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扬声器知识

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扬声器知识

1、相关声学知识

声音信号属性主要是指人声、乐声以及各种音效。

这些声音信号都是一种随机信号，其波形比较复杂，但属人耳可听声音的频率范围（20Hz~20kHz），其中人声的频谱范围约150Hz~4kHz；各种音乐的频谱范围可达40Hz~18kHz。

平均频谱的能量分布为：

低音和中低音部分最大，中高音部分其次，高音部分最小（约占中、低音部分能量的1/10，人声的能量主要集中在200Hz到3.5kHz的频率范围）。

这些可闻声随机信号幅度的峰值比它的平均值约大出10~15dB。

因此，要能正确地重放出这些随机信号，保证重放信号的音质优美动听，扬声器就必须具有宽广的频响特性、足够的声压级和信号动态范围，并具有高效率的电功率转换成声压的灵敏度。

[所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。

从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的"咝"声（每高一个八度，频率就升高一倍。

因此高频率区的能量也显著增强）。

粉红噪声指每个八度带有相同能量的随机噪声。

我们的耳朵将以"平直"的频率响应接受这些声音（因为粉红噪声建立于八度的基础而不是个别的频率，因此频率变高的时候能量并不增加）。

因为这一特性和实时分析仪（RTA）关注一个八度或1/3八度的音域，粉红噪声对于测量音频设备的频率响应和决定房间的扩音应用非常有用。

]

2、扬声器作用及分类

2.1扬声器的作用

扬声器的作用是将音频电信号转换成声信号并向周围的空气媒介辐射。

车用扬声器以锥形设计最为多见，这是因为在车内安装位置有限的情况下，锥形设计可以尽可能地扩大振膜的有效面积，而振膜的有效面积决定了扬声器的低频响应。

也就是说，锥形设计可以在不加装超重低音的情况下，增强低音效果。

2.2扬声器的分类

2.2.1按工作原理分类:

按工作原理的不同，扬声器主要分为：

电动式扬声器、电磁式扬声器（即舌簧扬声器），静电式扬声器和压电式扬声器等。

a、电动式扬声器：

这种扬声器采用通电导体作音圈，当音圈中输入一个音频电流信号时，音圈相当于一个载流导体。

如果将它放在固定磁场里，根据载流导体在磁场中会受到力的作用而运动的原理，音圈会受到一个大小与音频电流成正比、方向随音频电流变化而变化的力。

这样，音圈就会在磁场作用下产生振动，并带动振膜振动，振膜前后的空气也随之振动，这样就将电信号转换成声波向四周辐射。

这种扬声器应用最广泛。

b、电磁式扬声器：

也叫舌簧式扬声器，声源信号电流通过音圈后会把用软铁材料制成的舌簧磁化，产生交变磁场，磁化了的可振动舌簧与磁体相互吸引或排拆，产生驱动力，使振膜振动而发音。

 c、静电式扬声器：

这种扬声器是靠静电积累的相吸相斥效应，利用的是电容原理，即将导电振膜与固定电极按相反极性配置，形成一个电容。

将声源电信号加于此电容的两极，极间因电场强度变化产生吸引力，从而驱动振膜振动发声。

     d、压电式扬声器：

又叫晶体扬声器，利用压电材料受到电场作用发生形变的原理（晶体片电伸缩效应），将压电动元件置于音频电流信号形成的电场中，使其发生位移，从而产生逆电压效应，最后驱动振膜发声。

在这些扬声器中，除电动式扬声器外，其他的扬声器都是因为辐射声音的频率范围窄，辐射声功率小而被淘汰。

剩下的电动式扬声器，由于其辐射频率范围可达整个音频范围，而且声功率可以做到很大（可通过分频段制作大功率扬声器，运用组合发声方法，形成全频段放声），因而得到了广泛的使用。

2.2.2按振膜形状分类：

扬声器振膜形状主要有锥形、平板形、球顶形、带状形、薄片形等。

    a、锥形振膜扬声器：

锥形振膜扬声器中应用最广的就是锥形纸盆扬声器，它的振膜成圆锥状，是电动式扬声器中最普通、应用最广的扬声器，尤其是作为低音扬声器应用得最多。

    b、平板扬声器：

也是一种电动式扬声器，它的振膜是平面的，以整体振动直接向外辐射声波。

它的平面振膜是一块圆形峰巢板，板中间是用铝箔制成的峰巢芯，两面蒙上玻璃纤维。

它的频率特性较为平坦，频带宽而且失真小，但额定功率较小。

    c、球顶形扬声器：

球顶形扬声器是电动式扬声器的一种，其工作原理与纸盆扬声器相同。

球顶形扬声器的显著特点是瞬态响应好、失真小、指向性好，但效率低些，常作为扬声器系统的中、高音单元使用。

    d、号筒扬声器：

号筒扬声器的工作原理与电动式纸盆扬声器相同。

号筒扬声器的振膜多是球顶形的，也可以是其他形状。

这种扬声器和其他扬声器的区别主要在于它的声辐射方式，纸盆扬声器和球顶扬声器等是由振膜直接鼓动周围的空气将声音辐射出去的，是直接辐射，而号筒扬声器是把振膜产生的声音通过号筒辐射到空间的，是间接辐射。

号筒扬声器最大的优点是效率高、谐波失真较小，而且方向性强，但其频带较窄，低频响应差。

所以多作为扬声器系统中的中、高音单元使用。

2.2.3按放声频率分：

根据放声频率的不同，扬声器可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器、全频带扬声器等。

    a、低音扬声器：

主要播放低频信号的扬声器称为低音扬声器，其低音性能很好。

低音扬声器为使低频放音下限尽量向下延伸，因而扬声器的口径做得都比较大，一般有200mm、300-380mm等不同口径规格的低音扬声器。

为了提高纸盆振动幅度的容限值，常采用软而宽的支撑边，如橡皮边、布边、绝缘边等。

一般情况下，低音扬声器的口径越大，重放时的低频音质越好，所承受的输入功率越大。

    b、中音扬声器：

主要播放中频信号的扬声器称为中音扬声器。

中音扬声器可以实现低音扬声器和高音扬声器重放音乐时的频率衔接。

由于中频占整个音域的主导范围，且人耳对中频的感觉较其他频段灵敏，因而中音扬声器的音质要求较高。

有纸盆形、球顶形和号筒形等类型。

作为中音扬声器，主要性能要求是声压频率特性曲线平担、失真小、指向性好等。

    c、高音扬声器：

主要播放高频信号的扬声器称为高音扬声器。

高音扬声器为使高频放音的上限频率通达到人耳听觉上限频率20kHz，因而口径较小，振动膜较韧。

和低、中音扬声器相比，高音扬声器的性能要求除和中音单元相同外，还要求其重放频段上限要高、输入容量要大。

常用的高音扬声器有纸盆形、平板形、球顶形、带状电容形等多种形式。

    d、全频带扬声器：

全频带扬声器是指能够同时覆盖低音、中音和高音各频段的扬声器，可以播放整个音频范围内的电信号。

其理论频率范围要求是从几十Hz至20kHz，但在实际上由于采用一只扬声器是很困难的，因而大多数都做成双纸盆扬声器或同轴扬声器。

双纸盆扬声器是在扬声器的大口径中央加上一个小口径的纸盆，用来重放高频声音信号，从而有利于频率特性响应上限值的提升。

同轴式扬声器是采用两个不同口径的低音扬声器与高音扬声器安装在同一个中轴线上。

同轴扬声器的低频单元和高频单元被设计在了同一轴心线上，外侧是低频，内侧是高频，但发声点在同一物理位置。

这种设计可以消除高、低频单元由于频率范围的不同而引起的声音漂移，但是因为高、低音都是从一个点所发出的，所以音色的失真较大。

3、扬声器结构

3.1扬声器组成

最常见的电动式锥形纸盆扬声器，即常说的纸盆扬声器。

尽管现在振膜仍以纸盆为主，但同时也出现了许多高分子材料振膜、金属振膜。

锥形纸盆扬声器大体由磁回路系统（永磁体、芯柱、导磁板）、振动系统（纸盆、音圈）和支撑辅助系统（定心支片、盆架、垫边）等三大部份构成。

    a、音圈：

音圈是锥形纸盆扬声器的驱动单元，它是用很细的铜导线分两层绕在纸管上，一般绕有几十圈，放置于导磁芯柱与导磁板构成的磁疑隙中。

音圈与纸盆固定在一起，当声音电流信号通入音圈后，音圈振动带动着纸盆振动。

    b、纸盆：

锥形纸盆扬声器的锥形振膜所用的材料有很多种类，一般有天然纤维和人造纤维两大类。

天然纤维常采用棉、木材、羊毛、绢丝等，人造纤维刚采用人造丝、尼龙、玻璃纤维等。

由于纸盆是扬声器的声音辐射器件，在相当大的程度上决定着扬声器的放声性能，所以无论哪一种纸盆，要求既要质轻又要刚性良好，不能因环境温度、湿度变化而变形。

    c、折环：

折环是为保证纸盆沿扬声器的轴向运动、限制横向运动而设置的，同时起到阻挡纸盆前后空敢流通的作用。

折环的材料除常用纸盆的材料外，还利用塑料、天然橡胶等，经过热压粘接在纸盆上。

    d、定心支片：

定心支片用于支持音圈和纸盆的结合部位，保证其垂直而不歪斜。

定心支片上有许多同心圆环，使音圈在磁隙中自由地上下移动而不作横向移动，保证音圈不与导磁板相碰。

定心支片上的防尘罩是为了防止外部灰尘等落磁隙，避免造成灰尘与音圈摩擦，而使扬声器产生异常声音。

3.2扬声器材质与尺寸

   高音扬声器现以软球顶为主（此外还有用于模拟音源的钛膜球顶等），它与数字音源相配合能减少高频信号的生硬感，给人以温柔、光滑、细腻的感觉。

多媒体音箱现以质量较好的丝膜和成本较低的PV膜等软球顶的居多。

低音扬声器最常见的有以下几种：

a、纸盆，纸盆又有敷胶纸盆、纸基羊毛盆、紧压制盆等几种。

   纸盆音色自然、廉价、较好的刚性、材质较轻灵敏度高，缺点是防潮性差、制造时一致性难以控制，但顶级HiFi系统中用纸盆制造的比比皆是，因为声音输出非常平均，还原性好。

   b、防弹布，有较宽的频响与较低的失真，是酷爱强劲低音者之首选，缺点是成本高、制作工艺复杂、灵敏度不高轻音乐效果不甚佳。

   c、羊毛编织盆，质地较软，它对柔和音乐与轻音乐的表现十分优异，但是低音效果不佳，缺乏力度与震撼力。

   d、PP（聚丙烯）盆，它广泛流行于高档音箱中，一致性好失真低，各方面表现都可圈可点。

此外还有像纤维类振膜和复合材料振膜等由于价格高昂极少应用于普及型音箱中。

   低音扬声器尺寸越大越好，大口径的低音扬声器能在低频部分有更好的表现。

用高性能的扬声器制造的音箱意味着有更低的瞬态失真和更好的音质。

普通多媒体音箱低音扬声器的喇叭多为3～5英寸之间。

用高性能的扬声器制造的音箱也意味着有更低的瞬态失真和更好的音质。

4、扬声器的性能指标

 扬声器的性能优劣主要通过下列指标来衡量：

1）额定功率（W）

      扬声器的额定功率是指扬声器能长时间连续工作而不产生异常声时的输入功率，又称为不失真功率或额定噪声功率，用W或VA计量。

它一般都标在扬声器后端的铭牌上。

当扬声器工作于额定功率时，音圈不会产生过热或机械动过载等现象，发出的声音没有显示失真。

额定功率是一种平均功率，而实际上扬声器工作在变功率状态，它随输入音频信号强弱而变化，在弱音乐及声音信号中，峰值脉冲信号会超过额定功率很多倍，由于持续时间较短而不会损坏扬声器，但有可能出现失真。

因此，为保证在峰值脉冲出现时仍能获得很好的音质，扬声器需留足够的功率余量。

一般扬声器能随的最大功率是额定功率的2-4倍。

一般测试时采用粉红噪声信号，通过特定的滤波器，在额定频率范围内进行测试。

按ＩＥＣ标准，被测扬声器应保证在100小时的连续工作中不产生异常。

顺便指出，美国ＥＩＡ标准则规定试验时间为８小时，而且滤波器也不同。

最大噪声功率与额定功率不同，它是表明扬声器承受短时间的大输入功率的能力，其试验时间仅为几秒或几分钟。

一般最大噪声功率是额定功率的2-4倍。

2）频率响应（有效频率范围Hz）

这项指标反映了扬声器工作的主要频率范围。

当给扬声器加以恒压信号源并由低频到高频改变信号源频率时，扬声器产生的音压将随频率的变化而变化。

由此得出的声压――频率曲线，就是扬声器的频率响应曲线。

ＩＥＣ（国际电工委员会）规定扬声器所能重放声音的频率界限，也就是有效频率范围，是取扬声器声压频率特性曲线中比峰值附近一个倍频位的平均声压级降低10dB的频率范围。

此范围越宽，放声特性越好。

高保真放音系统要求扬声器系统应能重