音箱研讨_一_扬声器阻抗曲线和低频特性的分析

音箱研讨_一_扬声器阻抗曲线和低频特性的分析 文章编号: 1002- 8684( 2006) 11- 0023- 04 音箱研讨一 ( ) 技术分析?? 扬声器阻抗曲线和低频特性的分析—— 21 沈伟星 王以真 , 浙江天津声学学会天津 杭州音响公司杭州 ( 1. , 300200; 2. , 310000) 摘 要介绍了不同的测试条件对扬声器频响曲线及阻抗曲线的影响并对扬声器的阻抗曲线进行了分析比较 【】, 、。指出了阻抗曲线受环境影响较小。 品质因数关键词频响曲线阻抗曲线 【】; ; 中图分类号文献标识码【】【】TN643 B Study and Discussion on Loudspeaker s ——Analysis of the Impedance Cur ve and Low Fr equency Char acter istics 12WANG Yi- zhen, SHEN Wei- xing ( 1. Tianjin Acoustical Society, Tianjin 300200, China; 2. Hangzhou Audio Corporation, Hangzhou 310000, China) 【Abstr act 】The influences brought from the different measuring conditions on the frequency response curve and impedance curve are introduced. It is shown that the environmental influence on the impedance curve is low through the analysis and contrast of the impedance curve of loudspeakers. 【Key wor ds】frequency response curve; impedance curve; quality factor 不同测试条件对扬声器测试的影响1 对扬声器频响曲线的影响 许多使用或制造扬声1.1 器的人对扬声器的频响曲线 /dB 很重视但对它的阻抗曲线并不是很在意频响曲线 固 , 。 然很重要从频响曲线上可以知道扬声器的灵敏度等 , 声压级 参数还可以判断扬声器输出声压起伏走向确实有重 , , 要价值不过在测试扬声器的频响曲线时是将扬声。, 100 20 50 200 500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000 40 000 测试出来的频响曲线是扬器安装在一块标准障板上 ,f /Hz 图 扬声器频响曲线 2 Φ123 mm 声器和标准障板所构成的系统的频响曲线大约在。 有一个谐振峰峰后在 又有一个 150 Hz , 300~400 Hz 一个标准障板如图 3 出现峰谷的频率可以推算 ,谷如图 所示图, 1、2 。 所示障板上安装被测扬声器从扬声器正面和背面发 , , 出的声音同相则相加频响出现峰值反相则抵削频 , , ; , 响出现谷值经计算峰值在 谷值在 与 。161 Hz, 322 Hz, 实测吻合。 /dB这是扬声器装在标准障板后测出的曲线并不是 , 扬声器的真正特性特别是扬声器低频响应曲线与实 , 声压级际存在一定的误差如果把扬声器装在音箱内再测试 。 它的频响曲线则为另一个系统的频响曲线也不是扬 , 声器的频响曲线不用障板或音箱对单独一只扬声。, 20 50 100 200 500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000 40 000 f /Hz 阻抗曲线的分析2 定性分析 2.1 图 是一条扬声器的阻抗曲线随着频率的变化4 。, 阻抗曲线也在变化说明扬声器的阻抗不是一个恒定。 值频率从 开始慢慢向高频变化阻抗曲线慢 。20 Hz , , 慢上升随着频率的上升阻抗曲线出现了一个峰频 , , , 率再上升曲线又开始向下移动到了某一个频率阻 , 。, 抗曲线下降到最低点频率再上升阻抗曲线又开始向 。 上提升一直到 20 kHz。 扬声器的有效半径环境的影响相当小但扬声器的 ) , , Zmax 声短路现象还是难免频响曲线是不 是标准呢也难 , ? ( 0.707 说也就是说在不同的测试条件下同一只扬声器可。, , Z)max 折环引起的起伏 " 包括灵敏度 也不一/以测试出各种不同的频响曲线 , 阻抗样哪一个才是扬声器真正的频响曲线当然在权衡 。? Z V各种得失的情况下各国电声专家认定以扬声器装在 , R V 标准障板上为准还必须在合格的消声室内自由声 , ( 场进行测试国家标准如此国际标准也如此在消声 ) 。, 。 500 10 20 100 200 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000 F 室测试固然符合标准但又与扬声器实际的使用条件 , s ff1 2 不一致f /Hz。 图 扬声器阻抗曲线4 这就出现了扬声器研究的两个悖论要了解扬 : ( 1) 声器的真实状况必须对扬声器真实状况进行测试而 , , 真实的测试又在一定程度上破坏了扬声器的真实状 , 在阻抗曲线最小值后面曲线还可能有些上 下波况要了解扬声器的真实状况其目的是为了实际 ; ( 2) , 动是纸盆折环反射的影响一条阻抗曲线的变化说 , 。, 应用而测试条件和实际应用条件又存在较大差异。。 明扬声器的阻抗不是一个常量随频率变化曲线跟着 。 变化在峰后最低点的阻抗称它为扬声器的额定阻抗 。, 设计师都要按规定额定阻抗在国标上有规定Z( Z) 。, E0 对扬声器阻抗曲线的影响1.2 而扬声器阻抗曲线的测试就不同了无须将扬声。 设计扬声器的额定阻抗否则扬声器就无法与功放匹, 器装在障板或音箱上也无须在消声室内进行它受环 配允许有一定误差按扬声器的用度和档次一般公 , 。。。, 境的影响较小只要测试方法正确结果必然是正确 。, 差分为三档为了保证由于其他因 ?10%, ?15%, ?20%。的也就是必须用恒流法或者恒压法进行测试此外距 素带来的偏差如天气变化生产厂家控制得更严格 。。( ) , 些现在来看阻抗曲线的峰这个峰对应的频率就是扬 。, 离扬声器 之内无反射物如果将扬声器悬空是不 1 m 。 声器的谐振频率共振频率这个峰值就是扬声 ( ) F( F) 。可能的可以做一个测试架用一片直径小于 , 。100 mm S0 器的最大阻抗 在谐振频率时扬声器的振幅最大Z。, 的圆木片下面装 只长 的脚支撑它圆木片中间 , 3 1 m , max 即音圈位移最大从阻抗峰起下降 划一条横线。, 3 dB, , 开一个孔将扬声器放在上面扬声器导磁板柱铁, 。( T ) 即 处与阻抗曲线有两 个 交 点 分 别 是 频 ( 0.707 Z) , 的减压孔正好对着木片的孔如果将减压孔堵死测试 。, max 率和 阻抗曲线从峰向左或向右的两个斜 ff, Δf=f- f。就不准确了现在许多生产或使用扬声器的厂家没有1 221。, 坡是不对称的也就是说另外要注意 , , f- F?F- F。2 SS1或者是资金不足或者是对消声室的作用认识不足( 、) 不一定是整数值一般测试精确到 同 F, f, f。0.1 Hz。S12 去建造消声室花有限的钱去购买扬声器测试仪计算 。( 时按照新国标 之 条的方法也 GB/T9396—1996 19.3.2 机辅助测试系统使用方便功能多对扬声器进行定 ) , , , 可以得到同样的结果。 性分析也还实用这类仪器有。L“MS”, “CLIO”, “DAAS” 还可找出阻抗曲线与频率响应曲线的对应关系, 和浙大通信的电声测试仪等不过使用这类测试系统。, 如图 所示5 。 要注意它的局限性它不被 和 承认, IEC GB 。 低频衰 额定输出区 高频谐振区 用 骨架音圈的阻抗曲线?Kapton 10 声压频率响应 高频衰减减区 0? 中频谷 30? 0 !高频 /用铝骨架音圈的阻抗曲线? 输出声压级 上限- 10 阻抗有效频率范围低频谐振频率 60? !/ 折环反揩振 /dB高频揩振频率 加短路环的阻抗曲线? 阻抗曲线 声压级 标称阻抗阻抗特性折环反谐振 10 20 50 100 200 500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000 直流电阻 f /Hz 高频失真特性图 扬声器阻抗曲线的比较 6 20 f100 1 000 10 000 20 000 0 f /Hz 20 图 扬声器阻抗曲线与对应的频率响应曲线5 无磁流体15 阻抗曲线的作用是求阻抗最大值扬声器谐/dB: ( 1) 、 10 振频率求扬声器品质因数分析与扬声器频 ; ( 2) ; ( 3) 幅度 率响应关系谐振频率就是扬声器重放范围的下限, ; 5 加磁流体 阻抗曲线的小峰或小谷与扬声器折环的反谐振即 ( 4) , 中频谷及振动系统的局部谐振相对应而阻抗曲线 。0 20 50 200 1 000 5 000 20 000 高频区的小峰与扬声器频响曲线的高频峰相对应f /Hz , ; 图 加磁流体的阻抗曲线7 可以反映扬声器结构的变化如不同音圈加( 5) ( 、 40 磁流体加短路环反映小信号参数的关系、、) ; ( 6) 。 35 几条阻抗曲线的比较2.2 30 图 中有 条不同的扬声器阻抗曲线其中第 6 3 。1 25 条曲线阻抗峰值 很大峰的两个斜坡很陡, Z, , ( f- f) max 21/dB20 普通扬声器的阻抗曲线 值小频率高处阻抗曲线翘得高图中第 条曲线阻 , ; 2 , 带短路环扬声器的阻抗曲线幅度 15 抗峰 抬得不高比较小而 比较大频率升 F, Z, f- f, S max 21 带激励抵消线圈扬声器的阻抗曲线10 高阻抗曲线也翘起高度比前条曲线低图中第 条 , , ; 3 5 曲线在频率低处有些像图中第 条曲线在额定阻抗 , 2 , 0 后的曲线几乎不向上抬起成一条水平线从这 条阻 , 。3 15 30 50 100 300 500 1 000 3 000 5 000 10 000 抗曲线中可以看出图中第 条曲线扬声器的音圈是 f /Hz , 1 图 阻抗曲线的变化 8 用非金属骨架制作的如玻璃纤维薄膜骨架或聚酰亚 , 胺薄膜条曲线扬声器的音圈骨架 图中第 ( Kapton) 。2 是使用金属材料制成的如铝合金图中第 条曲线 如果事先将扬声器的直流电阻 测试出来就, ; 3 ( ) , RR EV[1]的扬声器在磁路内加了短路环抑制了阻抗曲线向上 可以知道扬声器的品质因数, Q( Q) : Q=F?R/( Δf? TS0TSSV 1 抬使得扬声器的高频有较大的输出同时降低了三 , 。, 2 传统方法或者 Z ) ( ) 。Q =1/( f - f ) ( f f /r ) ( GB/T9396—max T 2 1 1 2 0 次谐波失真非金属音圈骨架没有抑制动生阻抗上升 。 的能力短路环相当于音圈的次级使音圈的电感降 规定的方法, , 1996 ) 低同时使磁性材料非线性的电感量变化减小也使 这是扬声器的一个重要技术参数如果已经测试, , , 。 得失真减小。 了扬声器的有效半径 等效质量 磁场力系a、M ( M ) 、 MS 0 而在扬声器磁隙中加注磁流体也会引起阻抗曲 , 数 就可以得到扬声器的等效容积 BL( A) , V ( V ) AS EQ 线的变化如图 所示。7 。 2 而吴琪君先生采用的带激励抵消线圈的方法更V=ρc C, ( 1) AS0AS 3 式中为空气密度: ρ, 1.18 kg/m ; 0 为空气中声速c , 345 m/s; 为扬声器支撑的顺性。C AS - 1 同和 的值不同这里要引进一个扬声器的机械2 , Z Δf 。 max ( 2) C= "!( 2πF ) ?M MSS MS 值 的量的概念对于如何计算 笔者在第 。, Q QQ2 MS MS扬声器的机械 值 和电气 值 ( ) ( ) 。Q QQQ QQ MSMESE节已经介绍计算公式从两种计算 的公式中可以。Q MS 其中和 密切相关与 相关扬声器看到与 Δf 。F /Δf : , QZ MS S max2 Q=R/( 2πF?BL ?C)3) ( MSESSMS的 的 而扬声器 A F /Δf=10, Z - R =114 Ω; B F /Δf= S max V S 2 Q=R/( 2πF?BL ?C)4) ( ESVSMS两者相差较大根据国内外许多扬2.5, Z - R =24 Ω。。 max V 又可以求得 声器专家多年的实践经验作为音箱用的扬声器的机 , Q=Q?Q/( Q+Q) 械 值 扬声器系统的低音才有力度现在的 Q Q?4, 。TSESMSESMSMS5) ( 扬声器其 可以做到 以上, Q8 。 MS 这样就得到了设计音箱时所需的扬声器 大技术3 由此可大致判断已基本达成共识而扬 , Q?4, , MS参数即 以及 等其中。F, Q, VC, Q, Q。, F, V, STSASMSESMSSAS 在选用上不会陷声器厂的产品也基本上滿足此要求 ,就是 理论中的小信号参数Thiele- Small 。 Q, Q MSES 入困境只是少量小口径扬声器较小。, 。Q MS 阻抗曲线提供的信息还远不止这些与 之。Ff- f 21 S当然铝骨架音圈也有它的优点散热性能好, : ( 1) , 比和扬声器的机械 值 有着密切相关即Q Q, 。 MS同样的音圈承受功率的能力增大约 还有 , 10%- 20%, 1 一种氧化成黑色的铝骨架的散热更好些用铝骨架 ; ( 2) 2 6) ( Q= r?F/( f- f) 21MS0 S音圈成本低与聚酰亚胺薄膜比较其实用铝骨 ( ) ; ( 3) , 架后降低了扬声器对磁路的要求较小的间隙磁通密 , , 从式与 成正比与 或 中可以看出( 6) , QF, Δf f- 2MSS度 就可以得到较低的 也是与聚酰亚胺薄膜比 B, Q( GTS 不变或 越小则 成反比如果 越大反 , , f。F; Δf f- fQ 21 1 SMS 较因此扬声器制造的成本更低) , 。 越小之 或 越大。Δf f- f, Q 21 MS不过铝骨架的缺点也是不少的由于金属材 , : ( 1) 料在扬声器变化的磁场中产生涡流现象产生一个反 以上笔者对阻抗曲线作了定性的分析下面再从, , 。 电动势然而使扬声器的力阻 增大而力阻 类量的概念来进一步分析, R, R 。 MS MS 定量分析2.3 从图 来看如果有两只扬声器它们除了音圈骨 5 , , 架不一样外其他材料完全相同那么就得到类似于 , 。, 使扬声器的阻抗曲线中比到电学端的电阻 变小,R ES 图 的阻抗曲线扬声器 使用非金属骨架的音圈6 。A ; 减小的谐振峰下降或增大, Z( ) , ,Z =R+RΔf f- f ESE21maxmax 扬声器 使用铝骨架或其它金属骨架两只音圈用 B ( ) ; 造成机械 值 小 一般小于 扬声器力度低( ) , ;Q Q2.0 MS 同样的线径绕制同样的圈数即它们的直流电阻 , 。R、 E铝骨架使得阻抗曲线在频率高时上翘得少虽然( 2) , , , 也就是说阻抗低输出大一点但是由于铝骨架的涡 , , 。交流阻抗 最大线性位移 都相等此外经测试 Z、X。, , 流作用使得高频失真增加可以说是得不偿失总而Emax, , 。 它们的振膜的有效半径 谐振频率 等效质量a, F, M, SMS 用铝骨架或其他金属骨架的音圈的扬声器只适言之 ,磁场力系数 也相等BL 。 宜用在要求不高的音箱内大量低档次低成本的音箱 , 、设两只扬声器的 而测试扬声器 F=50 Hz, R=6 Ω。SV才选用这种扬声器。 的 测试扬声器 的 A Z=120 Ω, Δf=5 Hz; B Z=30 Ω, maxmax非金属骨架的阻抗曲线特性都是相似的而纸骨 。值的 求这两只扬声器的 Δf=20 Hz。Q 。A Q=F?R/ TSSV牛 皮 纸 缆 纸 写 纸 因 为 耐 热 性 能 差 些 在架 电书、、) , ( 的 ( Z?Δf) =50 Hz?6 Ω/( 5 Hz?120 Ω) =0.5; B Q=50 Hz? maxTS左右此外机械 值也不够大一般只用于功 200?C , , Q , 两只扬声器的 值相同此外6 Ω/( 20 Hz?30 Ω) =0.5, Q 。, 率不大的中小口径扬声器大功率大口径扬声器的音。、 圈的骨架采用聚酰亚胺薄膜玻璃纤维膜环( Kapton) 、、 这两只扬声器的等效容积 也一样如果设计音箱 V。, AS 氧云母带纸和石棉纸等它们的耐热温度在 以上, 300?C 。 用同样的调谐法和相同的损耗得到音箱 的容积也一 样它们的频响曲线也差不多看来两只扬声器没有多 参考文献。。 王以 真实用 扬 声 器技 术 手 册北 京 国 际工 业 出 版 [1] . [M]. : 大的区别拿它们来实听效果就不一样了装了扬声。, 。 社, 2003. 器 的音箱低频力度大而装扬声器 A , 声音很结实 B ;责任编辑史丽丽收稿日期[] [] 2006- 08- 23 的音箱低音软弱无力为什么呢关键就在阻抗曲线不 。?