扬声器原理
第一部分 一般原理水压力传感器
1．扬声器的定义
1993年出版的《电声辞典》指出：扬声器是“能将电信号转换成声信号并辐射到空气中去的电声换能器“扬声器”一词是由“Speaker”、“Loudspeaker”而来。扬声器俗称喇叭。
按工作原理分类，可分电动式、电磁式、静电式、压电式、离子式 等。
按辐射方式分类，可分为直接辐射式扬声器、号筒式扬声器、耳机扬声器。
按用途分类分为：高保真（Hi-Fi）扬声器、监听扬声器、 扩声类扬声器、 收音机、录音机、电视机用扬声器、警报用扬声器、水下及船舶扬声器、汽车扬声器、还有家庭影院要求的扬声器。
3．动圈式扬声器工作原理
在各种类型的扬声器中，运用最多、最广泛的是电动式扬声器，又称动圈式扬声器，它是应用电动原理的电声换能器件。根据法拉第定律，当载流导体通过磁场时，会受到一个电动力，其方向符合弗来明左手定则，力与电流、磁场方向互相垂直，受力大小与电流、导线长度、磁通密度成正比。当音圈输入交变音频电流时，音圈受到一个交变推动力产生交变运动，带动纸盆振动，反复推动空气而发音。目前使用最广泛的纸盆扬声器、号筒扬声器都属于电动式扬声器。 扬声器尺寸标示方法：圆形扬声器的标称尺寸通常用扬声器盆架的最大直径表示，如我们平时所说的8英寸扬声器，它的盆架外径为200MM；
椭圆形扬声器的标称尺则用椭圆的长短轴表示，如我们平时所说的4×6英寸扬声器的盆架尺寸为100MM×160MM；习惯上常用英寸表示，两者之间关系是1英寸约等于25.4MM。
4．扬声器的结构
锥形扬声器是目前应用最广泛的电动式扬声器 ，也是一种直接辐射式扬声器，它通过一个呈圆锥形的锥盆直接向周围空间辐射声波。一只完整的锥形扬声器可分成以下三大部分：
振动系统由锥盆、折环、定位支片、防尘罩和音圈组成； 磁路系统由磁体、上导磁板、下导磁板、磁极心组成；
辅助系统则由盆架厨房纸巾架、压条、引出线和接线端片等组成。
5．锥盆
锥盆是扬声器的主要发声部件，在一定程度上决定了扬声器的有效频率范围和失真大小。根据锥盆截面形状的不同，锥形扬声器的锥盆可以分为直线形、抛物线形和指数形3种 ,不同的截面形状曲线，其频响曲线不一致，音质也会有所不同。指数形适合做中高频或全频带扬声器，抛物线形适合做低频单元。
6．折环
6．1折环是指扬声器锥盆（或振膜）的四周支持部分，它有以下几点作用：
1、对扬声器振动系统进行轴向定位。
2、折环和定心支片的顺性，决定扬声器的谐振频率。
3、折环本身的阻尼性，使谐振和反射都减小。
4、折环还应有一定气密性,不然会有反相声波出现,造成声短路。
6．2根据折环的作用，可归纳出对折环的要求：
1、能是振膜在振动轴向的顺性大。
2、使振摸在横向刚性强。
3、在尽可能大的振幅范围内，使驱动力与位移成线性关系。
4、环无谐振和反相振动。
5、质量要尽量轻。
6、制造工艺不太困难。
目前扬声器中使用的折环主要有纸折环、布折环、泡沫折环和橡胶折环4种。这几种折环的内阻尼互不相同。折环的形状对扬声器的性能有很大的影响，常见的有波纹式和圆环式两种。
7．定心支片
定心支片是振动系统中影响扬声器品质的又一重要元件。定心支片和折环的劲度是决定扬声器谐振频率的因数之一，定心支片振动时振幅的线性程度也在一定程度上影响扬声器的失真大小。
7．1定心支片的主要作用：
1、保持音圈在磁隙中的正确位置；
2、保证音圈在受力时,振动系统沿轴向往复运动；
3、和振动系统的音圈、振膜共同决定扬声器的谐振频率；
4、防止灰尘进入磁隙。
7．2定心支片的特性和对它的要求
1、柔软度（顺性）。它影响扬声器的谐振频率，取决于定心支片的形状的材料的硬度。
2、最大位移量。它关系到扬声器的最大振幅，取决于定心支片外径与内径的距离和定心支片的形状。
3、位移的线性。它体现了定心支片对驱动力的顺从性，限定了振幅的范围，超过此范围，振幅增加减慢，呈饱和状态，它取决于定心支片的材料和形状。
4、位移的复原性。当定心支片受外力作用产生位移，在外力除去后，位移可能不恢复至零，类似于磁体的磁滞现象，它取决于定心支片的材料和形状。
5、要兼顾可靠性、实用性、质量轻、耐湿性、难燃性、耐久性、耐折性、适当透气性（减少定心支片振动时封闭空间的压力）、密封性，并尽量减少异常谐振。
8．防尘罩
防尘罩是一种用纸质或聚酯塑料等材料制成的球顶状防护罩，安装在锥盆根部与音圈结合部，它的作用：
1、用来增加结合部的刚性，改善扬声器的高频特性；
2、防止金属屑和灰尘进入磁气隙。
目前使用防尘罩有凸形、凹形、平形、网形等。材质有布、毡、纸、PP、金属等。
9．音圈
音圈是扬声器的驱动元件，通常用铜漆包圆线在圆柱形骨架上绕制而成。整个音圈分两层或四层绕制，目的是使线圈的引出线两端均朝向锥盆一侧，使引出线能牢固地焊接在锥盆上。为了防止扬声器音圈在流过较大音频电流时因过热而损坏，目前许多扬声器已采用铝镁合金骨架,KAPTON,TIL骨架。
10．磁体
磁体是一种硬磁性材料烧结而成的圆环，其作用是在扬声器磁气隙中产生具有一定磁感应密度的恒磁场。前几年生产的扬声器大多使用锶或钡铁氧体磁体。铝镍钴和钕铁硼是一种新型的磁性材料，比传统的铁氧体磁体具有更高的磁能级，使用这些磁体用明显提高扬声器的性能指标，缩小扬声器体积。但是价格较贵。
11．上、下夹板、极心
上、下夹板是一种用导磁性能良好的低碳钢或纯铁制成的圆环形铁板，极心是用同体材料制成的圆柱形铁心，极心和下夹板通常直接铆合在一起。它们的作用是给磁体所产生的磁场提供一个磁回路，并在上夹板和极心之间形成一个均匀的磁气隙。
12．盆架
盆架的作用是将锥形扬声器的振动系统和磁路系统组合成一个牢固的整体。锥形扬声器的盆架大多是薄钢板冲制成有斜壁的环状体。一些大功率Hi—Fi用扬声器为了进一步减小因盆架振动而引起的失真，其盆架则用铝合金浇铸或冷挤成型。低频扬声器为了能很好地重放低音，谐振频率一般都设计得较低，扬声器工作时锥盆的振动幅度较大。因此，低频扬
声器盆架的斜壁上通常都开有4个或6个花档冲孔，作用是避免锥盆振动时被封闭在锥盆和盆架之间的空气给振动系统增加一个额外负载。为了增加盆架的机械强度，盆架上一般都设有特殊的皱折和凸筋。中频和高频扬声器由于谐振频率较高，锥盆的振动幅度较小，锥盆和盆架之间的空间已能满足要求，盆架上不设有上述通孔，密封的后腔更能有效地防止锥盆后侧发出的声波与其他扬声器发出的声波相互干扰。
扬声器的额定阻抗是一个纯电阻的阻值。在确定信号源的有效电功率时，用它来代替扬声器，此值由产品标准规定；在与放大器等匹配、测量阻尼系数时此值皆有用途。
在额定频率范围内，阻抗模值的最低值不应小于额定阻抗的80%。国家标准GB/T9397-1996《直接辐射式电动扬声器通用规范》中规定，额定阻抗优选值系列为4Ω、8Ω、16Ω、25Ω、50Ω、100Ω，或由产品标准规定。实际上扬声器生产厂都生产系列阻抗的扬声器供用户选择。扬声器的阻抗完整地说是标称阻抗，是扬声器输入端的阻抗，对于纸盆扬声器来说，是在阻抗曲线上低频共振频率以上的第一个阻抗最小值，通常是阻抗曲线上没有显著峰值的1KHZ的阻抗。阻抗与放大器的输出阻抗有密切的关系，这就是我们后面要
提到的阻尼系数。有了阻抗值可以按下式计算扬声器的输入功率为P=U2/Z
式中 Z——扬声器的阻抗（Ω）；U——音圈两端的电压（V）。
阻抗的允许偏差通常为±15%
第二部分 测试参数
1． 阻抗曲线
阻抗曲线是指扬声器的阻抗模值随频率变化的曲线。扬声器的阻抗曲线如图3-1所示，它在最低共振频率附近急剧上升，在高频部分随音圈电感增加而加大。
在图3-1中，纵轴表示阻抗（Ω），横轴代表频率（镭射打印Hz），通常采用对数刻度。曲线的峰是由纸盆、音圈、定心支片等振动系统共振造成的。而此曲线中部最小值相当于扬声器的额定阻抗，通常比直流阻抗大10%～30%。可以根据扬声器直流阻抗估算扬声器阻抗，扬声器的阻抗实际上由三部分组成，如图3-2所示a线表示扬声器音圈的直流阻抗，不随频率变化（严格地讲会随温度变化）；b线表示电感部分，根据电感特性其感抗随频率上升而增加，和音圈的绕法、匝数有关；c线表示反电动势部分，当音圈振动时会产生一个反电动势，
反电动热产生的电流与输入电流方向相反，事实上相当于减少输入电流，换句话说即阻抗增高。在共振频率时振动最大，等于电阻值增大。阻抗曲线是了解扬声器性能的一个窗口。
1．共振频率
由图3-1的阻抗曲线可见，在低频段某一频率其阻抗值最大，此时的频率称之为扬声器的共振频率，记为计量罐FO，即在阻抗曲线上扬声器阻抗模值随频率上升的第一个主峰对应的频率。
扬声器是一个振动系统，共振频率与扬声器的质量和顺性有关，即振动系统的质量愈大，纸盆折环、定心动片愈柔软，则顺性愈大，共振频率愈低，反之共振频率愈高。写成公式为
fO=1/2πSQRT(1/m*c)
式中 m0——振动系统的质量；c0——振动系统的顺性。
我们常常希望降低扬声器的共振频率，但是有一定限度。增加振动系统质量固然可以降低共振频率，但质量增加会使扬声器输出声压降低；增加振动系统的顺性在一定范围可以降低共振频率，但是顺性增大会使振动系统振幅增加及振动系统强度减弱，两者都导致失真加大，因此共振频率有一个适当值。一般情况下扬声器口径愈大其共振频率愈低。共振频率是扬声器重放的起点，也是低频重放的下限。在共振频率以下，扬声器的输出声压随频率的平方而下降。
扬声器的共振频率会随温度、湿度的变化而变化，这种变化在全纸盆扬声器时代比较明显。
由于空气里湿度过大，振膜吸潮使质量增加，折环柔软，使共振频率下降，下降幅度近10%。温度上升也有使共振频率降低的趋势。有人觉得在细雨朦胧之中听音乐别有一番情趣，除了心情、环境因素以外，扬声器共振频率的微妙变化也是一种契机。
近年来扬声器振膜材料和工艺的改进，如聚丙烯、碳纤维、金属等振膜的采用，各种复合折环的出现，振膜防潮剂、湿强度剂的改进，都促使扬声器的共振频率趋于稳定。
扬声器的共振频率随输入功率的大小和工作时间的长短也会有些变化。根据我们的实验，共振频率会在加入功率一段时间略有下降，然后趋向稳定。有人买来音箱喜欢先加功率工作一段时间（称之为煲机，我们既不反对也不提倡），其作用是使扬声器共振频率稳定。
2．功率
扬声器的功率是选择、使用扬声器的重要指标之一。功率用瓦（W）、伏安（低温空调V·A）来表示，扬声器使用的是视在功率，故用V·A更合适。本来功率有准确的定义，国际国内都有可依据的标准。由于利益驱动某些国内外厂家，功率标注相当混乱。既骗了顾客，又向自己招牌泼污水。在这里我们根据权威的IEC268-5（1989）、GB/T9396-1996，对各个功率定义予以说明。
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