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：11在T铁的顶部加一个铜套；12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：BmHm達到最大值2 方案：21 氣隙磁場無漏磁Bg Ag = Bm AmHg Lg = Hm Lm Bm/Hm =Lm/Am Ag/Lg = tg Vm = Am Lm = BgAg/Bm HgLg/Hm = Bg2Vg/BmHmLd = BgLgBr/HcBdHdAd = BgAgHc/Br BdHd 22 氣隙磁場有漏磁FbgAg = BmAmFHgLg = HmLm3 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 = v3 方案：31 材料的密度要小32 材料楊氏模量E要大 33 具有適當的內阻尼34 採用複合泡沫邊紙盆35 採用耐高溫音圈系統36 採用絹布彈波系統2.10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BL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：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：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