扬声器设计手册

扬声器设计手册 第七版 作者:Vance Dickson 第零章 第零章 扬声器是怎样工作的 第一章 闭箱低音系统 第二章 开口箱低音系统 第三章 被动辐射箱低音系统 第四章 传输线扬声器箱低音系统 第五章 箱体结构:形状和阻尼 第六章 扬声器障板:驱动的定位，隔离和其它考虑 第七章 被动和主动分频网络 第八章 扬声器的测量 第九章 扬声器设计和扬声器室内空间设计的CAD软件 第十章 家庭影院用扬声器 第十一章 车载用扬声器 第十二章 两套系统的设计:家庭影院和录音室监听系统 第零章 扬声器是怎样工作的 0.10 电动式扬声器 第七版的扬声器设计手册，和它的前几版一样，旨在描述电动式扬声器以及关联的箱体和分频网络的原理、应用和测量。在扬声器中广泛运用的电动式驱动，如低音，中音和高音单元都是基于同样的概念:振膜在交变的电磁场中做机械运动。正如JBL的Mark Gander所说:“要得到声音，必须推动空气。” 机械装置可类比与电马达，电马达的转子被扬声器中的运动的音圈系统代替。图Fig.0.1是一个典型的动圈式扬声器的剖面图。电流加到 音圈上后，依据电流和永磁体磁场方向产生 一定方向的电磁场。继而机械力作用与纸盆 或者音膜使之垂直与磁间隙运动，从而推动 音膜其中一侧的空气。 在正常运转的电动式驱动中三套相对独 立又相互关联的系统同时作用: 1. 动力系统:由磁铁、T铁、华司/磁 隙、和音圈。 2. 音膜:通常是纸盆加防尘罩，或者 单一的振膜。 3. 悬挂系统:由弹波和折环组成。 0.20 动力系统 动力系统由五个基本部件组成。这包括 华司和T铁，这两者形成了磁隙，磁铁，音 圈和后夹板。后夹板，华司和T铁是由高导 磁材料组成，比如铁，它们提供给磁铁一个 磁通路。磁铁通常是由铁氧体组成，并形成 环状。磁环路在间隙处完成，在T铁和华司 间隙的空气中形成一个很强的磁场。 如果在音圈上通上某个频率的正弦波形 式的交流电,比如60Hz，在正半周内的电流会使音圈朝某一个方向运动。当电流反相到了负半周的时候，线圈场极性也反了过来，随着在两个电场中的受到交替变化的吸引力和排斥力，音圈不断的变化运动方向。 为了由正弦波引起的运动能精确的再生，音圈在磁隙中向两边的运动应该是相等的。为此，使磁场尽可能的对称是很重要的，这样在一个方向的运动才能和在另一个方向运动得到相等的力。如果不是这样，信号就会产生失真。 如果磁通量被限制在磁隙中的狭窄范围内，就能保证磁场的对称，也就不用太关心了。然而，磁力线会溢出磁隙范围，在磁隙两边产生偏移磁场，就是所说的边缘磁场。为了保证边缘磁场的对称，会有一些常用的方法，如图Fig. 0.2所示。 平直的华司在图Fig.0.2a中显示了由非对称磁隙结构引起的不平坦边缘场。尽管有很多的应用，但是这也可能是最低程度内可以接受的一种结构。图0.2b显示了由底切过的T铁创造出来的对称磁场。图0.2c描述了一个在边缘场中有角度的T铁产生的影响，像底切类型一样，产生了一个更加对称的边缘场。 由通过音圈的电流产生的机械力是用术语“Bl”值来描述的。B×l是由给定圈数(英尺)的线，l，和给定每平方厘米的磁场密度，B，所产生的力。Bl值是动力大小的一个测量结果，单位是特斯拉?米/ 牛顿。测量Bl值的方法在“第八章扬声器的测量”中给出。 0.21 磁隙几何和Bl 两种不同的磁隙/线圈基本结构被用与扬声器上，短音圈和长音圈。这两种形式，如图Fig.0.3 X所示，长音圈形式使用的最多。图中标注的描述的是线圈超过磁隙部分，同时音圈在磁隙中MAX X向一个方向运动时能保持在磁隙中有不变的圈数。可以由线圈长度，减去磁隙高度，然后除MAX 以2计算出。 图Fig.0.4描述了在两种磁隙几何结构中Bl值随着偏移的增加而变化的图解对比(这张图描述的是音圈在磁隙中朝一个方向运动)。随着加到扬声器上的电压的增加，线圈越来越远离磁隙，留在磁隙中的线圈数不断减小，总的Bl动 力大小也减小。如果线圈数在磁隙中是恒定 的，那么就是扬声器是线性工作的，如果在 磁隙中的线圈数是减小的和变化的，就说扬 声器是非线性工作的。 短音圈在一个小距离内给出了一个极 端的线性，但是短音圈通常比长音圈的Bl 值小(因为磁隙高度的增加和对更大磁场的 要求)，和更小的音圈重量。长音圈由于有 更好的线性和更高的效率(甚至更大的线 重)等优点，因此在厂商中更受到欢迎。 由磁隙高度和线圈长度的不同组合可 X以得到相同的值，但是会得到相当不MAX X同的非线性表现(超过值时)。比如，12mm的线圈长度和8mm的磁隙高度，和8mm的线圈长MAX XX度和4mm的磁隙高度，有一样的值。尽管这两种结构中有一样的值，但是磁隙高度和MAXMAXX值的比值是很不同的，在12mm线圈中它是4:1，而在8mm线圈中它仅为2:1。这个比值确MAX 定了BL值增加时线圈脱离磁隙的比率。 XX图Fig.0.5显示了如上例所示的相同的值，但是不同的磁隙高度和值比时的非线MAXMAX性行为的变化(来自和Chris Strahm的谈话，LinearX Systems公司总裁，“Loudspeaker Enclosure Analysis Program”一书的作者，a/k/a LEAP)。 从图中可以看出，Bl值在超过 值时直到大概两倍值时XXMAXMAX 是渐渐的减小的，然后是戏剧性的减 小的。当磁隙高度和值的比值XMAX 大时，比这个比值小时Bl值减小的更 慢。当在偏移的最远边界处，这时线 圈已经远离磁隙，更多的偏移不再明 显地改变Bl值，曲线也变地更低平并 接近与零。 虽然Bl值在到达两倍的X值MAX 前一直是缓慢的减小的，但是可测得 的失真出现要快的多。作为失真的术语，一个运动音圈产生的峰值的位移界限可以用X值距离MAX加上大概15,来替代。最大偏移可以由这样决定，把一个不断增大的电压加到音圈上，然后通过失真仪来测量三次谐波失真。随着偏移的增加和X位置的超越，三次谐波失真也增加。XMAXMAX值，15,点将和三次谐波失真增加达到3,的水平相一致。 0.22 短路环和法拉第回路 音圈由电流感应产生的运动也产生了感生电流，这和驱动电流方向相反，这就是所知的反电动势。这个反电动势是由线圈像发电机电枢一样运动产生的。它的影响，和加到线圈上的驱动程序电流产生的交变场一起，在磁隙处产生调制。这个现象在1949年由W.J Cunningham发现，作为重要的第二谐波失真。深入的研究表明对电场的调制作用是不同的，这取决与音圈向哪个方向运动。这是一个非对称作用。 这个非对称现象部分地发生，因为T铁的导磁柱和发电机的磁芯一样工作相比，在线圈往下运 X动时是一致的，在音圈往上运动超过位置时只部分一致。这也被认为感生电动势场和边缘磁MAX 场相互左右，并且改变了边缘磁场。这个观测，至少部分地解析了在第一章第二章中讨论的由推拉结构得到的好处。 最明显的办法就是使用高导磁率的铁材料靠近音圈，因而金属就永远是磁饱和的，这样的话对磁通路的调制就可以忽略不计了。这个技术并不常用，因为高导磁率的材料相对较贵。最常用的技术用来抵消磁场调制和涡流问题就是所知的短路环，或者法拉第回路。如图Fig.0.6所示，短路环的应用有好多种，但是它们的作用是一样的，就是用来产生一个和由音圈产生的感生场一样大小但是方向相反的场。图0.6a是传导层镀的形式，比如铜材料，镀在导磁柱末端。图0.6b是一个铜帽在导磁柱上。图0.6c是一个铜圆筒围绕在导磁柱上。图0.6d显示的是一个短路环(磁通稳定环)的布置，有时候是用铝做的，在导磁柱的底部。 导磁柱的屏蔽法在增加音圈有效感应系数方面有好处，结果是提高了高频响应。屏蔽的位置和数量可以调整以用来控制驱动的中频和高频响应。在导磁柱底部的短路环可以和导磁柱屏蔽法一样可以降低二次谐波失真，但是对于音圈的感应系数和高频响应影响不明显。虽然降低失真是短路环法的一个好处，但是用来控制中频和高频响应常常被更多的考虑。 图Fig.0.7显示了用T铁和铜短 路环时高频响应的变化。对比时用相 同的驱动单元，一个Bravox的5.5 英寸聚乙烯盆低音，在有和没有T 铁和短路环组合情况下。可以看到用 T铁和短路环组合比没有时频响从 500Hz开始抬升，SPL值增加3,4dB 之多，因为没有用T铁和短路环组合 时受到感生涡流的损耗。图0.8描述 的是在30度角时的相同对比，可以 看出不仅仅在轴向500Hz以上时，而 且可以预测在驱动的整个辐射角内 都会受到音圈感应系数减小的影响。 0.23 音圈骨架和绕线 音圈可以缠绕上多种材料，每一种都不仅仅影响给定驱动的T/S参数设置，而且影响高频响应。扬声器上常用的音圈骨架材料有两种，传导的和非传导的。传导骨架目前使用最普遍，通常是由薄的铝片或者杜拉铝片做成(杜拉铝有更高的强度可以避免音圈在大幅振动时颈部变形等问题)。因为铝是电导材料，它和动力系统的部件(T铁和华司)一样以相同方式产生涡流。这个寄生的“流”以热和失真的形式产生损耗。 铝骨架不是连续的圆筒型，而是沿着骨架的长度有一个小开口，因而它不是一个短路元件(顺 Q便提及，去掉开口用连续的铝环不能起到短路环一样效果，虽然它可以降低约10,)。非短路MS传导骨架和非传导骨架比如玻璃纤维或者Kapton(一种Dupon公司开发的耐高温塑料材料)相比，有 QQ两个方面重要区别。首先区别在于(机械Q值)，用传导骨架比用非传导材料时通常低2MSMS QQ,4的范围。对于非传导骨架，典型的在4到12之间(用传导骨架涡流损耗会降低)。因MSMS为非传导骨架没有涡流的问题，因而失真也稍微更低些。 传导骨架材料和非传导骨架材料的另一个区别在于高频响应。图0.9描述了两个几乎相同的Bravox的5.5英寸低音扬声器的对比，相同的纸盆、支撑和磁路系统，除了一个单元用杜拉铝骨架，另一个单元用Kapton骨架。可以看到，用Kapton骨架的低音单元在1.5kHz以上会高出1,2dB。图0.10显示了在30偏移角时相同的对比，影响似乎更加明显。再次说明，这主要时因为两种材料不同的涡流损耗。也可以认为部分原因是重量的不同(也就是，和杜拉铝比Kapton是更轻的材料)。 另外一个由音圈引起的频响变化是线的缠绕方式。显然，有长绕线的大音圈有更多的线圈数，因而有更大的感应系数，它和一系列网络中的传感器一样的方式输出单元的高频响应。对于各种可能的绕线圈数和骨架及T铁直径的不同组合，音圈的感应系数也是不一样的，概括来说驱动的感应系数最大不同取决于在骨架上的线圈的层数。通常低音单元用两层或四层绕线。在超重低音单元通 常用四层绕线来增加Bl值从而达到目标响应。 然而，这也同样可用于高频响应的控制。图0.11描述了两个几乎相同的Bravox的5.5英寸低音扬声器单元的对比，相同的磁路系统、纸盆和支撑，除了一个单元是用两层绕线音圈，另一个是用四层绕线音圈(图0.12是在30偏移角时的对比)。可以看到，用四层绕线音圈的低音的低通截止点(,3dB，2.5kHz)，和用两层绕线音圈的低音单元(,3dB，4.5kHz)比要低很多。有些厂商利用这个优点，并对四层绕线音圈感应系数的控制来制造自然低通截频的两通路扬声器系统，它和一个特别的高音单元一起工作。这样做的话，低音就不需要独立的低通分频网络，它在只有高通滤波器的分频网络中能更宽广的工作。本人在若干年前给MB Quart做了一系列双通道模型，用5.5英寸的Bravox低音单元和13mm的MB钛膜高音单元。一款模型用了四层绕线音圈的低音单元，在3kHz机械截频，另一款是的用两层绕线音圈，更高的截止频率。两个网络都经过电脑最优化，但是四层绕线的低音单元模型没有低通滤波器，高音单元用一个三阶高通滤波器。两层绕线的低音单元模型有一个二阶的低通滤波器，高音单元用一个三阶高通滤波器。对这两套模型做主观评价，调整音量，两套模型听起来都很好，并且在整体声音质量上很具可比性。并且对于生产来说四层绕线模型有更偏移的优点，在分频网络上部件更少。另一个区别在于四层绕线模型由于四层线圈额外增加的重量使得整体的效率低了2,3dB，这算一个折衷吧。 0.30 音膜 解析扬声器音盆的物理原理通常是从理想刚性活塞推动空气辐射的讨论开始的。从活塞到空气中的运动传递是有限制的，从频率看，低频受限于低频共振点(低于这个频点传输能量的能力受限于结构约束)，在高频受限于空气自然辐射阻抗。空气对运动有阻力，辐射阻抗随着频率上升而降低，当频率达到某一点后频率再上升总阻力也是一样的。 低于这个高频点时，不管从空气辐射阻抗还是辐射半径看，辐射能量稳步的减小。小辐射面比大辐射面能再生出更高的频率，这是自然的事实，也说明了为什么出现特定的扬声器来覆盖不同的频率范围。 现实中的音盆并不是理想刚性的，它会歪曲成某个角度，这取决于构造它的材料的特性。音盆歪曲对驱动的高频效率、SPL响应和响应极性都有很严重的影响。不同的材料有不同的硬度和不同内在速度时的传输振动，它们都会倾向于产生相同类型的歪曲，通常可以参考一些“模式”。 0.31 音盆共振模式 两种分类模式，辐射状和同心状的，用于分析扬声器音盆振动，如图Fig.0.13所示(在Beranek改变之后)。辐射状模式是从音盆中 央延伸到边缘，通常发生在低频时， 一般认为是次要的。同心状模式是 波状或纹状地由音盆中心向外扩 散。这种同心状模式用全息技术是 可见的，就像是你所见的把一块小 卵石掉进一碗水里一样。 波纹数随着频率而变化，随着 频率的改变，有些波纹又反射回中 心，形成干涉模式。这些波纹以复 杂的方式推动空气运动，有些是和 音圈信号同相位的，有些则不是。 在图0.6中用“，”和“,”标注 的音盆区域表示了相反的相位。这 些增加和消除的复杂关系，涉及音 盆的分割，在典型的扬声器SPL曲线上产生了很多峰和谷。 随着频率的上升，音盆的有效辐射面减小，因此当很高的频率的时候趋向于只在音盆中心辐射。在某个频点音盆的有效辐射重量变小，从这个点开始输出有急剧的下降，这被认为是高频截止点。为了完成较高的高频截止，音圈重量和音盆重量的比值必须尽可能的小。高频截止也受到音圈感应系数的控制。 0.32 音盆指向性 随着频率的上升，所有的扬声器都会更定向，高频时开始像汽车的前灯的灯光一样照射。当频率在声波波长(波长等于声速除以频率,c/f，比如，1kHz时波长为1.13英尺)相比于音盆周长(大概是直径的3倍)更大时，辐射是球状的。当频率增加到一定值时波长等于或者小于驱动的周长，辐射模式会变得原来越窄。图Fig.0.14给出了不同扬声器振膜的,6dB偏移点(经过Daniels更改，JBL Pro Soundwaves,1988年秋)。 0.33 音盆形状 不同的形状的音盆有不同的频响特性。在音盆设计中有两种基本形状:锥形或平的，和凸面曲线型的。锥形音盆往往在频响范围内高频端有一个很高的峰，峰的位置部分取决于音盆的角度。和凸面型相比较有更宽的带宽。凸面型音盆往往频响曲线更平滑，在高频处的峰比较适中(更低的高频效率)，但是和平坦型音盆相比带宽有所减小。 凸面型音盆的频响是可以通过改变音盆的曲率来改变和控制的。 0.34 防尘帽 磁隙的宽度可以从大直径扬声器用的十分之几英寸到小音盆高音扬声器用的一张标准纸厚度内变动。这个宽度在实际中为了磁通密度最大化要尽可能窄，同时要允许音圈排列和因为热膨胀的变化。当音圈和音盆粘合时，T铁和音圈之间通常是用垫片来精确定位组装的。这一个程序使得音圈和T铁间的空隙暴露于外界的一些颗粒。因为这样，有可能使得小颗粒进去这两个空间，并却造成明显的问题。传统的办法是在这个空间上面地方封上一个东西，就是所知的防尘帽。 在音盆和音圈的连接处放上防尘帽解决了一个问题，同时又注意到了另外几个问题。通常有两种类型的防尘帽和扬声器的音盆一起使用:实心的和透气性的。实心的防尘帽不允许空气通过它的表面，同时创造了一个小音腔，它在音盆往回运动和往前离开T铁运动时产生空气压力的变化。这个压缩和稀疏过程会给扬声器运动带来有害的影响。 因为音圈和T铁间的空隙是如此之小，很难有效的减小由于防尘帽运动而产生的压力，厂商用两种实用的方法来解决这个问题。其一是是T铁开口，这要求T铁要钻通一个小孔，这样空气就能在后夹板处有出口。其二是在音圈骨架上打孔，这让空气流出小音腔空间，并减轻T铁和防尘帽之间的压力。 透气性防尘帽也容易缓解在T铁上产生的空气压力，但是会造成另外的问题。首先它提供了一个从箱体内部的泄漏通路。这不是严重的问题，因为通过磁隙泄漏的空气体积是很小的，特别是对比于通过折环的损耗。另一个问题是，当音盆朝内向T铁运动时，空气将会通过防尘帽压上音盆的 辐射面。这个空气的突然喷出会不在音盆辐射的相位内，并造成频响问题。选用透气性防尘帽可能不是一个好办法，它会造成讨厌的频响异常，而独特的设计可以把透气性防尘帽用作冷却的目的。空气通过磁隙可以为音圈产生的热提供显著的冷却。用了防尘帽也会改变顺行和Q值，这可能是想要的，也可能不是。 防尘帽也会改变驱动的高频频响。因为音盆辐射在高频时趋向于中心，防尘帽在驱动的高频频响曲线末端扮演了重要的角色，这取决于它的材料成分和形状。实心帽往往比透气性帽对频响有更多的改变。有时候你会看到实心帽也有带筛网小圆孔，用来减小空气压力，兼容了两种方法的有点(或者缺点)。 图Fig.0.15描述了一个几乎一样的Bravox5.25英寸低音扬声器的频响对比(一样的磁路系统、折环音盆、音圈，等等)，除了防尘帽是用五种不同类型的:透气性布、涂胶的布、软性PVC(Poly Vinyl Chloride)、硬质聚乙烯和一个倒转的硬质聚乙烯防尘帽(在这个研究中其余四种防尘帽都是标准的球顶型)。因为在这一张图中很难读出那么多信息，Fig.0.16,0.19中给出了更有意义的对比，每张图都是标准的透气性布材料防尘帽和其余四种类型防尘帽的对比。 图0.16对比了透气性布防尘帽和涂胶布防尘帽(相同的布帽在表面涂上软阻尼胶)。不是很直观，涂胶布实际上在高频段增加了输出，特别注意在4kHz以上频率整体曲线更平滑。未涂胶布帽的整体频响曲线也很光滑和平坦，它还有一个优点就是提供了空气通过音圈的通道从而增加空气冷却。 图0.17对比了透气性布防尘帽和软质PVC防尘帽,它很多厂商的最爱。可以看到，PVC防尘帽的频响很光滑，甚至没有明显的响应异常，但是在4kHz以上延伸稍微少一些，可能是因为材料的重量和密度。不仅仅厂商为了良好的频响特性经常选择这种类型的防尘帽，而且在这个强调工业设计美学的年代它提供了美化的外观使得看起来更一致。 图0.18对比了透气性布防尘帽和硬质聚乙烯防尘帽。这个情况下用这种硬质塑料材料会在以5kHz为中心产生超过6dB的明显的共振，但是如果把这个低音单元在3kHz截频配合一个高音单元 使用，这个异常就没有真正的不便。对于所有硬质聚乙烯防尘帽来说这个异常特性也没必要说是典型的，这取决于直径、形状和防尘帽的密度，但是就本人这几年所见而言有些典型的是，本人从来没有订购过要故意带硬质防尘帽的用在两分频上的低音单元。对于超重低音和低音单元往往和小口径扬声器选择分频点时至少要比防尘帽产生的异常点低一到两个倍频程，这真是不相关的，在这些应用中硬质塑料防尘帽也挺好。 图0.19给出了布防尘帽和硬质塑料倒球顶防尘帽的最后一组对比。硬质塑料倒球顶防尘帽有一些优点，它也流行了一段时间。正如在响应对比中可以看到的，倒球顶帽和布帽有相似的平滑的响应曲线。另外倒球顶帽所拥有的是，它们做的适当小因而合适放入音盆颈部粘合处(音圈骨架和音盆连接处)附近，防尘帽可以起到帮助加固作用，减小音盆在大幅振动时的颈部变形倾向。