喇叭扬声器设计与制作分析

喇叭扬声器与制作分析 声学和扬声器基础知识教学大纲 一、要求:掌握音频声学的基础理论和电\磁\机械学中与喇叭有关的基本知识,了解 扬声器测试的要求和T/S参数的计算的原理和. 二、文化基础要求:高中 三、内容与学时安排: 第一章 音频声学基础 1.1 声波的产生 1.2 描述声学的物理量 1.3 声级,分贝及运算 1.4 声波的传播特征 第二章 人耳听觉特征 2.1 响度与频响曲线 2.2 音调与倍频音程 2.3 音色 2.4 波的分解,付氏解析法 2.5 失真与失真察觉 2.6 哈斯效应 2.7 屏蔽效应 第三章 电、磁、机械振动基础 3.1 电学基础知识 3.2 磁场与电磁感应 3.3 交流电路中的电容 3.4 交流电路中的电感 3.5 复阻抗 3.6 谐振电路 3.7 机械振动 3.8 电机类比 第四章 扬声器结构与参数测试 4.1 喇叭结构,名称(磁场,间隙,短路环,音圈,锥盒,指向性,防尘帽,音架,弹 波,边,磁流液) 4.2 Thiele和Small参数测试类比电路图 4.3 扬声器阻抗曲线及其物理解释 4.4 阻抗测试 4.5 质量测试 4.6 BL测试,力顺测试 4.7 品质因素Q的计算 4.8 等效容积 Vas 的计算 4.9 效率与灵敏度的测试 4.10 扬声器基本参数及T/S参数汇总 4.11 基于PC的扬声器测试信号,相位,clio, Sound check,Klippel, LMS. 第五章 音箱,分频器的设计计算 5.1 音箱的设计 5.2 无限平板上的喇叭负载 5.3封闭音箱中的喇叭 5.4 填充物的作用 5.5 倒相音箱的设计和计算 5.6分频器的种类与计算 第一章 音频声学的基础 1.1波动和声波 1.1.1波动的数学描述 振动产生波，如绳子的振动能量以波的形式传播。常用绳子多点的位移来描述绳子波的传动，一个波动可用正弦函数来表示。 正弦函数:y = A sin ϕ A为最大振辐 (m) ϕ为角度 (相位角)。 在x-y 坐标系里，若x代表角度，y代表振幅，画出的波形图叫正弦曲线。一般在电学、声学里，角度都用弧度表示:2π=360度，π/2 = 90度。有时，x轴取为时间，y轴为振幅，则可表示振幅随时间的变化，这时，正弦函数要写成: y = A sin(ωt) ω 叫角频率 ω = 2π/T T 为振动一次所需的时间，又叫周期。 当 t = T, ωt = 2π; 当 t = T/2, ωt = π, 当 t = T/4, ωt = π/2 所以 ωt 就相当角度。T 的倒数，1/T = f, 叫频率，表示单位时间(1秒)震动的次数。 有时， x轴取为距离，y轴为振幅，则可表示振幅随距离的变化，这时，正弦函数要写成: y = A sin(ωx) ω 叫角频率 ω = 2π/λ λ 为振动一次所的长度，又叫波长。ωx 就相当角度。 在使用表达式 y = A sin(ωt) 的时候，往往碰到在t = 0 时振幅不为 0的情况，这时，要把表达式改写成 y = A sin(ωt + ϕ)，ϕ 角可正，可负。也常把它称为相位角。周期T, 波长λ和频率f , 它们之间的关系是: f=1/T, (波速) C =λ/T =λf λ = C / f 如: 1Hz 声波 波长为344m 10Hz 声波 波长为34.4m 100 Hz 声波 波长为3.44m 1000Hz 声波 波长为0.344m 1.1.2 声波的形成 (波的形成和传播) 横波:振动方向与传播方向垂直 纵波:振动方向与传播方向平行 声波是一种纵波 例如，受活塞作用,空气密度增加,压力加大,增大的压力在管内传播,就形成波动,在声波传输的介质里的某固定点，压力随时间的变化可写成: P = P 0sin(ωt + ϕ ) P代表空气密度增加时，气压的最大增量。 0 1.2 描述声波的物理量 1.2.1 声压Sound Pressure 声波的传播就是大气压增压在弹性介质(空气)中的传播。 P = P sin(ωt + ϕ ) 0 2 P为声压振辐 ，单位是帕斯卡Pa (N / m) 0 5 一个大气压为1.0325*10Pa 即 1000 hPa。 与交流电一样,常用有效值(RMS)(Root-Mean-Square)表示声压. 如果声波 与交流电一样,常用有效值(RMS)(Root-Mean-Square)表示声压. 如果声波 的最大振幅为 P ， Prms = 0.707 P, 即 ?2/2 P000 ， Prms = 0.707 P, 即 ?2/2 P00 以后我们提到声压如无特殊说明,都是指声压有效值. 人耳能分辨的最低声压为20 μPa (当频率为1000Hz时) 人耳能分辨的最低声压为20 μPa (当频率为1000Hz时) -2 两人面对面交谈声压为2*10Pa -2 两人面对面交谈声压为2*10Pa 织布车间噪声声压为2Pa 织布车间噪声声压为2Pa > 20Pa时,人耳有痛觉 最低声压20μPa是由弗来彻和芒森确定的(1000 Hz),500 Hz时,还要低,当频率超过1000 Hz时,灵敏度会提高,最灵敏的频率是3.5K Hz 1.2.2 频率f 声源每秒振动的次数称频率,单位是Hz, 声音的频率可听范围是20Hz - 20kHz < 20Hz为次声 > 20000Hz为超声 1.2.3 声速 声音可在不同介质中传播。固、液、空气，速度在不同介质中不同。 速度: 固体 > 液体 > 气体 在空气中,声速c = 331.6 + 0.6t (m/s), 此处t指环境温度。 可见15度时,c为340 m/s左右. 声速与空气质点运动速度是不同的概念，大声说话时，声压为0.1Pa, 质点的 3运动速度是 p/(ρC) 为2.5*10-4 m/s . 空气的ρC为415 N.S/m , 0 0 0 0 1.2.4 波长 声波在传播过程中,相邻的同位相之间的距离为波长。 C, f, λ的关系为: C=λ*f 空气中声音是非色散波(不同频率波速相等),因此,频率与波长成反比,频率低的波长长. 1000Hz波长 0.34 m 100Hz波长 3.4 m 10Hz波长 34 m 1Hz波长 340 m 不同波长传播时会发生不同物理现象.当遇到障碍物时,障碍物线度比波长小,会有绕射发生,声波可自由传播.当障碍物与波长相当时,发生散射,在声波入射方向散射波声强增加.其他方向减弱,出现指向性.当障碍物线度 > > 波长,声音被反射回去,障碍物后出现声影区. 1.2.5 声强 声音的传播是空气质量在平衡位置附近来回振动的能量(动能和势能)的传播.常用声强来定量描述声能的传播. 定义:单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的平均能量.用I表示，单位: 22W/m.(N*s/ m) I是矢量,有大小和方向. 2 I 与声压的关系:I = P/(ρC) 0 0 3 ρ是声传波媒体的密度，空气密度为: ρ=1.21 kg/ m(在20度时) 00 C是声传波的速度, 当温度为20度，C为344m/s. 00 ρC在声学里是一个非常重要的概念,称为媒体的特性阻抗，当温度为0 0 3,220度，C为344m/s, ρ=1.21 kg/ m 空气的ρC为415 N/s.m 00 0 0 362 对水来说，密度为1000kg/m, 声速为1480m/s, ρC为1.48*10 N/s.m 0 0 声波碰到特性阻抗不同的媒体的界面，会发生反射。 一个球面的震动体(喇叭可近似看成球面一部分)在向外辐射声音时,会受到声音的反作用力,称为辐射阻抗,它可写成:R =ρC*S, 此处 S 是辐射面的面积, 0 0 这在以后当讨论压缩驱动器 (Compression Driver) 时要涉及到. 1.2.6 声功率 声源在单位时间内辐射的总的声能量叫声源辐射功率(即声功率),单位W。 声功率很小,人讲话 20μW , 扬声器由电功率转换为声功率,效率仅为千分之 几。 若一点声源在自由空间辐射声波,与点声源距r的球面上,声强I都相同。 2 则 W=I*4πr 1.3 声级、分贝及运算 6 人耳感受到的声压,从20μPa一直到有痛感的20Pa,跨越了10倍,即100万倍。 人耳的“感觉响度”与强度，或声压有关。听觉响了一倍，实际上强度大了十倍，所以更接近于与强度的对数成正比。因此在声学中,常用对数坐标来表示声压，声强和声功率。 复习---对数，对数是指数的逆运算。 x y = a logy = x (称为:x是y以a为底的对数)以10为底的对数叫常a 用对数，以e=2.73..为底的叫自然对数。 2 100 = 10log100 = 2 10 对数运算法则: log(a*b) = log a + log b 例如:log 2*100 = log2 + log 100 = 0.3010+2 = 2.301 log a/b = log a – log b0 例如:log 1000/100 = log 1000 – log 100= 3 – 2 = 1 x log A= x* log A 2 例如:log 100 = 2* log100 = 4 0log 1 = 0 因为 A = 1 log 1/100 = log 1 –log 100= 0-2 = -2 对数尺度:把某一量取对数以后标在线性尺度上叫对数尺度logarithmic scale. 1 2 3 4 5 6 10 100 1000 10000 100000 1.3.1 分贝 上世纪初，贝尔 (Bell)发明电话，当信号经过放大器，信号功率增加/减少的对数就是贝尔，Bel. Bel.无单位，如输入1W，放大后为2W. Bel = log(2w/1w)=0.30103 1/10贝尔定义为分贝，decibel(dB)。 所以,增加了一倍,即增加了10*lg(2/1)=3.0103 dB,即增加了3分贝. 没有增益 10*lg(1/1) = 0 dB.若不是增加,而是减少了为原来的一半, 10lg(0.5/1) = 10 lg(1/2) = 10*(0-0.3) = 10 *-0.3 = -3 dB 三个重要的数字: +3 dB =2*….. +10 dB =10*…….. 0 dB =1*……. 所以,若 0 dB~ 1W 3 dB~ 2W 6dB~ 4W 9dB~ 8W 10dB~ 10W 12dB~ 16W 20dB~ 100W 30dB~ 1000W 33dB~ 2000W -10dB ~ 0.1W, -2OdB ~ 0,01W -30 dB~ 0.001W (即:每增加三个dB，则输出增加为输入的2倍。 1.3.2 声压级. Sound pressure level.(SPL) 声压级定义:声压的有效值P与基准声压P之比取10为底的对数再乘以20。 0 即 Lp = 20*lg(P/P)(dB) 0 -5 P=20μPa=2*10 Pa 0 例如,喇叭A比喇叭B声压大了一倍,问声压级提高了多少分贝? Lp = 20 lg( Pa/Pb) = 20* lg 2 = 6 dB. 计算声压级的时候，要乘20，是因为声功率与声压的平方成正比。即声压增 大一倍(为原来的二倍)，声功率为原来的四倍(就像电压增大为原来的二倍， 电功率为原来的4倍)。 例1:喇叭测试信号电压的峰值因子为6dB,问峰值时功率为平时的多少倍, 电压的峰值因子为6Db(相当于电压级为6dB)，说明峰值电压比有效值大一 倍，所以电功率为有效值的4倍。 例2:用Clio测谐振频率，3阶谐振频响曲线在提高了30分贝以后，在大于200Hz以后与总的相应曲线高度接近，问3阶谐振的声振动能量与整体比，为整体的多少, 答: -30 dB = 10*lg(X/1) -3 = lgX X = 0.001 =0.1% 1.3.3 声强级 某声强与基准声强I之比取对数乘10 0 L=10 lg (I/I ) dB I0 -122 w/m，又声强与声压的平方成正比。故 式中I = 100 在常温常压下，声强级与声压级相等。 2p2pp,00cIIL,10lg,10lg{},10lg(),20lg22Ip00p0p0 oo,c 声强级与声压级数值上相等，所以，声强级概念不常用。 1.3.4 声功率级 -12 Lw= 20lg w/w(dB) w= 10W (1000Hz) 00 1.3.5 声压级的叠加和平均 声强级，声压级，声功率级与声强，声压，声功率是不同的概念。以分贝为单位的各“级”只有相对的意义，无量纲，其大小与基准数有关。在一定条件下，声压级，声功率级，声强级数值上是相等的，三者统一用"声级"表示。 声强 W/m2 声功率W 声压 Pa 声级dB 22 10 10 200 140 747起飞 1 1 20 120 耳朵痛阈 -2 -2 10 10 2 100 织布机房 -4-4 10 10 0.2 80 汽车喇叭 -6-6-2 10 10 2*10 60 相距1米交谈 -8-8-3 10 10 2*10 40 轻声耳语 -10-10-4 10 10 2*10 20 静夜室内 -12 -12-5 10 10 2*10 0 最低可听阈 问:两个不同的声源，各个发出声压级为60 dB， Lp1 = Lp2 =60 dB总声压级为多少? 从声音传播的角度看，对于不相干的声源，空间某点的声压叠加，实际上是平均能量的叠加。 单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的平均能量。用声强 2I表示。单位:W/m 2I 与声压的关系:I = P/(ρC) 0 0 所以计算点声压级应是:将声压级转换成声压，再平方相加，得到总的均方根声压值，再根据声压级公式求得总声压级。 222 总声压计算公式为:P(t)=p1(t)+ p2(t) 计算方法: 60=20 lg p1/p0 3=lg p1/p0 p1=1000 p0 p2=1000 p0 2222 P(t)=p1(t)+ p2(t) =2* (1000P) 0 P= ?2* 1000P 0 Lp = 20lg(?2* 1000P/P)= 20 lg (?2* 1000) 00 3 = 20 (lg?2 +log 10)= 20 (1/2 lg2 + 3 ) = 3 + 60 = 63 dB ?1人说话60dB, 2人说话63 dB, 4人说话66 dB , 8人说话69 dB, 10人说话70 dB，100人80 dB， 1000人90 dB，1万人100 dB 例:歌舞厅内四对音箱单独开时，在某点点声压级为78、81、84、78 dB。问一起开时为多少? 两个78分贝喇叭 合在一起 为 78+3=81， 81与81合在一起为84，84与84合在一起为87分贝 1.4 声波的传播特性 1.4.1 声波在自由空间的传播 若声源的尺寸与声波波长相比很小，可将声源看成点声源,则离开声源r处的 2声强为:I=W/(4πr)。 22 声强与距离的平方成反比,而I与P又成正比, I=P/(ρC) 0 0 12I,P,I,2r 112,,p,p2rr ?P与r成反比，据离点声源越远，声压越小。 假设离开点声源r1、r2处的声压分别为P1、P2，则r2与r1处的声压级差是多少, 因为声压与距离成反比， 所以 P1/P2 = r2/r1, 或者 P2/P1 =r1/r2。 r1处的声压级 20lg(p1/p0), r2处的声压级 20lg(p2/p0) 声压级之差 20(lg p1 – lg p0 – lg p2 + lg p0)= 20 lg (p1/p2) 20 lg (p1/p2) = 20 lg (r2/r1) 即 ΔL = 20 lg r1/r2 如果 r2 = 2 r1,则 ΔL = -6 dB 可见:距离增加一倍，声压级下降6 dB(即声压为原声压的1/2)，声强为原声强的1/4。 (声压随距离的变化) 人在距离喇叭8米处声压级为108 dB;则16米处为102 dB;32米处为96 dB;64米处为90 dB。 问题:在0.2米处测的喇叭的SPL= 100 dB，问在1 米处SPL是多少, 答: 100 + 20*lg 0.2/1.0 = 100 + 20lg 2/10 = 100 + 20*(0.3 – 1 )=100 + 20* (-0.7)=86dB (声压与距离成反比)。 1.4.2 声音在管中的传播。 ? 能量集中，传播较远。 在截面均匀的管中传播的声波，因不向四周扩散，保持一个平面波，能量集中传播很远(通风管不作吸声处理，噪声能带进各房间)。对有限长的管子，到管口， 面积有突变(这种面积变化，相当于声阻抗发生变化)声波一部分向外辐射，一部分反射回去。为减少反射，在管子末端做成喇叭口，使阻抗有比较缓慢的变化，声波大部分向外辐射出去。 在扬声器音箱中常用倒相管，使喇叭后的辐射能有效地利用。 ? 当 L = nλ/4时, 辐射功率较高。 当管子的长度与波长可比较时，理论分析发现管子的长度正好为1/4波长的整数倍时，管子的辐射功率可以得到很大提高(笛子即用手指按孔改变管子长度的)。 人耳有2.5cm的耳道，共鸣波长为4×2.5=10cm, 10cm波长的频率为 344/0.1=3.44kHz，即人耳最灵敏频率。 1.4.3 声音在房间内传播。 室内听到的声音是直达声与反射声之和。 室内听到的声音比户外要响，取决于反射声的强弱，直达声与反射声之和。 反射声小的叫消声室。反射声强，并且房间各点声强密度均匀,相位差无规律的叫扩散声场。 扩散声场实验室叫混响室。 混响时间:室内声场达稳定以后，切断声源，室内声压衰减60 dB所需的时间。 公式为:T = 0.161V/(S*α) 60 T:混响时间(s) 3V:房间容积(M) 2S:房内表面积(M) α:房间平均吸声系数. 1.4.4 高低音的效果。 人的听觉从20Hz20kHz。20Hz只有20岁以下的人可听。做听觉测试时，最~ 高测听频率是8kHz。 声音传播时，高频比低频衰弱快。在100m远，10Hz比1Hz声压弱小30~35 dB。但比起低频，高频比较有方向性，高频波长短，受阻不会转弯;低频波长长，可绕过障碍物，所以高音音箱放低音音箱前,不受影响。 高频有方向性，通过人耳有细微的时间差，可辨别声音方向。对低频来说， 波长较长，如200Hz时波长为 1.72m。而人耳距离为10~12 cm，无法辨别。 知道高低频方向性不同，所以高低音喇叭不必放一起，应不影响方向的感觉。 1.4.5 男女对音频的反应. 在30岁以前，男女对高低频灵敏度一样。30岁以后，男性对高频灵敏度衰减快。如到了60岁，女性对4kHz只有-15 dB的衰减;而男性有-40dB的衰减。 这可能与男人毛发脱落(人耳蜗管中小毛脱落)有关 (男女听觉)。 1.4.6 声波的反射、透射、折射与互相干涉 声波在传播的过程中，遇到不同的媒体会发生反射和折射，还能透过障碍物。 不同的媒体的特性是由特性阻抗ρC 决定的, 特性阻抗不同的两种媒体0 0 声波传播到介面上，就会发生反射，在水下不容易听到水上人的讲话，就因为反射大透射小的缘故。 在管道中传播的声波，遇到管口突然放大或缩小，也会发生反射。要减小反射,要做成喇叭口。 下面是声波在大气中折射的例子。 声波的叠加:两列频率相同位相不同的声波叠加的结果如下图。 当两个相同频率的声波，但一列比另一列有延迟就会产生梳齿波形的频率分 布。 两列具有相同频率，固定相位差的声波叠加在一起的时候，会发生互相干涉。这和水面上看到的波的干涉是一样的。当两列相同频率但以相反方向行进的声波叠加后。这时各位置的质点都作相同位相震动。但是有的地方振幅很大，称为声压波腹; 有的地方振幅很小，称为声压波节。这种看上去停留在固定地方不动的波叫驻波。也叫定波，(波的干涉) 第二章 人耳听觉特性 2.1 响度与等响曲线. 人耳对声音分辨非常灵敏，从20微帕的0dB到120dB，声强的变化范围高达100万倍， 但人耳对强度相同，频率不同的声音有不同的响度感觉。对低频最不灵敏，高频次之，中频最灵敏。 下图为等响曲线图，用某频率信号与一定响度的1000Hz信号交替变换，听者感到响度相同时就把该频率的声强标在相应的位置。最下一条为可听阈，最上为痛阈。(等响曲线图) 用1000Hz的声压级表示响度级,单位为"方"(phon). 结论: 1.曲线0代表可听阈。低于此线之下不可闻。 2.响度级低时，各频率声压级相差很大。可差50dB以上。 3.当响度级别较高时，等响曲线近似水平(高保真放声在高声时，高低音都丰厚)。 4.在高频段曲线间隔相同，说明声压级变化时，响度级变化几乎相同。在低频段等响曲线间隔小，等响曲线对声压变化很灵敏。如80Hz，声压从60dB~80 dB，响度从30~70方。响度级只反映不同频率的声音的等响感觉，不能表示一个声音比另一个声音响多少倍的主观感觉。 响度:是描述声音大小的主观感觉量，响度的单位是"宋"(sone)。 定义:1000Hz纯音，声压级为40 dB时的响度为1宋;2宋的声音是40方声音响度的2倍;4宋为40方声音响度的4倍。多次人平均，响度级每增10方，响度增加一倍。也就是说，声压级增加10dB， 响度增加一倍。 如:10把小提琴同时演奏，比一把声强增加10倍，相应声压级增加10 dB，响度级也增加了10方，而主观响度只增加1倍。 人耳对响度的感觉随声压级变化。声压级低时，分辨率差;声压级高，分辨率提高。声压级在50dB以上，人耳的声压、响度变化最小，大约1dB。 小于40 dB时，声压级要1~3dB以上才觉察出来。一个乐队演奏时，假如低、高音都以100 dB的声压级录音，此时等响线曲差不多平直，低高音听起来有差不多的响度。如果重放时声压级较低，假如50dB，这时50Hz的低音刚能听到，而1000Hz的声音却有50dB，高音也同时听上去很弱，结果原有的音色都改变了。这时要想让 50Hz的声音听起来与1000Hz的声音有大致相同的响度，必须将其提升20 dB左右。因此声音以低于原始声(录音时)的声压级重放，必须通过均衡器(Equalizer)来提升低音和高音以保持原有音色平衡。 2.2 音调与倍频音程. 2.2.1 音调 音调或称音高，是人对声音频率高低的主观评价尺度。 人耳对音调变化的感觉不是线性的。如钢琴(88键钢琴，白52黑36，最低27.50Hz,最高4186.01Hz)A4键440Hz，升高八度到A5键f=880Hz，再升高八度，不是880+440=1320 Hz，而是880×2=1760 Hz。即相邻等音程之间的频率关系是对数关系。F2/f1 = 2， f3/f2 = 2，f4/f3 = 2 或者log(f/f) = log f-log f = 常n+1nn+1n数。 例如: log880-log440=2.94-2.64=0.30 log1760-log880=3.25-2.94=0.30 ? 我们说人耳对音调变化的感受是对数关系。 2.2.2 音程, 在频率轴上两个音高之间的距离称为音程。一个8度音程称为倍频音程(Octave)。人耳听觉范围可分为10个倍频音程。 20-40-80-160-320-640-1280-2560-5120-10240-20480 每个倍频程分为12个半音，每个半音可分100音分。 ? 一个倍频音程有1200音分。 钢琴最低27.50Hz，最高4186.01Hz。 每一倍频音程有12个半音，相邻两个半音频率之比为2的1/12次方1/122=1.059。 2.2.3 分数倍音程 在喇叭测试信号中，还常用分数倍频。如1/3 Octave， 1/6 Octave， 1/12 Octave。他们把一个倍频音程再分成3份、6份或12份。在分的时候，仍要求相邻频率之比为常数。例如f4 = 2* f1。 f1到f4为倍频音程，分成3份，则有f1 ?f2, f2?f3, f3 ?f4且f4 /f3 = f3/f2 = f2/f1 = D =const。 所以 F4 = D*f3 =D*D*f2 = D*D*D*F1。 已知 f4/f1 = 2。 即D*D*D =2，D 等于 2的1/3次方。 则 D=1.26 如果F1=40、 F4=80，则: F2=40*1.26=50 F3=50*1.26=63 F4= 63*1.26=80 1/6 Octave 相邻频率之比为 2的1/6次方，为1.125。 1/12 Octave相邻频率之比为 2的1/12次方，为 1.06。 人耳对频率的分辨能力，高音差2音分已经能分辨，差8个音分大多数能分辨。专业工作者可区分相差0.1Hz的两个音叉。钢琴调音师能准确的把 27.50 Hz调到26.8~27.2Hz，以满足人们的听觉。 2.2.4 粉红噪声 在音频测量中常用粉红噪声作测试信号。而不用纯音，因为粉红噪声的峰值因子更接近语言或音乐的峰值，它的频谱更符合人耳的听觉特性。 白、红噪声之比较: 白噪声频谱曲线很平，对任意固定的f2-f1频率范围能量是定常的;粉红噪声， 其能量在任一固定的频率比上是定常的。对相同的20-20kHz的能量，粉红噪声频谱必定开始值较大，随频率增高而下降，在632Hz处粉红噪声与白噪声能相等，然后下降。 对每单位频率来说,白噪声能量是一定的。1K-900Hz与200-100Hz的能相等。 粉红噪声能量每等比频率上是相等的。如10K-1K的能量(10:1)与1K-100Hz(也为10:1)的能量相等。因此以单位频率的能量而言，高频能量比低频能量小(10K-1K有9000个单位频率，1K-100有900个单位频率)。(白,红噪声之比较) 2.3 音色 音色是指乐音信号的频谱结构。它取决于乐器的激励、谐振和共鸣系统。 根据音色，人耳可鉴别出不同的乐器，甚至把基频略去，仍可分辨出来。如小收音机，扬声器下限频率为300Hz，但仍可听出鼓声。 2.3.1 激励 乐器是受到激励发声的，激励指摩擦，打击，吹奏这些激励有丰富的频率成分的乐器。乐器通过谐振，共鸣，有选择的放大某些频率，抑制某些频率从而构成不同乐器的特征。 2.3.2 谐振 如弦乐，在受弓的激励后，产生波的频率为: 1/2f= n*1/(2L)*(T/ρ) ρ为弦线的线密度 T为弦的张力 L为弦长 n为1，2，3„ 1为基频，2，3为2次谐频，3次谐频„n次谐频。 2.3.3 共鸣 共鸣箱决定了哪种谐频能有效放大，形成代表乐器的共振峰区。没有谐音，单纯的基频信号是没有乐感的。人耳一般只涉及最初的6-7个谐音，更高阶的谐音对音色贡献不大。实验证明，7阶以上的奇次谐波使声音变得粗糙、刺耳。 2.4 波的分解.付氏分析法.(Fourier Transform.) 根据付氏级数的规则,任何周期函数.满足一定的规律即可分解成一个无穷的三角级数之和. 例如:如图的方波f(ωt )可写成: 41111,f(t),(sin(,t)，sin(,3t)，sin(5,t)，sin(7,t)，sin(9,t)，,,,,,,,,,,,,3579, 其中,只出现奇次谐波,偶次为零,一般情况,奇偶都有.( 波的分解) 如果给喇叭一个纯波(常是单一正弦波)信号，喇叭发出也是一个纯波,则喇叭无失真.出来的波形无变化. 常常是给一个纯波后，出来的波形发生变化，对输出波进行分解,可以看到除了原输入的基波外,还产生出许多高次谐波,所谓的谐波就是与基波频率成比例的波，谐波如果比纯波基波的比例大,即失真严重. 在谐波分析中,有一种可用较快速度求出各次(各阶)谐波的方法，叫快速付氏分析法. FFT (Fast Fourier Transform) 在喇叭测试中,常用 总谐波失真来表示失真的大小，定义为: Total Harmonic Distortion 222HHH，，.........N23THD,，1002222HHHH，，，....N123 其中 H表示基波的振幅，下标2，3，。。。n表示2，3，n 次谐波。阶数n(不是1 倍频),如基波为50Hz, H1 =50, H2=100, H3=150, h4=200,„„ 用振幅的平方，因为波动的能量与振幅的平方成正比。 THD 一般只有百分之几。 一般喇叭中听到的杂音(Rub & Buzz)可用大于9次谐波,在总波中比例来表示。 222H，H，....H N1011Rub&Buzz,2222H，H，.....H，...H1N210 杂音一般的限定为 0.1 % 。 如图是SoundCheck对一个喇叭RUB & BUZZ检测的结果 在400 Hz处有问题. 在400 Hz处,喇叭棚架焊接不好. 1700 Hz处,是胶水黏接不好. 2.5 失真的觉察. 失真是音质评价中的重要参量,失真是由系统的非线性引起的. 谐波失真:输入正弦信号时,输出信号中的谐波与总输出信号之比.互调制失真,输入二个不同频率的信号f1,f2,出现f1+f2, f1-f2的信号所占的比例. 总谐波失真,由谐波失真产生的输出信号有效值与总输出信号有效值之比. 实验证明,人耳对2-5阶谐波以及10阶以上,反应灵敏,为确定人耳对失真的觉察能力,先定义0 dB的主观失真度. 定义:对任何音频正弦信号,在自由场中聆听声压级为90dB的纯音时,刚能听到微弱的谐波失真,称为 0dB主观失真度. 例如在50Hz ,90dB的声场中,加入二次谐波(100 Hz)信号从小到大,刚能听到,测得二次谐波的信号大小为68.8dB,当二次谐波的信号低于68.8 - 90= -21.2 dB时,二次谐波不再为人耳觉察, -21.2dB称为二次谐波的0dB主观失真度. 沈壕实验结果如下: ? 结论: 1. 人耳对失真的感觉阈值很宽,从2次谐波(-20dB,即10%,)到40次谐波(-80dB,即0.01%) 2. 对7次以上谐波非常敏感,只要大于0.3%(-50dB)就能觉察(Sound check 取0.1%,-60dB) 2.6 哈斯效应 Hass 当两个强度相当而其中一个经过延迟的声音同时到聆听者的耳中,如果延迟在30ms之内,听觉上感到声音好像来自未延迟的声源,并不感到延迟的声源的存在. 当延迟D: 30ms < D < 50ms,虽可识别已延迟声源的存在,但仍感到声音来自未经延迟的声源.当D>50ms时,才感到延迟声成为一个清晰的回声. 哈斯效应又称优先效应,在建筑学中很重要,如天坛,沿在圜丘中央讲话,声音宏亮.剧院要在台口两侧,上方设置反射板.为防止相邻扬声器干扰,避免一个扬声器声音成为另一个扬声器的回声,相邻扬声器距离应小于17m(17/340=0.05s=50 ms). 2.7 掩蔽效应 掩蔽效应是指同一环境中的其他声音会使聆听者降低对某一种声音的听力。例如当一种复合声音信号作用到人耳时，如果其中有响度较高的频率分量，则人耳不易察觉到那些低响度的频率分量，这种生理现象称为掩蔽效应。 实验证明，对于纯音，一般低音容易掩蔽高音，而高音较难掩蔽低音。 掩蔽效应有利有弊，一些降噪系统就是利用掩蔽效应的原理设计的，在数字 电路中，可利用掩蔽效应进行压缩编码， 如MP3. 第三章 电,磁,机械震动基本知识 3.1 电学基础知识. 3.1.1 欧姆定律. Ohm's law 流过导体的电流与导体两端的电压成正比,与电阻成反比. I=V/R 单位 3.1.2 电功率 22 P=VI P=IR P=V/R 问: 8欧喇叭，要施以 1 瓦的功率，应输出多大的电压, 2 V = 1*R , V=2.83 问:一台仪器，输出阻抗为600毫欧，要输出1瓦的功率，输出电压是多少, 2 V = 1*R = 1* 0.6, V= 0.775v 3.13 电压的有效值和峰值系数(波峰因子Crest factor) 对正弦交流电,电压的有效值,平均值如图. 所谓有效值指在一个用电器上,产生与交流电相同功率的直流电电压.平均值是指在交流电一个周期内电压绝对值的代数平均值. 正弦交流电若峰值为1, 有效值为 0.707, (低3分贝).平均值为0.637. 波峰因子为 峰值与有效值之比,正弦交流电的峰值因子为: 1/0.707=1.414 ,3分贝. 喇叭测试中用的白噪声,粉红噪声的峰值因子为 6 分贝,即峰值比有效值大一倍. 注意,交流电的电压和电流的分贝计算都是: 20lg(V/V0), 20lg(I/Io) 因为 分贝计算适用于计算功率,而电功率与电压及电流的平方有关,因此LOG前面的系数为20. 电压增加一倍(为原来的两倍),即提高6分贝, 即为原来的1.414倍. 3.1.4 导体的串连与并联 串连电路: R=R1+R2+R3 总 并联电路:各导体上电压相等. I=I1+I2+I3„„ 总 1111,，，RRRR0123 3.2 有关磁场,电磁的基本知识. 3.2.1 磁感应强度.B 单位磁荷(正磁荷N)在磁场中受1 Dyne力,磁场强度为1 GAUSS(c,g,s 单位). 在磁场中,垂直于磁场方向的通电导线会受到磁场力的作用,其力F的大小与电流强度I和导线的长度L的乘积成正比,其比值叫导线所在处的磁感应强度,用B表示. B = F/(I*L) B的方向与磁场方向相同,即小磁计N板所受力的方向. B的单位. Tesla. 1T = 1N/(A*m) 一般永久磁针 B=0.4-0.7 T 交流电变压器铁芯 B = 0.8-1.7T 超导体 1000T -4 地球表面 0.5×10 T 3.2.2 磁通量 Magnetic Flux 磁场的强度还可以用磁感应线的疏密来表示. (磁力线分布) 定义:面积S,匀强磁场B,通过这个面的磁通量为φ ?φ=B*S 磁通量使用单位: 麦克斯韦. 2 φ的单位:韦伯(Wb) 1 Wb=1T * m 单位面积的磁通量叫磁通密度. (Density of Magnetic Flux) B=φ/S,即磁感应强度. 2 ? Wb/m= T 早期磁场强度(磁感应强度)还用Gauss[Gs]作单位. 1T = 10000 Gs 因为 B = F/(I*L)， 所以单位长度的通电导线，在磁场中受的力为:BI 在喇叭制造业中， 把它称为动力因子(Force Factor)，是很重要的参数。 BI的单位:N /m 意思是 每米长的通电导线在磁场中受到多少牛顿的力 3.2.3 法拉第定律(左,右手法则) 1. 在磁场中通电导线会受到磁场力的作用.力的大小与磁场强度,导线的长度与电流强度成正比. F=BIL 其方向服从左手定则,左手掌心面对磁力线方向,四指为电流方向,则拇指为受力方向. 螺线管,右手握管,四指指向电流方向,大拇指为北极方向. 2. 闭合电路的一段导体,在磁场中作垂直磁力线的运动,会产生感生电动势,电动势(电压)的大小与磁场强度B运动速度V及磁场中导线的长度成正比. (右手定则) (电压)U = BLv 电压的方向,服从右手定则,即右手掌心,面对磁力线方向,拇指指向导线运动方向(速度方向), 则四指为电压(电流方向). 感生电流的方向是他产生的磁场阻碍运动的发生的方向. 3.3 交流电路. 3.3.1 交流电路的性质. 大小,方向随时间而周期性的变化的电压或电流叫交流电. 交流电的基本形式是正弦交流电. U = Usin(ωt) m I = Isin (ωt) , ω=2π f m Um Im 为电压和电流的振幅 交流电的有效值. 交流电在一个周期内通过电阻产生的热等于直流电相等的电压叫交流电的有效值. 2,,dW,IRdt 2TTTIR222m(sin)(1cos2)W,dW,IRdt,RI,dt,I,,tdt,RTmm,,,,002200 2 而直流电 W = IR T 22 所以 I = I/2 ,I = 0.707 Imm 同样 电压 V = 0.707 Vm 市电Um = 311v 有效值 311*0.707 = 220v 3.3.2 交流电中的电容. 常用数学公式. ,,cosx,sin(x，),x,22 ,,sin(x,),,cosx,x,22 sinxdx,,cosx, cosxdx,sinx, dsinxdcosx,cosx,,,sinxdxdt 三角函数曲线的超前与落后。在曲线图上sin(x+π/2) 比 sin x 超前π/2 相位角 sin(x-π/2) 比 sin x 落后π/2 相位角 电容:二金属板中间为绝缘介质,构成电容器,极板的大小,介质的性质决定可充电荷的多少,单位电压下可充的电荷数叫电容. C = q /U , q (库伦)， U (伏特) C ( 法拉) 电容的导电特性,可通交流电,不通直流电,且阻抗随交流电频率的增大而减小. 当把正弦电压加到电容器上时,电容器开始充电和放电,充电时开始较大,慢慢随着电容器电压升高,电流减少,到电容器电压与电源电压相等时,电压最大,电流在达到平衡情况下为零. 已知极板上的电压与电荷的关系为: qqC,,q,C*U,U,U,C 1,U,idt,,,,,,？i,Isintm,C ,III1mmm,,,,？U,Isintdt,sintdt,(,cost),sin(t,)m,,,CCCC2 Imlet..U,,m,C ,？U,Usin(t,),m2 结论:1，Um = Im/(Cω), 有效值 U = I * 1/(Cω) 2. 根据欧姆定律1/(Cω)有电阻的性质， 称为容抗， 写成 Xc = 1/(Cω),单位:欧姆。 3，ω=2πf, 当f增大，容抗变小, 当f减小，容抗变大，直流电时，容抗无限。 4， 电容上的电压 在相位上比电流落后π/2，或者说，电容上的电流 在相位上比电压超前π/2。 3.3.3 交流电路中的电感. ? 电感的实验. B灯在开关闭合时逐渐转亮. B灯在开关拉开时逐渐转暗. ? 现象的解释:电流流经线圈?产生磁场?磁场的变化产生“感生电动势"或感生电流,感生电动势或感生电流的方向确定的原则:楞次定律:即感应电流激发的磁 场总是阻碍原来磁场的变化(导体中电流增大时感应电动势与线圈中的电流相反,阻止线圈电流增大,当线圈中电流减小,感应电动势与原来的电流方向相同,阻止线圈电流减小). ? 感应电动势的大小. 在纯电感电路中,电感线圈两端的电压,与自感电动势间有: u = e L 因自感电动势 e = -L di/dt L ? u = L di/dt ,did,,,,,,u,L,L(Isint),LIcost,ILsin(t，),let,,,IL,Ummmmmdtdt2 ,？u,Usin(t，),m2 结论:1，Um = Im*Lω, 有效值 U = I * Lω 2. 根据欧姆定律Lω有电阻的性质， 称为感抗， 写成 X = ωL,单位:L欧姆。 3，ω=2πf, 当L增大，感抗变大, 当f减小，感抗变小， 直流电时感抗为零。 4， 电感上的电压 在相位上比电流超前π/2，后者说，电容上的电流 在相位上比电压落后π/2。 3.4 复阻抗. 3.4.1 复数复平面和复向量. 一个x轴(实轴)与垂直的y轴(虚轴)构成一个复平面,平面上的任何一点 可代表一个从0点出发的向量， A= a + ib 其中 i为虚轴的单位,定义为 i,,1 向量的模: 向量与x轴的夹角 b,1,,tana 由于 ,,a,rcos,b,rsin A,a，ib,rcos,，rsin, 22r,a，b ,ie,cos，isin,, i,？A,re 根据欧拉公式 φi e是模为1，复角为 的复数(复向量) φφi i 一个复向量re乘以e表示这个向量旋转了一个角度。 ,ii,i,i(,，,)A*e,re*e,re 已知 ,ie,cos，isin,, i,？A,re 若 φ = ?π/2 则 ,,,,i,e,cos(,)，isin(,),cos,isin,,i2222 所以任何向量乘 i即此向量逆转π/2，任何向量乘 –i 即此向量顺转π/2 i运算规则: i* i = -1 , i/i = 1 3.4.2 用复数表示正弦量 交流电是正弦量.可用有向线段(向量)来表示. ?在电工电子学中常用复向量来表示正弦量.并用j代替数学中的i,并在表示 I,U 上加“.",表示是个向量. U = sin(ωt + φ) ωφj(t + ) I = sin (ωt + φ ) 相当于 .I = I e m ωφj(t + ) .U = U e m 在纯电容或纯电感电路里有 Uc = 1/(ωC)*Imsin(ωt - π/2) I = Um/(ωL)*sin(ωt - π/2) L 又复向量来表示，有:.U = 1/(ωC) .I*-J = -J/(ωC)* .I 令 Xc = 1/(ωC), -j Xc 叫复容抗 同样: .I = 1/(ωL) .U*-J = -J/(ωL)* .U .U/.I = (ωL)/-j = jωL 令 X = ωL, j X 叫复感抗 LL 复容抗和复感抗合在一起叫复阻抗。 复阻抗的概念的提出使电路里含有电容电感时，更容易计算电压电流的相位关系。 例:串联电路 已知R,L,C 串联电路， 求电压和电流的关系，求阻抗。 11，，，，，，，，，，,,UUUURIjLIIIRjLIRjXIZ,，，,，，,(，(,)),(，),,RLC,,jCC X,X22LC,，(,),tan,,ZRXXLCR U = Z Im sin(ωt - 50º), 电压比电流落后相位50º，呈容性阻抗。 ,,,,,,,R8,L1mH,C10F,1000Hz 1,,，,,,ZRJ(XX),XL,XLCLC,C 122332,,Z,R，(X,X),64，(21010,)LC3,3,6,,210101010复阻抗的倒数，叫复导纳 Y 称复导纳，实部G称电导，虚部B称电纳 2,64，(6.28,16),12.6, X,X6.28,16,1,1,1OLC,,TAN,TAN,TAN(,1.2),50,atFourthQuadrantR8 于是，串联电路，总阻抗为各阻抗之和 并联电路，总导纳为各导纳之和 RCL并联电路: ，，UU11，，，，，，，,,,，，,，，,，,,，,IIIIUjCU(j(C))U[Gj(BB)]RLCCLRjLRL,, ，，,，,U(GjB)UY, 22,，YGB 其中，B电纳, Bc 容纳， Bl 感纳 3.4.3 并联谐振电路的等效互换. 若并联谐振电路再并联一电阻,并联时电?相加. 3.5 谐振电路 11，，，，，，，，，，,,U,U，U，U,RI，jLI，I,I(R，j(L,)),I(R，jX),I,ZRLC,,jCC ,XX22LC,，(,),tan,,ZRjXXLCR 3.5.1 串联谐振电路(串联谐振电路) 谐振电路由电感线圈和电容器组成. 由电工学,LC串连电路的总阻抗. 当XL = Xc 时 即电抗X = 0, ωL=1/(ωc) 令此时的ω为 ω 0 1f,02,LC 1，，，I,U,YUZ Y,G，jB 2 已知ω=2πf, ω=1/(LC) 0 叫谐振频率。 串联电路谐振时的特性. 1. 阻抗呈电阻性,容抗和感抗抵销,电抗为零. 2. 谐振时,电流最大,失谐时,电流变小. 3. 用电路的容抗或感抗与电阻之比来表明电路的谐振时的电损耗. Q = ωL/r Q = 1/(rωc) L1L1LQ,,,,rrrCLC 5. 物理解释:串联电路,电流相等,电压相加,超前电压π/2， U落后电压π/2 结二L者位相相反,当 ωL=1/(ωc) 时,振幅大小也相等,结果, Uc + U=0 电压小, 电L 流大?阻抗很小?r 6. LC串联电路中的?Z?频率响应曲线和相位曲线. 3.5.2 并联谐振电路. 并联谐振电路 ? 分析并联谐振用导纳法计算方便. 已知,电感支路和电容支路的阻抗为 ,,，ZrjLL 1,ZCj,C ?感纳和容纳分别为 1Y,,Y,j,CLCr，jL, 并联电路总导纳为支路导纳之和. ,1rLY,Y，Y,，,jc,,j(,,C)LC2222r，jLr，(L)r，(L),,, 当电纳为零电路只有电导,即达到并联谐振 即 ,L,,C,0,22r，(L), 电路中很小分母可略 111112,,,C0,,,f,,？,,,0,LLC2,LCLC 上述结果与串联谐振相同 谐振时的电导 因 rrrC2,r,,(L),？,,,r02221L(,)(,)r，LL20LLC 导纳于阻抗互为倒数，所以并联电路阻抗为 L/Cr 又已知品质因子: 1L1L2Q,,Q,2rCCr 所以并联谐振时的电路阻抗为 2R,Qr0 并联谐振特性: 1. 谐振时,电纳为零,电路呈纯电阻性.电流电压无相差. 2. 谐振时,电路阻抗最大,是r的Q的平方倍 3. 谐振频率公式与串联谐振一样. 4. 谐振时,总电流最小(电阻最大). 5. Q的大小影响阻抗曲线的形态. 6. 物理解释:并联电路,电压相等,电流为各支路之和,Ic 比U超前π/2，I 比U落L 后π/2,当谐振时,电流振幅相等.结果组合在一起电流为0,所以电抗很大. (电磁震荡) 3.6 机械振动基本知识. 3.6.1 自由振动方程. 质量为Mm,系于弹性系数为Km的弹簧上,无外力干扰时,重力与弹力平衡,取质量静止位置为坐标原点,在外力作用(拉,推)下,弹簧拉伸或压缩,重物在平衡位置反复运动----即发生振动. (简谐振动) 虎克定律: F = -Km x Km 为弹性系数(倔强度)单位: 牛/ 米 Km 的倒数 1/Km = Cm 称为顺性系数，柔度系数，力顺， 单位: 米/ 牛 虎克定律式中取号,表示形变与受力的方向相反,即x为正时,弹力为反x方向的. 按牛顿定律: 力等于质量乘加速度。 2dxMm,,Kmx2dt 2dxMm，Kmx,02dt Km2,let,,0Mm 2dx2,So,，x,002dt ,,thesoluation,x,Asin(t，)0 ,,,2f00 1Km11,,f02,Mm2,MmCm 称为弹性系统的固有频率。 可见: 质量大 ，固有 频率小 ; 质量小 ，固有 频率大 柔性大 ，固有 频率小 ; 柔性小 ， 固有 频率大 3.6.2 阻尼振动.(力学模型) 振动会受到阻尼力,这种力可以是振动物与周围媒介的粘滞,或向周围辐射声波,前者振动能量转成热,向四周耗散,后者成声波向四周发散. 阻力:是速度的函数. 牛顿阻力简化为阻力与速度成正比,方向相反. dxFRvR,,,,mmdt 加上阻力以后，运动方程变为: 2dxdxMm，Rm，Kmx,02dtdt 2dxdx2,,or,，2，x,002dtdt 1Rm2,,there,,,2,0MmCm2Mm 2,,t2thesolution,x,Aesin(,,,t，,)0 特点:振幅随时间呈指数减小. 令 δ=Rm/2Mm 从方程可看出， 22,,,,0 22,Mm120,()22Rm ,Mm0,0.5Rm ,Mm0,QmRm 称为力学品质因子 可见要维持阻尼振动品质因子要大于0.5。 3.6.3 有阻尼强迫振动. 有阻尼振动要持续振动,必须有外力的不断激发,如音圈由电磁力F=BIL 激发一样,由于激发喇叭的是一个交变电流，所以外力可写成:F= h sin(ωt ) 外 结果运动方程为: 2,dxdx，，,MmRmKmxHsint2dtdt dx1？,,,v,xvdt,Km,dtCm then,thefunction dv1,，，,MmRmvvdtHsint,dtCm ,Mm0,QmRm 1,f02,MmCm 其中 v: 振动线速度 Mm: 振动物体质量 Rm: 阻尼系数 Cm: 弹性物体的力顺。(顺性系数;柔性系数) H: 外力强迫振动的力辐 ω: 强迫力振动频率 Qm: 机械品质因子，机械损耗因子。 fo: 谐振(共振)频率 3.6.4 机械振动的 振幅,速度,加速度随频率变化如图: (振动振幅)(振动速度) (振动加速度) 以上振幅,速度,加速度三曲线可见, 当f比f小很多时,只有振幅在Qm小时,有较平的响应曲处线.再有，当Q大0 时，共振振幅很大。 振动的线速度,有如图的结果.说明当Qm较大,在f时,速度很大,注意反电动势0V=BIv,可见在 f附近,反电动势很大.阻抗很大。 0 当f比f大很多时时,加速度曲线只有在Qm=0.71左右时,才获得较平的频率0 响应. 考虑到声波的声压直接与物体振动的加速度有关， 因此，喇叭的机械品质因子Qm是非常重要的参数。 3.7 机械振动与电磁振荡的类比. Electro-mechanical analog 电磁振荡与力学振动是不同的物理现象,但都是一种振动,必服从相同的运动规律. 由于电磁振荡为人们熟知,了解深透,借助于电磁振荡来研究机械振动为人们所采纳. 3.7.1 RLC串连电路的电机类比. 若电源电动势为E= Em sin (ωt ) 则,RLC串连电路的电压为各元件上电压之和.U = U + U + Uc LR IdtdIq,U,L,U,IR,U,,LRCdtCC dI1L，RI，Idt,Esin(,t)m,dtC 根据电学知识， ，L,E110，IZRjLfQ,,,,,，(,),,,,,0ZCR,LC2, R,L,C,ω算得 Z可由 由此，可计算得 I, E,I的位相差等等 11，，，，，，，，，，,,UUUURIjLIIIRjLIRjXIZ,，，,，，,(，(,)),(，),,RLC,,jCC X,X22LC,，(,),tan,,ZRjXXLCR 将有阻强迫振动方程与串联谐振电路作比较: ,dv1M，Rv，vdt,Hsin(t)mm,dtCm dI1,L，RI，Idt,Esin(t)m,dtC v,I M,Lm R,Rm C,Cm 11f,0,2MCmm Mm,,Q0mRm 这种类比,将力学系统的阻抗类比于电学系统的阻抗,称阻抗型类比. 已知,串联电路的阻抗为: 1,ZRjL(()),，,,C XX,22LCZRj(XX),tan,,，,,LCR 所以, 机械阻抗类比为: 1,Zm,(R，j(M,))mm,Cm X,X22MmCmZ,R，j(X,X),tan,,MmCmRm 由公式可以看出,振动阻抗来自机械阻尼,物体质量和弹性柔度. 在频率很低时,系统在弹性控制区,位移可得到平坦的曲线,凡是对位移发生相应的电声器材,主要的工作频率要设计在此区域,如电容式麦克风. 当频率很高时,机械阻抗来自质量抗,系统在质量控制区,加速度有平坦的曲线, 凡是对加速度发生相应的电声器材,应工作在此区域.如电声喇叭,辐射功率: 12Pv2R,m2 22,,sDR,m,2C 222,,,ss22DD？P,v,,a2,c2,C α= ωv 为加速度振幅, 可见声功率与加速度的平方成正比. 当频率等于谐振频率时,机械阻抗来自机械阻尼, 系统在阻尼控制区,速度振幅在f附近,当Q 小,Rm大时,有平坦的曲线,凡是对速度发生相应的电声器材,如0 动圈式传声器应设计在此区域. 将电路与机路结合在一起，考虑电路里流的是电流，机路里流的是速度，若要把电路合到机路，电路需要做一些变换。把原先电源电压改成驱动力，说把电路原先流的电流改成流的是速度，即: u -----F I -----v 1,已知 F = BIL, 而电路里的电流 I = u/(Re+jωL) ,F = BIL = BLu/(Re+jωL) 《RL串联》 2,已知 驱动力 与速度 v的关系为:F/Rmm = v , Rmm代表机路的阻抗。所以 Rmm = F/v =BLu/(Re+jωL).1/v = BL/(Re+jωL).u/v = BL/(Re+jωL).BLv/v = BL*BL/(Re+jωL) 即阻力抗相当于 BL*BL/(Re+jωL) 时， 在 “力 BLu/(Re+jωL) “ 作用下，电路力流的才是速度v. ,FBlu/(Re，jL)u ,,,v2,RmmBlBl/(Re，jL) 此时，构成阻力抗的电路元件应该如下图: 计算此时的阻抗 211BLZ,,,1ReLRe，j,L，JC，J,,22RBLBL 《串并联互换》 最后，统一到机路的模拟等效线路图为: 其中; Cms --- 喇叭悬架系统的机械力顺， Mms --- 喇叭振膜组件及空气负载的机械质量， Rms --- 悬架系统的机械阻抗， Qms --- 只考虑机械损耗，f = f0 时的品质因子 Qes --- 只考虑电的损耗，f = f0 时的品质因子 上述符号中， m 代表机械， s 代表悬架系统(suspansion)，e 代表电系统 3.7.2 并联电路,电机类比. 并联电路 各支路电压相等,总电流为各支路电流之和. I,I，I，ICRL dqdu？q,uc,？I,,ccdtdt uI,RR dI1L？u,L？I,udtLL,dtLthen, duu1C，，udt,Isin,tm,dtRL 与机械振动方程比较: ,1dvsin()，，,MRvvdtHtmm,dtCm ,1duusin()C，，udt,Itm,dtRL H,Im v,u M,Cm 1R,mR C,Lm 11f,0,2MCmm Mm,,Q0mRm 以上类比中，力阻抗与电导纳相比较，故称为导纳型类比。 对并联电路，已知: ，U，，I,,UYZ 11,Y,，jC， ,RjL ，I，U,11,，，jCRj,L 同样对机械振动可算得: v，H ,1,RmjMm，，j,Cm 电谐振频率: 机谐振频率各为 v,u M,Cm 1,RmR ,CLm 11,f0,2LC 11,f0,2MCmm ,Q,CR0Emm Mm,,Q0mRm Qm的物理定义: 表示在一个周期的机械振动中,留存的能量与消耗的能量之比. Qm大,系统留存能大. 振荡能长期持续. Qm (阻力)大，消耗能多. 振荡能衰减迅速 把并联电路于机械震动类比时，常把机械的线路全部反映到电流电路,就必须要经 2过一个能完成阻抗变换的结构----变量器,这里量变因子为Bl 这里要改变的是:把并联机路里流的速度变成电压U, 把并联机路里的力变成电流 I, 例如阻力抗 1/Rm, 要做些变化才能变为并联电路里的电阻 1vvBlvuR， 可见， ,,,,,222RFBliBliBliBlm 2阻力抗 1/Rm要乘以Bl才能在电路里代表电阻 2同样，机械力顺 Cm ,要乘以 Bl才能在电路里代表电感 2机械质量 Mm , 要除以 Bl才能在电路里代表电容 我们用以下符号 2 C = Mm/ Bl代表驱动器总的活动质量(包括空气负载)的电容. mes 2Lces = Cm Bl代表驱动器机械力顺的电感. 2 Res = 1/Rm * Bl代表驱动器机械损耗的电阻. 在以上的符号中，m 代表质量， c 代表力顺，s 代表悬架系统。 结论: 1. 机械振动可用一个电路进行类比，用串联电路类比，则振动质量相当于电感， 力顺相当于电容，力阻相当于电阻, 用并联电路类比，则振动质量相当于电 容，力顺相当于电感，力阻的倒数相当于电阻。 2(喇叭是一个机、电、声结合的产品，把机电整合在一起的时候，机或者电， 2都要做些变化，有的书称为“要加一个量变器”，机路的元素要乘Bl。把机、 2 声整合在一起的时候，声路的声阻要乘 S。S是震膜的面积，才相当机路 里的机械阻抗. 3(不论哪种类比，谐振频率和机械品质因子的算法都一样。 4(机械品质因子是计算喇叭参数的一个重要的量。 第四章 喇叭参数测试 4.1.1 喇叭结构名称. ( 喇叭结构名称 ) 4.1.2 磁场. 喇叭的线圈在磁场中运动,最重要要保证磁场的对称性,即线圈上下运动时受的力量相等的(对称的). (磁力线分布图) ? 三种永磁材料:铝镍钴,铁氧体,稀土钴 铁氧体矫顽力大,价低(1.5T).稀土钴可制成小而薄的永磁体.常用钐钴磁钢,铈钴磁(2.2T) ? 三种不同形式的极片(Pole piece) a. 对称性最差. b. 对称性较好. c. 极片呈角状,有很好的对称性. ? 磁感应强度B服从正态分布. 4.1.3 间隙和动力因子Bl(机电转换因子). ? 两种音圈 (两种音圈) 喇叭中常用两种不同的音圈 长线圈(目前用的较多) 短线圈 扁线(ribbon wire)有以下好处: *比圆线可多绕 27%。 2*很方便的阻抗调整，调整时，只要改变导线的宽度就可以，而Bl/Re 维持不变。例如，已有的线圈，额定阻抗8欧，要想改成16欧，只要把扁线的宽度缩小为原先的 0.7 就可以了。(见图:扁线的饶法) ? 最大位移 Xmax = (音圈长 – 空隙长)/2 是保证证定长的音圈在磁场中受力对称的可移动最大距离. 短线圈在间隙中运动时,有较好的线性,但BL值相对较小,音圈质量也小,长线圈也有较好的线度,较好效益(尽管质量较大). ? 间隙高与最大位移距离之比. Xmax决定于间隙高和音圈长.例如:12mm长的音圈和8mm高的间隙Xmax=2mm,而8mm的音圈与4mm的间隙Xmax=2mm.尽管Xmax相等,但 间隙高/Xmax 是明显不同的,前者是4:1,后者是2:1.此比法控制了音圈运动出间隙时BL的减少程度. 右图为音圈BL变化, (图为音圈BL变化)音圈BL在Xmax 的 2倍时急剧下降,但长音圈下降明显要慢.虽然在2倍距时BL才下降,但此时3级谐波会大量出现.实验证明,?+15%点,即3级谐波失真达3%的点. 4.1.4 短路环(法拉第圈). 作用: ? 减小谐波失真. ? 提高高频频响 通电导线在磁场中会运动,而在磁场中运动的导体又会产生感应电动势:EMF,信号电流与EMF会产生一个调制磁场,使产生二级谐波失真和磁体中的涡流,减少调 .制磁场与谐波失真的办法之一是用短路环.短路环的任务是产生与音圈相反的大小相等的磁场.右图为四种不同形式的短路环。 屏蔽罩另一好处是减少音圈的电感,改进中高频的频率响应.而且可减少二级谐波失真, 右图为5.5"woofer,有短路环与无环的比较,在中高频,有环提高3-4dB. 4.1.5 音圈材料和绕法(winding). ? 管架. 音圈的former有两种基本形式,导体或非导体,导体常用现成硬铝. 管架也常会产生涡流,所以管架不做成整体环状,而是分成一小圈一小圈,中间有隔槽,像短路环一样,以减小 涡流. 非导体音圈架常用纤维玻璃fiberglass或Kapton(耐高温塑料----Dupont公司),制成导体架的?比非导体架小2-4.,非导体架?常为4-12(涡流使导体架的Q减少).但非导体线架无涡流问题,因而产生的失真也会小一些. 线架材料对响应曲线的影响如图. 线架材料对响应曲线的影响 5.5"woofer,材料都相同,除了a为硬铝(Duraluminum).B为kapton. 用kapton线架的在1.5K以上高出1-2 dB.应指出上述差异除了涡流之外,而部分是因为kapton材料较轻(硬铝较重). ? 绕线. 导线的绕线方法也影响响应曲线.音圈绕线长了,圈数多,必然使电感增大,影响高频响应,就像串接一个分频器一样. 线圈的圈数,线架的尺寸(半径)都影响电感,但最大影响的是线的层数(layers). 右图为5.5"woofer,除了绕线层数外其他相同. 4层的在2.5KHz处出现了-3dB. 2层的出现-3dB在4.5KHz,某些商家使用此特性， 用4层绕线低音分频器. 4.1.6 纸盆结构和共振模式. 喇叭锥盆的运动特性常用活塞推动空气来解释.空气运动的传递(transference) 是受限定的.低端(频率)受到共振频率的限制.高端受到空气辐射阻力(radiation impedance)制约(空气对运动有阻力,辐射阻力随频率而减少到某点便不再减少,频率增加阻力不变).较小的纸盆能产生比大锥盆高的频率. 纸盆的运动有两种模式:径向的和同心的(Radial modes, concentric modes). ( 纸盆的运动有两种模式) 如图,其中+,-表示位相.径向多发生在低频,主要运动是同心模式的,波动由中心到边缘传播时,又会发射产生干扰波,有增有消,使在喇叭的响应曲线上出现波峰波谷. 当频率增加,纸盆的有效辐射减小,所以很高的频率是来自纸盆的中心。到某一频率,纸盆的有效辐射质量变得很小,输出能急剧减小,即高频滚降(rolloff). 要获得较高的截止频率,音圈质量与纸盆质量之比必须尽量小(高频的rolloff也受音圈电感控制). 讨论扬声器频响时,常常将它看成活塞,运动整体是一致的,但随频率增加,有分割振动,出现声?和声圈,出现第一个声圈时,频响曲线出现中频谷.音圈受力后,在振膜上激发出纵振和横振.横振(同心)由中心传向基部再反射回来.形成驻波.第一个节圆常出现在振膜靠近折环的部位,此时折环振幅较大,而相位却与振膜相反,互相抵消,频响出现谷点. 解决办法: ? 折环形状从正弦波纹改为近锯齿波纹,使不易共振. ? 采用阻尼较大的材料,或在折环上涂复阻尼材料. ? 压边采用阻尼较大的材料,减小盆架发射能量. ? 保证力顺条件下,减小折环宽度(即减小折环辐射面积----减小折环辐射的声波) 4.1.7 纸盆. ? 纸盆厚度自R环向锥顶顶部逐渐加厚,同平面上厚度相等. ? 直径,直径大,低辐射功率好 直径小,高辐射功率好. ? 顶角.顶角小,高频辐射好. 要求: ? 纸盆密度要小. ? 机械性能要大,杨氏模量E要大. (拉力,压缩力与形变之比值),单位 2N/m. ? 适当的内部阻尼. a. 纸浆中掺碳纤维,它具有密度小,刚性好,且耐热,耐蚀,稳定. b. 在盆面上蒸发一层金属铍(Be),铍，灰色，轻，柔，可提高纸盆的E/ρ值. c. 采用强化发泡金属,气孔率可达98%, ρ小. d. 采用金属材料(如铝合金),常用多层结构,层间充以高阻尼树脂. e. 采用蜂巢板结构,空心率90%. f. 用高分子组合材料,如云母和聚芳基物型树脂,石墨聚合物等. 4.1.8 锥盆的指向性和形状. 所有喇叭随着频率增加而具有指向性.在高频,喇叭象汽车灯光一样成了光束.当声波波长大于3倍盆直径时,辐射是圆形.频率增加,波长等于3*D或更短时,辐射面就变窄. 图在给出了不同口径喇叭-6dB的偏轴度. 图中表明: (锥盆的指向性) 32"喇叭在高频,5000Hz偏中心5度即降-6dB,而低频时(200 Hz),在120度偏角处才降-6dB. 4"喇叭高频20KHz偏20度降-6dB,低频(3000Hz)180度降6dB. 不同的盆面形状有不同的频率响应特性.基本形状就是圆锥或平面,凸起的三种(conical,flat,cinvex),锥盆在最高频处的响应曲线常有一个峰值.峰值的位置部分地取决于锥盆的角度.与凸起的盆面相比较,锥盆有较宽的通频带.凸盆有较平滑的响应曲线,且只有一个中等程度的响应峰值在高频处,通频带比平盆较窄. 几种不同纸盆:不同纸盆 *双面组合纸盆 (见图)低频时，盆面整体运动，高频时，只是里面的小纸盆运动。 * ”Whizzer”盆，在音圈架上，另粘贴一个无边的小盆， , 球顶盆，这种盆只有一个支撑系统，多用金属膜片制成(铝，钛，铍) 软顶盆也有布盆(上浆)虽然球顶可看成球的一部分，但其声辐射并不 相当一个整体，在频响曲线上，可看到一些低谷，这些低谷与波长和1/2 球顶高度(米)有关系，h = λ/2, 所以 f = c/(2h) , 例如，球顶高为10mm,则第一个谷点的频率为:h = λ/2, 所以 f = c/(2h) f = 345/( 2 * 0.01) = 17.25 kHz.(图:球顶盆)(球顶盆) 4.1.9 防尘帽. 为防止异物掉进音圈和前板的间隙,常加一个防尘帽. 形式:两种帽的材料,紧密的和多孔的(solid and porous)紧密的阻止了空气从表面通过而形成了一个小的声学空间,影响盆面的前后运动. 有两种办法解决,一是在极片(pole piece)留一空,使空气从孔中通到后板.另一是在音圈线架上(voice coil former)上冲小孔,使空气能流出小的空间,释放出压力来. 多孔防尘帽能迅速释放空气压力,但引起其他问题,当锥盆向里运动时,空气被迫通过防尘帽朝向锥盆辐射面,这股喷出的气流与锥盆的辐射位相差异回造成频率响应的问题. 把多孔材料密封起来也不见得是个好主意,因为原先留空的一个目的是为了音圈散热,封闭之后增温引发力顺和Q值的变化. 影响:防尘帽还会引起高端频率响应的变化,因为在高频时,声音是从锥盆的中心发出的.所以防尘帽会使高频响应变尖.密闭的防尘帽造成的变化大于多孔的. 偶然地会看到密闭帽上有小的圆孔筛.这种帽子把密闭多孔两者结合起来,想取得二者的优点. 以下是一些密闭和多孔防尘帽的比较,都使用Bravox5.25"的woofer,什么都一样除了防尘帽之外.(防尘帽) 图A 实线:多孔布防尘帽 ,点线:涂漆的布防尘帽. >4KHz,涂漆防尘帽曲线增加了高频输出. 整个曲线看,多孔曲线较平滑. 图B 布帽与软PVC帽比较,可以看到,PVC曲线较光滑,无响应异常,但在4KHz以上稍微差些,这可能是因材料质量与密度的关系. 制造商选PVC不仅因为它温良的响应曲线,也因为它好看. 图C 布帽与硬聚合材料帽相比较,Hard poly dust cap在5KHz有一个5dB的突起. 图D 布帽与反向硬型帽比较. 可看到反向硬型帽有和布帽相近的光滑曲线.反向帽另一贡献就是它贴近锥盆颈,增强音圈和锥盆的连接,减少盆颈的变形(deform). 顺便提一下Dome. Dome tweeters to midranges 扬声器有凸(convex)或凹(concave)两种. 凹的在高频段有较好的效益,但方向性很窄,高效率主要是因为空腔谐振频率的宽的峰值,以及使用较硬的材料. 凸有较宽的指向性,但效率要差一些. 4.1.10 悬架系统----边和弹波,surround and spider. 边常用橡胶或泡沫塑料制成,弹波用起皱的亚麻布(corrugaled liner) 制成. 作用:二者都能保持盆架的中心度并提供弹性恢复力( keep the coil centered on the pole piece and provids the restoring force),边起边缘衰减作用,防止边缘对振动的反射.在总的力顺中,弹波提供80%,边提供20%,边的作用主要是保持音圈处在极片的中间,然而减缓锥盆外边界的移动也很重要.边材料的选用,厚度等会戏剧性的改变喇叭的响应曲线. 以下图示二种不同材料(橡胶----不是纯的异丁烯橡胶pure butyl,而是普通称NBR的复合橡胶;泡沫塑料和injected santoprene)边的5.25"Bravox woofer的频响曲线.(不同的边) a橡胶边提供一条光滑，很少异常点,在高频段也光滑的曲线.橡胶边的缺点是硫化过程缓慢,比热塑形成的泡塑要贵. b泡塑边没有橡胶边光滑,且在10KHz附近明显地减缓(阻尼)高频端振膜的响应----对woofer来说以超出了它的高频端 2-3KHz,关系已不大. 泡塑边易塑,价廉,但长时曝光和接触空气杂质使逐渐老化(degradation). c变得很流行的是Santoprence 材料,看上去象橡胶,象泡塑一样可以热塑,和泡沫塑料一样便宜,但在高频处没有好的边缘衰减特性. 弹波的功能: 1. 保持音圈处在极片的中央. 2. 阻挡防止异物掉入间隙. 3. 为喇叭提供主要的恢复力. (弹波的变位和滞后) 4.1.11 磁流液.Magnetic fluids 又称磁液. 呈酱油色流动的磁性材料. 1938年发现,1965年用在航天技术上,1974年首次加进喇叭磁间隙中. 磁流液好处: 1. 磁流液在间隙中使音圈由空气导热成了磁流体导热,而磁流液与 导磁板,导磁芯柱接触,散热面大,提高导热效率,提高扬声器输入 功率. 2. 注入磁液后,减少音圈横的摆动,限制音圈只能在轴向运动,音圈 自动定心. 3 . 加入磁液后,间隙中磁通密度提高,效益增加,扬声器的灵敏度也 有所提高. 4.1.12 (Compression driver) 4.2 基于PC的扬声器电声特性测试. 4.2.1 测试线路原理 (原理图) 现代扬声器测试都基于虚拟仪器(VI),即 virtural instrument 4.2.2 测试信号. ? 纯音信号.sine信号 扫描范围 20-20KHz 扫频step 每一步的循环数.circles (一个正弦信号的例子) ? 噪声信号. 白噪声,是无规则噪声,瞬时值是随机的,具有连续的谱,包含20-20K频率成分.其功率谱密度与频率无关,各频率能量分布是均匀的.百分带宽输出能量相等,在线性坐标上,输出是平行横坐标的直线,在对数坐标上,是每倍频带宽增加3dB的上升斜线. 粉红噪声.与白噪声不同之处在功率密度与频率成反比,在对数坐标中为一直 线(水平).我们平时的语言,音乐信号往往是多种频率组合在一起的瞬态过程.平均峰值因子固定(最大值与有效值之比)为3,而噪声信号的峰值因子固定也为3,因而常用来测量频响,灵敏度,失真,测得的结果比纯音更近实际. ? 脉冲声与猝发声. 脉冲声(pulse):是指持续时间短暂的声信号,如枪炮,撞击. 猝发声(tune burst):是由一系列有n个波的正弦波,用来测试瞬态失真等 . 猝发声的一个例子 1.0 0.5 0.0 AMPLITUDE-0.5 -1.0 0246810ms TIME - ms (脉冲的例子) ? MLS(Maximum Leight Sequence).最长序列信号 IRS(Inverse Repeated Sequence). 都是假随机pseudo-random的二进制(0,1)序列信号. 好处: ? 峰值因子为1(0dB). ? 非常平滑的谱. ? 频谱分析时好计算. 4.3 扬声器频率响应曲线和阻抗曲线. 4.3.1 测试的条件. ? 场地 通频测试 Full bandwidth measurement 三种场地(图) 半场(障板) 地面 近场 障板.IEC推荐的障板. 标准见aes84 (标准障板) 由于标准障板不是无限大,扬声器向后辐射声波.在频率较低时,仍将会绕过障板与前辐射声波发生干涉,在扬声器频响曲线出现不应有的峰谷. 如:对于机械谐振频率<160Hz的扬声器频响曲线第一个极大值都在160Hz附近,在400-500Hz之间有一凹点,这些都是障板引起的. 障板应平整,有足够的厚度,保证其振动可忽略(可输入喇叭10v的信号如障板抖动则不合格) 话筒 话筒要用电容式，要经过精确的鉴定 话筒的安置方法。 常见的安装办法 蝴蝶夹的反射造成的曲线下陷 正确的安装(竿要长一些，有消声垫) 4.3.2 参考点和参考轴. 参考点指Mic对准被测扬声器的辐射平面的那一点,参考轴是通过参考点垂直于辐射平面的一条直线. 扬声器有指向性,特别是在高频,参考点应选在扬声器最大响应轴上.纸盒扬声器选在纸盆口的平面中心.音箱主要是参考高音单元.高低组合音箱选在高音辐射面中心.高音有两个选在二高音喇叭的几何中心. 喇叭的指向性: 4.3.3 扬声器阻抗曲线,响应曲线和灵敏度. 1 阻抗曲线. 扬声器阻抗曲线 (阻抗曲线如图). 众所周知的喇叭阻抗曲线,突出之处是在某一频率处,呈现一个对称的波峰.说明阻抗明显增大,过此峰值又突然减小,以后,随频率增加,又逐渐增大. 由扬声器电的等效电路,可知扬声器的等效电阻抗为: 11,1,,Ze,Re，jL，[，jCmes，],ResjLces (1) 当f = 0时, Ze = Re ?扬声器阻抗为音圈直流电阻. (2)随频率加大 阻抗增大, 当f = f0 时机械部分发生谐振 1,jCmes，,0,jLces 此时,频率尚小, Ze,Re，j,L，Res 阻抗达到最大, Ze,Re，Res 注意 Res与 Bl的平方成正比, 因此Bl 太大会使喇叭的低频相应变坏. (3) 当频率进一步增加, f > f0, jωL已有一定作用,此时,并联回路的阻抗主要决定 于电感支路和Res支路.(过了谐振点,感抗大于容抗) Res,Ze,，jL，Re,，jCmess(1Re) 2ssCmesReRe,Re[],，，jL,22，Cmess，Cmess1,(Re)1(,Re) 到某个频率,定义为 fn,又发生L与 Cmes的串联谐振 2经化简 ,可求出 ResCmes[L,],021，(,CmesRes) 1,,nLCmes 带回到前面的公式 ResLZeReRe,，,，2ResCmes1(,CmesRes)，n 对一般的扬声器,最后的项占 15%-30% 左右, 我们把此时的阻抗命为额定阻抗. 4. 当f >fn ,随着频率进一步加大,并联回路中的电容支路可看作短路.感抗随频率平调增加. Ze = Re + jωL 阻抗曲线单调升高. 与阻抗曲线相配的位相曲线,在f0以前, 为感抗性质,位相超前(曲线标为正值),f0时,为纯阻抗,位相为零,f0—fn 电路为容抗性质,位相落后(曲线标为负值),过了fn, 电路又为感抗性质 ,所以 从位相零点 可读出 fo, fn 的频率值. 阻抗曲线的简单物理解释: 从机械振动看,机械谐振的振幅,在接近共振频率处,振幅变大,而且阻尼小(Q值大)时振幅很大,振幅变大,运动速度一会加快,就象单摆运动,振幅大,速度必定增大.但音圈在磁场中运动,感应电动势EMF = Blv. V增大,感应动势大,而EMF与加到音圈的电压正好反向,即感生电流与线路输入电流反向.总电流减少,在外加电压不变的条件下,电路电流变小,即阻抗增加. 2. 扬声器的频率响应曲线和相位曲线. 扬声器馈入固定电压的扫频信号后,输出声压级随频率变化的曲线叫频响曲线. 影响曲线的低频端是f0. 曲线上的峰谷产生原因: 1. 振膜出现的共振. 2. 声媒介的反射产生的驻波(即使消声室也是障碍物). 3. 障板出现的干扰. IEC.有效频率范围,平均声压向高频处延伸下降10dB为有限频率范围. (阻抗曲线和相位曲线), (相位曲线随频率的变化) 喇叭的相位曲线, 由喇叭电的类比电路图可以看出,电信号输入要经过一些电容,电感最后通过震膜发出声音,声音的位相与输入喇叭信号的位相必然有差异,而且这种差异会随频率发生变化,喇叭的位相曲线就反映了这个变化. 由喇叭声位相随频率的变化还引申出群延时间的概念.(Group Delay),定义为 dθ/dω . 即相位角随频率的变化的快慢.还可得出群延随频率的变化曲线.( 群延随频率的变化曲线) 现在不少文章提到群延曲线,如何实际应用仍待开发. 4.4 阻抗的测试. 附加电阻法. 根据右面的电路图,在喇叭上串接参考电阻,参考电阻的阻值选喇叭阻抗的1/10 – 1/100. 一般4,8欧喇叭 用0.25欧. Z = =(Vs – Vr)/I , I = Vr / Rref Z = Vs* Rref/Vr – Rref Clio, Soundcheck都用此法 Klippel 由激光测速,算出速度v,用直流电流测电阻R.由速度算出阻抗. LMS 测一条电压曲线, 在测一条电流曲线, 两者相除,得出阻抗曲线. 注意阻抗曲线在大信号下与小信号测试的结果有不同，LMS可进行大信号(1W)测试 4.5 质量的测试. 4.5.1 附加重物法.喇叭的机械质量或活动质量包括两部分 一是 Mmd包括音圈,锥盒,音圈架,防尘帽,部分(1/2)边及弹波(因其部分移动). 二是 Mm1 空气负载质量 喇叭在障板上，向前空气同振质量为 3Mm1 = 8/3*ρ a 其中:ρ是空气密度，a是振膜半径 若考虑喇叭前后都有声辐射，则上述的量要加倍。 所以 喇叭的机械质量 Mms = Mmd + 2Mm1 如果用Cms代表包括边,弹波在内的总的机械力顺.则机械部 11f,分的谐波共振频率. 02,CmsMms 从公式可以看到，增加活动质量使谐振频率降低，通过施加重物法可测量喇叭的许多参数。 设f’为增加附加物Ma后的谐振频率, 未增加前为f. 112f',2,Cms(Mms，Ma)4 112f,2,CmsMms4 2Mms，Maf'？,2Mmsf MaMms,2f(,1)2f' Mms, f,知道以后可知道Cms,和其他参数. 4.5.2 BL的直接测试. 根据BL的定义,电流为I的导体在磁场中受的力为BLI. ?附压一重物于喇叭,产生向下位移,再通以电流I,使喇叭恢复到原来位置.此时 BLI = Ma*g Ma :重物(kg) g:重力加速度 (m/ss) 若 I 单位是安 则 BLI 单位为 特斯拉米( Teala . m) 4.6 品质因子( Q Q Q )的计算. TSMSES 4.6.1 Q Q Q 的关系 TSMSES ,M0ms,根据品质因子定义， Q 喇叭总耗损包括电阻损耗和机械损耗. 阻尼损耗 2Bl在机械等效电路中阻抗由两部分组成. Rms， Re ,Mms0Q,TS2Bl Rms，在低频时,总阻尼损耗为: Re 2Bl Rms111Re,，,， Q,Mms,MmsQmsQests00 可见,总品质因子与机械品质因子及电品质因子的关系类似并联电路的关系,由于机械品质因子一般较大,所以总品质因子多由电品质因子决定 QmsQesQesQ,,tsQesQmsQes，1，Qms 4.6.2 通过阻抗曲线计算Q的方法(Q的计算方法) 第一种方法(根据J.D’Appolito)在电的类比电路中发生谐振时阻抗曲线的最高点 2阻抗值为 Zmax=Re+Res,其中 Res = Bl/Rms Re:扬声器直流电阻。 计算方法如下: 1. 令: r0 =Zmax/Re=(Re + Res)/Re=1 + Res/Re 2, 求 Res + Re 与 Re 的几何平均值 Rx. 2Rx,(Re，Res)Re,rRe,rRe00 3. 以Rx为高作平行x轴的直线与阻抗曲线交两点. 4. 过此二点作垂线,在x轴上得二个频率f,f,而且知道 f/fs=fs/f。且在f、21211 f处的阻抗值: 2 Z=|Z(jw)|=Z=|Z(jw)| =rRe 11221 0.5 其中:r=r 10 0.5 f=(ff) s12 5. 已知 (本讲义不推导) ,Mms0QmsResRms,,,r,10Mms,0QesRe Res QmsQms所以Qts,,1，(r,1)r00fr Qms 其中 , ff ,0 s Qms 21Qts , Qms而 1， Qes 0.5 Q=[1/(f-f)](ff/r)TS21120 0.5Q=f? [r/(f-f)] MSs021 Q=Q/(r-1) ESMS0 Q=Q?Q/(Q-Q) TSESMSESMS 因此，只要有阻抗曲线及三点f1,f2,fs,即可决定 Qms, Qts 第二种方法:(理论推导见附录) 1,从阻抗曲线最高点,下降3分贝作平行x轴的直线与阻抗曲线交两点. 2. 过此二点作垂线,在x轴上得二个频率f2,f1, 3, 则 Qms=f0/(f2 – f1) 4, Qts = Qms/r0 f10Qts,Qms/r,0rf,f021 实例:一个8吋趁低音喇叭，塑料音膜， 橡皮边 Re = 7.85Ω Re + Res = 72.5Ω Fs = 32.3 Hz r0 = 72.5/32.3 = 9.42 ?r0 = 3.04 Rx = 3.04*7.85 = 23.9 找到三点 f1 = 22.1 f2 = 48.6 fr32.3，3.040sQms,,,3.71f,f48.6,22.121 Qms3.71 Qts,,,0.40r9.240 Qms3.713.71Qes,,,,0.45r,19.24,18.240 4.6.3 Qts 重要性质. ? 一般情况? ? Qts主要由Qes 决定 ,Mms,MmsRe00? ,,Qts22BlBl Re ?Qts受Bl影响很大,增大BL则降低 Qts 明显.Qts的可按公式种不同的因子进行调整。 4.6 等效空气容积Vas的计算. Vas 的定义: 密闭在刚性容器中空气的力顺等于扬声器的力顺时的容器体积。 如图, 等效空气容积Vas的计算二个空气弹簧,容积不同,但活塞面积相同,施加相同的力，活塞移动距离也不同 力顺C 在这里可用 m/N 来度量 显然 Compliance A > Compliance B ?C 与体积V 成正比 二个相同容积但活塞面积不同,可知相同的力活塞移动距离 B > A. 即 B的力顺 > A的力顺. ?C与 1/S成正比. 结论是空气弹簧的力顺决定于容积的大小和活塞的大小和活塞的大小. ?C正比于 V/S 即力顺随容积增大而增大,随活塞面积增大而减小, 以上结论在设计音箱时(如音箱是密闭的情况),有重大参考意义. 所以定义:等效容积 Vas 22 Vas = ρcCs msd 其中 ρ 是空气密度， C声速， Cms 是喇叭的机械力顺，s 振膜面d积 Vas 是一个重要的声学参数,对一给定的机械力顺, Vas与喇叭的面积平方成正比,这就解释了为何大力顺,大尺寸的喇叭需要大的音箱. Vas 测量方法:[CLIO测参数] 1， 附加质量法 喇叭的谐振频率在附加质量后会减小，由此可测的喇叭的活动质量。 MaMms,f2s()1,fsa Ma活动质量，f附加物后频率sa 22再计算 机械力顺，Cms = 1/(4πfMms) 即可得到等效容积。 例子: 8吋喇叭，活动质量 22.2克，面积 0.022平方米， 附加物23.8克，原谐振频率23.4赫，附加物后 16.3赫。 23.8Mms,,22.4g,0.022kg23.42(),116.3 1 Cms,,0.00206m/N22423.4，0.022, 22Vas,1.18，345，0.00206，0.022,142L 2, 封闭音箱法: 在喇叭的前方套上一个密闭的音箱，测喇叭的力顺，此时的力顺要比无密闭音箱时要小，再计算等效容积。 ? 4.7 效率与灵敏度的测试. 效率是指输入喇叭每一瓦的功率能产出多大声学功率和声压级.在组合喇叭中,低,中,高频扬声器要产生平衡的频率响应,每个功率必须考虑. Small 论证了喇叭的效率可写成: 332fVfV4,10sassas,,9.6，10 ,3QescQes 此公式条件是将喇叭栓在竖立的平板中间,输入频率在共振频率之上. Vas单位为Liters,注意效率与谐振频率的三次方成正比,因此对谐振频率非常 敏感,这就解释了为何扩展低频有多困难.因而那把谐振频率降一倍,其他不变,效率 要降8倍.反之,要维持原先效率则要增加功率8倍. 声学灵敏度与效率之间有关系: Sp = 112.2 + 10 log (η) Db SPL/1W/1m 例如 8 吋喇叭， Fs=23.4 ,Qes = 0.30, Vas = 136L -103 η = 9.6*10[23.4*136/0.30] = 0.0056 = 0.56% Sp = 11.2 +10 log(0.0056) = 112.2 – 22.5 = 89.7 dB/1w/1m 扬声器的效率还可用其他机电参数来表征 22,BlSD,, 22,cReMms 此公式表明: 1. 有强大的磁铁能产生好的效率. 2. 重的活动质量产生低效率. 3. 大面积喇叭产生高效率. 4.8 T/S参数汇总.(Thiele % Small) Fs Resonant frequency of driver including air load Vas Volume of air having the same acoustic compliance as driver suspension Re DC electrical resistiance of voice coil Qms Q of driver at FS considering mechanical losses only Qes Q of driver at FS considering electrical resistance only Qts Q of driver at FS considering all driver losses Bl Motor strength, product of B times I DB SPL Acoustic pressure product by the driver at 1m when driven by 2.83V Sd Effective surface area of the driver cone Cms Mechanical compliance of driver suspension Mms Mechanical mass of driver cone assembly including air load Rms Mechianical resistance of driver suspension losses Cas Acoustic compliance of driver suspension Mas Acoustic mass of driver cone assembly including reactive air load Ras Acoustic resistance of driver suspension losses Cmes Electrical capacitance representing the driver total moving mass Lces Electrical inductance representing the driver mechanical compliance Res Electrical resistance representing the driver mechanical losses Rat Total acoustic resistance of driver Rmt Total mechanical resistance of driver(suspension losses+electrical reflected) Mmd Mechanical mass of driver cone assembly excluding air load Zmin Minimum impedance in the frequency range above FS Zmax Impedance at Fs Zavg Average of impedance modulus over the measured frequency limits η Efficiency [JBL产品的例子][英国喇叭的例子] 4.9 扬声器基本参数汇总. 1. 额定阻抗, nominal impedence 扬声器并不是纯电阻,既有阻抗值也有感抗值,扬声器额定阻抗也叫标称阻 抗,是指共振峰后呈现的最小阻抗,有4,6,8,16,22欧等值,额定阻抗并非直流阻抗,一 段为直流阻抗的1.10-1.30倍. 2. 功率(W) 额定功率:指扬声器能长时间正常连续工作而无明显失真的输入平均电功率? 最大功率:又称最大承载功率,指扬声器长时间连续工作所能承受的最大输入功率,为额定功率的1-3倍. 最小功率:又称起步功率,扬声器能被推动工作的基准电功率. 瞬时功率:指在短时间(10ms)所能承受的最大功率,为额定功率的8-30倍. 3. 谐振频率:扬声器能重放的最低频率. fs与口径大小有关.一般 6"~50 Hz 8"~40 Hz 10"~30 Hz 12"~20 Hz Fs越低,重放低音的质感和力度越佳. 4. 频率特性, 又称频率响应曲线. Frequent responses 指输入扬声器信号电压恒定不变,输出声压随信号频率变化的曲线. 曲线的 fs为低频下限频率,高频端峰点为上限频率,上下限频率范围称有效频率范围. 在有效频率范围内,最大声压级与最小声压级之差称不均匀度,小于1/9 Oct的峰谷不计,曲线越平坦,不均匀度小,失真小. 低音扬声器,频率范围 20-3 KHx 中音扬声器,频率范围 500-5 KHz 高音扬声器,频率范围 2K-20KHz 有了频率响应曲线就可以决定有效频率范围，这不是随意指定的。其方法是“在用正弦信 号测得的频率响应曲线上，在灵敏度最大的区域内取一个倍频程带宽，在其中按1,3 0ct取4点计算其声压级的算术平均值，下降10dB划一条平行于横坐标的直线，它与频率响应曲线高低两端的交点(即f2和f1)所对应的频率范围，即为有效频率范围(对电动式扬声器，通常用f1作为有效频率范围的下限频率)。但对于谷值的频带宽度小于1/9 0ct的部分不计算在内，(有效频率范围) 5. 灵敏度 Sensitivity 反映扬声器的电声转换效率 特性灵敏度(灵敏度),在扬声器频率范围内,用粉红噪声(Pink noise),输入功率1W,在一米处测得的声压级, dB/m/W 平均灵敏度. Average Sensitivity 输入正弦纯音扫频信号(1m,1W),根据输出声压级,计算不同频率点的平均值. 测量时频带选择的宽度标准不一: 1,根据John .M .Eargle(Loudspeaker Handbook)一般全频带喇叭可取500Hz-2.5kHz, 低音喇叭:200Hz-500Hz , 高音喇叭:1k-4kHz 2,根据IEC268-5和GB/T9396-1996, 取100Hz-10kHz计算平均SPL. 3,根据JISC553(日本)平均时选四点,200,250,300,400Hz. 4,根据产品实际,选择计算平均的频段,例如,指明某个型号的高音喇叭在2000-15kHz灵敏度(平均SPL为多少)为95dB等等, 在LMS, SoundCheck里都可根据所选的频段进行曲线平均值的计算. 5,根据上节所讲的有效频率范围计算.以后就可说在有效频率范围某个型号的喇叭平均灵敏度为某某dB等等 注意: LMS 喇叭参数中的SPLo,并非是计算平均SPL的结果,不能代替平均灵敏度,他只是根据喇叭的机械和电的参数用公式粗略的估计. 要在LMS上计算灵敏度,还要用”曲线综合”的方法(Curve Integration – Processing).即指定一个频段求SPL响应曲线的平均值的方法 根据喇叭的机电参数用公式粗略的估计可用下列公式: ,BlSDSPL,20log,52,RMms，2，10e 若喇叭和mic的距离不是1米,而是x 米,则计算公式: 灵敏度为: Lp + 20log(X) 例如:已知平均值为Lp = 112 dB,距离X = 0.25 m 112 + 20log(0.25) = 112 + 20(1.4-2) = 112 + 20(-0.6) =100 dB 以上用到声压与距离成反比的定律. 设Px为X米处的声压, P1为1米处的声压 P1/Px = X/1, P1 = Px * X; 20logP1 = 20logPx + 20logX 额定特性灵敏度. 如果加到扬声器电功率不是1W而是额定功率(通常取额定功率的1/10),在1m处测. 例如 8欧喇叭, 额定功率 = 100w ? 2 用 十分之一 功率 10w 测 . 10w = v/8, v = 9v 如此测得的 声压就叫额定特性灵敏度. 6.失真度 distortion 下一节详细介绍 7.等效质量.Mms 活动质量,振动质量,moving mass Mms = Mmd + Mmi 活动组件的质量与空气负载(air lord)之和. 注意:Mmd除震膜音圈外还要包括1/2 弹波,边和引线的质量,还要包括胶水的质量. 8. 等效顺性(力顺,声顺,柔性,)Cms. ,弹波)的柔软程度. 表示扬声器悬架(悬置)系统的松紧(边 高顺性喇叭受力位移大,振动频率低. 顺性单位 m/N 9. 倔强度,倔强系数 K K = 1/Cms 单位 N /m 10. 总品质因数. 总品质因数反映扬声器能量损耗的快慢,又叫损耗因子(损耗因素). Qt过大,阻尼作用小,能量消耗慢,振动衰减时间长,放音失真大. Qt过小,阻尼作用大,能量消耗快,影响放音的力度和质感. 11. 等效容积 Vas 单位L(升). 扬声器等效容积指振动系统力顺的等效空气容积,可理解为:与悬架系统力顺 相等的,空气弹簧所具有的体积. 12. 磁感应强度 B 是表示空隙中磁场强度的品质,单位Tesla. 1 Tesla = 10000 Gs (高斯) 13. 磁通量. 磁感应强度乘面积 14. 线性范围.指振膜的最大线性位移. 若振膜超出Xmax,放音失真会加大. 15. 指向性. 指不同方向声压级辐射能力随频率变化的特性,通常用指向性曲线来表示,指向性随频率提高而增强. 16, 最大振幅 扬声器振幅计算 有学员问到扬声器的低频振幅如何计算,不考虑磁路和 顺性的非线性,Q值较大(Qts>0.707)时,可用下式计算: Xpeak=Bli*Cms*(Qts^2/sqrt(Qts^2-0.25)) 概念很直观,位移=力*顺性*修正因子 Qt<0.7 时Fo处振幅用如下公式计算: Xpeak=Bli*Cms*Qts 根据以上振幅的计算，再对比实际磁路(华司厚度)和 音圈卷高及振动系统的最大位移，就能反推出实际振幅限 制的功率～ 上图看出，QTS,<0.7 会有位移峰值，但不明显。 下图看出，QTS, 大于0.7 会有明显位移峰值(QTS=1.88)但并不在f0处， f0处 应是 震动速度最大处，不是振幅最大处 4.10 其他大信号参数的测试 AES规定 小信号参数fs,Qts,Qes,Qmsη,,Vas, Re,Sd [JBL例子 my ebook theile] 大信号参数 标定电阻 nominal impedence 标定输入功率 Xmax和膜位移体积峰值(Xmax*Sd). 失真度 Klippel 大信号测试例子E:\D\All Users\桌面\我的公文包\klipple docu 大信号测量的目的, 了解大信号下各个参数变化,了解大信号下的非线性失真 THIELE-SMALL PARAMETERS LOW CURRENT HIGH CURRENT fs 73.0 Hz fs 42.0 Hz Vas 0.0085 m^3 Vas 0.026 mA3 Qes 0.90 Qes 0.52 Qms 2.16 Qms 1.24 Re 4.87Ohm RE 4.87Ohm SD 0.0133m^2 SD 0.0133m^2 4.11 额定功率 功率试验是喇叭测试中最难以说清的问题,标准多,莫衷一是. 首先功率的定义, 经典定义为 p = U * I , 但在测试中同时测电压和电流是很难的. 2 P = U/Z , Z是喇叭的阻抗. 但阻抗是个变数. 2 P = U /Re , Re 为直流电阻, 2 P = U /Ze Ze 为喇叭额定阻抗. 目前使用最多的就是这一项.称为施与喇叭额定阻抗上的功率. 所谓额定功率,是长时间馈以噪声信号,而不产生热和机械的永久性损失所相应的电功率. 国际上,三大标准机构(AES,IEC,EIA)的不同标准. AES2-1984 standard, 音响工程学会(Audio Engineering Society)规定: 功率试验用不同频段的粉红信号进行,截至频率以外的信号递减率为 10dB/Oct,信号的峰值因子为6dB. 即信号峰值电压为有效值的一倍. 频段可以选择,例如低音喇叭可选60-600, 高音喇叭可选1500-15000. 测试时间:2小时. IEC268-1 (1985) standard, 国际机电委员会International Electrotechnical Commission) 规定: 功率试验用80-2000频段的粉红信号进行,截至频率以外的信号递减率为 3dB/Oct,信号的峰值因子为6dB. 即信号峰值电压为有效值的一倍. 测试时间:100小时. EIA RS-426-A (1980) standard,电子工业协会(USA) Electronic Industries Association规定: 功率试验用40-318频段的(白)粉红信号进行,截至频率以外的信号递减率为 6dB/Oct,信号的峰值因子为6dB. 即信号峰值电压为有效值的一倍. 测试时间:8小时. 经过8小时测试后，用1/2 Vrms即1/4的功率发扫描信号，若听不到杂音，测试通过。 目前此标准用的较多. 各标准都说,实验完毕不能产生 永久性的损伤.但何谓永久性的损伤,无定义. [电压有效值和峰值][不同的信号标准] 4.12 有关功率的一些含义. 平均功率(Average power),常与有效功率相混,交流电有正负, 因此有rms的概念,功率无正负,用电压有效值测得的功率不能叫有效功率而是平均功率. 表现功率(Programme power),这是个老概念,现在的意思是平均功率的两倍. 峰值功率(Peak power),峰值电压是有效值的两倍, 峰值功率是平均功率的四倍. 这样就有了下表: Power Ratio Example Average 1 300W Programme 2 600W Peak(not always!) 4 1200W [有关功率测试新标准][功率压缩和大功率下的阻抗] 4.13 最大位移,在f条件下,各种参数线性度,不超过10%的音圈位移. S Xmax,最简单即: Xmax = (音圈长-此间隙长)/2 膜位移体积峰值, Sd * Xmax 4.14 失真度 失真的种类及产生的原因: 1. 谐波失真. 输入f1信号,输出2f1, 3f1, 由于扬声器机械振动系统和磁路系统的非线性, 4 f1„„称谐波失真. [谐波失真] 2. 互调制失真. 输入基频f1,f2„„(至少二个)的正弦信号,输出各种和差频信号,甚至pf1+qf2(p,q为正负整数),称互调制失真. 如f1 = 391.995, f2 = 587.330(小提琴的二根最低空弦音,?组成的五段和谐音是很和谐的),由于非线性,出现 f2+ f1 = 979.325 A f2-f1 = 195.335 B f2+2 f1 = 1371.320 C 其中B: 195.335与g =195.998接近,听上去和谐,而C:1371.320介于E3 =1318.512, f3 = 1396.912之间,与两者相差半度,很不和谐. 3. 调制失真. 低频大幅度信f1与高频小信号f2(f2 > 8f1),电压幅度比为4) 组成的互调失真. 如f1 = 261.626 [C1], f2:2637.024 [E4] 由于调制失真,产生f2?f1 = 2375(2899)， f2?2 f1 = 3160(2114) 的成分, 这些频率最接近的乐音分别是C4 2093, d4 2349, f4 2794, g4 3135,可见新生的四个频率会明显改变原和声效果.成为不和谐音,等于多了四个非标准音,结果嘈杂刺耳. 4. 分谐波失真与异常声. 给扬声器加上纯音后,由于膜的非线性会在中低声频段产生信号频率1/2或1/3的模糊声音,叫分谐波失真.这是因振膜的振动跟不上音圈的振动,驱动力历经两个周期振膜仅运动一个周期出现1/2谐波. 另外,当给扬声器纯音时,某一频率听到与谐波无关的模糊噪声,原因为振膜与引线,音圈与振膜连接不良,磁隙中有灰尘,盆架振动,音圈打底等. 5. 瞬态失真. 扬声器的瞬态特性指其对猝发信号的跟随及“停顿”的能力,如快速击鼓 时,扬声器能迅速地“跟上"鼓点.清晰地而不是模糊地响应出来,且能及时“停顿”. 瞬态特性有前沿,后沿之分,输入一矩形波.若输出也是矩形,前后陡直,称瞬时特性好,失真小,如金属振膜硬球顶扬声器,前沿好,后沿差,而软球顶则相反. 6. 失真原因及减小途径. 驱动力的变化引起的失真. 驱动力F = BLI,由于磁场分布的不均匀性,必然引起F变化,为此采用短音圈设计使其始终在匀强磁场内运动,B为常量.或采用长音圈法,加强音圈与磁场的卯合,现多用长音圈法. ? 支撑系统(空心支柱与折环支承)的力与位移不成线性关系产生失真的重要原因. ? 不对称性也是重要原因. ? 磁场不均匀是在大振幅情况下引起的,常发生在低声频范围,大口径在小振幅下即可重放低音,而减小失真,而小口径必须加大振幅才能重放低音,失真就大. 4.15主观试听试验标准( 摘自王以真) [ 1EC268-13(1981年)《关于扬声器主观试听的报告}和IEC543(1976)《主观试听 试验指 槽)，对扬声器主观试听作了详细的规定。包括: 2 (1)规定了试听室的尺寸(推荐面积29m)、混响时间(0(3s—0(6s)、环境条件;地上铺地毯，后背有书架或物架可造成声音的漫射。 (2)规定了扬声器的位置(立体声试验，扬声器至少间隔2m，听者与扬声器至少间隔2m) ?方向(扬声器以55‘-65‘对着最近的试听者); (3)规定了试听者的位置(试听者距侧墙至少O(4m，距后墙至少lm，试听者之间至少 0(6m)，大试听室最多5位试听者; (4)规定了节目内容。节目应有语言并演奏极强的交响管弦乐、各类乐器(钢琴 琴、木管、号、打击乐器)、人声、流行音乐等; (5)规定声级调整到所有扬声器同样响; (6)规定了其他试听设备所要达到的要求; (7)规定了试听人员组成、评价尺度、试听程序以及数据的统计处理方法。 由此看来，我们的许多试听不够，随意性较大。 4.17标准音质评价术语 IEC建议的音质评价术语有:透明度(Clarity);明晰度(Distinctness);清晰度(Definition); 隘度(Sharpness);硬度(Hardness);亮度(Brightness);丰满度(Pullness);宽敞度(Spaclousness); 旷度(Openness);厚度(Distance);噪声;干扰声(Noise);响度(Loudness)。但是对上述名词含义没有作解释。 国内在讨论制定音质评价标准时，将音质评价术语归纳成9项，而且针对评价电声器材、 乐器、厅堂、音乐节目录音会略有不同。 对评价电声器材的术语是: ? 明亮度:明亮悦耳、透亮、明朗、高中音充分。 清晰度:层次清楚，语言可懂度高，有清澈见底之感。 丰满度:柔和、松、宽广、舒展、有弹性、中低音充分、高音适度。 力度:坚实有力、有气魄、动态大、出得来、活跃。 真实媳:保持原有音质特点。 平衡感:左右声遭一致性好、高低音比例协调、声像方位无偏斜。 立体癌:声像方位基本准确、声像群分布连续。 失真:各种音色、如破、劈、轰鸣、发空、罐声、鼻音、哨声、嘘声、金属声 齿音、咝音、砂砾 第五章 音箱，分频器的设计与计算 5(1 音箱的设计 音箱大体分成两种，密闭式和倒箱式 closed box and vented box fsb 音箱的谐振频率 当扬声器处在自由空中时，声辐射在振膜前后互相反向，常形成声短路，互相抵消，而当把扬声器放在音箱里时，喇叭的空气质量负载加大了,从而降低了喇叭的谐振频率,而提高了品质因素,降低了效率(效率和f三次方成正比)设计音箱要用T/S参数,f, QT, Vas,就要考察这些参数在新条件下的变化. 5. 2 在无限平板上的喇叭负载 特征: ?障板上空气负载增加了一倍 1.5在4.2.4中已提到,扬声器在自由大气中,空气负载为Mmi=0.566S D而Mms=Mmd+ Mmi SD为平方米 在谐振频率处，声波波长约为10m，是喇叭高度的50倍(高25cm) 在这种低频情况下，喇叭振动时，空气从前面绕推到后面，此种情况，只存在单边的空气负载。 当喇叭放置在无限平板上，空气负载是两面的，增大了一倍，因此 M'ms=Mmd+ 2 Mmi= Mms + Mmi ?谐振频率减少了 谐振频率 1Mmd，Mmif,,fisaMmd，2Mmi,2Mms'Cms 2对一个8"的喇叭 半径a=0.083m Sd= πa=0.0217 3 1.5 Mmi=8/3*ρa= 2.7*ρ*(Sd/π)^3/2 = 2.7*1.2*/ π^1.5*Sd^1.5 = 0.566(0.0217) = 0.0018kg=1.8g 设在自由空气中 Mms = 22.3g fsa = 23.4 Hz M’ms = 22.3 + 1.8 = 24.1 g Mms22.3f,f,23.4,0.96*23.4,22.4HzisaM'ms24.1 可看到放在障板上的频率比在自由空气中小了(23.4-22.4)/23.4 = 4%左右 ? QTS增加 由于振膜的空气负载增大，即振动系统的总质量增加，而质量的增加使阻尼振动更加困难，Q = ωMm/Rm ,质量增加8%,(1.8/22.3 = 8%) 但ω减小 ,%, 使Q值也随之增加 ,,(4% ?根据的效率计算公式， 效率与谐振频率的三次方成正比，现在谐振频率为原来的,,,， ,( ,,,,(,,,,(,,,,(,,， 原先的效率为,(,,,，现为,(,,,,,(,,,,(,,,， 比 原来下降,(,分贝( 10log(0.48/0.56)=10log0.86 = -0.7dB ?灵敏度 Sp = 112.2+10log(0.0048)=112.2-23.2=89.0dBb/w/m, 比原来 ,,(,下降,(,分贝( 5. 3在封闭音箱中的喇叭 ?在封闭箱中，音箱系统的倔强度增加，力顺减少，使fs增加，密闭音箱系 统(喇叭和箱子系统)的谐振频率要比fsa要高，这看上去与前一个有矛盾。实 际上，这里考虑的是整个“系统”，喇叭的有效谐振频率等放在平板上或音箱里会 稍许下降，但喇叭和音箱的结合体都比单独的喇叭展示一个较高的谐振频率，这 是因为关在箱子里的空气的倔强度K加到了盆架的倔强度上，增强了总系数的倔 强度，即减少了的力顺，从而提高了系统的谐振频率。 右图为-8"在自由大气和放在64.5L箱子中测试的阻抗曲线，密闭箱子的曲线 看上去极象一个音圈稍轻和倔强度更硬一些的喇叭曲线，因此可根据此曲线测曲 线测音箱的T/S参数。 将上图的曲线扩展后计算机本参数: fc = 39.9 Rmax = 177.6 Rx = Sqr( Rmax* Re)= Sqr(177.6 * 7.6 ) = 36.7 F1 = 32.8 F2 = 48.4 T/S 参数结果如下: 自由大气 密闭音箱系统 fs 19.3 fb 39.9 Re 7.6 7.6 Qms 5.27 Qmc 11.7 Qes 0.24 Qec 0.54 Qts 0.23 Qtc 0.52 Mms 21.3 Vas(L) 222.4 Vb(L) 64.5 ?进一步研究密闭音箱的阻抗曲线 定义 α= V/V 即喇叭等效体积与音箱体积之比 ASB α在设计密闭音箱里系统和倒相音箱系统中有重要作用 根据LDC(Loudspeaker Design Cookbook) 密闭音箱喇叭的总品质因子 Q 与自由大气中喇叭的总品质因子Q有如下TCTS关系 ,,，1QQTCTS ,,，1ffCsa Q2TC,,(),1QTS f2c,,),1(fsa 按照公式，前面的例子, α = 222.4/64.5 = 3.45 Qtc = 0.23 ?(3.45+1) = 0.49 Fc = 19.3 ?(3.45+1) = 40.7 与前面的计算比较有点误差 误差来自: Vas是很难求准的，用来测试的α也不很准确 。 ?填充物的作用(填充物的作用) 充填纤维玻璃，泡塑，Dacron可吸收反射波和抑制驻波。 填充物能提高声学体积，增加阻尼和音圈的质量负载，影响系统的谐振频率和Q值。 音箱的力顺计算公式为: 2 C = V/(ρ*C) ABB VB: 音箱体积 C: 在内部介质中的音速 m/s ρ: 箱内介质的密度 kg/m3 填充物使ρ增大，而使C变小，ρ和C的变化相当复杂，但其乘积已知要比无填充物时小，因此，C要超过无填充物的情况。这就是，要有一个更大一些的AB 无填充物箱子才能达到有填充物的力顺之值。 音箱力顺的另一表述: C = V/(γ*P) ABB P是大气压, γ是比热 什么是γ，是与气压与体积变化有关的一个常数:Δp = -γΔv(根据理想气体绝 γ热物态方程 pv = 常数) 其中 Δp气压变化的百分数 Δv体积变化的百分数 表明体积增，压力会下降低，体积减小，压力增加，喇叭振膜向后运动，音箱空气体积缩小，压力增大就有一个推向振膜的力。 空气压缩，温度会增加，膨胀时温度减少，如果压缩时集聚的热不能扩散，只能致使自己温度提高，这就是绝热过程，当急剧压缩，膨胀时就是这样，此时，γ = 1.41 如果压缩过程较慢，增温的热量扩散到四周，但气温维持不变，这是等温过程，γ = 1.0 音箱在声波作用中的压缩一般认为是绝热过程，原因是过程变化太快，但当箱体内有填充物时，因这些材料导热快，箱内空气接近等温过程。γ在 1.0 – 1.4 之间. γ与箱体的声学体积和物理体积有关。 V = 1.41*V/γ ABBF γ指有了填充物后的γ F 实际上, V大概要比V大 15%--20%. ABB 一个实例的计算表明,音箱填充之后，质量负载阻抗增加12%(密封空时箱时喇叭的质量负载阻抗增加8.8%)这是因为填充物跟振膜共同运动的原因。有效体积比物理容积增加15%。 5(4 分频器的设计 5(4(1 分频的作用和类型 分频器的作用就是把频率范围较宽的音频信号分解为低频、中频和高频信号，也就是 说，允许输入的音频信号中的低频信号仅通过低音扬声器，中频信号仅通过中音扬声器， 高频信号仅通过高音扬声，互不交叉，并且平衡高、中、低音的输出声压，从而最大限度地发挥各个扬声器的优势，避免了它们的缺陷，使整个组合扬声器系统处在最佳工作状态，音质更加完美，效果更佳。同时，它还起到了保护高音扬声器的作用。 分频器按分频频段可分为: 二分频 高频 ，低频 三分频 高，中，低 四分频 高，中，低，超低 分频器有两种类型: * 功率分频(无源分频)Passive crossover是在功放后进行分频。 优点:成本低，简单，调整音节，但损耗大，效率低。 * 电子分频器(有源分频器)active crossover 由晶体或电路组成。 优点:本身有放大能力，各段频谱平衡，互相干扰小。有效降低互调性失真。 缺点:每频段要有单独功放，复杂，调制困难。 5(4(2分频器与滤波器 一个完整的功率分频器是由滤波器,阻抗补偿器和衰减器组成，核心是滤波器。 其中，阻抗补偿是因为扬声器阻抗随频率而变，在低声道中随频率增加，阻抗加大;在高道中随频率增加，阻抗减小。也就是说，当低音扬声器阻抗随信号频率上升而增加时，整个低声道网络实际分频频率会上移，而高声道网络实际分频频率会下移。使扬声器产生重放频率重叠，分频网络的相位和截止特性混乱。 衰减器的目的是使各音箱喇叭在阻抗，灵敏度等进行衰减平衡处理，实现全音频范围重放。 5(4.3( 滤波器的类型 电工学原理告诉我们,电容对高频信号阻抗小,对低频信号阻抗大; 电感对高频信号阻抗大,对低频信号阻抗小, 所以,就用电容阻挡低频信号, 就用电感阻挡高频信号, 电容和电感就成为滤波器的基本组件,并按基本组件的数量,把滤波器分为一阶,二阶,三阶四阶等. (分频器的类型) 5(4(4 分频点和分频斜率和品质因素 1( 分频点是指两个相邻扬声器(二分频的高，低音;三分频的高，中，中低音)的频率响应曲线在某一频率上的相交点，它通常为两个扬声器中的 –3dB点频率，因为–3dB 点为功率输出的一半，又称半功率点。这是因为声压级和声功率级是一样的，声压下降 3分贝就是下降为原有的一半,声功率也下降为原有的一半。考察一下由电感组成的低通滤波器, R是附载电阻(喇叭),电路的电流为I, 随着频率增加 ,感抗增加,电流下降. E，,I,jL，R E,I22,(L)，R 当,,LRC E2E,,IC22R2R 2而功率 W = I*Z 所以功率就降为原先的 1/2 . 计算分贝值 2E1I2111C2R220log(),20log(),20log(),20log(),20log(),10log(),10，,0.3,,3dBEI2222 R 或者，考察电阻上的电压与电路总的电压之比的分贝数:电阻上的电压为 I*R, 电路总的电压为电流I乘以总的阻抗Z,即电阻和电感抗平方和的开方。 IR1,,20log(),20log()222IR，(L)(L)1，2R,,, 令感抗与电阻相等L,R,时的为c, 即R/L,c,,11222,,上式,20log(),,20log(1，()),,10log(1，()),2cc1，,2c,,当,,时c 上式,,10log(1),0 ,,当,,时c,,2上式,,10log(),,20log(),,,,cc ,,当,10，上式,,20log10,,20dBc ,,当,时c ,2上式,,10log(1，()),,10log2,,3dB, c 此处ω=2 πfc, fc称为截断(截止)频率, 也叫半功率点. C 同样类似,有电容组成的高通滤波器,当选 R = 1/ωc, 此处ω=2 πfc, fc称为C截断(截止)频率, 也叫半功率点. 2( 分频斜率 分频斜率用来反映分频点处频响曲线的衰减情况，即每上升或下降一个倍频音程衰减或提升多少分贝，可分为: 6dB/Oct, 12dB/Oct, 18dB/Oct, 24 dB /Oct 在分频点,电感上的感抗与负载阻抗相等, 电感和负载消耗的电功率也相等，当 频率增大了一倍，电感上的感抗增大了一倍，相应负载上的功率就缩小4倍，反映到声压级图上就成了声压级下降6分贝，即在倍频范围内声压级下降6分贝。 类似若在电容分频电路上，则一阶分频器每倍频负载功率(声压级)增加(6分贝)二阶分频器每倍频负载功率(声压级)增加(12分贝) 上述的是一阶(单元型)滤波器，二阶滤波器倍频范围内声压级下降12分贝, 三阶滤波器倍频范围内声压级下降18分贝……………. 3( 分频器(滤波器)品质因素 分频器也有品质因素的问题 对二阶滤波器Q的数值对分频曲线的膝(knee)有影响。(见图) 其中, Q = 0.707 叫 Butterworth 分频器 Q = 0.58 叫 Bessel 分频器 Q = 0.49 叫 Liekwitz – Riley 分频器 Q = 1.0 叫 Chebychev 分频器 5(4(5分频点的选择 分频点取法准则 1( 分频网络输出端接的阻抗应等于扬声器的标称纯阻抗。 2( 高低频扬声器分频点上的功率相当，各为一半功率，即分频点应在-3dB降落点交叉。 3( 要考虑分频频率处高低音喇叭的相位差。 4( 通常二分频 fc 选在 1k – 3kHz 三分频 第一分频点fc 选在 250 – 1kHz 第一分频点fc 选在 5k 附近 5(4(6 分频后喇叭声波的相位 ?相位:在分频点上相同频率的两个音波相位是有差异的。音频信号是交流电,通过电容，电感后，电流，电压的相位而改变，对一阶分频器来说，低通滤波器在分频点上负载上的电压比电路上的电压落后45度，高通滤波器在分频点上负载上的电压比电路上的电压超前45度，因此在分频点上同一频率，高音声波信号和低音声波信号相位差π/2;二阶分频器，相位差2*π/2 =π;三阶分频器，相位差3/2*π;四分频器，相位差2π。 对π/2相差，可通过调整高低音扬声器辐射面在辐射方向上声程差，使高音扬声器产生π/2延迟以达到高低音同相辐射。对二阶分频器相差π，则用采用高低频扬声器相位反接的方法。 相位反接之后，高低音扬声器对分频频率相相位，互相叠之后振辐加大，在分频点频响曲线出现突点，为此，要考虑在-6分贝点处分频。 图:分频器的位相和斜率. 5(4(7 分频器电路计算 一阶分频器 设计分频器时,为了输出功率达到最大,其本身阻抗要和负载阻抗相等,一阶分 频器只有一个电容和一个电感. 所以: 2πfL = Z, 1/(2πfC) = Z L = Z/(2πf) C = 1/(2πf Z) F为分频点的频率 例: Z = 4Ω ,fc = 1000Hz L = 4/(2π*1000) = 0.635 mF, C = 1/(2π*1000*4) = 40μF 二阶分频器 有二个电感,二个电容 2ZDL,L,12,2f 2,,CC124,fZG 其中两个Z, 一个是低音喇叭祖抗,一个是高音喇叭阻抗. (介绍分频器设计软件) 8分频器的阻抗补偿和L，C的选择，扬声器的阻抗随频率变化，最好通5(4( 过补偿将低频的峰值压下来，将高频的高值也压下来使之成为较平的额定电阻阻抗，才能保证镇分频器的良好特性，其方法叫阻抗补偿。 ?低频补偿 (图:分频器的补偿回路) 喇叭在低音的谐振点阻抗很高,可将喇叭并接一串联的LCR电路，使其的串联共振频率与fo相等，利用串联电路共振时阻抗小的特点，减小分频器的负载。 ?高频补偿 为了遏制高频阻抗上升,也是将RC串联电路并接喇叭两端 补偿条件可选: R,Z额定阻抗C 551.59*10ZC,(,F)22fR 式中R取音圈的额定阻抗，f为分频点频率，Z为对应于f处的原有阻抗值。 分频器材料要求: 1( 线圈直流电阻不能大于扬声器阻抗的1/10，导线选0.8-1.5mm直径。 2( 电感要求大时，要有截面足够大的铁氧棒 3( 多个电感互相要垂直放置，减少耦合作用 4( 电容器误差控制在正负5% 之内，损耗要小，应使用无损耗，无极性电容，如金属膜纸介电容或塑料薄膜电容。