改善扬声器性能的若干方法

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所属分类:音箱设计
摘要

一般锥形扬声器所有效频率范围,约自60-70Hz(复合边扬声器可以更低)至6000-7000Hz,其频响曲线也有较大的不均匀度(约12-15dB)。为展宽扬声器的重放频带,减小不均匀度,改善其非线性失真,可以采用某些使扬声器构造复杂化或改善扬声器声学装置的方法,来改善扬声器的性能。

扬声器是一种电声换能器,它通过某种物理效应把电能转换成声能.用以实现电声能转换的物理效应有很多。因此,按物理效应的不同,可以把扬声器分成若干类型,如利用馈有音频电流的电磁铁与连有振膜的衔铁之间的相互作用来实电声能之间的转换的,称为电磁式扬声器;利用压电体的反向压电效应来实现电声能之间的转换的称为压电扬声器;利用电容器极板之间的静电力来实现电声能转换的,称为电容式扬声器;利用磁场对载流导体的作用来实现电声能转的,就称为电动式扬声器。如果将磁场中的导体做成线圈的形式,则又称为动圈式扬声器,等等。上述各种扬声器中,电动式扬声器结构简单,性能良好,品种繁多,使用最为广泛,是当前扬声器生产的主流。

改善扬声器性能的若干方法

锥形纸盆扬声器结构

近几年来,随着立体声技术的发展以及人们欣赏能力的提高,对扬声器的音质提出了更高的要求。特别是PCM(脉冲编码调制)录音技术和数字音频唱片的出现,要求扬声器同时具备承受功率大,动态范围大,失真小,频响宽广平坦和瞬态响应良好的特性。

为了适应这一要求,人们设计了各种各样的电动式扬声器,按其振膜结构的不同,可分为锥形扬声器(其振膜为圆锥形),球顶形扬声器(其振膜为球缺形),平板形扬声器(其振膜为一个平板)和带式扬声器(其振膜为金属薄带来).这里将对锥形扬声器作较详细的研究并提出若干性能改善的方法,其余各种扬声器,这里不做赘述和讨论.

改善扬声器性能的若干方法:

一般锥形扬声器所有效频率范围,约自60-70Hz(复合边扬声器可以更低)至6000-7000Hz,其频响曲线也有较大的不均匀度(约12-15dB)。为展宽扬声器的重放频带,减小不均匀度,改善其非线性失真,可以采用某些使扬声器构造复杂化或改善扬声器声学装置的方法,来改善扬声器的性能。

1. 低频辐射的改善

由于复合边扬声器的出现,使扬声器的谐振频率大为降低,低频响应得以改善.但是,由于扬声器振膜两面所辐射的声波相位相反,从面造成反相波的互相抵消,影响低频的重放.为了避免这种互相抵消的现象,或有效地利用扬声器背面的辐射,来改善扬声器的低频性能,常常采用障板或音箱.音箱可以是开口箱,封闭箱或倒相箱.

2. 高频辐射的改善

为了使扬声器单元的工作频带向高频扩展,经常采用双纸盆结构,有两个纸盆组成,且牢固地和音圈及定心支片连在一起,内纸盆顶角小,具有较大的劲度.在内外两只纸盆之间,设计了一个小小的波纹,作为机械滤波器,这种扬声器的工作情况可以通过对等效线路的分析来加以说明。

在上低频阶段,两个纸盆和音圈一起振动,共同向周围介质辐射声波.在高频时,大纸盆已经不再振动了,但轻而硬的小纸盆仍和音圈一起振动,直至10KHz以上还能有效地辐射声波.

双纸盆扬声器可以有一定程上展宽工作频带,但由于大小纸盆都连在同一个音圈上,因而互调失真难以避免.在音质要求较高的放声系统中,多不采用这时种结构,而是采用不同扬声器的组合,以展宽工作频带,同时改善互调失真.

3. 音圈感抗的补偿

在高频范围,扬声器的电阻抗随频率地增加而单调的上升.在扬声器定压输入的情况下,必将扬声器所消耗的电功率减少,其结果将导致扬声器辐射声功率的降低,影响高频的重放.如果在磁路系统的中央心柱上,套上一个短路的金属环(或直接在音圈架上绕上一短路线圈)就可明显地消除音圈感抗的影响,改善高频的辐射。所谓短路环,实际上是套在中央心柱上的一个簿铜套,其厚度约为0.3mm。

4. 非线性失真的改善

前已指出,扬声器在低频时的非线性失真,主要是音圈振幅大时,音圈跳出了气隙中磁场的均匀区,以致机电转换系数Bl不能保持恒定,电动力效应F=Bli的线性关系受到破坏,从而造成非线性失真.

改善由于这种原因所引起的失真,一般采用两种方法,一是采用短音圈,一是采用长音圈.所谓短音圈,即是音圈的长度做得比气隙的长度(导磁板的厚度),使音圈在振动过程中不致于跳出磁场的均匀区,从而避免了非线性失真.但这种方法,磁场的利用率低,为达到一定的灵魂度势必增加磁钢的体积.而所谓长音圈,则指的是音圈的长度,做得比气隙长度长,使音圈在振动过程中与所有的磁通相耦合(包括均匀区和非均匀区),从而使平均磁感应密度保持恒定,以避免非线性失真.但采用这种方法,平均磁感应密度要比均匀区的磁感应密度低,从而使扬声器的灵敏度下降.然而,有时为了获得低失真的扬声器,不得不牺牲扬声器的灵魂度而采用这种方法.

前面已指出,扬声器在中高频段的失真,主要是磁路(铁心)的非线性所致,为了消除铁心所引起的非线性失真,目前采用一种叫做“线性磁路”的结构.这种磁路结构的特点,是在铁心的顶部中央做成凹陷的形状,使其和导磁板相对的部分由于铁心截面积的减小而接近磁饱和状态.此时,音圈就相当于一个空心线圈,从而避免了铁心的影响,减小非线性失真.

若在凹陷部分镀上一层铜或加上铜套,则就相当于加了一个短路环,还可以抑制音圈感抗随频率的增加.

5. 中频谷的改善

在讨论扬声器频响曲线的时候,我们仅仅讨论了扬声器振膜(纸盆)作整体振动的频率 围.在这个范围内,振膜上各点的振动幅度和相位都是相同的.但随着频率的增加,振膜将作分割振动,出现节径或节圆.激光全息振动分析表明,娄振膜从整体振动向分割振动过渡时,即当振膜形成第一人节圆时,叔叔响曲线将出现较深的谷,能常称为中频谷.这个谷的出现,不仅使扬声器的不均匀度增大,而且在此频率点将出现较大的失真.因此,消除中频谷常常成为扬声器研制单位十分重视的问题.

如前所述,音圈受力后,将在振膜上激发出纵振动和横振动.其中横振动由振膜的顶部传向基部,再由盆架反射回来,从而在纸盆上形成驻波.第一个节圆常常出现在振膜靠近折环的部位,此时折环的振幅较大,而振动相位却与振膜相反.因此,由振膜和折环所辐射的反相声波将互相抵消,频响出现谷点.至于抵消的程度,亦即谷点的深度,则决定于反相振动区哉的面积大小和振动幅度的大小,即容积速度的大小.容积速度越接近,互相抵消得越严重,中频谷也就越深.反之则浅.

  • 基于此理,我们可以得到改善中频谷的一系列方法.
    (1) 合理地设计折环形状,须用不易激发共振的不对称形状,如将通常所采用的正弦波纹改为接近锯齿波的波纹.
    (2) 采用阻尼较大的折环材料,或在折环上涂覆阻尼材料,以扼制折环共振的幅度.
    (3) 纸盆的压边采用阻尼较大的材料,以减小由盆架反射的能量,从而有利于中频谷的改善.
    (4) 在保证支撑系统力顺的情况下,适当减小折环的宽度(即减小折环的面积)以减小由折环辐射的声波,从而有利于中频谷的改善.

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