Pure Beryllium纯铍卓越的声学性能

leijiang

纯铍卓越的声学性能

铍，英文Beryllium，常简写为Be。

铍是一种稀有金属，广泛应用于科学仪器、航空航天领域。

1978年，彼时一家日本公司的北美分部推出了两款划时代的纯铍高音压缩单元，并在1979年被EAGLES老鹰乐队海外巡回演出所使用。这家北美分部成立公司独立运作后，所生产的纯铍高音产品陆续被伦敦著名的Air-Studios、卢卡斯的Skywalker Sound等工作室、Pixar和Walt Disney等制片厂先后使用，证明了纯铍在声学高频领域应用的优异性能和独特魅力。

尽管铍拥有诸多优异的特性，特别是高端高纯度的纯铍音膜，从未像铝膜或钛膜那样在音频领域广泛应用，几十年来仅有少数公司在有限的高端产品才配置纯铍高音。

纯铍高音在高端录音室监听和HI-END市场被验证已久，至今仍受市场和客户的狂热追捧。

广州市叁乐科技有限公司与美国Materion公司合作推出纯铍高音产品，音膜采用Truextent®专利延展技术制造，纯度达99.9%，搭配最大化绕组密度的定制音圈及数十年验证的抗疲劳聚合物悬边，让您和世界顶级工作室和制片厂一样，创造无限卓越的音频空间。

借助世界顶尖的科技和工艺，Sanle帮助您还原动人心魄、水晶般纯净清澈的声音。

下面我们从金属铍的特性说起，扩展到纯铍在声学领域的应用。

铍金属的特性

金属铍相对于金属铝和金属钛，具有以下更优的特性：

特性①	铝	钛	铍
声音传播速度C	5,128m/s	5,077 m/s	12,945m/s

①      对于给定的几何形状，1阶弯曲模态的频率（第1次分割振动*频率）与纵向声波在材料中的传播速度C相关。传播速度越高，结构共振和分割振动的频率也越高，声音在金属铍内传播的速度是在铝或钛中传播速度的2.5倍，铍高音的第1次分割振动频率也应该是铝或钛的2.5倍，因此铍拥有更高的音频扩展带宽，可以回放比铝和钛更高频率的声音。

*注：当振动频率达到某个值时，振膜因为波的相互干涉而形成区域化的振动。振膜在不同的频率下被分割成多个区域，某些相邻的区域振动相位还互为反相。这种成区域的局部振动，就叫分割振动，分割振动不可消除。本文后半部分会有图和文字详细说明。

特性②	铝	钛	铍
杨氏模量E	71 GPa	116 GPa	310 GPa

②      杨氏模量E是描述材料在弹性变形阶段抵抗形变能力的物理量，用于衡量材料的刚度，杨氏模量越大，表示材料越坚硬，弯曲形变更小。从而在更高频率的振动能更稳定，性能会更优异。

特性③	铝	钛	铍
泊松比ν	0.33	0.34	0.032

③      泊松比ν衡量材料横向变形和轴向变形的比例，当ν=0是为完全刚性无横向变形的材料，纯铍拥有非常接近0的泊松比ν，意味着纯铍在更高的频率的横向形变非常小，振动更稳定，性能更优异。

特性④	铝	钛	铍
导热系数λ	130~220W/m·K	20~30W/m·K	130~175W/m·K
比热c	0.88  J/g·℃	0.52  J/g·℃	0.46 J/g·℃
热膨胀系数	23.2 × 10⁻⁶/°C	8.6 × 10⁻⁶/°C	11.5 × 10⁻⁶/°C

④      扬声器振膜都是工作在高温腔室内，铍具有高导热、低比热、低膨胀系数的特点。铍的热容量比其他金属更高，相同质量温度升高的情况下，铍吸收的热量是铝或镁的两倍，是钛的三倍。铍的导热系数与铝相当，室温和高温下热膨胀系数与不锈钢、镍合金和钴合金非常接近。最终铍的热性能、热扩散效率让热量均匀分布，从而有助于消除由热梯度引起的变形，让高频振动更稳定。

特性⑤	铝	钛	铍
德拜温度θ	428K	420K	1031K

⑤      铍的德拜温度为1031K，是铝和钛的两倍多，铍的高德拜温度、低热效应、低疲劳低损耗，让铍在高温高频工作时的声学损耗明显低于其他金属，铍的高频衰减比铝和镁低100倍，这解释了纯铍高音为什么具有更优异的高频输出性能。

特性⑥	铝	钛	铍
密度ρ	2.7g/cm3	4.50g/cm3	1.85g/cm3

⑥      铍相比铝和钛具有更低的密度，但铍却拥有更高的刚度和刚性。

Lighter更轻+Stiffer更硬= Faster更快!

更轻、更硬、更少的分割振动，让铍振膜具有更大的速度和加速度，振动系统更容易移动和停止，从而让纯铍高音拥有卓越的瞬态响应性能。

特性⑦	铝	钛	铍
屈服强度σ0.2	90 MPa	140 MPa	240 MPa

⑦      屈服强度是金属材料在发生屈服现象时的应力极限，屈服强度在工程上是材料的力学行为和工艺性能的大致度量，通常用于评估材料抵抗塑性变形的能力。

对于无明显屈服现象出现的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值作为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于屈服强度的外力作用，将会使零件永久变形，无法恢复。

材料屈服强度高，对应抗脆断强度降低，材料的脆断危险性增加；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能更好。纯铍金属拥有良好的屈服强度，既不容易脆断又方便加工成型，让产品具有卓越的可靠性和一致性。

⑧      另外，铍金属的外表面在空气中会形成一层保护层，低于600ºC时表面的氧化保护层性能稳定，让纯铍音膜在高温下工作也不会氧化过度，具有无毒安全、稳定耐用的特性。

特性总结：

特性	铝	钛	铍
①声音传播速度C	5,128m/s	5,077 m/s	12,945m/s
②杨氏模量E	71 GPa	116 GPa	310 GPa
③泊松比ν	0.33	0.34	0.032
④导热系数λ	130~220W/m·K	20~30W/m·K	130~175W/m·K
④比热c	0.88  J/g·℃	0.52  J/g·℃	0.46  J/g·℃
④热膨胀系数	23.2 × 10⁻⁶/°C	8.6 × 10⁻⁶/°C	11.5 × 10⁻⁶/°C
⑤德拜温度θ	428K	420K	1031K
⑥密度ρ	2.7g/cm3	4.50g/cm3	1.85g/cm3
⑦屈服强度σ0.2	90 MPa	140 MPa	240 MPa

我们将特性和优点、优势的逻辑关系总结如下：

接下来，我们将结合有限元仿真分析、KLIPPEL SCN激光测量、CLIO测量和时域小波分析多个角度，详细展开说明纯铍高音的卓越声学性能。

FINITE ELEMENT MODELING有限元仿真分析

让我们再来对弯曲模态和分割振动进行说明：

对于给定的几何形状，1阶弯曲模态的频率（第1次分割振动频率）与纵向声波在材料中的传播速度C相关。更准确地说，根据欧拉-伯努利板理论，1阶弯曲模态随 √(E / (1- V²)) 变化。

1阶弯曲模态的大致形状如下面的图 1 所示。

图1：圆顶振膜在1阶完全模态下的二维形状

使用Materion公司Truextent®专利延展技术制造的4英寸（100毫米）振膜进行有限元仿真建模，案例忽略来自压缩单元的声学负载（不带后腔、无相位栓、不加号角），模拟真空条件下振膜的振动模型，前6阶弯曲模态的预测频率如下：

我们将有限元预测模型中的铝、钛、铍的1~6阶弯曲模态信息汇总成如下表格：

模态阶数	弯曲频率（铝）	弯曲频率（钛）	钛比铝	弯曲频率（铍）	铍比铝
1阶模态	10.01 KHz	9.98 KHz	0.99	26.16 KHz	2.61
2阶模态	10.44 KHz	10.36 KHz	0.99	26.64 KHz	2.55
3阶模态	10.56 KHz	10.46 KHz	0.99	26.79 KHz	2.54
4阶模态	10.62 KHz	10.52 KHz	0.99	26.90 KHz	2.53
5阶模态	10.68 KHz	10.58 KHz	0.99	27.05 KHz	2.53
6阶模态	10.76 KHz	10.66 KHz	0.99	27.28 KHz	2.54

表格：有限元建模预测的多阶弯曲模态频率

请注意有限元模型预测数据，验证了之前的观点：对于给定的几何形状，1阶弯曲模态的频率（第1次分割振动频率）与纵向声波在材料中的传播速度C相关。

即：铍1~6阶弯曲模态发生的频率大约是铝和钛同阶次频率的2.5倍（最右列数字）。

但在1阶模态以上的模态发生的频率并没有规律，后面的模态频率密集的出现，这使得1阶弯曲模态的频率对于分析和应用更为重要。

KLIPPEL SCN激光测试

使用Klippel SCN激光扫描仪对铝、钛和纯铍的压缩高音进行振膜的几何形状和振动扫描。

被测对象为一个移除后盖的压缩高音单元，使用定制的夹具确保被测膜片位置固定，Klippel激光扫描直径为100+2毫米，扫描半径比4寸（100毫米）音圈的半径50毫米大1毫米，确保完全覆盖振膜。为了和有限元建模预测结果对照，测试对象一样忽略压缩单元的声学负载（不带后腔、无相位栓、不加号角），Klippel SCN测量结果显示在四个频率（5KHz、10KHz、15KHz 和 20KHz）三种不同金属振膜（从左到右依次为铝膜、钛膜、纯铍膜）的二维横截面和三维图像测量结果：

在1阶弯曲模态频率5kHz 时，所有圆顶振膜都会出现简单的第1次弯曲现象（第1次分割震动）。随着频率的升高，每个圆顶表面上都会出现分割振动。与有限元建模仿真预测的结果相似，铝和钛在超过10KHz频率后出现了更高阶的弯曲模态，分割振动在更高的频率发生得更多。

以下表格记录了三种金属振膜在半径范围内不同频率的分割振动的数量。

频率	分割振动的数量（半径范围内）
	铝	钛	铍
5kHz	~1	~1	<1
10kHz	~3.5	~3.5	<1
15kHz	6+	6+	~2.5
20kHz	~9	~9	~3.5

我们以20KHz频率测量钛膜和铍膜的图示详细说明分割振动的数量：

上图显示钛膜在20KHz半径内分割振动数量约为9个。

上图显示纯铍膜在20KHz半径内分割振动数量约为3.5个。

综上，纯铍振膜比铝膜、钛膜具有更优异的高频带宽和高频性能。

CLIO频响测量

测试设备：

AudiomaticaCLIO 10 QC

Bruel& Kjaer 1/4英寸麦克风

Bruel& Kjaer 2619前置放大器

Bruel& Kjaer 2801电源

Bruel& Kjaer 4231校准器

192kHz采样率Firewire接口声卡

Windows系统

以4Vrms /1W驱动高音单元进行测量

数据显示：

纯铍振膜比铝膜和钛膜（如下图），具有更平滑的频率响应及更平滑的谐波失真，更优异的高频输出性能。

实际上，即使是具有加强筋的钛膜（如下图） ，频率响应、谐波失真也无法比纯铍膜相提并论。

时域小波分析

AudiomaticaCLIO 10 QC测量设备具有对脉冲响应进行小波分析的能力。

CLIO的小波分析工具提供了能量随频率衰减的详细视图。

我们将这些数据汇总排列起来方便对比分析，从上到下分别是“完美衰减的小波衰减模型”、“铝膜/无加强筋的钛膜/有加强筋的钛膜小波衰减数据”、“纯铍振膜小波衰减数据”。

每张图例纵轴Y轴为频率，单位为赫兹Hz，最低刻度为500Hz，最高刻度为20KHz，横轴X轴为衰减时间，单位为毫秒，最小刻度为0毫秒，最大刻度为11毫秒。

您可以直接在时域小波对比中这样理解，Y轴越往上的高频区域，拥有更少的旁辦色斑代表高频具有更快的衰减速度，即拥有更优异的高频瞬态响应性能。

对于纯铍振膜小波衰减数据来说，X轴方向几乎无大于3.4毫秒的旁辦色斑，代表最快衰减速度，最优异的高频瞬态响应性能。

总结

综上所述，由于金属铍具有的各项优势特性，让纯铍振膜在声学音频领域的应用提供了卓越的高频性能。无论是数十年的市场验证和口碑评价，还是客观数据分析，都显示和论证了纯铍高音在高端声学领域的优异性能和独特魅力。

广州市叁乐科技有限公司融合美国Materion公司Truextent®数十年世界顶尖科技和工艺，帮助您创造无限卓越的音频空间，还原动人心魄、水晶般纯净清澈的声音。