電聲技術(shù)基礎(chǔ)理論學(xué)課件

1、SpeakerSpeaker DivisionSANYO Electronic (Shekou) Limited聲音的三要素聲音的概念空氣中的物體產(chǎn)生振動(dòng)擾動(dòng)了四周的空氣，使得空氣受到壓縮或者變得稀疏。于是空氣壓力產(chǎn)生高低變化（也即空氣密度高的區(qū)域和密度低的區(qū)域）。 空氣的這種稀疏和致密向四周擴(kuò)散傳播，使得人的耳朵里的空氣壓力發(fā)生變化，耳膜發(fā)生振動(dòng)，便聽(tīng)到聲音。聲音的三要素聲音的大小 (Fig.1-a)由聲波振動(dòng)的大?。ㄕ穹Q 定。振幅越大，聲音越大。聲音的高低 (Fig. 1-b)由振動(dòng)次數(shù)（頻率）決定。音色 (Fig.1-c)由波形的不同而產(chǎn)生。Level聲音大高音（頻率）tttFig.

2、 1abc聲波 1 球面波呈球狀的聲源，在其半徑方向以相同的速度產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，其四周產(chǎn)生的波，就稱為球面波。這個(gè)聲音隨著遠(yuǎn)離聲源而減弱，其減弱程度與離開(kāi)聲源的距離的平方成反比例。(Fig2)Fig. 2聲源近似于平面波Fig. 3平面波管2平面波 將無(wú)限長(zhǎng)的管狀物的一端限制為活塞狀，振動(dòng)時(shí)，管內(nèi)產(chǎn)生的平行波就是平面波，在自由的空間里要產(chǎn)生平面波，就需要無(wú)限大的平面；從聲源點(diǎn)發(fā)出的球面波，在距離聲源足夠遠(yuǎn)的地方，也可以把波陣面看作是平面波。(Fig3)聲波 23駐波在存在著反射面的空間，當(dāng)聲源輻射出一定頻率的連續(xù)聲波時(shí)，在聲源和反射面之間就存在一個(gè)聲場(chǎng)。這時(shí)，入射（發(fā)射）聲和反射聲會(huì)互相干涉而出現(xiàn)

3、強(qiáng)聲區(qū)域和弱聲區(qū)域。這種強(qiáng)聲和弱聲點(diǎn)在一定的部位出現(xiàn)時(shí)，這種聲場(chǎng)便稱為產(chǎn)生駐波的聲場(chǎng)。在實(shí)際的試聽(tīng)室中，必須避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。Fig. 4速度變化管壓力變化駐波 0 0聲音的強(qiáng)度和大小1聲音的強(qiáng)度（聲音的物理量）表示聲波在前進(jìn)方向的垂直面上，單位面積單位時(shí)間所通過(guò)的聲能。Wo：聲強(qiáng)(W/cm2) ： 空氣密度(g/cm2)c： 大氣中的音速(cm/s）P： 音壓有效值(dyne/cm2)v： 空氣分子速度有效值(cm/s)由于難以通過(guò)直接測(cè)定(W/cm2)來(lái)反映實(shí)際的聲音強(qiáng)度，故一般是通過(guò)測(cè)定音壓，并用如下公式來(lái)表示聲音強(qiáng)度的水平。：在p(bar)的音壓強(qiáng)度的Level(dB)po ：0.0

4、002(bar)標(biāo)準(zhǔn)Level：音壓0.0002(bar)=音壓水平0 (dB)2聲音的大小（聲音的響度）耳朵所聽(tīng)到的聲音大小的水平，用Phone來(lái)表示。耳朵聽(tīng)到的與1kHz的（d）的聲音大小相等時(shí)，就為（Phone)。Wo = = v2c p2c =20Log10 ( dB )ppo( P = = I2R ) V2R 人耳的特性 1可聽(tīng)界限聽(tīng)力良好的人勉強(qiáng)可聽(tīng)到的聲音，其頻率為1KHz、音壓為0.0002bar、聲能為10-16W/cm2。如表所示，聽(tīng)力比最下面曲線好的人不到總?cè)藬?shù)的1%；另外，如50%的曲線所示，有一半人的聽(tīng)力比此曲線好。超過(guò)120dB(200bar），人耳就會(huì)有刺痛感。可

5、聽(tīng)界限（音強(qiáng)和頻率的關(guān)系）音壓水平聲音能 量音 壓頻 率(Hz）FeelingFig. 62耳朵等（強(qiáng)）信號(hào)人耳的特性雖然各不相同，但大體上具有如圖所示的特性。也就是說(shuō)，1kHz的聲音在100dB的SPL下可以聽(tīng)到聲音，如果20Hz的聲音達(dá)不到127dB，那么就感覺(jué)不到與1kHz的100dB同樣大小的聲音。人耳的特性 純音聲音大小的等強(qiáng)信號(hào)曲線音壓水平dB頻 率(Hz）Fig. 7最小可聽(tīng)限度一般電動(dòng)型揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)圖（內(nèi)磁型）Fig. 9GasketDiaphragm(Edge)Diaphragm(Body)FrameTerminalDamperDust CapFlexible WirePole

6、 PieceYokeMagnetVoice CoilSpacer一般電動(dòng)型微型揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)圖Fig. 10DiaphragmFrameTerminalPole PieceYokeMagnetVoice Coil電動(dòng)型的特征Fig. 11外 磁 型內(nèi) 磁 型價(jià)格 磁鋼貴重量外部漏磁形 狀小型化耐輸入電動(dòng)型揚(yáng)聲器的工作原理往Voice Coil通入電流，根據(jù)Fleming的左手定則，在磁場(chǎng)和電流的作用下，Coil接受到一個(gè)力。這個(gè)力F的大小用F = B I(Newton)來(lái)表示。 B : Gap磁通密度 (weber/m2) : Voice Coil線的長(zhǎng)度 (m) I : 電流值 (A)Voice

7、Coil沒(méi)有通上電流時(shí)的狀態(tài)磁路的方向由N SVoice CoilFig. 14Fig. 13運(yùn)動(dòng)（力）磁場(chǎng)電流Fleming的左手定則電動(dòng)型揚(yáng)聲器的工作原理往Voice Coil通入電流，根據(jù)Fleming的左手定則，在磁場(chǎng)和電流的作用下，Coil接受到一個(gè)力這個(gè)力F的大小用F = B I(Newton)來(lái)表示。 B : Gap磁通密度 (weber/m2) : Voice Coil線的長(zhǎng)度 (m) I : 電流值 (A)Diaphragm的工作方向：由外往里 ：由里往外 電流的方向Fig. 15Fig. 13運(yùn)動(dòng)（力）磁場(chǎng)電流Fleming的左手定則在Piston 的工作范圍內(nèi)的變換效率，

8、大致表示為如下公式。 ：大氣密度 a ： 振動(dòng)部等價(jià)半徑 R ： Voice Coil 的D.C.R M ：振動(dòng)系等價(jià)質(zhì)量 c ： 大氣中的音速 B ： Gap磁通密度 ：Voice Coil線的長(zhǎng)度另外，如果已經(jīng)知道了輸出的音壓Level，則可通過(guò)下面公式進(jìn)行換算。 r ： 輸出的音壓Level的測(cè)定距離(m) (S.P.L.) r ： 距離r (m)位置上的輸出的音壓水平/w(例）測(cè)定距離的輸出音壓Level /w的Speaker的變換功率為揚(yáng)聲器的變換效率=x10 7 ( % )2Ca4 (B) 2RMo 2=2r2 x 10 x100 ( % )(S.P.L.)r - 12010=2x

9、12 x 10 x100 ( % )- 12010 1.99 ( % )我們就可以知道，SPEAKER與其它的機(jī)器相比，其變換效率非常低。100200 2a1 2a2如果2種Speaker的等價(jià)半徑以a1、a2，各自的振幅以1、2來(lái)表示，那么聲音的輸出為根據(jù)上面公式(例）如果20cm Speaker的振幅為3mm， 那么10cm Speaker要達(dá)到相同的 聲音的輸出，需要多少mm的振幅？ （注意）實(shí)際上20cmSpeaker、10cmSpeaker的等價(jià)半徑并非為200mm/2、100mm/2，我們?cè)谶M(jìn)行說(shuō)明時(shí)，就用公稱口徑來(lái)表示。為得到同一輸出的口徑/振幅的關(guān)系Ws = Ka1412 =

10、Ka24 22 2 = 110 = 3 =12 (mm)Fig. 1720cm3mm10cm？mm輸出同一聲音的振幅大小條件無(wú)限大的隔音板、軸上1m的點(diǎn)的音壓水平(%)868890929496981000.20.40.60.81246變換效率輸出的音壓水平 (dB)揚(yáng)聲器的變換效率和輸出的音壓水平的關(guān)系Fig. 18揚(yáng)聲器的音壓0.61246揚(yáng)聲器的功率揚(yáng)聲器的輸入（）(%)810204060801000.612461091909392949695989799100101102909294969810010210410610811011211411611888(dB)揚(yáng)聲器的輸入和功率的關(guān)系條

11、件無(wú)限大的隔音板、軸上1m的點(diǎn)的音壓水平Fig. 19Cone的形狀Fig. 20一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)膜如所稱呼的Cone一樣，呈圓錐性的最多。其形狀大致可分為下圖幾種，它們典型的區(qū)別在于音壓頻率特性的高音域。高音域共振頻率 f h 如 下式所示。Sh fh =121mc1mv1fh： 高音域共振頻率mc ： 振膜的質(zhì)量mv ： Vioce Coil質(zhì)量E ： 振膜的楊氏系數(shù)tc ： 振膜頸部厚度 ： 半頂角Sh ： 振膜頸部的粘性系數(shù)cos2 sin Sh = E tc但是(dB)頻率(Hz)A Curved ConeB Straight ConeC Parabolic ConeCone截面形狀與

12、特性的關(guān)系A(chǔ)BC頻響B(tài)affle Board的必要性Fig. 21前面的聲波后面的聲波無(wú)限大的Baffle Board前面的聲波后面的聲波沒(méi)有Baffle Board干擾（互相抵消）前面的聲波后面的聲波有限的Baffle Board干擾（互相抵消）在音響上，無(wú)限大的隔音板反射效果良好，揚(yáng)聲器在振動(dòng)時(shí)，因?yàn)檎衲で懊婧秃螅ū常┟娴穆曇粝辔幌喾?，所以，為了避免后面的空氣振?dòng)（音）影響到前面，也即，為了防止前面和后面的疏密波互相干擾而出現(xiàn)特性衰減，故使用隔音板，以隔開(kāi)前后。然而，實(shí)際不可能有無(wú)限大的隔音板，故而使用有限的隔音板和隔音板的改型品音箱（Cabinet）。Impedance和0、Q0、M0F

13、ig. 241阻抗和最低共振頻率揚(yáng)聲器阻抗具有頻率特性。在由振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量和振動(dòng)系統(tǒng)支撐部的彈性決定的共振頻率（稱之為最低共振頻率f0 ）點(diǎn)出現(xiàn)峰值。而在f0以上出現(xiàn)最小值這樣的頻率點(diǎn)的阻抗，稱之為標(biāo)稱阻抗Z0 。另外，一到高頻段，該阻抗將隨著音圈阻抗而按比例升高。頻率Impedancef0fzZ0F0 = 2M0CE頻率特性 1是表示對(duì)于電信號(hào)輸入功率的音響輸出功率跟隨頻率如何變化的關(guān)系，對(duì)，Hz頻率范圍內(nèi)的音壓水平進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)使用恒電壓輸入。80(dB)(Hz)7060901001001001,00010,00080(dB)(Hz)7060901001001001,00010,0002

14、nd Harmonic Dist.3rd Harmonic Dist.1音壓頻率特性即使給揚(yáng)聲器輸入正弦波，往往是出現(xiàn)該基本波以上的頻率成分，一般而言，低頻波少，而高頻波占大多數(shù)。2高頻失真頻率特性頻率特性 3(a)低音域界限頻率：是指由揚(yáng)聲器的特性與性能所決定的低音域再生的界限頻率。未特別指明時(shí)，是指最低共振頻率。(b)高音域的界限頻率：是指由揚(yáng)聲器的特性與性能所決定的高音域再生的界限頻率。未特別指明時(shí)，是指比S.P.L.低d的頻率。5頻帶寬度80(dB)(Hz)7060901001101001,00010,0001/8 oct.以內(nèi)10 dBS.P.L.低音域界限頻率高音域界限頻率失真揚(yáng)聲

15、器的音響輸出波形中與輸入頻率波形不同的其它成分和總音響輸出的比值，以百分比表示，稱為總諧波失真率。與輸入頻率相同的頻率成分稱為基本波，比基本波低倍、倍等的頻率成分稱為低諧波，而比它高倍、倍等的高成分，稱為高諧波（第高諧波、第高諧波）。1失真D： 失真率P0 ： 輸出音壓的有效值P2,P3 ： 輸出音壓的各高頻成分的有效值d =P0X100(%)(a)交擾諧波失真加上2種以上的頻率輸入時(shí)產(chǎn)生的變調(diào)失真。(b)非直線性失真大振幅時(shí)容易產(chǎn)生的機(jī)械的非直線性振幅失真。(C ) 過(guò)渡失真輸入信號(hào)接入和斷開(kāi)時(shí)，輸出出現(xiàn)的非跟隨性的失真。2失真的種類Cabinet的Type 1Fig. 25Type特征其它

16、Type特征其它有限Baffle Type密閉型背面解放型Bass-Refrex型把實(shí)際上不可能的無(wú)限大隔 音板縮小到實(shí)用上的大小面 作成的隔音板。通常，不僅在性能上有問(wèn) 題，而且在裝配上、設(shè)計(jì)上 等都是不大使用的。避免揚(yáng)聲器背面的聲音跑出 箱外的結(jié)構(gòu)。箱內(nèi)容積小時(shí)，揚(yáng)聲器振膜 不容易振動(dòng)，難以得到低音。多采用在內(nèi)部充填吸音材料 的小型箱。為縮小隔音板的平面尺寸 （面積），把有限隔音板折 曲，作成箱狀。揚(yáng)聲器的振膜不受背壓的作 用，有失真小的傾向，但由 于箱體尺寸所限，產(chǎn)生有限 隔音板相同的低音區(qū)，因此 不太受青睞。在密閉型箱體內(nèi)裝設(shè)低音共 振導(dǎo)管，以改善低音域的音 壓頻響。低音域的失真少。C

17、abinet的Type 2Fig. 26Passive RadiatorType不定向性 TypeBack Lord TypeType特征其它Type特征 其它 是低頻反射型的變種，它 設(shè)有與低音單品的振動(dòng)系 相同質(zhì)量的振動(dòng)系（可調(diào) 錐形體）以代替諧振槽， 起到低頻反射的作用。根據(jù)方式，有108不定向性和360不定向性等。用以彌板方式使聲波產(chǎn)生反 射的，有可改變揚(yáng)聲器組裝 方向的等等。通過(guò)號(hào)角結(jié)構(gòu)將揚(yáng)聲器背后 的聲音傳送到前面，來(lái)提高 效率。F特性和聲音的傾向只憑音壓頻率特性是無(wú)法表明其視聽(tīng)感的。一般來(lái)考慮，要表示出如下圖各個(gè)特性時(shí)的視聽(tīng)感，以下的表示是以為標(biāo)準(zhǔn)的，但不一定就是好的。周波數(shù)音壓

18、標(biāo)準(zhǔn)低高音下降頻帶窄，聲音 有生硬的傾向Hi-Fi感差低高音抬起傾向于沉、尖的聲音明亮度差低音抬起出現(xiàn)過(guò)分的轟鳴 聲聲音不均衡（偏低音）高音下降聲音偏軟聲音不平衡（偏低音）高音抬起聲音沙沙作響聲音不平衡（偏高音）低音下降聲音傾向生硬聲音不平衡（偏高音）低中高音抬起聲音沙沙作響聲音明亮轟鳴聲過(guò)度適合于汽車?yán)纫糍|(zhì)的表現(xiàn)方法這里并不是說(shuō)左邊的聲音就是好的，右邊的聲音就是不好的。大聲聲音響亮有余音的聲音有低音擴(kuò)展音有高音擴(kuò)展音音色豐富緊湊的聲音深沉的聲音明快的聲音柔和的聲音高低抑揚(yáng)的聲音層次分明的聲音吐音清脆純凈的聲音流暢的聲音明快的聲音自然的聲音潤(rùn)澤的聲音-小聲聲音不響亮余音不足的聲音低音不足的聲

19、音高音不足的聲音音色貧乏松散的聲音尖銳的聲音暗淡的聲音堅(jiān)硬的聲音模糊的聲音層次不明的聲音吐音不清脆渾濁的聲音偏粗的聲音不明快的聲音不自然的聲音干硬的聲音Automotive Speakers (After Market)SB-E2537WB for FUJITSU TENXS-AW5X for SONY MODEL No. SB-2537WB XS-AW5X DRIVER UNIT SIZE (mm) 250 WOOFER 200 WOOFER MAXIMUM OUTPUT POWER 100 W 140 W FREQUENCY RESPONSE 40 150 Hz 20 150 Hz SIZ

20、E 443(W)X322(H)X348(D) 350(W)X240(H)X67(D) WEIGHT 9 kg 4 kgPowered Subwoofer (After Market)Mountingfor SUZUKI motor MODEL No. FSP-88R 200SUPER WOOFER X 1 80 WOOFER X 2 50 TWEETER X 2 IMPEDANCE 4 RATED POWER 30 W X 2 MAXIMUM POWER 100 W X 2 FREQUENCY RESPONSE 60 20,000 Hz SOUND PRESSURE LEVEL 89 (dB/Wm) SIZE (mm) 800(W)X136.5(H)X307(D) WEIGHT 5.5 kg DRIVER UNIT SIZE (mm)Rear Upper SpeakerSPEAKER No. SIZE6-1/2”5” x 7” & 6” x 8”INPUT POWER NOM. / MAX.15 W / 30 WNd-Fe-BIMPEDANCE4 4 SOUND PRESSURE LEVEL90 dB/W/mMAGNET MATERIAL274 g