現(xiàn)代音響與調音技術課件第6次課

第2章?lián)P聲器及揚聲器系統(tǒng)揚聲器是將電信號轉換成聲音信號并輻射到空氣中去的電聲換能器件。它是音響系統(tǒng)的末級單元，是重放及擴聲的最后環(huán)節(jié)。揚聲器(系統(tǒng))的分類和技術指標

揚聲器系統(tǒng)(音箱)的設計原理

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

揚聲器(系統(tǒng))的分類和技術指標7紙盆揚聲器的結構如圖。由于紙盆呈圓錐形，故又稱為錐形揚聲器。紙盆的中心局部有一可動線圈，稱為音圈。此音圈處于永久磁鐵NS磁縫隙間，永久磁鐵產生的磁力線與音圈導線成垂直狀態(tài)。當音圈通以交變電流時，會受到磁場對音圈的作用力,這個力可使音圈在磁縫內上下移動。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，使音圈帶動紙盆只能軸向運動。因此音圈，定心支片，及紙盆構成了振動系統(tǒng)。8紙盆式揚聲器又稱為動圈式揚聲器，它由三局部組成：1振動系統(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、導磁夾板和場心柱等。揚聲器的性能與磁路系統(tǒng)有密切關系，設計合理的磁路可得到較高效率的能量轉換，在環(huán)形磁隙中應有足夠大和均勻的磁通密度，這些與導磁材料的選擇、磁鐵的質量和磁路形式的選擇等有關。93輔助系統(tǒng):包括盆架、接線板、壓邊和防塵蓋等，是揚聲器必不可少的輔助件。

揚聲器將電信號轉換成聲音信號，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揚聲器的工作原理揚聲器的音圈與紙盆聯(lián)成一體，音圈處于磁場中，當其內部通過音頻電流i時，其受到的力為

F=Bli(5―1)

式中：B為磁隙中的磁感應密度(Wb/m2);i為流經音圈的電流(A)；l為音圈導線的長度(m)；F那么為磁場對音圈的作用力(N)。11通電音圈在磁場中受到力的作用而運動時，就會切割磁隙中的磁力線，從而在音圈內產生感應電動勢，其感應電動勢的大小為

e=Blv(5―2)式中：v為音圈的振動速度(m/s)；e為音圈中的感應電動勢(V)。12紙盆揚聲器工作的過程就是在這種電效應和力效應的作用下而完成電能到聲能的轉換的。即當音圈中輸入由放大器輸出的電流時，在線圈和磁鐵之間產生磁場，隨著音圈中流過的電流大小不同，音圈帶動揚聲器的振膜在磁場中作不同垂直方向的運動，這樣就會使揚聲器發(fā)出聲音。133揚聲器的技術指標1〕揚聲器靈敏度揚聲器單元是一種電信號與聲音之間的換能器，要求它能以相對小的輸入電功率轉換成很宏亮的聲音，這就要求揚聲器具有較高的聲壓靈敏度。靈敏度表達了揚聲器的轉換效率。各類揚聲器由于采用的設計技術，選用的材料和生產工藝等多方面的差異，靈敏度的差異也很大。靈敏度是指輸入揚聲器驅動單元1W的電功率，在揚聲器軸線方向離開1米的地方測得的聲壓值〔ubar〕表示。靈敏度越高，揚聲器能發(fā)出的聲音就越大。14特性靈敏度級是指輸入揚聲器驅動單元1W的電功率，在揚聲器軸線方向離開1米的地方測得的聲壓級〔dB〕表示。揚聲器的特性靈敏度級最大輸出聲壓級揚聲器系統(tǒng)承受電功率的能力遠大于1W〔通常在50~2000之間〕。因此實際使用時以最大功率輸給揚聲器，在揚聲器軸向1米處產生的聲壓級為最大聲壓級SPLmax。15其中Sk為揚聲器的特性靈敏度級(dB)，Wmax為最大輸入功率(W)，SPLmax表示最大輸出聲壓級(dB)。例如：靈敏度100dB1W/1m的揚聲器，假設最大承受功率為1000W，那么SPLmax？162)揚聲器的額定阻抗由于音圈是導線繞制在圓管上的，相互之間會發(fā)生感應。在頻率不同時,會有感抗或容抗的作用.因此揚聲器的阻抗是隨頻率而變化的。在額定揚聲器信號源的輸出功率時，可用一個純電阻代替揚聲器作負載，此電阻的阻值即為揚聲器的額定阻抗。在額定頻率范圍內，阻抗模值的最低值不應小于額定阻抗的80%。一般揚聲器的額定阻抗多為8Ω。揚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對于紙盆揚聲器，當加在振動系統(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，系統(tǒng)振動最強烈，振幅最大，我們把這種振動狀態(tài)稱為共振，此時的頻率稱之為共振頻率。共振頻率對應著阻抗最大值，一般應避開共振頻率工作。18當揚聲器工作頻率遠小于f0時，揚聲器的阻抗接近于直流電阻RDC。RDC略低于ZC，當不知額定阻抗ZC時，通?？捎萌f用表測出其直流電阻值，乘以1.1左右的系數(shù)，再調整成國標系列4、8、16、32等數(shù)值，即可得到揚聲器的額定阻抗.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額定阻抗是當加在振動系統(tǒng)上的干擾力的頻率頻率大于揚聲器共振頻率時對應的第一個阻抗最小值，用ZC表示。此時頻率記為fc,此時電路發(fā)生串聯(lián)諧振,在工程上稱為反共振.203〕揚聲器的功率揚聲器功率是個很重要的參數(shù)，它決定著與功率放大器輸出功率的匹配問題。依據需要，揚聲器有額定噪聲功率，峰值功率和音樂功率。額定噪聲功率：在揚聲器額定的頻率范圍內，用規(guī)定的噪聲信號測試揚聲器在100小時內可長期令人滿意地工作，沒有過熱和機械損傷，這時承受的功率被稱為額定噪聲功率?，F(xiàn)在揚聲器的產品目錄中的技術參數(shù)功率值大多以額定噪聲功率標注。這是因為揚聲器工作時，饋入的是一段頻率范圍內信號的合成功率。21峰值噪聲功率:揚聲器在規(guī)定極短時間內，所能承受不會引起永久性機械損傷的最大功率。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)目的動態(tài)范圍可高至100dB〔SPL〕，因此音樂功率是指音樂信號的瞬間最大功率。揚聲器音樂功率是指承受音樂信號瞬間最大功率的數(shù)值。除此之外，揚聲器有時也用長期最大功率、短期最大功率和額定最大正弦功率等指標來衡量。224〕揚聲器的效率揚聲器的效率是指在某一頻帶內所輻射的聲功率與該頻帶內饋給揚聲器的電功率的比值。PA表示揚聲器輻射的聲功率，PE表示饋給揚聲器的電功率。電動式揚聲器的效率一般很低，僅有百分之幾，而號筒式揚聲器的效率較高，可達百分之十幾。235〕揚聲器的非線性失真揚聲器的非線性失真主要包括諧波失真和互調失真和分諧波失真。(1)諧波失真。當揚聲器輸入某一頻率的正弦信號時，在它的輸出信號中，除了輸入信號的基波成分外，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)互調失真。當揚聲器同時重放使音圈作大振幅振動的低頻信號fL和音圈作小振幅振動的高頻信號fH時，重放聲中除了有fL、fH及其諧波成分外，還會有fH±nfL的新的頻率成分，n=1,2,3,…，這種失真稱為互調失真。24揚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。當饋給揚聲器的電功率增大，由于機械系統(tǒng)受到活動極限，會使輸入信號在某些頻率上出現(xiàn)壓縮，從而使聲音產生諧波失真，通常低音揚聲器饋給的功率大，因此揚聲器低頻的失真較為明顯。由于聲音信號為多頻率組成的復音，會出現(xiàn)各頻率之間的互相調制。產生一系列和差頻率從而產生聲音的失真，這就是互調失真。當出現(xiàn)互調失真較大時，就會使聲音散亂，中頻定位模糊。諧波失真和互調失真產生的原因:25(3)分諧波失真。當加給揚聲器強純音時，由于振膜的非線性，會在中低聲頻段中產生頻率為信號頻率1/2或1/3的模糊聲音，這種現(xiàn)象稱為分諧波失真。4〕揚聲器的非線性失真揚聲器的非線性失真主要包括諧波失真和互調失真和分諧波失真。266〕揚聲器的瞬態(tài)失真揚聲器重放聲音時，由于振動系統(tǒng)的慣性而跟不上信號快速變化而造成的失真。或稱為瞬時特性。由于饋給揚聲器的電信號根本上為瞬態(tài)信號，如果揚聲器的機械振動系統(tǒng)慣性太大致使音圈跟不上信號的瞬態(tài)變化；或者阻尼太小造成信號過去后音圈繼續(xù)自由振動，都會造成發(fā)出信號中所沒有的聲音。由此看來，揚聲器產生的瞬態(tài)失真都是發(fā)生在信號瞬變的開始和結束處。一般來講，揚聲器瞬態(tài)相應的好壞可以從它的頻率響應來估計，平滑的頻率響應可以獲得良好的瞬態(tài)相應。27如何測試揚聲器頻率響應的優(yōu)劣？給揚聲器加上一個矩形信號后，輸出的聲信號如果也為一個規(guī)整的矩形波，即信號的前后沿都陡直，那么說明揚聲器的瞬態(tài)相應好，失真小。實際上，由于揚聲器的結構、振膜材料特性等因素的影響，信號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，這就說明揚聲器的瞬態(tài)失真大，不能逼真的重放急劇變化的信號。28實驗證實：在頻率響應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)音的失真就相當嚴重。如何改善瞬態(tài)失真:通常把揚聲器的頻響擴展至超聲頻段，以改善前沿特性，而拖尾時間的縮短那么主要靠控制揚聲器的阻尼來實現(xiàn)。297〕揚聲器的指向性指向性是表征揚聲器在不同方向上輻射聲波的能力，通常與頻率有關。揚聲器發(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，聲波的波長越來越短，當聲波的波長與輻射面的有效長度可比較時，由于聲波的繞射特性和干預特性，聲音的傳播呈現(xiàn)較強的方向性。這個指向性正是在系統(tǒng)設計中要加以運用的。優(yōu)良的恒定指向性可在現(xiàn)場布置時把聲波的能量集中到觀眾區(qū)，以避開聲波的強反射面或發(fā)生聲場的相互干擾。30圖5―3揚聲器指向性頻率響應表示揚聲器輻射方向性有兩種方法：一是指向性頻率響應曲線。即在偏離參考軸指定范圍內的不同角度上所測得的一組頻響曲線。如圖5―3所示。揚聲器的指向特性會使偏離軸向的聲壓級隨偏角的增大而減小。31表示揚聲器輻射方向性有兩種方法：二是指向性圖。即指揚聲器輻射聲波(不同頻率)的聲壓級隨