亥姆霍茲共振原理與倒相音箱

1、亥姆霍茲共振原理與倒相音箱 ( 轉(zhuǎn)自 debug)-倒相音箱，是我們非常熟悉的技術(shù)，在多媒體音箱中，除了部分 X.1 音箱的衛(wèi)星箱和極少幾款 2.0 音箱采 用了密閉箱設(shè)計外，大部分都采用了倒相技術(shù)。但是，從各方面的反應(yīng)看，我們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)用戶，特 別是大部分的媒體，對于倒相技術(shù)缺乏正確的理解，甚至是做了完全錯誤的理解。其中，一個歷史悠久的錯誤認識，就是 “倒相音箱就是通過在箱體上開倒相孔，使揚聲器背面輻射 的聲波經(jīng)過箱體內(nèi)部反射后向前輻射出來，與揚聲器正面聲波疊加，從而增強了低音效果 ”。相當(dāng)多的媒體 評測和技術(shù)文章都這樣寫，但是我就始終不知道，這些作者是否認真想過：如果倒相箱僅僅是為了將

2、揚聲 器背面的輻射聲波 “反射 ”出來，那么為什么還要倒相管的存在？直接在箱體上開一個碩大的孔不是能獲得 更高的能量利用效率？其次，眾所周知，倒相箱的低音下潛深度是結(jié)構(gòu)接近的密閉箱的 0.7 倍，如果倒相 孔所出來的僅僅是 “揚聲器背面的聲波 ”的話，那么理應(yīng)只是在響度上相對密閉箱增強，憑什么下潛深度也 會增加？其實，這個問題早在我兩年多以前的老文 揭開“金嗓子 ”和“鴨嗓子”的秘密里就已經(jīng)闡述過了，不知 道是這些作者沒有看過或是不能理解？也可能是我當(dāng)年闡述的并不詳細，那么這一次，我就用大篇幅來詳 細解釋一下這個問題。要說倒相箱的工作原理，必須從亥姆霍茲共振原理說起。當(dāng)然，這個名詞我當(dāng)年也寫過

3、，而很多如上述 文章的作者也會寫這個名詞， 但什么是亥姆霍茲共振原理？一種常見的說法是 “利用亥姆霍茲共振原理 , 在揚 聲器振動的時候減小振膜的阻力 ,增強低音效果 ”，倒相箱的確能夠減小箱體內(nèi)的氣墊效果， 從而降低回放的 最低頻率，但這和 “亥姆霍茲共振原理 ”沒有任何關(guān)系。亥姆霍茲(Hvon Haimuhuozi )，是德國19世紀(jì)偉大的物理學(xué)家和生理學(xué)家，我們大學(xué)所學(xué)的力學(xué)三 大基本守恒定律之首的 “能量守恒定律 ”就是他最大的科學(xué)成就。而亥姆霍茲共振原理，則是亥姆霍茲在聲 學(xué)領(lǐng)域的著名成就之一。首先，建立一個由理想剛體構(gòu)成的密閉空腔，這個空腔就叫做 “亥姆霍茲共振腔 ”，在空腔的表面

4、開一個 面積相對于空腔表面積很小的孔，在孔上插入一根空心剛體管道，組成的結(jié)構(gòu)就稱為“亥姆霍茲共鳴器 ”。VrL對于一個亥姆霍茲共鳴器而言，當(dāng)其內(nèi)部空氣受到外界波動的強制壓縮時（無論強制力施加于空腔內(nèi)的空氣還是管道內(nèi)的空氣，施加的外力是來自聲波還是腔體振動），管道內(nèi)的空氣會發(fā)生振動性的運動，而空腔內(nèi)的空氣對之產(chǎn)生恢復(fù)力（換句話說，共振腔內(nèi)的空氣是一個空氣彈簧”。在聲波波長遠大于共鳴器幾何尺度的情形下，可以認為共鳴器內(nèi)空氣振動的動能集中于管道內(nèi)空氣的運動，勢能僅與腔體內(nèi)空氣的彈性形變有關(guān)。這樣，這個共鳴器是由管道內(nèi)空氣有效質(zhì)量和腔體內(nèi)空氣彈性組成的一維振動系統(tǒng)，因而對施加作用的波動有共振現(xiàn)象，其固

5、有頻率是爪免謁+鳩W。公式中fo是亥姆霍茲共鳴器的最低共振頻率，c是聲速，S是管道的截面積,d是管道的直徑，I是管道的長度,V是空腔的容積。在強 度為一定的振動作用下，在這個頻率時，管道內(nèi)空氣的振動速度達到最大。這，就是所謂的亥姆霍茲共振原理亥姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置，它既可以在內(nèi)部設(shè)計吸音材料，成為共振吸音結(jié)構(gòu)在管口處具有相當(dāng)強大的消耗接近fo頻率的外界聲波的吸音能力，或者，也可以通過驅(qū)動其內(nèi)部空氣，將微小的振動轉(zhuǎn)換為強度很高的聲波從管口傳輸岀去。由于這是一種不需要任何獨立能源，完全依靠外界振動激發(fā)的高效率聲能轉(zhuǎn)化裝置，所以亥姆霍茲共鳴 器的應(yīng)用范圍很廣，作為吸聲裝置，其最典型

6、的應(yīng)用就是音樂廳、電影院吸音墻的微結(jié)構(gòu)，而作為擴聲裝 置，其最典型的應(yīng)用就是各種樂器的共鳴箱?；氐降瓜嘞涞脑O(shè)計上來，由亥姆霍茲共振原理，我們就可以清晰的認識到，在倒相箱上，從倒相管傳出 來的，并不是真正的 “揚聲器振膜背面的輻射聲波 ”，而是因為倒相箱體內(nèi)的空氣在揚聲器振膜背面的振動 下被強制壓縮，從而產(chǎn)生諧振，這種振動推動著倒相管內(nèi)的空氣發(fā)生高速的亥姆霍茲共振，劇烈而高速的 管道空氣振動在管道出口也就是倒相口處用力推動箱體外的空氣，從而產(chǎn)生了強大的聲波。實際上可以認 為，此時， 倒相口成了一個虛擬的揚聲器振膜。 而管道本身的規(guī)格決定了這個 “第二揚聲器 ”的各項參數(shù) （這 也就是為什么需要一

7、個倒相管而不是直接開口）。在倒相箱中， 倒相聲真正的發(fā)聲源是倒相管內(nèi)高速振動的空氣， 揚聲器此時只是起了一個驅(qū)動器的作用， 雖然振動的最初來源是揚聲器，但發(fā)聲的卻不是它。這就如同在普通的揚聲器上，真正主動振動的，其實 是揚聲器內(nèi)部的音圈而不是看得見的振膜。但發(fā)聲的卻是振膜而不是音圈。實際上，真正最有可能從倒相管中直接 “反射 ”出來的并不是低音，而是揚聲器背面發(fā)出的中高音，在倒 相箱箱體中填充吸音棉的目的之一就是為了衰減揚聲器的中高音背面輻射（這和密閉箱有所不同，密閉箱 填充吸音棉主要是為了虛擬無限大障板），有些箱子，例如惠威的 T200A 干脆將高音單元直接放到了獨立 空間內(nèi)或放到了箱體外頭

8、。倒相箱的設(shè)計是非常有學(xué)問的，要經(jīng)過設(shè)計者根據(jù)揚聲器的參數(shù)進行精細的計算，一般來說，揚聲器確 定了，箱體的容積、倒相管的長度、截面積也就基本確定了。不過在此基礎(chǔ)上也可以做一些微調(diào)，如果加 長倒相管的長度或減小倒相管的截面積，就可以降低諧振頻率一些，但此時氣流摩擦聲也會明顯增大，對 倒相聲的利用效率也會降低?，F(xiàn)在回過頭來說， 為什么倒相箱的最低頻率比密閉箱要低？為什么倒相箱的效率比密閉箱高？為什么倒 相箱的瞬態(tài)不如密閉箱？這都和倒相箱的結(jié)構(gòu)和原理直接相關(guān)。密閉箱本身由于箱體內(nèi)部的密閉空氣在受到壓縮時，實際相當(dāng)于一個 “空氣彈簧 ”，所以它在控制揚聲器 振膜的非線性位移，減小揚聲器的失真的同時，也

9、提高了揚聲器的最低諧振頻率。而倒相箱由于是一個開 放的亥姆霍茲共振腔，所以不會發(fā)生類似的現(xiàn)象，而且，由于亥姆霍茲共振的存在，它可以將揚聲器在接 近揚聲器最低諧振頻率時的振動加以高效轉(zhuǎn)換， 使之分解為在該頻率上下兩個頻率范圍上較小強度的諧振， 使得音箱能夠在本來揚聲器工作效率很低的頻率乃至低于揚聲器最低諧振頻率的頻率下發(fā)出可聞的聲音 （倒相管能輸出的最低頻率要低于揚聲器的最低諧振頻率）。這就使得倒相箱的最低回放頻率能夠明顯低 于密閉箱。而倒相箱的效率要高于密閉箱，這就是非常好理解的。因為倒相箱充分利用了揚聲器背面的振動能量， 而不是將其在箱體內(nèi)部消耗掉。加上亥姆霍茲共鳴器的高效率轉(zhuǎn)換作用，這些能

10、量能夠充分轉(zhuǎn)化為對外輻 射的聲音。所以其將電能轉(zhuǎn)換為聲能的效率要遠遠高于密閉箱。但反過來，倒相箱的瞬態(tài)是明顯低于密閉箱的，這是因為倒相口所輻射的聲波，雖然與揚聲器振膜所輻 射的聲波同頻同相， 但二者存在明顯的時間差。 也就是說，無論揚聲器起振還是停振， 都會有一個 “慢半拍 的聲音跟著攪和，自然瞬態(tài)就會比較差了。倒相箱的箱體形狀和倒相管的形狀沒有一定的嚴格要求。但是，一個理想的亥姆霍茲共鳴器應(yīng)該是由一 個球形的亥姆霍茲共振腔和一個圓管型的管道組成的。如果采用變形的形狀，就多多少少會出現(xiàn)一些不好 的影響。很多倒相音箱回放的聲音很悶，很亂，造成這種情況的原因就是箱體內(nèi)諧振的空氣在大動態(tài)振動時，由 于箱體的特殊形狀導(dǎo)致在箱體內(nèi)部的多次反射中產(chǎn)生了大量的奇次諧波，這些奇次諧波產(chǎn)生了復(fù)雜而混亂 的共鳴，這就是箱體設(shè)計不良的典型結(jié)果。而倒相管的形狀， 雖然在理論上不影響回放的效果。 但實際上， 非圓形的倒相管， 例如方形、 條形等等， 由于存在尖銳的棱角， 會由于氣流的高速運動產(chǎn)生劇烈的摩擦聲。 而有些倒相管采用了特殊的雙曲線設(shè)計， 就是因為雙曲線管道在流過高速氣流時，發(fā)生的摩擦最小，所以比較適合做一些超低頻調(diào)諧的倒相管。有些產(chǎn)品，如惠威的第二版 T200A ，采用了雙倒相管的結(jié)