详解有源音箱设计方法

1．有源音箱概述：
1.1 有源音箱
有源音箱是功放和无源音箱的有机结合体，在多媒体上得到广泛应用。

有源音箱省去功放外壳，节省空间，减少外接线路，省去与VCD等音源所重复的功能和电路(如卡拉OK电路等)，特别是功放和音箱达到较好的匹配，因此具有较高的性价比。

1. 1.1有源音箱的特点
(1)成本低,价格极易被接受
1)功放在设置在音箱内，比功放少要一套机壳，成本降低。

2)采用功率集成电路，价格低，设计简单，无须调试，保护功能齐全。

3)只需一根喇叭线。

(2)连接简单,使用方便
(3)省去搭配的烦恼
1.1.2有源音箱的组成
有源部分主要：功放组件和电源变压器组成。

（功放组件：用来对音乐信号进行放大并实现各种操作功能；电源变压器：为功放组提供的电能）
无源部分主要包括:扬器、分频器和音箱箱体。

(1)扬声器：
是整个音响系统的最终发声器件。

低音单元(20～6000Hz)口径(3～8in)；高音单元(1500～25000Hz)口径(15～25in)。

2)分频器:
作用1:是根据频率将信号分别分配给高音单元和低音单元；作用2:防止大功率的低频信号损坏高频单元。

(3)箱体:
箱体的作用主要是防止发生“声短路现象”。

2.有源音箱箱体
Hi-Fi音响设备中,担任人机界面的电声转换设备--音箱号称音响系统的喉舌,音响源的最终重新演绎,全赖于此。

2.1有源音箱箱体制作
制作优质发烧音箱,除了采用优质的驱动单元(扬声器)以外,适宜的箱体结
构和加工、处理工艺亦有极重要的意义.由于扬声器单元已由工厂制造定型,故箱体设计与制作已成为影响特定单元表现力的决定阶段.
音箱的主要作用在于消除声短路,提高低音声压和均匀度,从而改善扬声器
低频段的声特性,但其介入亦会带来一些负面影响,如强化共振峰,中高频反射与衍射,等等,导至低音声染色和高音声染色.尽量消除负面影响,发挥改善低音的
作用,是制作之根本.
2.1.1音箱材料
一.优质木材如红木、花梨木、桃木、檀木等名贵硬木,最好是无接缝的整板,为音箱制作的顶级材料,但材料难觅,价格昂贵,加工不易,常用于极品音箱中.次之为花柳木、枣木、梓木等,以比重大,木质均匀者为佳.新材潮湿易变形,需干燥处理后方可应用.
二.中密度纤维板此类板材采用最多,成本低,材料易购,加工方便.但实际制作中发现其强度较差,易产生声染色,起哄,且材质细碎松软,不能用木螺钉结合,而只能钉以铁钉,在高声压下可能被震松,刚性亦差,不利于箱体的坚固性.
三.中密度刨花板亦称为压模板,强度较高,成本亦低,加工不太方便,很多商品音箱,包括许多日本套装机配套音箱均用此材料,但有人反映其压结不实,含气隙较多,隔音性能差.最好能作特殊处理,提高隔音能力.
四.高密度纤维板、刨花板以及胶合板强度很高,隔音性能好,材料较易找,乃业余制作优质发烧音箱的首选材料,只是成本稍高,加工亦不容易,需要专用工具.特别是高密刨花板,硬度很高,不易着钉,本人制作中常拧断螺钉尖头而徒唤奈何,应用手电钻预打稍细孔后再上紧固螺钉.
五.无机物如有混凝土浇铸成形,用石质板料(大理石、混凝土板、花岗岩石板、石膏板等)以特殊工艺成形,或干脆用厚重的大陶罐作箱体.具有音染小,声场稳定等优点,常为发烧高手采用,只是太重,移动调音甚为不便.并且箱壁须作特殊处理.
六.工程塑料、聚丙烯、增强改性环氧树脂、厚有机玻璃板等高密度高聚物(高分子聚合物)秉承现代先进的科技材料技术,许多欧美专业音箱厂商均用此技术创制出高档、高质音箱,如JBL MM系列音箱以高密度塑料做箱体,更有大名鼎鼎的JBLPROJECT K2 竟以厚达数英寸的有机玻璃制造高音喉.业余条件下断难实现.
七.金属材料主要用于专业音箱和特殊场合,如舞台音箱、移动音箱、体育用全天候音箱、军事用全天候移动式音箱…….业余家们由于其金属箱体谐振频较高,声染色不易处理而极少采用.
八.纸质材料多为初入烧道而经济拮据的烧友所采用,也不乏高手以此作箱体并以特殊工艺增强处理,例如以环氧树脂浸渍.如制作得当,效果亦佳.
2.1.2制作方法
一.板材结合此为绝大多数音箱包括一些极品音箱所采用的方法.工艺成熟,简便,并适于工厂化生产.
二.浇铸成型此法最适于混凝(港称无缝石屎)及高聚物.
三.掏腔法 1.顶级发烧音箱,将整块名贵硬木或结实石料掏出空腔,作为箱体.可以想象此法难度很大,成本高昂.偶见于欧美纪念型产品中.2.土炮族的大地音箱.即将地上掏空,作好干燥防潮处理,再装上面板及喇叭单元.成本低,音质亦很好,作超低音重放恰到好处,唯不能移动,对住所有条件限制.高烧至此,真可谓烧到了“家”.
2.1.3制作工艺
高保真音箱箱体内常处于急剧变化的高声压中,极易诱发杂音,谐振,造成音染,影响重放音乐的纯美.因此制作工艺十分重要.
“加固消振,避免音染”为制作工艺的八字“方针”.
一.广泛合理使用加强筋用于音箱中的薄弱环节.箱体内各个面所成结合角处,用足量的胶,宁多勿少,粘上粗壮的硬三角木或方木棒,再加木螺钉紧固,低音喇叭背部声压级最高,极易诱发箱音,于背面板正对此处粘上一块圆形硬木板加强,材料可利用面板开孔下的余料,对比较狭长的箱体,由于板料纵横比较大,强度及刚性变差
,谐振点变低,渐近喇叭或箱体谐振频率,声染色危险极大,请不对称地胶上几块硬方木棒.此举在于消除缝隙漏气,加强箱体刚性,破坏谐振,避免诱发杂音和激起箱振.
二.箱内添加适量吸声材料如超细玻璃棉、矿渣棉、纤维喷胶棉、真空棉、次者如泡沫海棉、棉絮、棉纸、柔软的卫生纸,吸收声能,控制音箱Q值,同时减轻箱振.对于密闭箱,需塞满整个箱体.对于倒相箱,前后左右上下壁敷三指宽厚的吸声材料,并于监听时作适量增减,以恰好抑制谐振峰为准.对于传输线式(即迷宫式),在
易于产生驻波的声道拐折处敷设.对于号筒式(主要指后加载号筒式)音箱结构,于低音喇叭背后,及号筒中易产生驻波的地方安放少量吸声材料.其多寡均应依实际听音评价而定.
三.增加箱壁声阻尼性能较简便的方法是箱体各里面浇一层1-2CM的沥青,贴敷多层高声阻尼材料(油毛毡、橡胶等).复杂但效果更好的方法是制作双层壁,中间装入干燥除尘细沙,或将箱体用高声阻尼材料浸润处理.此举阻断了声能向箱体的传播途径并大大降低了箱壁的Q值,对减轻甚至消除声染色十分有效.用无机物制作的，箱体必须进行此项处理.
四.箱体支撑加固此处指的是用硬方木、多孔木板或圆钢棒将前后壁及/或侧壁之间牢牢支撑,使箱壁不致被高声压激励产生讨厌的箱体声染色,多孔板兼有调Q的作用.钢棒可用具40号以上钢车成,Φ45mm以上,两端攻出Φ8mm固定螺丝孔,必要时(如箱体较大)可加焊法兰盘,用螺丝紧固于需加支撑的两壁之间,此法据一些前辈介绍,对消除因板材强度差而导致的箱音特别有效,故单独列书.
五.喇叭单元的固定宜采用由外向里的固定方法,减小前腔效应.安装孔最好作沉孔处理,避免盆架凸出,造成绕射.盆架、箱体间以5-10mm橡胶垫密封隔离,以免声短路,并避免盆架振动传至面板辐射,干扰直接辐射声.
六.采用特别的箱体内形和外形此处并非讨论音箱的声学方式,而是针对驻波,进行有效的予防.驻波的产生,会严重影响声学系统的性能.为消除驻波,破坏箱体内的平行性为其关键.如TANNOY SIX series采用了六边形体设计.许多专业音箱采用了扇形设计(JBL MM-SERIES、AC、等等).箱体外形对辐射特性亦有较大影响.过多，过锐的棱角会产生衍射和干涉,可采用较钝的面过渡角.正面板的形状会影响服务角和相位特性,经特别设计的面板可改善之,包括曲面设计、阶梯状设计及其它特殊的形状.JBL 4208的正面板经过计算机辅助分析、设计,一反平面的传统而采用曲面,有效地改善了近声场的相位特性.BOSE301,是在精研直达、反射声技术后推出的Hi-Fi力作,它采用了独特的外形设计,在低音音箱的顶部削出一个斜面,安装上两只高音单元作前后不同方向上的辐射,有效地营造出均匀的音场,据称聆听立体声不再仅是安坐皇帝位时才有的"自私"享受.有消息说,一种形似大蜗牛的新型音箱,即将作为英国B&W公司的新旗舰面世.所以在设计音箱时,也应解放思想,打破传统,大胆幻想,勤于动手,善于思考.
七.面板上敷强吸声及强声阻尼材料盆架余振能传递到面板上,直接声辐射会反射到面板上,箱内空气劲度所产生的振动亦会在前面板反映,凡此种种,经面板辐射,与直接声叠加、干扰,引起频率特性曲线上出现更多的波峰与波谷,相位特性劣化,高音频下尤为严重,面板贴上"重声阻尼"材料是改善的有效方法.重声阻尼材料有高密度发泡泡沫塑料、特制毛毡、及工厂特制的音响专用吸音毡等.
八.完工后的音箱应加支撑,与地面"隔离"起来,避免声音虚胖、音场不稳、透明度差.支撑的方法有支撑架、金属脚钉、硬木脚钉等.可广泛采用不同的硬材料试验决定,以45°～60°锥度之锥尖与地面接触。

3.电路模块设计
将要制作的音响系统电路模块
3.1前置放大器
前置放大器实际就是一个小信号放大器音响系统中,功率放大器对输入信号有一定的要求,太弱的信号功率放大器"理睬"的,所以,在功率放大器之前需要增加1至数级的放大器,将小信号逐步放大到功率放大器所需要的信号幅度.
前置放大器主要是对小信号乃至微弱信号进行放大,因此这些要求其失真系数要尽可能小.在HI-FI(高保真)音响系统中,前置放大器位于音源与功率放大器之间,对整个系统的频率特性的改善,前期音质的处理和音量的控制都有举足轻重作用.
前置放大器是小信号放大器,它是由三极管和一些外围元件构成的电路.不过在本次电路设计中,我并没有使用三极管,而是用一块"NE5532"的集成电路代替.使用集成电路的好处是显而易见的:它免去了调整放大器的静态工作点等一系列调试过程,并且对音响系统的稳定性和音质都有很大的改善.
3.1.1集成电路 NE5532引脚及功能
NE5532, NE5532A 低噪声双运放
等效输入噪声电压 5nV/根号Hz
单位增益带宽...10 MHz
共模抑制比...100 dB
高 dc 电压增益... 100V/mV
峰－峰电压波动 32 V ，VCC±＝±18V 和RL＝600 欧姆高转换速度... 9V/us
电源电压范围宽... ±3V 至±20V
可以与 Signetics 的NE5532 和 NE5532A 互换。

ne5532 引脚功能定义图
引脚功能
1 通道1输出
2 通道1倒相输入
3 通道1非倒相输入
4 地
5 通道2非倒相输入
6 通道2倒相输入
7 通道2输出
8 电源电压
3.1.2 NE5532应用电路图
3.2功率放大器
在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。

如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。

推动一个实际负载需要的功率很大。

能输出较大功率的放大器称为功率放大器。

3.2.1功率放大器(简称功放)任务
功率放大器是电子电路中一个十分重要的部分.在音响电路中,其主要任务是将音频信号放大到足以推动扬声器.不同于前置放大器,功率放大器不仅对音频电压信号进行放大,而且放大了音频电流信号,以满足外接负载的功率要求.同时,功率放大器还应该具有频率特性平坦,高信噪比(有用信号和噪声信号的功率比值)和优良的动态特性等功能.
音频功率放大器的类型很多,根据使用的器件不同,分为纯电子管型,晶体管
型,电子管-晶体管混合型(胆石混合机）和集成电路型。

在HI-FI里，公认电子管功率放大器（又称胆机）的音色远优于晶体管功率放大器。

但电子管功率放大器造价之高使人望而却步。

而晶体管功率放大器频响宽，是目前能输出功率最大的功率放大器。

此外，集成电路功率放大器则以其制作简单，性能稳定和价格低廉而成为市场占有率最高的一种。

功率放大器与扬声器的连接方式有变压器耦合（常用于电子管功率放大器），RC耦合（OTL)和直接耦合（OCL)几种。

3.2.2功率放大器的分类
1.功率放大器电路的划分主要是由功放级输出电路形式来决定，常见的音频功率放大器主要有下列几种：
(a).变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器中；
(b).变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中；
(c).OTL功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器中；
(d)OCL功率放大器是一种常用的放大器电路，常用于一些输出功率要求较大的功率放大器中；
(e)BTL功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合。

OTL、OCL和BTL功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。

2 ．功率放大器的类型
根据三极管在放大信号时的信号工作状态和三极管静态电流大小划分，放大器电路主要有3种放大器类型：一是甲类放大器电路，二是乙类放大器电路，三是甲乙类放大器电路。

除上述三种放大器电路之外，还有超甲类等许多种放大器电路。

音响系统中由于不允许存在信号的非线性失真，所以只用甲类放大器电路和甲乙类放大器电路。

(1).甲类放大器
甲类放大器就是给放大管加入合适的静态偏置电流，这样用一只三极管同时放大信号的正、负半周。

在功率放大器电路中，功放输出级中的信号幅度已经很大，如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大，这种电路称之为甲类放大器。

在功放输出级放大器电路中，甲类放大器的功放管静态工作电流设得比较大，要设在放大区的中间，以便给信号正、负半周有相同的线性范围，这样当信号幅度太大时(超出放大管的线性区域)，信号的正半周进入三极管饱和区而被削
顶，信号的负半周进入截止区而被削顶，此时对信号正半周与负半周的削顶量是相同的。

甲类放大器电路的主要特点如下所述：
(a).在音响系统中，甲类功率放大器的音质最好。

由于信号的正、负半周用一只三极管来放大，信号的非线性失真很小，这是甲类功率放大器的主要优点。

(b).信号的正、负半周用同一只三极管放大，使放大器的输出功率受到了限制，即一般情况下甲类放大器的输出功率不可能做得很大。

功率三极管的静态工作电流比较大，在没有输入信号时对直流电源的消耗比较大。

(2).乙类放大器
所谓乙类放大器就是不给三极管加静态偏置电流，且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周，正、负半周再在放大器的负载上将正、负半周信号合成一个完整的周期信号。

由于这种放大器没有给功放输出管加入静态电流，它会产生交越失真，这种失真是非线性失真的一种，对声音的音质破坏严重。

所以，乙类放大器电路是不能用于音频放大器电路中的。

(3).甲乙类放大器
为了克服交越失真，必须使输入信号避开三极管的截止区，可以给三极管加入很小的静态偏置电流，以使输入信号“骑”在很小的静态偏置电流上，这样可以避开了三极管的截止区，使输出信号不失真。

甲乙类放大器电路的主要特点如下-所述：
(a).这种放大器同乙类放大器电路一样，也是用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周，但给两只三极管加入了很小的静态偏置电流，以使三极管刚刚进入放大区。

(b).由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小，所以在没有输入信号时放大器对直流电源的消耗比较小(比起甲类放大器要小得多)，这样具有乙类放大器的省电优点，同时因加入的偏置电流克服了三极管的截止区，对信号不存在失真，又具有甲类放大器无非线性失真的优点。

所以，甲乙放大器具有甲类和乙类放大器的优点，同时克服了这两种放大器的缺点。

正是由于甲乙类放大器无交越失真，又具有输出功率大和省电的优点，所以被广泛地应用于音频功率放大器电路中。

当这种放大电路中的三极管静态直流偏置电流太小或没有时，就成了乙类放大器，将产生交越失真。

(4).推挽放大器
在功率放大器电路中大量采用推挽放大器电路，这种电路中用两只三极管构成一级放大器电路，两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周，即用一只
三极管放大信号的正半周，用另一只三极管放大信号的负半周，两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。

推挽放大器电路中，一只三极管工作在导通、放大状态时，另一只三极管处于截止状态，当输入信号变化到另一个半周后，原先导通、放大的三极管进入截止，而原先截止的三极管进入导通、放大状态，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器。

(5).互补推挽放大器
互补是通过采用两种不同极性的三极管，利用不同极性三极管的输入极性不同，用一个信号来激励两只不同极性的三极管，这样可以不需要有两个大小相等、相位相反的激励信号。

其电路中，VT1是NPN型三极管，VT2是PNP型三极管，两只三极管的基极相连，在两管的基极加一个音频输入信号Vi。

两管基极和发射极并联，由于两只三极管的极性不同，基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置，一个是反向偏置。

当输入信号为正半周时，两管基极同时电压升高，此时输入信号电压给VT1管加上正向偏置电压，所以VT1管进入导通和放大状态。

由于基极电压升高，对VT2管来讲加上反向偏置电压，所以VT2管处于截止状态。

输入信号变化到负半周后，两管基极同时电压下降，给VT2管正向偏置，使VT2管进入导通和放大状态，而VT1管又进入截止状态。

这种利用NPN型和PNP型三极管的互补特性，用一个信号来同时激励两只三极管的电路，称之为“互补”电路，由互补电路构成的放大器称为互补放大器电路。

由于VT1和VT2管工作时，一只三极管导通、放大，另一只三极管截止，工作在推挽状态，所以称为互补推挽放大器。

3.2.3功率放大器的类型分析
根据管极三导通时间(导通角)可分为如下几种常见状态。

甲类-------三极管360°导电；
甲乙类-----三极管180°～360°导电
乙类-------三极管180°导电
静态工作Q对放大器工作状态的影响如下图所示：
甲类功放的功率即使在理想情况下其效率最高也只能达到50%。

从甲类放大电路中可知道，静态电流是造成晶体管功耗的主要因素。

如果把静态工作点Q向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也等于零(或很小)，信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，也就改变了甲类放大时效率低的状态。

工作点降低后分别对应为甲乙类和乙类功放。

甲乙类和乙类放大，虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的
波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，这就需要在电
路结构上采取措施。

常见的有无输出变压器功放(OTL)和无输出电容功放(OCL)。

无输出电容的互补对称式功率放大器(OCL)
一、乙类OCL 功放工作原理（设ui 为正弦波）
静态时：
ui=0V ® ic1、ic2均=0(乙类工作状态) ® uo=0V
动态时：
ui > 0V T1导通，T2截止 iL= ic1 ；
ui < 0V T1截止，T2导通iL=ic2
T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。

3.2.4集成功率放大器
集成功率放大器由集成功放电路和一些外部 阻容元件构成。

集成功率放大器和分立元件功率放大器相比具有体积小、重量轻、调试简单、效率高、失真小、使用方便等优点,已经成为在音频领域中应用十分广泛的功率放大器。

功率放大＋
－u u Ｔ１
Ｔ２V CC
V CC o i
L
R
电路的电路形式很多，有单电源供电的OTL 功放电路，双电源供电的OCL 互补对称功放电路，BTL 桥式推挽功放电路等。

本次设计将用到集成功率放大器。

如图所示为互补对称式OTL 功率放大电路。

T2为一只NPN 型功率晶体管，T3为一只PNP 型晶体管，它们组成互补推挽输出管，T1为电压放大激励管。

信号经过C1耦合送入T1进行放大后，从T1集电极产生的信号正半周使T2导通，负半周则使T3导通，经过放大后的信号通过电容C3后输出至扬声器。

电路中电容C2为自举电容，它和R2及R3组成自举电路，使B 点的电位随输出电压的增高而增高，扩大了电路的动态范围.
CC V D 1
D 2C 1C 2C 3C 4R 3
R 2
R 1
R 4R 5i V A B
T 1
T 2 T 3R L
互补对称式OTL 功率放大电路
2.OCL 功率放大器
OCL 是英文Output Capacitor Less 的简写，其意思为无输出电容，即没有输出耦合电容的功率放大器。

它采用正负电源供电，在较低的供电电压的情况下，可以获得较大的功率输出；由于是定压式输出，对负载的阻抗要求不高。

T1和T2组成差动放大器，T3为推动激励管，T4、T5为互补推挽输出管。

当输入信号的正半周输入T1的基极时，经过差动放大电路后再输至T3基极。

此信号为倒相相信号，经过T3再次倒相放大后，输送至T4基极，使T4导通。

当输入至T1基极的信号是负半周信号时，则经过倒相放大后使T5导通，这样在扬声器上就得到一个完整的全波信号。

R5为负反馈电阻，它具有较大的直流负反馈作用，使T1～T5的工作处于稳定状态，并使输出端的静态电压稳定于0V 。

C 1R 1
R 3
R 2
R 6
R 5R 4R L CC V +CC V -T 1T 2T 3
T 4T 5 i V A
B R 7
OCL 功率放大器电路
3.2.5集成功率放大器LM1876功能概述
放大器LM1876是双通道超保真音频放大器,内有自动高温保护、低压保护、过压保护等电路以及哑音和闲置等功能,其性能远其它同类产品,可广泛应用于各种立体声放大等场合。

LM1876 是双通道立体声音频放大器 ,每个通道可持续输出 20W 功率 , 驱动 4Ω或8Ω负载 , 其总谐波失真小于 011 %。

每个通道均有由外部逻辑电平控制的独立的哑音衰减和旨在减少功耗的闲置开关。

内部的瞬时高温自动 ( SPi KeTM )保护电路使 LM1876 的性能远远超过分立放大器和其它品牌的放大器。

SPi KeTM 表示在输出端有过压、低压、过载及瞬时高温保护等功能。

（a ）哑音方式
如果在哑音输入 (Mute )脚加高电平 ,信号进入放大器后会经过哑音处理。

如果该管脚悬空或接低电平, 那么放大器不处于哑音方式。

LM1876有两个哑音管脚分别控制各自的放大器,不互相影响。

(b)闲置方式
LM1876 的闲置方式允许用户在放大器空闲时进入低功耗状态。

在放大器的闲置管脚Standby 加高电平,就可进入闲置方式。

此时,两个放大器 VCC 输出总电小于 10mA , VEE 输出电流的典型值为412mA 。

(c)过压保护。