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扬声器基础知识SuzhouSonavox 扬声器基础知识 一 有关声音的几个概念1 声音 是由空气中的质子经能量传递而产生振动 其传递过程直达耳膜接触产生声音 声音的本质就是振动 没有振动就没有声音 扬声器基础知识 声源空气人耳 扬声器基础知识 2 有关振动的三个物理量振幅 A 振动的最大幅度 与声音大小有关的物理量频率 F 每秒钟振动次数 与声音高低有关的物理量 人耳听觉频率范围是20 200000Hz 周期 T 完成一次振动所需要的时间sec T 1 F 扬声器基础知识 3 声音的三要素响度 通常人们用响不响来形容声音的强弱 是人耳对声音强度的主管感受 音调 人耳对声音调子 频率 高低的主管感受 音色 每种声音都有各自的特色 扬声器基础知识 二 扬声器的工作原理和种类1 扬声器件是一种将电 力 声能量进行转换的电器件 其能量的转换有的是可逆的 有的是不可逆的 扬声器是能量可逆转换的电声器件 2 常见的几种扬声器 按结构 或原理 分电磁式 通过音频电流的电磁铁与极板 由高导磁材料组成 相互作用 由磁路的磁阻变化而完成电声的转换的扬声器 结构特点 有固定不动的线圈 主要用在要求不高的有线广播用扬声器 老式受话器 压电式 利用压电体的反向压电效应 即对其外加电压时 压电体会发生机械形变来完成电声的转换 它的特点是 结构简单 生产方便 价格低廉 但频响范围不宽 结构特点 有 压电片 大多用于要求不高的高音扬声器 电动式 又称动圈式 利用磁场对载流线圈的作用来实现电声的转换 它是扬声器的主流 自1926年问世以来 至今已有80多年的历史 结构特点 有可动的线圈 由于其性能良好 因此品种繁多 使用广泛 适用于高 中 低音扬声器 静电式 电静电力而工作的扬声器 它是以电容器原理来制作的扬声器 它是利用施加音频电流 在电容器间产生电场强度的变化 使作为极板的振膜受迫振动 实现声音的重放 离子式 由离子体与周围空气之间的相互作用而工作的扬声器 由于其设备复杂 工艺制作难度大 至今未获得实际应用 磁致伸缩式 由材料的磁致伸缩的形变而工作的扬声器 扬声器基础知识 扬声器基础知识 按声音幅射方式分 直接幅射式扬声器 由振动体发出声音 直接通过空气传播到人耳的扬声器 如我们现在生产的汽车扬声器就是属于直接幅射式扬声器 间接幅射式扬声器 振动体的振动通过某种装置 如号筒 的变换然后通过空气传播到人耳的扬声器 如我们同常见到的 高音 喇叭即为间接幅射式扬声器 号筒式扬声器 扬声器基础知识 3 电动式扬声器的工作原理电动原理 通电导线在磁场中会产生力而发生运动 力的大小F BL IB 磁场强度GsL 导线长度mI 电流大小A 力的方向 取决于B和I的方向 可用左手法则来判定 如 扬声器基础知识 电动式扬声器原理 音圈处于磁间隙中 当音频电信号馈加给音圈时 音圈会产生电动力 电动力 随音频信号的大小和方向而变化 使音圈产生振动 由于纸盆固定在音圈上 音圈的振动带动了纸盆的振动从而发出了声音 扬声器基础知识 需要说明的是为了控制和提高扬声器的品质 我们总希望在扬声器磁路间隙中有着非常均匀分布的磁通密度B 以及在扬声器工作过程中不因为音圈的运动而使 BL 值发生改变 但事实上 扬声器工作过程中 BL 并不能够始终保持不变 这就是扬声器产生失真的一个很重要原因 BL 乘积 我们又称之为 机电因子 它是扬声器的一个非常重要的物理量 尽管它不会作为扬声器的正式指标列入产品规格书 BL值可以用MLSSA NTI KLIPPLE等仪器测量出来 扬声器基础知识 三 电动式扬声器的结构和零件 上图所示为某外磁扬声器剖面图1 T铁2 磁钢3 上夹板4 定位支片5 音圈6 纸盆7 盆架8 防尘罩9 网罩 上图所示为某内磁扬声器剖面图1 铁碗2 磁钢3 上夹板4 音圈5 定位支片6 纸盆7 盆架8 防尘罩9 网罩 2 扬声器基础知识 电动式扬声器分类电动式扬声器依据其振膜的形状不同 又可分为 锥型 纸盆 扬声器 球顶扬声器 号筒式扬声器 带式扬声器和平板扬声器等 其中使用最广泛的是锥形扬声器 锥形扬声器的结构锥型纸盆扬声器主要有三部分组成 磁路系统 振动系统及连接件组成 根据磁路结构的不同 又分为外磁 内磁式及双磁路 有外磁和内磁式 等 扬声器基础知识 1 磁路系统 驱动系统 产生具有固定磁场强度B的气隙 磁路系统由磁钢 前片 后片 T铁 组成 结构形式 扬声器基础知识 扬声器基础知识 磁钢 磁钢有两大类 金属磁钢和铁氧体磁钢 磁钢的主要技术要求是磁能积 磁能积 BH max指材料释放磁能的本领 单位 高斯 Gauss 铁氧体磁钢大多用于外磁式磁路 铁氧体磁钢的最大优点是价格便宜 充磁相对容易 缺点是磁路体积大 重量重 金属磁钢的最大优点是磁能积高 特别是稀土磁钢 金属磁钢大多用于内磁式磁路 这种磁路的体积小 重量轻 缺点是价格高 充磁难 导磁件 T铁 前片 铁碗等对导磁件总的要求是导磁性能要好 可选用的材料有普通结构钢 软铁 矽钢片 其中以结构钢最为普遍 如A3和10号钢 含碳量愈低愈好 但是含碳愈低价格愈高 导磁件的主要技术要求是材料含碳量 扬声器基础知识 2 振动系统 产生振动 发出声音 音圈是扬声器的心脏 音圈通电后在磁场运动 带动纸盆振动音圈的组成是骨架和导线 音圈线的种类 铜线 电阻小 强度好 易焊接 用于各种扬声器 铝线 电阻大 强度差 不易焊 但重量轻 大多用于高音扬声器 铜包铝线 综合了铜和铝的优点 但价格很高 用于要求高的扬声器中 音圈线外表面有漆包绝缘层和胶粘剂 根据扬声器的功率大小选择绝缘层和胶粘剂的材料 目前一般用LOCK线与SV线二种 LOCK 用于小功率及耐温不高的扬声器 SV 用于功率较大或耐温较高的扬声器 扬声器基础知识 音圈骨架 扬声器基础知识 定位支片 弹波 是扬声器最重要的部件之一 其主要作用是 1 保证音圈在磁隙中始终保持正确位置 2 音圈受力振动时 保持振动系统仅作轴向运动 不作横向运动 且保持良好的稳态恢复力 3 定位支片的布孔要有一定的透气性 但布孔也不能太稀 既能将定位支片下面的空气合理地排出 防止产生压缩失真 又要防止尘埃落入磁间隙 4 定位支片的顺性与纸盆的顺性共同决定扬声器的总顺性 对扬声器的Fo 谐振频率 产生主要影响 定位支片的要求 1 要求定位支片要有较大的径向劲度 又要有极小的轴向劲度 即径向 横向 劲度比轴向 纵向 大得多 2 表面不含油脂 与音圈 盆架粘合处避免紧压 要保证粘结牢固 需要说明的是 在以前的设计或生产中往往会忽视定位支片对扬声器的作用 现在大家都知道 定位支片对扬声器的音质和功率有着非常密切的关系 因此无论是设计时对定位支片材料的选择以及形状的考量还是定位支片的制造都引起了设计师的异常重视 扬声器基础知识 定位支片材料 振膜是动圈式扬声器振动系统的主要部件 零件 在一般的动圈式低音 中音 高音或全频带扬声器中 最常用的振膜的基材是呈锥型的纸质振膜 我们通常把它叫作纸盆 而此类扬声器有时也把它称为纸盆扬声器 1 振膜在扬声器中的作用及要求振膜是动圈式扬声器振动系统中的重要零件 动圈式扬声器就是靠音圈的振动带动与音圈相连接的振膜的振动 使它前后的空气振动形成声波 把声音辐射出去 在扬声器单元中 振膜是对音质最重要的零部件之一 动圈纸盆扬声器的声压 频率响应特性和fo等性能指标 直接由纸盆的 形状因素 其中包括 口径 深浅 母线形状 厚度 折环形状 半顶角等 所决定 而振膜的 材质因素 其中包括 材料特性 加工方法 处理技术等 则决定了扬声器的固有音色 所以 可以说扬声器音质的好坏在很大程度上决定于振膜的性能 而振膜的性能又决定于振膜的材料 它的几何形状和它的加工工艺 扬声器基础知识 扬声器基础知识 从扬声器的基础理论可知 要想得到一只具有平坦的频率响应曲线 失真小且音质较好的扬声器 对于振膜材料来讲 主要有以下三点要求 1 E 的比值要大 这里E表示振膜材料的扬氏模量 为振膜材料密度 由于振动在纸盆的传播速度与该比值成正比 而较大的传播速度可以减小振膜顶部到底部的相位变化 从而可以获得平坦的频率响应 2 振膜材料的刚性要强 这样可以减少振膜的分割振动 减小失真 3 振膜材料的阻尼要适当 这样可以抑制分割振动 同时具有好的瞬态响应 较好的音质 振盆的主要技术要求是重量和频率 振动盆的形状 振动盆锥体部分的形状大致有四种 设计时可根据扬声器的要求而定 扬声器基础知识 四种几何形状锥体示意 扬声器基础知识 3 连接件盆架 编织线 接线板 压边等辅助件其中 磁路系统及音圈是驱动元件振膜及防尘罩为辐射元件轭环边及定位支片为支撑元件 扬声器基础知识 四 扬声器的技术指标扬声器的最基本要求应当是 好听 但 好听 是个相对抽象的慨念 它会因人 因时 因各种外部条件而异 无法量化判定 虽说扬声器的技术指标并不能完全反映 好听 的全部含义 但毕竟能体现扬声器的品质 音质好的扬声器一定有好的指标 技术指标差的扬声器一定不会有好的音质 这已是为大家公认的事实 当然技术指标好的有时音质不一定好 这只能说明到目前为止 我们还有许多东西没有被认识 还有许多技术指标没有被发现 但是扬声器的开发首要任务还是首先保证符合要求的好指标 扬声器基础知识 扬声器的基本技术指标有 1 额定阻抗Ze单位 2 额定共振频率F0单位 Hz3 额定功率Pe单位 W4 平均特性灵敏度级SPL单位 dB5 额定频率范围单位 Hz6 失真7 极性8 扬声器的T S参数 小信号参数 扬声器基础知识 1 额定阻抗Ze 额定 即规定的意思 阻抗曲线 给扬声器加任一频率的电信号都有一个与之相对应的阻抗 分别把各频率的阻抗值相连接得到一条曲线 该条曲线就是阻抗曲线 额定阻抗 在阻抗曲线上低频率部分紧跟在第一个最大值之后的最小阻抗值即为扬声器的阻抗 扬声器的阻抗在额定频率范围内不应小于额定值的80 因为它影响到与之匹配的机器能否正常工作 扬声器基础知识 2 额定共振频率F0 Hz在阻抗曲线上出现第一个阻抗极大值所对应的频率就是扬声器的共振频率 因为共振频率可以大体反应扬声器低频工作能力 所以共振频率是扬声器的重要指标之一 尤其是对低音扬声器 全频扬声器 3 功率Pe W在这里我们所讲的功率是以噪声信号试验为基础的功率 即扬声器用该功率的模拟节目信号作连续性负荷试验 在规定的时间内工作而无永久性损坏 额定功率 是指扬声器额定承受的功率 也就是扬声器连续工作不失真的功率最大功率 是指扬声器的最大承受功率 峰值功率 要说明的是 额定功率的大小除了与负荷时间 与采用的试验信号 如IEC 268 5 EIA RS426 A RS426 B 有关而外 还与负荷时扬声器的按装方式 如障板 助音箱 以及其他试验条件等有关 这一点作为产品设计师必须首先搞清楚 扬声器基础知识 4扬声器的特性灵敏度级给扬声器加某一频率的信号 此时扬声器产生的声音dB数即为扬声器在该频率时的灵敏度级 当所加信号功率为1W 测试距离为1米时所得的dB数即为该扬声器此频率时的特性灵敏度级 单位dB M W 在额定的频率范围内 将各频率的特性灵敏度级进行平均后得到的dB数即为该扬声器的平均特性灵敏度级 单位dB M W 如果没有特别说明我们通常所讲的灵敏度SPL大都是指额定平均特性灵敏度级 扬声器基础知识 5 额定频率范围在额定的频率范围内得到的平均特性灵敏度级 在下降10dB后与频率响应曲线相交两点 假定低频为F1 高频为F2 F1 F2即为该扬声器的有效频率范围 当谷点频带宽度小于1 9oct时 该谷点可忽略不计 扬声器基础知识 6 失真将扬声器发出的信号与输入扬声器的信号相比如果有不同 说明扬声器产生了失真 扬声器失真的大小主要取决于设计的合理性 材料 零件的质量和装配的质量 总谐波失真THD 谐波 在扬声器发出的声音中 除去原来频率的信号外还可能有两倍 三倍以及数倍于原来的信号成分 我们称之谓产生了二次 三次等高次谐波 总谐波失真 将所有的谐波总声压与总声压之比 用百分数 表示 总谐波失真的大小与输给扬声器信号电压大小 信号频率有关 调制失真 略 HI 2失真 略 功率压缩失真 略 扬声器基础知识 7 指向性扬声器工作时 向不同方位声音的幅射本领各不相同 也就是说扬声器在工作时具有指向性 扬声器幅射的方向性有两种不同的表示方法 指向性频响曲线 偏离扬声器轴线不同角度处测得的一组频响曲线 一般相隔15度测一条频响曲线 指向性图形 在额定频率范围内测得的 随角度改变的极座标响应曲线 测试频率一般包括500Hz 1KHz 2KHz 4KHz 8KHz频率 180 扬声器基础知识 8 极性按规定在扬声器两端加以瞬间直流电压 引起膜片向前方运行时 与电压正极相连接的输入端为扬声器的正极 9 扬声器的T S参数 小信号参数 总品质因素Qts 反映扬声器低频特怔的参数 Qts一般是针对低音扬声器而言的参数 根据使用场合的不同 对扬声器的Qts要求各不相同 例如音箱用扬声器为0 3 0 5 Qts太小则显的低音不足 过大则又使低音过硬 扬声器基础知识 等效容积Vas 指在这个容积中刚性Kms顺性Cms10 其它要求绝缘电阻 一般用100V DC测电阻 耐压特性 一般加100V AC电压 1分钟内无打火现象 漏磁场 多用于对漏磁有要求的场合 如电视机扬声器 电磁兼用性 一般对有源扬声器才有此要求 环境试验和可靠性要求 五 扬声器客观评价建议针对车内与扬声器匹配的收音机等 在失真和功率方面应考虑整体谐调 对于扬声器的性能参数 在主观评价后再来最后确定会比较合适 六 扬声器主观评价建议前期开发前