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1、揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版號生效日期文件頁數(shù)文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第1 頁1. 揚聲器常用國家標準GB/T9396-1996揚聲器主要性能測試方法GB/T9397-1996直接輻射式電動揚聲器通用規(guī)范GB9400-88直接輻射式揚聲器尺寸GB7313-87高保真揚聲器系統(tǒng)最低性能要求及測量方法GB12058-89揚聲器聽音試驗2. 揚聲器T/S參數(shù):磁力系數(shù)BL額定阻抗Znom電氣品質(zhì)因數(shù) Qes機械品質(zhì)因數(shù) Qms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Pn om長期最大功率Pmax額定頻率范圍Fo-Fh平均聲壓級S

2、PL擬定審核批準文件名稱:文件編號文件版本:V1.0揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書生效日期第2 頁3.揚聲器主要零部件尺寸設(shè)計3.1揚聲器口徑揚聲器口徑必須符合客戶要求,若客戶沒有具體要求,則優(yōu)先采用國家標準 GB9400-88直接輻射式揚聲器尺寸。3.2支架支架外形尺寸及安裝尺寸應(yīng)能滿足客戶需要,除此之外還需考慮鼓紙、彈波、 華司等尺寸選擇與配合問題,一般大功率低頻率的揚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*

3、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常用標準: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與鼓紙、支架的配合。常用音圈中孔尺寸:13.3 14.314.715.416.318.419.420.425.525.930.535.538.644.54

4、9.550.565.575.580.0100.0127.0擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第3 頁3.5各種零件的尺寸配合支架、磁體、音圈等零件的主要尺寸確定后,其它零件的主要尺寸選擇余地 就受到限制,因為各種零件的尺寸必須相互配合,同時其性能參數(shù)也要相互 配合。3.5.1 支架與鼓紙鼓紙外緣與支架膠合面一般需大于 2 mm (微型揚聲器不受此限制,下 同),鼓紙外徑必須小于支架內(nèi)徑1 mm以上,鼓紙次外徑不能小于支架次外徑3 mm以上、也不能大于支架次外徑 2 mm以上,鼓紙 有效高必須小于支架有效高0.5 mm以上。3.5.2 支架與彈波彈波外緣與支

5、架膠合面一般需大于 2 mm,彈波外徑必須小于支架 的彈波接著徑0.5 mm以上,彈波有效高必須小于支架有效高與鼓紙 有效高的差值0.5 mm以上。3.5.3 支架與華司配合尺寸主要取決于支架與華司的鉚接工藝,總的要求鉚接應(yīng)牢固, 內(nèi)鉚支架尤其要注意材料厚度。3.5.4音圈與鼓紙鼓紙中孔尺寸一般要大于音圈骨架外徑0.20.9 mm,小口徑、小音圈取值小些。3.5.5音圈與彈波彈波中孔尺寸一般大于音圈骨架外徑0.10.4 mm,太大會漏膠、太小難裝配。3.5.6 音圈與T鐵音圈中孔尺寸一般大于T鐵中柱外徑0.30.6 mm,小音圈取值相應(yīng) 小些。3.5.7音圈與華司華司中孔尺寸(內(nèi)鉚的為鉚后尺寸

6、)一般要大于音圈最大外徑(為繞線 部位)0.30.6 mm,間隙太小容易碰圈、影響到裝配合格率,間隙太 大又會降低磁性能、從而導(dǎo)致靈敏度下降。3.5.8鼓紙與彈波鼓紙中孔與彈波中孔的距離,中小口徑的揚聲器以0.52 mm為佳,大口徑可以加大到25 mm,距離大些定位效果會更好、更能承受擬定審核批準文件名稱:文件編號文件版本:V1.0揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書生效日期第4 頁4.揚聲器關(guān)鍵零部件的性能設(shè)計4.1磁路4.1.1磁路設(shè)計的目的與方法磁路設(shè)計的目的主要有兩種: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 小對揚聲器的靈敏度及電氣品質(zhì)因數(shù)

7、Qes影響很大;二是給定Bg值, 設(shè)計出磁路結(jié)構(gòu),使所用磁體尺寸為最小,從而達到節(jié)約成本的目的。 磁路設(shè)計的方法有多種,這里采用的是經(jīng)驗公式法。4.1.2 磁路設(shè)計基本公式Kf*Bg*Sg = Bd*Sm(1)Kr*Hg*Lg = Hd*Lm(2)相關(guān)說明如下: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)(總磁通與工作氣隙磁通之比)Hg:工作氣隙中的磁場強度Hd:磁體內(nèi)部的磁場強度Lg:工作氣隙寬度Lm磁體高度Kr:漏磁阻系數(shù)(總磁阻與工作氣隙磁阻之比) 這里所有單位均采用國際單位制,即千克、米、秒制。擬定審核批準文件名稱:文件編號文件

8、版本:V1.0揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書生效日期第5頁4.1.3 些參數(shù)的選取與設(shè)定對于內(nèi)磁結(jié)構(gòu)的磁路:Kr = 1.1 1.5Kf = 1.82.5導(dǎo)磁板厚度:Tp = 5*Lg導(dǎo)磁板直徑:Dp = 4.1*Tp對于外磁結(jié)構(gòu)的磁路:Kr = 1.1 1.5Kf = 2.04.0華司厚度:Tp = 5*Lg中柱外徑:Dp = 4.3*Tp華司外徑二磁體外徑-磁體厚度/2Sg = n *(Dp+Lg)*TpBg =卩 o* Hg(3) O = 4 n *10-7 H/m為真空磁導(dǎo)率.根據(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的Bd和Hd值,在此工作點,磁體體積最小(給定Bg值時),工作氣隙中

9、的磁感 應(yīng)密度最大(給定磁體尺寸時)。Bg2 = ( o*SmTLmrBd*Hd)/(Kr*Kf*Sg*Lg)(4)4.1.4磁路設(shè)計的驗證選擇了一種磁路結(jié)構(gòu)后,驗證很方便,只需將磁路充磁,測量其工作 氣隙中的磁感應(yīng)密度Bg就行。磁感應(yīng)密度Bg的測量方法有兩種:一是用帶超薄霍爾探頭的特斯拉計 (高斯計)直接測量;二是用帶標準線圈的韋伯表(磁通表)測量磁通 ,然后換算成磁感應(yīng)密度,Bg = /S,這里的S為標準線圈在磁場中切割 磁力線的有效面積。擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第 6頁4.2音圈421音圈主要參數(shù)設(shè)計音圈的直流電阻Re一般要預(yù)先設(shè)定,或按額

10、定阻抗 Znom確定:Znom=(1.05 1.10)* R e音圈的直徑Dvc根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)確定,同時要考慮功率承受能力以及揚聲 器的靈敏度、品質(zhì)因數(shù)等電聲參數(shù)。音圈直徑太小,則其功率承受能力必 然有限,因為線徑?jīng)Q定了其允許通過的電流大小,同時T鐵中柱太小又影響 到其散熱能力;音圈直徑太大,則導(dǎo)致其質(zhì)量加重,同時Bg值下降,從而導(dǎo) 致靈敏度降低,并且增加了材料成本。音圈的卷寬Tvc亦需根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)確定,同時也要考慮功率承受能力以及 揚聲器的靈敏度、品質(zhì)因數(shù)、最大振幅、失真等電聲參數(shù)。一般低音單 元均采取長音圈結(jié)構(gòu),即音圈卷寬 Tvc=(1.4 3.0)*T p,則有最大線性振幅 Xmax=(T

11、vc-Tp)/2=(0.21.0)*Tp,可見大功率大口徑揚聲器的音圈卷寬及華 司厚度均需較大。根據(jù)導(dǎo)線的電阻率或電阻系數(shù)及所需直流電阻,可以很容易地算出音圈線 長Lvc=Re/電阻系數(shù),則繞線圈數(shù)n二Lvc/ n *(Dvc+2*骨架厚度+層次*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音圈材料性能與選擇4.2.2.1音圈骨架材料常見的有牛皮紙(Kraft Paper)、杜拉鋁(Aluminium Duralumin)、NOMEX、TIL、KAPTON 等。主要特性如下: 牛皮紙(Kraft Paper)采用最高連續(xù)工作溫度180 oC的電纜紙(牛皮

12、紙),其特點為質(zhì) 輕、絕緣好、價格低廉。其厚度有:0.030.050.070.100.130.17杜拉鋁(Aluminium_Duralumin)_采用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200 oC,具有耐咼溫、強度咼等特點。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。其厚度有:0.030.040.050.070.080.100.12擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0第 7頁NOMEX采用芳香族聚酰亞胺制成箔膜,最高工作溫度300 oC,具有絕 緣、質(zhì)輕、耐高溫、粘接力強等優(yōu)點。用它制成的揚聲器音色柔 和圓潤、悅耳動聽。其厚度有:0

13、.030.050.080.12TIL采用玻璃纖維為基材,上面加聚酰亞胺合成,最高連續(xù)工作溫度 230 oC,其特點為耐高溫、材料強度高、剛性好、不易變形。KAPTON采用聚酰亞胺箔膜, 最高連續(xù)工作溫度220 oC,具有絕緣、質(zhì) 輕、強度高、耐高溫、不易燃燒等特點。 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。422.2導(dǎo)線材料常見的有LOCK線、SV線、CCAW (銅包鋁線)、扁線等,其主要特性如下:LOCK 線使用溫度在140 oC,為溶劑型,一般用于小型低功率揚聲器。SV線使用溫度在200 oC,為溶劑型,特點為固化后粘接性能很強,是 音圈生產(chǎn)中最常用的

14、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,其高頻時阻抗與銅線相 仿,用它制成的揚聲器瞬態(tài)特性好、靈敏度高,是高靈敏度揚聲 器中常采用的材料。扁線磁場利用率較圓線大(圓線磁場利用率為78%91%,扁線為96% ),特點為換能效率高,適于制作大功率揚聲器,扁鋁線更 常用于專業(yè)揚聲器(大功率、高靈敏度)。擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第 8頁4.3鼓紙(振動板)鼓紙?zhí)匦灾苯佑绊懼鴵P聲器各種電聲參數(shù)、音質(zhì)和使用壽命。鼓紙的性能主要取決于使用材料、設(shè)計形狀、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

15、要小,這可以提高揚聲器的效率、同時改善 瞬態(tài)特性。2) 強度要高,即要求材料楊氏模量 E要大,這可以改進揚聲器的效率、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,藉 以降低高頻共振的峰谷,使頻率響應(yīng)平坦、過渡特性良好,同時改善失真。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 高音用振動板材料有絲、鋁、鈦、MY LAR、PEI等。鼓紙的形狀一般為錐形,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

16、盆制作工藝有兩種:吸塑成型、注塑成型。MY LAR、PEI、絲膜等均為熱壓成型,絲膜還需預(yù)先上膠。無論使用何種材料,或多或少均需添加其它材料,作增強或提高內(nèi)部阻尼處理。 材料特性總的說來很復(fù)雜,很難定量描述,一般只有通過反復(fù)試驗才能確認其 是否滿足使用要求。鼓紙與電聲特性直接相關(guān)的定量參數(shù)主要有重量、厚度、順性、楊氏模量等, 重量、順性等決定了揚聲器的低頻特性,重量、厚度、錐頂角度、楊氏模量等 則決定了咼頻特性。對于錐型揚聲器,低頻共振頻率 Fo和高頻上限頻率Fh可由下列公式確定:(2 n Fo)2 = 1/(Mmj*Cm9(5)(2 n Fh)2 = (Mm*Mn2)/(Mm+Mm2)*Cm

17、h(6)相關(guān)說明如下:Mms為揚聲器的等效振動質(zhì)量,且有Mms二Mm+Mni+2Mmr,其中Mm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* p o* a3,其中p =1.21kg/m 3 為空氣密度,a為揚聲器等效半徑。Cms為揚聲器的等效順性,且有Cms=(Cm*CmQ/(Cm+CmE), Cm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際單位制:m/N,擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第9 頁若鼓紙的共振頻率為Fi、測試附加質(zhì)量為Mi,彈波的共振頻率為F2、測試附加 質(zhì)量為M2,則有(2

18、n Fi) 2 = 1/(M i+Mm+2Mmr)*Cm(2 n F2)2 = 1/(M2*Cm)(2 n Fo )2=(Mi+Mm+2Mmr)*Fi2+M2*F22/(Mm+Mm+2Mmr)(7)可見,揚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= sin 0 /( n *E*t*cos2 0 )(8)其中,E為鼓紙材料的楊氏模量,t為鼓紙根部厚度,0為鼓紙的半頂角??梢?,揚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

19、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 免音圈與磁路碰觸;二是控制揚聲器的低頻共振頻率,限制音圈的最大位移, 避免音圈跳出磁路,同時對振動系統(tǒng)提供適當(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)該具有很大的徑向剛性和很大的軸向順性,以保證良好的 機械強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 脂酒精溶液后熱壓成形。常用的形狀為波紋形。布的編織方式、經(jīng)緯密度、紗 支粗細、浸膠濃度、成形熱壓溫度及時間等,均對彈波的強度、順性、抗疲勞 性能有很大的影響;另外,彈波的尺寸、形狀、波紋數(shù)等對其性能也有影響。彈波主

20、要的參數(shù)就是其順性 Cm2 (或頻率F2),由公式(7)可知其對揚聲器的 共振頻率影響較大,同時此值又是可以測量驗證的,從而可以控制。彈波順性 的經(jīng)驗公式如下:Cm = (A*n*L 3)/(E*b*h)(9)其中,A為修正系數(shù)(其值視波紋形狀而異),n為波紋數(shù),L為波紋深度,b為 折環(huán)所形成的圓周長度,h為材料厚度,E為楊氏模量。由公式(9)可知,波紋數(shù)越多、波紋越深、材料越薄,則彈波的順性越大。而 楊氏模量既與材料本身的材質(zhì)(纖維及其編織方式、經(jīng)緯密度、紗支粗細)有擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第10 頁5.揚聲器主要參數(shù)綜合設(shè)計和分析揚聲器性能是

21、電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等物理參數(shù)共同作用的結(jié)果,由鼓紙、彈波、 音圈、磁路等關(guān)鍵零部件的性能共同確定,其中一些參數(shù)相互制約相互影響,因而 必須綜合考慮和設(shè)計。揚聲器常用機電參數(shù)以及計算公式、測量方法簡述如下:5.1直流電阻Re由音圈決定,可直接用直流電橋測量。5.2共振頻率Fo由揚聲器的等效振動質(zhì)量 Mms和等效順性Cms決定,見公式(5), Fo可直接用 Fo測試儀測量或通過測量阻抗曲線獲得。5.3共振頻率處的最大阻抗Zo由音圈、磁路、振動系統(tǒng)(鼓紙、彈波)共同決定,可用替代法測量或通過測 量阻抗曲線獲得。Zo = Re+(BL) 2/(Rms+Rmr)(10)5.4機械力阻Rms由鼓紙、彈

22、波的內(nèi)部阻尼及使用膠水的特性決定,可由測量出機械品質(zhì)因數(shù)Qms 后通過下列公式計算:Rms=(1/Q m9*SQR(M msfCm(11)這里SQR()表示對括號()中的數(shù)值開平方根,下同。5.5輻射力阻Rmr由口徑、頻率決定,低頻時可忽略。Rmr = 0.022*(f/S d)2(12)5.6等效輻射面積Sd只與口徑(等效半徑a)有關(guān)。Sd = n * a2(13)5.7機電耦合因子BL由磁路Bg值和音圈線有效長度L決定,也可通過測量電氣品質(zhì)因數(shù) Qes后用 下列公式計算:(BL)2 =(Re/Qes)*SQR(M msCms)(14)5.8等效振動質(zhì)量Mms由音圈質(zhì)量Mm、鼓紙等效質(zhì)量Mn

23、i、輻射質(zhì)量Mmr共同決定,Mms可由附加擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第 11 頁5.9 輻射質(zhì)量Mmr只與口徑(等效半徑a)有關(guān)。Mmr=2.67*po*a3(16)其中p o=1.21kg/m 3為空氣密度,a為揚聲器等效半徑。5.10等效順性Cms由鼓紙順性Cm、彈波順性Cm2共同決定,此順性即是我們所稱的變位,只是 單位需換算為國際單位制:m/N,而變位可以用變位儀直接測量。Cms可由附加 容積法測量獲得。Cms=(Cm*Cm2)/(C m+CmQ(17)5.11等效容積Vas只與等效順性、等效輻射面積有關(guān)。Vas = p *c2*Sd2*C

24、ms(18)此處c為空氣中的聲速,c=344m/s5.12機械品質(zhì)因數(shù)Qms由振動系統(tǒng)的等效振動質(zhì)量 Mms、等效順性Cms機械力阻Rms共同決定,Qms 可由阻抗曲線的測量獲得。Qms =(1/Rm9*SQR(M mj/Cmj)=(Fo/ f)*(Zo/Re)(19) f為阻抗曲線上阻抗等于SQR(Zo*Re)所對應(yīng)的兩個頻率的差值。5.13電氣品質(zhì)因數(shù)Qes由振動系統(tǒng)的等效振動質(zhì)量 Mms、等效順性Cms機電耦合因子BL共同決定, 由阻抗曲線的測量獲得。Qes =Re/(BL) 2*SQR(M m$/Cmj)=(Fo/ f)*SQR(Z o*Re) /(Zo-Re)(20)5.14總品質(zhì)因

25、數(shù)Qts由機械品質(zhì)因數(shù)Qms和電氣品質(zhì)因數(shù)Qes共同決定(21)(22)Qts =(Q msQes)/(Q ms+Qes)=(Fo/ f)*SQR(R e/Zo)5.15參考電聲轉(zhuǎn)換效率n o由機電耦合因子BL、等效輻射面積Sd、等效振動質(zhì)量Mms共同決定n o =( p o/2 n c)*(BL*S d/Mm$)2/Re5.16參考靈敏度級SPLoSPLo與參考電聲轉(zhuǎn)換效率n o直接相關(guān)112+10lg擬定審核批準文件名稱:揚聲器設(shè)計指導(dǎo)書文件編號文件版本:V1.0生效日期第12 頁以上這些參數(shù)現(xiàn)在均可用揚聲器計算機測試系統(tǒng)進行測量和計算,常用的測試系統(tǒng)有LMS、CLIO、MLSSA、DAA

26、S、SY SID、LAUD、IMP 等。另外,也可利用一些計算 機模擬軟件進行揚聲器參數(shù)的基本設(shè)計,如 LEAP、CALSOD、Speaker Easy、DLC Design、AudioCad、SOUNDEASY 等。揚聲器的功率、失真指標無法直接用公式進行定量計算,只能作些定性分析和探討。 揚聲器的額定正弦功率以及純音檢聽功率,基本上由低頻最大振幅Eo決定。一般低頻最大振幅是在共振頻率 Fo處。揚聲器的低頻最大振幅主要取決于磁路結(jié)構(gòu)和音圈 卷寬,當(dāng)然與振動系統(tǒng)也有很大的關(guān)系。揚聲器正常工作時,音圈不能跳出磁間隙, 即有E o Xmax否則會產(chǎn)生很大的非線性失真(表現(xiàn)為振幅異常音)、甚至?xí)?dǎo)致

27、音 圈損壞(卡死或燒毀)。Fo處最大振幅E o可由下列公式計算:E o = 1.414*BL*I*C mQts(25)式中I為饋給揚聲器的電流,匸SQR(Pe/Re)??梢?,假使揚聲器的基本機電參數(shù)(BL、 Cms Qts )確定,其電流I決定的功率Pe=I2*Re就受到低頻最大振幅E oRms時,公式(25)又可簡化如下:E o = 0.225*V/(BL*F o)(26)式中V為饋給揚聲器的電壓,V=SQR(P e*Re)。此式更直觀地顯示出最大振幅E 。與 電壓V、機電耦合因子BL、共振頻率Fo的關(guān)系。一般所稱的總品質(zhì)因數(shù) Qts對低頻 振幅的控制能力就由公式(25)、(26)體現(xiàn)和反映,其中BL值的作用更明顯。 揚聲器的低頻聲功率Pa同樣也

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