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揭秘扬声器主要参数之间的关系

編輯:   瀏覽:85   發布時間:2021-09-27下載完整文檔
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) (11)
 
这里 SQR( ) 表示对括号 ( ) 中的数值开平方根,下同。
 
 
 
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)
 
 
等效辐射面积 Sd
 
只与口径 ( 等效半径 a) 有关。
 
Sd =π * a2 (13)
 
 
 
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) (14)
 
 
 
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
 
辐射质量 Mmr

 
只与口径 ( 等效半径 a) 有关。

 Mmr =2.67* ρ o* a3 (16)
 
其中 ρ o=1.21kg/m3 为空气密度, a  为扬声器等效半径。
 
 
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) (17)
 
 
 
等效容积 Vas
 
只与等效顺性、等效辐射面积有关。
 
Vas =ρ o*c2*Sd2*Cms (18)
 
此处 c 为空气中的声速, c=344m/s
 
 
 
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/ f)*(Zo/Re) (19)
 
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。
 
 
 
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/ f)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re) (20)
 
 
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/ f)*SQR(Re/Zo) (21)
 
 
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。
 
η o =( ρ o/2 π c)*(BL*Sd/Mms)2/Re (22)
 
 
参考灵敏度级 SPLo
 
与参考电声转换效率 η o 直接相关。
 
SPLo = 112+10lg η o (23)
 
 
参考振幅 ξ
 
与参考电声转换效率 η o、电功率  Pe、等效半径 a、频率 f 有关。
 
ξ = 0.481*SQR(Pe* η o)/(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 ξ o 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 ξ o≤ 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 ξ o 可由下列公式计算:
ξ o = 1.414*BL*I*Cms*Qts (25)
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 ξ o≤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:
ξ o = 0.225*V/(BL*Fo) (26)
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* η o=4.33* ξ2*a 4*f 4 (27)
 
可见,声功率 Pa既与电功率 Pe有关、又与电声转换效率 η o 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
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。
 
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
 
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。
 
讨论:
◆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
 
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。

关于 Q值的理解

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
一般是说
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,
 
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。

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