扬声器(低音喇叭)主要参数的解释及物理意义

  • A+
所属分类:音箱设计
摘要

扬声器性能是电学、力学、声学、磁学等物理参数共同作用的结果,由鼓纸、弹波、音圈、磁路等关键零部件的性能共同确定,其中一些参数相互制约相互影响,因而必须综合考虑和设计。

扬声器(低音喇叭)主要参数的解释及物理意义

1.扬声器主要参数综合设计和分析

扬声器性能是电学、力学、声学、磁学等物理参数共同作用的结果,由鼓纸、弹波、音圈、磁路等关键零部件的性能共同确定,其中一些参数相互制约相互影响,因而必须综合考虑和设计。

扬声器常用机电参数解释以及计算公式、测量方法简述如下:

1.1直流电阻Re(单位:欧姆/ohm)

是指在音圈线圈静止的情况下,通以直流信号,而测试出的阻抗值.

由音圈决定,可直接用直流电桥测量。

我们通常所说的4欧或者8欧是指额定阻抗.

1.2共振频率Fo 单位:赫兹(Hz)

是指扬声器阻抗曲线第一个极大值对应的频率.

由扬声器的等效振动质量Mms和等效顺性Cms决定,见公式(5), Fo可直接用Fo测试仪测量或通过测量阻抗曲线获得。扬声器的阻抗曲线图是扬声器在正常工作条件下,用恒流法或恒压法测得的扬声器阻抗模值随频率变化的曲线.

1.3共振频率处的最大阻抗Zo

由音圈、磁路、振动系统(鼓纸、弹波)共同决定,可用替代法测量或通过测量阻抗曲线获得。

Zo = Re+[(BL)2/(Rms+Rmr)] 

1.4 机械力阻Rms

由鼓纸、弹波的内部阻尼及使用胶水的特性决定,可由测量出机械品质因数Qms后通过下列公式计算:

Rms =(1/Qms)*SQR(Mms/Cms)  这里SQR( )表示对括号( )中的数值开平方根,下同。

1.5 辐射力阻Rmr

由口径、频率决定,低频时可忽略。

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

1.6 等效辐射面积Sd

只与口径(等效半径a)有关。

Sd =π* a2 (13)

1.7 机电耦合因子BL

由磁路Bg值和音圈线有效长度L决定,也可通过测量电气品质因数Qes后用下列公式计算:

(BL)2 =(Re/Qes)*SQR(Mms/Cms) 

1.8 等效振动质量Mms

由音圈质量Mm1、鼓纸等效质量Mm2、辐射质量Mmr共同决定, Mms可由附加质量法测量获得。

Mms=Mm1+Mm2+2Mmr

1.9 辐射质量Mmr

只与口径(等效半径a)有关。

Mmr =2.67*ρo* a3 

其中ρo=1.21kg/m3为空气密度, a为扬声器等效半径。

1.10 等效顺性Cms

是指扬声器振动系统的支撑部件的柔顺度.其值越大,扬声器的整个振动系统越软.单位:毫米/牛顿(mm/N).

由鼓纸顺性Cm1、弹波顺性Cm2共同决定,此顺性即是我们所称的变位,只是单位需换算为国际单位制:m/N,
而变位可以用变位仪直接测量。Cms可由附加容积法测量获得。

Cms=(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2) 

1.11 等效容积Vas

只与等效顺性、等效辐射面积有关。

Vas =ρo*c2*Sd2*Cms 此处c为空气中的声速,c=344m/s

1.12 机械品质因数Qms

由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机械力阻Rms共同决定,Qms可由阻抗曲线的测量获得。

Qms =(1/Rms)*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*(Zo/Re)

f 为阻抗曲线上阻抗等于SQR(Zo*Re)所对应的两个频率的差值。

1.13 电气品质因数Qes

由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机电耦合因子BL共同决定,由阻抗曲线的测量获得。

Qes =[Re/(BL)2]*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re) 

1.14 总品质因数Qts

由机械品质因数Qms和电气品质因数Qes共同决定。

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

1.15 参考电声转换效率ηo

由机电耦合因子BL、等效辐射面积Sd、等效振动质量Mms共同决定。

ηo =(ρo/2πc)*(BL*Sd/Mms)2/Re

1.16 参考灵敏度级SPLo

与参考电声转换效率ηo直接相关。

SPLo = 112+10lgηo

1.17 参考振幅ξ

与参考电声转换效率ηo、电功率Pe、等效半径a、频率f有关。

ξ = 0.481*SQR(Pe*ηo)/(a*f)2

以上这些参数现在均可用扬声器计算机测试系统进行测量和计算,常用的测试系统有LMS、CLIO、MLSSA、DAAS、SYSID、LAUD、IMP等。另外,也可利用一些计算机模拟软件进行扬声器参数的基本设计,如LEAP、CALSOD、Speaker Easy、DLC Design、AudioCad、SOUNDEASY等。

扬声器的功率、失真指标无法直接用公式进行定量计算,只能作些定性分析和探讨。

扬声器的额定正弦功率以及纯音检听功率,基本上由低频最大振幅ξo决定。一般低频最大振幅是在共振频率Fo处。扬声器的低频最大振幅主要取决于磁路结构和音圈卷宽,当然与振动系统也有很大的关系。扬声器正常工作时,音圈不能跳出磁间隙,即有ξo≤Xmax,否则会产生很大的非线性失真(表现为振幅异常音)、甚至会导致音圈损坏(卡死或烧毁)。Fo处最大振幅ξo可由下列公式计算:

ξo = 1.414*BL*I*Cms*Qts

式中I为馈给扬声器的电流,I=SQR(Pe/Re)。可见,假使扬声器的基本机电参数(BL、Cms、Qts)确定,其电流I决定的功率Pe=I2*Re就受到低频最大振幅ξo≤Xmax的限制。反之,假使扬声器的功率必需达到一定值,则扬声器的等效顺性就不能太大,亦即Fo不能太小。当有(BL)2/Re>>Rms时,公式(25)又可简化如下:

ξo = 0.225*V/(BL*Fo)

式中V为馈给扬声器的电压,V=SQR(Pe*Re)。此式更直观地显示出最大振幅ξo与电压V、机电耦合因子BL、共振频率Fo的关系。一般所称的总品质因数Qts对低频振幅的控制能力就由公式(25)、(26)体现和反映,其中BL值的作用更明显。

扬声器的低频声功率Pa同样也受到限制:

Pa= Pe*ηo=4.33*ξ2*a 4*f 4

可见,声功率Pa既与电功率Pe有关、又与电声转换效率ηo直接相关,实际上最终与扬声器的振幅、口径、频率有关。为了达到一定的声功率Pa,在频率一样的条件下,口径越小、则其振幅越大,而振幅一般都受到限制,所以口径就不能太小。亦即,小口径扬声器不可能产生很大的声功率,因为小口径扬声器一般都受到结构限制,其振幅较小,效率较低,而音圈不会很大、所用线径有限、所能承受的电功率也有限。

扬声器额定噪声功率和长期最大功率,既与低频最大振幅有关,又与音圈的线径、材料和系统的散热条件、使用的胶水等直接相关。大功率扬声器,一般均使用高强度耐高温的音圈线、音圈骨架、胶水,采用大冲程、散热良好的磁路结构,音圈采用较宽的卷宽和线径,弹波采用强度好、抗疲劳性能好的材料,当然一般也采用大口径系列。扬声器额定噪声功率和长期最大功率,最终只能通过负荷试验获得和验证。

2. 喇叭单元的参数1,T/S指标(Thiele/Small-Specs)

T/S指标是由澳大利亚人A.N. Thiele 和 Richard Small,在70年代初发明的扬声器系统数学模型的基本参数。现今,几乎所有的人都是按照该理论来生产喇叭音箱。T/S指标有如下几个:

Fs(Fo) 为喇叭在自由场下的谐振点频率。

Vas 为等同于喇叭顺性的空气容积。

Qes 为喇叭的电Q值,它反映了单元在Fo时于电磁控制下的谐振能力,数值越低,阻尼越强,谐振能力越低。

Qms 为喇叭的机械Q值。它反映了单元在Fo时于机械结构方面的谐振能力,数值越低,阻尼越强。

Qts 为喇叭的总Q值(由Qms和Qes并联耦合而成)它反映了单元在Fo处的谐振能力,数值越低,阻尼越强。

2.1 机电性能指标(Electro-Mechanical parameter)

Mms:喇叭的总振动质量(包括振膜的质量、音圈的质量、前后加载的空气等)

Cms:喇叭单元的顺性

Rms:机械阻尼,包括振动的摩擦、辐射阻。

Rme :电气阻尼因数,反映单元电磁系统对振膜的机械控制和阻尼,常用来衡量单元的电磁系统的能力。

Re:音圈的直流电阻

BL:线圈间隙的磁场强度

Dd:振膜直径

Le:音圈电感量

Sd:振膜的表面积

fLe:电感测量频率

2.2 大信号指标(Large-Signal Parameter)

Xmax:最大线性位移,或叫线性冲程,计算为全冲程位移值的1/2,通常这个值比较有水分,有些厂家会给出单元的物理最大位移。而一些厂家采用全程的P-P值(peak-to-peak)表示,此时我们要注意在对比时减半

Xlim:不损坏的最大位移。(或又表示为其他Xmec,最大机械位移)

Hc:线圈高度

Hg:间隙高度

Vd:喇叭在线性范围内,最大的推动空气体积

Pe:可连续工作不烧毁的最大输入功率。


◆实际上,所有T/S参数都是围绕低音单元的谐振峰测量得来的,反映了低音单元谐振峰的特性,并据此特性设计各种音箱箱体。而高音单元的谐振峰对于箱体制作无意义(高音的振幅也很小),也无须进行特别的描述去应用,所以我们不会在高音单元上搞T/S参数。

◆Fo值是指单元的谐振频率,即喇叭振幅最大时的频率。基本上这就是单元的低频重放极限,因为过了谐振点,单元的声压将急降,(一般将-3db处称为截止频率表示为F3)

◆Q值在我们形容单元时,出现极多,它其实是描述谐振造成的阻抗峰的尖锐度的一个数学值,Q值越高,表示阻尼小,控制弱,谐振的幅度大,从而产生更强的低频声压,但由此带来了振动不受控产生的失真。

◆关于Q值高低,对应适合做什么箱的问题,这个问题有许多的口水争论。一般说来,低Q值的喇叭,阻尼高控制力好,适合做倒相箱。而高Q值的单元适合做密闭箱。这个实际上是个较模糊界线的选择,一般Q值高于0.5的单元适宜密闭箱,而Q值低于0.3的要做倒相箱。而业内通常采用EBP值来衡量单元适合制作哪种箱体。

3. Qtc:音箱全系统的总Q值

3.1 箱体的损耗Q值

Ql-泄漏损耗Q值. 由箱体及单元密封不好造成泄漏产生的,通常这个对于倒相箱影响较大. 一般数值取在5-20,
这个值难以预知。5表示为密封非常良好! 通常预设值为10。

Qa-吸收损耗Q值,
由箱体对声波的吸收产生的,箱内的填充料会大大增强吸收。一个干燥光滑刚性箱体内壁通常约Qa=30-100,大量填充时,将达到3-5。

Qp-倒相管损耗, 由倒相管产生,由于空气通过时,管壁的摩擦,倒相管会有一些阻尼.
事实上,如果你将此Q值设得很小的话(意味着阻尼非常大),那倒相箱就会变成了密闭箱了,呵呵。

3.2 题外话,— 关于Q值的理解:(Q值一般直译成品质因数)

Q值是一个描绘谐振情形的数学量,它总是伴随阻尼概念(在谐振系统中)被介绍给大家,或者有人把它等同于阻尼值来介绍。对于一个谐振系统,阻尼越大,那么系统的谐振越被钳制,从而导致低Q值的谐振曲线。当阻尼小时,则情况相反,谐振剧烈,形成高Q的曲线。

一般来说,对于扬声器系统,合适的Q值在0.5-1.5之间。低于0.5时,阻尼太强了,此时已无谐振发生。所以,也有人称0.5Q值时,为临界阻尼,称再小的Q值,为过阻尼。

反之, Q大于1.5, 可以叫欠阻尼。

在谐振系统的频率-振幅曲线图上,我们可以直观地看到不同Q值所代表的曲线,以及不同Q值的意义。

4. 喇叭的Q

Qes 为喇叭的电Q值,它反映了单元在Fo时于电磁控制下的谐振能力,数值越低,阻尼越强,系统谐振越小。

Qms 为喇叭的机械Q值。它反映了单元在Fo时于机械结构方面的谐振能力,数值越低,阻尼越强,系统谐振越小。

Qts 为喇叭的总Q值(由Qms和Qes并联耦合而成)它反映了单元在Fo处的谐振能力,数值越低,阻尼越强。

5. 系统的Q值

全系统指包括功放输出端、喇叭线、音箱。 这是一个工作时的实际Q值, 与箱体Q值Qtc相比, 这里加入了阻尼系数的因素。

阻尼系数的影响, 包括功放的输出阻尼系数、 喇叭线的阻尼系数、 串连喇叭的阻尼系数(如果有)、分频器的阻尼系数。

所以,为保证不影响原箱的Q值设计, 一般功放要求采用阻尼系数尽量小的, 最最起码是10以上, 但一般要求100以上。

而分频器中主要是电感的电阻的影响,一般是说20以上。线材同样也应该尽量小。

对于串接喇叭, 阻尼系数无可避免的在1以上, 所以一般设计都是并联喇叭的。

阻尼、Q值都是描绘单元在谐振点附近的工作情形, 即谐振点附近的发声变化情况, 对其他频率区域的频响基本无影响。

avatar

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

目前评论:4   其中:访客  3   博主  1

    • avatar 肉牛 0

      不错的文章,内容完美无缺.

        • avatar 1mayi Admin

          @肉牛 谢谢,继续努力的!

        • avatar 西柚@自己 1

          博主好,我你的新粉丝,刚刚在看到这篇文章的时候发现有个问题,1.13 电气品质因数Qes

          由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机电耦合因子BL共同决定,由阻抗曲线的测量获得。

          Qes =[Re/(BL)2]*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re)
          这个公式中,SQR(Zo+Re)/(Zo-Re)才是我们喇叭的正确Qes的值,你看看是不是?

          • avatar 西柚@自己 1

            看了你的介绍,真的是学习了很多。我还会持续学习你的文章,因为你的文章内容很风富,也很实用,加油,有机会还要向您请教!