扬声器发展历程及应用全解析

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所属分类:音频杂谈

扬声器又称“喇叭”。是一种十分常用的电声换能器件,在发声的电子电气设备中都能见到它。扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件,而对于音响效果而言,它又是一个最重要的部件。尽管是如此简单的一个器件,它的发展也不是一蹴而就的,而是经过了漫长的研究和无数人的心血,逐步走向成熟和进步。发明扬声器是为了能够让“原音重现”,不过尽管经过了无数科学家的努力,这个目标至今仍未完全达成,反而是不同的发声方式,不同的制造方法与材料运用,使得喇叭百花齐放,成为音响世界中最辉煌灿烂的一块园地。扬声器分为内置扬声器和外置扬声器。外置扬声器即一般所指的音箱,内置扬声器是指MP4播放器具有内置的喇叭。扬声器的种类很多,按其换能原理可分为电动式(即动圈式)、静电式(即电容式)、电磁式(即舌簧式)、压电式(即晶体式)等几种。
电动式扬声器
电动式扬声器是Ernst W. Siemens (Siemens & Halske公司创始人)于1874年1月20日申请的扬声器原型专利。此种扬声器是让带支撑系统的音圈处于磁场中,以便使振动系统保持轴向运动。当时主要用于继电器而不是扬声器领域。1877年12月14日, Siemens申请了号筒专利,在一个移动的音圈上面附着一个羊皮纸作为声音辐射器,羊皮纸可以制成指数型锥体形状,这是第一个留声机时代的号筒实型。

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1898年,英国Oliver Lodge爵士进一步依照电话传声筒的原理发明了锥盆喇叭,与我们所熟悉的现代喇叭十分类似,这个发明决定了现在99%的现代动圈扬声器的结构Lodge爵士称为“咆哮的电话”。不过这个发明却无法运用,因为直到1906年Lee De Forest才发明了三极真空管,而制成可用的扩大机又是好几年以后的事,所以锥盆喇叭要到1930年代才逐渐普及起来。

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又过了整整25年,20世纪20年代,无线电广播出现。C. W. Rice 和E. W. Kellogg发表了划时代的论文“新型非号筒式单元”,详细介绍了直接辐射式扬声器,利用这个理论设计的Radiola 104音箱风靡美国。

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在过去的几十年间,电动式扬声器的基本原理没有变化,只是改进了设计细节及零件。频响范围动态范围等方面较老产品有了长足的发展。电动式扬声器以结构简单,音质优秀,成本低,动态大已经成为目前市场主流。

静电式扬声器
静电扬声器是利用加到电容器极板上的静电力而工作的扬声器,就其结构看,因正负极相向而成电容器状,所以又称为电容扬声器。扬声器作为一个电声换能器件,我们就不得不从人类懂得电与声的转换关系开始说起。早在1837 Page就开始应用电磁体发声。但人类真正知道电与声转换的神奇是在1876年2月14日,Alexander Graham Bell提出了历史上最重要的一份专利“电话”之后,该项发明让人类的声音从此可以传到比叫喊更远的地方。电与声的转换关系从此后深入人心,研究的人也就越来越多。

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贝尔

 

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为了更好的回放记录被记录下的声音,1910年,S. G. Brown将驱动力和振膜分离,发明了armature'电枢耳机。而在1910年,Baldwin 又发明了balanced armature平衡电枢耳机。电枢式耳机是在一个U型的磁铁的中间架设可移动铁片(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。1917年,Wente 和Thuras设计了电容式麦克风。到了20世纪30年代中期,根据电容式麦克风原理,静电扬声器面世。

1927年3月,Lee首先获得静电扬声器的美国专利。1928年,Toulon公开过一款圆型铝振膜和双圆型固定电极的静电扬声器;1929年,Danman在《关于扬声器及其发展》的论文中,开始静电扬声器的学术讨论;同年,《无线电和无线电评论》对静电扬声器的结构作出分析;1930年,Hanna提出静电扬声器的理论模型,认为:由于稳定静电场的作用,静电扬声器振膜在每单位电压作用下所受的静电力,是电容和负电容的相似函数;1931年,Vogt提出一种用铝锰合金制作静电扬声器振膜的结构;同时,Meyer报告了当时在谐振状况下的测量结果:电磁式扬声器的效率为7~8%,电动式扬声器的效率为l%,静电式扬声器的效率为2%; Gesell分析了静电扬声器等扬声器的生产成本。1963年,英国声学制造公司(现名Quad声电公司)研制出全频带的ESL-63型静电扬声器。

近几十年,静电扬声器也取得了长足的发展。荷兰飞利浦公司的“光电耦合器阻抗匹配电路”,解决了静电扬声器与低阻输出放大器的匹配问题。 德国EWD公司采用“压电聚合物的带状振膜”,该膜在使用中,采取沿螺旋型绕制在圆筒表面,可以构成声波导或声传输线。 日本SONY公司的“复合叠层高声压静电扬声器”采取“固定电极——振膜——固定电极——振膜”技术方案,解决了静电扬声器面积较大的缺点。“苯胺、噻吩等高分子材料单体合成表面高阻抗振膜”主要解决防潮问题。 我国SHT公司的“圈式振膜”是周围为低阻,中间为高阻的新型振膜;耐压超过10KV的“塑封式固定电极”;大幅度提高声压级的“网状连接点式固定电极”;厚度2~12μm,以“聚脂——合金——苯胺”形式构成的“复合式振膜”;以及高效非金属化的“全塑静电扬声器”等。

静电单体由于质量轻且振动分散小,所以静电扬声器工作于中高频段,音质轻盈细致,富有特色,很容易得到清澈透明的中高音。但是它的效率不高,声压输出低,动态小,成本较为昂贵也是其弱项。

带式扬声器
在电动式扬声器、电磁式扬声器技术逐渐成型期间,人们开始明白了理想的换能器应当使用可以通过电流的薄片振动膜,大家开始构思带式扬声器。

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1923年1月,Siemens Halske的Schottky和Gerlach申请了第一个带式扬声器专利。

1940年末,一位年轻的加拿大发明家Gilbert Hobrough使用扩大机时,一时大意在音乐播出中拆下喇叭线,并让发热的导线靠近电线的接地端。这是很危险的动作,但Hobrough惊讶的发现电线开始拌动,并发出音乐声,这个“具有增益的金属线”不久后才明白是静电效果。Hobrough进一步研究,才知道1910年左右已经有人提出这个问题,1925年在磁场内使用导电金属片的喇叭已经于德国取得专利,当时人说这是带状喇叭。1920年与1930年代分别有两种带状喇叭上市,不过昙花一现很快就沉寂了。

带状喇叭的原理是在两块磁铁中装设一条可以震动的金属带膜,当金属带通过电流,就会产生磁场变化而震动发声。在Hobrough重新发现带状喇叭时,Quad创办人Peter Walker也在英国推销一种号角负载的带状高音,这个高音并不成功,反而是1960年左右英国Decca推出很成功的带状高音。另一种类似的带状喇叭Kelly Ribbon由Irving Fried引进美国,他将Kelly高音配上传输线式低音而产生不错的效果。1970年代,Dick Sequerra为金字塔(Pyramid)发展的带状喇叭,首次扬弃号角的设计。Hobrough发现带状喇叭后的三十年中,他以经营空中绘图和靠着自动机械的专利贴补,持续进行研究,终于在1978年发展成功频率响应低至400Hz仍然平直的带状单体(当时产品只能到600Hz),并且不会融化、破碎或变形,失真则只有1%。Hobrough与他的儿子Theodore Hobrough还获得一项专利:与带状高音搭配的多丙烯低音所使用的无谐振特殊音箱。

另外,加拿大HiVi惠威在促进带式扬声器的发展上更是功不可没。1997年,HiVi惠威用钕铁硼磁体组成平面矩阵磁场推挽驱动,彻底改进了传统纯铝带式扬声器的振膜强度低,需配备阻抗变压器,输入功率低,寿命短等先天性缺点。2001年,惠威开发了灵敏度高达103dB的专业扩声用带式扬声器R2pro!并且推出了世界上第一款宽辐射角多单元专业系统Pro1808!正式将带式扬声器引入到专业扩声领域。

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带式扬声器主要应用于中高频段,由于其频响曲线平直,高频上限极高,有着非常好的瞬态效果,因此可以方便的形成线性声源。

海尔式扬声器
海尔式扬声器是1973年美国海尔博士研究和提出的第四种辐射方式。它是很高雅的带状喇叭变形物。它是在两张塑料薄膜之间,上下往复地印刷铝薄膜导体。有如手风琴式的曲折皱褶,放置在与振膜垂直的强磁场中,不使振膜全体同相的作前后振动,而是作与声波辐射方向垂直的横方向振动,并与相邻导体作反方向的振动 对一个皱褶的振动进行研究,就可以知道在最初的半周进入皱褶之间的空气按菲格(Fresnel,又译菲涅耳)原理被放出,下半周皱褶变宽,使空气进入其中,这就像将乒乓球放在手中按动时球就不会飞到远处,但将球夹在手指中间,上下挤动使之弹出,就可以飞得很远一样。与这一原理相同,力阻抗低的(轻的)空气,在振膜处被前后推动,按菲格原理,能被很好的吹跑。振膜小时可以有很高的效率,但对低音频重放困难,低频下限约为100Hz。

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海尔扬声器制作工艺复杂,价格高昂,难以普及,只在国外少数著名的大品牌公司的高端产品中看到,如德国ELAC(意力)的Jet气动式高音,ADAM(亚当)的ART气动式高音,Burmester(柏林之声),丹麦GRYPHONG(贵丰),美国Mark Daniel(马克丹尼)。

尽管扬声器的发展经历艰难险阻,各式各样的扬声器所发出的声音也有一定的差别,但是我们不能否认,扬声器的确是音响设备中不可或缺的一员。另外,各大知名音响品牌也创造了属于自己的扬声器箱。

国外知名大公司扬声器箱主要特点及独特的新技术
1、AR公司
该公司以创造出气垫式扬声器箱而闻名于世,这种音箱采用了声悬浮技术,它通过密闭箱体内像弹簧一样的空气支持着低音单元,而获得深沉有力的低音。这种扬声器箱从50年代开始出现,沿用至今,经久不衰。

2、法国FOCAL集团公司
该公司以制造高级扬声器单元著称,同时还生产多款扬声器箱,产品畅销世界各地。FOCAL集团公司拥有先进的扬声器制造技术,它们享誉国际的重要发明有四项。
(1)发明了一种名为“MVF”(消除机械振荡)系统的新设计。使用该系统可以克服传统音盆式扬声器机械振荡的缺点,降低音盆分割振动强度,确保高保真重放。
(2)在振膜设计方面,拥有已注册专利的Polykevlar音盆,质量轻而刚性强,彻底解决了音染问题,频率响应准确。
(3)发明用Polyglass(聚乙烯玻璃)处理振盆,使振盆具有高刚性和优异的内部阻尼特性,令单元的声音平滑自然,重播音乐细致准确。
(4)90年代新发展成功的钻石振膜,能重播出华丽的音色。
FOCAL集团公司的音箱特点是灵敏度高,大部分产品都在90dB以上。中音和高音单元同轴安装面板中线上,能产生准确的音像。

3、英国音箱的特点
TANNOY公司以同轴扬声器闻名于世,成功地解决了相位失真难题;KEF公司发明了“UNI--Q”同轴技术,实现了高音和低音同轴同点发声的理想,使立体声像准确;QUAD公司专攻静电扬声器,一直不遗余力对它加以改进和发展;Celestion和Rogers公司的小型音箱在2000Hz时测试曲线有2dB的凸起,有人认为,这微小的差别肯定会对音色有影响,但这两家公司的产品是英国小型箱的代表性产品,这可能就是英国声的音色的奥秘。

4、新型平板扬声器
英国Verity公司和NCT公司,在1996年先后宣布研制成功了新颖的超薄平板扬声器,这的确是扬声器制作技术的重大突破。

这类平板扬声器,其厚度最薄的为3mm,最后的不超过25mm,有效辐射面积大小可随设计而定,从25cm2到100cm2。Verity公司的NXT扬声器采用的是电磁式驱动器,而NCT公司采用电陶瓷驱动器。振动板采用碳纤维和纸质材料,扬声器重量非常轻。扬声器的频响范围很宽,指向性角度大,音质不错。此平板扬声器不需要箱体,可以像一张画挂载墙上或装载天花板中。

扬声器发展历程及应用全解析

 

我国扬声器技术发展趋势:
1、扬声器将继续向小型化、低失真、高灵敏度、大动态范围、宽频带和良好的瞬态反应发展。

毋庸置疑,小是趋势,时尚小巧的外观、出色的便携性、无与伦比的优良音质将是首当其冲的需求。超薄型扬声器用于笔记本电脑、手机早已成为事实,而针对LED、等离子电视以及汽车用薄型扬声器也有不少厂商已经或正式投入巨额资金研究开发我们都知道手机已经嵌入了更多的功能,如:MP3播放器、录音、和弦彩铃、多媒体影像播放、立体环绕音乐等,这些功能在手机上已经普及。同时,ipod的推出也将引领小型化的新潮流。这些就为微型扬声器的快速发展提供了无限的动力,只有研发和生产出尺寸更小、功率更大、频响更宽的扬声器才能更好的适应市场的需求。

2、专业音响和汽车音响仍将向长冲程、大功率、高灵敏度、宽指向性、低失真方向发展。

就汽车超低音扬声器来说,欧美国家将12英寸超低音做到单向振幅50mm、功率2000W甚至4000W、灵敏度超过100dB,其宽指向性可使听者全身感受到低频而非听出来的低频。众观其结构可发现,其在磁路设计和振膜材料方面均有较大的突破。

3、平板扬声器发展缓慢,其音质的改善与提高及频响的拓宽阻碍了其发展。

如果音质问题及频响问题能解决,那么平板扬声器也会是扬声器市场的主流产品之一。1996年英国Verity公司和NCT公司,先后宣布研制成功了新颖的超薄平板扬声器。其后,飞利浦公司在这方面也取得了新的突破,他们申请的专利项目被称为“3D SFD Tweeter TM(3D SFP 高频增补环)”,实际上是在软平板扬声器金属防护网的表面,加装了一个直径3mm紧贴并略高于网面安装的类似装饰品的银色金属圆环,这一专利的应用是大幅度提高SFP软平板扬声器高频响应的关键。

另外,飞利浦公司还在平板扬声器中频响曲线平滑问题、优化磁路设计方案、拓宽指向性等诸多改善平板扬声器技术参数方面做了大量的研究工作,并取得了显著的成功。随着技术的进步,平板扬声器的发展也是不容小视的!

另外,绿色、环保是近年来提得最多的,和其他行业一样,电声行业的绿色制造也是大势所趋。因此扬声器和扬声器系统也必须走绿色环保之路。同时,中国扬声器发展起步较晚,由此也要求我们在技术和设计上都必须寻找突破点,在学习欧美先进技术的同时能创造出更多更好的产品。

总结:化茧成蝶并非一个简单的过程,扬声器的发展也是如此,经过了上百年的演变才有了今天的成就。没有声音的世界是可怕的,当人类懂得了电声的转换,当人类能够将声音传得更远,当人类梦想着原音的重现,我们就应该明白,扬声器的发明是多么了不起的创造。也许我们现在不再需要古老的收音机、曾经的随身听也不再受欢迎、甚至传统的多媒体音箱都已经不那么流行了。但是没有人能够忍受自己的手机不能发出声音、也无法接受好好的音响突然哑巴了,不论何时何地,现在的我们已经无法生活在“失声”的世界里了。不管,今后扬声器技术将如何发展,我们可以肯定的是它带来的一定是惊喜!

附:扬声器发展史 (1837—1996)
1837 Page应用电磁体发声
1876 贝尔和沃森申请电话专利,发明第一个实用的电话受话器
1877 德国人西门子提出了扬声器雏形的专利
1878 英国物理学家瑞利发表了"声学原理"
1890 怀特(A.White)发明肩背式送话器(现在电话机的原型)
1907 福雷斯特(De Frorest)发明三极电子管
1911 出现用于收音机的杠杆式扬声器
1917 E.C.Weute发明静电传声器
1918 美国Wester Electric公司生产了将电话受话器房子留声机号筒的扩声设备
1919 韦伯斯特(A.G.Webster)第一个将数学方法用于扬声器号筒设计
1920 强生发表了收音机扬声器专利
1921 Magnavox公司生产号角扬声器
1922 西门子的格洛克(E.Gterlach)发明了带式电声换能器
1923 Kellev提出背后开放式障板和密闭箱
1924 美国Wester Electric公司生产电磁式纸盆扬声器
1924 赛克斯(A.S.Sykes)和格洛克发明电动式扬声器
1924 美国赖斯和凯洛格发明电动式传声器
1925 美国的汉纳(Hanna)和斯利伯(Slperian)论述了号筒扬声器的设计方法
1925 出现了带式扬声器
1926 电动式纸盆扬声器由Magnavox公司投入市场
1927 正缝圈被采用
1929 凯尔(Kyle)推出经典扬声器
1930 瑟阿斯(A.C.Thuras)提出了倒相式扬声器箱;1932年他关于单体扬声器与开孔的相互关系的描述获得了专利
1930 巴特霍勒特尔(Blatthaller)发明了大功率带式扬声器
1930 塞比特(Seibt)采用铝振膜扬声器
1931 U型钨钢磁体电动式扬声器出现,并由Jensen公司商品化
1931 索格尔(C.D.Sauger)发明压电式传声器,奥尔森(H.F.Olson)发明使用铝箔的,动圈式双指向传声器
1933 提出双频带扬声器系统,高频部分使用罗谢尔(Rochelle)盐的高频扬声器
1933 奥尔森提出单指向传声器
1934 英国麦克郎克朗(Mclachlan)在伦敦出版《Loudspeaker》(《扬声器》)一书,是世界第一本关于扬声器的专著
1935 斯坎菲斯特垠(G.Scaffstein)提出曲线式纸盆
1935 Stromberg-Carlson推出曲径式扬声器箱和多声道扬声器箱
1938 励磁式扬声器基本为永磁体扬声器所取代
1939 发明双纸盆扬声器
1940 开始使用布浸酚醛树脂定心支片
1941 通用公司的杰士(P.W.Klipsch)获得低频冲犯的折叠式号筒专利
1942 兰辛(J.B.Lancing)开发同轴型604扬声器系统,它是由3800mm低频扬声器和多格号筒扬声器组成
1949 贝尔实验室的科克(W.E.Kock)和哈维(F.K.Harvey)把微波传输的研究应用于声学,讨论了声聚焦、声透镜等,至今仍是声透镜设计的基础
1949 无缝纸盆出现(在此之前纸盆是粘接而成)
1949 奥尔森和他的合作者普雷斯顿(J.Preston)提出闭箱的气垫设计专利
1952 克莱因(S.Klein)提出一种离子扬声器
1955 椭圆扬声器商品化
1956 晶体管收音机用的小型扬声器被大量生产和使用
1957 完成纸盆防潮工艺
1961 希勒(A.N.Thiele)将诺瓦克(Novak)提出的将开口箱看成高通滤波器的模型简化,并于1961年出版了他的划时代论文(JAES在1971年重新刊出此论文)
1962 大型平板扬声器在市场出现
1965 各向异性铁氧体扬声器商品化
1968 纸盆自动成型设备完成
1972 澳大利亚的理查德-斯莫尔(Richard Small)发表了闭箱设计的论文,使闭箱设计提高到一个科学、简单、清楚、明了的水平
1973 美国海尔博士(Oscar Heil)研究推出新颖的海尔式扬声器
1974 斯莫尔在JAES发表了开口箱的系列论文,使开口箱设计同样成为科学、简单、清楚、明了的方法
1975 日本人提出高分子压电扬声器
1976 E-V公司的基尔(D.S.Keele)设计了HR系列的等指向性号筒,JBL等公司也先后推出各自的等指向性号筒
1982 CD唱机问世
1988 开始出现对扬声器、音箱、分频器计算机辅助设计的论文,各种设计软件进入市场
1996 英国的Verity公司推出了称之为NXT的平板扬声器。

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