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1、5.1 扬声器(系统)的分类及技术指标5.1.1扬声器的分类扬声器俗称喇叭，是一种把电能转换为声音的换能器件，它是人们较为熟悉的器件之一。在人们的日常生活中，扬声器发挥着较为重要的作用，如在电影院、歌舞厅等场合，还有收音机、电视机、录放机等电器中都离不开扬声器(系统)。为了区分不同种类的扬声器，首先对它们进行分类。第1页/共176页1.按换能方式分按换能方式的不同，扬声器可分为电动式扬声器、电磁式扬声器、压电式扬声器、离子式扬声器、气流调制式扬声器及电容式(静电式)扬声器等。2.按结构形式分扬声器按其结构形式的不同可分为单纸盆扬声器、复合纸盆扬声器、号筒扬声器、复合号筒扬声器、同轴扬声器等。第
2、2页/共176页3.按振膜形式分扬声器按其振膜形式的不同可分为锥形扬声器(振膜为圆锥形或椭圆锥形)、平板形扬声器、带形扬声器、球顶形扬声器、平膜形扬声器(指音圈和振膜一体并形成平膜)等。4.按工作频段分扬声器按其工作频段的不同可分为低频、中频、高频和全频段扬声器。第3页/共176页5.按用途分扬声器按其使用的场合不同可分为高保真用扬声器、扩音用扬声器、监听用扬声器、乐器用扬声器、彩电用扬声器、汽车用扬声器、建筑场房吸顶用扬声器以及防水、防火、防爆等用途的扬声器等。6.按外形分扬声器的外形各异，常见的有圆形、椭圆形、薄形、球形扬声器等。7.按振膜材料分用不同振膜材料构成的扬声器有纸盆式扬声器、碳
3、纤维扬声器、PP盆扬声器、钛膜扬声器、玻纤扬声器等。第4页/共176页5.1.2扬声器的结构、工作原理及技术要求1.扬声器的结构现以电动式扬声器为例加以说明。电动式扬声器包括普通纸盆扬声器、橡皮边(或尼龙、泡沫边)纸盆扬声器、号筒式扬声器、球顶形扬声器及双纸盆扬声器等。电动式扬声器的原理结构大致是相同的，现以纸盆扬声器为研究对象。纸盆扬声器的纸盆就是振膜，但并非一定是纸质做成。传统的振膜是用纸桨做成纸质的。近年来常用各种合成纤维作纸盆，其中有聚丙烯、碳纤维、玻璃丝等。纸盆扬声器的结构图如图5-1所示。第5页/共176页图51 纸盆扬声器结构 第6页/共176页电动式扬声器的结构由三部分组成：磁
4、路系统、振动系统和支撑辅助件。(1)磁路系统。扬声器的性能与磁路系统有密切关系，设计合理的磁路可得到较高效率的能量转换，在环形磁隙中应有足够大和均匀的磁通密度，这些与导磁材料的选择、磁铁的质量和磁路形式的选择等有关。磁路系统包括永磁体、极靴和工作气隙。永磁体在气隙中提供的磁能被音圈利用。第7页/共176页(2)振动系统。扬声器的振动系统包括策动元件音圈、辐射元件振膜和保证音圈在磁隙中处于正确位置的定心支片。这是纸盆扬声器的关键零部件。(3)支撑及辅助件。它包括盆架、压边、防尘罩、引出线等，是扬声器必不可少的辅助件。第8页/共176页2.扬声器的工作原理扬声器的音圈与纸盆联成一体，音圈处于磁场中
5、，当其内部通过音频电流i时，其受到的力为F=Bli (51)式中：B为磁隙中的磁感应密度(Wb/m2);i为流经音圈的电流(A)；l为音圈导线的长度(m)；F则为磁场对音圈的作用力(N)。通电音圈在磁场中受到力的作用而运动时，就会切割磁隙中的磁力线，从而在音圈内产生感应电动势，其感应电动势的大小为e=Blv(52)第9页/共176页式中：v为音圈的振动速度(m/s)；e为音圈中的感应电动势(V)。电动式换能器的力效应和电效应总是同时存在、相伴而生的。电效应的存在，将对扬声器的电阻抗特性产生极大的影响。纸盆扬声器工作的过程就是在这种电效应和力效应的作用下而完成电能到声能的转换的。即当音圈中输入由
6、放大器输出的电流时，在线圈和磁铁之间产生磁场，随着音圈中流过的电流大小不同，音圈带动扬声器的振膜在磁场中作不同垂直方向的运动，这样就会使扬声器发出声音。第10页/共176页3.扬声器的技术要求扬声器作为一种电声换能器，是整个音响系统的终端，它的性能将直接影响整个音响系统的放声质量。为了保证放声质量，必须对扬声器提出一定的技术要求。1)扬声器的额定阻抗、阻抗曲线、品质因数和共振频率在额定扬声器信号源的输出功率时，常用一个纯电阻代替扬声器作负载，此电阻称为额定阻抗。额定阻抗是计算馈给扬声器的电功率的基准，用于匹配和测量。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%。一般扬声器的额定阻
7、抗多为8。第11页/共176页图52 扬声器阻抗曲线 第12页/共176页阻抗曲线是扬声器在正常工作条件下，用恒流法或恒压法测得的扬声器阻抗模值随频率变化的曲线，图52所示为扬声器的阻抗曲线。扬声器的额定阻抗由制造厂家给出，也可以从给定的阻抗曲线上读出。对于纸盆扬声器，它是扬声器共振频率以上第一个阻抗最小值，用ZC表示。当加在振动系统上的干扰力的频率恰好等于(或近似等于)系统的固有频率f0时，系统振动最强烈，振幅最大，我们把这种振动状态称为共振，此时的频率称之为共振频率。共振频率对应着阻抗最大值，一般应避开共振频率工作。第13页/共176页当扬声器工作频率远小于f0时，扬声器的阻抗接近于直流电
8、阻RDC。RDC略低于ZC，当不知额定阻抗ZC时，通常可用万用表测出其直流电阻值，乘以1.1左右的系数，再调整成国标系列4、8、16、32等数值，即可得到扬声器的额定阻抗(非标准的额定阻抗值除外)。当f0ffC时，阻抗呈容性，即阻抗随频率的升高而降低。当工作频率达到fC时，电路发生串联谐振(电压谐振)，由于此时阻抗取极小值，在工程上称为反共振。当ffC时，阻抗又成为频率的增函数，呈现为感性，不过曲线上升速度变缓。第14页/共176页扬声器的输入电功率就是用额定阻抗ZC计算的(53)由阻抗曲线可近似计算扬声器的品质因数Q0:(54)第15页/共176页2)扬声器的特性灵敏度、特性灵敏度级、最大输
9、出声压级特性灵敏度表示将扬声器放在消声室的隔板上，在其输入端加上额定功率为1W的粉红噪声信号情况下，在辐射方向上距离该扬声器1m处所测得的声压值，通常用bar作单位。所谓特性灵敏度级是指用dB为单位表示的特性灵敏度。dB与bar的对应关系如表51所示。第16页/共176页表51 dB与bar关系表 第17页/共176页第18页/共176页最大输出声压级是指当扬声器工作在最大功率时，在与特性灵敏度同样测试条件下所产生的声压级。即(55)这里Sk为扬声器的特性灵敏度级(dB)，Wmax为最大输入功率(W)，SPLmax表示最大输出声压级(dB)。第19页/共176页3)额定频率范围和有效频率范围额
10、定频率范围是指制造厂家按国家、国际产品标准对扬声器所限定的频率范围；而有效频率范围是在声压-频率响应曲线的最高声压级区域取一个倍频程的宽度，求该宽度内的平均声压级，然后从这个声压级算起，下降10dB画一条水平线，这个水平线与频响曲线的交点对应的频率，称为有效频率范围的上下限，而包含上下限在内的频率范围称为扬声器的有效频率范围。第20页/共176页4)额定噪声功率、最大噪声功率额定噪声功率是指在扬声器额定频率范围内，用规定的噪声信号测试后所确定的功率值。最大噪声功率是指在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号，不产生热和机械损坏的最大功率。最大噪声功率通常是额定噪声功率的23倍。扬声器有时
11、也用长期最大功率、短期最大功率和额定最大正弦功率等指标来衡量。第21页/共176页5)效率扬声器的效率表示在某一频带内所辐射的声功率与该频带内馈给扬声器的电功率的比值。设PA表示辐射的声功率，PE表示馈给扬声器的电功率，则效率可表示为(56)效率的含义表示有多少电功率转换成了声功率。电动式扬声器的效率一般很低，仅有百分之几，而号筒式扬声器的效率较高，可达百分之十几。第22页/共176页6)非线性失真扬声器的非线性失真是指在放声过程中，出现了输入信号中没有的频率成分。非线性失真包括谐波失真、互调失真和分谐波失真等。(1)谐波失真。当扬声器输入某一频率的正弦信号时，在它的输出信号中，除了输入信号的
12、基波成分外，又出现了二次、三次谐波成分，这种现象称为谐波失真。第23页/共176页(2)互调失真。当扬声器同时重放使音圈作大振幅振动的低频信号fL和音圈作小振幅振动的高频信号fH时，重放声中除了有fL、fH及其谐波成分外，还会有fHnfL的新的频率成分，n=1,2,3,，这种失真称为互0调失真。(3)分谐波失真。当加给扬声器强纯音时，由于振膜的非线性会在中低声频段产生频率为信号频率1/2或1/3等的模糊声音，这种现象称为分谐波失真。对扬声器来说，非线性失真越小其性能就越好。第24页/共176页7)瞬态失真瞬态失真是由于扬声器的振动系统跟不上快速变化的电信号而引起的输出波形与输入波形之间的差别，
13、这种现象就称为瞬态失真。它与频响曲线上的峰谷有关，在振膜的谐振点处瞬态失真较为严重。第25页/共176页如果给扬声器加上一个矩形信号，若输出的声信号仍为一个规整的矩形波，即信号的前、后沿都陡直，则说明扬声器的瞬态响应好，失真少。实际上，由于扬声器的结构、振膜材料特性等不利因素，信号的前、后沿不可能陡直。一般情况下，前沿是逐渐上升的，后沿是逐渐衰减拖尾的，这就表明扬声器的瞬态失真大，不能逼真地重放急剧变化的信号。为了改善扬声器的瞬态失真，通常把扬声器的频响扩展至超声频段，以改善前沿特性，而拖尾时间的缩短则主要靠控制扬声器的阻尼来实现。第26页/共176页8)指向性指向性是表征扬声器在不同方向上辐
14、射声波的能力，通常与频率有关。在低频情况下，信号波长较长，扬声器辐射面的有效长度比辐射的声波波长小得多，此时扬声器可看作一个点源，其辐射的声波是无指向性的；随着信号频率的增高，声波波长越来越短。当波长与辐射面的有效长度可以比拟时，由于声波的绕射特性和干涉特性，扬声器辐射的声波将出现明显的指向性。第27页/共176页表示扬声器辐射方向性有两种方法：一是指向性频率响应曲线。即在偏离参考轴指定范围内的不同角度上所测得的一组频响曲线。如图53所示。二是指向性图。即指扬声器辐射声波(不同频率)的声压级随辐射方向变化的曲线。如图54所示。第28页/共176页图53 扬声器指向性频率响应第29页/共176页
15、图54 扬声器的指向性图 第30页/共176页9)纯音纯音是一个主观指标，它反映扬声器工作中纯音信号的质量。纯音合格是指在额定频率范围内，馈给扬声器额定功率的某一频率的正弦信号，扬声器应无机械杂声、碰圈声、垃圾声、调制声等。使用寿命和可靠性也是衡量扬声器的技术指标。扬声器能够连续工作的时间越长，说明其使用寿命越好，长时间工作而不出现故障则表明其可靠性好。总之，扬声器的技术指标很多，对其技术要求也很细，在使用扬声器的过程中，要根据具体情况选择不同技术指标的扬声器，以达到良好的效果。第31页/共176页5.1.3扬声器系统的分类扬声器系统就是扬声器箱，也称音箱，它是选用高、低音或高、中、低音扬声器
16、装在专门设计的箱体内，并用分频网络把输入信号分频以后分别送给相应的扬声器的一种扬声器系统。这是因为单个扬声器由于受结构和材料的限制，要想不失真地重放整个音频范围内的音乐信号几乎是不可能的。为了使扬声器能在较宽的频带内工作，就要用较复杂的结构来替代单个扬声器，即将不同类型、不同频率范围的扬声器组合起来，使其中每一个扬声器只负担一个较窄频带的重放，形成多频带扬声器系统。扬声器系统一般由扬声器单元、分频器及衰减器、箱体三部分组成。第32页/共176页扬声器系统按分频方式常分为：单分频音箱、二分频音箱、三分频音箱、四分频音箱、多分频音箱和超低音音箱。按用途分为：书架式、落地式、监听式、电影立体声、大功
17、率扩声、有线广播、防水、迷你型、返送式、带角架型、对讲型、拐角式、球型无指向式、高音半固定式、调相式等音箱。按基本结构分为：有限大障板型、背面敝开型、封闭式、倒相式、对称驱动型、空纸盆型、克尔顿型、声迷宫型、前向号筒型、背向号筒型、组合号筒型等多种结构音箱。其基本结构图及对应的特性曲线如图55所示。第33页/共176页图55 几种典型的扬声器结构及特性曲线第34页/共176页图55 几种典型的扬声器结构及特性曲线第35页/共176页1.有限大障板型音箱为了反映和丰富音乐的低频效果，常需要将扬声器装在无限大障板上，最大限度地发挥扬声器的潜能，这是最理想的情况。但实际上是不可能做到的。实际应用中都
18、采用有限大障板。障板尺寸大小与声压及声频的关系为(57)第36页/共176页式中:L表示正方形障板的边长(m)；f表示低频下限频率(Hz);V表示空气中声压(m/s)。可见，障板尺寸与声压成正比，与声频下限频率也成正比。障板越大，声压越大，低频下限就越小。第37页/共176页2.背向敝开式音箱这种形式的音箱是前一种音箱的变形。将有限大障板弯曲向后折叠成箱体形，将扬声器装在前障板上就构成了背向敝开式音箱。不足之处是音箱容易在某一频率上产生共振，所以对箱体的尺寸、形状、扬声器的安装位置都必须仔细考虑，以防共振。这种音箱广泛用于收音机、电视机、录音机中。第38页/共176页3.封闭式音箱将背向敝开式
19、音箱的敝开部分封闭起来就构成了封闭式音箱了。封闭式音箱的目的是要把扬声器背面所辐射的声波完全隔绝，从而避免低频时反相声波的互相干涉，使低频性能更加完美。为了防止箱体内驻波的产生，常常在箱体内壁填加吸声材料。4.倒相式音箱倒相式音箱利用倒相管将装在箱子上扬声器背面的声辐射相位改变180，从而使扬声器振膜前后的辐射声波得到加强，提高了低音单元的辐射效率，改善了低频性能。第39页/共176页5.对称驱动型音箱对称驱动型音箱是封闭式音箱不能做到小型化时而采用的一种改进型音箱，主要改善空气的劲度。具体做法是：将两个扬声器重叠装在一起，使两者以同相方式振动，因而两个单元间的空气(容积)劲度看上去显得非常小
20、，前面的单元虽然处在小型音箱内，但其低音重放效果却同大容积音箱一样好。第40页/共176页6.空纸盆音箱空纸盆音箱是倒相音箱的变形，又称无辐射源式音箱。它是利用空纸盆代替倒相管所构成的。适当加以控制可使空纸盆振动所产生的辐射声与扬声器前向辐射声同相，从而改善了音箱的低频特性，提高了低频频响。7.克尔顿型音箱克尔顿型音箱于1953年由美国人发明，其结构比较特殊，它能够展宽低频重放频段的范围，可用于小口径扬声器进行失真较小的低音重放。第41页/共176页8.声迷宫型音箱声迷宫型音箱是将扬声器背面的箱体做成声学导管，并在板壁上做吸声处理，导管的长度正好等于需要重放的低频声波波长的一半，这时开口的声辐
21、射正好与扬声器前向辐射声同相叠加，从而使低频辐射增强。但是当导管的长度L=/4时，会产生逆共振现象。因此，在实际应用中要设法将这个低频下限值选为扬声器的最低共振频率为宜。第42页/共176页9.前向号筒型音箱前向号筒型音箱的低音重放效果相当于一种超大型音响重放系统，主要用于剧场主扩音系统和效果扩音系统上。10.背向号筒型音箱背向号筒型音箱又叫做反射号筒音箱，号筒的方向与前向的相反，它作为家用高保真低音重放系统，吸引着音频爱好者。11.组合号筒型音箱组合号筒音箱是将前向号筒音箱与背向号筒音箱组合起来而构成的一种号筒音箱。其特性曲线体现了前后向两种号筒型的特性。第43页/共176页5.1.4扬声器
22、系统的一般特性评价扬声器系统的优劣，也有一组参数，其名称与扬声器的参数基本相同，但意义有所不同。这是因为扬声器系统是由箱体、扬声器、分频器等组成的，它已不单单是一个扬声器，而是一个较大的系统，变化因素比较多。读者在学习的过程中应注意其区别。1.额定阻抗与阻抗特性扬声器系统的额定阻抗一般由所采用的扬声器单元的额定阻抗来决定。这与前面所讨论扬声器额定阻抗是相同的。第44页/共176页但扬声器系统的阻抗特性比扬声器单元的阻抗特性要复杂的多。这是因为扬声器系统所用的扬声器单元多种多样，并且加上了分频网络的影响以及箱体的影响，因而使整个扬声器系统的阻抗特性随着结构形式、单元类型和分频器特性而产生较大的变
23、化。图56是封闭式音箱的典型阻抗特性曲线。由于箱体的特殊结构，声波在箱体内的辐射或反射甚至产生干涉，因而会影响扬声器系统的阻抗特性，使阻抗特性出现深谷。不良的阻抗特性将严重影响扬声器系统的性能。图57是几种不良的阻抗特性曲线图。第45页/共176页图56 封闭式音箱的典型阻抗特性曲线第46页/共176页图57 几种不良的阻抗特性曲线 第47页/共176页2.失真扬声器系统的失真，比扬声器单元复杂得多，它是由组成扬声器系统的各个部分的失真合成而得到的。包括组成系统的每个扬声器的失真、箱体内驻波及壁板振动引起的失真，分频网络产生的失真等。因此，使用者必须重视扬声器系统的失真。3.额定频率范围与有效
24、频率范围扬声器系统重放的额定频率范围由产品标准指标给定，扬声器系统实际能达到的频率范围称为有效频率范围。第48页/共176页4.特性灵敏度级与最大输出声压级扬声器系统的特性灵敏度级与最大输出声压级的定义和测试计算方法与扬声器单元的两个参量的定义和测试计算方法基本相同。5.纯音与扬声器单元纯音的定义、测试方法类似。第49页/共176页6.指向性扬声器系统的指向性可用指向频率响应来描述。不同的扬声器系统，由于结构和使用的扬声器单元不同，扬声器系统的指向性是不同的。在实际使用时，由于受使用环境的影响，使音质、音幅产生变化，所以应注意适当选择扬声器系统在室内的摆放位置。第50页/共176页7.主观试听
25、主观试听在国际上还没有统一标准。但主观试听可对一个产品作出初步判断。通过主观试听可以定性地判断一个音箱的音质，比如低音是否有力、丰满，中高音是否清晰明亮，低、中、高音是否平衡、柔和等。通过主观试听可以判断一个扬声器系统的最终放声效果，初步制定保真度、可懂度、平衡度、信噪比、动态范围等达到的程度。第51页/共176页8.外观扬声器系统的外观虽然在国际标准中没有明确的规定，但它同主观试听一样是一项不可忽视的潜在技术指标，已成为人们选购时的首要技术指标。扬声器系统的外观总的原则应是：庄重、大方、美观，给人以明快、舒畅的感觉。第52页/共176页5.2 扬声器电力声类比方法 本节以电动式纸盆扬声器为例
26、来说明扬声器的电力声类比的基本方法。5.2.1电力声类比的基本方法扬声器的工作机理实际就是实现电、力、声的转换。扬声器工作时，先由电信号转变为音圈振动的力，音圈振动的力再带动纸盆振动，从而推动周围空气最后辐射出声音，由此可以看出，扬声器的工作过程中经过了电、力、声三种能量的转换。第53页/共176页为了解决电动式扬声器的分析问题，人们想到了将力学、声学中的问题也转化为人们熟知的电路问题去研究，这样就可以应用电路中的一些基本定律、定理去研究和分析力学和声学问题。这种转化分析的方法就叫做类比方法。只要应用类比的方法，把力学或声学系统的问题，画成等效类比线路图，就可以很方便地利用电路理论，分析力学系
27、统和声学系统。第54页/共176页1.电学串联电路与并联电路的互换原理电路系统中最基本的电路形式有两种，即串联谐振电路和并联谐振电路，电路由电阻、电容、电感组成。而电路系统中最基本的特性参量有两个，即加在元件上的电压和流经元件的电流。下面通过分析两种最基本的电路，从而得出它们的互换原理。第55页/共176页图58 串联电路 第56页/共176页串联电路如图58所示。E1ejt为电压，r1为电阻，L1为电感，C1为电容，i1(t)为电流。由图58可直接列出回路电压方程：(58)电路处于稳态时，i1(t)=I1ejt。对于稳态情况，则有(59)第57页/共176页式中Z1=r1+jL1+1/jC1
28、为串联回路的总阻抗，式(510)就是大家熟知的欧姆定律。并联电路如图59所示。同样的道理，我们也可以得出稳态时并联回路的电流方程：或(510)(511)第58页/共176页 图59 并联电路 第59页/共176页式中Z2=1/r2+jC2+1/jL2是并联回路的总阻抗。比较式(59)和式(511)，并观察图58和图59，不难看出，只要将两电路的元件值和电路的电流、电压按下面的等式设计，则可以使串联电路和并联电路的方程式等效起来。即第60页/共176页电路的方程式等效了，那么串联电路和并联电路就可以互换了。于是，我们便得到了一个有用的结论：只要把串联电路中的元件电阻、电容、电感和参量电压、电流依
29、次顺序转换为并联电路的元件电导、电感、电容和参量电流、电压，则一个串联电路就可以变为一个并联电路。同样，做相反的变换，也可以将并联电路变为一个串联电路，也就是说，遵循这一规律，串联电路和并联电路是可以互换的。第61页/共176页2.力学阻抗型类比线路与导纳型类比线路的互换力学系统一般包括质量元件、顺性元件、损耗元件和杠杆元件；力学参量包括有外力和物体的速度。(1)质量元件。质量元件是指具有一定质量的刚体。刚体受外力作用时，可用下列方程来描述：稳态时，上式变为(512)(513)第62页/共176页(2)顺性元件。我们把在外力作用下能发生形变的力学元件(具有弹性的物体)称为顺性元件。如一个忽略重
30、量的弹簧就是顺性元件。一个理想的顺性元件在外力作用下其形变大小与外力的大小成正比：f(t)=Fejt=Kx(514)我们定义顺性元件的弹性系数K的倒数为顺性系数CM，也称“力顺”：(515)第63页/共176页于是式(514)可以写为(516)(517)稳态时，有 上面出现的f(t)是施加于顺性元件上的外力；x是运动点的位移瞬时值；v是顺性元件两个端点相对速度；是外力和速度的角频率；K是弹性系数；CM是顺性系数。第64页/共176页(3)损耗元件。损耗元件指的是物体运动时与旁边的粘滞系统，如气体、液体发生的摩擦损耗。粗滞损耗称为力阻，用RM表示。在外力作用下，有 f(t)=Fejt=RMv(5
31、18)稳态时，有F=RMV(519)上面式中，f(t)=Fejt是外力瞬时值，F是其幅值；v是运动物体速度瞬时值，V是其幅值；RM是力阻，RM的国际单位是Ns/m(kg/s)。第65页/共176页在实际计算中常使用力阻的导数GM，称为力导，并定义为(520)因此，式(518)和式(519)可以写成：v=GMf (瞬态)或 V=GMF (稳态)(521)力导的单位为m/Ns。第66页/共176页(4)杠杆元件。图510是一个理想无重量的杠杆原理图。根据力矩平衡原理：f1L1=F2l2(522)当杠杆运动时，有下面的平衡关系：(523)图510 理想无重量杠杆原理 第67页/共176页上面式中，f
32、1、L1、v1分别是杠杆一端的外力、外力作用点到杠杆支点的距离、运动速度；f2、L2、v2是杠杆另一端的外力、外力作用点到杠杆支点的距离、运动速度。式(522)和式(523)与电学中理想变压器的两个等式等效。即(524)第68页/共176页式中，u1、u2为变压器初、次级的端电压；i1、i2为线圈内电流；n1、n2为匝数。对照式(522)、(523)、(524)，可以得到杠杆的阻抗型力电类比线路和杠杆的导纳型力电类比线路，如图511所示。第69页/共176页图511 杠杆的阻抗型和导纳型类比线路 (a)阻抗型；(b)导纳型 第70页/共176页(5)基本力学系统。图512是一个基本力学系统组成
33、图。质量MM接于弹簧的一端，弹簧的力顺为CM，弹簧的另一端固定在刚性壁上，质量为MM的 物 体 可 以 在 刚 性 的 地 面 上 运 动，与 地 面 的 力 阻 为RM，在 外 力f(t)=Fejt作用下产生运动。对于这样一个力学系统，其平衡方程为(525)第71页/共176页图 512第72页/共176页这个表达式与式(59)和式(511)是何等地相似。如果我们把式(525)中的各个力学量与式(59)中的各个电学量作类比，则有：f类比于e1;v类比于i1;RM类比于r1;MM类比于L1；CM类比于C1。这时两个方程完全相同，总的力阻抗ZM就类比于总的电阻抗Z1，这种类比称为阻抗型类比。于是
34、，我们就可以借助于电学的方法，画出力学系统的阻抗型类比线路图，如图513所示，图中力f和速度v分别对应电学中的电压e和电流i。这个图就叫做力学振动系统的阻抗型力电等效线路或等效力学线路。第73页/共176页图513 阻抗型类比线路第74页/共176页 图514 导纳型类比线路 第75页/共176页(6)阻抗型与导纳型类比线路的互换。用电学中同样的方法，也可以将阻抗型转换为导纳型线路，如图514所示。这就是说，一个力学系统，既可以画成阻抗型类比线路，又可以画成导纳型类比线路，并且这两种类比线路所描述的都是同一个力学系统。这两个类比线路之间，像电路中的串联和并联电路一样，存在着内在联系，并且可以互
35、相转换，其转换规则为：力f变为速度v;速度v变为力f；质量元件MM变为顺性元件CM；顺性元件CM变为质量元件MM，力阻RM变为力导1/RM。第76页/共176页3.声学阻抗型类比线路与导纳型类比线路的互换声学系统中一般包括声质量元件MA、声顺元件CA、声损耗元件RA；声学参量为声压p和容积速度vA。(1)声质量元件。声质量元件是指当箱体或管中的空气可以近似地看成受力不压缩时，则箱体或管中空气柱的质量就是一个质量元件。如图515是一个声腔，声腔气柱是圆柱体形，细管长度为L，截面积为S，空气静态密度为0，等效质量为MM，则气柱在外压力f作用下，管中空气两端的声压差为第77页/共176页设MA=MM
36、/S2=0L/S，MA称为声质量，又称声扭。单位为kg/m2。因此，有(526)(527)第78页/共176页稳态时变为P=jMAVA(528)上面公式中，MA为管中空气的声质量，p(t)是管中空气两端的声压差，P是其幅值；vA是管中任一截面的体积速度，V是其幅值；是声压和速度的角频率。第79页/共176页(2)声顺元件。当一个封闭的气体容积，其尺寸比声波波长小得多时，从容积任一地方开一个小洞，并由此小洞输入声压，可以认为腔内各处的声压则与开口处声压相同，开口的影响不计，则该气体容积可近似地看作是一个集中参数的声学元件。由于气体具有弹性，因此声学元件应该是一个弹性元件，称为声顺。由理想气体的绝
37、热状态方程可推导出：(529)第80页/共176页式中，p为腔内声压；P0V是容积内气体的静压强和腔的容积；V是腔内容积的变化量，可看成是气体体积位移XA，它是容积速度vA对时间的积分，即;是气体的气压比热与定容比热两者的比值，空气的1.4。于是，有(530)(531)(532)第81页/共176页 CA称为该空气容积的声顺，它与容积的形状无关，仅与容积大小有关，声顺的单位为m5/N。稳态时，上式可变为(533)式中，p是空气内的声压，P是其幅值；vA是空气容积的体积速度，VA是其幅值；CA是容积的声顺；是声压和速度的角频率。第82页/共176页(3)声损耗元件。声损耗指声质量元件或声顺元件在
38、运动过程中，会与管壁或腔壁产生粘滞摩擦，因而就产生了声能损耗,相应就有了声损耗元件，产生的声阻抗为RA(声导纳为GA)：(534)稳态时，有(535)第83页/共176页上面公式中，p为加于声损耗元件两端的声压差瞬时值，P为其幅值；vA为通过损耗元件的体积速度瞬时值，VA为其幅值；RA为损耗元件的声阻；GA为损耗元件的声纳。声阻的国际单位为Ns/m5，声导的国际单位为m5/Ns。图515 赫姆霍兹共鸣器 第84页/共176页(4)基本声学系统。图515所示的声腔就是一个基本声学系统，叫做赫姆霍兹共鸣器。当声波波长远大于管半径及管长L和，并且空气室体积远大于管中空气体积SL时，则共鸣器各声学量可
39、以看成集中参数声学系统。从力学系统的角度入手，可以把它看成一个具有弹性的质量元件，空气质量为MM、力顺为CM、力阻为RM，在细管口作用一个p=Pejt的声压，则该振动系统的运动方程为第85页/共176页(537)则有(538)(539)第86页/共176页其中vA=vS称为容积速度，单位为m3/s，(540)ZA称为总声阻抗，单位为Ns/m5，RA称为声阻，MA称为声质量，CA称为声顺。第87页/共176页式(538)与式(59)是非常相似的，将两方程中的各量作如下类比：声容积速度vA类比电流i1;声压p类比于电压e1;声质量类比于电感L1；声顺CA类比于电容C1；声阻RA类比于电阻r1,这样
40、，两个方程就完全相同。显然，方程(538)可以从图516的阻抗型声类比线路中得出。第88页/共176页图516 阻抗型声类比线路 第89页/共176页图517 导纳型类比线路第90页/共176页以上分析说明，一个声学系统既可以画成阻抗型声类比线路，也可以画成导纳型声类比线路，并且这两种类比线路所描述的都是同一个声学系统。在这两个类比线路之间，像电路中的串联和并联电路一样存在着内部联系，并且可以互相转换。其转换规则为：容积速度vA变为声压p；声压p变为容积速度vA；声阻RA变为声导GA；声质量MA变为声顺CA；声顺CA变为声质量MA。第91页/共176页5.2.2电动式纸盆扬声器电力声类比当电动
41、式纸盆扬声器工作频率为低频时，扬声器的整个系统可等效为一个集中参数系统。这进，我们可以认为音圈是一个纯质量元件；纸盆可以看作是由一个质量元件和一个力顺元件组成；中心盘可以看作是一个力顺元件；而支撑系统形变，以及粘滞产生的摩擦损耗，可以看作一个等效力阻；而扬声器的一面辐射力阻抗ZMR=RMR+jMMR,RMR为一面辐射阻，MMR为一面的同振质量，在导纳型类比中应用力导和力纳。扬声器的类比线路采用导纳类比线路较为方便。第92页/共176页表52 电力声类比表 第93页/共176页电动式纸盆扬声器的原理结构及对应的力学元件量如图518所示。根据电动力公式f=Bli可知，在扬声器的电路和力学线路之间存
42、在着一个Bl1的变量器，这个变量器的输入电流为音圈电流i，而输出的是力“流”，我们将其表示为力线。现在，我们用力线画电动式扬声器力学类比线路，由电动力经Bl1变量器引出一条力线，这个力线分别与9个力保持着平衡：第94页/共176页图518 电动式纸盆扬声器原理结构与对应元件图 第95页/共176页第一，穿过音圈防尘帽质量元件MM1与惯性系平衡，终止于地；第二，穿过纸盆质量元件MM2与惯性系平衡，终止于地；第三，穿过纸盆轭环力顺CM1与弹性力平衡，终止于刚性壁(地)；第四，穿过中心盘力顺CM2与弹性力平衡，终止于刚性壁(地)；第96页/共176页第五、第六、第七分别穿过振动系统的力阻RM、纸盆两
43、面辐射阻RMR、RMR，终止于刚性壁；第八、第九分别穿过纸盆两辐射面的同振质量元件MMR、MMR与辐射力平衡，终止于地。扬声器的电力等效线路图见图519。第97页/共176页图519 扬声器电力等效图 第98页/共176页图中，eg表示信号电动势(V)；Rg表示信号内阻()；L表示音圈电感(H)；RE表示音圈直流电阻()；B表示气隙中磁感应密度(Wb/m2)；f表示磁场对音圈的作用力(N)；v表示音圈的振动速度(m/s)；各元件的名称前已叙述。将图519进一步简化，可等效为图520的形式。第99页/共176页图520 阻抗型类比简化线路 第100页/共176页图中 ZM为总的力导纳。通过等效类
44、比线路，可以根据实际工作情况分别研究扬声器在某一声频区的工作状态和特性，并可计算出相应的技术指标。第101页/共176页5.3 扬声器系统(音箱)的设计原理 5.3.1开口扬声器系统(音箱)的设计原理有限大障板和背面敝开型就属于开口扬声器音箱。当低音扬声器不加障板让其自由辐射时，则扬声器的较低频段的声音就会在振膜两面的空气压缩和稀疏过程中互相抵消，因而没有低频声辐射，这种现象称为声短路。第102页/共176页把扬声器装在障板上是避免声短路的最简单的方法，障板的形状可异，障板越大，声短路的频率就越低，低音就越丰富。因而，使用无限大障板就可以获得没有声短路现象的理想低频辐射。实际上，障板不可能做成
45、无限大，只能使用有限尺寸的障板。当采用圆形障板且扬声器对称安装时，则在某一频率开始以下就会产生声短路现象，该频率称为截止频率。第103页/共176页由于扬声器前后两面所辐射的声波到达接收点的声程差d等于声波半波长的奇数倍时，前后两面所辐射的声波到达接收点时相位相同；当声程差d等于声波波长的整数倍时，两者相位相反。而声程差d小于声波半波长时，则产生声短路，假设声程差就等于圆障板的直径d(半径为r)，那么，截止频率fc可通过求得(541)第104页/共176页式中，L是扬声器前后辐射的声波到达无限远点的声程差。式中r的单位为m,fc的单位为Hz。开口扬声器系统的低频下限频率为(542)第105页/
46、共176页开口扬声器系统被广泛用于收音机、收录机、电视机中，这种系统是由障板向后弯折而形成了小障板和声管组合。有时为了重放低频声音就需要大的箱体，但要特别避免出现振动。另外，在设计中为避免箱内部产生驻波而引起共振，应尽量使侧板互相不平行，箱体尺寸比例彼此间不能为整数倍，并在箱内贴玻璃棉或其它吸声材料控制共振。第106页/共176页5.3.2封闭式扬声器系统(音箱)的设计原理封闭式扬声器系统在设计过程中应注意解决两个问题：一是声短路问题；二是低频性能问题。第一个问题比较容易解决。由图521可知，在此系统中，扬声器装在完全封闭的箱体内，把扬声器背面所辐射的声波完全隔绝，从而避免了低频时扬声器背面声
47、波的干涉，以利改善低频效果，免除了声短路现象。它的作用相当于一个无限大障板，对于避免声短路现象，封闭式扬声器系统是一个理想的结构。第107页/共176页图 521第108页/共176页封闭式扬声器系统的谐振频率fc与扬声器单元本身的谐振频率f0之比可表示为(543)式中，CA、CAB分别为振膜支撑系统声顺和箱内空气的声顺(m2/N);Veq、VAB分别为扬声器的等效容积(m3)和箱内空气的净容积(m3)。第109页/共176页一般CA都比CAB大，所以，扬声器装入封闭式箱内，且其谐振频率必然上升，而且空气的净容体积越小，频率上升得就越高。这意味着封闭式扬声器系统的低频响应上移，对低频性能不利。
48、因此，封闭式扬声器系统的设计既要使扬声器的低频性能好，又要把箱体做得小，就成为封闭式扬声器系统设计中的一对矛盾。这就是要讨论的低频性能控制问题。通常，我们解决这类问题采用以下几种方法。第110页/共176页1.采用小口径扬声器由式(543)可得(544)SD为扬声器的有效辐射面积。第111页/共176页上式说明，在fc、f0不变的情况下，箱内空气的净容积VAB与扬声器的有效辐射面积的平方成正比，也就是说与扬声器的等效半径的四次方成正比。所以采用小口径扬声器可以明显减小封闭箱的体积。但扬声器的口径和箱体体积也不是越小越好，扬声器的谐振频率也不能做得过低。因为扬声器要辐射一定的声功率，小振膜比大振
49、膜需要更大的振幅，谐振频率的降低也使振幅加大。当辐射声功率较大时，小口径扬声器将由于大振幅的振动而产生严重的非线性失真，并且，扬声器振膜振动所引起的箱内空气容积的变化比较大时，则箱内空气的声顺在声波的压缩相和稀疏相的值是有差别的，从而也会产生失真。第112页/共176页2.采用高顺性扬声器高顺性扬声器的谐振频率f0一般很低。因此，选择这样的扬声器装入封闭箱后系统的谐振频率fc虽有所上升，但仍能落在我们所需要的低频范围内，从而能解决封闭扬声器系统的低频性能问题。3.增加大振幅时的线性工作区主要是采用长音圈，使音圈在大振幅时不致跳出磁路，同时放大中心盘尺寸，选择能耐受大振幅的材料和形状做轭环，以此
50、来保证和扩大扬声器在低频时的线性工作区。第113页/共176页4.设计具有较好刚性的纸盆其主要目的是为了防止箱体内空气压力过大而使纸盆变形而产生不该有的失真。5.采用密封度高且坚固的箱体这主要是为了防止箱内压力增加，箱体不坚固而在某些频率上发生箱板共振，影响扬声器系统的特性曲线，严重时出现机械声。所以箱体越小，越要注意加固，以防止不必要振动的发生。同时，扬声器周围音箱的结合部要防止漏气，以免产生声干涉，影响频率性能。第114页/共176页另外，封闭式扬声器系统的低频特性，不仅决定于fc,而且还受品质因数Q的影响，因此，控制和减小Q值也是非常重要的。封闭式扬声器系统的尺寸也是较为重要的因素。一般