亥姆霍茲共振原理與倒相音箱

1、亥姆霍茲共振原理與倒相音箱(轉(zhuǎn)自debug)-倒相音箱，是我們非常熟悉的技術(shù)，在多媒體音箱中，除了部分 X.1X.1 音箱的衛(wèi)星箱和極少幾款 2.02.0 音箱采用了密閉箱設(shè)計(jì)外，大部分都采用了倒相技術(shù)。但是，從各方面的反應(yīng)看，我們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)用戶(hù)，特別是大部分的媒體，對(duì)于倒相技術(shù)缺乏正確的理解，甚至是做了完全錯(cuò)誤的理解。其中，一個(gè)歷史悠久的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，就是一一倒相音箱就是通過(guò)在箱體上開(kāi)倒相孔，使揚(yáng)聲器背面輻射的聲波經(jīng)過(guò)箱體內(nèi)部反射后向前輻射出來(lái)，與揚(yáng)聲器正面聲波疊加，從而增強(qiáng)了低音效果相當(dāng)多的媒體評(píng)測(cè)和技術(shù)文章都這樣寫(xiě)， 但是我就始終不知道， 這些作者是否認(rèn)真想過(guò)： 如果倒相箱僅僅是為了將揚(yáng)

2、聲器背面的輻射聲波反射”出來(lái)，那么為什么還要倒相管的存在？直接在箱體上開(kāi)一個(gè)碩大的孔不是能獲得更高的能量利用效率？其次，眾所周知，倒相箱的低音下潛深度是結(jié)構(gòu)接近的密閉箱的 0.70.7 倍，如果倒相孔所出來(lái)的僅僅是揚(yáng)聲器背面的聲波”的話(huà)，那么理應(yīng)只是在響度上相對(duì)密閉箱增強(qiáng)，憑什么下潛深度也會(huì)增加？其實(shí)，這個(gè)問(wèn)題早在我兩年多以前的老文揭開(kāi)金嗓子”和鴨嗓子”的秘密里就已經(jīng)闡述過(guò)了，不知道是這些作者沒(méi)有看過(guò)或是不能理解？也可能是我當(dāng)年闡述的并不詳細(xì)，那么這一次，我就用大篇幅來(lái)詳細(xì)解釋一下這個(gè)問(wèn)題。要說(shuō)倒相箱的工作原理，必須從亥姆霍茲共振原理說(shuō)起。當(dāng)然，這個(gè)名詞我當(dāng)年也寫(xiě)過(guò)，而很多如上述文章的作者也會(huì)

3、寫(xiě)這個(gè)名詞，但什么是亥姆霍茲共振原理？一種常見(jiàn)的說(shuō)法是利用亥姆霍茲共振原理，在揚(yáng)聲器振動(dòng)的時(shí)候減小振膜的阻力，增強(qiáng)低音效果”，倒相箱的確能夠減小箱體內(nèi)的氣墊效果，從而降低回放的最低頻率，但這和亥姆霍茲共振原理”沒(méi)有任何關(guān)系。亥姆霍茲(HvonHaimuhuoziHvonHaimuhuozi),),是德國(guó) 1919 世紀(jì)偉大的物理學(xué)家和生理學(xué)家，我們大學(xué)所學(xué)的力學(xué)三大基本守恒定律之首的能量守恒定律”就是他最大的科學(xué)成就。而亥姆霍茲共振原理，則是亥姆霍茲在聲學(xué)領(lǐng)域的著名成就之一。首先，建立一個(gè)由理想剛體構(gòu)成的密閉空腔，這個(gè)空腔就叫做亥姆霍茲共振腔”，在空腔的表面開(kāi)一個(gè)面積相對(duì)于空腔表面積很小的孔，

4、在孔上插入一根空心剛體管道，組成的結(jié)構(gòu)就稱(chēng)為亥姆霍茲共鳴器對(duì)于一個(gè)亥姆霍茲共鳴器而言，當(dāng)其內(nèi)部空氣受到外界波動(dòng)的強(qiáng)制壓縮時(shí)（無(wú)論強(qiáng)制力施加于空腔內(nèi)的空氣還是管道內(nèi)的空氣，施加的外力是來(lái)自聲波還是腔體振動(dòng)），管道內(nèi)的空氣會(huì)發(fā)生振動(dòng)性的運(yùn)動(dòng)，而空腔內(nèi)的空氣對(duì)之產(chǎn)生恢復(fù)力（換句話(huà)說(shuō)，共振腔內(nèi)的空氣是一個(gè)空氣彈簧”）。在聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于共鳴器幾何尺度的情形下，可以認(rèn)為共鳴器內(nèi)空氣振動(dòng)的動(dòng)能集中于管道內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能僅與腔體內(nèi)空氣的彈性形變有關(guān)。這樣，這個(gè)共鳴器是由管道內(nèi)空氣有效質(zhì)量和腔體內(nèi)空氣彈性組成的一維振動(dòng)系統(tǒng)，因器的最低共振頻率，c c 是聲速，S S 是管道的截面積，d d 是管道的直徑，l

5、l 是管道的長(zhǎng)度，V V 是空腔的容積。在強(qiáng)度為一定的振動(dòng)作用下，在這個(gè)頻率時(shí)，管道內(nèi)空氣的振動(dòng)速度達(dá)到最大。這，就是所謂的亥姆霍茲共振原理亥姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置，它既可以在內(nèi)部設(shè)計(jì)吸音材料，成為共振吸音結(jié)構(gòu)在管口處具有相當(dāng)強(qiáng)大的消耗接近 f0f0 頻率的外界聲波的吸音能力，或者，也可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部空氣，將微小的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度很高的聲波從管口傳輸出去。而對(duì)施加作用的波動(dòng)有共振現(xiàn)象，其固有頻率是1 17r7r。公式中 f0f0 是亥姆霍茲共鳴由于這是一種不需要任何獨(dú)立能源，完全依靠外界振動(dòng)激發(fā)的高效率聲能轉(zhuǎn)化裝置，所以亥姆霍茲共鳴器的應(yīng)用范圍很廣，作為吸聲裝置，其最典型的應(yīng)用

6、就是音樂(lè)廳、電影院吸音墻的微結(jié)構(gòu)，而作為擴(kuò)聲裝置，其最典型的應(yīng)用就是各種樂(lè)器的共鳴箱?；氐降瓜嘞涞脑O(shè)計(jì)上來(lái)，由亥姆霍茲共振原理，我們就可以清晰的認(rèn)識(shí)到，在倒相箱上，從倒相管傳出來(lái)的，并不是真正的揚(yáng)聲器振膜背面的輻射聲波”，而是因?yàn)榈瓜嘞潴w內(nèi)的空氣在揚(yáng)聲器振膜背面的振動(dòng)下被強(qiáng)制壓縮，從而產(chǎn)生諧振，這種振動(dòng)推動(dòng)著倒相管內(nèi)的空氣發(fā)生高速的亥姆霍茲共振，劇烈而高速的管道空氣振動(dòng)在管道出口也就是倒相口處用力推動(dòng)箱體外的空氣，從而產(chǎn)生了強(qiáng)大的聲波。實(shí)際上可以認(rèn)為，止匕時(shí)，倒相口成了一個(gè)虛擬的揚(yáng)聲器振膜。而管道本身的規(guī)格決定了這個(gè)第二揚(yáng)聲器”的各項(xiàng)參數(shù)（這也就是為什么需要一個(gè)倒相管而不是直接開(kāi)口）。在倒相箱

7、中，倒相聲真正的發(fā)聲源是倒相管內(nèi)高速振動(dòng)的空氣，揚(yáng)聲器此時(shí)只是起了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的作用，雖然振動(dòng)的最初來(lái)源是揚(yáng)聲器，但發(fā)聲的卻不是它。這就如同在普通的揚(yáng)聲器上，真正主動(dòng)振動(dòng)的，其實(shí)是揚(yáng)聲器內(nèi)部的音圈而不是看得見(jiàn)的振膜。但發(fā)聲的卻是振膜而不是音圈。實(shí)際上，真正最有可能從倒相管中直接反射”出來(lái)的并不是低音，而是揚(yáng)聲器背面發(fā)出的中高音，在倒相箱箱體中填充吸音棉的目的之一就是為了衰減揚(yáng)聲器的中高音背面輻射（這和密閉箱有所不同，密閉箱填充吸音棉主要是為了虛擬無(wú)限大障板），有些箱子，例如惠威的 T200AT200A 干脆將高音單元直接放到了獨(dú)立空間內(nèi)或放到了箱體外頭。倒相箱的設(shè)計(jì)是非常有學(xué)問(wèn)的，要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)者根

8、據(jù)揚(yáng)聲器的參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算，一般來(lái)說(shuō)，揚(yáng)聲器確定了，箱體的容積、倒相管的長(zhǎng)度、截面積也就基本確定了。不過(guò)在此基礎(chǔ)上也可以做一些微調(diào)，如果加長(zhǎng)倒相管的長(zhǎng)度或減小倒相管的截面積，就可以降低諧振頻率一些，但此時(shí)氣流摩擦聲也會(huì)明顯增大，對(duì)倒相聲的利用效率也會(huì)降低?，F(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)說(shuō)，為什么倒相箱的最低頻率比密閉箱要低？為什么倒相箱的效率比密閉箱高？為什么倒相箱的瞬態(tài)不如密閉箱？這都和倒相箱的結(jié)構(gòu)和原理直接相關(guān)。密閉箱本身由于箱體內(nèi)部的密閉空氣在受到壓縮時(shí)，實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)空氣彈簧”，所以它在控制揚(yáng)聲器振膜的非線(xiàn)性位移，減小揚(yáng)聲器的失真的同時(shí)，也提高了揚(yáng)聲器的最低諧振頻率。而倒相箱由于是一個(gè)開(kāi)放的亥姆霍茲共

9、振腔，所以不會(huì)發(fā)生類(lèi)似的現(xiàn)象， 而且， 由于亥姆霍茲共振的存在， 它可以將揚(yáng)聲器在接近揚(yáng)聲器最低諧振頻率時(shí)的振動(dòng)加以高效轉(zhuǎn)換，使之分解為在該頻率上下兩個(gè)頻率范圍上較小強(qiáng)度的諧振，使得音箱能夠在本來(lái)?yè)P(yáng)聲器工作效率很低的頻率乃至低于揚(yáng)聲器最低諧振頻率的頻率下發(fā)出可聞的聲音（倒相管能輸出的最低頻率要低于揚(yáng)聲器的最低諧振頻率）。這就使得倒相箱的最低回放頻率能夠明顯低于密閉箱。而倒相箱的效率要高于密閉箱，這就是非常好理解的。因?yàn)榈瓜嘞涑浞掷昧藫P(yáng)聲器背面的振動(dòng)能量，而不是將其在箱體內(nèi)部消耗掉。加上亥姆霍茲共鳴器的高效率轉(zhuǎn)換作用，這些能量能夠充分轉(zhuǎn)化為對(duì)外輻射的聲音。所以其將電能轉(zhuǎn)換為聲能的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于

10、密閉箱。但反過(guò)來(lái)，倒相箱的瞬態(tài)是明顯低于密閉箱的，這是因?yàn)榈瓜嗫谒椛涞穆暡?，雖然與揚(yáng)聲器振膜所輻射的聲波同頻同相，但二者存在明顯的時(shí)間差。也就是說(shuō)，無(wú)論揚(yáng)聲器起振還是停振，都會(huì)有一個(gè)慢半拍的聲音跟著攪和，自然瞬態(tài)就會(huì)比較差了。倒相箱的箱體形狀和倒相管的形狀沒(méi)有一定的嚴(yán)格要求。但是，一個(gè)理想的亥姆霍茲共鳴器應(yīng)該是由一個(gè)球形的亥姆霍茲共振腔和一個(gè)圓管型的管道組成的。如果采用變形的形狀，就多多少少會(huì)出現(xiàn)一些不好的影響。很多倒相音箱回放的聲音很悶，很亂，造成這種情況的原因就是箱體內(nèi)諧振的空氣在大動(dòng)態(tài)振動(dòng)時(shí)，由于箱體的特殊形狀導(dǎo)致在箱體內(nèi)部的多次反射中產(chǎn)生了大量的奇次諧波，這些奇次諧波產(chǎn)生了復(fù)雜而混亂的共鳴，這就是箱體設(shè)計(jì)不良的典型結(jié)果。而倒相管的形狀，雖然在理論上不影響回放的效果。但實(shí)際上，非圓形的倒相管，例如方形、條形等等,由于存在尖銳的棱角，會(huì)由于氣流的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生劇烈的摩擦聲。而有些倒相管采用了特殊的雙曲線(xiàn)設(shè)計(jì)，就是因?yàn)殡p曲線(xiàn)管道在流過(guò)高速氣流時(shí)，發(fā)生的摩擦最小，所以比較適合做一些超低頻調(diào)諧的倒相管。有些產(chǎn)品，如惠威的第二版 T200AT200A, ,采用了雙倒相管的