音箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)

2/13音箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)作者廣州白云技師學(xué)院李柏雄

其實(shí)音箱的設(shè)計(jì)并不難，難的是如何才能具有這方面的知識(shí)。這本設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)希望能給各位玩家一個(gè)交代，當(dāng)然并不是說(shuō)任何人都可成為內(nèi)中高手。請(qǐng)相信，一般來(lái)說(shuō)你的第三對(duì)自制音箱才能稱(chēng)得上是你的成功作。

1.基本設(shè)計(jì)

這里要談的主要是箱體的設(shè)計(jì)。箱體及倒相管的最佳值可根據(jù)下述TS參數(shù)來(lái)計(jì)算。

Fs：?jiǎn)卧闹C振頻率

Qts：?jiǎn)卧C振頻率下的Q值

Vas：?jiǎn)卧牡葍r(jià)換算容積

關(guān)于Q值

Q值的含義如下：

Qms機(jī)械系的順性=wM/Rms

Qes電氣系的順性=wM/real(A^2/Zes)=wM/(A^2*Res/|Zes|^2)->wM/(A^2/Res)

Qts（Qms+Qes）=1/(1/Qms+1/Qes)=wM/(Rms+A^2/Res)

M:振動(dòng)系質(zhì)量

w:諧振角頻率

Res:音圈的直流阻抗。從單元側(cè)來(lái)看的放大器與分頻器的阻抗也加算在內(nèi)

Rms:振動(dòng)系的機(jī)械阻抗

A:阻尼系數(shù)。以1安培電流流過(guò)音圈時(shí)，振動(dòng)系上被施加有多少牛頓的力來(lái)表示

從上述來(lái)看，Q值似乎可以被看成為諧振系的實(shí)成分(R)與虛成分(wM或1/wC)的比。

虛成分越大，則諧振系所保持的動(dòng)能就越大；實(shí)成分越大，則消耗的動(dòng)能就越大，故Qts越低，諧振就越早被衰減。因此，所謂易于驅(qū)動(dòng)的喇叭指的就是Qts低的喇叭。

關(guān)于Qts的特征3/13：Qts將隨著Qms與Qes的任一方變小而變小。就是說(shuō)，只要電氣或機(jī)械的任一方的制動(dòng)性好即可。

關(guān)于Qms：Rms越大，即摩擦越大，Qms就越小，制動(dòng)性能越好。不過(guò)，Rms要是太大，諧振將被抑制，低音則出不來(lái)。因此，對(duì)于低音喇叭來(lái)說(shuō)，為了有好的低頻重放能力，Rms都設(shè)計(jì)得很小。相反地，對(duì)于高音單元來(lái)說(shuō)，制動(dòng)優(yōu)先，Rms都很大。高音單元封裝液磁為的就是這個(gè)。

關(guān)于Qes：Res變小或A變大，Qes即會(huì)變小。即

１）．將A做大。為此可加強(qiáng)磁鋼磁性，增加音圈的匝數(shù)。

２）．將Res做小。使用電傳導(dǎo)性能優(yōu)異的線材繞制音圈。使用輸出阻抗低的放大器。使用粗的連接線材。不使用分頻器。或使用串接陷波濾波器。

總結(jié)

從Q值來(lái)看一個(gè)好的喇叭單元應(yīng)該是：

磁鋼強(qiáng)大。直流阻抗相對(duì)的低。有適當(dāng)?shù)腞ms。振動(dòng)膜輕。諧振頻率低。

然而，全部滿足上述要求是不可能的，若全部滿足了的話，將變成一個(gè)具有高頻段被極端加強(qiáng)了的f特的喇叭。我們只能要求一個(gè)兼顧平衡的最佳值。將來(lái)，可用數(shù)碼濾波器對(duì)f特與相位進(jìn)行補(bǔ)償，那是另一回事了。

設(shè)計(jì)中要注意的是Qts值，此數(shù)值因阻尼系數(shù)而變化。阻尼系數(shù)低，則Qts升高，低域的諧振頻率附近將呈上升的F特（頻率特性）。阻尼系數(shù)亦會(huì)因分頻器（若是低音喇叭，則起因于電感的內(nèi)阻及串接電阻Rs）而下降，因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到這些。換句話說(shuō)，即先決定分頻器和喇叭單元后再進(jìn)行箱體的設(shè)計(jì)。

在分頻點(diǎn)以2000Hz以上居多的2waysystem中，Qts的上升不過(guò)為10％，500Hz以下的3way系統(tǒng)中箱體的設(shè)計(jì)將大為不同。至于箱體的尺寸，取不易產(chǎn)生駐波的比率即可。邊長(zhǎng)的比率以3：4：5最為著名。若內(nèi)尺寸為30ｘ40ｘ50ｃｍ的話將可得到60升容積的箱體。15ｘ20ｘ25的話將達(dá)到75升。當(dāng)然計(jì)算容積時(shí)要去除內(nèi)部加強(qiáng)筋和倒相管，以及喇叭單元所占據(jù)的體積。

將障板（安裝喇叭單元的平面）進(jìn)行某種傾斜以減少障板中央面積的做法經(jīng)常被采用，但在定量上該如何做，還沒(méi)有一個(gè)固定的說(shuō)法。我做過(guò)的箱體中傾斜的就較多。實(shí)際上四方體是會(huì)產(chǎn)生駐波的，為此要使用吸音材3/13料。但可以不必在意工作在100Hz以下的低音單元所帶來(lái)的駐波影響。想想看為何？若聲波速度為340ｍ/s，那么100Hz的λ/2（1/2波長(zhǎng)）是多少？

2.ClosedBox：封閉箱推薦新手們先制作密封型的系統(tǒng)。因?yàn)槠渌?lèi)型的箱體制作起來(lái)相對(duì)困難，并且由于是自行設(shè)計(jì)制作，若沒(méi)有進(jìn)行阻抗測(cè)定的話使用起來(lái)心情肯定不怎么樣。后期調(diào)校是必要的。倒相箱如此，號(hào)筒箱更不用說(shuō)了。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)自由度廣，認(rèn)真制作的話一般都將OK。不用測(cè)定儀。計(jì)算簡(jiǎn)單。制作容易。相位特性?xún)?yōu)秀。箱體小。

缺點(diǎn)：

低音量感不如其它類(lèi)型的音箱。在箱體設(shè)計(jì)上，將箱體容積視為參數(shù)，系統(tǒng)的Q值將隨之而變化。當(dāng)達(dá)到1/√2時(shí)，F(xiàn)-3dB（頻率特性-3ｄB時(shí)的頻率）最低。封閉箱的場(chǎng)合僅此而已。

3.PortedBox：倒相箱倒相型的設(shè)計(jì)順序?yàn)椋?/p>

1）挑選與放大器相匹配的喇叭單元。

2）設(shè)計(jì)分頻器。

3）設(shè)計(jì)箱體。

與放大器相匹配的這種說(shuō)法，僅針對(duì)內(nèi)阻在10歐以下的膽機(jī)玩家。內(nèi)阻有100歐以上的晶體管放大器（FET,雙極型）的場(chǎng)合，分頻器的影響占支配地位，可以跳過(guò)1）來(lái)設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)上要注意的是，不要取比計(jì)算所求得的最佳容積大的箱體，因?yàn)橄辔惶匦詫?huì)劣化。

常見(jiàn)的倒相管雖然以圓管為多，但只要橫截面積相同，什么形狀都可。只是，過(guò)于扁平的截面形狀將使實(shí)效截面積減少?？紤]到駐波問(wèn)題，倒相管位置不要過(guò)于靠近箱體邊緣即可。由于低音沒(méi)有什么指向性可言，故有很多箱體將倒相管設(shè)在背面。

5/13剛才提過(guò)，倒相箱的場(chǎng)合必須測(cè)定其阻抗特性以便對(duì)管長(zhǎng)進(jìn)行微調(diào)整。看看市售的音箱基本上都是倒相型的，就可知道倒相型的完成度還是相當(dāng)高的。在封閉箱上要實(shí)現(xiàn)32Hz的低音是難的一件事，這就是近來(lái)的單元幾乎都以倒相箱為前提設(shè)計(jì)的原因。

關(guān)于喇叭單元的阻抗、機(jī)械系的阻抗Zms見(jiàn)下式

F==Zms*V(1)

F:施加于振動(dòng)系的力

V:振動(dòng)系的速度

阻尼系數(shù)A以1安培電流流過(guò)音圈時(shí)，振動(dòng)系上施加有多少牛頓的力來(lái)表示，如下式

F==A*I(2)

F:施加于振動(dòng)系的力、I:電流

一般情況下，由于F=B*L*I

B:磁束密度

L:磁導(dǎo)體長(zhǎng)度（音圈在其中運(yùn)動(dòng)的磁腔長(zhǎng)度）

故A==B*L另外，由于振動(dòng)系發(fā)振導(dǎo)致音圈產(chǎn)生的逆向電壓=V*B*L=AV

給喇叭施加電壓E時(shí)，就有下式

E=Zes*I+A*V(3)

將(1)(2)代入(3)，則

E=(Zes+A^2/Zms)*I，故喇叭的阻抗Z為Z=Zes+A^2/Zms

即，Zms的值為Zms=Rms+j(wMms-1/wCms)

Zms:機(jī)械系阻抗

Rms:等價(jià)機(jī)械阻抗（包括放射阻抗）

Mms:振動(dòng)系質(zhì)量（包括附加質(zhì)量）

Cms:等價(jià)順性

Zes的值為

Zes=Res+jwLes

Zes:電氣系的阻抗

Res:音圈直流阻抗

Les:音圈的感抗

理解了上述內(nèi)容后再看看阻抗曲線，應(yīng)該會(huì)明白許多了吧。

阻抗的最低值用Res來(lái)表示。

高頻段的阻抗上升是由Les引起。

諧振頻率點(diǎn)的波峰形狀表示的是機(jī)械阻抗的波形。

諧振頻率點(diǎn)的波峰幅度大小與A^2成比例。

基于上述，機(jī)械驅(qū)動(dòng)性好的單元，諧振頻率處的波峰流暢且寬闊。

電氣驅(qū)動(dòng)性好的單元的Qes小，故A^2/Res大。即諧振頻率的波峰大，Res小。

讓我把話題回到倒相箱上。要制作倒相箱,在單元取向上當(dāng)然是挑選適合倒相箱的，但其Qts若大于1/√3（約0.57）的話，F(xiàn)特就變得不平坦了。另外，Qts太大的話倒相管的諧振頻率與箱體的諧振頻率在頻帶上將離得很開(kāi)，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不是一件好事。在計(jì)算上Qts大的話F-3dB將下降，有人喜歡那樣做，不過(guò)在定論之前有必要進(jìn)行不斷的重復(fù)試聽(tīng)，對(duì)聽(tīng)感上的特征的把握還是必需的。

5/134．分頻器下面列舉了6dB/oct或12dB/oct的2Way系統(tǒng)設(shè)計(jì)上所必須要用到的公式。10/13衰減器的衰減量ndB，講述出聲壓下降nDb的回路。

+R1++

|

|

R2

Speaker

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|

-++

R1=Res*{1-10^(-n/20)}

R2=Res*10^(-n/20)/{1-10^(-n/20)}

Res:喇叭的直流阻抗

串接陷波濾波器

從放大器側(cè)看去，對(duì)喇叭單元阻抗曲線中諧振頻率處的波峰進(jìn)行切除的回路。一般用于Qms大的高音喇叭的6dB/oct衰減的場(chǎng)合。

+++

|

|

L

|

|

|

C

Speaker

|

|

R

|

|

|

-++

L=Qes*Res/w0

C=1/(Qes*Res*w0)

R=Res+Qes*Res/Qms

Res:喇叭的直流阻抗

Qes:電氣系的Q

Qms:機(jī)械系的Q

w0=2*PI*fs

fs:諧振頻率

PI:3.141592

一些廠家的高音單元參數(shù)中經(jīng)常沒(méi)有提供Q值，可通過(guò)以下來(lái)求得。

L=Mms*Res^2/A^2

C=A^2/(w0^2*Mms*Res^2)

R=Res+Res^2/(Z0-Res)

Z0:諧振頻率處的阻抗

Mms:振動(dòng)系質(zhì)量

A:阻尼系數(shù)

低音喇叭的阻抗補(bǔ)償

從放大器側(cè)來(lái)看，消除喇叭單元阻抗曲線中由Les導(dǎo)致的上升的回路。

+++

|

|

C

|

|

Speaker

R

|

|

|

-++

R=Res

C=Les/Res^2

Res:喇叭單元的直流阻抗

Les:喇叭單元的感抗

6dB分頻線路

+C1+

|

Tweeter

|

-+

+L1+

|

Woofer

|

-+

Rt==高音單元的直流阻抗

Rw==低音單元的直流阻抗

f==分頻點(diǎn)頻率

w==2*PI*f

Butterworth方式

C1=1/(Rt*w)

L1=Rw/w

12dB分頻線路

+C1++

|

|

L1

Tweeter

|

|

-++

+L2++

|

|

C2

Woofer

|

|

-++

Rt==高音單元的直流阻抗

Rw==低音單元的直流阻抗

f==分頻點(diǎn)頻率

w==2*PI*f

Linkwitz-Riley方式

C1=1/{2*(Rt*w)}

L1=2*Rt/w

C2=1/{2*(Rw*w)}

L2=2*Rw/w

Bessel方式

C1=1/{root3*(Rt*w)}

L1=root3*Rt/w

C2=1/{root3*(Rw*w)}

L2=root3*Rw/w

Butterworth方式

C1=1/{root2*(Rt*w)}

L1=root2*Rt/w

C2=1/{root2*(Rw*w)}

L2=root2*Rw/w

Chebychev方式

C1=1/(Rt*w)

L1=Rt/w

C2=1/(Rw*w)

L2=Rw/w為何要使用吸音材？其一是吸收駐波，其二是衰減Q值。

若存在駐波的話，特定的頻率將會(huì)被強(qiáng)調(diào)，這是很不希望出現(xiàn)的。應(yīng)該結(jié)合箱體的尺寸比例來(lái)進(jìn)行吸音處理。箱體的6個(gè)面中，相面對(duì)2個(gè)面中取其1面共計(jì)3個(gè)面的吸音，在箱體正當(dāng)中的吊裝吸音，或在單元后方的粘貼等等，有各種的吸音處理方法。對(duì)Q值的衰減是在低域的頻響不平坦，諧振頻率附近有被強(qiáng)調(diào)的情況下才采用的。F特即使平坦了，也有的玩家會(huì)說(shuō)這樣的聲音不一定好聽(tīng)。在倒相箱上，由于衰減了Q值后其相位特性亦將產(chǎn)生變化，故吸音處理以?xún)H僅能夠抑制駐波的程度為妥。

吸