扬声器的基础讲座之一(直接辐射式扬声器的结构、工作原理).ppt

扬声器知识讲座 第一讲扬声器的基本知识第二讲扬声器的发展趋势及平板扬声器第三讲扬声器与电视机的配合 扬声器的基本知识 直接辐射式扬声器的结构 工作原理及主要性能指标介绍2011 10 前言 本讲义主要是根据国家标准GB T9396 1996 扬声器主要性能测试方法 编制的 为了大家更好的理解 增添了几个附录 可作为初步涉足扬声器设计同志的学习资料 也可供工作中对扬声器的基本知识有所需求的相关技术人员参考 由于本人的知识面所限和讲课经验不足 不到之处敬请谅解 目录 一 扬声器的分类二 直接辐射式扬声器的结构三 直接辐射式扬声器的工作原理四 直接辐射式扬声器的主要性能指标五 附录 一 扬声器的分类 1 按换能方式分类2 按辐射形式分类3 按磁路形式分类4 按重放频段分类5 按用途分类6 按外形分类7 按振膜材料分类8 按折环材料分类 1 按换能方式分类 电动式扬声器电磁式扬声器压电式扬声器静电式扬声器气流调制式扬声器 2 按辐射方式分类 直接辐射式扬声器号筒扬声器箱式扬声器 3 按磁路形式分类 内磁式外磁式4 按重放频段分类低频扬声器20 800Hz中频扬声器500 6KHz高频扬声器4K 20KHz 5 按用途分类 电视机用扬声器音箱用扬声器单元电脑或显示器用扬声器汽车用扬声器多媒体扬声器公共扩声用扬声器电子乐器用扬声器声源用扬声器 6 按外形分类 圆形扬声器椭圆形扬声器跑道形扬声器矩形扬声器薄形扬声器平板形扬声器 7 按振膜材料分类 纸盆式扬声器PP盆扬声器 聚丙烯 钛合金振膜扬声器8 按折环材料分类全纸盆型泡沫折环型布折环型合成树脂型复合纸盆型全 二 直接辐射式扬声器的结构 纸盆扬声器总装图 二 直接辐射式扬声器的结构 简单介绍 磁路系统 由磁体 导磁上板 板柱 或导磁碗 组成振动系统 由纸盆 折环音圈 定心支片 防尘罩 引出线组成辅助系统 由盆架 接线板 压边组成 二 直接辐射式扬声器的结构 磁路局部放大图 二 直接辐射式扬声器的结构 磁路局部放大图 三 直接辐射式扬声器的工作原理 基本原理电动力计算电动力计算公式 F BLI电动力计算公式 F BLIF 电动力I 是通过音圈的电流B 是磁隙中的磁通密度L 是音圈导线的有效长度式 F BLI 三 直接辐射式扬声器的工作原理 纸盆扬声器的等效电路图中Eg 音频放大电路的电动势单位为伏特Rg 音频放大电路的内阻单位为欧姆L 音圈电感单位为亨利RE 音圈直流电阻单位为欧姆B 磁隙中的磁感应强度单位为韦伯 米2L 音圈导线的长度单位为米 MMD RMS CMS ZMR UC UC UC fc VC I 流经音圈的电流单位为安培VC 音圈的振动速度单位为米 秒fc 磁场对音圈的作用力单位为牛顿MMD 振动系统的等效质量单位为千克CMS 支撑系统的等效立顺单位为米 牛顿ZMR 振膜一面的辐射阻抗单位为欧姆RMR和MMR分别为振膜一面的辐射阻和固振质量 BL越高 扬声器的辐射声功率也越高RM越大 扬声器的辐射功率也越高XM越小 扬声器的辐射功率也越大RE越大 扬声器的辐射功率也越大 不过RE的大小同时取决于音圈导线的直径和长短 影响扬声器输出频率响应的基本关系扬声器的中频响应基本上基本上是比较平坦的 数值由上式决定 扬声器的低频响应取决于XM的大小 在共振频率处 出现峰值 其高低由共振峰的品质因数QT决定 扬声器的高频响应由振动系统的重量 口径大小及扬声器的方向性多种因素决定 四 直接辐射式扬声器的主要性能指标 1 纯音检听特性解释 在额定频率范围内 馈给扬声器规定电压的正弦信号检查扬声器的装配质量 测量方法 扬声器单元检听 馈给扬声器正弦信号的电功率为1 2额定噪声功率 一般在0 3M处检听 在此距离内应无反射物 扬声器单元不另加负载 注 全频带及低频扬声器检听时 应以共振频率允许偏差下限开始向高频扫描 如F0标准为150 20Hz 那么起始频率应为130Hz 2 额定阻抗和阻抗曲线特性解释扬声器的额定阻抗是由制造厂规定纯电阻的阻抗 在确定信号源的有效电动率时 用它来代替扬声器 额定阻抗是指阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值 注 一般纸盆扬声器的额定阻抗是音圈直流阻的1 2 1 4倍具体倍数由扬声器的口径和磁体的大小决定 阻抗曲线 把阻抗值表示为频率的函数 如下图 3 输入电压1 短期输入电压 特性解释 扬声器单元或系统能承受持续时间为1秒 间隔为60秒的模拟节目信号 而部产生永久性损坏的最大信号电压 2 长期最大输入电压 特性解释 扬声器单元或系统能承受持续时间为1分钟 间隔为2分钟重复10次的模拟节目信号 而不产生永久性损坏的最大信号电压 3 额定正弦电压特性解释 在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号 而不产生热和机械损坏的持续信号电压 该电压为在规定的持续时间内 使用正弦信号测量时电压的极限值 如无特殊规定 持续时间应为1小时 注1 该电压值是频率的函数 注2 该电压值与扬声器的安装方式有关 4 额定噪声电压 特性解释 在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号 而不产生热和机械损伤的信号电压 4 输入电功率1 短期最大功率特性解释 与短期最大输入电压对应的电功率 其定为其中Um是短期最大输入电压 R是额定阻抗 2 长期最大功率特性解释 与长期最大输入电压对应的电功率 3 额定正弦功率特性解释 与额定正弦电压对应的电功率 4 额定噪声功率特性解释 与额定噪声电压对应的电功率 5 频率特性1 额定频率范围特性解释 由制造厂规定的扬声器的频率范围 2 共振频率特性解释 a 在扬声器单元的阻抗模值随频率递增变化的曲线上 出现某一个阻抗极大值时的频率 b 闭箱扬声器系统 包括分频器 的阻抗模值随频率递增变化的曲线上 出现第一个极大值时的频率 f0 Z Re f f0 Z b f c 倒相或无源辐射扬声器系统 包括分频器 的阻抗模值随频率递增变化的曲线上 某一个主要阻抗极大值后的某一个极小值时的频率 a 倒相箱 无源辐射箱 f0 Z 测量点 f u 6 自由场和半空间自由场条件下的声压1 指定频带内的声压特性解释 馈给扬声器以规定频率范围 规定电压值的粉红噪声信号时 扬声器在参数轴上离参数点规定距离处所产生的声压 2 指定频带内的声压极LrLr 20lg 单位dB式中 Pr测得的指定频带内的声压单位PaPo 基准声压20 Pa 即1000Hz声音的可听阈声压 如 80dB的声压级对应的声压为0 2Pa90dB的声压级对应的声压为0 6324Pa Pr Po 3 指定频带内的特性灵敏度特性解释 在指定频带内的声压换算成输入功率为1W和参数轴上距离参数点1m处的值 4 指定频带内特性灵敏度级特性解释 特性灵敏度与基准声压 20 Pa 比值的对数值乘以20以dB表示 例如 馈给扬声器的功率增大1倍 声压提高 2 倍 声压级提高3dB 馈给扬声器的电压增大1倍 声压提高1倍 声压级提高6dB 馈给扬声器的功率增大至10倍 声压提高 10倍 声压级提高10dB 由于测量时所加电压或测试时距离不同可用下式换算 Lp 20LgPr Po 10LgPe Peo 20Lgr ro式中Lp 换算到1m 1W时的电压级dBPr 在r处测得的声压PaPo 基准声压20uPaPe 测试时馈给扬声器的功率WPeo 参考功率1Wr 测试距离mro 参考距离1m 5 指定频带内的平均声压特性解释 指定频带内所有1 3oct频带测得到声压方均根值即P平均 6 指定频带内的平均声压级特性解释 5 中的值和基准声压比值的对数值乘以20以dB表示 说明 oct是倍频率 octive 的缩写 两个声音的频率比值以2为底的对数称之谓频程 对数表达式为 n为倍频程数 可以是分数或整数 例如n 1 1 3则称为 倍频称 和 三分之一倍频程 在电声工程中常用这两种倍频程 如 100 200Hz 500 100Hz就是倍频程 100 125Hz 1600 2000Hz就是三分之一倍频程 附件 常用带通滤波器中心频率和频率范围的一部分 7 自由场和半空间自由场条件下的响应1 频率响应特性解释 在自由场或半空间自由场条件下 在相对于参数轴和参数点的指定位置 以规定的恒定电压测得的作为频率函数的声压级 所用的恒定电压为正弦信号 或为频带噪声信号 Hz f SPL dB SPL dB 2 有效频率范围特性解释 是上限频率和下限频率为界限的频率范围 8 指向特性1 指向性图形特性解释 在自由场条件下规定的平面内测得的声压级表示为 测量轴和参数轴之间夹角的函数 它可以随频率不同而变化 低频典型图形高频典型图形 00 450 900 1350 2250 3150 00 450 900 2 指向性频响曲线特性解释 在偏离参数轴不同角度处测得的一组曲线 2250135 2700 3150 Hz SPL dB f 00 300 3 辐射角特性解释 在包含参数轴的平面内 相对于参数轴测得的角度在此角度上和规定的距离处 测得的声压级比在参数轴上测得的声压级低10dB 4 振幅非线性总谐波失真dt特性解释 以 计 dt n次谐波失真dn特性解释 以 计 dn 以dB计 Ldn 20Lg如 扬声器的二次谐波失真为10 即d2 10 那么以dB计的Ldn 20Lg 20dB 下图是扫频法失真值以dB表示 下图是点测法失真以百分数表示 9 极性标志 特性解释 是指在扬声器输入端馈入信号时 扬声器膜片产生运动的方向与输入端所加信号极性之间关系的标志 实用价值 极性对使用单个扬声器的场合没有什么意义 但对使用多只扬声器的系统或场合 尤其对立体声 多声道放声有致命影响 极性测量方法按规定馈给扬声器以瞬时直流电压 引起膜片向扬声器前方运动时 与电压正级相连接的输入端为扬声器正极 用红色或符号 表示 电池 万用表直流微安或毫安挡 ok 极性检测仪 10 漏磁场 杂散磁场 特性解释 在距离扬声器任何组成部分某以规定距离处由于扬声器磁回路的泄露而产生的杂散磁场 11 其余项目1 外观及机械质量检验要求焊片及接线架 小于 100mm的圆形扬声器及等效面积与其相当的非圆形扬声器其焊片及接线架应能承受2N的拉力不得松动 大于或等于 100mm的圆形扬声器及等效面积与其相当的非圆形扬声器其焊片及接线架应能承受5N的拉力不得松动 外观标志应清晰 外观应整洁 无明显机械损伤 铆 焊及粘接牢固 纸盆不应起皱 划痕 脱落 金属零件的镀层应符合SJ42及SJ1276 1285的要求 2 电气可靠性试验可焊性应符合GB242328中的规定绝缘电阻音圈引出端与盆架和磁路的金属部分之间的绝缘电阻部小于1M 耐电压音圈引出端与盆架和磁路的金属部分之间加定流电压 应无击穿打火现象 一般为1分钟 3 环境可靠性试验高温负荷和储存试验在55 2 条件下工作6h 然后放置2h 稳态湿热试验在40 2 相对湿度 95 3 历时48h 电视扬声器为96h 低温负荷和储存试验在 10 3 条件下工作1h后 在 25 3 条件放置2h 4 额定噪声功率试验输入扬声器额定带宽的粉红噪声信号连续工作100h 也可用1 2倍 或1 5倍 上述信号的噪声功率 连续试验48h 或24h 有争议时应以100h为准 10 物理特性1 尺寸 扬声器的外形结构和安装尺寸 2 重量 扬声器使用时的重量 3 电缆配套件 11 设计数据可作为补充资料提供给客户如 总气隙磁通量气隙磁通密度音圈直流电阻磁体的重量和质量 五 附录1 标准障板 IEC285 1 尺寸 1650 1350mm 由高内阻尼的硬木制成 2 对于外径大于50mm图9的图形扬声器d 1mm 对于外径小于等于100mm的图形扬声器和短轴小于等于100mmd 5mm 对于外径尺寸大于100mm的图形扬声器和短轴大于100mm非圆形扬声器d 10mm 否则高频响应将有很大误差 因为辐射方向形成一个管状腔室 d 300 d 2 白噪声和粉红噪声 whitenoise pintnoise 噪声信号一般分为白噪声和粉红噪声两种 白噪声 指频谱连续而均匀的噪声 在很宽频率范内用固定带宽测量时 在线性频率坐标系中 其能量分布是均匀的 在对数频率坐标系中其能量分布每倍频程上升3dB 粉红噪声 指频谱连续而均匀下降的噪声 在很宽频率范围内 用固定带宽测量时 在线性频率坐标系中 其能量分布连续均匀下降 在对数频率坐标系中 其能量分布 50 20 100 200 2000 f 能量 dB 3dB 白噪声 50 20 100 200 2000 能量 dB 粉红噪声 3 模拟节目信号对模拟节目型号国家标准GB627 86有明确规定 此标准也等效于国际标准IEC268 1c 1982 模拟节目信号的功率谱密度相似于常用的多种语言和音乐节目 节目信号的各类节目源的平均特性 这两种信号可以用粉红噪声通过一个滤波器电路获得 其功率谱如下 dB f 能量 4 自由场和扩散声 1 自由场条件 系指近似自由场空间的声学条件 在次空间中 点声源所辐射的