浅谈扬声器设计

浅谈扬声器设计 发布 2009 1 05 09 27 作者 廖喇叭 来源 本站 查看 98 次 字号 小 中 大 浅谈扬声器设计 本人从事扬声器及其系统开发已经 15 年 一个偶然的机会与声学楼结下一段 缘分 于是我驻足良久 想籍此结交一些扬声器个中高手以做切磋 甚而我有 更远大之理想 为提高整个中国之扬声器制造业水平而略尽绵力 我国是世界 公认的电声器件第一生产大国和出口大国 但却不是强国 总体上处于 OEM 的阶段 只有少数企业进入 ODM 阶段这也是长期努力的结果 究竟是什么原 因导致我泱泱大国的扬声器 大 而不 强 呢 我时常苦思这个问题 论市场我 们有 论技术我们有 论廉价劳动力我们也有 可我们的产品却总比不过人家 我们对自身的素质要求太低啦 我们的技术交流太少啦 我们都太保守啦 集多年的研发经验 现将一些心得与诸君分享 以期拋砖引玉 1 音圈的感抗 音圈的感抗是由于音圈在磁场中上下运动切割磁力线产生感应 电动势 这个感应电动势中的感应电流对音圈的电流产生反作用 从而产生音 圈的感抗 对于一个扬声器来说 感抗弊大于利 固我们在扬声器的开发中都 尽量避免音圈感抗的产生 要消除音圈的感抗最常用的方法有两种 1 1 在 T 铁的顶部加一个铜套 1 2 在 T 铁的底部加一个铜环 2 力撑系统的顺性在阻抗曲线上的表现 列图 经验值 相对 A 属于高顺性扬声器 B 属于低顺性扬声器 3 产生如下曲线的原因及改进之方案 经验值 此应为力撑系统的粘接不良产生共振从而产生曲线上的峰谷 改进 之方案应该从制造的工艺上去想办法 1 目的 Bm Hm 達到最大值 2 方案 2 1 氣隙磁場無漏磁 Bg Ag Bm Am Hg Lg Hm Lm Bm Hm Lm Am Ag Lg tg Vm Am Lm BgAg Bm HgLg Hm Bg2Vg BmHm Ld BgLg Br HcBdHd Ad BgAg Hc Br BdHd 2 2 氣隙磁場有漏磁 FbgAg BmAm FHgLg HmLm 3 目前我公司採用 2 1 設計方案 1 目的 使震動系統産生極小的橫震動與極大的縱震動 2 原理 F Bli e BLv F i e v 3 方案 3 1 材料的密度 要小 3 2 材料楊氏模量 E 要大 3 3 具有適當的內阻尼 3 4 採用複合泡沫邊紙盆 3 5 採用耐高溫音圈系統 3 6 採用絹布彈波系統 2 10 电动式扬声器电动式扬声器 介绍电动式扬声器工作原理 应用 测量 音箱设计和分频器 设计 电动式扬声器是目前主要的扬声器类型 包括低音 中音和高音 基本工作原理如 下 电流通过音圈产生电磁场和磁隙中永久磁场相互作用使音圈受到力的作用 使与之相 连的振动板产生机 械振动 正如 JBLMarkGrander 指出 要想产生声音 必须移动空气 其机械构造其机械构造与电动机相似 只不过电动机的转子被扬声器的音圈振动系统所代替 图 2 1 是典型的动圈式 扬声器的剖示图 当永久磁场中的音圈通有电流时 根据右手定则在磁隙 永久磁场内部会产生一个电磁 场 磁场相互作用 由此所产生的机械力使得锥体式振膜或 球顶式振膜沿着垂直于磁缝的方向运动 并带动了振膜两旁的空气运动 电动式扬声器电动式扬声器由三个独立但又组装在一起协调工作的系统组成 1 驱动系统 由磁体 中心导磁柱 上导磁板和音圈组成 2 振动系统 由振动板 防尘罩或者球顶振膜组成 3 支撑系统 由定心支片和折环组成 2 20 驱动系统 驱动系统 驱动系统由五个基本部件组成 包括组成磁隙的上导磁板和导磁柱 磁 体 音圈和后导磁板 上下导磁 板和导磁柱由高导磁材料如纯铁制作 它们为磁场提供一 条路径 磁体通常由钡铁氧体材料类制作 并且形状一般为圆环形状 磁路通过磁隙构成 回路 在磁隙空气中产生非常高的磁场强度 如果交流电流 通过音圈 例如 60Hz 正弦波 当在正半周时 通过音圈电流将会使音圈朝一个方向运动 当在负半周时 电流反向 产 生电磁场反向 音圈改变运动方向 这就是两个磁场作用产生推拉的结果 为了准确重放 由正弦波输入产生的运动 音圈在磁隙两个方向移动应相等 为了保证这点 磁隙磁场的 对称性非常重要 这样在两个不同方向上才能获得相同的驱动力 如果不这样 就会产生 信号失真 如果磁场磁力线如果磁场磁力线被限制在非常窄的磁隙中 可以认为磁场是对称的 不需要 考虑它的影响 但是 磁力线会跑出磁隙空间范围 在磁隙两边产生漏磁场 通常有很多 方法可以保证漏磁场对称 见图 2 2 图 2 2 中 A 为普通圆柱型导磁柱 由于结构不对称 所以产生不对称的漏磁场 虽然应用广泛 但是这种结构最差 图 2 2 中 B 为将导磁柱加 工成工字形 所以产生对称的磁场 惠威现在 D 系列 早期 S 系列均采用上述磁路结构 图 2 2 中 C 为导磁柱加工成一个角度 同 2 2 中 A 相近 但漏磁场对称性要好一些 惠 威现在 PLUS 系 列采用这个磁路结构 电流通过电流通过音圈产生机械力 用 BL 值表示 BL 为一定圈数的导线长度 L 乘以单位面积磁通密度 B BL 是衡量 驱动系统强度一个参数 单位用 TM N 怎样测量 BL 数值可以参看扬声器测量部份 2 21 磁隙几何形状和磁隙几何形状和 BL 值 值 在扬声器中 通常用两种基本的磁隙 音圈几何组合 短 音圈方式和长音圈方式 图图 2 3 的两种方式中 长音圈方式应用要普遍得多 图中 Xmax 表示的距离代表音圈朝一个方向可以运行的距离 在这个移动范围内 音圈在磁隙中切割 磁场的音圈匝数没有变化 Xmax 等于音圈卷宽减去磁隙高度 再除以 2 图 2 4 显示了 两种不同方式 BL 值随着音圈位移增加 单向 变化结果 当输入扬声器电压增加时 音 圈位移越来越偏离磁隙 直到超过 Xmax 此时 音圈在磁隙中匝数减少 总的 BL 值减 少 一个扬声器当它的音圈匝数在磁隙中恒定时 称为工作在线性范围内 如果当它的音 圈匝数在磁隙中减少或变化时 称为工作在非线性范围内 短音圈方式在一个短的距离内 得到相当线性的驱动力 但是通常同长音圈方式相比 具有比较低的 BL 值 因为增加 了磁隙高度所以要求比较强的磁场 短的音圈则意味着轻的音圈 质量 长音圈方式优点 在于合理的线性范围以及更高的效率 虽然音圈重量增加 所以这种方式受到制造商普 遍采用 不同的音圈不同的音圈卷宽配合不同的磁隙高度 可以获得相同的 Xmax 但是当位移超过 Xmax 时 非线性表现却不一 样 例如 一个 12mm 卷宽音圈配合 8mm 磁隙同一个 8mm 卷宽音圈配合 4mm 磁隙 他们具有相同 Xmax 2mm 虽然 他们 Xmax 一样 但是磁隙高度同 Xmax 之比例却大不一样 12mm 为 4 1 但 8mm 卷宽音圈只有 2 1 音圈位移 超过 Xmax 时 这个比值同 BL 值减少有一定关系 图 2 5 给出了具有相 同 Xmax 值 但是不同磁隙高度 Xmax 比例情况下 上述例子 BL 非线性特性曲线 请 看图 BL 在超过最大线性位移 Xmax 之后 开始逐步下降 到了大约两倍 Xmax 时开 始急剧下降 当磁隙高度 Xmax 比值大时 同磁隙高度 Xmax 比值小的相比 BL 值 下 降要慢一些 在位移极限位置附近 也就是当音圈离开磁隙一个很大距离时 当位移变化 时 BL 值本 身变化不大 曲线变得很低 并且 BL 值趋近 0 虽然 BL 值在两倍 Xmax 之内下降缓慢 但是失真却首先反映出来 在满足失真要求下 音圈最大位移通常在 Xmax 基础之上再加 15 在增加音圈电压时 通过测量三次谐波失真可以决定最大线 性位移 此时 由于位移增加 并且超过 Xmax 三次谐波失真开始增加 当三 次谐波 失真达到大约 3 时 位移量大约在 Xmax 15 点上 2 22 短路环和法拉利回路 短路环和法拉利回路 电流通过音圈同样产生一个附加电流 同扬声器音圈电流相 反 也就是大家熟悉的反电动势效应 这个反 电动势在音圈中产生的电流作用就像发电机 转子 这个效应产生的电磁场 同扬声器音圈中信号电流产生交 流磁场一起 在磁隙磁场 之中产生磁场调制作用 这个现象在 1949 年由 W J Cunningham 发现 会产生严重 的 二次谐波失真 进一步研究表明 这个对磁场调制现象 当音圈向不同的方向运动时 效 果是不同的 换句话说 它是一个不对称的磁场调制效应 产生这个不对称磁场调制效应 部份原因就是导磁柱 作用好像变压器铁芯 当音圈变换运动方向时 就会 同步发生磁场 调制 并且在音圈单向运动超过 Xmax 时 部份同步的产生磁场调制 另外发现 音圈磁 场同 漏磁场相互作用改变漏磁场形状 这个结论 至少部份的解释了在后面我们讨论的推 挽结构的优势 最简单的解决方法是使用高导磁率材料铁芯 这样靠近音圈部份铁芯总是处于饱和状态 可以获得可以忽略的磁场调制电流 这个技术并不是经常使用 原因在于高导磁率材料非 常昂贵 最普遍的技术方法解决 这个磁场调制 涡流问题是采用短路环 或者叫做法拉利 环 见图 2 6 短路环应用有不同的方法 但都是 通过产生一个同音圈产生的磁场大小相 等 方向相反的磁场来达到目的 图中 A 为将导体材料如铜覆盖 在导磁柱顶部 图 2 6 中 B 为在导磁柱上安装一个铜帽 图 2 6 中 C 为一个铜柱围绕着导磁柱 图 D 为一 个短 路环安装位置图 通常由铝制作 放置在导磁柱底部 屏蔽导磁柱方法附带着另外一 个好 处是减少音圈电感效应 通常电感效应会引起高频段响应升高 屏蔽罩安装位置和大小可 以用来调节和控制扬声器单元中频和高频段频率响应 在导磁柱底部安装一个短路环同屏 蔽导磁柱方法一样可以减少 二次谐波失真 但是不能影响音圈电感以及高频单元响应 虽 然应用短路法一个主要的好处是可以减少失真 但是控制中频和高频单元响应同样重要 2 30 振动板 振动板 解释扬声器振动板物理原理通常通过讨论一个理想的无限大刚性活塞推 动空气来理解 同无限大刚性活塞推动空气相比 扬声器单元振动板运动从频率上来讲是 有界的 在低端由扬声器谐 振频率决定 在低于谐振频率的频段 扬声器能量转换受到机 械限制 而高频则受到空气辐射阻抗特性所限制 空气对运动的阻力为辐射阻抗 辐射 阻抗随着频率升高而减少直到某一高端频率点 此后即使升 高频率 辐射阻抗保持不变 低于这个高端频率点 能量转换显示稳定的衰减 它是空气辐射阻抗和辐射表面积函数 小的辐射表面积同大的辐射表面积相比 可以重放更高的频率 实际上 通常使用不同口 径的扬声器来覆盖重放不同的频 段 现实世界中 振动板不是绝对刚体 并且使用不同的 材料制造 形变特性也不一样 振动板形变对单元高频辐射效率 频率响应和指向特性影 响很大 虽然不同的材料具有不同的硬度 同时内部对振动传递速度 2 31 振动板谐振模式振动板谐振模式 振动板有两类振动模式 放射型和同心型被应用于分析扬声器 振膜振动 由图 2 7 描绘 放射型振膜振动 从振动板中央扩散到振动板边缘 通常发生 在低频段 并且在实际中作用被认为为次要影响的振膜振动 同心型振膜振动 由围绕振 动板中央的一系列波纹或涟漪组成 这些同心型振动模式 通过全息照相可看到波纹数量 随着频率不同而变化 并且当改变频率时 一些波纹被反射回到中部 形成干涉图案 这 些波纹或涟漪以一种非常复杂形态来推动空气 并且一些同音圈相位相同 另一些则相位 不同 在图 2 7 中 振 动板正负区域表示他们相位相反 这个复杂的叠加和抵消关系被 称作振动板分割振动 在扬声器典型频率响应曲线中 产生很多峰和谷 当频率上升时 振动板有效辐射面积将会减少 所以在很高频率 倾 向于只有在振动板中央才发生辐射 在一些频率点 振动板有效辐射振动质量变小 声输出陡斜下降 被称为高频截止频率 为了获得高的高频截止频率 振动板质量同音圈质量比例越小越好 高频截止频率另外还 受到音圈电感影响 2 32 振动板指向性振动板指向性 当频率升高时 所有扬声器都表现出指向特性 并且高频输出成为 一束声波 好像汽车车灯发出的灯光 在声音波长 c f 比振动板周长大一些时 辐射 为一个球面 当频率上升 波长等于或小于振动板周长 时 辐射图案变得相当尖锐 图 0 8 给出不同口径振动板 6dB 点频率 偏离轴向角度曲线 2 33 振动板形状 振动板形状 不同形状振动板具有不同的响应特性 振动板设计有两种基本形状 圆锥型或平面型 以及凸面形 锥体形状振动板在响应范围高频段 倾向于有一个高的峰 峰的位置部份的由锥体角度决定 同凸面形振动板 相比 它的带宽要宽一些 凸面形振动 板趋向具有平滑的频率响应 并且在高端具有一个不太尖锐的峰 意味着高频响应效率低 但是同锥形振动板相比 带宽要窄一点 通过改变凸面形振动板曲率 可 以改变和控制 扬声器频率特性 2 34 防尘罩 防尘罩 扬声器的磁隙宽度可以从大口径的几个毫米到小口径高音的一张厚纸 那么小 磁隙宽度尽量越小越好 这样可以使振动的音圈获得最大磁场驱动力 同时容易 散热 当音圈同振动板相粘接时 从导磁柱到音圈之 间空间通常采用精密定位填充模具来 安装定位 这个装配过程使导磁柱和音圈之间空间对外部灰粒暴露出来 这样 可能会有 一些灰粒存留在这个空间之中 产生一些问题 传统解决办法是固定一个封闭罩 也就是 防尘罩 来密封这个空间 将一个防尘罩安装在振动板和音圈粘接部位上方 解决了一个 问题 但是 又带来其他问题 安装在振动板上的防尘罩有两种基本类型 固体材料和多孔 材料 固体材料防尘罩不让空气通过它的表面 并且生成一个 小气室 当振动板前后移动 时 使导磁柱上面空气压力发生变化 这个使空气压缩和稀薄作用 对扬声器工作产生不 好的影响 由于音圈和导磁柱之间面积太小 不能有效的减缓由防尘罩运动产生的压力 生产商通常采用两种方法解 决这个问题 第一个是采用有通气孔的导磁柱 也就是在导磁 柱中间钻一个小孔 以便使空气可以进出 另外一个方法是在音圈上打一些孔 这样允许 空气流出小气室 同时减少导磁柱和防尘罩之间压力 多多孔的防尘罩同样可以减轻导磁柱 上方空气压力 但是产生其他问题 首先他们提供了箱体一条泄漏通道 同折环泄漏损失 相比 由于通过磁隙的泄漏空气体积很小 这个问题还不是太可怕 另外一个问题 是当振 动板向导磁柱运动时 空气被压迫 通过防尘罩跑到振动板辐射表面 这个突然喷出的空 气同振动板辐射空气相位相反 会产生频率响应问题 但是将影响频率响应的多孔的防尘 罩封死 也不见得是 一个好主意 因为原来设计中 也许利用多孔的防尘罩散热 空气通 过磁隙范围内时 对音圈温度上升有很好的冷却效果 封闭防尘罩还会造成顺性和 Q 值产 生不希望的变化 防尘罩还会改变扬声器单元高频频率响应 由于在高频频段时 振动板 趋向由中间部份来辐射能量 此时 防尘罩材料和形状对形成单元高频响应作用极大 封 闭固体防尘罩比多孔的防尘罩对高频特性影 响要大 偶尔 有时你会发现在固体防尘罩上 打几个小孔 用来减轻空气压力 可以得到两种类型防尘罩共同优点 2 35 球顶形状 球顶形状 同振动板声学特性相比 球顶高音和中音有自己的特点 球顶振膜 两种基本类型为凸型球顶振膜和凹型球顶振膜 在高频 凹型球顶振膜通常具有相当高的 辐射效率 但是指向特性比较尖锐 高效率原因 首先是因为凹型球顶振膜谐振 生成一 个比较宽的谐振峰 当然它可以被阻尼掉一些 凸型球顶振膜 2 40 悬置系统 悬置系统 在扬声器中 悬置系统通常包括两部份 折环和定心支片 折环通 常由橡胶 泡沫海棉和经过处理压成不同形状的亚麻布制作 折环协助振动板保持中心位 置并且提供一个恢复力 使音圈保持在磁隙之中 折环还可以为振动板边缘提供阻尼 定 心支片通常用亚麻布制成波浪形状 可以保持音圈同导磁柱同心 并且同样提供一个恢复 力 使音圈保持在磁隙当中 2 41 折环 折环 折环和定心支片总硬度 通常体现为振动板容易移动的程度 或称为顺性 顺性正好和硬度相反 在扬声器总的顺性之中 定心支片作用占了约 80 折环占 了 20 折环有两个重要的功能 它的基本作用是保持音圈和导磁柱同心 但是 对振 膜边缘向外辐射的振动进行阻尼同样非常重要 折环采用的材料 和厚度可以极大的改变扬 声器频率特性 折环对振动板振动阻尼和防止振动反射回到振动板上的能力 可以改变振 动板分割振动的振幅和相位 所以在振动板设计时 要一起考虑设计折环 它也是改善频 率 响应的工具之一 2 42 定心支片 定心支片 定心支片有不同的功能 它的第二个作用是使音圈和导磁柱同心 并且为防止外部灰尘进入磁隙提供了一个屏障 但是它的最基本作用是为扬声器振动板提 供一个恢复力 它的硬度为决定扬声器的谐振频率 fs 1 2x3 14 CsMD 1 2 这里这里 fs 扬声器单元自由场谐振频率 Cs 扬声器单元顺性 MD 扬声器单元总的振动质量 包括 振动板 音圈 定心支片和折环重量 同时再加上空气负载 2 43 线性良好的支撑悬置系统 线性良好的支撑悬置系统 显然 一个性能良好的扬声器悬置系统能为振动系统提 供恒定的恢复力 在封闭式音箱之中 由于音箱内部空气具有劲度 表现为对振动板施加一个 恢复力 但是 在倒相式音箱之中 刚好相反 通常 用 DonKeele 的 油罐效应 来说明 会 产生音圈动态偏移 这个动态偏移问题 是一个非线性现象 在振动板位移超过 Xmax 时发生 这时 在磁隙之中 音圈匝数会越来越少 BL 值也会越来越小 反向电动势减少 音圈中电流 增加 推动音圈进一步离开磁隙 这样会产生失真 一个良好的悬置系统一个良好的悬置系统可以消除这个非线性 动态偏移问题 由定心支片和折环组成的 支撑系统 当 BL 值减少时 同时恢复力增加 如果 悬置系统恢复力增加极限位置和 BL 值减少的极限位置 接近 那么就可以防止音圈加速跑到磁 隙外面 这一类悬置系统 经常应用在高声压级重放的专业低音 扬声器之中 不幸的是 很多 业余扬声器设计师没有意识到这一点 因为在倒相式音箱设计中使用的低音扬声器 并不是经 常采用具有相当线性悬置系统的低音扬声器 2 50 扬声器阻抗模型 扬声器阻抗模型 我们所谈到的所有系统都可以使用电路数学模型来描绘分析他们 的工作 这个技术是所有音箱设计计算方法的核心 扬声器的等效电路具有同这个扬声器一样 的输入阻抗特性 图 2 9 为一个典型扬声器实测阻 抗曲线 图 2 10 为一个扬声器等效电路 电路元件如下 RE 扬声器直流电阻 REVC 由频率决定的音圈阻抗 音圈电感的实部 LEVC 由频率决定的音圈阻抗 音