音箱通用原理

lear · 发表于 2010-6-1 23:13:45

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1、引言
目前音箱是按其构造分类的，例如闭箱、倒相箱、空纸盆箱（无源辐射箱）、迷宫箱、二级倒相箱、前号筒箱、后号筒箱、箱式低音炮、管式低音炮、加载式、传输线式、管道式等等约有10余种形式，而每一种音箱都不得有各自的原理解释，绝大多数解释的不完全不全面。

人们知道，设置音箱的目的有两个，一是因为频率在1~200Hz以下的低音无方向性，振膜前后方的声波呈反相状态，会引起低音声短路，致使低频声压大跌，因此需用音箱隔离前后声波；二是单个扬声器的频响范围有限，为拓宽频响，需用2只以上扬声器分别工作在不同的频段，以达到对高低音向两端延伸的要求。防止声短路问题，但背辐射声波的能量没有利用起来。为改善这一弱点，人们又发明了10余种形式的音箱，在防止低音声短路的前提下，充分利用背辐射声波的能量，提高电声轮换效率，拓宽低频响应。这10余种音箱都有各自的工作原理解释，有些解释较清楚，有些解释较笼统，甚至还有一些片面的误解。这种设计制作各种音箱带来了难度，为此，笔者提出一种全新的通用的音箱原理——消音与半消音原理。在充分理解的基础上，就能举一反三，设计制作好任意结构的音箱。
2、音箱的分类
传统的分类是按箱体的结构分类，而根据消音与半消音原理分类，是按背辐射声波的处理方式分类，这就将所有的动圈式扬声器归纳为一个共同的原理——消音与半消音原理。并分为两大类箱形，即消音箱和半消音箱。
2．1消音式音箱
消音式音箱就是对箱内声波作消音处理，闭箱就是典型的消音箱，此外，大障板箱、背开口箱、对称驱动箱、前号筒箱等均为消音式音箱。通过消音二字，对其工作原理就能大体略知，消音的好坏，直接关系到放音质量的好坏。这里可把背辐射声波分为两个频段，分别对待。一段是低音扬声器装箱后听谐振频段，另一段是低音单元除去谐振频段后的全部频段即非谐振频段。
对谐振频段来说，未加入吸声材料时，声波能量被吸收的较少，能量被转移消化的较少，因此谐振能量较大，低音单元在谐振频率处的谐振未受到太多的抑制，振幅依然很大，造成很强的自感电势，自感电势与信号电势共同参与电声双向反应（笔者在另一文章提出了电声双向反应论），对谐振频率处的声波造成最大的波形失真，这是危害之一。危害之二是当电信号停止时，惯性导致大振幅具有较强的余振，造成声波拖尾变长，使低频变得拖泥带水，产生隆隆声。这个隆隆声就是余振拖尾造成的，是电信号中没有的新声波。危害之三是强烈的振幅产生较高的声压，该声波失真又大，又会使频响曲线的低端凸起，破坏了声压的平衡。对音箱来说，减少这3点危害的有效方法就是增加吸声材料。但吸声材料的加入量并非越多越好，过多的吸声材料，虽然减少了前两个危害，但又造成低音力度不足。这就需要折衷处理，如何掌握吸声材料的加入量，以什么为标准呢？应以反映谐振峰阻尼特性的Q值为标准，将音箱Q值调整在0.6~0.7之间为好。当Q值<0.6较多时，阻尼过量，低频清晰无隆隆声。如果Q值>0.7较多时，阻尼不足，低频声压虽上升，但是瞬态特性变差，低频伴有隆隆声，声波不清晰。
影响音箱Q值的因素有两点，一是单元装箱前的Q值，由扬声器厂家设计确定，用户一般只能挑选不能调整。二是箱内吸声材料的品种和数量可选。这两个因素是互相影响的，一个方面的不足，可用另一个方面给予补偿。但这种补偿是有限度的，例如一个自身阻尼不足的低音单元，品质因数Q值过大时，是无法通过增加吸声材料来使其工作在最佳状态的，只能使其转好一点而已。
扬声器的谐振频率装箱后会向上漂移，漂移量的大小，受箱容积和吸声材料的影响。箱容积越大，吸声材料越多，向上漂移量越小，反之相反。所以消音箱谐振峰的频率，由单元、箱容积及吸声材料共同决定。单元谐振频率低，箱容积大，吸声材料多，谐振频率就低。值得注意的是单元的谐振频率，这是起主导作用的。如果单元谐振频率偏高，就不能指望通过加大消音箱容积来延伸低频响应，因为单靠增大消音箱容积只能获得减少向上的漂移量，并不能使音箱的谐振越过扬声器自身谐振点向下延伸（半消音可以）。一对音箱的低频表现，应该是频率低、声压足、无隆隆声。而频率和声压两者很难同时照顾到最佳值，只能折衷考虑。追求低频的最佳方案是，单元口径大（口径略小但线性冲程长），谐振点低，适当的大容积，适量的吸声材料。低频响应的下限值，主要由单元谐振点所决定。任意一只低音单元，可以配用不同容积的箱体，箱容积偏大时，谐振峰向高峰漂移小，频响箱容积偏小，谐振峰向上漂移大，频宽变小，能量较为集中，使低端声压有所上升，箱容积小到一定程度时，会在低频段的频响曲线上出现一个上凸区。人们希望在保持声压频响曲线尽量平坦的前提下尽量拓宽低频下限。
对谐振峰以上频段的背辐射声波，即非谐振频段声波，则要做最大程度的消音处理，消音越彻底，背辐射声波对振动体的调制干扰越小，声染色就越小，下面声波就越清晰。为了使消音更彻底，增加吸声材料的数量是必要的，但不是唯一的，消音需注意以下几点。
（1）品种的选择
不同材料具有不同的吸声材料，同一种材料在不同的频率下吸声系数也不同，吸声系数大的作为首选。应该选择谐振频段吸声系数小、其它频段吸声系数大的。这样可在保证最佳Q值的同时，尽可能地加入更多的吸声材料，对背辐射有害声波给予更多的吸收，减少有害声波的影响，提高正面声波的清晰度。
（2）吸声材料的放置方式
这个问题容易被除数大家忽视，例如有的品牌音箱将吸声材料扎成一个小布袋，随意丢在箱内，还有不少文章推荐在中间。笔者认为，放在中间有两种状况，一是填满空腔，二是不填满，同为中间效果不同。将吸声材料分散布满各个反射面是最佳方案，好处有两条：一是分散布置可降低厚度，使低频吸收系数降低的幅度大于中频吸收系数降低的幅度，在保证相同Q值的前提下，可放入更多的吸声材料，进一步加大中频波的吸收，从而获得更清晰的下面声波；二是分散放置时，反射到箱内各处的声波都能得到有效吸收。如果将吸声材料做布袋状，随意置于箱内，就会有部分声波被箱壁反射回到振膜（除非吸声布袋充满箱内空间，但这种机会不多），使干扰变大。
（3）音箱结构设计
传统观念比较重视箱板厚度和正面两侧棱角及减少驻波的内尺寸，但忽略了一个非常重要的问题，那就是要将减少背辐射反射回到振膜为首要目标.笔者见过发烧友将面板做到一寸厚，箱体厚实牢固，但声染色依然存在。采用特厚的面板，表面看是好事，其实搞不好会弄巧成拙，音染更大了。原因在于扬声器的背辐射声波刚出窗口就撞上厚厚的面板孔边，近距离的大量反射波重返振膜势必造成更大的音染。对现有过厚的面板，低音单元的面板开孔要由90°垂直边改造为45°左右斜边，减少空气振动阻力。
只要充分理解了消音式音箱的含义，再融入传统的设计公式或计算机辅助设计，不难制作出满意的消音式音箱。

lear · 发表于 2010-6-2 13:09:08

2．2半消音箱

消音式音箱具有设计调试简单的特点，音质也很好，但背辐射声波未能利用起来，低频失真较大，且低频下潜不深。而随后发展起来的半消音式音箱，对这两条缺陷有所改进，既能减少低频失真又能拓宽低频响应，但调试复杂一些，如果没有对音箱原理的深刻认识，没有简单的仪器帮助，很难将低频和中频及中高频部分做好，尤其是中频和中高频。

倒相式、两级倒相式、空纸盆式、迷宫式、带通式（低音炮）、管道式、后号筒式、1/4波长加载式、传输线式、科尔顿式等等，均为半消音式音箱。它们都有一个共同特点，那就是充分利用背辐射声波在谐振频段的能量。通过箱腔空气谐振与扬声器谐振的互相耦合，最大限度地将扬声器谐振能量较变为箱腔谐振能量，再通过开口或空纸盆将谐振能量辐射出去，从而提高低频声压并拓宽了低频响应。由于扬声器谐振能量通过谐振波这根本看不见的空气弹簧从开口大量辐射出去，加大了振膜的负载，有效抑制了振膜在谐振频段的大幅振动，从而减少了扬声器感应电势的产生，使失真显著减少，并能大幅提高低音扬声器的功率承受额。

半消音式音箱的种类虽然很多，结构各不相同，但其工作原理大同小异，例如两级倒相式，就是在倒相式基础上，又增加了一个谐振腔，两个箱腔谐振与扬声器谐振互相耦合，使谐振频率处的交流阻抗曲线形成3个小峰，3个阻抗峰比2个阻抗峰更优一筹，能使谐振输出声波频带进一步展宽，拓展了低频。调试良好的箱腔谐振，使振膜在此频段的辐射阻抗大为提高，负荷的大幅提高使振幅更小，自感电势更低，失真因此更小，振动冲程的压缩使其具有更大的功率承受额，比单级谐振（倒相）箱性能更佳，只是调试更加复杂罢了。空纸盆箱与倒相箱原理完全一样，只是调试方法不同罢了。

带通式低音炮有两种结构，一种是闭箱加倒相箱的合成，另一种是两个倒相箱的合成，工作原理一样，都是利用2个谐振峰工作在不同的频段，一高一低，高端一般设计在120Hz~180Hz，低端一般设计在20~60Hz，2峰又叠加后从而输出一个频率为带通状的声波。这两种箱型原理一样，但效率不一样，双倒相合成的效率略高一些。还可以将一个倒相箱和一个两级倒相箱组合成3腔式低音炮，让扬声器阻抗峰呈3峰的小群峰状，进一步拓宽输出频响，使输出的频段更宽更平坦，并得到更高的功率承受额，更高的电声转换效率，更低的失真，更低的低频。管式低音炮和箱式低音炮尽管造型不一，实际工作原理是相同的，但两者效率略有差异，管式效率更高些。不同的管径也略有差异，圆管内截面与振膜振动面积接近时效率最高，相差越大效率越低。倒相管的尺寸也关系到效率高低，大而长的比小而短的效率更高些。

科尔顿式是闭箱加带通箱的合成，而迷宫式、管道式、后号筒式、1/4波长加载式、传输线式，尽管形状不一，名称不一，内涵却是一致的，具有与倒相箱相同的工作原理。都是利用箱腔谐振与扬声器谐振的互相耦合，将扬声器谐振能量耦合到箱腔谐振，再通过开口辐射出去，同时降低了扬声器在谐振频段的振幅，减少了感应电势，从而改善了失真，并提高了功率承受额。

半消音式音箱的背辐射声波，同消音式一样，也是分为两个频段，即有用的谐振频段和有害的非谐振频段。相同的是，对有害声波要尽一切手段，最大限度地做消音处理，减少有害声波对内对外的干扰，从而提高下面声波的清晰度。不同的是对谐振频段的处理，消音式只是作简单的部分消音，让反映谐振峰阻尼特性的Q值保持在中等程度。半消音式除对谐振给予部分消音，让Q值保持在中等程度外，同时还对谐振波作最大限度的利用，达到拓宽低频响应，减少失真，提高功率承受额的目的。

3、总结

综上所述，消音式与半消音式，都遵循一个共同的原理，即消音与半消音原理，对谐振频段作有限消音，对非谐振频段全消音处理。遵循这个原理，就能做好任意结构的音箱。

低音炮没有非谐振频段信号输入，故不存在消音和自身的声压平衡问题，因此也不存在半消音问题，所以低音炮不需加入任何吸声材料，只要将阻抗峰调整到等高状即可。放音时的声压平衡由音量控制。

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