电声技术基础理论学

SpeakerSpeakerDivisionSANYOElectronic(Shekou)Limited声音的三要素１．声音的概念

空气中的物体产生振动扰动了四周的空气，使得空气受到压缩或者变得稀疏。于是空气压力产生高低变化（也即空气密度高的区域和密度低的区域）。空气的这种稀疏和致密向四周扩散传播，使得人的耳朵里的空气压力发生变化，耳膜发生振动，便听到声音。２．声音的三要素声音的大小(Fig.1-a)

由声波振动的大小（振幅）决定。振幅越大，声音越大。声音的高低(Fig.1-b)

由振动次数（频率）决定。音色(Fig.1-c)

由波形的不同而产生。Level声音大高音（频率）tttFig.1abc声波1

１．球面波

呈球状的声源，在其半径方向以相同的速度产生振动时，其四周产生的波，就称为球面波。

这个声音随着远离声源而减弱，其减弱程度与离开声源的距离的平方成反比例。(Fig．2)Fig.2声源近似于平面波Fig.3平面波管2．平面波

将无限长的管状物的一端限制为活塞状，振动时，管内产生的平行波就是平面波，在自由的空间里要产生平面波，就需要无限大的平面；从声源点发出的球面波，在距离声源足够远的地方，也可以把波阵面看作是平面波。(Fig．3)声波23．驻波

在存在着反射面的空间，当声源辐射出一定频率的连续声波时，在声源和反射面之间就存在一个声场。这时，入射（发射）声和反射声会互相干涉而出现强声区域和弱声区域。这种强声和弱声点在一定的部位出现时，这种声场便称为产生驻波的声场。在实际的试听室中，必须避免这种现象的产生。Fig.4速度变化管压力变化驻波＋0＋0声音的强度和大小1．声音的强度（声音的物理量）

表示声波在前进方向的垂直面上，单位面积单位时间所通过的声能。Wo：声强(W/cm2)ρ：空气密度(g/cm2)c：大气中的音速(cm/s）P：音压有效值(dyne/cm2)v：空气分子速度有效值(cm/s)

由于难以通过直接测定(W/cm2)来反映实际的声音强度，故一般是通过测定音压，并用如下公式来表示声音强度的水平。

β：在p(μbar)的音压强度的Level(dB)po：0.0002(μbar)

＊标准Level：音压0.0002(μbar)=音压水平0(dB)2．声音的大小（声音的响度）

耳朵所听到的声音大小的水平，用「Phone」来表示。耳朵听到的与1kHz的α（dＢ）的声音大小相等时，就为α（Phone)。Wo==v2ρc

p2ρcβ=20Log10

(dB)ppo(P==I2R)

V2R自由空间内的音压水平1．在自由空间中的特性

在各个方向都无限自由的空间中，由声源所发出的声波是以球面波的形式向各个方向扩散传播的。所以，音压水平的下降与离开声源的距离的平方成反比例，音压水平下降。Fig.5≒-6(dB)音压水平差=-20Log(dB)rro音压水平dB距离1248166dB倍音压水平差=-20Log(dB)10050(例）距离50cm的音压水平和距离1m的音压水平的差别是多少？人耳的特性1

１．可听界限

听力良好的人勉强可听到的声音，其频率为1KHz、音压为0.0002μbar、声能为10-16W/cm2。如表所示，听力比最下面曲线好的人不到总人数的1%；另外，如50%的曲线所示，有一半人的听力比此曲线好。超过120dB(200μbar），人耳就会有刺痛感。可听界限（音强和频率的关系）音压水平声音能量音压频率(Hz）FeelingFig.62．耳朵等（强）信号

人耳的特性虽然各不相同，但大体上具有如图所示的特性。也就是说，1kHz的声音在100dB的SPL下可以听到声音，如果20Hz的声音达不到127dB，那么就感觉不到与1kHz的100dB同样大小的声音。人耳的特性２纯音声音大小的等强信号曲线音压水平dB频率(Hz）Fig.7最小可听限度一般电动型扬声器结构图（外磁型）Fig.8GasketDiaphragm(Edge)Diaphragm(Body)TerminalUpperPlateBottomPlateMagnetVoiceCoilDamperDustCapFrameFlexibleWire一般电动型扬声器结构图（内磁型）Fig.9GasketDiaphragm(Edge)Diaphragm(Body)FrameTerminalDamperDustCapFlexibleWirePolePieceYokeMagnetVoiceCoilSpacer一般电动型微型扬声器结构图Fig.10DiaphragmFrameTerminalPolePieceYokeMagnetVoiceCoil电动型的特征Fig.11外磁型内磁型价格○△磁钢贵重量×○外部漏磁×○形状小型化○△耐输入△○扬声器部件（一般情况）Fig.12PartNameMaterialFrameIronPlate,AluminumAlloy,PlasticUpperPlateIronBottomPlateIronYokeIronPolePieceIronMagnetFerrate,Neodymium,Al-Ni-CoCone(Diaphragm)Body:Paper,Plastic,Film,MetalEdge:Paper,Urethane,PlasticVoiceCoilWire:Copper,AluminumBobbin:Paper,Aluminum,PlasticDamperCotton,SyntheticDustCapPaper,Plastic,Film电动型扬声器的工作原理

往VoiceCoil通入电流，根据Fleming的左手定则，在磁场和电流的作用下，Coil接受到一个力。

这个力F的大小用

F=B

ｌ

I

･･･(Newton)来表示。

B:Gap磁通密度(weber/m2)

ｌ

:VoiceCoil线的长度(m)

I:电流值(A)ＮＳＳVoiceCoil没有通上电流时的状态磁路的方向由N→SVoiceCoilFig.14Fig.13运动（力）磁场电流Fleming的左手定则电动型扬声器的工作原理往VoiceCoil通入电流，根据Fleming的左手定则，在磁场和电流的作用下，Coil接受到一个力这个力F的大小用

F=B

ｌ

I

･･･(Newton)来表示。

B:Gap磁通密度(weber/m2)

ｌ

:VoiceCoil线的长度(m)

I:电流值(A)ＮＳＳDiaphragm的工作方向：由外往里：由里往外电流的方向Fig.15Fig.13运动（力）磁场电流Fleming的左手定则电动型扬声器的工作原理Fig.16Diaphragm的运动方向ＮＳＳ：由外往里：由里往外电流的方向

往VoiceCoil通入电流，根据Fleming的左手定则，在磁场和电流的作用下，Coil接受到一个力。

这个力F的大小用

F=B

ｌ

I

･･･(Newton)来表示

B:Gap磁通密度(weber/m2)

ｌ

:VoiceCoil线的长度(m)

I:电流值(A)Fig.13运动（力）磁场电流Fleming的左手定则在Piston的工作范围内的变换效率η，大致表示为如下公式。

ρ：大气密度a：振动部等价半径R：VoiceCoil的D.C.RM：振动系等价质量c：大气中的音速B：Gap磁通密度

ｌ：VoiceCoil线的长度另外，如果已经知道了输出的音压Level，则可通过下面公式进行换算。

r：输出的音压Level的测定距离(m)(S.P.L.)r：距离r(m)位置上的输出的音压水平ｄＢ/w(例）测定距离１ｍ的输出音压Level９５ｄＢ/w的Speaker的变换功率η为扬声器的变换效率η=・x10–7(%)πρ2Ca4(Bｌ)2R・Mo2η=2πr2x10x100

(%)(S.P.L.)r-12010η=2πx12x10x100

(%)９５-12010

≒1.99

(%)我们就可以知道，SPEAKER与其它的机器相比，其变换效率非常低。1002002a1

2a2如果2种Speaker的等价半径以a1、a2，各自的振幅以ε1、ε2来表示，那么声音的输出Ｗｓ为根据上面公式(例）如果20cmSpeaker的振幅为3mm，

那么10cmSpeaker要达到相同的

声音的输出，需要多少mm的振幅？（注意）

实际上20cmSpeaker、10cmSpeaker的

等价半径并非为200mm/2、100mm/2，

我们在进行说明时，就用公称口径来表示。为得到同一输出的口径/振幅的关系Ws=K・a14・ε12=K・a24・ε22

＊ε2=・ε1ε10=・3=12(mm)Fig.1720cm3mm10cm？mm输出同一声音的振幅大小条件

无限大的隔音板、

轴上1m的点的音压水平(%)868890929496981000.20.40.60.81246变换效率输出的音压水平(dB)扬声器的变换效率和输出的音压水平的关系Fig.18扬声器的音压0.61246扬声器的功率扬声器的输入（Ｗ）(%)810204060801000.612461091909392949695989799100101102909294969810010210410610811011211411611888(dB)扬声器的输入和功率的关系条件

无限大的隔音板、

轴上1m的点的音压水平Fig.19Cone的形状Fig.20

一般来说，振动膜如所称呼的「Cone」一样，呈圆锥性的最多。

其形状大致可分为下图几种，它们典型的区别在于音压频率特性的高音域。

高音域共振频率fh如

下式所示。Sh・＋fh=12π1mc1mv1fh：高音域共振频率mc：振膜的质量mv：VioceCoil质量E：振膜的杨氏系数tc：振膜颈部厚度Θ：半顶角Sh：振膜颈部的粘性系数cos2θsinθSh=π・E・tc但是(dB)频率(Hz)A

CurvedConeB

StraightConeC

ParabolicConeCone截面形状与特性的关系ABC频响BaffleBoard的必要性１Fig.21前面的声波后面的声波无限大的BaffleBoard前面的声波后面的声波没有BaffleBoard干扰（互相抵消）前面的声波后面的声波有限的BaffleBoard干扰（互相抵消）

在音响上，无限大的隔音板反射效果良好，扬声器在振动时，因为振膜前面和后（背）面的声音相位相反，所以，为了避免后面的空气振动（音）影响到前面，也即，为了防止前面和后面的疏密波互相干扰而出现特性衰减，故使用隔音板，以隔开前后。

然而，实际不可能有无限大的隔音板，故而使用有限的隔音板和隔音板的改型品——音箱（Cabinet）。BaffleBoard的必要性２Fig.23

带有限隔音板时的扬声器特性如下图所示。在圆形隔音板或隔音板中心安装扬声器时，因折射效应，会使频响特性变差，产生干扰波谷，所以要不对称安装，加以遮盖。圆形BaffleBoardLP1.2m1.2mSpeakerP点上的频响Fc=c/2L(c=340m/s)0.1110110-10-20dBFig.22dBBaffle中心偏心组装0612182430205010020050010002000Speaker的偏心组装Impedance和ｆ0、Q0、M0Fig.241．阻抗和最低共振频率

扬声器阻抗具有频率特性。在由振动系统的质量和振动系统支撑部的弹性决定的共振频率（称之为最低共振频率f0

）点出现峰值。而在f0以上出现最小值这样的频率点的阻抗，称之为标称阻抗Z0

。另外，一到高频段，该阻抗将随着音圈阻抗而按比例升高。频率Impedancef0fzZ0F0=2πM0CE１频率特性1

是表示对于电信号输入功率的音响输出功率跟随频率如何变化的关系，对２０～２０，０００Hz频率范围内的音压水平进行测定。

测定时使用恒电压输入。80(dB)(Hz)7060901001001001,00010,00080(dB)(Hz)7060901001001001,00010,0002ndHarmonicDist.3rdHarmonicDist.1．音压频率特性

即使给扬声器输入正弦波，往往是出现该基本波以上的频率成分，一般而言，低频波少，而高频波占大多数。2．高频失真频率特性

在扬声器中心轴上的音压与某一角度偏移点的音压差别，随着圆锥形振膜的口径、顶角、材料等而改变，偏离中心轴的角度愈大愈尖锐。3．定向特性

它表示从扬声器再生出来的声音强度，通常是在消音室内将扬声器单品装入标准密闭箱，测出1W输入时正面轴上1m处的声音强度，并表现之。

在测定不能承受1W的扬声器时，或者在1m以外测定时，要换算成1W,1m的测定值。4．输出音压水平频率特性280(dB)(Hz)7060901001101001,00010,00090°60°30°80(dB)(Hz)7060901001101001,00010,000S.P.L.300400500600频率特性3(a)低音域界限频率：

是指由扬声器的特性与性能所决定的低音域再生的界限频率。未特别指明时，是指最低共振频率。(b)高音域的界限频率：

是指由扬声器的特性与性能所决定的高音域再生的界限频率。未特别指明时，是指比S.P.L.低１０dＢ的频率。5．频带宽度80(dB)(Hz)7060901001101001,00010,0001/8oct.以内10dBS.P.L.低音域界限频率高音域界限频率失真

扬声器的音响输出波形中与输入频率波形不同的其它成分和总音响输出的比值，以百分比表示，称为总谐波失真率。

与输入频率相同的频率成分称为基本波，比基本波低１／２倍、１／３倍等的频率成分称为低谐波，而比它高２倍、３倍等的高成分，称为高谐波（第２高谐波、第３高谐波）。1．失真D：失真率

P0：输出音压的有效值P2,P3：输出音压的各高频成分的有效值d

=

Ｐ２２＋Ｐ３２＋Ｐ４２＋・・・・・P0X100(%)(a)交扰谐波失真

加上2种以上的频率输入时产生的变调失真。(b)非直线性失真

大振幅时容易产生的机械的非直线性振幅失真。(C)过渡失真

输入信号接入和断开时，输出出现的非跟随性的失真。2．失真的种类Cabinet的Type1Fig.25Type特征・其它Type特征・其它有限BaffleType密闭型背面解放型Bass-Refrex型・把实际上不可能的无限大隔音板缩小到实用上的大小面作成的隔音板。・通常，不仅在性能上有问