扬声器设计

扬声器 虽然现行测量并不能全面反映音箱声音质量，但这几年世界上各大著名电声研究机构还是发展了建立在电脑平台上的扬声器现代测量方法，分析方法，音箱设计方法，分频器优化分析，房间声学分析(记住你的扬声器系统只是重放系统的一半～而听音房间为另一半～合起来才是一个完整的声学系统～)。重点揭示扬声器瞬态响应和大功率响应，以科学的手段来分析扬声器工作状态而不是靠传统的试试改改匠人方法。 为了读者更好的理解下面的设计过程，先介绍各种测量参数。为了减少篇幅，这里只说明一些被人忽略但是又在扬声器系统设计中相当重要的参数。 一、几个重要参数 振动板振幅响应 A: 表示在给定输入功率下扬声器振动板相对平衡位置在不同频率下单向位移。如图为一倒相箱振幅响应。fb为导相管调谐频率。可见在fb处振幅最小。大于fb成一小峰上升。小于fb振幅急速上升。这意味着fb决定了倒相箱最低重放频率。当输入低于fb频率信号时。由于此时扬声器振幅极大,极可能损坏扬声器～同时此时失真也会急剧上升,重放音质变坏～在f>fb时由于Xmax限制。我们可以计算箱体最大低频音压输出及对应输入功率Pe。本例Pe=30W,Xmax=4.2mm。当输入功率大于Pe时。你听到的声音一定是失真的声音～ B:Xmax为振动板单向最大振幅。 单位:mm如图所示。当振动板单向振幅超过Xmax时。切割磁场的音圈匝数变小。振动板驱动力发生变化。输出声压进入非线性段～(惠威工程师最近的研究表明:实际情况还要复杂的多,我将会在另一篇文章中解释)。 一般现代小口径扬声器Xmax为4mm左右。能输出乾净的声压大约为98dB!此时输入功率取决于单元灵敏度，大约为15W-30W～即当你听一个民用“高保真”音箱时。当输入超过15W~30W时你听到的低频可能为失真及压缩的低音～ 现代有些设计的小口径扬声器，其Xmax只有1.5-3mm左右，这样的扬声器不可能进行大的低频音量重放。如著名Dynaudio17W75EXT它的最大线性位移Xmax只有2.75mm，安装在设计合理的音箱中，在输入5.2W的功率时，扬声器振动板位移已经达到3.1-3.3mm，此时输出声压级为90dB，并且已经进入声音输出失真范围，两个扬声器音箱最大可以输出声压在线性范围内仅仅为96dB～但是，这个单元它的中频声音表现非常好，我想这也是它受到发烧友欢迎的一个原因。但是如果有人希望它的低音表现可以好过很多设计正确的大口径扬声器系统，我想这是不可能达到的。 同类产品惠威D6单元Xmax=4.5mm，在倒相式音箱中，线性声压输出大约在97dB，一对两分频音箱可以输出大约103dB乾净的低频线性声压输出。可以满足一般家庭使用。但是绝对达不到115dB监听标准，为了进一步增加最大线性声压输出，我们采用了两只D6单元系统来提升最大线性声压输出以达到监听音箱最低要求。 C:阻抗曲线 阻抗曲线一个很好的应用是测量倒相箱fb，只要找出双峰最低点即为fb。要注意阻抗曲线不均匀度，不均匀度大的系统可能隐藏着谐振。 D:频率响应 传统1W/1m处轴向SPL响应是不符合实际听音环境的。而消声室测量条件下音箱低频声压输出结果比实际听音环境要低几个dB.见图4。惠威测量条件为: 小型书架箱2m-3m轴向 小型落地箱及中型三分频箱为2.5m-3.5m 大型箱为3m以上 测量轴向SPL响应以输出音压98dB或以上(这符合实际听音环境)为基准～不是以输入功率为基准～同时要给出在工作频带内测量SPL响应的二次和三次谐波或总谐波失真曲线。(不是一个频率点在1W输入功率下)。要给出最大线性输出声压级曲线和最大线性输入功率，最大承受功率要给出测量条件～用什么信号:峰值/连续音乐信号,白噪声，粉红噪声或给定频率正弦波，多长时间。用什么滤波器，障板还是音箱。以一个典型高品质两路系统为例，下面为其设计观点和标准: 灵敏度:88dB/1W/1m(民用，监听) 频响:60Hz-15kHz，+/-2dB(正弦波) 100-10kHz，+/-1dB(octaveaveraged) 60Hz以下衰减理想。 指向性:相对轴向水平+/-30度小于4dB，垂直+/-10度小于2dB 总谐波失真(90dB):100-20kHz，<0.3%;<100Hz，<2% 总谐波失真(96dB):100-20kHz，<0.5%;<100Hz，<6% 最大输入功率:>100W峰值音乐信号 阻抗:(以八欧为例)8欧6105dB(1m) 监听>115dB(1m) 专业扩声>120-130dB(1m) 净容积:民用20-50L，监听50-150L，专业扩声:100-200L或号筒。 一个有趣的现象是监听箱体积要>50L! 为什么, 音箱设计同其他工程设计一样有各种因素拾弃平衡。当音箱体积很小时，如果你希望得到很低的频率重放就不能得到很高的效率～例:我们希望一个扬声器箱有110dB的灵敏度同时f3(-3dB点)=30Hz，而体积微小.但现实中这是不可能的。音箱设计中有三个相互矛盾的参数:f3希望越低越好～Vb体积越小越好～效率(SPL)希望越高越好～想像你有一个饼分三块，每块代表的参数为f3，Vb，SPL。当其中任何一块变化时必然影响其余两块。(见图5)另外f3，Vb，SPL属于R.H.Small参数中小信号参数，过小的箱体除造成小信号参数方面的问题外，还会导致必须采用较小口径的低音单元，扬声器声功率输出Par(cw)=Kpf34Vd2，可见，f3越低，要求单元最大位移体积越大，也就是Xmax要大.如果希望仍保持良好的低频响应和低失真以及高的线性声压输出，就会要求低音单元线性位移Xmax超乎寻常的高，这在实际中是不可能实现的，Xmax属R.H.Small参数中大信号参数之一。如果Xmax太大，首先音圈会变的很重，灵敏度会下降，单元参数会变得在实际中无法适合设计音箱，为此要获得低失真和较高的动态声压输出，必须采用较大口径的低音扬声器单元及所必需的最佳容积Vb对应于希望的f3。 我们注意到最近有些美国公司生产Xmax>12mm的超大冲程低音扬声器，如果要平衡各种因素，使低音扬声器有更高的线性声压输出范围这当然是一件好事。惠威96年生产的低音Xmax普遍提高到7mm左右，单只扬声器增加线性声压输出大约3dB。所以要达到基本的监听箱设计标准国际上流行的观点是Vb>50L～如用单只低音一般口径在十英寸以上～ 需要指出的是:现代很多欧洲扬声器生产商号称自己的小型扬声器系统(低音用一个五英寸或六英寸单元)为监听音箱而不指明为哪一种类型的监听音箱。如把做语言监听音箱(f3很高)同音乐监听音箱(f3要求很低)混在一起。发烧友买来却又用来听音乐。可以想象在重放大功率大声压低频音乐信号时的音箱效果。 二、下面来谈谈主要几个设计指标: 1.音箱要有一个平坦的高声压输出频率响应曲线(包括轴向响应和指向响应)有平坦的频率响应不一定是一个音质超众的音箱～但一个好的音箱都会有不错的平坦的频率响范围，很多音响工程师都有这种观点。 FloydToole博士在NRC(加拿大国家研究院)在职期间曾为JAES撰写过系列精采的文章，NRC成功尝试了在设计科学的试听实验中用扬声器频响满足听众偏好。 Toole博士的结论是"给予适当的环境，有经验的听众偏好宽频带，有着平滑的频率响应范围的扬声器"。正如我们上一辈的结论一样，DanielQueen在1979年JAES的杂志上也有如此的结论:有着宽阔的频率响范围的扬声器能提供平滑均匀的声谱图。 MartinColloms在他的著作《高性能扬声器》中也指出，"如果一个扬声器系统消音室测量的轴向/30度水平指向性响应是平坦的，有低的失真度和延迟共振染色。在普通环境下，当系统远离墙壁和墙角的位置摆放时，往往有异常自然的声音效果～" 上述这些都表明听众对有着平坦开阔的频响曲线的扬声器有特别的偏好。DonKeele在最近一次专业音响学术研讨会上向笔者指出:"轴向响应曲线必须是平滑的，因为这能表明听众首先听到的声音的声谱是平衡的，这是主观判断音质最重要的标准，平滑的指向响应也非常重要，因为房间里的声音和其它反射主要依赖于喇叭的非轴向响应。听众所听到扬声器的声音不仅有扬声器直接的发出的声音，还有墙壁反射回来的声音"。 "假设有一个合理的试音室，那么有着平滑轴向频率响应曲线的音箱的声响效果将是最好的，立体声效果取决于试听设备的绝对对称性，诸如音箱左右扬声器的对称，逼真的宽频带声音重放要求低失真，特别是在高声压低频率下，更是如此。"JohnAtkinson是《Stereophile》杂志的编辑，他做了一个关于扬声器质量和声谱响应平坦性关系的非常有趣的研究，这篇短论文描述了74种型号的扬声器，这74种扬声器在1990-1992年的《Stereophile》上都有过报导，Atkinson依据它们频响曲线平坦度偏差将这74种扬声器分成五组: 组别 不均匀度 喇叭数量 推荐数量 推荐率, 1 <2dB 17 10 82.4 2 2-2.5dB 13 10 76.9 3 2.5-3dB 17 13 76.5 4 3-3.7dB 12 8 66.6 5 >3.7dB 15 5 33.3 虽然从表中可以看出每一组中皆存在被推荐使用的扬声器(被推荐了,类扬声器只出现在1-3组中)，但如果偏差保持小于3dB，制造商就有更多的机会被推荐。 他的推论还指出:"扬声器有平坦的中、高频响应曲线是件好事，但这不能表明它就有好的音质，我的观点是，好的扬声器需要有平坦的轴向中、高频响应曲线，没有谐振染色，控制良好的中高频输出，低频完美的反射，精密的调谐频率，并且可以大音量不压缩地放音"我想我不可能比他表达得更清楚。 我给自己订下了一个比较高的频响曲线设计标准，也许其中一些指标在设计中达不到，但在追求完美的过程中所得到的收获比当初订下一个低的设计标准要大得多。设计标准如下: A:轴向频响不均匀度+/-2dB。 B:频响曲线相对轴向角度在15度到30度之间尽可能平坦。 如采用6.5"的低音扬声器，大约在3kHz频率点其非轴向频响有明显的变化，这表明最佳的分频点是在2kHz-2.5kHz。这样就可达到设计的目的。 2.扬声器应该尽可能地自由放松，不产生失真和压缩影响。 二分频的低音部份为避免失真和压缩影响，我们须将音箱设计成在整个动态范围内低音保持在它的线性振动范围内，用微机模拟可很容易地达到这个目的，设计者要选择适当的箱体大小以避免产生过大的振幅，然而，高音单元也会成为失真干扰声源，选择2kHz作分频频率，由于过强的高音振幅会产生失真，对大多数,"的球顶高音，要保持其振幅不致于过大2kHz是一个危险的低分频频率。 这个问题与分频器的衰减斜率密切相关，电声界观点也不一致。低分频频率的分频器要求:在分频点处有最大的衰减，同时保持最小的失真。因此，我选择了24dB/oct分频器斜率。虽然许 设计者偏好6dB/oct分频器斜率，但由于滤不乾净的低频进入高音，使高音振幅过大产生失真。所以这一类设计通常只适合于少数高音设计中，例如，DynaudioEsotar(用在SonusFaberExtrema中)。一阶分频器更适于三分频音箱的设计中。 3.优质扬声器在立体声区域提供准确的声象。 扬声器要有一个好的声象质量则要求有一些设计标准，最明显的是左右扬声器的频率响应必须是接近的，在中高频区要有宽阔的频率响应，上面已经讨论过，影响声象质量的另一个标准是要有非常对称的高低通分频器斜率并且驱动单元相位一致。设计中必须考虑低音和高音的相对延迟时间。 以前我所接触的音箱设计资料中所描绘的人工和手工计算方法是不理想的，我的目标是致力于用最先进的计算机辅助工程CAD软件来改进扬声器的设计质量，CAD软件不仅加快设计的速度(特别是在开发设计大批量扬声器时需要)，它还能使我们对设计过程有一个了解，根据这本书制作音箱用户不需要用复杂和昂贵的工具。 然而，我的任务却是棘手的，费时间的。在三年前我已经着手准备这项工作，在这个过程中，计算机辅助扬声器设计软件和微机声频测量仪器领域发生了很大变革，我记录下每个新的软件程序和新技术，这使得扬声器设计，音箱和分频器的设计变得更加方便得多。 1994年，惠威在北美洲加拿大设立研究开发总部并设厂生产少量顶级扬声器单元，我搬迁到了完全陌生的多伦多。好在以前在陕西汉中012工学院上大学时打下了良好的英文基础，使我很快适应了环境。同时对我完善计算机音箱辅助设计工作有了很大的帮助，去年11月在美国西雅图的LinearX公司总部同现代扬声器设计测量软件LMS/LEAP的发明者见面并了解了最新的这个领域的发展，使我相信惠威在这个领域应用方面是世界第一流的。惠威本身也开发了一些专业软件供惠威工程师使用。本书下面所有设计使用了各种不同的扬声器系统设计软件，感兴趣的读者可以同惠威技术部联系购买。 以下设计是在所允许的极窄范围内完成，正如微机设计过程中预测的那样，然而我们必须记住，计算机是不能设计音箱的，它们只能是加快设计速度，使设计工作变得便捷易行。 本书中的扬声器和元件都可以在音响店买到或向惠威公司邮购。业余爱好者根据本书可制作出质量相当好的音箱。 三、电动式扬声器工作原理 本书主要介绍电动式扬声器工作原理、应用、测量，音箱设计和分频器设计。电动式扬声器是目前主要 的扬声器类型，包括低音，中音和高音，基本工作原理如下: 电流通过音圈产生电磁场和磁隙中永久磁场相互作用使音圈受到力的作用，使与之相连的振动板产生机械振动，正如JBLMarkGrander指出，要想产生声音，必须移动空气。 其机械构造与电动机相似，只不过电动机的转子被扬声器的音圈振动系统所代替。图2.1是典型的动圈式 扬声器的剖示图。当永久磁场中的音圈通有电流时，根据右手定则在磁隙永久磁场内部会产生一个电磁 场，磁 场相互作用，由此所产生的机械力使得锥体式振膜或球顶式振膜沿着垂直于磁缝的方向运动。并 带动了振膜两旁的空气运动。 电动式扬声器由三个独立但又组装在一起协调工作的系统组成: 1.驱动系统:由磁体，中心导磁柱，上导磁板和音圈组成。 2.振动系统:由振动板，防尘罩或者球顶振膜组成。 3.支撑系统:由定心支片和折环组成。 A、驱动系统 驱动系统由五个基本部件组成，包括组成磁隙的上导磁板和导磁柱，磁体，音圈和后导磁板。上下导磁 板和导磁柱由高导磁材料如纯铁制作，它们为磁场提供一条路径。磁体通常由钡铁氧体材料类制作，并 且形状一般为圆环形状。磁路通过磁隙构成回路。在磁隙空气中产生非常高的磁场强度。如果交流电流 通过音圈，例如60Hz正弦波，当在正半周时，通过音圈电流将会使音圈朝一个方向运动，当在负半周时， 电流反向，产生电磁场反向，音圈改变运动方向，这就是两个磁场作用产生推拉的结果。为了准确重放 由正弦波输入产生的运动，音圈在磁隙两个方向移动应相等。为了保证这点，磁隙磁场的对称性非常重 要，这样在两个不同方向上才能获得相同的驱动力。如果不这样，就会产生信号失真。 如果磁场磁力线被限制在非常窄的磁隙中，可以认为磁场是对称的，不需要考虑它的影响。但是，磁力 线会跑出磁隙空间范围，在磁隙两边产生漏磁场，通常有很多方法可以保证漏磁场对称，见图2.2。图2.2 中A为普通圆柱型导磁柱，由于结构不对称，所以产生不对称的漏磁场，虽然应用广泛，但是这种结构最 差。图2.2中B为将导磁柱加工成工字形，所以产生对称的磁场。惠威现在D系列,早期S系列均采用上述磁 路结构。图2.2中C为导磁柱加工成一个角度，同2.2中A相近，但漏磁场对称性要好一些。惠威现在PLUS系 列采用这个磁路结构。 电流通过音圈产生机械力，用BL值表示。BL为一定圈数的导线长度L乘以单位面积磁通密度B。BL是衡量 驱动系统强度一个参数，单位用TM/N。怎样测量BL数值可以参看扬声器测量部份。 B、磁隙几何形状和BL值 在扬声器中，通常使用两种基本的磁隙/音圈几何组合，短音圈方式和长音圈方式。 图2.3的两种方式中，长音圈方式应用要普遍得多。图中Xmax表示的距离代表音圈朝一个方向可以运行的 距离，在这个移动范围内，音圈在磁隙中切割磁场的音圈匝数没有变化。Xmax等于音圈卷宽减去磁隙高度 再除以2。图2.4显示了两种不同方式BL值随着音圈位移增加(单向)变化结果。当输入扬声器电压增加时 ，音圈位移越来越偏离磁隙，直到超过Xmax。此时，音圈在磁隙中匝数减少，总的BL值减少。一个扬声器 当它的音圈匝数在磁隙中恒定时，称为工作在线性范围内，如果当它的音圈匝数在磁隙中减少或变化时， 称为工作在非线性范围内。短音圈方式在一个短的距离内，得到相当线性的驱动力，但是通常同长音圈方 式相比，具有比较低的BL值，(因为增加了磁隙高度所以要求比较强的磁场，短的音圈则意味着轻的音圈 质量)。长音圈方式优点在于合理的线性范围以及更高的效率(虽然音圈重量增加)，所以这种方式受到 制造商普遍采用。 不同的音圈卷宽配合不同的磁隙高度，可以获得相同的Xmax。但是当位移超过Xmax时，非线性表现却不一 样。例如:一个12mm卷宽音圈配合8mm磁隙同一个8mm卷宽音圈配合4mm磁隙，他们具有相同Xmax=2mm。虽然 他们Xmax一样，但是磁隙高度同Xmax之比例却大不一样。12mm为4:1。但8mm卷宽音圈只有2:1。音圈位移 超过Xmax时，这个比值同BL值减少有一定关系。图2.5给出了具有相同Xmax值，但是不同磁隙高度/Xmax 比例情况下，上述例子BL非线性特性曲线。请看图，BL在超过最大线性位移Xmax之后，开始逐步下降， 到了大约两倍Xmax时开始急剧下降，当磁隙高度/Xmax比值大时，同磁隙高度/Xmax比值小的相比，BL值 下降 要慢一些。在位移极限位置附近，也就是当音圈离开磁隙一个很大距离时，当位移变化时，BL值本 身变化不大，曲线变得很低，并且BL值趋近0。虽然BL值在两倍Xmax之内下降缓慢，但是失真却首先反映 出来，在满足失真要求下，音圈最大位移通常在Xmax基础之上再加15%。在增加音圈电压时，通过测量三 次谐波失真可以决定最大线性位移。此时，由于位移增加，并且超过Xmax，三次谐波失真开始增加。当三 次谐波失真达到大约3%时，位移量大约在Xmax+15%点上。 C、短路环和法拉利回路 电流通过音圈同样产生一个附加电流，同扬声器音圈电流相反，也就是大家熟悉的反电动势效应，这个反 电动势在音圈中产生的电流作用就像发电机转子,这个效应产生的电磁场，同扬声器音圈中信号电流产生交 流磁场一起，在磁隙磁场之中产生磁场调制作用。这个现象在1949年由W.J.Cunningham发现，会产生严重 的二次谐波失真。进一步研究表明，这个对磁场调制现象，当音圈向不同的方向运动时，效果是不同的， 换句话说，它是一个不对称的磁场调制效应。 产生这个不对称磁场调制效应部份原因就是导磁柱，作用好像变压器铁芯。当音圈变换运动方向时，就会 同步发生磁场调制。并且在音圈单向运动超过Xmax时，部份同步的产生磁场调制。另外发现，音圈磁场同 漏磁场相互作用改变漏磁场形状，这个结论，至少部份的解释了在后面我们讨论的推挽结构的优势。 最简单的解决方法是使用高导磁率材料铁芯，这样靠近音圈部份铁芯总是处于饱和状态，可以获得可以忽 略的磁场调制电流。这个技术并不是经常使用，原因在于高导磁率材料非常昂贵。最普遍的技术方法解决 这个磁场调制/涡流问题是采用短路环。或者叫做法拉利环。见图2.6。短路环应用有不同的方法。但都是 通过产生一个同音圈产生的磁场大小相等，方向相反的磁场来达到目的。图2.6中A为将导体材料如铜覆盖 在导磁柱顶部。图2.6中B为在导磁柱上安装一个铜帽。图2.6中C为一个铜柱围绕着导磁柱。图2.6中D为一 个短路环(磁通稳定环)安装位置图，通常由铝制作，放置在导磁柱底部。屏蔽导磁柱方法附带着另外一 个好处是减少音圈电感效应，通常电感效应会引起高频段响应升高。屏蔽罩安装位置和大小可以用来调节 和控制扬声器单元中频和高频段频率响应。在导磁柱底部安装一个短路环同屏蔽导磁柱方法一样可以减少 二次谐波失真，但是不能影响音圈电感以及高频单元响应。虽然应用短路法一个主要的好处是可以减少失 真，但是控制中频和高频单元响应同样重要。 D、振动板 解释扬声器振动板物理原理通常通过讨论一个理想的无限大刚性活塞推动空气来理 解。同无限大刚性活塞推动空气相比，扬声器单元振动板运动从频率上来讲是有界的。在低端由扬声器谐 振频率决定(在低于谐振频率的频段，扬声器能量转换受到机械限制)，而高频则受到空气辐射阻抗特性 所限制。空气对运动的阻力为辐射阻抗，辐射阻抗随着频率升高而减少直到某一高端频率点，此后即使升 高频率，辐射阻抗保持不变。 低于这个高端频率点，能量转换显示稳定的衰减，它是空气辐射阻抗和辐射表面积函数。小的辐射表面积 同大的辐射表面积相比，可以重放更高的频率。实际上，通常使用不同口径的扬声器来覆盖重放不同的频 段。 现实世界中，振动板不是绝对刚体。并且使用不同的材料制造，形变特性也不一样。振动板形变对单元高 频辐射效率，频率响应和指向特性影响很大。虽然不同的材料具有不同的硬度，同时内部对振动传递速度 E、振动板谐振模式 振动板有两类振动模式:放射型和同心型被应用于分析扬声器振膜振动。由图2.7描绘。放射型振膜振动 从振动板中央扩散到振动板边缘。通常发生在低频段，并且在实际中作用被认为为次要影响的振膜振动。 同心型振膜振动，由围绕振动板中央的一系列波纹或涟漪组成。这些同心型振动模式，通过全息照相可 波纹数量随着频率不同而变化，并且当改变频率时，一些波纹被反射回到中部，形成干涉图案。这些波纹 或涟漪以一种非常复杂形态来推动空气，并且一些同音圈相位相同，另一些则相位不同。在图2.7中，振 动板正 负区域表示他们相位相反。这个复杂的叠加和抵消关系被称作振动板分割振动，在扬声器典型频 率响应曲线中，产生很多峰和谷。当频率上升时，振动板有效辐射面积将会减少，所以在很高频率，倾 向于只有在振动板中央才发生辐射。在一些频率点，振动板有效辐射振动质量变小，声输出陡斜下降， 被称为高频截止频率。为了获得高的高频截止频率，振动板质量同音圈质量比例越小越好。高频截止频 率另外还受到音圈电感影响。 F、振动板指向性 当频率升高时，所有扬声器都表现出指向特性，并且高频输出成为一束声波，好像汽车车灯发出的灯光。 在声音波长(=c/f)比振动板周长大一些时，辐射为一个球面。当频率上升，波长等于或小于振动板周长 时，辐射图案变得相当尖锐。图0.8给出不同口径振动板-6dB点频率/偏离轴向角度曲线。 G、振动板形状 不同形状振动板具有不同的响应特性。振动板设计有两种基本形状:圆锥型或平面型，以及凸面形。锥体 形状振动板在响应范围高频段，倾向于有一个高的峰。峰的位置部份的由锥体角度决定。同凸面形振动板 相比，它的带宽要宽一些。凸面形振动板趋向具有平滑的频率响应，并且在高端具有一个不太尖锐的峰 (意味着高频响应效率低)。但是同锥形振动板相比，带宽要窄一点。通过改变凸面形振动板曲率，可 以改变和控制扬声器频率特性。 H、防尘罩 扬声器的磁隙宽度可以从大口径的几个毫米到小口径高音的一张厚纸那么小。磁隙宽度尽量越小越好，这 样可以使振动的音圈获得最大磁场驱动力，同时容易散热。当音圈同振动板相粘接时，从导磁柱到音圈之 间空间通常采用精密定位填充模具来安装定位。 这个装配过程使导磁柱和音圈之间空间对外部灰粒暴露出来。这样，可能会有一些灰粒存留在这个空间之 中，产生一些问题。传统解决办法是固定一个封闭罩，也就是防尘罩，来密封这个空间。 将一个防尘罩安装在振动板和音圈粘接部位上方，解决了一个问题，但是，又带来其他问题。安装在振动 板上的防尘罩有两种基本类型:固体材料和多孔材料。固体材料防尘罩不让空气通过它的表面，并且生成一个 小气室，当振动板前后移动时，使导磁柱上面空气压力发生变化。这个使空气压缩和稀薄作用，对扬声器 工作产生不好的影响。 由于音圈和导磁柱之间面积太小，不能有效的减缓由防尘罩运动产生的压力，生产商通常采用两种方法解 决这个问题。第一个是采用有通气孔的导磁柱，也就是在导磁柱中间钻一个小孔，以便使空气可以进出。 另外一个方法是在音圈上打一些孔，这样允许空气流出小气室，同时减少导磁柱和防尘罩之间压力。 多孔的防尘罩同样可以减轻导磁柱上方空气压力。但是产生其他问题。首先他们提供了箱体一条泄漏通 道，同折环泄漏损失相比，由于通过磁隙的泄漏空气体积很小，这个问题还不是太可怕。另外一个问题 是当振动板向导磁柱运动时，空气被压迫，通过防尘罩跑到振动板辐射表面。这个突然喷出的空气同振 动板辐射空气相位相反。会产生频率响应问题。但是将影响频率响应的多孔的防尘罩封死，也不见得是 一个好主意，因为原来设计中，也许利用多孔的防尘罩散热。空气通过磁隙范围内时，对音圈温度上升 有很好的冷却效果。封闭防尘罩还会造成顺性和Q值产生不希望的变化。 防尘罩还会改变扬声器单元高频频率响应。由于在高频频段时，振动板趋向由中间部份来辐射能量， 此时，防尘罩材料和形状对形成单元高频响应作用极大。封闭固体防尘罩比多孔的防尘罩对高频特性影 响要大。偶尔，有时你会发现在固体防尘罩上打几个小孔，用来减轻空气压力，可以得到两种类型防尘 罩共同优点。 I、球顶形状 同振动板声学特性相比，球顶高音和中音有自己的特点。球顶振膜两种基本类型为凸型球顶振膜和凹型 球顶振膜。在高频，凹型球顶振膜通常具有相当高的辐射效率。但是指向特性比较尖锐。高效率原因， 首先是因为凹型球顶振膜谐振，生成一个比较宽的谐振峰(当然它可以被阻尼掉一些)。凸型球顶振膜 J、悬置系统 在扬声器中，悬置系统通常包括两部份，折环和定心支片。折环通常由橡胶，泡沫海棉和经过处理压成 不同形状的亚麻布制作，折环协助振动板保持中心位置并且提供一个恢复力，使音圈保持在磁隙之中。 折环还可以为振动板边缘提供阻尼。定心支片通常用亚麻布制成波浪形状，可以保持音圈同导磁柱同心。 并且同样提供一个恢复力，使音圈保持在磁隙当中。 K、折环 折环和定心支片总硬度，通常体现为振动板容易移动的程度，或称为顺性(顺性正好和硬度相反)，在 扬声器总的顺性之中，定心支片作用占了约80%，折环占了20%。折环有两个重要的功能，它的基本作用 是保持音圈和导磁柱同心。但是，对振膜边缘向外辐射的振动进行阻尼同样非常重要。折环采用的材料 和厚度可以极大的改变扬声器频率特性。折环对振动板振动阻尼和防止振动反射回到振动板上的能力， 可以改变振动板分割振动的振幅和相位，所以在振动板设计时，要一起考虑设计折环，它也是改善频率 响应的工具之一。 L、定心支片 定心支片有不同的功能，它的第二个作用是使音圈和导磁柱同心，并且为防止外部灰尘进入磁隙提供了 一个屏障，但是它的最基本作用是为扬声器振动板提供一个恢复力。它的硬度为决定扬声器的谐振频率 fs=1/[2x3.14(CsMD)1/2] 这里: fs=扬声器单元自由场谐振频率 Cs=扬声器单元顺性 MD=扬声器单元总的振动质量(包括:振动板、音圈、定心支片和折环重量，同时再加上空气负载) M、线性良好的支撑悬置系统 显然，一个性能良好的扬声器悬置系统能为振动系统提供恒定的恢复力，在封闭式音箱之中，由于音箱内 部空气具有劲度，表现为对振动板施加一个恢复力。但是，在倒相式音箱之中，刚好相反。通常，用 DonKeele的“油罐效应”来说明，会产生音圈动态偏移。这个动态偏移问题，是一个非线性现象，在振动 板位移超过Xmax时发生。这时，在磁隙之中，音圈匝数会越来越少，BL值也会越来越小，反向电动势减少，音圈中电流增加，推动音圈进一步离开磁隙，这样会产生失真。 一个良好的悬置系统可以消除这个非线性动态偏移问题，由定心支片和折环组成的 支撑系统，当BL值减少时，同时恢复力增加。如果悬置系统恢复力增加极限位置和BL值减少的极限位置 接近，那么就可以防止音圈加速跑到磁隙外面。这一类悬置系统，经常应用在高声压级重放的专业低音 扬声器之中，不幸的是，很多业余扬声器设计师没有意识到这一点。因为在倒相式音箱设计中使用的低 音扬声器，并不是经常采用具有相当线性悬置系统的低音扬声器。 N、扬声器阻抗模型 我们所谈到的所有系统都可以使用电路数学模型来描绘分析他们的工作。这个技术是所有音箱设计计算 方法的核心。扬声器的等效电路具有同这个扬声器一样的输入阻抗特性。图2.9为一个典型扬声器实测阻 抗曲线，图2.10为一个扬声器等效电路，电路元件如下: RE=扬声器直流电阻 REVC=由频率决定的音圈阻抗(音圈电感的实部) LEVC=由频率决定的音圈阻抗(音圈电感的虚部) MD=质量机械参数 CS=顺性机械参数 ReS=阻尼机械参数 ZB=扬声器后方辐射阻抗 ZF=扬声器前方辐射阻抗 这个模型接近由Beranek描绘的等效电路模型，不同之处在于Beranek的模型音圈阻抗为固定值，而这里 为一个频率的函数。关于扬声器等效电路模型,请参看惠威制作指南Ver6.1.可以获得更加详细说明. O、功率、效率和房间尺寸 功率放大器输出一个给定的功率，能够发出多响的声音，可以直接反映扬声器系统的效率以及扬声器系 统激励空气的体积能力.在你制作扬声器系统之前，对于给定的听音空间，考虑扬声器系统能否达到希望 的响度声压级，是一个非常重要的问题。由于大部份扬声器是一个相当低效率的元件，效率通常从0.5% 到2%。能够输出大约多少声功率并不容易计算，如果我们考虑一个简单的典型无限障板单元，效率为0.5% ，功率放大器输出为50WRMS，那么这个系统声功率输出大约为0.005x50W=0.25W声功率。图2.11曲线可以 用来估计在一个给定的房间空间之中，对于一定的声功率输出，可以产生多大的节目信号声压级。例 如:我们用上面输出0.25W声功率系统，放在一个典型容积100m3的住房之中，可以获得大约97dB的声压 响度。为了获得额外的3dB声压使总声压达到100dB，我们要将功率放大器的功率增加到100W。 取决于单元的额定功率，以及提供的额定功率是否满足扬声器单元最大温升热承受功率(很多单元在输 入低于额定功率之前，已经先烧坏)。这个0.5%效率的单元看起来输出声压级不够。除了增加功率放大 器功率输出一倍以外，另外一个办法是增加额外的一个单元，增加一个并联单元，使有效辐射面积增长 一倍，同时使声功率增大四倍。在相同的房间内，使用50W功率放大器输出，采用双单元方式可以获得1W 声功率，输出103dB声压级。而采用一个单元，如果达到同样的声压级，需要输入200W功率～