喇叭揚聲器設(shè)計和制作分析

1、 24/24 喇叭設(shè)計-揚聲器設(shè)計與制作分析1. 揚聲器常用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9396-1996 揚聲器主要性能測試方法GB/T9397-1996 直接輻射式電動揚聲器通用規(guī)GB9400-88 直接輻射式揚聲器尺寸。GB7313-87 高保真揚聲器系統(tǒng)最低性能要求及測量方法GB12058-89 揚聲器聽音試驗2. 揚聲器主要電聲特性額定阻抗 Znom總品質(zhì)因數(shù) Qts等效容積 Vas共振頻率 Fo額定正弦功率 Psin額定噪聲功率 Pnom長期最大功率 Pmax額定頻率圍 Fo-Fh平均聲壓級 SPL3. 揚聲器主要零部件尺寸設(shè)計3.1 揚聲器口徑揚聲器口徑必須符合客戶要求，若客戶沒有具體要求，

2、則優(yōu)先采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB9400-88直接輻射式揚聲器尺寸。3.2 支架支架外形尺寸及安裝尺寸應(yīng)能滿足客戶需要，除此之外還需考慮鼓紙、彈波、華司等尺寸選擇與配合問題，一般大功率低頻率的揚聲器要求支架有效高、底高、彈波接著徑、華司鉚接徑等均較大。3.3 磁體磁體尺寸優(yōu)選常用系列值，具體尺寸需按性能要求確定。常用鐵氧體尺寸：32*18*6,35*18*6,40*19*8,45*22*8,50*22*8,55*25*8,60*25*8,60*32*8,65*32*10,70*32*10,80*40*15,90*40*15,100*45*18,100*60*20,110*60*20120*60*20,1

3、30*60*20,140*62*20,145*75*20,156*80*20,180*95*20,220*110*20常用標(biāo)準(zhǔn)：SJ/T10410-93 永磁鐵氧體材料3.4 音圈音圈中孔尺寸優(yōu)選常用系列值，具體尺寸(如卷寬、線徑)需按性能要求確定，骨架高度還需考慮到與鼓紙、支架的配合。常用音圈中孔尺寸：13.3 14.3 14.7 15.4 16.3 18.4 19.4 20.4 25.5 25.9 30.5 35.5 38.6 44.5 49.5 50.5 65.5 75.5 80.0 100.0 127.03.5 各種零件的尺寸配合支架、磁體、音圈等零件的主要尺寸確定后，其他零件的主要尺

4、寸選擇余地就受到限制，因為各種零件的尺寸必須相互配合，同時其性能參數(shù)也要相互配合。3.5.1 支架與鼓紙鼓紙外緣與支架膠合面一般需大于2 mm (微型揚聲器不受此限制，下同)，鼓紙外徑必須小于支架徑 1 mm以上，鼓紙次外徑不能小于支架次外徑 3 mm 以上、也不能大于支架次外徑 2 mm 以上，鼓紙有效高必須小于支架有效高 0.5 mm 以上。3.5.2 支架與彈波彈波外緣與支架膠合面一般需大于 2 mm ，彈波外徑必須小于支架的彈波接著徑 0.5 mm 以上，彈波有效高必須小于支架有效高與鼓紙有效高的差值 0.5 mm 以上。3.5.3 支架與華司配合尺寸主要取決于支架與華司的鉚接工藝，總

5、的要求鉚接應(yīng)牢固，鉚支架尤其要注意材料厚度。3.5.4 音圈與鼓紙鼓紙中孔尺寸一般要大于音圈骨架外徑 0.20.9 mm ，小口徑、小音圈取值小些。3.5.5 音圈與彈波彈波中孔尺寸一般大于音圈骨架外徑 0.10.4 mm ，太大會漏膠、太小難裝配。3.5.6 音圈與T鐵音圈中孔尺寸一般大于T鐵中柱外徑 0.30.6 mm ，小音圈取值相應(yīng)小些。3.5.7 音圈與華司華司中孔尺寸(鉚的為鉚后尺寸)一般要大于音圈最大外徑(為繞線部位) 0.30.6 mm ，間隙太小容易碰圈、影響到裝配合格率，間隙太大又會降低磁性能、從而導(dǎo)致靈敏度下降。3.5.8 鼓紙與彈波鼓紙中孔與彈波中孔的距離，中小口徑的揚

6、聲器以 0.52 mm 為佳，大口徑可以加大到 25 mm ，距離大些定位效果會更好、更能承受大功率，只是鼓紙中心膠和彈波中心膠需分開打。4. 揚聲器關(guān)鍵零部件的性能設(shè)計4.1 磁路4.1.1 磁路設(shè)計的目的與方法磁路設(shè)計的目的主要有兩種：一是給定磁體規(guī)格(已知材料性能和尺寸),設(shè)計出磁路結(jié)構(gòu),使其工作氣隙磁感應(yīng)密度Bg值為最大,Bg值的大小對揚聲器的靈敏度及電氣品質(zhì)因數(shù)Qes影響很大；二是給定Bg值,設(shè)計出磁路結(jié)構(gòu),使所用磁體尺寸為最小,從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。磁路設(shè)計的方法有多種，這里采用的是經(jīng)驗公式法。4.1.2 磁路設(shè)計基本公式Kf*Bg*Sg = Bd*Sm (1)Kr*Hg*Lg

7、= Hd*Lm (2)相關(guān)說明如下:Bg: 工作氣隙中的磁感應(yīng)密度Bd: 磁體部的磁感應(yīng)密度Sg: 工作氣隙截面積Sm: 磁體截面積Kf: 漏磁系數(shù)(總磁通與工作氣隙磁通之比)Hg: 工作氣隙中的磁場強度Hd: 磁體部的磁場強度Lg: 工作氣隙寬度Lm: 磁體高度Kr: 漏磁阻系數(shù)(總磁阻與工作氣隙磁阻之比)這里所有單位均采用國際單位制,即千克、米、秒制。4.1.3 一些參數(shù)的選取與設(shè)定對于磁結(jié)構(gòu)的磁路:Kr = 1.11.5Kf = 1.82.5導(dǎo)磁板厚度:Tp = 5*Lg導(dǎo)磁板直徑:Dp = 4.1*Tp對于外磁結(jié)構(gòu)的磁路:Kr = 1.11.5Kf = 2.04.0華司厚度:Tp =

8、5*Lg中柱外徑:Dp = 4.3*Tp華司外徑 = 磁體外徑-磁體厚度/2Sg =*(Dp+Lg)*TpBg =o* Hg (3)o = 4*10-7 H/m為真空磁導(dǎo)率.根據(jù)磁體材料退磁曲線和最大磁能積曲線,可以確定最佳工作點的Bd和Hd值,在此工作點,磁體體積最小(給定Bg值時),工作氣隙中的磁感應(yīng)密度最大(給定磁體尺寸時)。Bg2 = (o*Sm*Lm*Bd*Hd)/(Kr*Kf*Sg*Lg) (4)4.1.4 磁路設(shè)計的驗證選擇了一種磁路結(jié)構(gòu)后，驗證很方便，只需將磁路充磁，測量其工作氣隙中的磁感應(yīng)密度Bg就行。磁感應(yīng)密度Bg的測量方法有兩種:一是用帶超薄霍爾探頭的特斯拉計(高斯計)直

9、接測量；二是用帶標(biāo)準(zhǔn)線圈的韋伯表(磁通表)測量磁通,然后換算成磁感應(yīng)密度, Bg =/S,這里的S為標(biāo)準(zhǔn)線圈在磁場中切割磁力線的有效面積。4.2 音圈4.2.1 音圈主要參數(shù)設(shè)計音圈的直流電阻Re一般要預(yù)先設(shè)定，或按額定阻抗Znom確定:Znom =(1.051.10)* Re音圈的直徑Dvc根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)確定，同時要考慮功率見大功率大口徑揚聲器的音圈卷寬及華司厚度均需較大。根據(jù)導(dǎo)線的電阻率或電阻系數(shù)及所需直流電阻,可以很容易地算出音圈線長Lvc=Re/電阻系數(shù)，則繞線圈數(shù)n = Lvc/*(Dvc+2*骨架厚度+層數(shù)*線徑)，卷寬Tvc=n*1.03*線徑/層數(shù)，此處線徑指導(dǎo)線的最大外徑。4.

10、2.2 音圈材料性能與選擇4.2.2.1音圈骨架材料常見的有牛皮紙(Kraft Paper)、杜拉鋁(Aluminium Duralumin)、NOMEX、TIL、KAPTON等。主要特性如下：牛皮紙(Kraft Paper)采用最高連續(xù)工作溫度180 oC的電纜紙(牛皮紙)，其特點為質(zhì)輕、絕緣好、價格低廉。其厚度有：0.03 0.05 0.07 0.10 0.13 0.17杜拉鋁(Aluminium Duralumin)采用加以表面硬化及清潔處理的合金鋁箔，最高連續(xù)工作溫度200 oC，具有耐高溫、強度高等特點。鋁箔有黑、白兩種，黑色鋁箔更具有絕緣性能佳、傳熱快等優(yōu)點。其厚度有：0.03 0

11、.04 0.05 0.07 0.08 0.10 0.12NOMEX采用芳香族聚酰亞胺制成箔膜， 最高工作溫度300 oC，具有絕緣、質(zhì)輕、耐高溫、粘接力強等優(yōu)點。用它制成的揚聲器音色柔和圓潤、悅耳動聽。其厚度有：0.03 0.05 0.08 0.12TIL采用玻璃纖維為基材，上面加聚酰亞胺合成，最高連續(xù)工作溫度230 oC，其特點為耐高溫、材料強度高、剛性好、不易變形。KAPTON采用聚酰亞胺箔膜， 最高連續(xù)工作溫度220 oC，具有絕緣、質(zhì)輕、強度高、耐高溫、不易燃燒等特點。KAPTON有褐色、黑色兩種，黑色KAPTON還有散熱快、表面硬度高等優(yōu)點。4.2.2.2 導(dǎo)線材料常見的有LOCK線

12、、SV線、CCAW（銅包鋁線）、扁線等，其主要特性如下：LOCK線使用溫度在140 oC，為溶劑型，一般用于小型低功率揚聲器。SV線使用溫度在200 oC，為溶劑型，特點為固化后粘接性能很強，是音圈生產(chǎn)中最常用的線種之一。CCAW（銅包鋁線）比銅線質(zhì)輕、比鋁線導(dǎo)電率高且拉力強，其高頻時阻抗與銅線相仿，用它制成的揚聲器瞬態(tài)特性好、靈敏度高，是高靈敏度揚聲器中常采用的材料。扁線磁場利用率較圓線大（圓線磁場利用率為78%91%,扁線為96%），特點為換能效率高，適于制作大功率揚聲器，扁鋁線更常用于專業(yè)揚聲器（大功率、高靈敏度）。4.3 鼓紙(振動板)鼓紙?zhí)匦灾苯佑绊懼鴵P聲器各種電聲參數(shù)、音質(zhì)和使用壽

13、命。鼓紙的性能主要取決于使用材料、設(shè)計形狀、制造工藝等。鼓紙材料一般要求具有下述三種基本特性：1） 質(zhì)量要輕，即要求材料密度要小，這可以提高揚聲器的效率、同時改善瞬態(tài)特性。2） 強度要高，即要求材料氏模量E要大，這可以改進(jìn)揚聲器的效率、瞬態(tài)特性，拓寬高頻響應(yīng)。3） 阻尼適當(dāng)，即要求材料部損耗適中，這可以有效地抑制分割振動，藉以降低高頻共振的峰谷，使頻率響應(yīng)平坦、過渡特性良好，同時改善失真。錐盆常用的鼓紙材料有紙、聚丙烯（PP）、杜拉鋁、玻璃纖維、碳纖維等，球頂高音用振動板材料有絲、鋁、鈦、MYLAR、PEI等。鼓紙的形狀一般為錐形，球頂高音及中音則為半球形。因材料所用不同，其制造工藝也各有不同

14、。紙盆工藝比較特殊，需經(jīng)打漿、抄制、熱壓或烘干等各道工序，代表性的有緊壓、半松壓、非壓等三種類型。聚丙烯盆制作工藝有兩種：吸塑成型、注塑成型。MYLAR、PEI、絲膜等均為熱壓成型，絲膜還需預(yù)先上膠。無論使用何種材料，或多或少均需添加其他材料，作增強或提高部阻尼處理。材料特性總的說來很復(fù)雜，很難定量描述，一般只有通過反復(fù)試驗才能確認(rèn)其是否滿足使用要求。鼓紙與電聲特性直接相關(guān)的定量參數(shù)主要有重量、厚度、順性、氏模量等，重量、順性等決定了揚聲器的低頻特性，重量、厚度、錐頂角度、氏模量等則決定了高頻特性。對于錐型揚聲器，低頻共振頻率Fo和高頻上限頻率Fh可由下列公式確定：(2Fo)2 = 1/(Mm

15、s*Cms) (5)(2Fh)2 = (Mm1*Mm2)/(Mm1+Mm2)*Cmh (6)相關(guān)說明如下:Mms為揚聲器的等效振動質(zhì)量,且有Mms =Mm1+Mm2+2Mmr,其中Mm1為音圈質(zhì)量, Mm2為鼓紙等效質(zhì)量, Mmr為輻射質(zhì)量。Mmr =2.67*o* a3,其中o=1.21kg/m3為空氣密度, a為揚聲器等效半徑。Cms為揚聲器的等效順性，且有Cms =(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2), Cm1為鼓紙順性、Cm2為彈波順性。此順性即是我們所稱的變位，只是單位需換算為國際單位制：m/N, 而變位可以用變位儀直接測量，或通過測量鼓紙、彈波的共振頻率來換算。若鼓紙的共振頻率為

16、F1、測試附加質(zhì)量為M1，彈波的共振頻率為F2、測試附加質(zhì)量為M2，則有（2F1）2 = 1/(M1+Mm2+2Mmr)*Cm1（2F2）2 = 1/(M2*Cm2)Fo = SQR(M1+Mm2+2Mmr)*F12+M2*F22/(Mm1+Mm2+2Mmr) (7)可見，揚聲器的低頻共振頻率由鼓紙的質(zhì)量、順性（頻率），和彈波的順性（頻率）、音圈的質(zhì)量等確定。公式（6）中，Cmh為鼓紙根部（錐頂部）的等效順性，且有Cmh = sin/(*E*t*cos2) (8)其中，E為鼓紙材料的氏模量，t為鼓紙根部厚度，為鼓紙的半頂角。可見，揚聲器的高頻上限頻率由鼓紙的質(zhì)量、音圈的質(zhì)量，鼓紙根部厚度、半頂

17、角及氏模量等確定。4.4 彈波(定位支片)彈波主要作用有二：一是固定音圈的中心位置，使音圈保持在磁間隙中間，避免音圈與磁路碰觸；二是控制揚聲器的低頻共振頻率，限制音圈的最大位移，避免音圈跳出磁路，同時對振動系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)淖枘?，改善低頻響應(yīng)及品質(zhì)因數(shù)。一般要求彈波應(yīng)該具有很大的徑向剛性和很大的軸向順性，以保證良好的機械強度和較低的共振頻率及較小的失真。彈波常用材料有棉布、篩絹、人造絲、NOMEX纖維布等，一般都是浸漬酚醛樹脂酒精溶液后熱壓成形。常用的形狀為波紋形。布的編織方式、經(jīng)緯密度、紗支粗細(xì)、浸膠濃度、成形熱壓溫度及時間等，均對彈波的強度、順性、抗疲勞性能有很大的影響；另外，彈波的尺寸、形狀

18、、波紋數(shù)等對其性能也有影響。彈波主要的參數(shù)就是其順性Cm2（或頻率F2），由公式（7）可知其對揚聲器的共振頻率影響較大，同時此值又是可以測量驗證的，從而可以控制。彈波順性的經(jīng)驗公式如下：Cm2 = (A*n*L3)/(E*b*h) (9)其中，A為修正系數(shù)（其值視波紋形狀而異），n為波紋數(shù)，L為波紋深度，b為折環(huán)所形成的圓周長度，h為材料厚度，E為氏模量。由公式（9）可知，波紋數(shù)越多、波紋越深、材料越薄，則彈波的順性越大。而氏模量既與材料本身的材質(zhì)（纖維及其編織方式、經(jīng)緯密度、紗支粗細(xì)）有關(guān)，又與上膠濃度有關(guān)，因為酚醛樹脂是熱固性材料，加熱后變性變硬，由此而改變了材料的強度、硬度。因受支架、音圈等材料尺寸的限制，彈波的尺寸選擇余地較小，最終其形狀及參數(shù)必須結(jié)合材料工藝等試驗的結(jié)果,根據(jù)揚聲器整體性能設(shè)計要求而確定。5. 揚聲器主要參數(shù)綜合設(shè)計和分析揚聲器性能是電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等物理參數(shù)共同作用的結(jié)果，由鼓紙、彈波、音圈、磁路等關(guān)鍵零部件的性能共同確定，其中一些參數(shù)相互制約相互影響，因而必須綜合考慮和設(shè)計。揚聲器常用機電參數(shù)以及計算公式、測量方法簡述如下：5.1直流電阻Re由音圈決定，可直接用直流電橋測量。5.2共振頻率Fo由揚聲器的等效振動質(zhì)量Mms和等效順性Cms決定，見公式(5)， Fo可直