音響技術(shù)第7章?lián)P聲器系統(tǒng)課件

第7章?lián)P聲器系統(tǒng)7.1揚(yáng)聲器類型及其主要性能指標(biāo)7.2電動(dòng)式揚(yáng)聲器的工作原理7.3電動(dòng)式揚(yáng)聲器的振動(dòng)系統(tǒng)與磁路系統(tǒng)7.4揚(yáng)聲器系統(tǒng)7.5音箱的設(shè)計(jì)7.6功率分頻器的設(shè)計(jì)思考題與習(xí)題7.1揚(yáng)聲器類型及其主要性能指標(biāo)7.1.1揚(yáng)聲器類型揚(yáng)聲器是一種電聲換能器,它通過某種物理效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成聲能。按照電聲換能的方式不同,可以把揚(yáng)聲器分成若干類型。7.1.2揚(yáng)聲器的主要性能雖然揚(yáng)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(yīng)特性當(dāng)給揚(yáng)聲器饋以恒定的電壓時(shí),揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲壓隨頻率變化的關(guān)系,稱為揚(yáng)聲器的聲壓-頻率響應(yīng)特性。這種特性可用曲線來表示,如圖7-1所示。2.有效頻率范圍受到揚(yáng)聲器換能機(jī)理及揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)限制,揚(yáng)聲器的聲壓-頻率特性的平坦部分并不能覆蓋整個(gè)音頻范圍,低音揚(yáng)聲器只在低音部分具有平坦的聲壓-頻率響應(yīng)曲線,同理,中音和高音揚(yáng)聲器也是如此。3.阻抗特性揚(yáng)聲器的阻抗特性反映了揚(yáng)聲器振動(dòng)線圈阻抗隨頻率變化的特性,揚(yáng)聲器的阻抗特性可用阻抗曲線表示。一般電動(dòng)式揚(yáng)聲器的阻抗特性曲線如圖7-2所示。圖7-2揚(yáng)聲器的阻抗曲線(1)特性靈敏度PA:給揚(yáng)聲器饋以相當(dāng)于在額定阻抗上耗散1W電功率的粉紅噪聲信號(hào)電壓時(shí),在參考軸上離參考點(diǎn)1m處產(chǎn)生的聲壓。(7-1)式中Pe為有效聲壓值,W為電功率。(2)特性靈敏度級(jí)SPLA:當(dāng)用聲壓級(jí)表示聲壓時(shí),揚(yáng)聲器的靈敏度稱為特性靈敏度級(jí),單位為dB。(7-2)式中Pr為參考聲壓。6.指向性揚(yáng)聲器輻射聲波的波長隨頻率的增加而變短。當(dāng)聲波的波長與揚(yáng)聲器的幾何尺寸可比擬時(shí),由于聲波的繞射特性及干涉特性,揚(yáng)聲器輻射的聲波將出現(xiàn)明顯的指向性。揚(yáng)聲器的指向性是表征揚(yáng)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(yáng)聲器的指向性圖案是指揚(yáng)聲器輻射聲波的聲壓級(jí)隨輻射方向變化的曲線(如圖7-3所示)。揚(yáng)聲器的指向性與頻率有關(guān)。7.2電動(dòng)式揚(yáng)聲器的工作原理電動(dòng)式揚(yáng)聲器多為直接輻射式揚(yáng)聲器,其振膜直接向周圍介質(zhì)(空氣)輻射聲波。該振膜為圓錐形,通常為紙質(zhì),俗稱紙盆。使電動(dòng)式揚(yáng)聲器振膜發(fā)生振動(dòng)的力,即磁場對載流導(dǎo)體的作用力,其大小由下式?jīng)Q定:F=B·l·i(7-3)式中，B為磁隙中的磁感應(yīng)密度(Wb／m2);i為流經(jīng)音圈的電流(A);l為音圈導(dǎo)線的長度(m);F為磁場對音圈的作用力(N)。電動(dòng)式換能器的音圈,通以音頻電流時(shí),在磁場中受到力的作用,該效應(yīng)稱為電動(dòng)式換能器力效應(yīng)。然而,一旦音圈受力運(yùn)動(dòng),就會(huì)切割磁隙中的磁力線,從而在音圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。這個(gè)效應(yīng)稱為電動(dòng)式換能器的電效應(yīng),其感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為e=B·l·v(7-4)式中，v為音圈的振動(dòng)速度(m／s);e為音圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(V)。電動(dòng)式換能器的力效應(yīng)和電效應(yīng)總是同時(shí)存在,相伴而生的。電效應(yīng)的存在,將對揚(yáng)聲器的電阻抗特性產(chǎn)生極大的影響。7.3電動(dòng)式揚(yáng)聲器的振動(dòng)系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)電動(dòng)式揚(yáng)聲器的基本結(jié)構(gòu)如圖7-5所示。揚(yáng)聲器的各種部件,按其作用不同,可分為振動(dòng)系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)兩部分。圖7-5電動(dòng)式揚(yáng)聲器的基本結(jié)構(gòu)7.3.1揚(yáng)聲器的振動(dòng)系統(tǒng)

揚(yáng)聲器的振動(dòng)系統(tǒng)包括策動(dòng)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(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的策動(dòng)源,用漆包線在紙質(zhì)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(dǎo)線來繞制音圈,導(dǎo)線的材質(zhì)要么是銅要么是鋁。振膜是振動(dòng)系統(tǒng)的主要部件,最常用的是紙質(zhì)振膜(紙盆)。揚(yáng)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。圖7-6圓形和橢圓形揚(yáng)聲器圖7–7直線形紙盆和曲線形紙盆圖7-8電動(dòng)力對紙盆頂端的作用由圖7-9可知,紙盆的基部是固定在盆架上的,因此,當(dāng)功率足夠大時(shí),Fl足以使紙盆產(chǎn)生縱向彎曲,如圖7-9(a)所示。這種彎曲的過程如圖7-9(b)所示。圖7-10定心支片的結(jié)構(gòu)7.3.2揚(yáng)聲器的磁路系統(tǒng)電動(dòng)式揚(yáng)聲器磁路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般有5種形式,如圖7-11所示。其中A一般稱為外磁結(jié)構(gòu),具有環(huán)狀的磁鋼,如M所指。這種結(jié)構(gòu)的磁鋼尺寸實(shí)際上不受限制,因此,氣隙中所能獲得的磁感應(yīng)密度的大小主要取決于極靴材料,可達(dá)1.5Wb／m2;若選用鐵鈷合金極靴材料,則氣隙中的磁感應(yīng)密度可達(dá)2.2Wb／m2。對于結(jié)構(gòu)B和C,其圓柱形的磁鋼(如M所指)在中間,即通常所稱的內(nèi)磁式磁路結(jié)構(gòu)。圖7-11各種結(jié)構(gòu)的磁路系統(tǒng)從揚(yáng)聲器的各種磁路結(jié)構(gòu)可以看出,揚(yáng)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,其作用是在氣隙中產(chǎn)生恒穩(wěn)磁場。磁路設(shè)計(jì)的根本目的是設(shè)計(jì)一種磁路結(jié)構(gòu),以體積最小,價(jià)格最廉的磁鋼,在氣隙中產(chǎn)生要求的磁感應(yīng)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(B×H)成正比?？紤]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(gè)點(diǎn),相應(yīng)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。圖7–12永磁體及其工作點(diǎn)的選擇7.4揚(yáng)聲器系統(tǒng)7.4.1揚(yáng)聲器系統(tǒng)的組成1.揚(yáng)聲器單元揚(yáng)聲器系統(tǒng)通常包括兩個(gè)或3個(gè)不同類型的揚(yáng)聲器單元。揚(yáng)聲器單元質(zhì)量的好壞,直接影響到音箱的音質(zhì),所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的要求,來選擇適當(dāng)?shù)膿P(yáng)聲器單元。2.分頻器和衰減器多頻帶揚(yáng)聲器系統(tǒng)中的每只揚(yáng)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(yáng)聲器恰當(dāng)頻帶的信號(hào)功率。因此,輸入到多頻帶揚(yáng)聲器系統(tǒng)的信號(hào),必須經(jīng)過一個(gè)分頻設(shè)備,通常稱為分頻器。3.箱體由于揚(yáng)聲器振膜前后所輻射的聲波,其相位相差180°,在低頻時(shí),這種反相的聲波會(huì)互相干涉而使聲波削弱,從而使揚(yáng)聲器的低頻性能下降。7.4.2封閉式音箱封閉式音箱就是全密封的音箱,它把揚(yáng)聲器振膜前后分隔成兩個(gè)互不通氣的空間,一個(gè)是無限大的箱外空間,一個(gè)是具有一定容積的箱內(nèi)空間。這樣,揚(yáng)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(chǎn)生聲干涉的毛病。但是,因箱體是全密封的,箱內(nèi)空氣勁度加大,使揚(yáng)聲器的最低共振頻率升高。圖7-13是其結(jié)構(gòu)圖。圖7-13封閉式音箱7.4.3倒相式音箱在封閉式音箱的適當(dāng)位置上開出一音孔,并裝上倒相管,就形成了倒相式音箱,其結(jié)構(gòu)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(nèi)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。圖7-14倒相式音箱7.5音箱的設(shè)計(jì)7.5.1封閉式音箱的設(shè)計(jì)在封閉式音箱中,音箱的諧振頻率foc

往往高于揚(yáng)聲器的諧振頻率f0,因而常選擇具有較低諧振頻率f0的揚(yáng)聲器,如高聲順橡皮環(huán)式揚(yáng)聲器,設(shè)計(jì)制作封閉式音箱。封閉式音箱設(shè)計(jì)的步驟如下:(1)已知低音揚(yáng)聲器的性能參數(shù):f0(諧振頻率,Hz),m0(振動(dòng)系統(tǒng)等效質(zhì)量,g),Q0(品質(zhì)因數(shù)),r(揚(yáng)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(shè)計(jì)目標(biāo),即令Qoc

=0.7。(3)計(jì)算封閉式音箱的諧振頻率foc

:(7-5)(4)計(jì)算勁度比A:(5)求封閉式音箱的凈容積V:(7-6)(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。表7-1有利于消除駐波影響的尺寸比(在同一組內(nèi)H,W,D可以交替)7.5.2倒相式音箱的設(shè)計(jì)品質(zhì)因數(shù)為0.5左右的低音揚(yáng)聲器較適合于制作倒相式音箱。倒相式音箱的設(shè)計(jì)步驟與封閉式音箱的設(shè)計(jì)步驟基本相同,就是在已知低音揚(yáng)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(jié)構(gòu)尺寸。倒相式音箱的設(shè)計(jì)步驟:(1)已知低音揚(yáng)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(diào)諧頻率fob

及勁度比A。(3)計(jì)算倒相式音箱的凈容積V:(7-8)圖7-15fob、d與f0的關(guān)系曲線(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=(0.1～0.4)πr

(6)計(jì)算倒相管的長度L:(7-9)(7)根據(jù)倒相管的截面積S,選擇倒相管的幾何尺寸。7.6功率分頻器的設(shè)計(jì)功率分頻器放在功率放大器之后,按各個(gè)揚(yáng)聲器的頻帶要求,通過濾波方式,將不同頻段的音頻功率分別饋給各個(gè)揚(yáng)聲器。因而,功率分頻器實(shí)際上是由無源大功率濾波電路組成的,常常與揚(yáng)聲器一起,安裝在音箱的箱體內(nèi)。最基本的功率分頻器是所謂恒阻抗型分頻網(wǎng)絡(luò)。它具有輸入阻抗與頻率無關(guān),加在揚(yáng)聲器上的功率始終保持不變的特性?，F(xiàn)以圖7-16所示的三分頻網(wǎng)絡(luò)為例,說明功率分頻器的一般設(shè)計(jì)步驟。圖7-16

圖

7-171.分頻點(diǎn)的取法由于分頻網(wǎng)絡(luò)在分頻點(diǎn)上存在相位差,所以在如圖7-16所示的12dB/oct型的分頻網(wǎng)絡(luò)與揚(yáng)聲器之間應(yīng)采用反相連接,即中音揚(yáng)聲器與低音和高音揚(yáng)聲器的接法反相。為了保證揚(yáng)聲器系統(tǒng)的綜合音頻特性曲線平坦,12dB/oct型的分頻網(wǎng)絡(luò)特性曲線應(yīng)在6dB降落點(diǎn)交叉,如圖7-17所示。2.電感,電容值的計(jì)算在圖7-16中,L1C1為高通電路,后接高音揚(yáng)聲器;L4C4為低通電路,后接低音揚(yáng)聲器;L2C2及L3C3組成帶通,后接中音揚(yáng)聲器,其中L2C3為高通電路,L3C3為低通電路。對于這種12dB/oct(6dB降低點(diǎn)交叉)的分頻網(wǎng)絡(luò),電感電容值可按下式計(jì)算: