小乖乖
发表于 2007-4-30 13:20:12
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浅谈扬声器主要参数之间的关系
( W3 O# m/ j0 Z3 L% }7 c) W7 t R7 b' C- q
揭秘扬声器主要参数之间的关系扬声器性能是电学、力学、声学、磁学等物理参数共同作用的结果,由鼓纸、弹波、音圈、磁路等关键零部件的性能共同确定,其中一些参数相互制约相互影响,因而必须综合考虑和设计。
% \& N# G& M% F _, _% ], F/ h
1、主要参数综合设计和分析" j2 a: H/ R0 d
) C, J# T! F6 |! n- p/ F5 F1 @ 扬声器常用机电参数以及计算公式、测量方法简述如下:
: v0 f3 ~5 A$ G
" i2 q& I! I% @ 直流电阻Re
3 ^" m6 X3 Z% k6 G5 r1 m {4 x% u
/ G6 \: s) _3 ? 由音圈决定,可直接用直流电桥测量。# z h% X" Z6 b
8 m; o! z! X9 O! Z" r$ a
共振频率Fo8 g) m: x6 \* l" d
3 v" }$ Y) Z$ J8 z 由扬声器的等效振动质量Mms和等效顺性Cms决定,见公式(5), Fo可直接用Fo测试仪测量或通过测量阻抗曲线获得。8 f$ ], n% v/ ?; H7 G. z
5 R2 G6 u' D* |6 G 共振频率处的*阻抗Zo
& x" g: C f8 Z! \$ ]) Z% @% e, X3 ]+ [7 S0 y. b
由音圈、磁路、振动系统(鼓纸、弹波)共同决定,可用替代法测量或通过测量阻抗曲线获得。
, e( \" b5 c0 m, p, ?1 u
' z' P9 A! P2 L3 _7 m( I Zo = Re+[(BL)2/(Rms+Rmr)] (10)
* y9 O/ b+ W& U" c3 ]+ K$ Z* a9 f8 r
( P5 d9 o- Z# S D1 a( O 机械力阻Rms
0 i) y; y5 F ?/ o0 Y2 I# @6 ^9 l1 K" \+ R1 t
由鼓纸、弹波的内部阻尼及使用胶水的特性决定,可由测量出机械品质因数Qms后通过下列公式计算:6 D( h+ d; f* ]9 @( @
. p7 T# Q% a! J+ J Rms =(1/Qms)*SQR(Mms/Cms) (11)
# a( \* _# N& W
) I- y4 |7 [) f7 @ 这里SQR( )表示对括号( )中的数值开平方根,下同。
# f. G. K& ]; i x
9 @" L" ^1 @& n3 O% ~) { 辐射力阻Rmr
. J% }, b5 M; g/ w& d, w) V: [# J! n, D6 J) e8 ?
由口径、频率决定,低频时可忽略。
% O% ?, W F) d% U( I8 W7 _3 @( `: I4 T# w8 I7 h7 Z4 d* @
Rmr = 0.022*(f/Sd)2 (12)
6 |. ]5 T# S0 `( P8 E7 V" B3 t& e
等效辐射面积Sd2 e$ R# C I' _ Z- P
' _3 I2 r5 {7 Q2 w% _* b# ^. b 只与口径(等效半径a)有关。
( u5 b3 s" G2 H& ?1 T% `% _; ~3 M" K" D* D" g
Sd =π* a2 (13)
6 p2 x+ f+ S& O2 i
1 a% |& x. O6 a9 k n 机电耦合因子BL
+ T- K& d( A- A* | u
% w& ^$ y3 h1 h 由磁路Bg值和音圈线有效长度L决定,也可通过测量电气品质因数Qes后用下列公式计算:* m6 K' K4 ^9 x
; n$ J$ i' E7 k4 Y9 G$ b: _
(BL)2 =(Re/Qes)*SQR(Mms/Cms) (14)
# Q" a' ~8 I. Q2 V- R7 \) p: A
, ~. c3 D0 q" [2 M/ B8 Y) _9 ~ 等效振动质量Mms& Q/ H9 J& O4 T' ^
+ w5 s- Y9 `3 n) u* K& L
由音圈质量Mm1、鼓纸等效质量Mm2、辐射质量Mmr共同决定, Mms可由附加质量法测量获得。
W' Y/ ]+ _# B# l1 G1 @3 O0 [; e+ P. @- C5 }) N
Mms=Mm1+Mm2+2Mmr; _1 o( {4 }9 G O: l! y2 j6 Z4 W
) \; Y i) n' V! x- M2 {( _. d 辐射质量Mmr
, @- S6 ]4 m& P+ P
4 e+ i2 _5 Q6 G0 _ 只与口径(等效半径a)有关。
! g8 d; l1 x5 K2 {, Z
/ j, E: A5 W- v- I) i8 S% _" E6 S Mmr =2.67*ρo* a3 (16)
. }2 o& \ p! ]
; Q4 }4 c' X# ^; ~ e6 _9 M+ h4 g 其中ρo=1.21kg/m3为空气密度, a为扬声器等效半径。5 i1 p7 H0 Q* c0 v8 S- K$ v, m
: {7 _' C4 O* n 等效顺性Cms$ t5 h: l8 Z' K8 ?. P* f
m/ \6 r/ N8 U$ n+ A+ M- m 是指扬声器振动系统的支撑部件的柔顺度.其值越大,扬声器的整个振动系统越软.单位:毫米/牛顿(mm/N).* C1 N/ y2 w5 e" [3 M& h! z
. `& |; Y8 @% C: j8 C% O$ [6 T 由鼓纸顺性Cm1、弹波顺性Cm2共同决定,此顺性即是我们所称的变位,只是单位需换算为国际单位制:m/N,而变位可以用变位仪直接测量。Cms可由附加容积法测量获得。. p1 n8 s! I: K+ N3 o6 o
8 q h' ?5 \4 v m/ q, W
Cms=(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2) (17)- G) m; m+ C u; D2 ^
0 ]& V) y4 A) V0 i! V9 [
等效容积Vas
/ I" ]: b8 \$ Y; Z/ R
% A2 z# {8 z" ~5 l+ E$ R$ m7 s$ N 只与等效顺性、等效辐射面积有关。
) h) _$ h1 F5 h( h. I4 w+ F' M/ ~& u
5 G( E3 E) k3 I% R Vas =ρo*c2*Sd2*Cms (18)
! D) @$ `3 b+ V Z
; j5 @ Z4 ~- | 此处c为空气中的声速,c=344m/s
; X' ^# ?, G" t+ \. \5 a+ h' Y9 \" K; e( C6 x
机械品质因数Qms- B+ c" O0 }, W
% U& U: m6 |8 V) {9 a6 M 由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机械力阻Rms共同决定,Qms可由阻抗曲线的测量获得。
2 D- t) k* l: f% v
$ l- _+ C8 J- [2 b, `( w Qms =(1/Rms)*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*(Zo/Re) (19)
0 B3 X( z$ k0 V! p( g' ~$ P. ?- q; N0 b7 u( X
f 为阻抗曲线上阻抗等于SQR(Zo*Re)所对应的两个频率的差值。) f. m( M. y5 U2 Y% l1 {/ a
: S0 Y( N/ J6 x% O( i 电气品质因数Qes
) [" ^& y0 o# e: R7 Q
% t3 j# _: H4 v5 {3 w, r 由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机电耦合因子BL共同决定,由阻抗曲线的测量获得。# ]$ j0 B. `) J" s
5 m6 [9 N9 D( l
Qes =[Re/(BL)2]*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re) (20)/ Q+ [+ w& d* h; \: I( b+ N7 ~
3 i Y, ~6 {$ v8 L' z 总品质因数Qts; s! }) j6 S/ H/ G
9 g8 ]' r! V) _
由机械品质因数Qms和电气品质因数Qes共同决定。8 y- F' T1 p; L
% w/ q; |$ q5 X7 ?- z Qts =(Qms*Qes)/(Qms+Qes)=(Fo/Δf)*SQR(Re/Zo) (21)' T F9 O+ n9 G( l: V7 P3 Y
+ i; L1 L, E. ~" M5 x5 y! \ 参考电声转换效率ηo
! v8 f" G3 ?# D# g' C, \. T, P6 T8 }& [+ j/ i9 Z' b5 ]) c
由机电耦合因子BL、等效辐射面积Sd、等效振动质量Mms共同决定。9 G2 \5 N2 V" Y! U5 Y9 a
! W7 U+ m) e. j3 z: A. |
ηo =(ρo/2πc)*(BL*Sd/Mms)2/Re (22)
0 r$ ^" |5 O m# Q+ Z7 t9 a) x" e7 h5 B
参考灵敏度级SPLo
6 y6 w: P: L' \ k4 u/ S0 g
0 u1 j4 l2 G7 V/ ` 与参考电声转换效率ηo直接相关。) ^6 {9 L, Y5 e' W% S& `7 ^& C* j
# b- ]9 y5 w+ o
SPLo = 112+10lgηo (23)
' {" O$ [$ `3 K* {' Y4 O% z
/ E% j& z( W% ?- \6 o 参考振幅ξ/ d8 c8 \. k$ n$ M
- R; l6 ~! K2 h g8 l: V
与参考电声转换效率ηo、电功率Pe、等效半径a、频率f有关。% [& X I& G% Z4 D/ K& t
* S3 a! t1 n) u( K+ L) M" |
ξ = 0.481*SQR(Pe*ηo)/(a*f)2
6 {) J1 ?6 ?% y1 ~! t0 f
& I0 I x& @- e) E3 y+ P+ l! G 以上这些参数现在均可用扬声器计算机测试系统进行测量和计算,常用的测试系统有LMS、CLIO、MLSSA、DAAS、SYSID、LAUD、IMP等。另外,也可利用一些计算机模拟软件进行扬声器参数的基本设计,如LEAP、CALSOD、Speaker Easy、DLC Design、AudioCad、SOUNDEASY等。
4 ?$ G, x$ S2 @2 B' z8 b0 A6 x; }* \- H$ E7 C0 G8 w
扬声器的功率、失真指标无法直接用公式进行定量计算,只能作些定性分析和探讨。8 M1 T5 D+ Y; Y9 F4 j
# c ^9 ^- Z$ D' E
扬声器的额定正弦功率以及纯音检听功率,基本上由低频*振幅ξo决定。一般低频*振幅是在共振频率Fo处。扬声器的低频*振幅主要取决于磁路结构和音圈卷宽,当然与振动系统也有很大的关系。扬声器正常工作时,音圈不能跳出磁间隙,即有ξo≤Xmax,否则会产生很大的非线性失真(表现为振幅异常音)、甚至会导致音圈损坏(卡死或烧毁)。Fo处*振幅ξo可由下列公式计算:2 I2 U% d7 X- W( z* Q# d% i
5 n6 |7 v$ z6 |& b ξo = 1.414*BL*I*Cms*Qts (25)3 z' E) l) a+ E" R" C+ h6 N
, s8 z# g5 c8 S4 [% A
式中I为馈给扬声器的电流,I=SQR(Pe/Re)。可见,假使扬声器的基本机电参数(BL、Cms、Qts)确定,其电流I决定的功率Pe=I2*Re就受到低频*振幅ξo≤Xmax的限制。反之,假使扬声器的功率必需达到一定值,则扬声器的等效顺性就不能太大,亦即Fo不能太小。当有(BL)2/Re>>Rms时,公式(25)又可简化如下:
& y7 D, H6 V9 ?7 _4 C
. f- [# h1 J$ Z( V ξo = 0.225*V/(BL*Fo) (26); f. K0 d1 G* N3 h) I
+ E% X6 V& s' z6 s+ ?! @
式中V为馈给扬声器的电压,V=SQR(Pe*Re)。此式更直观地显示出*振幅ξo与电压V、机电耦合因子BL、共振频率Fo的关系。一般所称的总品质因数Qts对低频振幅的控制能力就由公式(25)、(26)体现和反映,其中BL值的作用更明显。* u) S% `+ N# O1 @ w( S) f& b
/ v& R% `, U7 }6 V+ R9 f4 D 扬声器的低频声功率Pa同样也受到限制:/ |9 u% v& p- `, e& A5 j
a3 \6 e& o" K& k Pa= Pe*ηo=4.33*ξ2*a 4*f 4 (27)' r0 r2 i+ _9 H8 B& d; V- Q
" y$ f/ c V$ o2 L
可见,声功率Pa既与电功率Pe有关、又与电声转换效率ηo直接相关,实际上*终与扬声器的振幅、口径、频率有关。为了达到一定的声功率Pa,在频率一样的条件下,口径越小、则其振幅越大,而振幅一般都受到限制,所以口径就不能太小。亦即,小口径扬声器不可能产生很大的声功率,因为小口径扬声器一般都受到结构限制,其振幅较小,效率较低,而音圈不会很大、所用线径有限、所能承受的电功率也有限。% z/ L+ o8 r6 |$ X
, p$ }: |, |: K8 {% v 扬声器额定噪声功率和长期*功率,既与低频*振幅有关,又与音圈的线径、材料和系统的散热条件、使用的胶水等直接相关。大功率扬声器,一般均使用高强度耐高温的音圈线、音圈骨架、胶水,采用大冲程、散热良好的磁路结构,音圈采用较宽的卷宽和线径,弹波采用强度好、抗疲劳性能好的材料,当然一般也采用大口径系列。扬声器额定噪声功率和长期*功率,*终只能通过负荷试验获得和验证。
5 J! d5 e5 _) L( g
7 B- f, b1 N0 y4 |2 w 2、喇叭单元的参数
, i* `" _1 b' O+ K/ l" Q' g0 t; G, l; o, R# Q
T/S指标(Thiele/Small-Specs)+ V$ z% k4 b% x
" S9 \- w3 L, M A# X T/S指标是由澳大利亚人A.N. Thiele 和 Richard Small,在70年代初发明的扬声器系统数学模型的基本参数。现今,几乎所有的人都是按照该理论来生产喇叭音箱。T/S指标有如下几个:
- x" h) s- ^* {7 p( A$ M5 A) _ G9 |+ {2 z
Fs(Fo) 为喇叭在自由场下的谐振点频率。0 O: h! T5 B1 { Y: B- {+ `: C3 e
" q2 ~8 l: \- T# | Vas 为等同于喇叭顺性的空气容积。 |
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