扬声器原理

扬声器原理
第一部分 一般原理

1．扬声器的定义
1993年出版的《电声辞典》指出：扬声器是“能将电信号转换成声信号并辐射到空气中去的电声换能器“扬声器”一词是由“Speaker”、“Loudspeaker”而来。扬声器俗称喇叭。

2．扬声器的分类
按工作原理分类，可分电动式、电磁式、静电式、压电式、离子式 等。
 按辐射方式分类，可分为直接辐射式扬声器、号筒式扬声器、耳机扬声器。
 按用途分类分为：高保真（Hi-Fi）扬声器、监听扬声器、 扩声类扬声器、 收音机、录音机、电视机用扬声器、警报用扬声器、水下及船舶扬声器、汽车扬声器、还有家庭影院要求的扬声器。

3．动圈式扬声器工作原理
在各种类型的扬声器中，运用最多、最广泛的是电动式扬声器，又称动圈式扬声器，它是应用电动原理的电声换能器件。根据法拉第定律，当载流导体通过磁场时，会受到一个电动力，其方向符合弗来明左手定则，力与电流、磁场方向互相垂直，受力大小与电流、导线长度、磁通密度成正比。当音圈输入交变音频电流时，音圈受到一个交变推动力产生交变运动，带动纸盆振动，反复推动空气而发音。目前使用最广泛的纸盆扬声器、号筒扬声器都属于电动式扬声器。扬声器尺寸标示方法圆形扬声器的标称尺寸通常用扬声器盆架的最大直径表示，如我们平时所说的8英寸扬声器，它的盆架外径为200MM；
椭圆形扬声器的标称尺则用椭圆的长短轴表示，如我们平时所说的4×6英寸扬声器的盆架尺寸为100MM×160MM；习惯上常用英寸表示，两者之间关系是1英寸约等于25.4MM。

4．扬声器的结构
锥形扬声器是目前应用最广泛的电动式扬声器 ，也是一种直接辐射式扬声器，它通过一个呈圆锥形的锥盆直接向周围空间辐射声波。一只完整的锥形扬声器可分成以下三大部分：
振动系统由锥盆、折环、定位支片、防尘罩和音圈组成；
磁路系统由磁体、上导磁板、下导磁板、磁极心组成；

辅助系统则由盆架、压条、引出线和接线端片等组成。

5．锥盆
锥盆是扬声器的主要发声部件，在一定程度上决定了扬声器的有效频率范围和失真大小。根据锥盆截面形状的不同，锥形扬声器的锥盆可以分为直线形、抛物线形和指数形3种 ,不同的截面形状曲线，其频响曲线不一致，音质也会有所不同。指数形适合做中高频或全频带扬声器，抛物线形适合做低频单元。

6．折环
6．1折环是指扬声器锥盆（或振膜）的四周支持部分，它有以下几点作用：
1、对扬声器振动系统进行轴向定位。
2、折环和定心支片的顺性，决定扬声器的谐振频率。
3、折环本身的阻尼性，使谐振和反射都减小。
4、折环还应有一定气密性,不然会有反相声波出现,造成声短路。
6．2根据折环的作用，可归纳出对折环的要求：
1、能是振膜在振动轴向的顺性大。
2、使振摸在横向刚性强。
3、在尽可能大的振幅范围内，使驱动力与位移成线性关系。
4、环无谐振和反相振动。
5、质量要尽量轻。
6、制造工艺不太困难。
目前扬声器中使用的折环主要有纸折环、布折环、泡沫折环和橡胶折环4种。这几种折环的内阻尼互不相同。折环的形状对扬声器的性能有很大的影响，常见的有波纹式和圆环式两种。

7．定心支片
定心支片是振动系统中影响扬声器品质的又一重要元件。定心支片和折环的劲度是决定扬声器谐振频率的因数之一，定心支片振动时振幅的线性程度也在一定程度上影响扬声器的失真大小。
7．1定心支片的主要作用：
1、保持音圈在磁隙中的正确位置；
2、保证音圈在受力时,振动系统沿轴向往复运动；
3、和振动系统的音圈、振膜共同决定扬声器的谐振频率；
4、防止灰尘进入磁隙。

7．2定心支片的特性和对它的要求
1、柔软度（顺性）。它影响扬声器的谐振频率，取决于定心支片的形状的材料的硬度。
2、最大位移量。它关系到扬声器的最大振幅，取决于定心支片外径与内径的距离和定心支片的形状。
3、位移的线性。它体现了定心支片对驱动力的顺从性，限定了振幅的范围，超过此范围，振幅增加减慢，呈饱和状态，它取决于定心支片的材料和形状。
4、位移的复原性。当定心支片受外力作用产生位移，在外力除去后，位移可能不恢复至零，类似于磁体的磁滞现象，它取决于定心支片的材料和形状。
5、要兼顾可靠性、实用性、质量轻、耐湿性、难燃性、耐久性、耐折性、适当透气性（减少定心支片振动时封闭空间的压力）、密封性，并尽量减少异常谐振。

8．防尘罩
防尘罩是一种用纸质或聚酯塑料等材料制成的球顶状防护罩，安装在锥盆根部与音圈结合部，它的作用：
1、用来增加结合部的刚性，改善扬声器的高频特性；
2、防止金属屑和灰尘进入磁气隙。
目前使用防尘罩有凸形、凹形、平形、网形等。材质有布、毡、纸、PP、金属等。

9．音圈
音圈是扬声器的驱动元件，通常用铜漆包圆线在圆柱形骨架上绕制而成。整个音圈分两层或四层绕制，目的是使线圈的引出线两端均朝向锥盆一侧，使引出线能牢固地焊接在锥盆上。为了防止扬声器音圈在流过较大音频电流时因过热而损坏，目前许多扬声器已采用铝镁合金骨架,KAPTON,TIL骨架。

10．磁体
磁体是一种硬磁性材料烧结而成的圆环，其作用是在扬声器磁气隙中产生具有一定磁感应密度的恒磁场。前几年生产的扬声器大多使用锶或钡铁氧体磁体。铝镍钴和钕铁硼是一种新型的磁性材料，比传统的铁氧体磁体具有更高的磁能级，使用这些磁体用明显提高扬声器的性能指标，缩小扬声器体积。但是价格较贵。

11．上、下夹板、极心
上、下夹板是一种用导磁性能良好的低碳钢或纯铁制成的圆环形铁板，极心是用同体材料制成的圆柱形铁心，极心和下夹板通常直接铆合在一起。它们的作用是给磁体所产生的磁场提供一个磁回路，并在上夹板和极心之间形成一个均匀的磁气隙。

12．盆架
盆架的作用是将锥形扬声器的振动系统和磁路系统组合成一个牢固的整体。锥形扬声器的盆架大多是薄钢板冲制成有斜壁的环状体。一些大功率Hi—Fi用扬声器为了进一步减小因盆架振动而引起的失真，其盆架则用铝合金浇铸或冷挤成型。低频扬声器为了能很好地重放低音，谐振频率一般都设计得较低，扬声器工作时锥盆的振动幅度较大。因此，低频扬声器盆架的斜壁上通常都开有4个或6个花档冲孔，作用是避免锥盆振动时被封闭在锥盆和盆架之间的空气给振动系统增加一个额外负载。为了增加盆架的机械强度，盆架上一般都设有特殊的皱折和凸筋。中频和高频扬声器由于谐振频率较高，锥盆的振动幅度较小，锥盆和盆架之间的空间已能满足要求，盆架上不设有上述通孔，密封的后腔更能有效地防止锥盆后侧发出的声波与其他扬声器发出的声波相互干扰。

13．额定阻抗
扬声器的额定阻抗是一个纯电阻的阻值。在确定信号源的有效电功率时，用它来代替扬声器，此值由产品标准规定；在与放大器等匹配、测量阻尼系数时此值皆有用途。
在额定频率范围内，阻抗模值的最低值不应小于额定阻抗的80%。国家标准GB/T9397-1996《直接辐射式电动扬声器通用规范》中规定，额定阻抗优选值系列为4Ω、8Ω、16Ω、25Ω、50Ω、100Ω，或由产品标准规定。实际上扬声器生产厂都生产系列阻抗的扬声器供用户选择。扬声器的阻抗完整地说是标称阻抗，是扬声器输入端的阻抗，对于纸盆扬声器来说，是在阻抗曲线上低频共振频率以上的第一个阻抗最小值，通常是阻抗曲线上没有显著峰值的1KHZ的阻抗。阻抗与放大器的输出阻抗有密切的关系，这就是我们后面要提到的阻尼系数。有了阻抗值可以按下式计算扬声器的输入功率为P=U2/Z

式中 Z——扬声器的阻抗（Ω）；U——音圈两端的电压（V）。
阻抗的允许偏差通常为±15%

第二部分 阻抗曲线

阻抗曲线是指扬声器的阻抗模值随频率变化的曲线。扬声器的阻抗曲线如图3-1所示，它在最低共振频率附近急剧上升，在高频部分随音圈电感增加而加大。
在图3-1中，纵轴表示阻抗（Ω），横轴代表频率（Hz），通常采用对数刻度。曲线的峰是由纸盆、音圈、定心支片等振动系统共振造成的。而此曲线中部最小值相当于扬声器的额定阻抗，通常比直流阻抗大10%～30%。可以根据扬声器直流阻抗估算扬声器阻抗，扬声器的阻抗实际上由三部分组成，如图3-2所示a线表示扬声器音圈的直流阻抗，不随频率变化（严格地讲会随温度变化）；b线表示电感部分，根据电感特性其感抗随频率上升而增加，和音圈的绕法、匝数有关；c线表示反电动势部分，当音圈振动时会产生一个反电动势，反电动热产生的电流与输入电流方向相反，事实上相当于减少输入电流，换句话说即阻抗增高。在共振频率时振动最大，等于电阻值增大。阻抗曲线是了解扬声器性能的一个窗口。

1．共振频率
由图3-1的阻抗曲线可见，在低频段某一频率其阻抗值最大，此时的频率称之为扬声器的共振频率，记为FO，即在阻抗曲线上扬声器阻抗模值随频率上升的第一个主峰对应的频率。扬声器是一个振动系统，共振频率与扬声器的质量和顺性有关，即振动系统的质量愈大，纸盆折环、定心动片愈柔软，则顺性愈大，共振频率愈低，反之共振频率愈高。写成公式为fO=1/2πSQRT(1/m*c)式中 m0——振动系统的质量；c0——振动系统的顺性。
我们常常希望降低扬声器的共振频率，但是有一定限度。增加振动系统质量固然可以降低共振频率，但质量增加会使扬声器输出声压降低；增加振动系统的顺性在一定范围可以降低共振频率，但是顺性增大会使振动系统振幅增加及振动系统强度减弱，两者都导致失真加大，因此共振频率有一个适当值。一般情况下扬声器口径愈大其共振频率愈低。共振频率是扬声器重放的起点，也是低频重放的下限。在共振频率以下，扬声器的输出声压随频率的平方而下降。
扬声器的共振频率会随温度、湿度的变化而变化，这种变化在全纸盆扬声器时代比较明显。由于空气里湿度过大，振膜吸潮使质量增加，折环柔软，使共振频率下降，下降幅度近10%。温度上升也有使共振频率降低的趋势。有人觉得在细雨朦胧之中听音乐别有一番情趣，除了心情、环境因素以外，扬声器共振频率的微妙变化也是一种契机。
近年来扬声器振膜材料和工艺的改进，如聚丙烯、碳纤维、金属等振膜的采用，各种复合折环的出现，振膜防潮剂、湿强度剂的改进，都促使扬声器的共振频率趋于稳定。 扬声器的共振频率随输入功率的大小和工作时间的长短也会有些变化。根据我们的实验，共振频率会在加入功率一段时间略有下降，然后趋向稳定。有人买来音箱喜欢先加功率工作一段时间（称之为煲机，我们既不反对也不提倡），其作用是使扬声器共振频率稳定。

2．功率
扬声器的功率是选择、使用扬声器的重要指标之一。功率用瓦（W）、伏安（V•A）来表示，扬声器使用的是视在功率，故用V•A更合适。本来功率有准确的定义，国际国内都有可依据的标准。由于利益驱动某些国内外厂家，功率标注相当混乱。既骗了顾客，又向自己招牌泼污水。在这里我们根据权威的IEC268-5（1989）、GB/T9396-1996，对各个功率定义予以说明。

（1）额定噪声功率（功率承受能力）。在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号，而不产生热和机械损坏的相应电功率。其定义为 U/R，U是额定噪声电压，R是额定噪声电阻。
这时额定频率范围是指“由制造厂规定的扬声器频率范围”；额定噪声电压指“在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号，而不产生热和机械损坏的信号电压”。模拟节目信号是指更接近实际使用情况下的信号，是由粉红噪声信号通过一专用滤波器得到的。在扬声器设计定型和生产定型时，要求扬声器在额定噪声功率输入状况下工作100h，这是一个严格的、负责的要求。通过这个100h的试验，足可保证扬声器在正常状况下安全无误地工作。在大量生产中可用1.2倍噪声功率试验48h。
（2）长期最大功率。与长期最大电压相对应的电功率，其定义为U2/R，式中U为长期最大输入电压，R是额定阻抗。这里长期最大电压指扬声器能承受持续时间为1min、间隔为2min、重复10次的模拟节目信号，而不产生永久性损坏的最大信号电压。这人长期最大功率意味着扬声器长时间承受功率的上限。
（3）短期最大功率。与短期最大输入电压对应的电功率。其定义为U2/R，U为短期最大输入电压，R是额定阻抗。短期最大输入电压指扬声器能承受持续时间为1s、间隔为60s、重复60次的模拟节目信号而不产生永久性损坏的最大的信号电压。它意味着扬声器短期能承受功率的上限。

在一些资料中“瞬时功率”、“音乐功率”、“峰值功率”的含义为短期最大功率，这些功率值大于额定噪声功率。扬声器功率问题之所以重要，首先关系到它的寿命、可靠性；还关系到重放声音的质量。扬声器额定噪声功率之所以受到限定，主要是输入功率加大会引起音圈温度的提高和失真的加大。
电动式扬声器的效率是很低的，通常只有千分之几，大部分能量转化为热能。这种热能一部份向空间逸散，一部分使音圈温度升高。音圈温度升度会导致粘合剂的软化和音圈的膨胀变形。一般情况下输入功率愈大，温度上升愈高；输入功率愈大，温度上升愈快。扬声器的口径愈大，相应输入功率也大。
另外扬声器在振动时有一个最大线性范围，超过这个范围失真就会加大。扬声器振动还有一个机械允许范围，超过这个范围扬声器会产生机械损伤甚至是不可挽回的损伤。从这个意义讲，额定功率指标的重要性是第一位的。

3．特性灵敏度
扬声器作为电声换能器我们自然关心它的效率，对于扬声器来说用声压级、特性灵敏度来表示比较方便，这里介绍下面几个概念。
（1）指定频带内的特性灵敏度。在自由场条件下的指定频带内，输入到扬声器功率相当于1W的粉红噪声信号，在参考轴上距离参考点1m的声压。所谓自由场指的是没有声反射的空间。在空间中，点声源所辐射的声压p与测试距离r的关系应满足p与r成反比，通常利用消声室来测量。
（2）指定频带内的特性灵敏度级。即以对数表示的特性灵敏度。特性灵敏度与基准声压比值的对数值乘以20，用dB表示。基准声压为2×10-5Pa。
（3）这里提到的粉红噪声是一种噪声信号，指用正比于频率的频带宽测量时，其频谱连续并且均匀的噪声。也就是说，它是在宽广的频带内等比例带宽能量相同的噪声。
这里提到参考轴，是将平行于扬声器的某定义平面称参考面，通过扬声器轴与参考面相垂直的线称为参考轴，参考轴与参考面的交点称为参考点。
（4）经常遇到的是，当扬声器输入功率不是1W，而是其他功率值时，这时的输出声压级可以按公式计算为 SPLmax=Lp+10lgW0
式中 Lp——特性灵敏度级；W0——此时输入功率。

除了不同输入功率的输出声压级不同以外，不同距离的收听声压级也不同。输出声压级的降低与距离平方成比例，扬声器的特性灵敏度级过小，在使用时会消耗更多功率。但也不是灵敏度愈高愈好，过高容易失真加大。这里讲到的特性灵敏度级定义是根据IEC268-5和GB/T9396-1996标准而定，与日本标准有所不同。
根据日本标准JISC553，表示灵敏的指标称为输出声压级，系指在规定的频带或频率内，供给扬声器1W的功率，在参考轴上距参考点1m处声压级的平均值，通常是4点频率的平均值，即200Hz、250Hz、300Hz、400Hz，输入为正弦信号。

4．自由场和半空间自由场下的响应
通常见到的扬声器频率响应曲线，有一个不言而喻的先决条件，它是在自由场或半空间自由场条件下测得的。因为只有在自由场条件下才能测得单纯是扬声器的频响曲线。因此对于扬声器频率响应比较完整的规定是“在自由场或半空间自由场条件下，在相对于参考轴和参考点的指定位置，以规定的恒定电压测得的作为频率函数的声压级，所用的恒定电压为正弦信号，或为频率噪声信号”。所谓自由场通常指消声室，可以免除房间影响。将扬声器放在一个大平面上，对天空辐射，这是一个半空间自由场。对很多巨型的音箱，这也不失为一个好方法。要求恒定电压的目的在于表明测量是在稳定条件下进行的。
所谓频带噪声指的是：
（1） 把粉红噪声信号馈给扬声器，用1/3oct（1/3倍频程）滤波器分析传声器的输出信号。
（2） 用相对带宽为1/3oct的粉红噪声信号。在这种条件下我们便可得到扬声器的频率响应曲线，如下图所示。这条曲线是传声器正对扬声器参考轴中心测得的。有时为了检查扬声器的指向性，特别要测试扬声器的偏轴特性，例如300、600的频率特性。

5．有效频率范围
有了频率响应曲线就可以决定有效频率范围，这不是随意指定的。其方法是“在用正弦信号测得的频率响应曲线上，在灵敏度最大的区域内取一个倍频程带宽，在其中按1/3oct 取4点计算其声压级的算术平均值，下降10dB划一条平行于横坐标的直线，它与频率响应曲线高低两端的交点（即F2和F1）所对应的频率范围，即为有效频率范围（对电动式扬声器，通常用F1作为有效频率范围的下限频率）。但对于谷值的频带宽度小于1/9oct的部分不计算在内，这样我们就有一个共同的标准。至于市场上有些音箱不论箱体大小，不管质量高低一律标称20KHZ～20KHZ，是不对的。

6．极性标志
6.1.特性解释：扬声器输入端的极性标志是指在扬声器输入端馈入信号时,扬声器膜片产生运行的方向与输入端所加信号极性之间关系的标志.
6.2.测量方法：按规定馈给扬声器以瞬时直流电压,引起膜片向扬声器前方运行时,与电压正极相连接的输入端为扬 声器正极,用红色或符号“+”表示。

7．纯音检听
7.1.特性解释：在额定频率范围内，馈给扬声器以规定电压的正弦信号，检查扬声器的装配质量。
7.2.测量方法：扬声器单元检听馈给扬声器正弦信号的电功率为二分之一额定噪声功率，一般在0.3M处检听，在此距离内应无反射物。扬声器单元不另加声负载。
7.3.扬声器系统检听：馈给扬声器系统的正弦信号电压及检听距离由产品标准规定。检听时由系统的下限频率开始向高频扫频，有衰减器置于频率响应的平直位置或产品标准规定的位置。

8．额定噪声功率
8.1.特性解释
与额定噪声电压对应的电功率，其定义为U /R，式中Un是额定噪声电压，R是额定阻抗。
8.2.测量方法
1)量装置包括下列仪器
——粉红噪声发生器；
——合适的计权网络，以得到符合GB6278规定的噪声信号；
——带限幅电路的功率放大器。按规定安装的待测扬声器，除非制造厂规定使用箱体，扬声器驱动单元应在不加障板的条件
下进行测量。
2) 扬声器应放置在不小于8m3 的室内进行测量，该室的气候条件应符合IEC 268-1规定。
3) 当在待测扬声器的输入端进行测量时，功率放大器的频率响应应在20HZ——20000HZ内
保持恒定，误差不超过±0.5dB，待测扬声器输入的限幅噪声的频率分布应符合GB 6278的规定，其峰值因数在1.8——2.2之间。
4）功率放大器输出阻抗应不大于扬声器系统额定阻抗(见18.1)值的1/3,放大器到少应能对扬声器提供两倍于扬声器额定正弦电压(19.3)的正弦信号.用正弦信号在扬声器输入端测量时,功率放大器输出电压的谐波失真不应超过10%.
5）扬声器应在每个规定的气候条件下,要求其能随额定电压连续工作100H.一般在产品设计定型与生产定型时,应按上述测量方法的要求进行100H的试验,而在正常大量生产过程中可用1.2倍(或1.5倍)噪声功率试验48H(24H)来代替.有争议的以100H试验结果为准.试验后应恢复24H后再作其他测量.

9．外观及机械质量
1）焊片及接线架：标称尺寸小于Φ100mm的圆形扬声器及等效辐射面积与其相当的非圆形扬声器其焊片及接线架应能承受2N的拉力并不得松动。标称尺寸大于或等于Φ100mm的圆形扬声器及等效辐射面积与其相当的非圆形扬声器其焊片及接线架应能承受5N的拉力并不得松动。
2）外观：扬声器标志应清晰、外观应整洁。不应有明显的机械损伤，铆、焊及胶粘应牢固可靠。漆层不应产生起皱、划痕、脱落。引出端子外形尺寸应符合产品图纸要求，表面无毛刺。金属零件的镀层和化学涂层应符合SJ 42及SJ 1276 ~1285的要求。

10．滑落冲击
按图2进行，斜板应用光滑硬胶木板制成，档块用硬胶木制成，档块尺寸应能保证试验中扬声器磁路部分直接受到冲击（双磁路场声器档块厚度不利超过导磁碗高度的三分之二）。扬声器磁路部分滑落直线距离为600mm±25mm。角A为600 ±50 。

11．跌落
以大包装箱为单位，跌落面见表2图，跌落顺序3（底）—2—5—4—6（四个侧面）各一次，依次将3—2—5—4—6向下，将试品提升至规定高度，受试面与地面平行，在保证各向初速度为零的情况下，突然释放，使大包装跌落于平整的水泥地面上，大包装与地面接触时的状态不作规定，试验后检查。样品数量少于大包装箱整体所含数量时，应使所抽取的样品分别置于包装箱的各角（当底面各角未布满样品时顶面各角不应放置样品），样品未占满包装箱部分应以同类型样品填满（但试验后不作检查）。当抽取数量大于包装箱整体所含数量时，除对已成整箱样品试验外，所余样品应按小于整箱试验情况进行。

12．温负荷和贮存
将扬声器置于高温箱内，近GB/T 9396中图A3或图A4 规定接线，当箱内温度逐渐上升到55℃±2℃时，给扬声器馈以相当于四分之一额定最大噪声功率的电压，连续工作16H后切断电信号，温度保持不变，再搁置2H，将扬声器取出1H内检查完毕。

13．稳态湿热
将扬声器放在温度40℃±2℃、相对湿度（93 ）%环境中，搁置48H（彩色电视广播接收机用 扬声器为96H），取出后在正常大气条件下恢复24H再进行检查。

14．低温负荷和贮存
将扬声器置于低温箱内，按GB/T 9396中图A3或图A4规定接线，当箱内温度逐渐降到-10℃±3℃时，馈给扬声器相当于四分之一额定最大噪声功率的电压，连续工作1H后即切断电信号，继续降低箱内温度到-25℃±3℃,在此温度下贮存2H。试验后将扬声器在正常大气条件下恢复4H再进行检查。

九年级物理｜扬声器的工作原理，不懂的同学可以看一下哦！

一种磁场对抗式带伺服的喇叭技术，让喇叭各项达到完美，规格性能（不包括10KW以下)的主要参数如下：
直径600mm、功率10KW、声压140db、音圈直径75mm、行程±40mm、重量50Kg
直径800mm、功率20KW、声压150db、音圈直径100mm、行程±50mm、重量98Kg
直径1000mm、功率50KW、声压158db、音圈直径125mm、行程±60mm、重量218Kg
直径1.2m、功率80KW、声压164db、音圈直径150mm、行程±80mm、重量400Kg
直径1.6m、功率125KW、声压174db、音圈直径200mm、行程±100mm、重量0.9T
直径2.0m、功率200KW、声压180db、音圈直径250mm、行程±100mm、重量1.65T
行程长、音量大、线性化，效率高且是全频带。