声学基础

压强式电容传声器的简单工作原理。

压强式电容传声器常作声学测试用，它的特点是工作频带宽，接收灵敏度频率特性均匀。这种传声器的简单工作有原理如图所示。

它有一接收声波的振膜作为力学振动系统，振膜与背极形成一静态电容C0,这个电容串接到有直流电源E0和负载电阻Re 的电路中，当振膜受到声波的作用力FF 作用时就产生位移，从而使振膜与背极间已形成的静态电容发生变化，这一电容量的变化导致负载电阻中电流相应的变化，由此就在此电阻上产生与声波频率相应的交变电压输出。简单计算可以得到，当负载电阻Re 甚大时，传声器的开路输出电压E 与振膜的位移ξ之间有如下关系：E ＝ξD E 0，其中D 为振膜与背极之间的静态距离，E0为在它们之间垢极化电压。这一关系表示了电容传声器的开路输出电压与振膜的位移是成正比的，因此如果能在结频率恒定的力的振幅FA 作用下，使振膜产生恒定的位移振幅ξA ，那么传声器就能产生对频率恒定的开路输出电压幅值EA ，根据上面对振动位移控制的分析可知，如果把振膜设计在弹性控制状态，即将振膜的固有频率设计在远高于工作频率范围，这时就可得振膜的位移振幅为M

A A K F ≈ξ，它与频率无关。如果再根据前面1－4－3中的分析，使振膜的力学品质因素QM 接近1，那么就可以使位移振幅对频率均匀 特性范围扩大到固有频率附近，而使电容传声器的工作频段范围更为宽广。

压强式动圈传声器工作原理

图1－4－6是一种作为广播或录音等用的普通压强式动圈传声器的工作原理图。传声器的振动系统由音膜与音圈组成。音膜的边缘压成折环状起着弹簧的作用，音膜的球顶部分和音圈连在一起起着质量块的作用。音圈放在磁极间的缝隙中，当有一由声波而产生的力FF 作用在音膜上时，音膜连同音圈产生振动，音圈在磁场中切割磁力线，从而使音圈的导线感应出电压。根据电磁学原理可知，当总长为l 的导体在磁感庆通量密度为B （单位为韦伯/米2）的磁场中以速度v 运动时，其感应的开路电压为E ＝Blv.此关系式表示了，这种传声器的开路电压是与振动系统的速度成正比的。因此如果在对频率恒定的力作用下，使音膜产生恒定的速度振幅V A ，那么就能使传声器产生对频率恒定的开路电压幅值EA 。根据上面对振劝速度控制的分析可知，如果把音膜－音圈的振动系统设计在力阻控制状态，这时系统的速度振幅可得为VA M

A A R F V ≈，它与频率无关，如果力阻愈大，则受这一力阻控制的频率范围愈宽，传声器具有均匀频率特性的频段也愈宽。根据1－4－3中的分析，对力阻RM 的控制可归结为对力字品质因素QM 的控制，例如取QM ＝0.1，则可以使传声器频率特性的均匀

范围扩大到Δf=100f0,然而由于Va 与RA 成正比，报以过大的力阻会使传声器的灵敏度受到损失，因而一般在实用上常常是适中地控制力阻，而同时又采用高低频补偿的辅助声学措施，使传声器既能保证有足够的工作频段，又能具有一的灵敏度。因此，在现代生产的一宽频带动带传声器，其内部声学结构常常是较为复杂的。

动圈式扬声器的工作原理

上图是动圈扬声器结构示意图。动圈扬声器的工作原理正好是动圈传声器的逆效应。根据电磁学原理，在扬声器音圈上通以电流I 时，在磁场作用下音圈将产生一电动力F ＝BlI.由于在频率较低时音圈的电感很小，电阻抗主要是电阻，所以在音圈上施加频率恒定的电压，就意味着在其中通以频率恒定的电流，由此产生一对频率恒定的力，此力作用下由音圈和纸盆等元件组成的振动系统就产生振动，因此便向空气辐射了声波。我们就可以按1－4－4的讨论求得扬声器的声辐射功率，即消耗于声辐射部分的平均损耗功率221A r v R W =

,据6－5－4的推导可求得在频率不太高时（即满足5.00

条件），扬声器纸盆的声辐射阻近似等于

220

02ωπρS c R r ≈（参见公式（6－5－39）），其中ρ0为空气密度，C0为空气中声速，S 为纸盆有效面积，α为其有效半径。由此可以看出，对一定有效面积的纸盆，辐射阻Rr 与频率平方成正比。所以，如果纸盆的速度振幅vA 对频率恒定，那么扬声器的辐射声功率将随频率而变化，频率愈低辐射功率愈小。因此，为了使扬声器能在一下频率范围内产生均匀的辐射功率，显然不应保持速度振幅的恒定。如果我们采和加速度振幅αA 来描述，那么声辐射功率可表示成20

024A S c W απρ≈，这式表示声辐射功率是与加速度振幅平方成正比的。在恒力FA 的作用下要保持加速度振幅的恒定，根据上面对加速度控制区的分析可知，必须把

振动系统设计在质量控制状态，即其固有频率应设计在远低于工作频段，这时M A A M F ≈α与频率无关。如果再考虑到1－4－3的分析，控制QM 在1附近，则就可以使加速度振幅对频率的均匀范围扩大到固有频率附近。例如，对一8英寸扬声器，如果要求它在100HZ 低频开始就有均匀的声功率辐射，那么可以将其振动系统的固有频率设计在100HZ 附近，并使QM 接近1。

上述一些例子说明对振动系统的振动状态进行分析是很有实际意义的。