現(xiàn)代音響與調(diào)音技術(shù)課件第6次課

第2章?lián)P聲器及揚(yáng)聲器系統(tǒng)揚(yáng)聲器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)并輻射到空氣中去的電聲換能器件。它是音響系統(tǒng)的末級(jí)單元，是重放及擴(kuò)聲的最后環(huán)節(jié)。揚(yáng)聲器(系統(tǒng))的分類和技術(shù)指標(biāo)

揚(yáng)聲器系統(tǒng)(音箱)的設(shè)計(jì)原理

1

揚(yáng)聲器(系統(tǒng))的分類和技術(shù)指標(biāo)揚(yáng)聲器的種類很多，按其換能原理可分為電動(dòng)式〔即動(dòng)圈式〕、靜電式〔即電容式〕、電磁式〔即舌簧式〕、壓電式〔即晶體式〕等幾種，后兩種多用于農(nóng)村有線播送網(wǎng)。按頻率范圍可分為低音〔低頻段〕揚(yáng)聲器、中音〔中頻段〕揚(yáng)聲器、高音〔高頻段〕揚(yáng)聲器，這些常在音箱中作為組合揚(yáng)聲器使用。一揚(yáng)聲器的分類1.按換能方式分2.按工作頻段分23按結(jié)構(gòu)形式分揚(yáng)聲器按其結(jié)構(gòu)形式的不同可分為單紙盆揚(yáng)聲器、復(fù)合紙盆揚(yáng)聲器、號(hào)筒揚(yáng)聲器、復(fù)合號(hào)筒揚(yáng)聲器、同軸揚(yáng)聲器等。一揚(yáng)聲器的分類揚(yáng)聲器(系統(tǒng))的分類和技術(shù)指標(biāo)號(hào)筒式揚(yáng)聲器紙盆式揚(yáng)聲器復(fù)合紙盆式揚(yáng)聲器3一揚(yáng)聲器的分類4按用途分揚(yáng)聲器按其使用的場(chǎng)合不同可分為高保真用揚(yáng)聲器、擴(kuò)音用揚(yáng)聲器、監(jiān)聽用揚(yáng)聲器、樂器用揚(yáng)聲器、彩電用揚(yáng)聲器、汽車用揚(yáng)聲器、建筑場(chǎng)房吸頂用揚(yáng)聲器以及防水、防火、防爆等用途的揚(yáng)聲器等。2.2.1揚(yáng)聲器(系統(tǒng))的分類和技術(shù)指標(biāo)防爆用的揚(yáng)聲器4防水揚(yáng)聲器汽車用揚(yáng)聲器5一揚(yáng)聲器的分類2.2.1揚(yáng)聲器(系統(tǒng))的分類和技術(shù)指標(biāo)5按振膜形式分揚(yáng)聲器按其振膜形式的不同可分為錐形揚(yáng)聲器(振膜為圓錐形或橢圓錐形)、平板形揚(yáng)聲器、帶形揚(yáng)聲器、球頂形揚(yáng)聲器、平膜形揚(yáng)聲器(指音圈和振膜一體并形成平膜)等。6二揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)要求1.揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)目前所用的揚(yáng)聲器絕大局部是電動(dòng)式〔動(dòng)圈式〕揚(yáng)聲器。電動(dòng)式揚(yáng)聲器包括普通紙盆揚(yáng)聲器、橡皮邊(或尼龍、泡沫邊)紙盆揚(yáng)聲器、號(hào)筒式揚(yáng)聲器、球頂形揚(yáng)聲器及雙紙盆揚(yáng)聲器。

揚(yáng)聲器(系統(tǒng))的分類和技術(shù)指標(biāo)7紙盆揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)如圖。由于紙盆呈圓錐形，故又稱為錐形揚(yáng)聲器。紙盆的中心局部有一可動(dòng)線圈，稱為音圈。此音圈處于永久磁鐵NS磁縫隙間，永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與音圈導(dǎo)線成垂直狀態(tài)。當(dāng)音圈通以交變電流時(shí)，會(huì)受到磁場(chǎng)對(duì)音圈的作用力,這個(gè)力可使音圈在磁縫內(nèi)上下移動(dòng)。紙盆外圍有紋狀的折環(huán)連接在金屬盒架上以支撐聲輻射體紙盆。支持音圈的中心局部有定心支片，使音圈帶動(dòng)紙盆只能軸向運(yùn)動(dòng)。因此音圈，定心支片，及紙盆構(gòu)成了振動(dòng)系統(tǒng)。8紙盆式揚(yáng)聲器又稱為動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，它由三局部組成：1振動(dòng)系統(tǒng)：包括錐形紙盆(振膜)、音圈和定心支片〔用來保證音圈在磁隙中處于正確位置〕等；2磁路系統(tǒng)：包括永久磁鐵、導(dǎo)磁夾板和場(chǎng)心柱等。揚(yáng)聲器的性能與磁路系統(tǒng)有密切關(guān)系，設(shè)計(jì)合理的磁路可得到較高效率的能量轉(zhuǎn)換，在環(huán)形磁隙中應(yīng)有足夠大和均勻的磁通密度，這些與導(dǎo)磁材料的選擇、磁鐵的質(zhì)量和磁路形式的選擇等有關(guān)。93輔助系統(tǒng):包括盆架、接線板、壓邊和防塵蓋等，是揚(yáng)聲器必不可少的輔助件。

揚(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，然后輻射到空氣中，這一過程包括了兩大環(huán)節(jié)：換能及聲輻射。102揚(yáng)聲器的工作原理?yè)P(yáng)聲器的音圈與紙盆聯(lián)成一體，音圈處于磁場(chǎng)中，當(dāng)其內(nèi)部通過音頻電流i時(shí)，其受到的力為

F=Bli(5―1)

式中：B為磁隙中的磁感應(yīng)密度(Wb/m2);i為流經(jīng)音圈的電流(A)；l為音圈導(dǎo)線的長(zhǎng)度(m)；F那么為磁場(chǎng)對(duì)音圈的作用力(N)。11通電音圈在磁場(chǎng)中受到力的作用而運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)切割磁隙中的磁力線，從而在音圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為

e=Blv(5―2)式中：v為音圈的振動(dòng)速度(m/s)；e為音圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)。12紙盆揚(yáng)聲器工作的過程就是在這種電效應(yīng)和力效應(yīng)的作用下而完成電能到聲能的轉(zhuǎn)換的。即當(dāng)音圈中輸入由放大器輸出的電流時(shí)，在線圈和磁鐵之間產(chǎn)生磁場(chǎng)，隨著音圈中流過的電流大小不同，音圈帶動(dòng)揚(yáng)聲器的振膜在磁場(chǎng)中作不同垂直方向的運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。133揚(yáng)聲器的技術(shù)指標(biāo)1〕揚(yáng)聲器靈敏度揚(yáng)聲器單元是一種電信號(hào)與聲音之間的換能器，要求它能以相對(duì)小的輸入電功率轉(zhuǎn)換成很宏亮的聲音，這就要求揚(yáng)聲器具有較高的聲壓靈敏度。靈敏度表達(dá)了揚(yáng)聲器的轉(zhuǎn)換效率。各類揚(yáng)聲器由于采用的設(shè)計(jì)技術(shù)，選用的材料和生產(chǎn)工藝等多方面的差異，靈敏度的差異也很大。靈敏度是指輸入揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)單元1W的電功率，在揚(yáng)聲器軸線方向離開1米的地方測(cè)得的聲壓值〔ubar〕表示。靈敏度越高，揚(yáng)聲器能發(fā)出的聲音就越大。14特性靈敏度級(jí)是指輸入揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)單元1W的電功率，在揚(yáng)聲器軸線方向離開1米的地方測(cè)得的聲壓級(jí)〔dB〕表示。揚(yáng)聲器的特性靈敏度級(jí)最大輸出聲壓級(jí)揚(yáng)聲器系統(tǒng)承受電功率的能力遠(yuǎn)大于1W〔通常在50~2000之間〕。因此實(shí)際使用時(shí)以最大功率輸給揚(yáng)聲器，在揚(yáng)聲器軸向1米處產(chǎn)生的聲壓級(jí)為最大聲壓級(jí)SPLmax。15其中Sk為揚(yáng)聲器的特性靈敏度級(jí)(dB)，Wmax為最大輸入功率(W)，SPLmax表示最大輸出聲壓級(jí)(dB)。例如：靈敏度100dB1W/1m的揚(yáng)聲器，假設(shè)最大承受功率為1000W，那么SPLmax？162)揚(yáng)聲器的額定阻抗由于音圈是導(dǎo)線繞制在圓管上的，相互之間會(huì)發(fā)生感應(yīng)。在頻率不同時(shí),會(huì)有感抗或容抗的作用.因此揚(yáng)聲器的阻抗是隨頻率而變化的。在額定揚(yáng)聲器信號(hào)源的輸出功率時(shí)，可用一個(gè)純電阻代替揚(yáng)聲器作負(fù)載，此電阻的阻值即為揚(yáng)聲器的額定阻抗。在額定頻率范圍內(nèi)，阻抗模值的最低值不應(yīng)小于額定阻抗的80%。一般揚(yáng)聲器的額定阻抗多為8Ω。揚(yáng)聲器的額定阻抗可由制造廠家給出，也可由給定的阻抗曲線上讀出。17對(duì)于紙盆揚(yáng)聲器，當(dāng)加在振動(dòng)系統(tǒng)上的干擾力的頻率恰好等于(或近似等于)系統(tǒng)的固有頻率f0時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)最強(qiáng)烈，振幅最大，我們把這種振動(dòng)狀態(tài)稱為共振，此時(shí)的頻率稱之為共振頻率。共振頻率對(duì)應(yīng)著阻抗最大值，一般應(yīng)避開共振頻率工作。18當(dāng)揚(yáng)聲器工作頻率遠(yuǎn)小于f0時(shí)，揚(yáng)聲器的阻抗接近于直流電阻RDC。RDC略低于ZC，當(dāng)不知額定阻抗ZC時(shí)，通?？捎萌f用表測(cè)出其直流電阻值，乘以1.1左右的系數(shù)，再調(diào)整成國(guó)標(biāo)系列4、8、16、32等數(shù)值，即可得到揚(yáng)聲器的額定阻抗.通常規(guī)定額定阻抗為4歐姆的倍數(shù)，即4歐姆，8歐姆及16歐姆。19額定阻抗是當(dāng)加在振動(dòng)系統(tǒng)上的干擾力的頻率頻率大于揚(yáng)聲器共振頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的第一個(gè)阻抗最小值，用ZC表示。此時(shí)頻率記為fc,此時(shí)電路發(fā)生串聯(lián)諧振,在工程上稱為反共振.203〕揚(yáng)聲器的功率揚(yáng)聲器功率是個(gè)很重要的參數(shù)，它決定著與功率放大器輸出功率的匹配問題。依據(jù)需要，揚(yáng)聲器有額定噪聲功率，峰值功率和音樂功率。額定噪聲功率：在揚(yáng)聲器額定的頻率范圍內(nèi)，用規(guī)定的噪聲信號(hào)測(cè)試揚(yáng)聲器在100小時(shí)內(nèi)可長(zhǎng)期令人滿意地工作，沒有過熱和機(jī)械損傷，這時(shí)承受的功率被稱為額定噪聲功率。現(xiàn)在揚(yáng)聲器的產(chǎn)品目錄中的技術(shù)參數(shù)功率值大多以額定噪聲功率標(biāo)注。這是因?yàn)閾P(yáng)聲器工作時(shí)，饋入的是一段頻率范圍內(nèi)信號(hào)的合成功率。21峰值噪聲功率:揚(yáng)聲器在規(guī)定極短時(shí)間內(nèi)，所能承受不會(huì)引起永久性機(jī)械損傷的最大功率。峰值噪聲功率通常是額定噪聲功率的2～3倍。音樂功率：由于音樂節(jié)目的動(dòng)態(tài)范圍可高至100dB〔SPL〕，因此音樂功率是指音樂信號(hào)的瞬間最大功率。揚(yáng)聲器音樂功率是指承受音樂信號(hào)瞬間最大功率的數(shù)值。除此之外，揚(yáng)聲器有時(shí)也用長(zhǎng)期最大功率、短期最大功率和額定最大正弦功率等指標(biāo)來衡量。224〕揚(yáng)聲器的效率揚(yáng)聲器的效率是指在某一頻帶內(nèi)所輻射的聲功率與該頻帶內(nèi)饋給揚(yáng)聲器的電功率的比值。PA表示揚(yáng)聲器輻射的聲功率，PE表示饋給揚(yáng)聲器的電功率。電動(dòng)式揚(yáng)聲器的效率一般很低，僅有百分之幾，而號(hào)筒式揚(yáng)聲器的效率較高，可達(dá)百分之十幾。235〕揚(yáng)聲器的非線性失真揚(yáng)聲器的非線性失真主要包括諧波失真和互調(diào)失真和分諧波失真。(1)諧波失真。當(dāng)揚(yáng)聲器輸入某一頻率的正弦信號(hào)時(shí)，在它的輸出信號(hào)中，除了輸入信號(hào)的基波成分外，又出現(xiàn)了二次、三次諧波成分，這種現(xiàn)象稱為諧波失真。(2)互調(diào)失真。當(dāng)揚(yáng)聲器同時(shí)重放使音圈作大振幅振動(dòng)的低頻信號(hào)fL和音圈作小振幅振動(dòng)的高頻信號(hào)fH時(shí)，重放聲中除了有fL、fH及其諧波成分外，還會(huì)有fH±nfL的新的頻率成分，n=1,2,3,…，這種失真稱為互調(diào)失真。24揚(yáng)聲器的非線性失真來源于紙盆折環(huán)，定心支片以及磁路所至。當(dāng)饋給揚(yáng)聲器的電功率增大，由于機(jī)械系統(tǒng)受到活動(dòng)極限，會(huì)使輸入信號(hào)在某些頻率上出現(xiàn)壓縮，從而使聲音產(chǎn)生諧波失真，通常低音揚(yáng)聲器饋給的功率大，因此揚(yáng)聲器低頻的失真較為明顯。由于聲音信號(hào)為多頻率組成的復(fù)音，會(huì)出現(xiàn)各頻率之間的互相調(diào)制。產(chǎn)生一系列和差頻率從而產(chǎn)生聲音的失真，這就是互調(diào)失真。當(dāng)出現(xiàn)互調(diào)失真較大時(shí)，就會(huì)使聲音散亂，中頻定位模糊。諧波失真和互調(diào)失真產(chǎn)生的原因:25(3)分諧波失真。當(dāng)加給揚(yáng)聲器強(qiáng)純音時(shí)，由于振膜的非線性，會(huì)在中低聲頻段中產(chǎn)生頻率為信號(hào)頻率1/2或1/3的模糊聲音，這種現(xiàn)象稱為分諧波失真。4〕揚(yáng)聲器的非線性失真揚(yáng)聲器的非線性失真主要包括諧波失真和互調(diào)失真和分諧波失真。266〕揚(yáng)聲器的瞬態(tài)失真揚(yáng)聲器重放聲音時(shí)，由于振動(dòng)系統(tǒng)的慣性而跟不上信號(hào)快速變化而造成的失真?；蚍Q為瞬時(shí)特性。由于饋給揚(yáng)聲器的電信號(hào)根本上為瞬態(tài)信號(hào)，如果揚(yáng)聲器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)慣性太大致使音圈跟不上信號(hào)的瞬態(tài)變化；或者阻尼太小造成信號(hào)過去后音圈繼續(xù)自由振動(dòng)，都會(huì)造成發(fā)出信號(hào)中所沒有的聲音。由此看來，揚(yáng)聲器產(chǎn)生的瞬態(tài)失真都是發(fā)生在信號(hào)瞬變的開始和結(jié)束處。一般來講，揚(yáng)聲器瞬態(tài)相應(yīng)的好壞可以從它的頻率響應(yīng)來估計(jì)，平滑的頻率響應(yīng)可以獲得良好的瞬態(tài)相應(yīng)。27如何測(cè)試揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)的優(yōu)劣？給揚(yáng)聲器加上一個(gè)矩形信號(hào)后，輸出的聲信號(hào)如果也為一個(gè)規(guī)整的矩形波，即信號(hào)的前后沿都陡直，那么說明揚(yáng)聲器的瞬態(tài)相應(yīng)好，失真小。實(shí)際上，由于揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)、振膜材料特性等因素的影響，信號(hào)的前后沿不可能完全陡直。一般情況下，前沿是逐漸上升，后沿是逐漸衰減拖尾的，這就說明揚(yáng)聲器的瞬態(tài)失真大，不能逼真的重放急劇變化的信號(hào)。28實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在頻率響應(yīng)曲線的平滑局部瞬態(tài)音的失真很小，而在曲線上出現(xiàn)峰或谷的頻段瞬態(tài)音的失真就相當(dāng)嚴(yán)重。如何改善瞬態(tài)失真:通常把揚(yáng)聲器的頻響擴(kuò)展至超聲頻段，以改善前沿特性，而拖尾時(shí)間的縮短那么主要靠控制揚(yáng)聲器的阻尼來實(shí)現(xiàn)。297〕揚(yáng)聲器的指向性指向性是表征揚(yáng)聲器在不同方向上輻射聲波的能力，通常與頻率有關(guān)。揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音通常在低頻段〔200Hz以下〕是無方向的，即在各方向均勻傳播。但在高頻段時(shí)，聲波的波長(zhǎng)越來越短，當(dāng)聲波的波長(zhǎng)與輻射面的有效長(zhǎng)度可比較時(shí)，由于聲波的繞射特性和干預(yù)特性，聲音的傳播呈現(xiàn)較強(qiáng)的方向性。這個(gè)指向性正是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要加以運(yùn)用的。優(yōu)良的恒定指向性可在現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)把聲波的能量集中到觀眾區(qū)，以避開聲波的強(qiáng)反射面或發(fā)生聲場(chǎng)的相互干擾。30圖5―3揚(yáng)聲器指向性頻率響應(yīng)表示揚(yáng)聲器輻射方向性有兩種方法：一是指向性頻率響應(yīng)曲線。即在偏離參考軸指定范圍內(nèi)的不同角度上所測(cè)得的一組頻響曲線。如圖5―3所示。揚(yáng)聲器的指向特性會(huì)使偏離軸向的聲壓級(jí)隨偏角的增大而減小。31表示揚(yáng)聲器輻射方向性有兩種方法：二是指向性圖。即指揚(yáng)聲器輻射聲波(不同頻率)的聲壓級(jí)隨