音响技术第7章 扬声器系统

第 7章 扬声器系统 第 7章 扬声器系统 7.1 扬声器类型及其主要性能指标 7.2 电动式扬声器的工作原理 7.3 电动式扬声器的振动系统与磁路系统 7.4 扬声器系统 7.5 音箱的设计 7.6 功率分频器的设计 思考题与习题 第 7章 扬声器系统 7.1 扬声器类型及其主要性能指标 7.1.1 扬声器类型扬声器是一种电声换能器 , 它通过某种物理效应把电能转换成声能。 按照电 声换能的方式不同 , 可以把扬声器分成若干类型。 第 7章 扬声器系统 7.1.2 扬声器的主要性能 虽然扬声器规格种类繁多 , 但都可用一些常用的特性参数来表征其主要性能。1. 声压 -频率响应特性当给扬声器馈以恒定的电压时 , 扬声器产生的声压随频率变化的关系 , 称为扬声器的声压 -频率响应特性。 这种特性可用曲线来表示 , 如图 7 - 1所示。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 1 扬声器的频率响应曲线 第 7章 扬声器系统 2. 有效频率范围受到扬声器换能机理及扬声器的结构限制 , 扬声器的声压 -频率特性的平坦部分并不能覆盖整个音频范围 , 低音扬声器只在低音部分具有平坦的声 压 -频率响应曲线 , 同理 , 中音和高音扬声器也是如此。 第 7章 扬声器系统 3. 阻抗特性扬声器的阻抗特性反映了扬声器振动线圈阻抗随频率变化的特性 , 扬声器的阻抗特性可用阻抗曲线表示。 一般电动式扬声器的阻抗特性曲线如图 7 - 2所示。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 2 扬声器的阻抗曲线 第 7章 扬声器系统 4. 额定功率扬声器的额定功率是指扬声器能长时间正常安全工作的输入电功率 , 又称 为标称功率。5. 灵敏度扬声器的灵敏度是指扬声器输入端馈以单位电压时, 在其参考轴上距离参考点 1 m处所产生的声压值。 我国主要用扬声器的特性灵敏度和特性灵敏度级来表示。 第 7章 扬声器系统 (1) 特性灵敏度 PA: 给扬声器馈以相当于在额定阻抗上耗散 1 W电功率的粉 红噪声信号电压时 , 在参考轴上离参考点 1 m处产生的声压。 (7 - 1) 式中 Pe为有效声压值 , W为电功率。 第 7章 扬声器系统 (2) 特性灵敏度级 SPLA: 当用声压级表示声压时 , 扬声器的灵敏度称为特性灵敏度级 , 单位为 dB。 (7 - 2) 式中 Pr为参考声压。 第 7章 扬声器系统 6. 指向性扬声器辐射声波的波长随频率的增加而变短。 当声波的波长与扬声器的几何尺寸可比拟时 , 由于声波的绕射特性及干涉特性 , 扬声器辐射的声波将出现明显的指向性。 扬声器的指向性是表征扬声器在不同方向上辐射声波的能力 , 一般用指向性图案来表示。 扬声器的指向性图案是指扬声器辐射声波的声压级随辐射方向变化的曲线 (如图 7 - 3所示 )。 扬声器的指向性与频率有关。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 3 指向性图案 第 7章 扬声器系统 7.2 电动式扬声器的工作原理 电动式扬声器多为直接辐射式扬声器 , 其振膜直接向周围介质 (空气 )辐射声波。 该振膜为圆锥形 , 通常为纸质 , 俗称纸盆。 使电动式扬声器振膜发生振动的力 , 即磁场对载流导体的作用力 , 其大小由下式 决定 :F=Bli (7 - 3) 第 7章 扬声器系统 式中， B为磁隙中的磁感应密度 (Wb m2 ); i为流经音圈的电流 (A); l为音圈导线的长度 (m); F为磁场对音圈的作用力 (N)。 电动式换能器的音圈 , 通以音频电流时 , 在磁场中受到力的作用 , 该效应称为电动式换能器力效应。第 7章 扬声器系统 然而 , 一旦音圈受力运动 , 就会切割磁隙中的磁力线 , 从而在音圈内产生感应电动势。 这个效应称为电动式换能器的电效应 , 其感应电动势的大小为 e=Blv (7 - 4)式中， v为音圈的振动速度 (m s); e为音圈中的感应电动势 (V)。 电动式换能器的力效应和电效应总是同时存在 , 相伴而生的。 电效应的 存在 , 将对扬声器的电阻抗特性产生极大的影响。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 4 电动力的方向 第 7章 扬声器系统 7.3 电动式扬声器的振动系统和磁路系统 电动式扬声器的基本结构如图 7 - 5 所示。 扬声器的各种部件 , 按其作用不同 , 可分为振动系统和磁路系统两部分。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 5 电动式扬声器的基本结构 第 7章 扬声器系统 7.3.1 扬声器的振动系统扬声器的振动系统包括策动元件音圈 , 辐射元件振膜和保证音圈在磁隙中处于正确位 置的定心支片。 音圈是整个振动系统的策动源 , 用漆包线在纸质或金属的线圈架上绕制而 成。 为了充分利用磁隙的空间 , 还常常采用矩形截面的导线来绕制音圈 , 导线的材质要么是铜要么是铝。 振膜是振动系统的主要部件 , 最常用的是纸质振膜 (纸盆 )。 第 7章 扬声器系统 扬声器的频响特性 , 在很大程度上取决于纸盆的性能 , 而纸盆的性能又取决于纸盆的材料 , 几何形状和加工工艺。 一般说来 , 要求纸盆材料同时具有 3 种特性 , 即 (1) 密度 要小 ;(2) 机械强度要大 , 或者说 , 杨氏模量 E要大。 与第一个特性合在一起 , 即要求材料弹性率 E/的值要大 ;(3) 适当的内部阻尼。 第 7章 扬声器系统 扬声器振膜的形状是各种各样的 , 可以是圆形的 , 也可以是椭圆形的 , 如图 7 - 6所示。 在圆形纸盆中 , 又可分为球顶形 , 平板形和锥形。 而在锥形纸盆中 , 又可按其 母线的形状 , 分为直线形纸盆和曲线形纸盆 , 如图 7 - 7所示。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 6 圆形和椭圆形扬声器 第 7章 扬声器系统 图 7 7 直线形纸盆和曲线形纸盆 第 7章 扬声器系统 纸盆的形状和顶角的大小 , 对扬声器的性能影响极大 , 必须按照扬声器的设计要求进行适当的选取。 一般说来 , 浇制和加压直线形纸盆的模具比较简单 , 但有一个缺点 , 即当加给扬声器的功率超过一定限度时 , 纸盆表面会产生某些频率的振动 , 从而影响放声质量 , 而曲线形纸盆就可避免这一现象。 由图 7 - 5可知 , 纸盆的顶端与音圈相接 , 而音圈的电动力沿着扬声器的轴向作用于 整个锥顶的圆周 , 如图 7 - 8所示。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 8 电动力对纸盆顶端的作用 第 7章 扬声器系统 由图 7 - 9可知 , 纸盆的基部是固定在盆架上的 , 因此 , 当功率足够大时 , Fl 足以使纸盆产生纵向弯曲 , 如图 7 - 9(a)所示。 这种弯曲的 过程如图 7 - 9(b)所示。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 9 分谐波失真的产生 第 7章 扬声器系统 定心支片就是以上述要求为出发点而设计的 , 常见的结构如图 7 - 10(a), (b)所示。 使用最为普遍的则是波纹形定心支片 (a)。 在某些大功率扬声器中 , 为了增大径向功率 , 经常将定心支片做成双 层的。 第 7章 扬声器系统 图 7 - 10 定心支片的结构 第 7章 扬声器系统 7.3.2 扬声器的磁路系统电动式扬声器磁路系统的结构一般有 5 种形式 , 如图 7 - 11所示。 其中 A一般称为外磁结构 , 具有环状的磁钢 ,