喇叭揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)與制作分析

1、.喇叭設(shè)計(jì)-揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)與制作分析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 直接輻射式電動(dòng)揚(yáng)聲器通用規(guī)范GB9400-88 直接輻射式揚(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) SPL3. 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)聲器口徑必須符合客戶要求，若客戶沒有具體要求，則優(yōu)先采

2、用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9400-88直接輻射式揚(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(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*6

3、0*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與鼓紙、支架的配合。常用音圈中孔尺寸：13.3 14.3 14.7 15.4 16.3 18.4 19.4 20.4 25.5 25.9 30.5 35.5 38.6 44.5 49.5 50.5 65.5 75.5 80.0 100.0 127.03.5 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，其他零件的主要尺寸選擇余

4、地就受到限制，因?yàn)楦鞣N零件的尺寸必須相互配合，同時(shí)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(yáng)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

5、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(huì)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)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(huì)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(yáng)聲

6、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(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)的目的與方法磁路設(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，這里采用的是經(jīng)驗(yàn)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 =

7、 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(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)(總磁阻與工作氣隙磁阻之比)這里所有單位均采用國(guó)際單位制,即千克、米、秒制。4.1.3 一些參數(shù)的選取與設(shè)定對(duì)于內(nèi)磁結(jié)構(gòu)的磁路:Kr = 1.11.5Kf = 1.82.5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 = 1.11.5Kf = 2.04.0華司厚度:Tp

8、= 5*Lg中柱外徑:Dp = 4.3*Tp華司外徑 = 磁體外徑-磁體厚度/2Sg =*(Dp+Lg)*TpBg =o* Hg (3)o = 4*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(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)證很方便，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)

9、)直接測(cè)量；二是用帶標(biāo)準(zhǔn)線圈的韋伯表(磁通表)測(cè)量磁通,然后換算成磁感應(yīng)密度, Bg =/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 =(1.051.10)* Re音圈的直徑Dvc根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)確定，同時(shí)要考慮功率見大功率大口徑揚(yáng)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(zhǎng)Lvc=Re/電阻系數(shù)，則繞線圈數(shù)n = Lvc/*(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。

10、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(牛皮紙)，其特點(diǎn)為質(zhì)輕、絕緣好、價(jià)格低廉。其厚度有：0.03 0.05 0.07 0.10 0.13 0.17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：0.03

11、 0.04 0.05 0.07 0.08 0.10 0.12NOMEX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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用它制成的揚(yáng)聲器音色柔和圓潤(rùn)、悅耳動(dòng)聽。其厚度有：0.03 0.05 0.08 0.12TIL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(diǎn)為耐高溫、材料強(qiáng)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(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)。4.2.2.2 導(dǎo)線材料常見的有LOC

12、K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(yáng)聲器。SV線使用溫度在200 oC，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)阻抗與銅線相仿，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)聲器中常采用的材料。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)匦灾苯佑绊懼鴵P(yáng)聲器各種電聲參數(shù)、音質(zhì)和使

13、用壽命。鼓紙的性能主要取決于使用材料、設(shè)計(jì)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

14、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。無論使用何種材料，或多或少均需添加其他材料，作增強(qiáng)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(yàn)才能確認(rèn)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(yáng)聲器的低頻特性，重量、厚度、錐頂角度、楊氏模量等則決定了高頻特性。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：(2Fo)2

15、= 1/(Mms*Cms) (5)(2Fh)2 = (Mm1*Mm2)/(Mm1+Mm2)*Cmh (6)相關(guān)說明如下: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*o* a3,其中o=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直接測(cè)量，或通過測(cè)量鼓紙、彈波的共振頻率來?yè)Q算。若鼓

16、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（2F1）2 = 1/(M1+Mm2+2Mmr)*Cm1（2F2）2 = 1/(M2*Cm2)Fo = SQR(M1+Mm2+2Mmr)*F12+M2*F22/(Mm1+Mm2+2Mmr) (7)可見，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 = sin/(*E*t*cos2) (8)其中，E為鼓紙材料的楊氏模量，t為鼓紙根部厚度，為鼓紙的半頂角?？梢姡瑩P(yáng)聲器的高頻上限頻率由鼓紙的質(zhì)量、音圈的質(zhì)量，鼓

17、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，避免音圈與磁路碰觸；二是控制揚(yáng)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(shí)對(duì)振動(dòng)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(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(xì)、浸膠濃度、成形熱壓溫度及時(shí)間等，均對(duì)彈波的強(qiáng)度、順性、抗疲勞性能有很大的影響；另外

18、，彈波的尺寸、形狀、波紋數(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，從而可以控制。彈波順性的經(jīng)驗(yàn)公式如下：Cm2 = (A*n*L3)/(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(zhǎng)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(xì)）有關(guān)，又與上膠濃度有關(guān)，因?yàn)榉尤渲菬峁绦圆牧希訜岷笞冃宰冇?，由此而改變了材料的?qiáng)度、硬度。因受支架、音圈等材料尺寸的限制，彈波的尺寸選擇余地較小，最終其形狀及參數(shù)必須結(jié)合材料工藝等試驗(yàn)的結(jié)果,根據(jù)揚(yáng)聲器整體性能設(shè)計(jì)要求而確定。5. 揚(yáng)聲器主要參數(shù)綜合設(shè)計(jì)和分析揚(yáng)聲器性能是電學(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(jì)。揚(yáng)聲器常用機(jī)電參數(shù)以及計(jì)算公式、測(cè)量方法簡(jiǎn)述如下：5.1直流電阻Re由音圈決定，可直接用直流電橋測(cè)量。5.2共振頻率Fo由揚(yáng)聲器的等效振動(dòng)質(zhì)量Mms和等效順性Cms決定，見公式(5)， Fo可直接