音响技术第7章 扬声器系统.ppt

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,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。,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。,图 7 - 1 扬声器的频率响应曲线,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。,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。,图 7 - 2 扬声器的阻抗曲线,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。,(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。,(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。,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。,图 7 - 3 指向性图案,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),式中， B为磁隙中的磁感应密度(Wbm2 ); 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。,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(ms); 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。,图 7 - 4 电动力的方向,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。,图 7 - 5 电动式扬声器的基本结构,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)。,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。,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。,图 7 - 6 圆形和椭圆形扬声器,图 7 7 直线形纸盆和曲线形纸盆,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。,图 7 - 8 电动力对纸盆顶端的作用,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。,图 7 - 9 分谐波失真的产生,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。,图 7 - 10 定心支片的结构,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, 如M所指。 这种结构的磁钢尺寸实际上不受限制, 因此, 气隙中所能获得的磁感应密度的大小主要取决于极靴材料, 可达 1.5 Wbm2; 若选用铁钴合金极靴材料, 则气隙中的磁感应密度可达 2.2 Wbm2。 对于结构B和C, 其圆柱形的磁钢(如M所指)在中间, 即通常所称的内磁式磁路结构。,图 7 - 11 各种结构的磁路系统,从扬声器的各种磁路结构可以看出, 扬声器的磁路系统包括永磁体(即磁钢) , 极靴和工作气隙。 永磁体在气隙中提供的磁能被音圈利用。 永磁体由硬磁材料制成, 其作用是在气隙中产生恒稳磁场。 磁路设计的根本目的是设计一种磁路结构, 以体积最小 , 价格最廉的磁钢, 在气隙中产生要求的磁感应密度。 单位体积的永磁体向外空间发出的能量, 与它的磁能积(BH)成正比。,考虑如图 7 - 12(a)所示的永磁体, 其磁滞回线的第二象限部分称为该磁体的去磁曲线。 去磁曲线上的各个点, 相应于不同的去磁情况, 亦即不同的气隙长度lg , 如图 7 - 12(b)所示。,图 7 12 永磁体及其工作点的选择,7.4 扬 声 器 系 统,7.4.1 扬声器系统的组成 1. 扬声器单元 扬声器系统通常包括两个或 3 个不同类型的扬声器单元。 扬声器单元质量的好坏, 直接影响到音箱的音质, 所以应当根据不同的要求, 来选择适当的扬声器单元。,2. 分频器和衰减器 多频带扬声器系统中的每只扬声器只能重放规定的频带, 所以要用分频器正确地分配给各扬声器恰当频带的信号功率。 因此, 输入到多频带扬声器系统的信号, 必须经过一个分频设备, 通常称为分频器。,3. 箱体 由于扬声器振膜前后所辐射的声波, 其相位相差180, 在低频时, 这种反相的声波会互相干涉而使声波削弱, 从而使扬声器的低频性能下降。,7.4.2 封闭式音箱 封闭式音箱就是全密封的音箱, 它把扬声器振膜前后分隔成两个互不通气的空间, 一个是无限大的箱外空间, 一个是具有一定容积的箱内空间。 这样, 扬声器的前向辐射和背向辐射就完全隔离开了, 从而避免了背向辐射对前向辐射产生声干涉的毛病。 但是, 因箱体是全密封的, 箱内空气劲度加大, 使扬声器的最低共振频率升高。 图 7 - 13是其结构图。,图 7 - 13 封闭式音箱,7.4.3 倒相式音箱 在封闭式音箱的适当位置上开出一音孔, 并装上倒相管, 就形成了倒相式音箱, 其结构如图 7 - 14所示。 倒相式音箱的基本工作原理是, 倒相管可将音箱内的某一低频段的后辐射声波倒相后, 再由倒相孔向前辐射出来, 与前辐射声波合成, 从而增加了低频段声波的总的辐射声能。,图 7 - 14 倒相式音箱,7.5 音 箱 的 设 计,7.5.1 封闭式音箱的设计 在封闭式音箱中, 音箱的谐振频率foc 往往高于扬声器的谐振频率f0, 因而常选择具有较低谐振频率f0的扬声器, 如高声顺橡皮环式扬声器, 设计制作封闭式音箱。,封闭式音箱设计的步骤如下: (1) 已知低音扬声器的性能参数: f0(谐振频率, Hz) , m0(振动系统等效质量,g) , Q0(品质因数) , r(扬声器纸盒的有效半径, cm)。 (2) 令封闭式音箱具有最大平坦特性为设计目标, 即令Qoc =0.7。 (3) 计算封闭式音箱的谐振频率foc :,(7 - 5),(4) 计算劲度比A:,(5) 求封闭式音箱的净容积V:,(7 - 6),(7 - 7),(6) 根据有利于消除驻波影响的尺寸比(见表 7 - 1), 确定箱体的几何尺寸。,表 7 - 1 有利于消除驻波影响的尺寸比 (在同一组内H , W , D可以交替),7.5.2 倒相式音箱的设计 品质因数为 0.5 左右的低音扬声器较适合于制作倒相式音箱。 倒相式音箱的设计步骤与封闭式音箱的设计步骤基本相同, 就是在已知低音扬声器的主要性能参数的前提下, 确定箱体的几何尺寸及倒相管的结构尺寸。,倒相式音箱的设计步骤: (1) 已知低音扬声器的性能参数。 (2) 为获得平坦的频率特性, 按图(7 - 15)查找倒相管的调谐频率fob 及劲度比A。 (3) 计算倒相式音箱的净容积V:,(7 - 8),图7 - 15 fob 、d与f0的关系曲线,(4) 根据表 7 - 1, 确定H , W , D的尺寸。 (5) 选取倒相管的截面积S: S=(0.10.4)r (6) 计算倒相管的长度L:,(7 - 9),(7) 根据倒相管的截面积S, 选择倒相管的几何尺寸。,7.6 功率分频器的设计,功率分频器放在功率放大器之后, 按各个扬声器的频带要求, 通过滤波方式, 将不同频段的音频功率分别馈给各个扬声器。 因而, 功率分频器实际上是由无源大功率滤波电路组成的, 常常与扬声器一起, 安装在音箱的箱体内。,最基本的功率分频器是所谓恒阻抗型分频网络。 它具有输入阻抗与频率无关, 加在扬声器上的功率始终保持不变的特性。 现以图 7 - 16 所示的三分频网络为例, 说明功率分频器的一般设计步骤。,图 7 - 16,图 7 - 17,1. 分频点的取法 由于分频网络在分频点上存在相位差, 所以在如图 7 - 16所示的 12 dB/oct型的分频网络与扬声器之间应采用反相连接, 即中音扬声器与低音和高音扬声器的接法反相。 为了保证扬声器系统的综合音频特性曲线平坦, 12 dB/oct型的分频网络特性曲线应在 6 dB降落点交叉, 如图 7 - 17所示。,2. 电感 , 电容值的计算 在图 7 - 16中, L1C1为高通电路, 后接高音扬声器; L4C4为低通电路, 后接低音扬声器; L2C2 及L3C3 组成带通, 后接中音扬声器, 其中L2C3 为高通电路, L3C3 为低通电路。 对于这种 12 dB/oct(6 dB降低点交叉)的分频网络, 电感电容值可按下式计算: (1) 高通电路 (2) 低通电路,思考题与习题,7.1 如何在扬声器的声压-频率响应特性上确定扬声器的有效频率范围? 7.2 扬声器的额定阻抗的定义是什么, 如何在扬声器的阻抗特性曲线上确定额定阻抗的值? 7.3 电动式扬声器中的电动力F的大小与方向由哪些因素来确定? 7.4 扬声器系统包括哪几个部分, 它们各起什么作用?,7.