6第六章 扬声器.ppt

1、第六章 扬声器,第一节 扬声器(系统)的分类和技术指标 第二节 扬声器电力声类比方法 第三节 扬声器系统(音箱)的设计原理,第一节 扬声器(系统)的分类和技术指标,扬声器的分类 扬声器的结构、工作原理及技术要求 扬声器系统的分类 扬声器系统的一般特性,一、扬声器的分类,按换能方式分 按结构形式分 按工作频段分 按用途分 按外形分 按振膜材料分,1.按换能方式分,电动式扬声器 电磁式扬声器 压电式扬声器 气流调制式扬声器,2.按结构形式分,单纸盆扬声器 复合纸盆扬声器 号筒扬声器 复合号筒扬声器,3.按工作频段分,低频扬声器 20800Hz 中频扬声器 5006KHz 高频扬声器 4K20Kz

2、其直径分别为: 低频:d16cm 中频:16cmd8cm 高频: d8cm,4.按用途分,高保真扬声器 扩音用扬声器 电视用扬声器 测量用扬声器,5.按外形分,圆形扬声器 椭圆形扬声器 薄形扬声器 号筒型扬声器,6.按振膜材料分,纸盆式扬声器 碳纤维扬声器 PP盆扬声器 陶瓷扬声器,二、扬声器的结构、工作原理及技术要求,扬声器的结构 扬声器的工作原理 扬声器的技术要求,1.扬声器的结构,1）扬声器的结构 2）结构系统的组成,1）扬声器的结构,磁路系统:永磁体,导磁板,缝隙. 缝隙12mm 磁通密度10000高斯 振动系统。 振动元件音圈,用0.10.2mm的漆包线绕成,60100匝两层重2g左

3、右.辐射元件振膜常用各种合成纤维做成,重几毫克十几克.定心支片。 支撑及辅助件 包括盆架、压边、防尘罩、引出线等.,2）结构系统的组成,2.扬声器的工作原理,与电动机类似:通电导体在磁场中会受力 F=B l i 当音频电流通过音圈通时, 引起音圈所受的力发生改变.使通电音圈带动振膜一起运动而发声. 同时在音圈内产生感应电动势，其感应电动势的大小为 e=B l v 这个感应电动势反过来对扬声器的性能有一定影响,3.扬声器的技术要求,1）额定阻抗、阻抗曲线和品质因数 2）特性灵敏度、特性灵敏度级、最大输出声压级 3）额定频率范围和有效频率范围 4）额定噪声功率、最大噪声功率 5）效率 6）非线性失

4、真 7）瞬态失真 8）指向性 9）纯音,1）额定阻抗、阻抗曲线和品质因数,额定阻抗 阻抗曲线 品质因数,额定阻抗,在信号源对扬声器输出额定功率时，常用一个纯电阻代替扬声器负载，此电阻称为额定阻抗.它是系统匹配和测量的依据。 常见的额定阻抗值:2 . 4. 8. 16等。,阻抗曲线,阻抗曲线是在扬声器正常工作的情况下，用恒流法或恒压法测得的扬声器阻抗模值随频率变化曲线。如右图示： 由图可见杨声器的阻抗随 频率变化而变化,且阻抗的性 质也随之变化。 f fC 阻抗呈感性,品质因数,由阻抗曲线可近似计算扬声器的品质因数Q0:,2）特性灵敏度、特性灵敏度级、最大输出声压级,特性灵敏度 灵敏度表示将扬声

5、器放在消声室的隔板上，在其输入端加上额定功率为1W的粉红噪声信号情况下，在辐射方向上距离该扬声器1m处所测得的声压值，通常用bar作单位。 特性灵敏度级特性 特性灵敏度级是指用dB为单位表示的特性灵敏度。二者的关系如表所示. 最大输出声压级,表,接下页,续表,最大输出声压级,最大输出声压级是指当扬声器工作在最大功率时，在与特性灵敏度同样测试条件下所产生的声压级。即： 式中:SPLmax表示最大输出声压级(dB) Sk为扬声器的特性灵敏度级(dB) Wmax为最大输入功率(W),3)额定频率范围和有效频率范围,额定频率范围_是指制造厂家按国家、国际产品标准对扬声器所限定的频率范围. 有效频率范围

6、_是在声压-频率响应曲线的最高声压级区域取一个倍频程的宽度，求该宽度内的平均声压级，然后从这个声压级算起，下降10dB画一条水平线，这个水平线与频响曲线的交点对应的频率，称为有效频率范围的上下限，而包含上下限在内的频率范围称为扬声器的有效频率范围。,4）额定噪声功率、最大噪声功率,额定噪声功率 指在扬声器额定频率范围内，用规定的噪声信号测试后所确定的功率值。 最大噪声功率 指在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟信号，不产生热和机械损坏的最大功率。最大噪声功率通常是额定噪声功率的23倍。,5）效 率,设PA表示辐射的声功率，PE表示馈给扬声器的电功率，则效率为: 电动式扬声器的效率一般很低，仅

7、有百分之几，而号筒式扬声器的效率较高，可达百分之十几。,6）非线性失真,扬声器的非线性失真是指在放声过程中，出现了输入信号中没有的频率成分。非线性失真包括谐波失真、互调失真和分谐波失真等。 当加给扬声器强纯音时，由于振膜的非线性会在中低声频段产生频率为信号频率1/2或1/3等的模糊声音，这种现象称为分谐波失真。对扬声器来说，非线性失真越小其性能就越好。,7）瞬态失真,瞬态失真是由于扬声器的振动系统跟不上快速变化的电信号而引起的输出波形与输入波形之间的差别，这种现象就称为瞬态失真。它与频响曲线上的峰谷有关，在振膜的谐振点处瞬态失真较为严重。,8）指向性,指向性是表征扬声器在不同方向上辐射声波的能

8、力，通常与频率有关与杨声器的口径有关.频率越高指向性越尖锐,口径越大指向性越尖锐.表示扬声器辐射方向性有两种方法： 一是指向性频率响应曲线。即在偏离参考轴指定范围内的不同角度上所测得的一组频响曲线。如图1所示。 二是指向性图。即指扬声器辐射声波(不同频率)的声压级随辐射方向变化的曲线。如图2所示。,9）纯 音,纯音是一个主观指标，它反映扬声器工作中纯音信号的质量.使用寿命和可靠性.,图2,扬声器指向性频率响应,图1,三、扬声器系统的分类,1.按供电方式分 2.按分频方式常分 3.按用途及外形分 4.按基本结构分,1.按供电方式分,有源音箱 无源音箱,2.按分频方式常分,单分频音箱 二分频音箱

9、三分频音箱 四分频音箱 多分频音箱 超低音音箱,3.按用途及外形分,落地式、监听式、电影立体声、大功率扩声、有线广播、防水、迷你型、返送式、带角架型、对讲型、 球型无指向式、高音半固定式等音箱,4.按基本结构分,有限大障板型 背面敝开型 封闭式 倒相式 对称驱动型 空纸盆型 克尔顿型 声迷宫型 前向号筒型 背向号筒型 组合号筒型等多种结构音箱。 各种结构扬声器系统的特点,有限大障板型音箱,音箱的作用克服低频声短路展宽频带.有限大障板型音箱如右图示: 障板尺寸大小与声压及声频的关系为: 式中：f分界频率,L障板大小,C声速.,背向敝开式音箱,背向敝开式音箱,这种形式的音箱是前一 种音箱的变形.

10、它可有效减少障板的体积.如图示:,封闭式音箱,封闭式音箱的目的是要把扬声器背面所辐射的声波完全隔绝，从而避免低频时反相声波的互相干涉，使低频性能更加完美。为了防止箱体内驻波的产生，常常在箱体内壁填加吸声材料。如图示:,倒相式音箱,倒相式音箱利用倒相管将装在箱子上扬声器背面的声辐射相位改变180，从而使扬声器振膜前后的辐射声波得到加强，提高了低音单元的辐射效率，改善了低频性能。如图示:,前向号筒型,前向号筒型具有非常好的低音重放效果主要用于剧场扩音和效果扩音系统上.如图示:,结构特点,四、扬声器系统的一般特性,额定阻抗与阻抗曲线 特性灵敏度级、最大输出声压级 额定频率范围和有效频率范围 非线性失

11、真 指向性 纯音 主观试听,额定阻抗与阻抗曲线,扬声器系统中由于有多个不同类型的扬声器使其阻抗特性变的较为复杂.如图示: 当阻抗特性不理想时,将严重影响放音效果.下面是几种不良的特性阻抗曲线,由图可见阻抗曲线有着起伏变化.,第二节 扬声器电、力、声类比方法,电力声类比的基本方法 电动式纸盆扬声器的电力声类比,一、电力声类比的基本方法,A.电学的串联电路与并联电路的互换原理 B.力学阻抗型类比线路与导纳型类比线路的互换 C.声学阻抗型类比线路与导纳型类比线路的互换,A.电学的串联电路与并联电路的互换原理,1）电学串联电路 2）电学并联电路 3）二者的比较,1)电学串联电路,串联电路的组成 回路电

12、压方程,串联电路的组成,串联电路的电路组成如图示：图中 E1e jt为信号电压，r1为电阻，L1为电感，C1为电容，i1(t)为信号电流。,回路电压方程,由图可直接列出回路电压方程： 电路处于稳态时，i1(t)=I1ejt。对于稳态情况，则有： 式中Z1=r1+jL1+1/jC1为串联回路的总阻抗,2）并联电路的组成,并联电路的组成 回路的电流方程,并联电路电路如图示：图中 E2e jt为信号电压，r2为电阻，L2为电感，C2为电容，i2(t)为信号电流。,并联电路的组成,电路回路电流方程,由图可以得出稳态时并联回路的电流方程： 式中Z2=1/Y是并联回路的总阻抗, Y=1/r2+jC2+1/

13、jL2为回路中的总导纳。,二者的比较,比较二者，不难看出，只要将两电路的元件值和电路的电流、电压按上面的等式设计，则可以使串联电路和并联电路的方程式等效起来。 结论：只要参数选择合适，串联电路就可变为一个并联电路。同样， 也可以将并联电路变为一个串联电路。即：串联电路和并联电路是可以互换的。,B、力学阻抗型类比线路与 导纳型类比线路的互换,力学系统中的基本元件 基本系统的类比,1.力学系统中的基本元件,1）质量元件 2）顺性元件 3）损耗元件 4）杠杆元件,1）质量元件,质量元件是指具有一定质量的刚体。刚体受外 力作用时，可用下列方程来描述: 稳态时，上式变为 :,2）顺性元件,我们把在外力作

14、用下能发生形变的力学元件称为顺性元件。一个理想的顺性元件在外力作用下其形变大小与外力的大小成正比即： f(t)=Fejt=KX 我们定义顺性元件的弹性系数K的倒数为顺性系数CM，也称“力顺”： 于是上式可写为：,接下页,接下页,式中出现的f(t)是施加于顺性元件上的外力；x是运动点的位移瞬时值； v是顺性元件两个端点 的相对速度；是外力和速度的角频率；K是弹性系数CM是顺性系数。 顺性元件的特点: 1.顺性元件的速度等于两端点的相对速度: 2.顺性元件可借助弹力将力由一端大小不变的传 导到另一端.,3）损耗元件,损耗元件指的是物体运动时与旁边的粘滞系统，如气体、液体发生的摩擦损耗。粘滞损耗称为

15、力阻，用RM表示。在外力作用下，有： f(t)=Fejt=RMv 稳态时，有： F=RMV 上面式中，f(t)=Fejt是外力瞬时值，F是其幅值；v是运动物体速度瞬时值，V是其幅值；RM是力阻，RM的国际单位是Ns/m(kg/s)。,接下页,接下页,在实际计算中常使用力阻的导数GM，称为力导，并定义为： 因此，f(t)=Fejt=RMv和F=RMV式可以写成： v=GMf (瞬态) 或 ：V=GMF (稳态) 力导的单位为m/Ns,4）杠杆元件,当杠杆运动时，有下面的平衡关系： 上两式 与电学中理想变压器的两个等式等效。 即：,杠杆元件如图示：它 是 一个理想无重量的杠杆 原理图。根据力矩平衡

16、 原理有： f1L1=f2L2,接下页,接下页,式中：u1、u2为变压器初、次级的端电压；i1、i2为线圈内电流；n1、n2为匝数。 因此可以用理想变压器来类比杠杆元件。 杠杆元件的阻抗型力电类比线路（a）和杠杆的导纳型力电类比线路(b)，如图所示：,2）基本系统的类比,基本系统 与电学的类比 注意事项,基本系统,在外力f(t)=Fejt作用下产生运动。对于这样一个力学系统，其平衡方程为：,一个基本力学系统组成如右图所示：,与电学的类比,和电学量作类比：f类比于e1;v类比于i1;RM类比于r1;MM类比于L1；CM类比于C1。这时两个方程完全相同，总的力阻抗ZM就类比于总的电阻抗Z1，这种类

17、比称为阻抗型类比。于是，可以画出力学系统的阻抗型类比线路图或导纳型类比线路图,阻抗型类比线路图,图中力f和速度v分别对应电学中的电压e和电流i。这个图就叫做力学振动系统的阻抗型力电等效线路或等效力学线路。,导纳型类比线路图,图中力f和速度v分别对应电学中的电压e和电流i。这个图就叫做力学振动系统的导纳型力电等效线路或等效力学线路。,注意事项,fu 分析力的作用效果,几个效果即几个分压. vi 分析元件的运动状态,速度相同相当于电流,各力之间应该串联.,C.声学阻抗型类比线路与 导纳型类比线路的互换,1.声学元件的类比 2.基本声学系统的类比,1.声学元件的类比,1）声质量元件 2）声顺元件 3

18、）声损耗元件,1）声质量元件,声质量元件：空气受力不压缩的元件称作声质量元件如图示：空气柱是圆柱体形，细管长度为L，截面积为S，空气静态密度为0，等效质量为MM，则气柱在外压力f作用下，管中空气的声压为 ：,接下页,接下页,设MA=MM/S2=0L/S，MA称为声质量，又称声扭。单位为kg/m2。因此，有： 稳态时变为： 上面公式中，MA为管中空气的声质量，p(t)是管中空气两端的声压差，P是其幅值；vA是管中任一截面的体积速度，V是其幅值；是声压和速度的角频率。,2）声顺元件,定义 状态方程 声顺元件的特性,定 义,当一个封闭的气体容积，其尺寸比声波波长小得多时，从容积任一地方开一个小洞，并

19、由此小洞输入声压，可以认为腔内各处的声压则与开口处声压相同，开口的影响不计，则该气体容积可近似地看作是一个集中参数的声学元件。由于气体具有弹性，因此声学元件应该是一个弹性元件，称为声顺。可由理想气体的绝热状态方程可推导出。,状态方程,由理想气体的绝热状态方程可推导出： 式中，p为腔内声压；P0、V是容积内气体的静压强和腔的容积；V是腔内容积的变化量，可看成是气体体积位移XA，它是容积速度vA对时间的积分，即： ;是气体的定压比热与定容比热两者的比值(空气的1.4)。于是，有：,接下页,声顺元件的特性,声顺元件开口处加一声压,它可以把声压大小不变的传到各处. 声顺元件的体积速度为各开口处体积速度

20、之和.,接上页,CA称为该空气容积的声顺，它与容积的形状无关，仅与容积大小有关，声顺的单位为m5/N。 稳态时，上式可变为： 式中：p是空气内的声压；vA是空气容积的体积速度；CA是容积的声顺；是声压和速度的角频率。,3）声损耗元件,声损耗指声质量元件或声顺元件在运动过程中，会与管壁或腔壁产生粘滞摩擦，因而就产生了声能损耗,相应就有了声损耗元件，产生的声阻抗为RA(声导纳为GA)： 上式中，p为加于声损耗元件两端的声压差瞬时值；vA为通过损耗元件的体积速度瞬时值；RA为损耗元件的声阻；GA为损耗元件的声导纳,接下页,接上页,稳态时，有： 上式中：GA为损耗元件的声导纳。声阻的国际单位为Ns/m

21、5，声导的国际单位为m5/Ns。,2.基本声学系统的类比,1）系统的组成 2）状态方程 3）基本声学系统的类比 4）电、力、声类比表,1）系统的组成,如图所示的声腔就是一个基本声学系统叫做赫姆霍兹共鸣器 当声波波长远大于管半径、管长L和 ，并且空气室体积远大于管中空气体积SL时，则共鸣器各声学量可以看成集中参数声学系统。,2）状态方程,从力学系统的角度入手，可以把它看成一个具有弹性的质量元件，空气质量为MM、力顺为CM、力阻为RM，在细管口作用一个 p=Pejt的声压， 则该振动系统的运动方程为： 式中：故有,故有：,其中vA=vS称为容积速度，单位为m3/s， ZA称为总声阻抗，单位为Ns/

22、m5，RA称为声阻， MA称为声质量，CA称为声顺。,3）基本声学系统的类比,将声容积速度vA类比电流i1;声压p类比于电 压e1;声质量类比于电感L1；声顺CA类比于电 容C1；声阻RA类比于电阻1,这样，就可以用电 学的方法来描述声学问题。显然有阻抗型和导 纳型两种声类比线路,4）电、力、声类比表,二、电动式纸盆扬声器的电力声类比,1.基本结构 2.受力分析 3.类比电路 4.电路的简化,1.基本结构,电动式纸盆扬声器的原理结构及对应的力学元件量如图所示：,2.受力分析,第一，穿过音尘圈防帽质量元件MM1与惯性系平衡，终止 于地。 第二，穿过纸盆质量元件MM2与惯性系平衡，终止于地。 第三

23、，穿过纸盆轭环力顺CM1与弹性力平衡，终止于刚性壁(地)。 第四，穿过中心盘力顺CM2与弹性力平衡，终止于刚性壁(地)。 第五、第六、第七分别穿过振动系统的力阻RM、纸盆两面辐射阻RMR、RMR，终止于刚性壁； 第八、第九分别穿过纸盆两辐射面的同振质量元件MMR、MMR与辐射力平衡，终止于地。,3、类比电路,由以上分析有扬声器的电、力、声等效线路如图示：,图中，pg表示信号电动势(V)；Rg表示信号内阻()；L表示音圈电感(H)；RE表示音圈直流电阻()；B表示气隙中磁感应密度(Wb/m2)；f表示磁场对音圈的作用力(N)；v表示音圈的振动速度(m/s)。,4、电路的简化,上图进一步简化，可等

24、效为下图的形式：,图中：,图中：,ZM为总的力导纳。通过等效类比线路，可以根据 实际工作情况分别研究扬声器在某一声频区的工作状 态和特性，并可计算出相应的技术指标。,第三节 扬声器系统(音箱)的设计原理,一、开口扬声器系统(音箱)的设计原理 二、封闭式扬声器系统(音箱)的设计原理 三、倒相式扬声器系统(音箱)的设计原理 四、组合扬声器系统(音箱)的设计原理 五、分频器的简单设计,一、开口扬声器系统(音箱)的设计原理,为防止低频声短路，要求声程差d不小于声波半波长，假设声程差就等于圆障板的直径d(半径为r)，那么，截止频率fc为: 因为： 有：,式中r的单位为m,fc的单位为Hz。 开口扬声器系

25、统的低频下限频率为：,二、封闭式扬声器系统(音箱)的设计原理,封闭式扬声器系统结构图 封闭式扬声器系统电-力-声类比图 封闭式扬声器的设计步骤,封闭式扬声器系统结构图,封闭式扬声器系统结构图如左图所示：在设计过程中应注意解决两个问题： 一是声短路问题； 二是低频性能问题。 在此系统中，扬声器装在完全封闭的箱体内，把扬声器背面所辐射的声波完全隔绝，从而避免了低频时扬声器背面声波的干涉，以利改善低频效果，免除了声短路现象。,封闭式扬声器系统电-力-声类比图,闭箱式扬声器系统电-力-声类比图如图示；,图中：,CM1,CM2,封闭式扬声器的设计与步骤,1.设计步骤 2.低频损失的补偿,1.设计步骤,测

26、扬声器未装箱的力谐振频率f。 计算总的等效质量MMX 求杨声器本身的力顺CMY和音箱的空气 力顺CMB 求装箱后的谐振频率fc,2.低频损失的补偿,封闭式音箱有以下特点： 由上式可见装箱后会影响低频的重现，一般采用以下措施来提高低频效果： 采用小口径的扬声器 采用高顺性的 扬声器 增大扬声器的线性工作区 采用好刚性的纸盆 采用密封性能好的音箱,三、倒相式扬声器系统 (音箱)的设计原理,1.基本结构 2.倒相式音箱的类比线路 3.设计时的注意事项 4.倒相式扬声器的特点,1.基本结构,2.倒相式音箱的类比线路,类比电路如图示：,由图有：,3.设计时的注意事项,扬声器的力谐振频率F0尽可能等于音箱

27、的速度谐振频率FC 倒相孔的面积应是纸盆的有效面积的百分之四十左右。 品质因数分别为： 扬声器：Q1/3（0.30.5) 音 箱：Q5 （550）,4.倒相式扬声器的特点,能扩展重发低频范围的下限，使低频灵敏度提高。 能减少低频重发声音的非线性畸变。 音箱体积减小为封闭式的60。 能使系统的下限频率等于扬声器的下限频率。 缺瞬态特性梢差。,四、组合扬声器系统 (音箱)的设计原理,1.组合式扬声器的优点 2.组合式扬声器的设计要求 3.组合式扬声器的设计原则,1.组合式扬声器的优点,频响宽 指向性好 可分频段组合故非线性失真小 互调失真比单个扬声器的小 瞬态失真比单个扬声器的小,2.组合式扬声器的设计要求,灵敏度高 功率大 失真小 指向性好 频响好（家用：50HZ15KHZ、专业：20HZ20KHZ）,3.组合式扬声器的设计原则,频响尽可能宽 可采用多分频方式 FL=350HZ850HZ FM=3.5KHZ5KHZ FH=5KHZ以上 可采用多种扬声器的组合（如：号筒式加纸盆式）,五、分频器的简单设计,1.分频器的分频方式 2.分频器的类型 3.几种分频器的设计 4.关于衰减器 5.设计分频器时的注意事项,1.分频器的分频方式、,功