汽车电喇叭设计Word文档格式.docx
《汽车电喇叭设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车电喇叭设计Word文档格式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
4.4扬声器的Q值:
Qts,Qms与Qes12
4.4.1直接秤重法13
4.4.2增加质量法（DeltaMass）13
4.5力的系统BL14
4.6出力音压（SPL）15
4.6.1声压与声压级15
4.6.2声强与声强级16
4.6.3点声源声压级的简单计算16
4.7实效周波数带域17
4.8定格入力与最大入力17
4.9失真18
4.10指向性19
4.11总磁通量与磁束密度19
4.12异常音与外碰20
4.13极性与极性标示20
第5章结论21
第6章结束语22
致谢23
参考文献24
第1章绪论
1.1概述
喇叭是汽车安全系统当中的一个不可缺少的电器元件。
喇叭声音作为一种特有的语言用于车辆之间以及车人之间的交通信息沟通。
尽管由于噪音问题许多城市不允许在市区内鸣叫喇叭，但绝大多数的其他道路却离不开喇叭，因此它的提示和警告的作用不可替代。
1.2汽车喇叭的发展
作为汽车的主要零配件，汽车喇叭的发展与汽车产业的发展息息相关。
全世界汽车保有量连年增加，近年来，尤其在我国，汽车消费异常火爆。
据CCID统计，2006年我国汽车总产量近730万辆，2007年我国汽车产量销售量达850万辆，2008年为970万辆，2009年在我国政策的大力支持下达到规模超过2000万只。
汽车喇叭是典型的易碎器件，国内零售市场每年有近3000万只的规模，因此2009年仅国内市场就有约5000万只的规模，而且此数字的增长与汽车销售的增长速度保持一致。
由于汽车受到行驶的颠簸、发动机的振动以及温度的影响，喇叭应具有特殊严酷环境条件下可靠工作的能力。
同时随着现代汽车技术的发展，汽车装备不断增加的趋势又使得喇叭的安装越来越小。
因此长寿命、耐振动冲击、密封性、小型化、低能耗等已成为汽车喇叭新的技术发展方向。
针对汽车喇叭的研究技术开展研究有益于企业产品的质量和性能提高、汽车整车型性能的提高同时也有益于交通安全、噪声环境治理和汽车的节能降耗问题。
第2章汽车电喇叭的分类及配置
2.1汽车喇叭的分类
汽车喇叭按照驱动方式的不同可分为电喇叭和气喇叭两种。
气喇叭的驱动是由压缩气体鼓动喇叭膜片发声，一般安装在有气体压缩装置的较大型货车或客车上。
对于中小型汽车则使用电驱动的发声方式。
因此在数量上，电喇叭占有绝对优势。
汽车喇叭外观如图2.1所示。
图2.1汽车喇叭外观
汽车喇叭主要参数一般包括声压级、振动基频。
耐久性、额定电流以及适用电压范围等几个指标。
声压级是听力学中最重要的参数之一，物理上引入声压级来描述声音的大小。
试验中声压级的测量距离、测量环境均有严格规定。
振动基频定义为喇叭工作时每秒钟动铁心带动膜片往复振动的次数，该频率与喇叭机械系统的固有频率十分接近，目的是工作时产生共振耦合效果，从而产生较大声音。
耐久性定义为喇叭满足标准要求正常所能达到的最少工作次数，每次发声不少于1s。
该项指标一般通过寿命试验检验，试验中试件工作1s休息4s。
喇叭耐久性指标要求少侧10万次，多则30万次。
以基频500Hz计算，喇叭全寿命周期内膜片振动近亿次。
对于机械触点式电喇叭来说，意味着需要满足触电近亿次的燃弧开闭过程，这对喇叭的电寿命将是极大考验。
额定电流的规定是考虑到能耗和负载的问题，一般要求电喇叭工作电流不超过6A～6.5A。
目前，寻求较低工作电流获得较大发声声级从而降低能耗提高寿命的降额技术是汽车喇叭研究方向之一。
适应电压范围是指当汽车电瓶电压波动时，喇叭能够可靠工作并发出满足声音要求的最大、最小电压范围。
图2.2是各大汽车厂商在针对我国范围内销售车型喇叭参数指标对比。
图2.2是各大汽车厂商在针对我国范围内销售车型喇叭参数指标对比
2.2配置要求
我国在《机动车安全管理条例》中明确规定每台机动车至少配置1只功能良好的喇叭，一般汽车均配置高低音共2只喇叭，共同发声时产生悦耳的混响声音。
我国国情的驾驶员习惯与欧洲、日本存在很大差异，这使得客户需求直接导致汽车喇叭寿命难以满足我国市场需求，因此汽车喇叭已成为近年来的研究热点。
第3章汽车电喇叭的结构及原理
3.1汽车喇叭的结构
汽车喇叭由铁芯、磁性线圈、触点、街铁、膜片等组成，如图3.1、3.2所示。
按下按钮，电路接通，铁芯产生吸力，吸下街铁、电路被切断，吸力消失，街铁回应，电路重新被接通，重复上述过程，街铁不断上下移动带动膜片振动，通过共鸣器产生共鸣，由扬声器发出声音。
图3.1筒形、螺旋形电喇叭
1-扬声器；
2-共鸣板；
3-膜片；
4-底片；
5-山形铁芯；
6-螺旋；
7、13-调整螺旋；
8、14-锁紧螺母；
9-弹簧片；
10-衔铁；
11-线圈；
12-锁紧螺母；
15-中心杆；
16-触点；
17-电容器；
18-支架；
19-接柱
图3.2盆形电喇叭
1-底座；
2-线圈；
3-上铁芯；
4-膜片；
5-共鸣板；
6-衔铁；
7、13-触点；
8-调整螺旋；
9-铁芯；
10-按钮；
11-锁紧螺母
3.2喇叭发声方式
1、动圈式。
基本原理来自佛莱明左手定律，把一条有电流的导线与磁力线垂直的放进磁铁南北极间，道线就会受磁力线与电流两者的互相作用而移动，在把一片振膜依附在这根道线上，随著电流变化振膜就产生前后的运动。
目前百分之九十以上的锥盆单体都是动圈式的设计。
2、电磁式。
在一个U型的磁铁的中间架设可移动斩铁片（电枢），当电流流经线圈时电枢会受磁化与磁铁产生吸斥现象，并同时带动振膜运动。
这种设计成本低廉但效果不佳，所以多用在电话筒与小型耳机上。
3、电感式。
与电磁式原理相近，不过电枢加倍，而磁铁上的两个音圈并不对称，当讯号电流通过时两个电枢为了不同的磁通量会互相推挤而运动。
与电磁是不同处是电感是可以再生较低的频率，不过效率却非常的低。
4、静电式。
基本原理是库伦（Coulomb）定律，通常是以塑胶质的膜片加上铝等电感性材料真空汽化处理，两个膜片面对面摆放，当其中一片加上正电流高压时另一片就会感应出小电流，藉由彼此互相的吸引排斥作用推动空气就能发出声音。
静电单体由于质量轻且振动分散小，所以很容易得到清澈透明的中高音，对低音动力有未逮，而且它的效率不高，使用直流电原又容易聚集灰尘。
目前如Martin-Logan等厂商已成功的发展出静电与动圈混合式喇叭，解决了静电体低音不足的问题，在耳机上静电式的运用也很广泛。
5、平面式。
最早由日本SONY开发出来的设计，音圈设计仍是动圈式为主题，不过将锥盆振膜改成蜂巢结构的平面振膜，因为少人空洞效应，特性较佳，但效率也偏低。
6、丝带式。
没有传统的音圈设计，振膜是以非常薄的金属制成，电流直接流进道体使其振动发音。
由于它的振膜就是音圈，所以质量非常轻，瞬态响应极佳，高频响应也很好。
不过丝带式喇叭的效率和低阻抗对扩大机一直是很大的挑战，Apogee可为代表。
另一种方式是有音圈的，但把音圈直接印刷在塑胶薄片上，这样可以解决部分低阻抗的问题，Magnepang此类设计的佼佼者。
7、号角式。
振膜推动位于号筒底部的空气而工作，因为声音传送时未被扩散所以效率非常高，但由于号角的形状与长度都会影响音色，要重播低频也不太容易，现在大多用在巨型PA系统或高音单体上，美国Klipsch就是老字号的号角喇叭生产商。
8、其他还有海耳博士在一九七三年发展出来的丝带式改良设计，称为海耳喇叭，理论上非常优秀，台湾使用者却很稀少。
压电式是利用钛酸等压电材料，加上电压使其伸展或收缩而发音的设计，Pioneer曾以高聚合体改良压电式设计，用在他们的高音单体上。
离子喇叭（Ion）是利用高压放电使空气成为带电的质止，施以交流电压后这些游离的带电分子就会因振动而发声，目前只能用在高频以上的单体。
飞利浦也曾发展主动回授式喇叭（MFB），在喇叭内装有主动式回授线路，可以大幅降低失真。
3.3汽车电喇叭的原理
汽车电喇叭的基本原理是由喇叭中的电磁线圈周期性通断电，使线圈中的静铁芯产生周期性的电磁吸力，作用到动铁芯。
电磁吸力产生时，动铁芯带动喇叭膜片向下运动，切断电路静铁芯磁力消失后铁芯受弹性形变膜片的恢复力的拉动又回到原位，钢膜片以及与电磁吸力相同的频率振动，该振动频率与喇叭的整个机械系统的固有的频率是十分接近，产生共振，并向外辐射声波，经过与蜗牛或盆形的喇叭壳耦合之后发出警告作用。
图3.3为汽车结构简图。
1-动铁芯；
3-静铁芯；
5-壳体
图3.3汽车喇叭结构简图
图3.4是汽车喇叭电路原理图。
按下方向盘的喇叭按钮K，接通喇叭继电器C1回路，使喇叭继电器触点C闭合接通喇叭驱动线圈。
直到C断开之前，汽车喇叭一直以一定频率和声级鸣响。
按照产品技术实现方式汽车喇叭可分为机械触点式、定频电子式、随频电子式、混合式机电喇叭。
图3.4汽车喇叭电路原理图
3.4高音喇叭的要求
一个良好的高音喇叭应具备如下
1、振动板的口径要小且轻。
2、高频特性平垣且伸展宽广。
3、高频失真小，指向性良好。
4、音圈直径小，线径细。
5、输入容量大。
第4章汽车电喇叭的主要性能
4.1扬声器的电气特性
为了便于后面出现各英文代号表示的意思，首先要了解各参数的定义。
BL：
单体的动力即力系数，单位为特斯拉·
米（TM）
Fo：
单体在自由大气下的谐振频率或叫Fs，单位为赫滋（HZ）
Foa：
单体在加质量（Ma）后的谐振频率或叫Fsa，单位为赫滋（HZ）
Fc：
单体装箱后的谐振频率，单位为赫滋（HZ）
Fct：
单体装入测试箱后的谐振频率，单位为赫滋（HZ）
Mmd：
单体振动系的等效质量，单位为克或千克（g或Kg）
Mmr：
单体纸盆空气的辐射质量负载，单位为克或千克（g或Kg）
Mms：
包括空气的辐射质量的总的振动系的等效质量或Mo，单位为克或千克（g或Kg）
Ma：
测试砝码（通常为已知质量的粘土），单位为克（g）
Sd:
纸盆的有效振动面积
Cmb：
测试音箱的柔顺性，单位为（M/N）
Cms：
单体的机械柔顺性或Co，单位为（M/N）
Qms：
单体的机械Q值
Qes：
单体的电气Q值
Qts：
单体的总Q值或Qo
Qect：
测试箱内单体的电气Q值
Vas：
与单体柔顺性相当的空气体积，单位为升（L）
Vab：
未填充吸音棉的测试箱体积，单位为升（L）
Re：
音圈的直流阻抗即Revc或叫DCR，单位为欧姆（Ohm/Ω）
ACR：
公称阻抗即交流阻抗，在扬声器阻抗曲线峰值后最低点所对应的阻抗，单
欧姆（Ohm/Ω）
Zmax:
单体阻抗曲线峰点对应的阻抗值，单位为欧姆（Ohm/Ω）
No：
参考效率即η，以百分比为单位（%）
Levc：
单体音圈的电感单位位豪亨（mH）
SPLo：
音压水准（SoundPressureLevel）或叫SPL或So，单位为分贝（dB）
音圈的电感
4.2阻抗
1、扬声器单元的阻抗包括直流阻抗（DCR/Re）和交流阻抗（ACR）
（1）指直流阻抗：
即DCR（Re），不受频率的影响（静态）。
亦即音圈线的阻抗。
它在阻抗特性上表现为一条直线。
（2）交流阻抗：
即ACR，是指经过频率测定之公称阻抗或叫额定阻抗（动态）。
业余爱好者可用替代法测量扬声器单元的额定阻抗,按下图用恒流法去测量扬声器单元的
额定阻抗，为了满足信号源为恒流源的测量要求，音频信号发生器的输出端要串一只阻值至少大于或等于被测扬声器额定阻抗值10倍的大电阻R。
调节音频信号发生器的信号旋钮，使输出信号频率从20HZ开始起缓慢上升，并联在被测扬声器两端毫伏表的电压值在达到第一个最大值后即开始下降，当毫伏表的电压值降至最低并开始上升时，停止改变音频信号发生器的信号频率，在保持音频信号发生器输出电压不变的前提下，记下毫伏表上的电压值。
用无感电阻箱代替被测扬声器单元，反复调节电阻箱的阻值，当毫伏表上的电压值恢复到原来的电压值时，这时电阻箱的阻值就是被测扬声器单元的额定阻抗值。
扬声器单元的阻抗特性是指将电信号加到扬声器输入端子，如果在保持输入电压怛定不变的条件下，变更信号频率，扬声器的输入阻抗会有很大的变化，在图表上表现为一条曲线。
把曲线上高于Fo（最低共振频率）时的最小阻抗值定义为扬声器的公称阻抗（标准阻抗），单位为Ω。
公称阻抗公差一般为±
15%，稍严一点为±
5～10%。
产生阻抗曲线的原因：
扬声器的音圈除了有它的直流阻抗外还有一定的电感。
当音频信号输入扬声器时扬声器的音圈即在磁回间隙中上下振动由于音圈的电感作用，这时在音圈中会感应出一个与音频信号反向的感生电动势，这个与音频信号反向的感生电动势会削弱音圈中的电流，从而使音圈的阻抗加大，随着音频信号的上升这种效应会越来越大，这种使扬声器单元的阻抗随频率变化的规律称为扬声器的阻抗特性。
一条完整的阻抗特性由音圈的直流电阻、音圈的感抗以及音圈在磁隙中上下运动时所产生的感生电动势这三部分组成。
使电动式扬声器的振动板发生振动的力，即磁场对载流导体的作用力，其大小为F=BiL式中，B：
为磁场中的磁感应强度（韦帕/米2或Wb/m2）i：
为通过线径的电流（A），L：
为音圈导线在磁场中的长度（m），F：
为磁场对音圈的作用力（牛顿）。
然而一旦音圈受力运动，就会切割磁隙中的磁力线，根据法拉第电磁感应定律，音圈在磁隙中运动会产生感生电动势，这个效应称为电动式扬声器的电效应，其感生电动势的大少为
Σ=BLV
式中，V：
为音圈的振动速度（m/s）,Σ：
为音圈的感生电动势（伏特V）。
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，正因为电效应的存在，对扬声器的阻抗就产生了影响，出现了阻抗曲线。
有些人近似的把DCR与ACR用如下式表示ACR=1.08～1.2DCR.检测ACR与DCR可用阻抗测试器.（台湾阳光Sunlight阻抗测试/频率计Model-152A）测量单元的阻抗曲线可用LMS或CLIO等，下面是一扬声器单元的阻抗曲线。
不同的扬声器有不同的阻抗曲线。
Fo，DCR，音圈电阻，音圈管材，铁心有无加短路环等都会
影响阻抗曲线。
以下是几组阻抗曲线特性的对比图。
4.3最低共振周波数或谐振频率（FO）
最低共振周波数或谐振频率（FO）是指扬声器从低音域开始振动时，振动板最强烈振动所在点对应的频率，在测量扬声器单元阻抗特性时，阻抗曲线上阻抗值第一次达到最大值时（即Zmax）所对应的频率称为该扬声器单元的谐振频率或共振频率，简称FO。
为了便于理解，我们可以把扬声器的振动系统看成是具有一定质量的惯性体，而把Edge和弹波看成一个弹性体，这时扬声器的整个振动系统就象一个悬挂在弹簧上具有一定质量的重物。
从物理学中我们知道，它们具有一个固定的谐振点。
扬声器单元在谐振频率处振动系统的振幅最大，扬声器音圈在气隙中运动时产生的反向感应电动势也最大。
在FO以下，由于受扬声器振动系统劲度的控制，扬声器输出音压以接近12dB/oct的速度下降，因此扬声器的谐振频率点也是重放下限频率点。
综合一下有三点：
1、最强烈的振动对应频率点
2、低音重放下限频率点
3、阻抗曲线峰值对应频率点
FO可用下式表述FO=1/2πSo/Mms或FO=1/2π1/Cms·
Mms所以求顺性Cms=1/[（2πFo）2·
Mms]式中：
So：
是振动系统的等效力劲，即支撑振动系统的鼓纸Edge和弹波等弹簧系统的刚度，其倒数是顺性Cms=1/SoCms：
即顺性Co，表示上述弹簧系统的柔软度。
力劲小，顺性大。
（单位为Kg）Mms：
即振动系统的等效质量。
是以鼓纸和音圈为主的振动系统等效质量Mmd及振动时附加在鼓纸两侧的附加质量Mmr之和。
（单位为Kg）从上式可以看出，扬声器单元的谐振频率与振动系统的等效力劲的平方根成正比，与振动系统的等效质量的平方根成反比。
要降低Fo值，振动系统就要重些，鼓纸边布和弹波要柔软些。
共振：
即策动力的频率与振动物体的固有频率相等时,振动物体的振幅最大，此种现象称为共振。
测试Fo值通常是在20℃相对湿度60%的条件下进行，Fo测试用Fo高速测定器，（台湾阳光SunlighFo高速测定器Model-7117K）用自动扫频振荡器（台湾阳光Sunlig自动扫频振荡器Model-7116C）可以粗略的测试其Fo值，但速度很慢，且不够精确。
业余爱好者可用下恒压法测量扬声器单元的谐振频率。
按图连接好，图中的R的阻值应小
时扬声器两端的电压（U=IR，I为恒定）将最大。
当音频信号发生器输出的信号从20HZ开始上升时，扬声器两端AC电压表的电压值将逐步上升。
当AC压表的电压值第一次上升至最大时，音频信号发生器输出信号的频率即为扬声器单元的谐振频率Fo。
影响Fo的条件：
1、自然条件：
温度和湿度，湿度越大，Fo越低。
温度越高，Fo越低。
2、原材料：
鼓纸的Fo，弹波的柔软度。
3、输入功率：
通常在额定输入功率范围以内，输入功率如大时，低音谐振稍许下降，但将输入功率增加大超过额定输入功率之外时，Fo反会升高。
Qts,Qms与Qes
扬声器的Q值又叫扬声器的品质因素。
它表示频响曲在谐振频率Fo处SPL的尖锐程度，它在一定程度上反应了扬声器振动系统的阻尼状态。
扬声器的低频特性通常由扬声器Qts及Fo决定，其中Qts的大小与扬声器单元在Fo处的声压有关，其图如下Qts值是一个很难理解确很重要的参数，它在。
一定程度上反应了扬声器振动系统的阻尼状态（即振动衰减的快慢），和共振锐度那么振很快停止的叫Qts低，振动不易停止的叫Qts高。
Qts值过低时扬声器的输出音压还没到Fo处时就迅速下降，扬声器处于过阻尼状态，造成低频衰减过大；
Qts值过高时扬声器的输出音在Fo处会出现一个峰，扬声器处于欠阻尼状态，低频得到过分加强，Qts值越大，峰值越陡。
图Qts处与Fo处声压级之间的关系
有几种方法可求得或测得喇叭单元的Qts值。
第一种．Qts值可用此公式求得：
Qts=Re/（BL）2*Mms/Cms式中，Re：
即音圈的直流阻抗DCR。
B：
表示扬声器磁间隙中的磁感应密度。
L：
表示扬声器音圈线的有效长度。
即顺性，振动系统的顺性，即力劲Co的倒数。
即振动系统的等效质量（Mmd）。
是以鼓纸、弹波、音圈、防尘盖为主的振动系统等效质量及振动时附加在鼓纸两侧的附加质量（Mmr）之和。
单体的力系数BL值在后面第五点讲解。
下面介绍怎样测试单体振动系的等效质量Mmd和单体纸盆空气的辐射质量负载和Mmr。
有三种方法可求单体振动系的等效质量Mmd。
4.4.1直接秤重法
直接要求供货商提供相关资料。
这种方法不但精确可靠，也是最省时的方法，Mmd是以鼓纸、弹波、音圈、防尘盖为主的等效质量及振动时附加在鼓纸两侧的附加质量Mmr之和即Mms=Mmd+Mmr
4.4.2增加质量法（DeltaMass）
首先求Mmd：
增加一块经精密测量重量为Ma的粘土于单体的纸盆上，测出此时加重后的Fo即Fsa，为求精确，测试单体要夹紧在悬挂的表面上。
所加的重量Ma至少要让单体的谐振频率改变25%才足够，即加重后的谐振频率Fsa等于未加重时的谐振频率Fo的70～75%，不可太轻。
Mmd可由下式求得。
Mmd=Ma/[（Fo·
Fsa）2-1]（A）然后求Mmr（单体空气质量负载）：
空气有重量而且对纸盆表面质产生压力，在计算振动系统有效质量时必须考虑在内。
辐射空气质量负载可籍由纸盆的总表面积计算如下：
Mmr=0.575·
Sd1.5（B）由（A）（B）即可得到Mms=Mmd+Mmr，下表列出不同直径单体典型自由大气压下的辐射空气质量负载
4.5力的系统BL
测试单体的力系数BL值最常用的方法为反作用力测量技术。
测试方法如下：
在平坦稳固的表面上水平放置喇叭单元，再加上已知质量的砝码（Ma），压迫纸盆下降到较低的位置，然后把直流电压加到喇叭的音圈（注意纸盆向上移动需正接），调整电压直到纸盆回复到原来没加砝码时的位置。
砝码的质量并没有严格的限制，不过必须精确到0.1g，而且至少能压下纸盆达到6.0mm的重量。
当纸盆恢复到原来没加砝码的位置时，记下此时的电流大小（i），此时BL值的乘积可由此公式计算：
BL=9.8·
Ma/i单位特斯拉·
米（TM）利用这种方法想得到精确的结果，必须精确的测出喇叭单元未加粘土前的起始位置，而且在加了粘土通上电流后必须恢复到原来位置
升级会员 