平大致相同。

这种节能扬声器设备每平方米面积只需要大约 100 毫瓦的功率。相比之下，一个普通的家用扬声器可能会消耗超过 1 瓦的功率才能在相当的距离上产生相似的声压。

研究人员解释说，由于该设备只有微小的圆顶是振动的，而不是整个薄膜，扬声器具有足够高的谐振频率，因此还可以有效地用于超声应用，如超声成像。超声成像使用非常高频的声波来产生图像，而更高的频率能够产生更好的图像分辨率。

比如，该设备可以使用超声波检测人在房间中的站立位置，并跟踪位置，就像蝙蝠使用回声定位一样。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面，则它们可用于为未来的显像技术创建光图案。如果浸入液体中，振动膜还可以提供一种搅拌化学品的新方法，使化学处理技术比大批量处理方法使用更少的能量。

「我们有能力通过激活可扩展的物理表面，来精确地产生空气的机械运动。而如何使用这项技术的选择是无限的，」Bulovi 说。

据媒体近日报道，麻省理工学院（MIT）的工程师们开发出了一种薄如纸张的扬声器，它可以将任何表面变成有源音源。

这种薄膜扬声器产生的声音失真很小，而使用的能量只是传统扬声器所需能量的一小部分。

该团队展示的手掌大小的扬声器，其重量约相当于一角硬币。无论将薄膜粘合在什么表面，都能产生高质量的声音。为了实现这些非凡的特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，只涉及三个基本步骤制造超薄扬声，并且其面积可以大到足以覆盖汽车内部或在房间内贴壁纸。

薄膜扬声器可以在嘈杂的环境中，如飞机驾驶舱，通过产生相同振幅但相位相反的声音，从而提供主动噪音消除。这种灵活的设备也可用于沉浸式娱乐，也许可以在剧院或主题公园的游乐设施中提供三维音频。而且，由于它很轻，只需极小的功率来操作，该设备很适合应用于电池寿命有限的智能设备上。

据了解，在耳机或音频系统中，典型的扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场可移动扬声器膜，使其上方的空气移动，从而产生声音。相比之下，这种新型扬声器通过使用一种成型的压电薄膜材料，从而简化了扬声器的设计。当电压施加在薄膜上时，薄膜会移动，从而移动其上方的空气并产生声音。

具体而言，为了制造这种扬声器，研究人员使用激光在PET薄片上切出小孔，PET是一种轻型塑料。他们在穿孔的PET层的底部铺上一层非常薄的压电材料PVDF薄膜（只有8微米厚）。然后他们在粘合的薄片上方施加真空，在薄片下方施加80摄氏度的热源。

由于PVDF层太薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。PVDF不能强行穿过PET层，所以在没有被PET阻挡的地方，微小的圆顶突起。这些突起可以自对准PET层中的孔。然后，研究人员在PVDF的另一侧铺上另一层PET层，作为圆顶和结合表面之间的间隔层。

他们的设计不是让整个材料振动，而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶，每个圆顶单独振动。这些圆顶，每个都只有几根头发的宽度，在薄膜的顶部和底部被间隔层所包围，保护它们不受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。同样的间隔层保护穹顶在日常操作中免受磨损和冲击，增强了扬声器的耐用性。

研究人员说，“这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来能把它与卷对卷加工工艺结合起来，我们就能以高通量的方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，像墙纸一样覆盖墙壁、汽车或飞机内部。”