細解揚聲器的Q值

1、細解揚聲器的q值摘要：本文從理論計算入手，詳細分析了揚聲器qms、qes及qts的本質(zhì)意義，特別是對于不經(jīng)常使用的qms及其影響因素，更是從各個方面進行了全面的分析。關(guān)鍵詞：揚聲器、t-s參數(shù)、品質(zhì)因素、阻尼、阻抗company：guoguang electric co., ltd.subject: analyzes the q parameter of loudspeakersummary: this article introduces the key parameter q (including qms, qes and qts) of loudspeaker. especially f

2、or qms, it is analyzed in particular since qms was not in common use.key words: loudspeaker, t-s parameters, quality factor, damping, impedance.正文：在揚聲器的thiele-small參數(shù)中，其品質(zhì)因素q值作為評價低頻性能和低音箱體設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)常被大家提起和引用；但作為一個數(shù)學(xué)模型的輔助參量，q值的概念是非常抽象的，遠遠不如fs（諧振頻率）、vas（等效容積）等參數(shù)容易得到感性的認識。下面，本文將通過不同的角度，來分析、闡釋q值的意義，希望能夠加

3、深大家對q值的理解。1. 基本概念根據(jù)t-s參數(shù)的定義，q(quality factor)是描述揚聲器阻尼系數(shù)（damping factor）的一組參數(shù)。在t-s參數(shù)中，q值分為qms，qes和qts。qms為機械系統(tǒng)的阻尼，體現(xiàn)了揚聲器支片、邊等支撐系統(tǒng)對能量的消耗、吸收和音盆、音圈、防塵帽等質(zhì)量系統(tǒng)對能量的內(nèi)在消耗；qes為電力系統(tǒng)的阻尼，主要體現(xiàn)在音圈直流電阻對電能的消耗；qts為總阻尼，為上述兩者的并聯(lián)。即qts=qms*qes/(qms+qes)。揚聲器qts對低頻聲壓特性的影響如圖（1）所示，這在很多參考書上都有描述，這兒不再討論。圖（1）qts對揚聲器低頻聲壓特性的影響1. 阻抗

4、曲線的數(shù)學(xué)模型考慮到揚聲器q值與阻抗ze密不可分的關(guān)系，在具體分析q值前，我們簡單了解一下?lián)P聲器阻抗曲線。在阻抗型電聲類比中，揚聲器的等效阻抗為：其中，re為揚聲器的直流阻抗，l為音圈線圈的感抗；res為振動系統(tǒng)的力學(xué)等效阻抗，res=（bl）²/（rms+2rmr），rms振動系統(tǒng)的力阻，rmr為揚聲器振膜單面的輻射力阻； cmes為質(zhì)量抗，cmes=mms/（bl）²； lces為彈性抗，lces=cms*（bl）²。 當頻率在fs的時候，動生阻抗達到最大值；同時由于在低頻階段，音圈感抗相當小，基本上可以忽略，所以我們有：zmax=re+|res|參考下面ml

5、ssa對某款揚聲器的測試結(jié)果，我們可以對其進行直觀地理解。圖（2）揚聲器的阻抗曲線1. q值與阻抗ze的關(guān)系根據(jù)qms的定義，有qms=mms/(rms+2rmr)。由=2fs以及我們不難得到：同樣，對于qes和qts有：對于上述的bl、cms和mms，一般的測試軟件都可以通過附加已知質(zhì)量法測得或者通過fs推算得到，具體的方法及推算過程由于不是本文的內(nèi)容，這兒就不做介紹。為了驗證上述公式的準確性，本人特地選了幾款低音或者全頻揚聲器，統(tǒng)一單位以后，其計算結(jié)果如下：測得參數(shù) 公式計算結(jié)果 實際測試結(jié)果 blcmsmmsreresqmsqesqtsqms qes qts 2.557201.47.76

6、14.77 3.167 1.664 1.091 3.151.661.094.264255.353.6834.89 6.821 0.719 0.651 6.830.720.654.9110767.69 5.79 50.10 5.556 0.642 0.576 5.650.650.594.9549013.483.5625.10 5.373 0.762 0.667 5.380.760.677.50107312.446.8752.93 3.204 0.416 0.368 3.20.420.3713.0332193.933.63125.56 12.651 0.366 0.355 12.650.370.3

7、619.2031397.827.4757.48 2.756 0.358 0.317 2.770.360.32由于mlssa的q值、re和res是通過阻抗曲線計算得到的，而bl和cms、mms則是通過附加一致質(zhì)量法得到，兩者之間多多少少會有些誤差；對比測得的結(jié)果，其公式計算結(jié)果顯然是讓人滿意的。根據(jù)上述公式，我們可以清楚地看到影響揚聲器q值的幾個因素：bl，cms，qms，re和res，而其中bl則是最容易改變也是影響最大的，在實際開發(fā)中改變bl值也是我們調(diào)整q值最常用的辦法。在一般定義的設(shè)計目標時，re一般都是已經(jīng)預(yù)先設(shè)定的，所以對于qes的控制也相對比較簡單，這兒就不做重點討論。下面我們就來

8、重點討論相對復(fù)雜的res及其對qms的影響。1. 感性認識qms在t-s參數(shù)的三項q值中，大部分人對qts與qes非常敏感，而對qms都不會太過注重。的確，作為描述低頻份量的參數(shù)，從圖（1）中我們就可以看出qts的重要性；更何況在低音箱體設(shè)計時，作為判斷使用何種箱體以及計算箱體尺寸的重要依據(jù)，qts一直被音箱開發(fā)者頻繁使用；而對于揚聲器單體的開發(fā)者，qts也是經(jīng)常被客戶要求的參數(shù)之一。對于qes，由于其值比qms一般都小很多，根據(jù)qms=qms*qes/(qms+qes)，qes基本上決定了qts，甚至很多參考書上都直接將qes當作qts使用。所以相對而言，大部分揚聲器開發(fā)者對qes和qts的

9、設(shè)計和調(diào)整都比較輕車熟路。而對于qms，由于使用的頻率不高，大部分參考書上也甚少介紹，相當多的人對其本質(zhì)意義以及控制辦法都沒有太深的理解。下面，我們就重點分析一下qms。根據(jù)前面的分析結(jié)果，qms反映了阻抗曲線上的峰值，即動生阻抗的最大值res的大小。從另一方面說，res越大，其阻抗峰越尖銳，qms也就越大。而對于動生阻抗，顧名思義，其阻抗因動而生。其產(chǎn)生的根本原因就是音圈在磁場中運動時切割磁力線而產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，而感應(yīng)電動勢對音圈輸入電流反向作用的效果，就相當于在音圈中產(chǎn)生了變化的阻抗；感應(yīng)電動勢的大小為：e=blv；其中v為音圈的磁場中的運動速度。顯然，v越大，揚聲器的感應(yīng)電動勢越強，動

10、生阻抗也就越大；而在振動最快的fs這一點，動生阻抗也就達到了最大值。所以間接看來，qms越高，就表示揚聲器振動系統(tǒng)的振動速度越快。根據(jù)揚聲器的輻射功率p=v²*2rmr,我們可以知道qms越高，揚聲器在fs附近的效率也就越高。 另一方面，v越大，同時意味著揚聲器振動系統(tǒng)越容易起動，而一旦振動起來后，卻更加難以控制了。這句話從換個角度理解，就意味著qms越高，揚聲器瞬態(tài)的前沿特性就越好，而后沿特性就會比較差；反之，則前沿特性差，而后沿特性比較好。這點我們可以簡單的根據(jù)下圖理解： 圖（4）揚聲器的瞬態(tài)特性 一些發(fā)燒友音質(zhì)評價術(shù)語中，有個詞匯叫做“速度快”，從瞬態(tài)的角度理解，所謂的“速度快

11、”就是揚聲器前沿特性比較好，對信號的反映比較及時，也就是說，qms比較高。一般來說，前沿特性的提高必然導(dǎo)致后沿特性的惡化，而后沿特性比較差的揚聲器，聽起來就會拖尾較長，聲音渾濁不清。按照個人設(shè)計經(jīng)驗，由于材料特性的關(guān)系，往往qms都相對比較高；而對個人而言，本人則更傾向于后沿特性好一點的揚聲器。1. 影響qms和res的因素根據(jù)我們前面對qms的計算公式，我們知道與qms相關(guān)共有四個參數(shù)：res，bl、mms和cms，其中bl、cms和mms的概念比較簡單，開發(fā)過程中調(diào)整起來也相對比較容易，在這兒就不重點討論了。對于res，從前面的介紹中我們已經(jīng)知道：res=（bl）²/（rms+2

12、rmr） 在低頻段，揚聲器振膜做活塞振動，其輻射力阻抗rmr比較簡單，有:rmr=²sd²/(2c)式中為空氣密度，sd為揚聲器的有效振動面積，c為空氣中的聲速。 所以rmr基本上是僅與振動面積相關(guān)的一個參數(shù)，在揚聲器開發(fā)過程中，一旦揚聲器的尺寸確定，rmr基本上就已經(jīng)確定。 對于rms，其基本定義為揚聲器振動系統(tǒng)的機械力阻。由于揚聲器參與振動的因素較多，各個部分對其作用也各不相同，為了方便理解，我們先來看看揚聲器振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖（5）揚聲器結(jié)構(gòu) 上圖中，1為揚聲器的折環(huán)，2為音盆，3為支片，4為音圈，5為防塵帽。 在上述各個部件中，折環(huán)和支片作為支撐系統(tǒng)，對rms的

13、作用主要體現(xiàn)在自身的內(nèi)部阻尼消耗能量上，從而抑制振動，所以其材料內(nèi)部阻尼就特別重要。限于篇幅，對于材料的內(nèi)部阻尼我們就不做具體介紹了。不過對于支片的阻尼，有兩點經(jīng)驗，可以給大家分享。 1. 支片的直徑越大，相同順性的情況下，阻尼越高；這點應(yīng)該比較容易想象，一方面為了保持順性，直徑大的支片必然需要更多的膠水（酚醛樹脂）來定型，另一方面，直徑大的支片在振動傳遞過程中，需要更長的距離，其能量消耗自然也就比較大； 2. 部分人的經(jīng)驗，降低支片的順性可以降低qms；從前面的分析來看，顯然是不對的。但降低支片的順性，必然需要更多的膠水定型，其內(nèi)部阻尼也就更大；所以在某些情況下，內(nèi)部阻尼的作用大于由順性帶來

14、的影響時，qms確實是會降低的。 音盆和防塵帽對rms的作用則有下面幾個方面： 1. 利用了空氣形成的阻力抑制振動；相對來說，比彈性率e/（彈性模量/密度）大的材料，即剛性好，密度低的材料，對rms的貢獻就比較大； 2. 音盆內(nèi)部阻尼在傳遞音圈引發(fā)的振動過程中產(chǎn)生的能量消耗；這一點對中高頻來說，是影響分割振動的一個重要因素，而對于低頻，這種作用則與折環(huán)和支片類似； 3. 利用表面阻尼在與空氣摩擦產(chǎn)生的損耗。我們經(jīng)?？吹皆谝恍┑鸵魮P聲器紙盆的表面涂一層阻尼膠，很大一部分的作用就在于此。 對于音圈，對rms的貢獻主要在于骨架。作為振動傳遞的第一站，音圈骨架的內(nèi)部阻尼對整體rms的影響相當大，特別是

15、小型揚聲器。對此我們可以比較一下一款2”的全頻帶揚聲器，分別使用不同的骨架材料得到的數(shù)據(jù)： 骨架材料 blcmsmmsresrms+2rmrqms0.05mmkapton2.576381.3533.32 0.207.34 0.05mm黃鋁片 2.586431.4215.61 0.433.48 另外，除了上述各部件，防塵帽下方和支片下方的空腔氣流也是影響rms的因素之一。有時候，我們在磁柱或者盆架上開孔都可以少量的改變qms。 （六）結(jié)束語 從以上分析可以看出，揚聲器品質(zhì)因素q作為描述振動系統(tǒng)所受阻尼的參數(shù)，與揚聲器大部分部件的材料、性能以及結(jié)構(gòu)都相關(guān)；實際上，揚聲器的很多參數(shù)都是互相影響甚至互

16、相矛盾的，揚聲器的開發(fā)過程就是一個平衡其中各項矛盾的系統(tǒng)工程。本文通過對q值的詳細分析，希望能夠加深大家對各項相關(guān)因素的理解，從而在開發(fā)過程中能夠更輕松的做出相應(yīng)調(diào)整，找到一個符合自己意愿的平衡點。 附文中引用的部分t-s參數(shù)名詞解釋： fs：揚聲器的諧振頻率，很多資料將其表示為f0，單位：hzbl: 磁場間隙的磁感應(yīng)強度與音圈在磁場中的有效線長乘積，單位：tesla-meters (tm)mms：揚聲器的等效振動質(zhì)量，單位：克(gram) cms：支撐系統(tǒng)的順性，單位：微米/牛頓(um/n) 參考文獻 o 俞錦元. 音箱原理與制作. 北京：電子工業(yè)出版社, 1998 o 曹水軒、沙

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