影響揚聲器紙質振膜動態力學性能的因素

楊 揚 王高升 許傳峰 關兆云

(1.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457;2.中國制漿造紙研究院,北京,100061;3.天津中環真美聲學技術有限公司,天津,300457)

影響揚聲器紙質振膜動態力學性能的因素

楊 揚1,2王高升1許傳峰3關兆云1

(1.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457;2.中國制漿造紙研究院,北京,100061;3.天津中環真美聲學技術有限公司,天津,300457)

研究了不同定量、不同漿料打漿度對揚聲器紙質振膜材料動態彈性模量和損耗因子的影響,并對復合紙質振膜的動態力學性能進行了研究。結果表明,隨著紙張定量的增加,漿料打漿度的提高,紙張的緊度和動態彈性模量升高,損耗因子下降。紙質振膜的復合結構影響其動態力學性能,與原紙相比,干法復合導致復合紙緊度和損耗因子均升高,濕法復合使復合紙緊度降低而損耗因子升高,無論干法還是濕法復合后,復合紙的動態彈性模量變化均不明顯。

紙質振膜;揚聲器;動態彈性模量;損耗因子;定量;打漿;復合

振膜對揚聲器的放聲性能有著至關重要的作用,它決定了揚聲器由力到聲的轉換質量。揚聲器最常用的振膜是紙質振膜,又稱紙盆。為了滿足揚聲器功率和音質的要求,振膜必須具有以下特性：①振膜的彈性模量要足夠大,這就要求振膜質地堅挺,保證揚聲器有較寬的頻響范圍,盡量減小振膜的分割振動;②材質的密度要盡可能的低,保證揚聲器有較高的靈敏度;③振膜要有適當的內阻尼,內阻尼也稱內摩擦,是指材料在受到不斷漲落的應力后,機械能轉化為熱能的現象,即材料內部要有適當的吸收;④振膜要具有一定的防潮性能、濕強度性能及防霉性能[1]。

紙張是一種黏彈性材料,目前對其靜態力學性能研究較多,對動態力學性能的研究較少,紙盆試樣參數的檢測有靜態拉伸法和動態測試法,在實踐中動態彈性模量比靜態彈性模量更能反映材料的振動特性。本實驗研究了不同紙張定量、漿料打漿度對紙質振膜動態彈性模量和損耗因子的影響,并將不同打漿度漿料抄造的紙張進行復合,研究復合成型對復合紙動態力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料

抄紙原料為針葉木漂白硫酸鹽漿,干法復合時所用熱熔膠為聚乙烯類熱熔膠。

1.2 實驗方法

(1)在 Valley打漿機中將漿料打至 26°SR,用抄片器抄造不同定量的紙張,在 93℃下干燥,用以研究定量對紙張動態性能的影響。

(2)用Valley打漿機將漿料打至不同的打漿度,分別進行抄紙,在 93℃下干燥,定量 150 g/m2,用以研究漿料打漿度對紙張動態性能的影響。

(3)取不同打漿度的漿料抄造成低定量的紙張,進行干法復合和濕法復合。干法復合是將干燥好的紙張用熱熔膠粘合在一起,濕法復合是將成形后的濕紙頁壓合后再一起干燥,復合紙的定量均為150 g/m2。

1.3 測試方法

按國家標準 GB/T 451.2—2002、GB/T 451.3—2002測定紙張的定量、厚度,計算緊度。

利用德國 KL IPELL公司研制的 KL IPELL聲學測試系統測定紙張動態彈性模量和損耗因子。測試紙樣的寬度為 12 mm,長度 ＞50 mm,將紙樣夾于設備的懸臂梁上。測定時由音頻信號發生器發出不同頻率的電信號,經功率放大器放大至特定工作功率,由揚聲器發出不同頻率的聲壓使紙樣產生振動,激光位移傳感器檢測振動信號,將采集的表征位移變化的電壓信號經電壓放大器放大后,經 A/D轉換為數字量,由計算機采集處理,根據元件的非線性位移量求得紙樣的動態彈性模量和損耗因子。

2 結果與討論

材料的動態力學行為是指材料在振動條件下,即在交變應力 (或交變應變)作用下作出的響應,而材料的靜態力學行為是指材料在恒定或單調遞增壓力(或應變)作用下的響應。在較低應力水平 (遠低于材料的屈服強度)下,動態力學性能的基本參數是指材料的動態彈性模量與阻尼[2]。對于在振動條件下使用的揚聲器紙質振膜,其動態力學性能比靜態力學性能更能反映實際使用條件下的性能。振膜材料的動態彈性模量和損耗因子與其音響特性有著密切的關系,理想的振膜材料要求動態彈性模量大、損耗因子適當。

2.1 定量對紙質振膜材料動態力學性能的影響

將針葉木漂白硫酸鹽漿打漿至 26°SR,進行抄紙 , 定量分別為 100、125、150、175、200、225、250 g/m2,測試不同定量紙張的緊度、動態彈性模量和損耗因子,結果如圖 1所示。

圖1 定量對紙質振膜材料動態力學性能的影響

動態彈性模量是振膜材料發生單位形變時的應力,它表征振膜材料抵抗形變能力的大小,動態彈性模量越大,越不容易發生變形,表明振膜材料的剛度越大。振膜的動態彈性模量能保證揚聲器工作時做活塞式運動,保證聲音的真實性。從圖 1中可以看出,紙質振膜的動態彈性模量和緊度的變化趨勢相同,均隨著定量的增加而增加。紙張緊度的增加說明纖維結合的緊密程度增大,纖維間彼此約束,應力不易向周圍擴散,紙質振膜材料的應變減小,從而動態彈性模量升高。

損耗因子描述的是振膜材料耗散能量的能力,反映了振膜材料的阻尼性能,內阻尼相當于電路中的電阻,可以使分割振動時的共振峰減小,使輸出聲壓頻率特性平坦,防止聽覺上音質劣化,損耗因子對承擔中音區以下的頻帶振動尤其重要[3]。從圖 1可看出,隨著定量的增加,紙質振膜的損耗因子降低。損耗的能量主要以熱量形式散失,隨著緊度的增加,纖維間的結合力增加,纖維間的機械摩擦力減小,導致損耗因子下降。

綜上所述,增加紙張定量可以提高紙質振膜材料的動態彈性模量,但是緊度的增加和損耗因子的降低對紙質振膜不利。因此,紙張定量是紙質振膜材料的一項重要指標,在實際生產中應該足夠重視。

2.2 漿料打漿度對紙質振膜材料動態力學性能的影響

將針葉木漂白硫酸鹽漿打漿至 11、18、26、33、40°SR,將不同打漿度的漿料抄紙,定量 150 g/m2,測試紙質振膜材料的緊度、動態彈性模量和損耗因子,結果如圖 2所示。

圖2 打漿度對紙質振膜材料動態力學性能的影響

隨著漿料打漿度的增加,紙質振膜材料的緊度和動態彈性模量呈增加的趨勢,損耗因子有所下降。這是因為打漿可使纖維潤脹、分絲帚化,纖維之間的結合面積增加,結合更加緊密,因而動態彈性模量增加。聲波進入紙張內部引起空氣與纖維間的振動,造成空氣與空氣間、纖維間、空氣與纖維間的摩擦,使振動能轉化成熱能而衰減,隨著漿料打漿度的增加,紙質振膜材料中纖維間的空隙減少,使得上述摩擦減少,造成損耗因子的降低。這一結果與王高升等[4]的研究結果相符。

單靠打漿難以兼顧紙質振膜材料的動態彈性模量和損耗因子,本實驗通過復合的方法將不同打漿度漿料抄造的紙張層合,以獲得性能更佳的紙質振膜材料。

2.3 紙張復合對紙質振模材料動態力學性能的影響

將針葉木漂白硫酸鹽漿打漿至 11、18、26、33、40°SR,進行抄紙。實驗研究了這些紙張干法復合和濕法復合兩種方式對紙質振膜材料的影響。

干法復合是將紙張用熱熔膠復合,熱熔膠的定量為 47 g/m2,復合紙的總定量為 150 g/m2。測試了復合紙的緊度、動態彈性模量和損耗因子,結果見表1。

濕法復合紙可歸屬于工程中的夾層復合材料,夾層復合材料是由強度高、動態彈性模量大的材料與中間夾一層輕而柔的材料構成,此種復合材料的特點是密度小,剛性和抗彎強度高[6]。選擇打漿度 11°SR漿料抄造的紙張為濕法復合的中間層,在紙頁成形器上抄造出相同定量不同打漿度的濕紙片Ⅰ、Ⅱ(11°SR),按Ⅰ+Ⅱ+Ⅰ的結構在濕態下壓成一張定量為 150 g/m2的復合紙,然后進行干燥,測試濕法復合紙的緊度、動態彈性模量和損耗因子,結果見表 1。

表1 復合方式對復合紙動態力學性能的影響

2.3.1 漿料打漿度對復合紙的影響

由表 1可知,濕法復合紙以及相同打漿度的干法復合紙,動態力學性能隨漿料打漿度的變化趨勢與未復合的單層抄造紙張 (見圖 2)相似。不同打漿度的干法復合紙,動態彈性模量和損耗因子無明顯的變化規律,且損耗因子變化不大。對干法復合,不同打漿度漿料抄造的紙張復合后其緊度較相同打漿度的復合紙低,動態彈性模量和損耗因子介于兩個打漿度分別復合的紙之間,如打漿度組合為 (18+33)°SR,動態彈性模量和損耗因子分別為 2.84 GPa、0.0449,介于 (18+18)°SR和 (33+33)°SR之間。

2.3.2 復合方式對動態彈性模量的影響

由表 1可以看出,與單層抄造紙張相比,干法復合紙的緊度明顯增加,而濕法復合紙的緊度較低,均在 0.70 g/cm3以下;相同打漿度的紙張干法復合后其動態彈性模量與未復合的單層抄造紙相比變化不明顯,因為動態彈性模量是一個結構不敏感參數,即動態彈性模量主要取決于基體的性質[5],因此動態彈性模量變化不大。干法復合紙的動態彈性模量略高于濕法復合紙的。由于干法復合是利用熱熔膠加熱熔融、冷卻固化后產生的黏結作用,膠黏劑滲透進入紙張內部并固化后形成黏結力[6],而濕法復合僅是利用纖維間的親和力達到互相結合的目的,因此干法復合紙的緊度、動態彈性模量高于濕法復合紙。

2.3.3 復合方式對損耗因子的影響

從表 1與圖 2中可以看出,復合后紙質振膜的損耗因子均增加,未復合的單層抄造紙張除在漿料打漿度 11°SR時損耗因子高于 0.0500之外,高打漿度漿料抄造的紙張損耗因子均在 0.0400以下,而復合后紙質振膜的損耗因子最低也可達到 0.0410,而且干法復合的損耗因子大于濕法復合。

實際上,紙質振膜材料屬于高聚物黏彈性體。在穩態振動時應力和應變之間存在相移,動態彈性模量是一個復數 E＊,稱為復數動態彈性模量。E＊=E1+iE2,其中,實數部分 E1表征材料在形變過程中由于彈性形變而儲存的能量,即動態彈性模量;虛數部分E2表征材料在形變過程中因黏性形變而以熱能的形式損耗的能量,稱為材料的動態損耗模量;E2與 E1的比值稱為損耗因子[7]。熱熔膠是一種聚乙烯樹脂類材料,其黏性較大,經復合之后使紙張的動態損耗模量 E2增加,E2/E1值增大則損耗因子增加。由此可看出,干法復合能夠在一定程度上兼顧動態彈性模量和損耗因子。濕法復合是將損耗因子不同的已成形濕紙頁壓合在一起,損耗因子大的中間層對材料的總體阻尼性能貢獻大;還有,與紙張內部纖維間的結合相比,層間結合較疏松,消耗于紙張內部的熱量較多使得濕法復合的損耗因子較大。

綜合考慮,干法復合和濕法復合均能在一定程度上兼顧紙質振膜的動態彈性模量和損耗因子,提供較優越的性能。

3 結 論

3.1 隨著紙張定量的增加,紙質振膜的緊度和動態彈性模量升高,損耗因子下降。

3.2 隨著漿料打漿度的提高,紙質振膜的緊度和彈性模量增加,損耗因子下降。

3.3 紙質振膜的復合結構影響其動態力學性能。與未復合單層抄造紙張相比,干法復合后,復合紙的緊度和損耗因子增加;濕法復合后,復合紙的緊度降低,損耗因子升高,但是復合后的動態彈性模量變化均不明顯。

[1] 周彥武.揚聲器的振膜[J].視聽技術,1998(7)：37.

[2] 過梅麗.高聚物與復合材料的動態力學熱分析[M].北京：化學工業出版社,2002.

[3] 俞錦元.第三代振膜技術[J].電聲技術,2000(8)：29.

[4] 王高升,朱 熹.揚聲器紙質振膜材料的動態力學性能研究[J].中國造紙,2006,25(4)：28.

[5] 戈曉嵐,許曉靜.工程材料與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,2007.

[6] 張運展.加工紙與特種紙[M].北京：中國輕工業出版社,2005.

[7] 鄭 冀,梁 輝.材料物理性能[M].天津：天津大學出版社,2008.

(責任編輯：陳麗卿)

The Factors Influencing the Dynamic Mechanical Properties of Paper Diaphragm of the Loudspeaker

YANG Yang1,2WANG Gao-sheng1,＊XU Chuan-feng3GUAN Zhao-yun2
(1.Tianjin Key Lab of Pulp&Paper Engineering,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457;2.China National Pulp&Paper Research Institute,Beijing,100061;3.Zhonghuan Zenmay Acoustics Technology Co.,Ltd.,Tianjin,300457)
( ＊ E-mail：gs wang@tust.edu.cn)

The elastic modulu and loss factor of diaphragm are closely related to the acouse characteristic of the loudspeaker.An ideal loudspeaker diaphragm requires higher elastic modulu and proper loss factor.In this work,the influence of paper cone grammage,beating degree of the pulp used for producing paper cone,and lamination structure of paper cone on dynamic mechanical properties of the paper cone was investigated.It was found that with the beating degree and basis weight increasing the elastic modulu of paper cone increased,while the loss factor showed an opposite trend.The lamination structure had an effect on the dynamic properties of the paper cone.Compared with the base paper,dry lamination derived higher density and loss factor and wet lamination derived lower density and higher loss factor.However,there was no significant change in elastic modulu whether dry or wet lamination method was used.

paper cone;loudspeaker;elastic modulu;loss factor;grammage;beating;lamination

TS761.2

A

0254-508X(2011)04-0022-04

楊 揚女士,在讀碩士研究生;主要研究方向：紙張涂布工藝技術。

2010-11-26(修改稿)

本課題得到天津市科技發展計劃項目 (編號：06YFGZGX03900)資助。