音響技術第7章 揚聲器系統(tǒng)ppt課件

1、第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 第第7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.1 揚聲器類型及其主要性能指標揚聲器類型及其主要性能指標 7.2 電動式揚聲器的工作原理電動式揚聲器的工作原理 7.3 電動式揚聲器的振動系統(tǒng)與磁路系統(tǒng)電動式揚聲器的振動系統(tǒng)與磁路系統(tǒng) 7.4 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.5 音箱的設計音箱的設計 7.6 功率分頻器的設計功率分頻器的設計 思考題與習題思考題與習題 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.1 揚聲器類型及其主要性能指標揚聲器類型及其主要性能指標 7.1.1 揚聲器類型 揚聲器是一種電聲換能器, 它通過某種物理效應把電能轉換成聲能。 按照電聲換能的方式不同

2、, 可以把揚聲器分成若干類型。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.1.2 揚聲器的主要性能 雖然揚聲器規(guī)格種類繁多, 但都可用一些常用的特性參數(shù)來表征其主要性能。 1. 聲壓-頻率響應特性 當給揚聲器饋以恒定的電壓時, 揚聲器產生的聲壓隨頻率變化的關系, 稱為揚聲器的聲壓-頻率響應特性。 這種特性可用曲線來表示, 如圖 7 - 1所示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 1 揚聲器的頻率響應曲線 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 2. 有效頻率范圍 受到揚聲器換能機理及揚聲器的結構限制, 揚聲器的聲壓-頻率特性的平坦部分并不能覆蓋整個音頻范圍, 低音揚聲器只在低音部

3、分具有平坦的聲壓-頻率響應曲線, 同理, 中音和高音揚聲器也是如此。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 3. 阻抗特性 揚聲器的阻抗特性反映了揚聲器振動線圈阻抗隨頻率變化的特性, 揚聲器的阻抗特性可用阻抗曲線表示。 一般電動式揚聲器的阻抗特性曲線如圖 7 - 2所示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 2 揚聲器的阻抗曲線 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 4. 額定功率 揚聲器的額定功率是指揚聲器能長時間正常安全工作的輸入電功率, 又稱為標稱功率。 5. 靈敏度 揚聲器的靈敏度是指揚聲器輸入端饋以單位電壓時, 在其參考軸上距離參考點 1 m處所產生的聲壓值。 我國主要

4、用揚聲器的特性靈敏度和特性靈敏度級來表示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) (1) 特性靈敏度PA: 給揚聲器饋以相當于在額定阻抗上耗散 1 W電功率的粉紅噪聲信號電壓時, 在參考軸上離參考點 1 m處產生的聲壓。 WPPeA(7 - 1) 式中Pe為有效聲壓值, W為電功率。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) (2) 特性靈敏度級SPLA: 當用聲壓級表示聲壓時, 揚聲器的靈敏度稱為特性靈敏度級, 單位為dB。 WPPSPLeA)/lg(20(7 - 2) 式中Pr為參考聲壓。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 6. 指向性 揚聲器輻射聲波的波長隨頻率的增加而變短。 當聲波的波

5、長與揚聲器的幾何尺寸可比擬時, 由于聲波的繞射特性及干涉特性, 揚聲器輻射的聲波將出現(xiàn)明顯的指向性。 揚聲器的指向性是表征揚聲器在不同方向上輻射聲波的能力, 一般用指向性圖案來表示。 揚聲器的指向性圖案是指揚聲器輻射聲波的聲壓級隨輻射方向變化的曲線 (如圖 7 - 3所示)。 揚聲器的指向性與頻率有關。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 3 指向性圖案 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.2 電動式揚聲器的工作原理電動式揚聲器的工作原理 電動式揚聲器多為直接輻射式揚聲器, 其振膜直接向周圍介質(空氣)輻射聲波。 該振膜為圓錐形, 通常為紙質, 俗稱紙盆。 使電動式揚聲器振

6、膜發(fā)生振動的力, 即磁場對載流導體的作用力, 其大小由下式決議: F=Bli (7 - 3) 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 式中， B為磁隙中的磁感應密度(Wbm2 ); i為流經音圈的電流(A); l為音圈導線的長度(m); F為磁場對音圈的作用力(N)。 電動式換能器的音圈, 通以音頻電流時, 在磁場中受到力的作用, 該效應稱為電動式換能器力效應。第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 然而, 一旦音圈受力運動, 就會切割磁隙中的磁力線, 從而在音圈內產生感應電動勢。 這個效應稱為電動式換能器的電效應, 其感應電動勢的大小為 e=Blv (7 - 4) 式中， v為音圈的振動速度(m

7、s); e為音圈中的感應電動勢(V)。 電動式換能器的力效應和電效應總是同時存在 , 相伴而生的。 電效應的存在, 將對揚聲器的電阻抗特性產生極大的影響。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 4 電動力的方向 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.3 電動式揚聲器的振動系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)電動式揚聲器的振動系統(tǒng)和磁路系統(tǒng) 電動式揚聲器的基本結構如圖 7 - 5 所示。 揚聲器的各種部件, 按其作用不同, 可分為振動系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)兩部分。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 5 電動式揚聲器的基本結構 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.3.1 揚聲器的振動系統(tǒng)

8、揚聲器的振動系統(tǒng)包括策動元件音圈 , 輻射元件振膜和保證音圈在磁隙中處于正確位 置的定心支片。 音圈是整個振動系統(tǒng)的策動源, 用漆包線在紙質或金屬的線圈架上繞制而成。 為了充分利用磁隙的空間, 還常常采用矩形截面的導線來繞制音圈, 導線的材質要么是銅要么是鋁。 振膜是振動系統(tǒng)的主要部件, 最常用的是紙質振膜(紙盆)。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 揚聲器的頻響特性, 在很大程度上取決于紙盆的性能, 而紙盆的性能又取決于紙盆的材料 , 幾何形狀和加工工藝。 一般說來, 要求紙盆材料同時具有 3 種特性, 即 (1) 密度要小; (2) 機械強度要大, 或者說, 楊氏模量E要大。 與第一個

9、特性合在一起, 即要求材料彈性率E/的值要大; (3) 適當?shù)膬炔孔枘帷?第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 揚聲器振膜的形狀是各種各樣的, 可以是圓形的, 也可以是橢圓形的, 如圖 7 - 6所示。 在圓形紙盆中, 又可分為球頂形 , 平板形和錐形。 而在錐形紙盆中, 又可按其母線的形狀, 分為直線形紙盆和曲線形紙盆, 如圖 7 - 7所示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 6 圓形和橢圓形揚聲器 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 7 直線形紙盆和曲線形紙盆 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 紙盆的形狀和頂角的大小, 對揚聲器的性能影響極大, 必須按照揚聲

10、器的設計要求進行適當?shù)倪x取。 一般說來, 澆制和加壓直線形紙盆的模具比較簡單, 但有一個缺點, 即當加給揚聲器的功率超過一定限度時, 紙盆表面會產生某些頻率的振動, 從而影響放聲質量, 而曲線形紙盆就可避免這一現(xiàn)象。 由圖 7 - 5可知, 紙盆的頂端與音圈相接, 而音圈的電動力沿著揚聲器的軸向作用于整個錐頂?shù)膱A周, 如圖 7 - 8所示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 8 電動力對紙盆頂端的作用 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 由圖 7 - 9可知, 紙盆的基部是固定在盆架上的, 因此, 當功率足夠大時, Fl 足以使紙盆產生縱向彎曲, 如圖 7 - 9(a)所示。

11、 這種彎曲的過程如圖 7 - 9(b)所示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 9 分諧波失真的產生 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 定心支片就是以上述要求為出發(fā)點而設計的, 常見的結構如圖 7 - 10(a), (b)所示。 使用最為普遍的則是波紋形定心支片(a)。 在某些大功率揚聲器中, 為了增大徑向功率, 經常將定心支片做成雙層的。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 10 定心支片的結構 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.3.2 揚聲器的磁路系統(tǒng) 電動式揚聲器磁路系統(tǒng)的結構一般有 5 種形式, 如圖 7 - 11所示。 其中A一般稱為外磁結構

12、, 具有環(huán)狀的磁鋼, 如M所指。 這種結構的磁鋼尺寸實際上不受限制, 因此, 氣隙中所能獲得的磁感應密度的大小主要取決于極靴材料, 可達 1.5 Wbm2; 若選用鐵鈷合金極靴材料, 則氣隙中的磁感應密度可達 2.2 Wbm2。 對于結構B和C, 其圓柱形的磁鋼(如M所指)在中間, 即通常所稱的內磁式磁路結構。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 11 各種結構的磁路系統(tǒng) 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 從揚聲器的各種磁路結構可以看出, 揚聲器的磁路系統(tǒng)包括永磁體(即磁鋼) , 極靴和工作氣隙。 永磁體在氣隙中提供的磁能被音圈利用。 永磁體由硬磁材料制成, 其作用是在氣隙中

13、產生恒穩(wěn)磁場。 磁路設計的根本目的是設計一種磁路結構, 以體積最小 , 價格最廉的磁鋼, 在氣隙中產生要求的磁感應密度。 單位體積的永磁體向外空間發(fā)出的能量, 與它的磁能積(BH)成正比。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 考慮如圖 7 - 12(a)所示的永磁體, 其磁滯回線的第二象限部分稱為該磁體的去磁曲線。 去磁曲線上的各個點, 相應于不同的去磁情況, 亦即不同的氣隙長度lg , 如圖 7 - 12(b)所示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 12 永磁體及其工作點的選擇 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.4 揚揚 聲聲 器器 系系 統(tǒng)統(tǒng) 7.4.1 揚聲器系統(tǒng)

14、的組成 1. 揚聲器單元 揚聲器系統(tǒng)通常包括兩個或 3 個不同類型的揚聲器單元。 揚聲器單元質量的好壞, 直接影響到音箱的音質, 所以應當根據(jù)不同的要求, 來選擇適當?shù)膿P聲器單元。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 2. 分頻器和衰減器 多頻帶揚聲器系統(tǒng)中的每只揚聲器只能重放規(guī)定的頻帶, 所以要用分頻器正確地分配給各揚聲器恰當頻帶的信號功率。 因此, 輸入到多頻帶揚聲器系統(tǒng)的信號, 必須經過一個分頻設備, 通常稱為分頻器。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 3. 箱體 由于揚聲器振膜前后所輻射的聲波, 其相位相差180, 在低頻時, 這種反相的聲波會互相干涉而使聲波削弱, 從而使揚聲器

15、的低頻性能下降。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.4.2 封閉式音箱 封閉式音箱就是全密封的音箱, 它把揚聲器振膜前后分隔成兩個互不通氣的空間, 一個是無限大的箱外空間, 一個是具有一定容積的箱內空間。 這樣, 揚聲器的前向輻射和背向輻射就完全隔離開了, 從而避免了背向輻射對前向輻射產生聲干涉的毛病。 但是, 因箱體是全密封的, 箱內空氣勁度加大, 使揚聲器的最低共振頻率升高。 圖 7 - 13是其結構圖。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 13 封閉式音箱 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.4.3 倒相式音箱 在封閉式音箱的適當位置上開出一音孔, 并裝上倒相

16、管, 就形成了倒相式音箱, 其結構如圖 7 - 14所示。 倒相式音箱的基本工作原理是, 倒相管可將音箱內的某一低頻段的后輻射聲波倒相后, 再由倒相孔向前輻射出來, 與前輻射聲波合成, 從而增加了低頻段聲波的總的輻射聲能。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 14 倒相式音箱 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.5 音音 箱箱 的的 設設 計計 7.5.1 封閉式音箱的設計 在封閉式音箱中, 音箱的諧振頻率foc 往往高于揚聲器的諧振頻率f0, 因而常選擇具有較低諧振頻率f0的揚聲器, 如高聲順橡皮環(huán)式揚聲器, 設計制作封閉式音箱。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 封

17、閉式音箱設計的步驟如下: (1) 已知低音揚聲器的性能參數(shù): f0(諧振頻率, Hz) , m0(振動系統(tǒng)等效質量,g) , Q0(品質因數(shù)) , r(揚聲器紙盒的有效半徑, cm)。 (2) 令封閉式音箱具有最大平坦特性為設計目標, 即令Qoc =0.7。 (3) 計算封閉式音箱的諧振頻率foc : )(0HzQQf(7 - 5) 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) (4) 計算勁度比A: 102QQA (5) 求封閉式音箱的凈容積V: (7 - 6)0204355mAfrV (7 - 7) (6) 根據(jù)有利于消除駐波影響的尺寸比(見表 7 - 1), 確定箱體的幾何尺寸。 第第7 7章章

18、 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 表 7 - 1 有利于消除駐波影響的尺寸比 (在同一組內H , W , D可以交替) 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.5.2 倒相式音箱的設計 品質因數(shù)為 0.5 左右的低音揚聲器較適合于制作倒相式音箱。 倒相式音箱的設計步驟與封閉式音箱的設計步驟基本相同, 就是在已知低音揚聲器的主要性能參數(shù)的前提下, 確定箱體的幾何尺寸及倒相管的結構尺寸。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 倒相式音箱的設計步驟: (1) 已知低音揚聲器的性能參數(shù)。 (2) 為獲得平坦的頻率特性, 按圖(7 - 15)查找倒相管的調諧頻率fob 及勁

19、度比A。 (3) 計算倒相式音箱的凈容積V: 0204355mAfrV (7 - 8) 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖7 - 15 fob 、d與f0的關系曲線第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) (4) 根據(jù)表 7 - 1, 確定H , W , D的尺寸。(5) 選取倒相管的截面積S: S=(0.10.4)r (6) 計算倒相管的長度L: )(825. 010324cmSVfLob(7 - 9) (7) 根據(jù)倒相管的截面積S, 選擇倒相管的幾何尺寸。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 7.6 功率分頻器的設計功率分頻器的設計 功率分頻器放在功率放大器之后, 按各個揚聲器的頻帶要

20、求, 通過濾波方式, 將不同頻段的音頻功率分別饋給各個揚聲器。 因此, 功率分頻器實際上是由無源大功率濾波電路組成的, 常常與揚聲器一起, 安裝在音箱的箱體內。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 最基本的功率分頻器是所謂恒阻抗型分頻網(wǎng)絡。 它具有輸入阻抗與頻率無關, 加在揚聲器上的功率始終保持不變的特性。 現(xiàn)以圖 7 - 16 所示的三分頻網(wǎng)絡為例, 說明功率分頻器的一般設計步驟。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 16 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 圖 7 - 17 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 1. 分頻點的取法 由于分頻網(wǎng)絡在分頻點上存在相位差, 所以在如圖 7 - 16所示的 12 dB/oct型的分頻網(wǎng)絡與揚聲器之間應采用反相連接, 即中音揚聲器與低音和高音揚聲器的接法反相。 為了保證揚聲器系統(tǒng)的綜合音頻特性曲線平坦, 12 dB/oct型的分頻網(wǎng)絡特性曲線應在 6 dB降落點交叉, 如圖 7 - 17所示。 第第7 7章章 揚聲器系統(tǒng)揚聲器系統(tǒng) 2. 電