喇叭揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)與制作分析

/喇叭設(shè)計(jì)-揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)和制作分析1.揚(yáng)聲器常用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T9396-1996《揚(yáng)聲器主要性能測(cè)試方法》

GB/T9397-1996《干脆輻射式電動(dòng)揚(yáng)聲器通用規(guī)范》

GB9400-88《干脆輻射式揚(yáng)聲器尺寸》。

GB7313-87《高保真揚(yáng)聲器系統(tǒng)最低性能要求及測(cè)量方法》

GB12058-89《揚(yáng)聲器聽(tīng)音試驗(yàn)》2.揚(yáng)聲器主要電聲特性

額定阻抗Znom

總品質(zhì)因數(shù)Qts

等效容積Vas

共振頻率Fo

額定正弦功率Psin

額定噪聲功率Pnom

長(zhǎng)期最大功率Pmax

額定頻率范圍Fo-Fh

平均聲壓級(jí)SPL

3.揚(yáng)聲器主要零部件尺寸設(shè)計(jì)

3.1揚(yáng)聲器口徑

揚(yáng)聲器口徑必需符合客戶要求，若客戶沒(méi)有具體要求，則優(yōu)先接受國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9400-88《干脆輻射式揚(yáng)聲器尺寸》。

3.2支架

支架外形尺寸及安裝尺寸應(yīng)能滿足客戶須要，除此之外還需考慮鼓紙、彈波、華司等尺寸選擇和協(xié)作問(wèn)題，一般大功率低頻率的揚(yáng)聲器要求支架有效高、底高、彈波接著徑、華司鉚接徑等均較大。

3.3磁體

磁體尺寸優(yōu)選常用系列值，具體尺寸需按性能要求確定。

常用鐵氧體尺寸：

32*18*6,35*18*6,40*19*8,45*22*8,50*22*8,55*25*8,60*25*8,60*32*8,

65*32*10,70*32*10,80*40*15,90*40*15,100*45*18,100*60*20,110*60*20120*60*20,130*60*20,140*62*20,145*75*20,156*80*20,180*95*20,

220*110*20

常用標(biāo)準(zhǔn)：

SJ/T10410-93《永磁鐵氧體材料》

3.4音圈

音圈中孔尺寸優(yōu)選常用系列值，具體尺寸(如卷寬、線徑)需按性能要求確定，骨架高度還需考慮到和鼓紙、支架的協(xié)作。

常用音圈中孔尺寸：

13.314.314.715.416.318.419.420.425.525.930.535.538.644.549.550.565.575.580.0100.0127.0

3.5各種零件的尺寸協(xié)作

支架、磁體、音圈等零件的主要尺寸確定后，其他零件的主要尺寸選擇余地就受到限制，因?yàn)楦鞣N零件的尺寸必需相互協(xié)作，同時(shí)其性能參數(shù)也要相互協(xié)作。

支架和鼓紙

鼓紙外緣和支架膠合面一般需大于2mm(微型揚(yáng)聲器不受此限制，下同)，鼓紙外徑必需小于支架內(nèi)徑1mm以上，鼓紙次外徑不能小于支架次外徑3mm以上、也不能大于支架次外徑2mm以上，鼓紙有效高必需小于支架有效高0.5mm以上。

3.5.2支架和彈波

彈波外緣和支架膠合面一般需大于2mm，彈波外徑必需小于支架的彈波接著徑0.5mm以上，彈波有效高必需小于支架有效高和鼓紙有效高的差值0.5mm以上。

3.5.3支架和華司

協(xié)作尺寸主要取決于支架和華司的鉚接工藝，總的要求鉚接應(yīng)堅(jiān)實(shí)，內(nèi)鉚支架尤其要留意材料厚度。

3.5.4音圈和鼓紙

鼓紙中孔尺寸一般要大于音圈骨架外徑0.2~0.9mm，小口徑、小音圈取值小些。

3.5.5音圈和彈波

彈波中孔尺寸一般大于音圈骨架外徑0.1~0.4mm，太大會(huì)漏膠、太小難裝配。

3.5.6音圈和T鐵

音圈中孔尺寸一般大于T鐵中柱外徑0.3~0.6mm，小音圈取值相應(yīng)小些。

3.5.7音圈和華司

華司中孔尺寸(內(nèi)鉚的為鉚后尺寸)一般要大于音圈最大外徑(為繞線部位)0.3~0.6mm，間隙太小簡(jiǎn)潔碰圈、影響到裝協(xié)作格率，間隙太大又會(huì)降低磁性能、從而導(dǎo)致靈敏度下降。

3.5.8鼓紙和彈波

鼓紙中孔和彈波中孔的距離，中小口徑的揚(yáng)聲器以0.5~2mm為佳，大口徑可以加大到2~5mm，距離大些定位效果會(huì)更好、更能承受大功率，只是鼓紙中心膠和彈波中心膠需分開(kāi)打。

4.揚(yáng)聲器關(guān)鍵零部件的性能設(shè)計(jì)

4.1磁路

4.1.1磁路設(shè)計(jì)的目的和方法

磁路設(shè)計(jì)的目的主要有兩種：一是給定磁體規(guī)格(已知材料性能和尺寸),設(shè)計(jì)出磁路結(jié)構(gòu),使其工作氣隙磁感應(yīng)密度Bg值為最大,Bg值的大小對(duì)揚(yáng)聲器的靈敏度及電氣品質(zhì)因數(shù)Qes影響很大；二是給定Bg值,設(shè)計(jì)出磁路結(jié)構(gòu),使所用磁體尺寸為最小,從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

磁路設(shè)計(jì)的方法有多種，這里接受的是閱歷公式法。

4.1.2磁路設(shè)計(jì)基本公式

Kf*Bg*Sg=Bd*Sm(1)

Kr*Hg*Lg=Hd*Lm(2)

相關(guān)說(shuō)明如下:

Bg:工作氣隙中的磁感應(yīng)密度

Bd:磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)密度

Sg:工作氣隙截面積

Sm:磁體截面積

Kf:漏磁系數(shù)(總磁通和工作氣隙磁通之比)

Hg:工作氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度

Hd:磁體內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度

Lg:工作氣隙寬度

Lm:磁體高度

Kr:漏磁阻系數(shù)(總磁阻和工作氣隙磁阻之比)

這里全部單位均接受國(guó)際單位制,即千克、米、秒制。

4.1.3一些參數(shù)的選取和設(shè)定

對(duì)于內(nèi)磁結(jié)構(gòu)的磁路:

Kr=1.1~1.5

Kf=1.8~2.5

導(dǎo)磁板厚度:Tp=5*Lg

導(dǎo)磁板直徑:Dp=4.1*Tp

對(duì)于外磁結(jié)構(gòu)的磁路:

Kr=1.1~1.5

Kf=2.0~4.0

華司厚度:Tp=5*Lg

中柱外徑:Dp=4.3*Tp

華司外徑=磁體外徑-磁體厚度/2

Sg=π*(Dp+Lg)*Tp

Bg=o*Hg(3)

o=4π*10-7H/m為真空磁導(dǎo)率.

依據(jù)磁體材料退磁曲線和最大磁能積曲線,可以確定最佳工作點(diǎn)的Bd和Hd值,在此工作點(diǎn),磁體體積最小(給定Bg值時(shí)),工作氣隙中的磁感應(yīng)密度最大(給定磁體尺寸時(shí))。

Bg2=(o*Sm*Lm*Bd*Hd)/(Kr*Kf*Sg*Lg)(4)

4.1.4磁路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

選擇了一種磁路結(jié)構(gòu)后，驗(yàn)證很便利，只需將磁路充磁，測(cè)量其工作氣隙中的磁感應(yīng)密度Bg就行。

磁感應(yīng)密度Bg的測(cè)量方法有兩種:一是用帶超薄霍爾探頭的特斯拉計(jì)(高斯計(jì))干脆測(cè)量；二是用帶標(biāo)準(zhǔn)線圈的韋伯表(磁通表)測(cè)量磁通φ,然后換算成磁感應(yīng)密度,Bg=φ/S,這里的S為標(biāo)準(zhǔn)線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線的有效面積。

4.2音圈

4.2.1音圈主要參數(shù)設(shè)計(jì)

音圈的直流電阻Re一般要預(yù)先設(shè)定，或按額定阻抗Znom確定:

Znom=(1.05~1.10)*Re

音圈的直徑Dvc依據(jù)磁路結(jié)構(gòu)確定，同時(shí)要考慮功率見(jiàn)大功率大口徑揚(yáng)聲器的音圈卷寬及華司厚度均需較大。

依據(jù)導(dǎo)線的電阻率或電阻系數(shù)及所需直流電阻,可以很簡(jiǎn)潔地算出音圈線長(zhǎng)Lvc=Re/電阻系數(shù)，則繞線圈數(shù)n=Lvc/[π*(Dvc+2*骨架厚度+層數(shù)*線徑)]，卷寬Tvc=n*1.03*線徑/層數(shù)，此處線徑指導(dǎo)線的最大外徑。

4.2.2音圈材料性能和選擇

音圈骨架材料常見(jiàn)的有牛皮紙(KraftPaper)、杜拉鋁(AluminiumDuralumin)、NOMEX、TIL、KAPTON等。主要特性如下：

牛皮紙(KraftPaper)

接受最高連續(xù)工作溫度180oC的電纜紙(牛皮紙)，其特點(diǎn)為質(zhì)輕、絕緣好、價(jià)格低廉。其厚度有：

0.030.050.07

杜拉鋁(AluminiumDuralumin)

接受加以表面硬化及清潔處理的合金鋁箔，最高連續(xù)工作溫度200oC，具有耐高溫、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。鋁箔有黑、白兩種，黑色鋁箔更具有絕緣性能佳、傳熱快等優(yōu)點(diǎn)。其厚度有：

0.030.040.050.070.080.100.12

NOMEX

接受芳香族聚酰亞胺制成箔膜，最高工作溫度300oC，具有絕緣、質(zhì)輕、耐高溫、粘接力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用它制成的揚(yáng)聲器音色松軟圓潤(rùn)、悅耳好聽(tīng)。其厚度有：

0.030.050.080.12

TIL

接受玻璃纖維為基材，上面加聚酰亞胺合成，最高連續(xù)工作溫度230oC，其特點(diǎn)為耐高溫、材料強(qiáng)度高、剛性好、不易變形。

KAPTON

接受聚酰亞胺箔膜，最高連續(xù)工作溫度220oC，具有絕緣、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐高溫、不易燃燒等特點(diǎn)。KAPTON有褐色、黑色兩種，黑色KAPTON還有散熱快、表面硬度高等優(yōu)點(diǎn)。

導(dǎo)線材料常見(jiàn)的有LOCK線、SV線、CCAW（銅包鋁線）、扁線等，其主要特性如下：

LOCK線

運(yùn)用溫度在140oC，為溶劑型，一般用于小型低功率揚(yáng)聲器。

SV線

運(yùn)用溫度在200oC，為溶劑型，特點(diǎn)為固化后粘接性能很強(qiáng)，是音圈生產(chǎn)中最常用的線種之一。

CCAW（銅包鋁線）

比銅線質(zhì)輕、比鋁線導(dǎo)電率高且拉力強(qiáng)，其高頻時(shí)阻抗和銅線相仿，用它制成的揚(yáng)聲器瞬態(tài)特性好、靈敏度高，是高靈敏度揚(yáng)聲器中常接受的材料。

扁線

磁場(chǎng)利用率較圓線大（圓線磁場(chǎng)利用率為78%~91%,扁線為96%），特點(diǎn)為換能效率高，適于制作大功率揚(yáng)聲器，扁鋁線更常用于專業(yè)揚(yáng)聲器（大功率、高靈敏度）。

4.3鼓紙(振動(dòng)板)

鼓紙?zhí)匦愿纱嘤绊懼鴵P(yáng)聲器各種電聲參數(shù)、音質(zhì)和運(yùn)用壽命。鼓紙的性能主要取決于運(yùn)用材料、設(shè)計(jì)形態(tài)、制造工藝等。

鼓紙材料一般要求具有下述三種基本特性：

1）質(zhì)量要輕，即要求材料密度要小，這可以提高揚(yáng)聲器的效率、同時(shí)改善瞬態(tài)特性。

2）強(qiáng)度要高，即要求材料楊氏模量E要大，這可以改進(jìn)揚(yáng)聲器的效率、瞬態(tài)特性，拓寬高頻響應(yīng)。

3）阻尼適當(dāng)，即要求材料內(nèi)部損耗適中，這可以有效地抑制分割振動(dòng)，藉以降低高頻共振的峰谷，使頻率響應(yīng)平坦、過(guò)渡特性良好，同時(shí)改善失真。

錐盆常用的鼓紙材料有紙、聚丙烯（PP）、杜拉鋁、玻璃纖維、碳纖維等，球頂高音用振動(dòng)板材料有絲、鋁、鈦、MYLAR、PEI等。

鼓紙的形態(tài)一般為錐形，球頂高音及中音則為半球形。

因材料所用不同，其制造工藝也各有不同。紙盆工藝比較特殊，需經(jīng)打漿、抄制、熱壓或烘干等各道工序，代表性的有緊壓、半松壓、非壓等三種類型。聚丙烯盆制作工藝有兩種：吸塑成型、注塑成型。MYLAR、PEI、絲膜等均為熱壓成型，絲膜還需預(yù)先上膠。

無(wú)論運(yùn)用何種材料，或多或少均需添加其他材料，作增加或提高內(nèi)部阻尼處理。材料特性總的說(shuō)來(lái)很困難，很難定量描述，一般只有通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確認(rèn)其是否滿足運(yùn)用要求。

鼓紙和電聲特性干脆相關(guān)的定量參數(shù)主要有重量、厚度、順性、楊氏模量等，重量、順性等確定了揚(yáng)聲器的低頻特性，重量、厚度、錐頂角度、楊氏模量等則確定了高頻特性。

對(duì)于錐型揚(yáng)聲器，低頻共振頻率Fo和高頻上限頻率Fh可由下列公式確定：

(2πFo)2=1/(Mms*Cms)(5)

(2πFh)2=(Mm1*Mm2)/[(Mm1+Mm2)*Cmh](6)

相關(guān)說(shuō)明如下:

Mms為揚(yáng)聲器的等效振動(dòng)質(zhì)量,且有Mms=Mm1+Mm2+2Mmr,其中Mm1為音圈質(zhì)量,Mm2為鼓紙等效質(zhì)量,Mmr為輻射質(zhì)量。Mmr=2.67*ρo*a3,其中ρo=1.21kg/m3為空氣密度,a為揚(yáng)聲器等效半徑。

Cms為揚(yáng)聲器的等效順性，且有Cms=(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2),Cm1為鼓紙順性、Cm2為彈波順性。此順性即是我們所稱的變位，只是單位需換算為國(guó)際單位制：m/N,

而變位可以用變位儀干脆測(cè)量，或通過(guò)測(cè)量鼓紙、彈波的共振頻率來(lái)?yè)Q算。

若鼓紙的共振頻率為F1、測(cè)試附加質(zhì)量為M1，彈波的共振頻率為F2、測(cè)試附加質(zhì)量為M2，則有

（2πF1）2=1/[(M1+Mm2+2Mmr)*Cm1]

（2πF2）2=1/(M2*Cm2)

Fo=SQR{[(M1+Mm2+2Mmr)*F12+M2*F22]/(Mm1+Mm2+2Mmr)}(7)

可見(jiàn)，揚(yáng)聲器的低頻共振頻率由鼓紙的質(zhì)量、順性（頻率），和彈波的順性（頻率）、音圈的質(zhì)量等確定。

公式（6）中，Cmh為鼓紙根部（錐頂部）的等效順性，且有

Cmh=sinθ/(π*E*t*cos2θ)(8)

其中，E為鼓紙材料的楊氏模量，t為鼓紙根部厚度，θ為鼓紙的半頂角。

可見(jiàn)，揚(yáng)聲器的高頻上限頻率由鼓紙的質(zhì)量、音圈的質(zhì)量，鼓紙根部厚度、半頂角及楊氏模量等確定。

4.4彈波(定位支片)

彈波主要作用有二：一是固定音圈的中心位置，使音圈保持在磁間隙中間，避開(kāi)音圈和磁路碰觸；二是限制揚(yáng)聲器的低頻共振頻率，限制音圈的最大位移，避開(kāi)音圈跳出磁路，同時(shí)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)適當(dāng)?shù)淖枘?，改善低頻響應(yīng)及品質(zhì)因數(shù)。一般要求彈波應(yīng)當(dāng)具有很大的徑向剛性和很大的軸向順性，以保證良好的機(jī)械強(qiáng)度和較低的共振頻率及較小的失真。

彈波常用材料有棉布、篩絹、人造絲、NOMEX纖維布等，一般都是浸漬酚醛樹(shù)脂酒精溶液后熱壓成形。常用的形態(tài)為水紋形。布的編織方式、經(jīng)緯密度、紗支粗細(xì)、浸膠濃度、成形熱壓溫度剛好間等，均對(duì)彈波的強(qiáng)度、順性、抗乏累性能有很大的影響；另外，彈波的尺寸、形態(tài)、水紋數(shù)等對(duì)其性能也有影響。

彈波主要的參數(shù)就是其順性Cm2（或頻率F2），由公式（7）可知其對(duì)揚(yáng)聲器的共振頻率影響較大，同時(shí)此值又是可以測(cè)量驗(yàn)證的，從而可以限制。彈波順性的閱歷公式如下：

Cm2=(A*n*L3)/(E*b*h)(9)

其中，A為修正系數(shù)（其值視水紋形態(tài)而異），n為水紋數(shù)，L為水紋深度，b為折環(huán)所形成的圓周長(zhǎng)度，h為材料厚度，E為楊氏模量。

由公式（9）可知，水紋數(shù)越多、水紋越深、材料越薄，則彈波的順性越大。而楊氏模量既和材料本身的材質(zhì)（纖維及其編織方式、經(jīng)緯密度、紗支粗細(xì)）有關(guān)，又和上膠濃度有關(guān)，因?yàn)榉尤?shù)脂是熱固性材料，加