扬声器的工作原理

扬声器一、术语扬声器（speaker，loudspeaker），俗称喇叭；1993 年出版的电声辞典指出：扬声器是能将电信号转换成声信号并辐射到空气中去的电声换能器。据有关资料记载，最早发明扬声器在 1877 年，德国人西门子（E.W.Scimens ）提出了扬声器雏型专利，他首先提出了由一个圆形线圈放置在径向磁场组成的电动结构。1924 年，美国的赖斯（C.W.Rice ）和凯洛格（E.W.Kollogg）发明了电动式扬声器。二、扬声器原理扬声器应用了电磁铁来把电流转化为声音 。原来，电流与磁力有很密切的关系。试试把铜线绕在长铁钉上，然后再接上小电池，你会发现铁钉可以把万字夹吸起。当电流通过线圈时会产生磁场，磁场的方向就由右手法则来决定。扬声器同时运用了电磁铁和永久磁铁 (图一) 。假设现在要播放 C 调 (频率为 256 Hz，即每秒振动 256 次)，唱机就会输出 256 Hz 的交流电，换句话说，在一秒钟内电流的方向会改变 256 次。每一次电流改变方向时，电磁铁上的线圈所产生的磁场方向也会随着改变。我们都知道，磁力是同极相拒，异极相吸的，线圈的磁极不停地改变，与永久磁铁一时相吸，一时相斥，产生了每秒钟 256 次的振动。线圈与一个薄膜相连，当薄膜与线圈一起振动时，便会推动了周围的空气。振动的空气，不就是声音吗？这就是扬声器的运作原理了。 三、扬声器易响却难精扬声器在全世界每年的产量数以亿计，它在通信、广播、教育、日常生活等方面有广泛的用途，和布、帛、菽、粟一样成为人们不可须夷离开的东西。对我们从事扬声器设计、制造的技术人员来说，对扬声器的理论、实践、工艺等方面需要深入、系统、全面的了解。有人讲扬声器很简单，不过是雕虫小技，谁都可以生产扬声器，这话不能说全无道理，声学本来就是一个小学科，扬声器更是一个小器件。不过十几个到几十个部件，生产的门槛确是不高，但问题的另一面是扬声器又不容易做好。扬声器是一个电声器件，是电声学研究的内容之一。电声学是包括电子学、声学、电磁学、磁学等的交叉学科。扬声器虽然只有不多的几十个部件，但是其复杂繁难的程度远远超过我们的想象。这是因为：（1）扬声器的能量转换层次多、反馈多。通常遇到的器件能量转换只是一种一次。例如电动机是将电能转换为机械能。发电机是将机械能转换为电能。电灯是将电能转换为光能。电池是将化学能转换为电能。这里发生的只是一种能量向另一种能量的转换。而扬声器有所不同，它是将电能转换为机械能，再将机械能转换成电能，这是在诸种换能器中不常见的。它的层次多、反馈多自然带来系统的复杂性和多样性。在一个扬声器系统中同时存在电学部分、声学部分、能和力学部分（机械振动部分）。（2）扬声器工作状态不仅不是静止的，而且是振动的，这种振动又是在三维空间。这个三维空间的振动系统，具有多个边界条件，因此它的振动分析极为复杂，一般的数学工具已不够用。荷兰学者 Frankort 等导出锥体微分方程，是具有 14 个变量的联立一阶微分方程，而且扬声器的振动还与频率和时间有关，实际上它处于多维空间之中。（3）扬声器振动系统只在低频区为一集中参数系统。在频率升高时振动系统不再是刚体。在分析扬声器时，常采用等效电路法，将扬声器看成由集中参数组成的等效电路。因为我们对电路理论是熟悉的，所以用电路理论来分析扬声器会得心应手。在分析扬声器振动时，假设扬声器是一个刚体，这样分析起来相应方便。但是上述的假设只是在低音频段是合适的。在频率升高时，扬声器不再是集中参数元件，扬声器振膜不再是刚体，振膜会出现分割振动。因此在高频段，由刚体振动假设导出的分析一律失效，由等效电路推出的公式失效。分布参数系统的特点还在于这些分散元件并不是彼此无关的。具体来说，振膜上每一点的振动都不相同的，每一点振动都有不同的振幅与相位，而每一点又相互影响。还可以同我们熟悉的电子技术相比较。因为有了物理性能为大家所熟悉的电学元件（电阻、电感、电容、晶体管、集成电路），以及大家所熟悉的电路原理，按电路图可以装配成一个放大器，用这些元件不论是经验丰富的工程师还是初出茅庐的中学生其差别是有限的。但对扬声器、音箱来说，就没有那么简单。相同的单元组装成音箱、若经验不同，可能有相当大的差距。（4）扬声器的评价不仅取决于众多的客观测试指标，而且目前客观测试指标不能完全概括扬声器的质量。扬声器的客观测试指标有数 10 项之多，而且有增加的趋势。大多数测量要求在消声室内进行。尽管现在有了计算机辅助测量，但仍然代替不了消声室的测量。扬声器的主观评价是不可缺少的，而主观评价又带有极大的离散性，它往往因人而异、因时而异、因地而异、因曲而异，并且自觉或不自觉地受到各种心理暗示的影响。评价的结果不仅取决于聆听者的修养、素质、心理状态，而声音本身是转瞬即逝的，其难度高于其他需主观评价的项目，比如评酒评茶等，它涉及心理声学、生理声学、环境声学、音乐声学、数理统计方法等。（5）扬声器制造工艺又涉及造纸、化工、粘合剂、金属加工、磁体制造等许多工艺领域，体现了它的综合性与多样性。其中扬声器振膜材料的变化尤为重要，在几何形状不变的条件下仅仅改变振膜的材料，不但客观测试指标会变，主观音质也会发生变化。由于以上 5