改善扬声器的基本方法

扬声器的一般介绍

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.

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).本章将对锥形扬声器作较详细的研究,其余各种扬声器,将在以后的章节里加以讨论.

电动式扬声器的工作原理

电动式扬声器自1925年创制以来,已有80年的历史,结构上作过不少改进,使扬声器的性能有了较大的改善.

锥形扬声器多为直接辐射式扬声器,其振膜直接向周围介质(空气)辐射声波.其圆锥形的振膜,通常为纸质,俗称纸盆,因此,锥形扬声器也称为纸盆扬声器.

使电动式扬声器的振膜发生振动的力效应,其大小由下式决定:

F=Bli

式中B为磁隙感应密度(韦伯/米2),i为流经音圈的电流,l为音圈导线的长度(米),F为磁场对音圈的作用力(牛顿).

然而,一但音圈受力运动,就会切割磁隙中的磁力线,从而在音圈内产生感应电动势,这个效应称为电动式换能器的电效应,其感应电动势的大小为

e=Blv

式中v为音圈的振动速度(米/秒),e为音圈中的感应电动势(伏特).

电动式换能器的力效应和电效应总是同时存在,相伴而生的.以后我们将会看到,由于电效应的

存在,将对扬声器的电阻抗特性产生极大的影响.

音圈在磁场中的受力情况,中间是圆柱形的N极,外面有斜线的是环状的S极,磁场的方向由N极至S极.环形气隙内为导线环(即音圈),若电流由+极端流入,由负端出来,则音圈l所受的力F的方向,由左手定则决定:左手平伸,使拇指和其余四指垂直,若磁场(B)的方向即为音圈受力的方向.若改变电流方向则力F的方向亦随之改变.

如果流经音圈的电流强度和方向,均随时间不间断地变化,则电动力F也就随着电流强度和方向的变化而变化.显然,电动力的作用方向,也就是音圈的移动方向.这样,随着电流强度和方向的变化,音圈就在空气中来回振动,其振动周期等于输入电流的周期,而振动的幅度,则正比于各瞬时作用电流的强弱.若将音圈固定地一个膜片(纸盆)上,并输入音频电流,则振膜地音圈的带动下产生振动,从而向周围介质辐射声波,实现了电声能之间的转换.

电动式锥形扬声器的结构

扬声器的各种部件,按其作用的不同,可分为振动系统和磁路系统两部分.磁路系统提供策动音圈所必需的磁场,与音圈一起组成策动元件,通过电动力效应,激发振动系统的机械振动,从而向空气辐射声波.此外,还有把上述两部分组成牢固的整体所必需的部件,如盆架.现在,我们分别对扬声器的振动系统和磁路系统作进一步的讨论.

1.扬声器的振动系统

扬声器的振动系统,包括策动元件音圈,辐射元件振膜和保证音圈在磁隙中正确位置的定心支片

音圈是整个振动系统的策动源,是有漆包线在纸质或金属的线圈架上绕制而成.前一种线圈架是用浸过胶的纸制成,后一种是用铝箔或杜拉铝箔制成,通常用自粘漆包线边绕边喷以酒精,绕成后稍稍加热烘干即成.线圈的绕制层数都为偶数,因此线圈的两端都在靠近纸盆的一边,便于引出.

为了充分利用磁隙的空间,还常常采用矩形截面的导线来绕制音圈,导线的材质可以采用铜或铝

振膜是振动系统的主要部件,最常用的是纸质振膜(纸盆).目前我国生产扬声器的厂家,多采用纤维沉降法,将纸浆浇入特制的模型中,再经热压而成,称为模塑纸盆.

扬声器的频响特性,在很大程度上决定于纸盆的性肥,而纸盆的性能又决定于纸盆的材料,几何形状和加工工艺.

一般说来,对于纸盆材料的要求,是同时具备三种特性,即

①材料的密度p要小

②材料的机械强度要大,或者说,材料的杨氏模量E要大.与第一个特性合在一起,即要

求材料的比弹性率E/p的值要大.

③具有适当的内部阻尼.

为了同时达到上述要求,人们采取了各种各样的措施:

(1)在纸浆中渗入适量的碳纤维.碳纤维是一种复合材料,具有密度小,刚性大,阻尼适

能的特性,且兼有耐热,耐蚀,稳定等优点,用以制成的扬声器纸盆有较好的性能,具体表现在:

a.纸盆刚性大，可提高扬声器作活塞振动的频率范围，提高高频重放频率。

b.在纸盆厚度相同的情况下，碳纤维纸轻而刚，因此输出声压较高。

c.因有适当的内部损耗（阻尼），可以抑制振膜的分割振动，使频响特性比较平坦

（2）在纸盆上蒸发一层金属铍以提高纸盆的E/p的值。

（3）采用金属材料(如铝合金),为获得适当阻尼,常常做成多层结构,层间填以高阻尼树脂

（4）采用强化发泡金属,如发泡镍层,因气孔率可达98%,所以密度很小.

（5）采用蜂巢板结构.所谓蜂巢板结构,是用箔状材料把无数个六角形筒集合成蜂巢状的结构(称为芯),再把两怅薄板(称蒙皮)粘在芯的两面.就组成蜂巢板.芯的材

料,可以是铝,塑料,纸等,蒙胧皮的材料可以是碳纤维,玻璃纤维,强化塑料,

铝等

蜂巢芯的空隙率约为90%,因蒙胧皮休用刚性高的材料,所以具有既轻而刚性又高的特点.又因为芯和蒙胧皮是粘接而成的,具有较大的内部阻尼,因此是一较为理想的振膜材

料.目前平板扬声器的膜,多采用此种材料.

(6)采用高分子复合材料.如云母和聚芳基物型(PA)树脂组成的复合材料,石墨聚合物复

合材料等等,都是目前国际上新发展起来的振膜材料.这些材料都具有E/p大和阻尼适

当的特点.由这些材料做振膜的扬声器,可获取得宽面平的频率响应和较低的谐波失

真

以上所述,是对扬声器振膜材料的一般要求,以及为达到这些要求而采取的一些措施.当然,对于不同用途的扬声器,其对振膜材料的性能要求也是不同的.如对于高频扬声器(重放高频的高音单元),为了把高频响应拓宽至音频范围之外,对材料比弹性率E/p的要求比其内部阻尼更为重要,所以一般采用E/p值大的金属材料为主.对于重放中频信号的中频扬声器,为了减少其工作频带内的失真,一般需要尽量扩大其频响范围而选择其中频段作为工作频带,以避免共振频率附近的失真,因此要

求E/p大和内部阻尼大的材料.而对于重放低频用的低频扬声器,则为了扩大其活塞振动的频率范围,要求材料具有大的E/p值和大的内部阻尼.

扬声器振膜的形状,可以是各种各样的,可以是圆形的,也可以是椭圆形的.在圆形纸盆中,又可分为球顶形,平板形和锥形.而在锥形纸盆中,又可按其母线的形状,委为直线形纸盆和曲线形纸盆,曲线形纸盆的母线,有的采用圆弧的一段,有的则采用抛物线或指数曲线.有的在纸盆上还有一圈圈的波纹

纸盆的形状和顶角的大小,对于扬声器性能影响极大,必须按照扬声器的设计要求加以适当选取.

一般说来,直线形纸盆浇制和加压的模具比较简单,但有一个缺点,即当加给扬声器的功率超过一定限度时,纸盆表面会产生某些频率的振动,从而影响放声质量,而曲线形纸盆就可以避免这一现象.

纸盆的顶端与音圈相接,而音咩的电动力沿着扬声器的轴向,作用于整个锥顶的圆周.电动力F

可分解为两个力,分力F

1作用于纸盆的母线方向,分力F

2

则作用于与母线垂直的方向,所以F

1

与F

2

分别

称为纵向力和横向力,且与轴向的电动力具有相同的周期.F

1和F

2

作用于纸盆,就使纸盆产生两种振

动,我们称之为纵振动和横振动.

横振动的激励,对于扬声器的高频辐射影响极大,以后我们还要介绍.现在讨论纵振动所引起的结果.

纸盆的基部是固定在盆架上的,因此,当功率足够大时,F

1就足以使纸盆产生纵向弯曲,纸盆在F

1

的作用下,使母线向上弯曲,当F

1

的作用方向是向左时(即在周期力的另半周时),母线被拉直,但由于

惯性的原因,母线稍微越过平衡位置,若在这时,力F

1

又对音圈发生向右的作用时母线就会向下弯曲.

显然,母线的这种弯曲(向上或向下),只有在F

1

指向纸盆基部(向右)时才会发生,也就是说,音圈振动一周,这样的弯曲才发生一次.或者说,母线完成从弯向一侧到弯向另一侧运动一次,音圈需要振动两周.所以,纵振动的频率等于输入音圈的信号频率的一半.这种现象称之为参变谐振.由这种原因面引起的扬声器失真.称为分谐波失真.当信号频率比纸盆表面的固有振动频率大一倍时,这种失真尤为严重.如果采用曲线形纸盆,则受纵向力作用时,总是向原来弯曲的一侧弯曲,就不会引起分谐波失真.

为了改善高频的重放,纸盆的厚度往往从基部向顶部逐渐加厚.而为了降低纸盆基部听支撑部分具有较大的顺性.为了满足这一要求,除了把纸盆基部做得薄一些,柔软一些外,一般还设计有2-3个折环.其作用是使纸盆的支撑有更大的顺性,并使纸盆的由面和盆架的环状平面之时有良好的吻合.

随着音箱的小型化,对扬声器提出了小口径,高顺性的要求,因此,各种复合边扬声器相继出现.这种扬声器采用各种复合材料来制作折环,目前国同常见的有橡皮折环,胶布折环,尼龙折环,泡沫折环等等.各种复合边扬声器都有谐振频率低,失真小的特点,但往往灵敏度较低.

在某些大功率扬声器中,为了增大径向劲度.经常将定心支片做成双层的

电动扬声器的电声参数

扬声器的电声性能可以用一系列的电声参数加以描述,称为扬声器的电声参数或电声性能.这些性能主要有:最大噪声功率,额定阻抗,效率,频率响应,有效频率范围,指向特性,非线性失真等等

1.最大噪声功率

扬声器的额定最大噪声功率通常标志在扬声器的铭牌上.它是指《产品标准》对该扬声器在额定频率范围内,用规定的噪声信号测试结果为基础所规定的功率值.扬声器(通常不带障板)应能承受在额定频率范围内馈以该功率值的模拟节目信号进行负荷试验100小时.

2.额定阻抗

在额定扬声器信号源的输出功率时,常常用一人纯电阻代替扬声器作为负载,这个纯阻就称为扬声器的额定阻抗,额定阻抗是计算馈给扬声器的电功率的基准.

实际上,扬声器的输入阻抗(音圈两端的电压与流经音圈的电流之比)是随频率而变的,其模值随频率的变化曲线称为扬声器的阻抗,即为阻抗曲线上第一个最大值后面的最小阻抗模值.

3.效率

扬声器的效率是表示扬声器电声能转换能力的一个参数.扬声器在某一频带内的效率,是该扬声器在该频带内所辐射的声功率与馈给扬声器的电功率之比.若以Pa表示扬声器在一定频带内所辐射的声功率,Pe表示馈给扬声器的电功率,则效率可表示为

γ=Pa/Pe*100%

实际上,效率表明了输入扬声器的电功率中有多大一部分转换成声功率.对于直接辐射式扬声器,电声效率极低,通常只有百分之几,或者更低.

4.频率响应

扬声器的频率响应,是指馈给扬声器的电压为恒定时,扬声器在参考轴上所产生的直达声压随频率变化的特性.通常用曲线表示,称为频率响应曲线.它反映了扬声器对不同频率的声波的辐射能力,是扬声器十分重要的参数.扬声器在任何输入下,都可绘制频率响应曲经,但为了同和种扬声器进行比较,通常规定馈给扬声器的功率为额定噪声功率的十分之一,除非另有说明.

5.有效频率范围

在频响曲线上灵敏度最大的区域内(对于高Q值扬声器,谐振频率处的峰值不作为灵敏度最大区域),取一个倍频程带宽,并在此频带内馈给扬声器以规定电压值的粉红噪声信号时,在参考轴上指定距离处测得该频带内的声压级,进而从此声压级下降10dB，作一条平行于频率轴的直线，与频响曲线的高低两端分别相交，则此两交点所对应的频率f2和f1之间的频率范围称为有效频范围（不计小于1/8Oct的各点）。

对于电动式扬声器，通常把谐振频率看作是有效频率范围的低限频率。

6.特性灵敏度（级）

在扬声器的有效频率范围内，馈给扬声器以相当于在额定阻抗上消耗1瓦电功率的粉红噪声电压时，在参考轴上离参考点1米处所产生的电压。

扬声顺灵敏度的高低，与扬声器振动系统的性能及气隙中磁感密度B的大小有关。

7.指向特性

扬声器的指向特性，即是扬声器所辐射的声压在空间的分布状况。

低频时，扬声器辐射面的线度，要比扬声器所辐射的声波波长小得多，扬声器可看作一个点源，其辐射是无指向性的，但随着频率的增加，声波波长越来越短，当波长与辐射面的线度可以比较波长小于辐射面的线度时，扬声器的辐射将出现明显的指向性。

表示扬声器辐射指向性的方法有二：

①指向性频率响应。即在偏离参考轴指定范围内的不同角度上所测得的一组频响曲线。

②指向性图形。即用转台在不同频率上测出以极坐标表示的指向性图形。

扬声器辐射指向性的出现，是辐射面不同部位所辐射的声波互相干涉的结果.振膜越大,频越高,其指向性就越强.此扬声器的指向性还与振膜的形状,纸盆顶角的大小等因素有关.

8.非线性失真

扬声器重放时,出现电信号中所没有的频率成分的那种失真,称为非线性失真.谐波失真,互调失真等都是非线性失真

(1)谐波失真

当扬声器输入某一频率的正弦信号时,扬声器输出的声信号中,除了原输入的信号(基波)外,同时出现二次,三次谐波等,这种现象称为谐波失真.

产生谐波失真的原因,主要有下列方面:

①在大振动时(低频时的情况,就是如此),由折环及定心片所组成的支撑系统不再符合线性的胡克定律.

②由于工作间隙内磁感应密度沿轴向的不均匀性.

③中高频的谐波失真,主要是音圈内铁心的非线性所致.因为扬声器的音圈可以看作是具有铁心的线圈,所以在线圈上加上一个完全没有失真的信号时,流过音圈的电流由于受铁心非线性的影响,就变为包含有谐波失真的电京戏了.而间圈的运动是和电流成正比的,因此,这个失真就如实地被扬声器重放出来.在低频区,谐波失真主要是支撑系统的非线性和磁感应密度B沿轴向的不均匀性所引起,而由铁心所引起的谐波失真可以忽略.但是到了中高频段,音圈的振辐变小,而由铁心非线性所引起的失真就变得明显了.

(2)互调失真

当扬声器同时重放使音圈作大振辐振动的低频信号fL和音圈作小振辐振动的高频信号fH时,重放声中除了有fL,fH及其谐波成分外,还会出现(fH±nfL)的新的频率成分,其中n=1,2,3…。这种失真称为互调失真。

如前所述,由于气隙内磁感应密度B沿轴向的不均匀性,可导致非线性失真.而B沿轴向的不均匀性,表现为工作气隙的边缘处磁场减小.当音圈从气隙的中心向边缘的一侧或另一侧移动时,B将减小,从而机电转换系数(BL)也随之减小.因此,低频信号周期地改变着机电转换系数(BL)的值,而此周期又显著地大于高频信号的周期,从而高频信号的振辐受到低频信号的调制而出现失真.

(3)分谐波失真

这种失真是由于间圈受较大的电动力驱动时,纸盆的母线因受纵向力的作用而产生弯曲所致.这种失真产生的物理过程前前面已经讨论过了.

9.瞬态失真

是由于扬声器的振动系统跟不上快速变化的电信号而引起的输出波形失真。这种失真与频率响应曲线的平滑程度有关。在振动板的每个共振点（相当于频响曲线的峰谷处），这种失真更为严重。图a馈给扬声器一个包含8-16个正弦波列的脉冲信号，而扬声器输出音压的波形如图b，对比电信号和声信号的波形，可以看出这样的特点：声脉冲逐渐衰减的拖尾，这说明扬声器的振动板并非立即达到稳定振动，而是有一个逐渐衰减的过程。显然，这种现象的存在，扬声器就不能重放急促变化的信号，如打音器的敲击声。

为了改变扬声器的瞬态失真，通常把扬声器的频响扩展到声频段，以改善其前沿特性，如日本松下公司的5B-10型扬声器系统的高频响应可以达到125K HZ。而拖尾时间的缩短，则主要靠控制扬声器的阻尼。

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度上展宽工作频带,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)作整体振动的频率范围.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,当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,频响曲线将出现较深的谷,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域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.