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            2. 400-662-3006
              干貨 | 揭秘揚聲器主要參數之間的關系
              時間:2021-031169

              揚聲器性能是電學、力學、聲學、磁學等物理參數共同作用的結果,由鼓紙、彈波、音圈、磁路等關鍵零部件的性能共同確定,其中一些參數相互制約相互影響,因而必須綜合考慮和設計。

              揚聲器性能是電學、力學、聲學、磁學等物理參數共同作用的結果,由鼓紙、彈波、音圈、磁路等關鍵零部件的性能共同確定,其中一些參數相互制約相互影響,因而必須綜合考慮和設計。

              1、主要參數綜合設計和分析

              揚聲器常用機電參數以及計算公式、測量方法簡述如下:

              直流電阻Re

              由音圈決定,可直接用直流電橋測量。

              共振頻率Fo

              由揚聲器的等效振動質量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。

              共振頻率處的最大阻抗Zo

              由音圈、磁路、振動系統(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)

              機械力阻Rms

              由鼓紙、彈波的內部阻尼及使用膠水的特性決定,可由測量出機械品質因數Qms后通過下列公式計算:

              Rms =(1/Qms)*SQR(Mms/Cms) (11)

              這里SQR( )表示對括號( )中的數值開平方根,下同。

              輻射力阻Rmr

              由口徑、頻率決定,低頻時可忽略。

              Rmr = 0.022*(f/Sd)2 (12)

              等效輻射面積Sd

              只與口徑(等效半徑a)有關。

              Sd =π* a2 (13)

              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因數Qes后用下列公式計算:

              (BL)2 =(Re/Qes)*SQR(Mms/Cms) (14)

              等效振動質量Mms

              由音圈質量Mm1、鼓紙等效質量Mm2、輻射質量Mmr共同決定, Mms可由附加質量法測量獲得。

              Mms=Mm1+Mm2+2Mmr

              輻射質量Mmr

              只與口徑(等效半徑a)有關。

              Mmr =2.67*ρo* a3 (16)

              其中ρo=1.21kg/m3為空氣密度, a為揚聲器等效半徑。

              等效順性Cms

              是指揚聲器振動系統的支撐部件的柔順度.其值越大,揚聲器的整個振動系統越軟.單位:毫米/牛頓(mm/N).

              由鼓紙順性Cm1、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=(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2) (17)

              等效容積Vas

              只與等效順性、等效輻射面積有關。

              Vas =ρo*c2*Sd2*Cms (18)

              此處c為空氣中的聲速,c=344m/s

              機械品質因數Qms

              由振動系統的等效振動質量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/Rms)*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*(Zo/Re) (19)

              f 為阻抗曲線上阻抗等于SQR(Zo*Re)所對應的兩個頻率的差值。

              電氣品質因數Qes

              由振動系統的等效振動質量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(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re) (20)

              總品質因數Qts

              由機械品質因數Qms和電氣品質因數Qes共同決定。

              Qts =(Qms*Qes)/(Qms+Qes)=(Fo/Δf)*SQR(Re/Zo) (21)

              參考電聲轉換效率ηo

              由機電耦合因子BL、等效輻射面積Sd、等效振動質量Mms共同決定。

              ηo =(ρo/2πc)*(BL*Sd/Mms)2/Re (22)

              參考靈敏度級SPLo

              與參考電聲轉換效率ηo直接相關。

              SPLo = 112+10lgηo (23)

              參考振幅ξ

              與參考電聲轉換效率ηo、電功率Pe、等效半徑a、頻率f有關。

              ξ = 0.481*SQR(Pe*ηo)/(a*f)2

              以上這些參數現在均可用揚聲器計算機測試系統進行測量和計算,常用的測試系統有LMS、CLIO、MLSSA、DAAS、SYSID、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的基本設計,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ξo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構和音圈卷寬,當然與振動系統也有很大的關系。揚聲器正常工作時,音圈不能跳出磁間隙,即有ξo≤Xmax,否則會產生很大的非線性失真(表現為振幅異常音)、甚至會導致音圈損壞(卡死或燒毀)。Fo處最大振幅ξo可由下列公式計算:

              ξo = 1.414*BL*I*Cms*Qts (25)

              式中I為饋給揚聲器的電流,I=SQR(Pe/Re)??梢?,假使揚聲器的基本機電參數(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ξo≤Xmax的限制。反之,假使揚聲器的功率必需達到一定值,則揚聲器的等效順性就不能太大,亦即Fo不能太小。當有(BL)2/Re>>Rms時,公式(25)又可簡化如下:

              ξo = 0.225*V/(BL*Fo) (26)

              式中V為饋給揚聲器的電壓,V=SQR(Pe*Re)。此式更直觀地顯示出最大振幅ξo與電壓V、機電耦合因子BL、共振頻率Fo的關系。一般所稱的總品質因數Qts對低頻振幅的控制能力就由公式(25)、(26)體現和反映,其中BL值的作用更明顯。

              揚聲器的低頻聲功率Pa同樣也受到限制:

              Pa= Pe*ηo=4.33*ξ2*a 4*f 4 (27)

              可見,聲功率Pa既與電功率Pe有關、又與電聲轉換效率ηo直接相關,實際上最終與揚聲器的振幅、口徑、頻率有關。為了達到一定的聲功率Pa,在頻率一樣的條件下,口徑越小、則其振幅越大,而振幅一般都受到限制,所以口徑就不能太小。亦即,小口徑揚聲器不可能產生很大的聲功率,因為小口徑揚聲器一般都受到結構限制,其振幅較小,效率較低,而音圈不會很大、所用線徑有限、所能承受的電功率也有限。

              揚聲器額定噪聲功率和長期最大功率,既與低頻最大振幅有關,又與音圈的線徑、材料和系統的散熱條件、使用的膠水等直接相關。大功率揚聲器,一般均使用高強度耐高溫的音圈線、音圈骨架、膠水,采用大沖程、散熱良好的磁路結構,音圈采用較寬的卷寬和線徑,彈波采用強度好、抗疲勞性能好的材料,當然一般也采用大口徑系列。揚聲器額定噪聲功率和長期最大功率,最終只能通過負荷試驗獲得和驗證。

              2、喇叭單元的參數

              T/S指標(Thiele/Small-Specs)

              T/S指標是由澳大利亞人A.N. Thiele 和 Richard Small,在70年代初發明的揚聲器系統數學模型的基本參數?,F今,幾乎所有的人都是按照該理論來生產喇叭音箱。T/S指標有如下幾個:

              Fs(Fo) 為喇叭在自由場下的諧振點頻率。

              Vas 為等同于喇叭順性的空氣容積。

              Qes 為喇叭的電Q值,它反映了單元在Fo時于電磁控制下的諧振能力,數值越低,阻尼越強,諧振能力越低。

              Qms 為喇叭的機械Q值。它反映了單元在Fo時于機械結構方面的諧振能力,數值越低,阻尼越強。

              Qts 為喇叭的總Q值(由Qms和Qes并聯耦合而成)它反映了單元在Fo處的諧振能力,數值越低,阻尼越強。

              機電性能指標(Electro-Mechanical parameter)

              Mms:喇叭的總振動質量(包括振膜的質量、音圈的質量、前后加載的空氣等)

              Cms:喇叭單元的順性

              Rms:機械阻尼,包括振動的摩擦、輻射阻。

              Rme :電氣阻尼因數,反映單元電磁系統對振膜的機械控制和阻尼,常用來衡量單元的電磁系統的能力。

              Re:音圈的直流電阻

              BL:線圈間隙的磁場強度

              Dd:振膜直徑

              Le:音圈電感量

              Sd:振膜的表面積

              fLe:電感測量頻率

              大信號指標(Large-Signal Parameter)

              Xmax:最大線性位移,或叫線性沖程,計算為全沖程位移值的1/2,通常這個值比較有水分,有些廠家會給出單元的物理最大位移。而一些廠家采用全程的P-P值(peak-to-peak)表示,此時我們要注意在對比時減半。

              Xlim:不損壞的最大位移。(或又表示為其他Xmec,最大機械位移)

              Hc:線圈高度

              Hg:間隙高度

              Vd:喇叭在線性范圍內,最大的推動空氣體積

              Pe:可連續工作不燒毀的最大輸入功率。

              討論:

              ◆實際上,所有T/S參數都是圍繞低音單元的諧振峰測量得來的,反映了低音單元諧振峰的特性,并據此特性設計各種音箱箱體。而高音單元的諧振峰對于箱體制作無意義(高音的振幅也很小),也無須進行特別的描述去應用,所以我們不會在高音單元上搞T/S參數。

              ◆Fo值是指單元的諧振頻率,即喇叭振幅最大時的頻率?;旧线@就是單元的低頻重放極限,因為過了諧振點,單元的聲壓將急降,(一般將-3db處稱為截止頻率表示為F3)

              ◆Q值在我們形容單元時,出現極多,它其實是描述諧振造成的阻抗峰的尖銳度的一個數學值,Q值越高,表示阻尼小,控制弱,諧振的幅度大,從而產生更強的低頻聲壓,但由此帶來了振動不受控產生的失真。

              ◆關于Q值高低,對應適合做什么箱的問題,這個問題有許多的口水爭論。一般說來,低Q值的喇叭,阻尼高控制力好,適合做倒相箱。而高Q值的單元適合做密閉箱。這個實際上是個較模糊界線的選擇,一般Q值高于0.5的單元適宜密閉箱,而Q值低于0.3的要做倒相箱。而業內通常采用EBP值來衡量單元適合制作哪種箱體。

              3、Qtc:音箱全系統的總Q值

              箱體的損耗Q值

              Ql-泄漏損耗Q值,由箱體及單元密封不好造成泄漏產生的,通常這個對于倒相箱影響較大. 一般數值取在5-20,這個值難以預知。5表示為密封非常良好! 通常預設值為10。

              Qa-吸收損耗Q值,由箱體對聲波的吸收產生的,箱內的填充料會大大增強吸收。一個干燥光滑剛性箱體內壁通常約Qa=30-100,大量填充時,將達到3-5。

              Qp-倒相管損耗, 由倒相管產生,由于空氣通過時,管壁的摩擦,倒相管會有一些阻尼。事實上,如果你將此Q值設得很小的話(意味著阻尼非常大),那倒相箱就會變成了密閉箱了。

              關于Q值的理解

              Q值是一個描繪諧振情形的數學量,它總是伴隨阻尼概念(在諧振系統中)被介紹給大家,或者有人把它等同于阻尼值來介紹。對于一個諧振系統,阻尼越大,那么系統的諧振越被鉗制,從而導致低Q值的諧振曲線。當阻尼小時,則情況相反,諧振劇烈,形成高Q的曲線。

              一般來說,對于揚聲器系統,合適的Q值在0.5-1.5之間。低于0.5時,阻尼太強了,此時已無諧振發生。所以,也有人稱0.5Q值時,為臨界阻尼,稱再小的Q值,為過阻尼。反之, Q大于1.5, 可以叫欠阻尼。

              在諧振系統的頻率-振幅曲線圖上,我們可以直觀地看到不同Q值所代表的曲線,以及不同Q值的意義。

              4、喇叭的Q

              Qes 為喇叭的電Q值,它反映了單元在Fo時于電磁控制下的諧振能力,數值越低,阻尼越強,系統諧振越小。

              Qms 為喇叭的機械Q值。它反映了單元在Fo時于機械結構方面的諧振能力,數值越低,阻尼越強,系統諧振越小。

              Qts 為喇叭的總Q值(由Qms和Qes并聯耦合而成)它反映了單元在Fo處的諧振能力,數值越低,阻尼越強。

              5、系統的Q值

              全系統指包括功放輸出端、喇叭線、音箱。 這是一個工作時的實際Q值, 與箱體Q值Qtc相比, 這里加入了阻尼系數的因素。

              阻尼系數的影響, 包括功放的輸出阻尼系數、 喇叭線的阻尼系數、 串連喇叭的阻尼系數(如果有)、分頻器的阻尼系數。

              所以,為保證不影響原箱的Q值設計, 一般功放要求采用阻尼系數盡量小的, 最最起碼是10以上, 但一般要求100以上。而分頻器中主要是電感的電阻的影響,一般是說20以上。線材同樣也應該盡量小。

              對于串接喇叭, 阻尼系數無可避免的在1以上, 所以一般設計都是并聯喇叭的。

              阻尼、Q值都是描繪單元在諧振點附近的工作情形, 即諧振點附近的發聲變化情況, 對其他頻率區域的頻響基本無影響。

              廣州宏音音響設備有限公司

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