揭秘揚聲器主要參數之間的關(guān)系

　　揚聲器性能是電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等物理參數共同作用的結果，由鼓紙、彈波、音圈、磁路等關(guān)鍵零部件的性能共同確定，其中一些參數相互制約相互影響，因而必須綜合考慮和設計。

　　1、主要參數綜合設計和分析

　　揚聲器常用機電參數以及計算公式、測量方法簡(jiǎn)述如下：

　　直流電阻Re

　　由音圈決定，可直接用直流電橋測量。

　　共振頻率Fo

　　由揚聲器的等效振動(dòng)質(zhì)量Mms和等效順性Cms決定，見(jiàn)公式(5)， Fo可直接用Fo測試儀測量或通過(guò)測量阻抗曲線(xiàn)獲得。

　　共振頻率處的最大阻抗Zo

　　由音圈、磁路、振動(dòng)系統(鼓紙、彈波)共同決定，可用替代法測量或通過(guò)測量阻抗曲線(xiàn)獲得。

　　Zo = Re+[(BL)2/(Rms+Rmr)] (10)

　　機械力阻Rms

　　由鼓紙、彈波的內部阻尼及使用膠水的特性決定，可由測量出機械品質(zhì)因數Qms后通過(guò)下列公式計算：

　　Rms =(1/Qms)*SQR(Mms/Cms) (11)

　　這里SQR( )表示對括號( )中的數值開(kāi)平方根，下同。

　　輻射力阻Rmr

　　由口徑、頻率決定，低頻時(shí)可忽略。

　　Rmr = 0.022*(f/Sd)2 (12)

　　等效輻射面積Sd

　　只與口徑(等效半徑a)有關(guān)。

　　Sd =π* a2 (13)

　　機電耦合因子BL

　　由磁路Bg值和音圈線(xiàn)有效長(cháng)度L決定，也可通過(guò)測量電氣品質(zhì)因數Qes后用下列公式計算:

　　(BL)2 =(Re/Qes)*SQR(Mms/Cms) (14)

　　等效振動(dòng)質(zhì)量Mms

　　由音圈質(zhì)量Mm1、鼓紙等效質(zhì)量Mm2、輻射質(zhì)量Mmr共同決定， Mms可由附加質(zhì)量法測量獲得。

　　Mms=Mm1+Mm2+2Mmr

　　輻射質(zhì)量Mmr

　　只與口徑(等效半徑a)有關(guān)。

　　Mmr =2.67*ρo* a3 (16)

　　其中ρo=1.21kg/m3為空氣密度， a為揚聲器等效半徑。

　　等效順性Cms

　　是指揚聲器振動(dòng)系統的支撐部件的柔順度.其值越大,揚聲器的整個(gè)振動(dòng)系統越軟.單位:毫米/牛頓(mm/N).

　　由鼓紙順性Cm1、彈波順性Cm2共同決定，此順性即是我們所稱(chēng)的變位，只是單位需換算為國際單位制：m/N，而變位可以用變位儀直接測量。Cms可由附加容積法測量獲得。

　　Cms=(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2) (17)

　　等效容積Vas

　　只與等效順性、等效輻射面積有關(guān)。

　　Vas =ρo*c2*Sd2*Cms (18)

　　此處c為空氣中的聲速，c=344m/s

　　機械品質(zhì)因數Qms

　　由振動(dòng)系統的等效振動(dòng)質(zhì)量Mms、等效順性Cms、機械力阻Rms共同決定，Qms可由阻抗曲線(xiàn)的測量獲得。

　　Qms =(1/Rms)*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*(Zo/Re) (19)

　　f 為阻抗曲線(xiàn)上阻抗等于SQR(Zo*Re)所對應的兩個(gè)頻率的差值。

　　電氣品質(zhì)因數Qes

　　由振動(dòng)系統的等效振動(dòng)質(zhì)量Mms、等效順性Cms、機電耦合因子BL共同決定，由阻抗曲線(xiàn)的測量獲得。

　　Qes =[Re/(BL)2]*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re) (20)

　　總品質(zhì)因數Qts

　　由機械品質(zhì)因數Qms和電氣品質(zhì)因數Qes共同決定。

　　Qts =(Qms*Qes)/(Qms+Qes)=(Fo/Δf)*SQR(Re/Zo) (21)

　　參考電聲轉換效率ηo

　　由機電耦合因子BL、等效輻射面積Sd、等效振動(dòng)質(zhì)量Mms共同決定。

　　ηo =(ρo/2πc)*(BL*Sd/Mms)2/Re (22)

　　參考靈敏度級SPLo

　　與參考電聲轉換效率ηo直接相關(guān)。

　　SPLo = 112+10lgηo (23)

　　參考振幅ξ

　　與參考電聲轉換效率ηo、電功率Pe、等效半徑a、頻率f有關(guān)。

　　ξ = 0.481*SQR(Pe*ηo)/(a*f)2

　　以上這些參數現在均可用揚聲器計算機測試系統進(jìn)行測量和計算，常用的測試系統有LMS、CLIO、MLSSA、DAAS、SYSID、LAUD、IMP等。另外，也可利用一些計算機模擬軟件進(jìn)行揚聲器參數的基本設計，如LEAP、CALSOD、Speaker Easy、DLC Design、AudioCad、SOUNDEASY等。

　　揚聲器的功率、失真指標無(wú)法直接用公式進(jìn)行定量計算，只能作些定性分析和探討。

　　揚聲器的額定正弦功率以及純音檢聽(tīng)功率，基本上由低頻最大振幅ξo決定。一般低頻最大振幅是在共振頻率Fo處。揚聲器的低頻最大振幅主要取決于磁路結構和音圈卷寬，當然與振動(dòng)系統也有很大的關(guān)系。揚聲器正常工作時(shí)，音圈不能跳出磁間隙，即有ξo≤Xmax，否則會(huì )產(chǎn)生很大的非線(xiàn)性失真(表現為振幅異常音)、甚至會(huì )導致音圈損壞(卡死或燒毀)。Fo處最大振幅ξo可由下列公式計算：

　　ξo = 1.414*BL*I*Cms*Qts (25)

　　式中I為饋給揚聲器的電流，I=SQR(Pe/Re)?？梢?jiàn)，假使揚聲器的基本機電參數(BL、Cms、Qts)確定，其電流I決定的功率Pe=I2*Re就受到低頻最大振幅ξo≤Xmax的限制。反之，假使揚聲器的功率必需達到一定值，則揚聲器的等效順性就不能太大，亦即Fo不能太小。當有(BL)2/Re>>Rms時(shí)，公式(25)又可簡(jiǎn)化如下：

　　ξo = 0.225*V/(BL*Fo) (26)

　　式中V為饋給揚聲器的電壓，V=SQR(Pe*Re)。此式更直觀(guān)地顯示出最大振幅ξo與電壓V、機電耦合因子BL、共振頻率Fo的關(guān)系。一般所稱(chēng)的總品質(zhì)因數Qts對低頻振幅的控制能力就由公式(25)、(26)體現和反映，其中BL值的作用更明顯。

　　揚聲器的低頻聲功率Pa同樣也受到限制：

　　Pa= Pe*ηo=4.33*ξ2*a 4*f 4 (27)

　　可見(jiàn)，聲功率Pa既與電功率Pe有關(guān)、又與電聲轉換效率ηo直接相關(guān)，實(shí)際上最終與揚聲器的振幅、口徑、頻率有關(guān)。為了達到一定的聲功率Pa，在頻率一樣的條件下，口徑越小、則其振幅越大，而振幅一般都受到限制，所以口徑就不能太小。亦即，小口徑揚聲器不可能產(chǎn)生很大的聲功率，因為小口徑揚聲器一般都受到結構限制，其振幅較小，效率較低，而音圈不會(huì )很大、所用線(xiàn)徑有限、所能承受的電功率也有限。

　　揚聲器額定噪聲功率和長(cháng)期最大功率，既與低頻最大振幅有關(guān)，又與音圈的線(xiàn)徑、材料和系統的散熱條件、使用的膠水等直接相關(guān)。大功率揚聲器，一般均使用高強度耐高溫的音圈線(xiàn)、音圈骨架、膠水，采用大沖程、散熱良好的磁路結構，音圈采用較寬的卷寬和線(xiàn)徑，彈波采用強度好、抗疲勞性能好的材料，當然一般也采用大口徑系列。揚聲器額定噪聲功率和長(cháng)期最大功率，最終只能通過(guò)負荷試驗獲得和驗證。

　　2、喇叭單元的參數

　　T/S指標(Thiele/Small-Specs)

　　T/S指標是由澳大利亞人A.N. Thiele 和 Richard Small，在70年代初發(fā)明的揚聲器系統數學(xué)模型的基本參數?，F今，幾乎所有的人都是按照該理論來(lái)生產(chǎn)喇叭音箱。T/S指標有如下幾個(gè)：

　　Fs(Fo) 為喇叭在自由場(chǎng)下的諧振點(diǎn)頻率。

　　Vas 為等同于喇叭順性的空氣容積。

　　Qes 為喇叭的電Q值，它反映了單元在Fo時(shí)于電磁控制下的諧振能力，數值越低，阻尼越強，諧振能力越低。

　　Qms 為喇叭的機械Q值。它反映了單元在Fo時(shí)于機械結構方面的諧振能力，數值越低，阻尼越強。

　　Qts 為喇叭的總Q值(由Qms和Qes并聯(lián)耦合而成)它反映了單元在Fo處的諧振能力，數值越低，阻尼越強。

　　機電性能指標(Electro-Mechanical parameter)

　　Mms：喇叭的總振動(dòng)質(zhì)量(包括振膜的質(zhì)量、音圈的質(zhì)量、前后加載的空氣等)

　　Cms：喇叭單元的順性

　　Rms：機械阻尼，包括振動(dòng)的摩擦、輻射阻。

　　Rme ：電氣阻尼因數，反映單元電磁系統對振膜的機械控制和阻尼，常用來(lái)衡量單元的電磁系統的能力。

　　Re：音圈的直流電阻

　　BL：線(xiàn)圈間隙的磁場(chǎng)強度

　　Dd：振膜直徑

　　Le：音圈電感量

　　Sd：振膜的表面積

　　fLe：電感測量頻率

　　大信號指標(Large-Signal Parameter)

　　Xmax：最大線(xiàn)性位移，或叫線(xiàn)性沖程，計算為全沖程位移值的1/2，通常這個(gè)值比較有水分，有些廠(chǎng)家會(huì )給出單元的物理最大位移。而一些廠(chǎng)家采用全程的P-P值(peak-to-peak)表示,此時(shí)我們要注意在對比時(shí)減半。

　　Xlim：不損壞的最大位移。(或又表示為其他Xmec，最大機械位移)

　　Hc：線(xiàn)圈高度

　　Hg：間隙高度

　　Vd：喇叭在線(xiàn)性范圍內，最大的推動(dòng)空氣體積

　　Pe：可連續工作不燒毀的最大輸入功率。

　　討論：

　　◆實(shí)際上，所有T/S參數都是圍繞低音單元的諧振峰測量得來(lái)的，反映了低音單元諧振峰的特性，并據此特性設計各種音箱箱體。而高音單元的諧振峰對于箱體制作無(wú)意義(高音的振幅也很小)，也無(wú)須進(jìn)行特別的描述去應用，所以我們不會(huì )在高音單元上搞T/S參數。

　　◆Fo值是指單元的諧振頻率，即喇叭振幅最大時(shí)的頻率?；旧线@就是單元的低頻重放極限，因為過(guò)了諧振點(diǎn)，單元的聲壓將急降，(一般將-3db處稱(chēng)為截止頻率表示為F3)

　　◆Q值在我們形容單元時(shí)，出現極多，它其實(shí)是描述諧振造成的阻抗峰的尖銳度的一個(gè)數學(xué)值，Q值越高，表示阻尼小，控制弱，諧振的幅度大，從而產(chǎn)生更強的低頻聲壓，但由此帶來(lái)了振動(dòng)不受控產(chǎn)生的失真。

　　◆關(guān)于Q值高低，對應適合做什么箱的問(wèn)題,這個(gè)問(wèn)題有許多的口水爭論。一般說(shuō)來(lái)，低Q值的喇叭，阻尼高控制力好，適合做倒相箱。而高Q值的單元適合做密閉箱。這個(gè)實(shí)際上是個(gè)較模糊界線(xiàn)的選擇，一般Q值高于0.5的單元適宜密閉箱，而Q值低于0.3的要做倒相箱。而業(yè)內通常采用EBP值來(lái)衡量單元適合制作哪種箱體。

　　3、Qtc：音箱全系統的總Q值

　　箱體的損耗Q值

　　Ql-泄漏損耗Q值，由箱體及單元密封不好造成泄漏產(chǎn)生的，通常這個(gè)對于倒相箱影響較大. 一般數值取在5-20，這個(gè)值難以預知。5表示為密封非常良好! 通常預設值為10。

　　Qa-吸收損耗Q值，由箱體對聲波的吸收產(chǎn)生的，箱內的填充料會(huì )大大增強吸收。一個(gè)干燥光滑剛性箱體內壁通常約Qa=30-100，大量填充時(shí)，將達到3-5。

　　Qp-倒相管損耗， 由倒相管產(chǎn)生，由于空氣通過(guò)時(shí)，管壁的摩擦，倒相管會(huì )有一些阻尼。事實(shí)上，如果你將此Q值設得很小的話(huà)(意味著(zhù)阻尼非常大)，那倒相箱就會(huì )變成了密閉箱了。

　　關(guān)于Q值的理解

　　Q值是一個(gè)描繪諧振情形的數學(xué)量,它總是伴隨阻尼概念(在諧振系統中)被介紹給大家，或者有人把它等同于阻尼值來(lái)介紹。對于一個(gè)諧振系統，阻尼越大，那么系統的諧振越被鉗制，從而導致低Q值的諧振曲線(xiàn)。當阻尼小時(shí)，則情況相反，諧振劇烈，形成高Q的曲線(xiàn)。

　　一般來(lái)說(shuō)，對于揚聲器系統，合適的Q值在0.5-1.5之間。低于0.5時(shí)，阻尼太強了，此時(shí)已無(wú)諧振發(fā)生。所以，也有人稱(chēng)0.5Q值時(shí)，為臨界阻尼，稱(chēng)再小的Q值，為過(guò)阻尼。反之， Q大于1.5, 可以叫欠阻尼。

　　在諧振系統的頻率-振幅曲線(xiàn)圖上，我們可以直觀(guān)地看到不同Q值所代表的曲線(xiàn)，以及不同Q值的意義。

　　4、喇叭的Q

　　Qes 為喇叭的電Q值，它反映了單元在Fo時(shí)于電磁控制下的諧振能力，數值越低，阻尼越強，系統諧振越小。

　　Qms 為喇叭的機械Q值。它反映了單元在Fo時(shí)于機械結構方面的諧振能力，數值越低，阻尼越強，系統諧振越小。

　　Qts 為喇叭的總Q值(由Qms和Qes并聯(lián)耦合而成)它反映了單元在Fo處的諧振能力，數值越低，阻尼越強。

　　5、系統的Q值

　　全系統指包括功放輸出端、喇叭線(xiàn)、音箱。 這是一個(gè)工作時(shí)的實(shí)際Q值， 與箱體Q值Qtc相比， 這里加入了阻尼系數的因素。

　　阻尼系數的影響， 包括功放的輸出阻尼系數、 喇叭線(xiàn)的阻尼系數、 串連喇叭的阻尼系數(如果有)、分頻器的阻尼系數。

　　所以，為保證不影響原箱的Q值設計， 一般功放要求采用阻尼系數盡量小的， 最最起碼是10以上， 但一般要求100以上。而分頻器中主要是電感的電阻的影響，一般是說(shuō)20以上。線(xiàn)材同樣也應該盡量小。

　　對于串接喇叭， 阻尼系數無(wú)可避免的在1以上， 所以一般設計都是并聯(lián)喇叭的。

　　阻尼、Q值都是描繪單元在諧振點(diǎn)附近的工作情形， 即諧振點(diǎn)附近的發(fā)聲變化情況， 對其他頻率區域的頻響基本無(wú)影響。