扬声器原理及一般性介绍 0626

• 弹波
– 弹波主要是对扬声器的振动系统起一个支撑定位的作用，一般要求它具有极 大的径向劲度和极小的轴向劲度。同时，它与纸盆折环一样，对扬声器系统 的顺性起着重要的作用，或者说对扬声器的Fo值影响极大，弹波的顺性(以 偏位表示)越大，扬声器的Fo值越低。 – 常见的弹波材质有普通的棉布，复合材料Conex等。一般都要经过含浸处理。
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电动式扬声器的电声参数
扬声器的电声性能可用一系列的电声参数加以描述，称 为扬声器的电声参数或电声性能。
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极性,额定功率P0
• 极性
– 是指在扬声器输入端馈入信号时，扬声器膜片产生的运动方向与输入端 所加信号极性之间的关系。 – 规定馈给扬声器以瞬时直流电压，能引起膜片向扬声器前方运动时，与 电压正极相连接的输入端为扬声器正极，用红色或“+”表示。 – 扬声器的极性可以用极性测试仪测出。
如果流经音圈的电流强度和方向均随时间不断地 变化，则电动力F也就随着电流强度和方向的变化 而变化。电动力F的方向，就是音圈在磁气隙中的 移动方向。 随着电流强度和方向的变化，音圈就会在磁气隙中来回振动，其振动的 周期或频率等于输入电流的周期或频率；而振动的幅度，则正比于各瞬 时作用电流的强弱。而扬声器振膜（纸盆）是固定在音圈上的，因此音 圈就带动振膜作上下振动，振膜振动就向外辐射声波，从而实现电声能 之间的转换。
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质点震动学及声学基础
• 系统自由振动的频率，只与系统本身的参数(Mm、C)有关，而与初 始条件无关。 • 不同的参数的系统具有不同的固有频率。扬声器系统的固有频率， 将会对扬声器的低频响应产生极大的影响。 • 以上所讲到的是理想状态下的质点自由振动系统，而实际的振动系 统，会受到各种阻尼力的作用，系统的能量会不断损耗，系统的振 动幅度会不断减小，至到停止，这种振动称为阻尼振动。 • 为了使一个实际的振动系统能够持续不断的振动，就必须有一个外 部力作用于系统上，使得阻尼系统能够不断地从外界获取能量。扬 声器的振动系统，受电动力的策动而发生振动就是一个例子，这种 振动称为受迫振动。
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声音的本质
• 从物理学的观点来说，声音是一种波动。比如人说话，物体的碰撞，扬 声器的振动等，都会发出声音，这种“发出声音”其实就是声源的振动 使邻近的空气产生压缩或膨胀，邻近空气的压缩或膨胀再推动远一些的 空气产生压缩或膨胀……如此源源不断地使空气产生稀疏和稠密的变化 一般说来，人耳只能听到20~ 20KHz的音频声。低于20Hz的声音叫次声， 高于20KHz的声音叫超声，次声和超声人耳都不能听到。 大气静止时的压力称为大气压力。当有声波存在时，使局部空气产生压 缩或膨胀，就在原大气压上又附加了一个压力，这个附加的压力就称为 声(音)压，以p表示。
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电动式锥形扬声器材料
• 折环(悬边)
– 为了使扬声器的振动系统有较好的顺性，在纸盆与铁盆接合时，常要通过一 个折环过渡。此折环通常与纸盆胴体做成一个整体。常见的材料有泡棉 (Foam)，布(Cloth)，橡胶(Rubber)，尼龙(PA)等。
• 防尘盖
– 防尘盖的作用主要是防止灰尘进入磁隙中，同时它对扬声器的高频特性具有 很大的影响。凡是可用于纸盆胴体的材料，都可用于防尘盖。
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声音的其它特征
• 既然声音是一种波，那么它就有波的其它特征，如反射，透射，干 涉，绕射等。 • 这些特征对声音的传播影响都很大，对于建造各种声学环境，如无 响室，试听室等都是必须要考虑到的。
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电动式扬声器原理
讲述典型的振动系统及发声器 - 扬声器
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扬声器的一般介绍
• 扬声器是一种电声换能器，它通过某种物理效应把电能转化为声能。 • 由于实现这种电声转换的物理效应有很多，扬声器就有很多的类型， 如电磁式扬声器， 压电式扬声器，电容式扬声器，电动式扬声器等。 • 电动式扬声器结构较简单，性能良好，品种繁多，使用广泛， 是当 前扬声器开发及生产的主流。 • 早期，甚至是现在，多数扬声器都有一个锥形的结构，因此我们把 扬声器俗称为喇叭，英文中叫做Loudspeaker 或Speaker。 • 电动式扬声器创制于1925年，经过近八十年的发展历史，结构上作 过了不少改进，使扬声器的性能有了很大的改善。从早期单一的锥 形纸质胴体形式发展到今天的结构多元化，组成材料品种繁多的形 式，更能适应人们对扬声器音质及可靠性方面的要求。
实际上，扬声器的输入阻抗是随频率而变化的，其大小随频率的变化曲 线称为扬声器的阻抗曲线，如图3-1所示，一般规定的额定阻抗，即为 阻抗曲线上第一个最大值后面的最小阻抗模值，如图所示 •
•
在频率F1所对应的阻抗R0，即为扬声器的额定阻抗。
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效率η , 共(谐)振频率Fo
• 效率η
– 扬声器的效率是表示扬声器电声能转换能力的一个参数。 – 扬声器在某一频带内的效率，是指该扬声器在该频带内所辐射的声功率 与馈给扬声器的电功率之比。 – 对于直接辐射式扬声器，电声效率极低，一般只有百分之几，或者更 低。
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电动式锥形扬声器材料
• 音圈
– 音圈是扬声器振动系统的策动源。一般由二部份组成，一是音圈管(Bobbin)， 二是音圈线。对于音圈的要求是质量轻，并且能耐热。 – 常见的音圈架材质有纸、铝合金、Nomex、TIL、Kapton等。 – 常见的音圈线材质有铜，也有用铜包铝的。音圈线截面一般为圆形，有时为 了充分利用磁隙的空间，还有采用矩形截面的。
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电动式锥形扬声器材料
• 振膜(纸盆)
– 振膜是扬声器振动系统中最重要的部件，扬声器的频响特性，很大程度 决定于纸盆的特性，而纸盆的性能又决定于纸盆的材料，几何形状和加 工工艺。 – 早期的振膜，都是纸质的，至到现在，纸质振膜也还是最常见的，所以 我们现在对各种材质的锥形振膜，习惯上都称为“纸盆”。 – 纸盆材料，要有三个特点：1.质量轻，密度小； 2.机械强度大；3.具有 适当的内部阻尼。 – 最常见的纸盆材料是纸浆，其成型方法一般采用纤维沉降法，将纸浆浇 入特制的模型中，再经热压而成。为了能达到所需特性要求，一般会在 纸浆中参入适当的碳纤维、羊毛、麻等。有时为了提高纸盆的刚性，还 会在纸盆上蒸发上一层金属铍。 – 采用金属材料，如铝合金、铍合金、发泡镍等。 – 采用复合材料，如石墨+PP；云母+PP等，用这些材料做纸盆的扬声器， 可获得宽而平坦的频率响应，并且谐波失真低。
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分贝
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声压的范围是很大的，从刚可听到的声压大小到最强的声压，可相差1 亿倍以上 人耳对声音的感受也不直接正比于声压或声强的大小，而是近似正比于 声压或声强的对数值。 在声学中普遍使用对数标度来量度声压或声强的大小，用“分贝(dB)” 表示。
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表示声音的级有声功率级（SWL，以LW表示），声强级（SIL， 以LI表 示），声压级（SPL，以LP表示）。因为声压对我们最直接，所以我们最 常用到的是声压级，习惯就把“声压级”叫作“声压”。 在空气中，参考声压pref =2×10-5Pa，这个数值是正常人耳对1KHz声音刚 刚能觉察到的声压。显然，该声压级为0dB。 比如，某点的声压级LP =90 dB，那么其声压就是 pe=2×10-5 ×10 (90/20) =2×10 -0.5 = 0.63 Pa。
• 磁铁
– 磁铁的作用就是在磁路系统的磁隙中产生一个恒稳的磁场。 – 目前常用的磁铁有三类，铝镍钴材料、铁氧体材料、稀土元素材料。铝镍钴 及稀土元素适于内磁式扬声器。铁氧体材料适用于外磁式扬声器。
• 上、下板（华司、T铁）
– 上、下板同磁铁一起组成扬声器的磁回系统。上、下板一般都由导磁能力强 的软铁做成。
• 电动式换能器的力效应和电效应总是同时存在， 相伴而生的。
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电动式锥形扬声器的基本结构
• 电动式扬声器的典型结构为锥形结构，如图2-2即为一只电动式锥形扬 声器的外观图。
以锥形扬声器的基本结构，按其各部分作用 的不同，一般可分为振动系统，磁路系统和 辅助系统三部分。 振动系统包振膜，定位组件定心支片，以及防尘盖。 磁路系统包括永磁体，上下夹板和导磁芯。一般情况把下夹板和导磁芯 做成一个整体而成为T形铁。如需要进行防磁，还包括防磁罩及副磁。 辅助系统包括把振动系统和磁路系统组成一体的盆架，音圈的引出导线， 端子，垫圈等。 •
• 额定功率P0
– 是指在额定频率范围内，用规定的噪声信号测试结果为基础所规定的功 率值. 一般情况下，扬声器(通常不带障板)应能承受在额定频率范围内馈 以该功率值的仿真节目信号进行试验100小时。 – 扬声器的额定功率通常标志在扬声器的铭版上。
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额定阻抗R0
• 在额定扬声器的输出功率时，通常用一个纯电阻代替扬声器作为负载， 这个纯电阻就称为扬声器的额定阻抗。额定阻抗是计算馈给扬声器的电 功率的基础。
扬声器原理及一般性介绍
质点振动学及声学基础
扬声器是发声的器件，它是一个用以辐射声波的振动系 统。因此，了解质点振动学及声学基础，对于研究扬声 器及其系统是十分必要的
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质点震动学系统
• 质点振动系统
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f ﹙Hz﹚—振动频率：表示系统每分钟振动的次数； ω﹙Hz﹚—圆频率：或称角频率，ω＝2πf ，其中π=3.1415926； C﹙m∕Kg﹚—系统顺性：表示系统的柔软性，系统越容易振动，说明它 的顺性就越大； K﹙Kg∕m﹚—系统劲度：与顺性C相反，K＝1∕C； Mm﹙Kg﹚—系统等效质量；
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电动式锥形扬声器材料
• 盆架
– 盆架的主要作用是对扬声器的磁路系统及振动系统起一个连接固 定的作用。常用的盆架由软铁冲压而成，也有用塑料和铸铝的。
• 锦丝线
– 锦丝线一般是由棉线并在外裹上一层铜泊而成，这样才能使锦丝 线具有较强的韧性及弹性。锦丝线一般都由多股线组成，按其组 合方式，一般分为编织线和绞线。
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电动式扬声器的工作原理
• 以上分析中，使振膜振动的力，即为磁场对载流导体(音圈)的作用力， 称为电动式换能器的力效应，其大小为： F = Bil F— 音圈所受磁场的作用力(牛顿)；i— 流经音圈的电流(安培)；B— 磁 隙中的磁感应密度(韦伯/米)。
• 一旦音圈受力运动，就会切割磁隙中的磁力线，从而在音圈内产生 感应电动势，这称为电动式换能器的电效应，其大小为︰ e =Blv v— 音圈振动速度(米/秒)； e— 音圈中的感应电动势(伏特)。
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电动式锥形扬声器的基本结构
• 图2-3 即为锥形扬声器的基本结构图：
– – – – – – – – – – – – – 1 —下板，或称T铁(T-yoke) 2—主磁( Magnet) 3—上板，或称华司(Washer) 4—定位支片，或称弹波(Damper) 5—振膜，俗称纸盆( Cone) 6—音圈(Voice coil) 7—防尘盖(Dust cap) 8—压圈(Gasket) 9—铁盆(Frame) 10—锦丝线(Lead wire) 11—端子(Terminal) 12—副磁(Magnet) 13—防磁罩(Magnet-shield)。
– – – – – – 正常人耳能听到最弱的声音 2×10-5 Pa 普通谈话声 交响乐演奏声(相距5~10米处) 0.3Pa 织布车间 柴油机/钢铁厂 喷气式飞机起飞 2×10-2 Pa 2Pa 20Pa 200Pa
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声音的特征
• 人对声音的感觉一般表现为三个特征：即响度，音调和音色。 • 响度就是声音的大小，它一般与振幅（声强度）有关，声压越大， 响度就越大。但是不同频率的声音对响度的影响也不一样，频率过 低或过高，响度都会变小。 • 音调，即声音的高低，它与声音的频率有关，频率越高，音调就越 高，声音听起来就越尖锐。 • 音色，即声音的好坏，它与声音的频谱成份有关。人对声色的判定， 与个人的好恶有关。
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电动式扬声器的工作原理
• 中间为圆柱形的N极，外面是环状的S极，磁场(B)方向由N极指向S极； 环状气隙内为导线环(即音圈)l，若电流由“ ×”端流入，由“ ˙ ”流出， 则音圈l的受力方向，由弗来明左手定则决定：左手平伸，使拇指与其余 四指垂直，若磁场(B)方向指向掌心，其余四指指向电流方向，则拇指所 指方向即为音圈受力(F)方向