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        铍在传感器中的应用

活塞运动和声速 

要了解铍的独特品质如何转化为更好的高频性能，首先要仔细观察换能器在运行过程中内部发生的情况。

换能器是一个极其复杂的机电生态系统，整个组件需要非常快速地移动，并且完全同步。任何与所需运动的偏差或由于应力引起的变形都会引起不必要的共振或“破裂”，我们听到的就是失真。
为了更好地理解破裂是如何发生的，在组件级别进行检查会很有帮助。例如，隔膜应该以完美的活塞运动（像活塞一样）移动，所有点都均匀移动并且只朝着所需的方向移动。当作用在隔膜上的力超过其结构完整性时，就会发生破裂，并且表面上的不同点开始相对于彼此在不同的时间移动。由于铍极轻且坚硬，因此它在负载下能够更好地保持其结构完整性并避免这些破裂。

然而，更为关键的是声音在铍中传播的效率。这一点很重要，因为任何金属中第一次发生分裂的频率都与声音在该金属中的传播速度相似。声音在铍中的传播速度几乎是铝或钛的 2.5 倍。这意味着第一次分裂将发生在更高的频率下——在大多数情况下远远超出可听范围。而且，当分裂发生时，铍的更大刚度最终会减少这些分裂的数量（振幅）。

本文的其余部分将更详细地探讨这些确切的品质。评估将分三个阶段进行，每个阶段比较铝、铍和钛。第一阶段将使用数学建模来评估这三种材料作为振膜材料的理论优势。第二阶段将通过振动测试测量单个圆顶的物理性能，最后阶段涉及对完全组装的压缩驱动器进行实际声学分析。

建模差异

使用数学（有限元分析 – FEA）建模来评估理论隔膜的运动相对容易。

使用相同的 100 毫米振膜几何结构构建有限元模型，唯一的变量是材料。此分析有意忽略外部影响，例如声学负载、相位塞和喇叭几何形状，以便专注于每种金属的独特保真度。

反过来，铝、钛和铍的独特性质被输入到模型中，而理论隔膜的实际几何形状保持不变。前六种弯曲（破裂）模式如图 1所示，并如图 2所示。

 

 

图 2：绘制共振频率图表。

所有结果清楚地表明，虽然每种金属的破裂模式有些相似，但铍振膜的破裂发生的频率比其他两种金属高得多（大约高 2.5 倍），从而使共振频率移到可听范围之外。

图 1：前六种分手模式。

 

测量振动

用于测量振动的 Klippel SCN 激光扫描仪。

使用 Klippel SCN 激光扫描仪测量了铝、钛和铍压缩驱动器圆顶的振动。这些几何和振动扫描使我们更容易看到下一节中预测结果与测量结果的匹配程度。

为简单起见，我们给出了每个圆顶在四个频率下的总振动的二维（横截面）测量值。从 5kHz 开始，所有圆顶都会发生相对较小的弯曲（破裂）。随着频率的上升，弯曲波变得更加明显。

通过观察横截面（图 3），我们可以清楚地看到，铍圆顶在高频下比其他两个圆顶更加稳定。

根据我们的理论分析，很容易看出（图 4），铍的声速大约是铝或钛的 2.5 倍。这些
测量证实了这一点，并证明了铍在推动可听范围之外的分裂方面具有固有的有效性。

图 3：振动测试结果。

频率	弯曲波数（/半径）
	铝	钛	铍
5kHz	~1	~1	<1
10kHz	~3.5	~3.5	<1
15千赫	6+	6+	~2.5
20千赫	~9	~9	~3.5

图 4：该图表通过简单计算每个圆顶一侧的波长数量来呈现类似的数据。

关于振动测试程序

这些测试是使用具有最佳轮廓和厚度一致性的实际振膜圆顶进行的（物理组件之间不可能达到与数学建模组件相同的一致性程度）。

使用定制夹具将圆顶安装到同一个压缩驱动电机组件上，以确保位置可重复。为了尽量减少不同悬挂方法的影响，这些扫描被限制在 51 毫米半径内，比标称音圈半径大 1 毫米。这将测量限制在每个圆顶的金属部分。

看看声学性能

频率响应和谐波失真

这些测量结果证实了铍具有更好的活塞行为、高频响应线性度和失真度等优点。数据显示了使用平面波管在同一电机组件上安装四种不同振膜的实际频率响应和谐波失真性能，选择平面波管是为了消除特定喇叭可能引入的影响。

铝是最早用于压缩驱动器振膜的材料之一，因为它既轻又相对较硬。它也很容易获得和成型。图表证实，铝在 10kHz 以上表现出良好的频率响应，而失真在 12k Hz 以下也很好。

由于铝的整体强度较低，因此在高功率应用中表现不佳。钛的使用在近几十年来越来越受欢迎，因为它坚固耐用，并且能够提供比铝更高的输出。但其缺点是这里显示的高频失真，这支持了钛的声音不如铝的普遍看法。钛圆顶的肋条和钻石褶皱环绕是一种增加刚度的常用方法，从而延长高频响应。但其缺点是更高的 Q 谐振，这在 10kHz 以上会产生明显的非线性。

振动分析表明，由于对圆顶同相运动的破坏性干扰，铝和钛的响应/失真图均在 10k 附近呈现出尖锐的峰值和下降。

铍振膜表现出最佳的整体性能。它具有平滑、扩展的频率响应，而失真度在 10kHz 以下与其他材料相当。高于该值时，铍的表现明显优于其他两种材料。

时域行为的小波分析

为了充分理解高频分解模式的影响以及上面提到的相关频率响应“峰值”，查看时域行为也很有帮助。这种类型的数据在过去 15 年里才变得唾手可得，并且越来越多地用于鉴定可以听到但以前无法测量的音质问题。

作为参考，这是一个完美的小波；每个频率的衰减约为 1/f。

高频分裂会导致粗糙和“尖锐”的频率响应，这通常会导致时间域中的长时间衰减（通常称为振铃）。这种影响在顶部八度响应和平滑、快速衰减的铍驱动器与尖锐、长振铃的肋状钛驱动器之间的衰减差异中尤为明显。

铝制振膜在高两个八度和 1 kHz 时均具有相当好的衰减行为。

无肋条的钛质振膜在小波衰减测试中表现第二差，其高八度音和 1 kHz 振铃问题严重。

钛质肋状振膜的振铃现象最严重，在高两个八度和 1 kHz 处均出现长时间衰减。

 

铍振膜在四种材质和形状中具有最佳的高八度衰减特性。

我们可以使用三维累积频谱衰减（瀑布）图在同一张图上查看时间和频率响应。在这里，我们可以清楚地看到铝振膜（左）在 10kHz 以上分解，共振在 5ms 后（首次到达后 >3ms）明显出现。铍振膜（右）在整个最高八度音程中表现良好，在约 2.8ms（首次到达后约 1ms）后没有可见的振铃。

结论

仍有许多机会可以改进现代换能器设计，并且由于 Materion Electrofusion 等公司的努力，铍等曾经深奥的技术在提高性能和可靠性方面的潜力比以往任何时候都更大。

利用铍的固有优势是实现高输出、高频扬声器性能显著和可衡量改进的最佳和最直接的方法。最重要的是，VUE Audiotechnik 致力于将这些固有优势带入更广阔的市场，同时还在整个扬声器生态系统中探索这种特殊金属的新应用。