扬声器设计

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  1. 扬声器常用国家标准

 

GB/T9396-1996 《扬声器主要性能测试方法》

GB/T9397-1996 《直接辐射式电动扬声器通用规范》

GB9400-88     《直接辐射式扬声器尺寸》。

GB7313-87     《高保真扬声器系统最低性能要求及测量方法》

GB12058-89    《扬声器听音试验》

 

  1. 扬声器主要电声特性

 

额定阻抗     Znom

总品质因数   Qts

等效容积     Vas

共振频率     Fo

额定正弦功率 Psin

额定噪声功率 Pnom

长期最大功率 Pmax

额定频率范围 Fo-Fh

平均声压级   SPL

  1. 扬声器主要零部件尺寸设计

 

3.1             扬声器口径

扬声器口径必须符合客户要求,若客户没有具体要求,则优先采用国家标准GB9400-88《直接辐射式扬声器尺寸》。

 

3.2             支架

支架外形尺寸及安装尺寸应能满足客户需要,除此之外还需考虑鼓纸、弹波、华司等尺寸选择与配合问题,一般大功率低频率的扬声器要求支架有效高、底高、弹波接着径、华司铆接径等均较大。

 

3.3             磁体

磁体尺寸优选常用系列值,具体尺寸需按性能要求确定。

常用铁氧体尺寸:

32*18*6,35*18*6,40*19*8,45*22*8,50*22*8,55*25*8,60*25*8,60*32*8,

65*32*10,70*32*10,80*40*15,90*40*15,100*45*18,100*60*20,110*60*20120*60*20,130*60*20,140*62*20,145*75*20,156*80*20,180*95*20,

220*110*20

常用标准:

SJ/T10410-93 《永磁铁氧体材料》

 

3.4             音圈

音圈中孔尺寸优选常用系列值,具体尺寸(如卷宽、线径)需按性能要求确定,骨架高度还需考虑到与鼓纸、支架的配合。

常用音圈中孔尺寸:

13.3  14.3  14.7  15.4  16.3  18.4  19.4  20.4  25.5  25.9  30.5  35.5  38.6   44.5  49.5  50.5 65.5  75.5  80.0  100.0  127.0

 

3.5             各种零件的尺寸配合

支架、磁体、音圈等零件的主要尺寸确定后,其它零件的主要尺寸选择余地就受到限制,因为各种零件的尺寸必须相互配合,同时其性能参数也要相互配合。

3.5.1   支架与鼓纸

鼓纸外缘与支架胶合面一般需大于2 mm (微型扬声器不受此限制,下同),鼓纸外径必须小于支架内径 1 mm以上,鼓纸次外径不能小于支架次外径 3 mm 以上、也不能大于支架次外径 2 mm 以上,鼓纸有效高必须小于支架有效高 0.5 mm 以上。

3.5.2   支架与弹波

弹波外缘与支架胶合面一般需大于 2 mm ,弹波外径必须小于支架的弹波接着径 0.5 mm 以上,弹波有效高必须小于支架有效高与鼓纸有效高的差值0.5 mm 以上。

3.5.3   支架与华司

配合尺寸主要取决于支架与华司的铆接工艺,总的要求铆接应牢固,内铆支架尤其要注意材料厚度。

3.5.4   音圈与鼓纸

鼓纸中孔尺寸一般要大于音圈骨架外径 0.2~0.9 mm ,小口径、小音圈取值小些。

3.5.5   音圈与弹波

弹波中孔尺寸一般大于音圈骨架外径 0.1~0.4 mm ,太大会漏胶、太小难装配。

3.5.6   音圈与T铁

音圈中孔尺寸一般大于T铁中柱外径 0.3~0.6 mm ,小音圈取值相应小些。

3.5.7   音圈与华司

华司中孔尺寸(内铆的为铆后尺寸)一般要大于音圈最大外径(为绕线部位) 0.3~0.6 mm ,间隙太小容易碰圈、影响到装配合格率,间隙太大又会降低磁性能、从而导致灵敏度下降。

3.5.8   鼓纸与弹波

鼓纸中孔与弹波中孔的距离,中小口径的扬声器以 0.5~2 mm 为佳,大口径可以加大到 2~5 mm ,距离大些定位效果会更好、更能承受大功率,只是鼓纸中心胶和弹波中心胶需分开打。

  1. 扬声器关键零部件的性能设计

 

4.1             磁路

4.1.1   磁路设计的目的与方法

磁路设计的目的主要有两种:一是给定磁体规格(已知材料性能和尺寸),设计出磁路结构,使其工作气隙磁感应密度Bg值为最大,Bg值的大小对扬声器的灵敏度及电气品质因数Qes影响很大;二是给定Bg值,设计出磁路结构,使所用磁体尺寸为最小,从而达到节约成本的目的。

磁路设计的方法有多种,这里采用的是经验公式法。

4.1.2   磁路设计基本公式

Kf*Bg*Sg = Bd*Sm                                         (1)

Kr*Hg*Lg = Hd*Lm                                         (2)

相关说明如下:

Bg: 工作气隙中的磁感应密度

Bd: 磁体内部的磁感应密度

Sg: 工作气隙截面积

Sm: 磁体截面积

Kf: 漏磁系数(总磁通与工作气隙磁通之比)

Hg: 工作气隙中的磁场强度

Hd: 磁体内部的磁场强度

Lg: 工作气隙宽度

Lm: 磁体高度

Kr: 漏磁阻系数(总磁阻与工作气隙磁阻之比)

这里所有单位均采用国际单位制,即千克、米、秒制。

4.1.3   一些参数的选取与设定

对于内磁结构的磁路:

Kr = 1.1~1.5

Kf = 1.8~2.5

导磁板厚度:Tp = 5*Lg

导磁板直径:Dp = 4.1*Tp

对于外磁结构的磁路:

Kr = 1.1~1.5

Kf = 2.0~4.0

华司厚度:Tp = 5*Lg

中柱外径:Dp = 4.3*Tp

华司外径 = 磁体外径-磁体厚度/2

Sg =π*(Dp+Lg)*Tp

Bg =μo* Hg                                              (3)

μo = 4π*10-7 H/m为真空磁导率.

根据磁体材料退磁曲线和最大磁能积曲线,可以确定最佳工作点的Bd和Hd值,在此工作点,磁体体积最小(给定Bg值时),工作气隙中的磁感应密度最大(给定磁体尺寸时)。

Bg2 = (μo*Sm*Lm*Bd*Hd)/(Kr*Kf*Sg*Lg)                      (4)

4.1.4   磁路设计的验证

选择了一种磁路结构后,验证很方便,只需将磁路充磁,测量其工作气隙中的磁感应密度Bg就行。

磁感应密度Bg的测量方法有两种:一是用带超薄霍尔探头的特斯拉计(高斯计)直接测量;二是用带标准线圈的韦伯表(磁通表)测量磁通φ,然后换算成磁感应密度, Bg =φ/S,这里的S为标准线圈在磁场中切割磁力线的有效面积。

4.2        音圈

4.2.1   音圈主要参数设计

音圈的直流电阻Re一般要预先设定,或按额定阻抗Znom确定:

Znom =(1.05~1.10)* Re

音圈的直径Dvc根据磁路结构确定,同时要考虑功率见大功率大口径扬声器的音圈卷宽及华司厚度均需较大。

根据导线的电阻率或电阻系数及所需直流电阻,可以很容易地算出音圈线长Lvc=Re/电阻系数,则绕线圈数n = Lvc/[π*(Dvc+2*骨架厚度+层数*线径)],卷宽Tvc=n*1.03*线径/层数,此处线径指导线的最大外径。

4.2.2   音圈材料性能与选择

4.2.2.1音圈骨架材料常见的有牛皮纸(Kraft Paper)、杜拉铝(Aluminium Duralumin)、NOMEX、TIL、KAPTON等。主要特性如下:

牛皮纸(Kraft Paper)

采用最高连续工作温度180 oC的电缆纸(牛皮纸),其特点为质轻、绝缘好、价格低廉。其厚度有:

0.03  0.05  0.07  0.10  0.13  0.17

杜拉铝(Aluminium Duralumin)

采用加以表面硬化及清洁处理的合金铝箔,最高连续工作温度200 oC,具有耐高温、强度高等特点。铝箔有黑、白两种,黑色铝箔更具有绝缘性能佳、传热快等优点。其厚度有:

0.03  0.04  0.05  0.07  0.08  0.10  0.12

NOMEX

采用芳香族聚酰亚胺制成箔膜, 最高工作温度300 oC,具有绝缘、质轻、耐高温、粘接力强等优点。用它制成的扬声器音色柔和圆润、悦耳动听。其厚度有:

0.03  0.05  0.08  0.12

TIL

采用玻璃纤维为基材,上面加聚酰亚胺合成,最高连续工作温度230oC,其特点为耐高温、材料强度高、刚性好、不易变形。

KAPTON

采用聚酰亚胺箔膜, 最高连续工作温度220 oC,具有绝缘、质轻、强度高、耐高温、不易燃烧等特点。KAPTON有褐色、黑色两种,黑色KAPTON还有散热快、表面硬度高等优点。

4.2.2.2 导线材料常见的有LOCK线、SV线、CCAW(铜包铝线)、扁线等,其主要特性如下:

LOCK线

使用温度在140 oC,为溶剂型,一般用于小型低功率扬声器。

SV线

使用温度在200 oC,为溶剂型,特点为固化后粘接性能很强,是音圈生产中最常用的线种之一。

CCAW(铜包铝线)

比铜线质轻、比铝线导电率高且拉力强,其高频时阻抗与铜线相仿,用它制成的扬声器瞬态特性好、灵敏度高,是高灵敏度扬声器中常采用的材料。

扁线

磁场利用率较圆线大(圆线磁场利用率为78%~91%,扁线为96%),特点为换能效率高,适于制作大功率扬声器,扁铝线更常用于专业扬声器(大功率、高灵敏度)。

4.3        鼓纸(振动板)

鼓纸特性直接影响着扬声器各种电声参数、音质和使用寿命。鼓纸的性能主要取决于使用材料、设计形状、制造工艺等。

鼓纸材料一般要求具有下述三种基本特性:

1)             质量要轻,即要求材料密度要小,这可以提高扬声器的效率、同时改善瞬态特性。

2)             强度要高,即要求材料杨氏模量E要大,这可以改进扬声器的效率、瞬态特性,拓宽高频响应。

3)             阻尼适当,即要求材料内部损耗适中,这可以有效地抑制分割振动,藉以降低高频共振的峰谷,使频率响应平坦、过渡特性良好,同时改善失真。

锥盆常用的鼓纸材料有纸、聚丙烯(PP)、杜拉铝、玻璃纤维、碳纤维等,球顶高音用振动板材料有丝、铝、钛、MYLAR、PEI等。

鼓纸的形状一般为锥形,球顶高音及中音则为半球形。

因材料所用不同,其制造工艺也各有不同。纸盆工艺比较特殊,需经打浆、抄制、热压或烘干等各道工序,代表性的有紧压、半松压、非压等三种类型。聚丙烯盆制作工艺有两种:吸塑成型、注塑成型。MYLAR、PEI、丝膜等均为热压成型,丝膜还需预先上胶。

无论使用何种材料,或多或少均需添加其它材料,作增强或提高内部阻尼处理。材料特性总的说来很复杂,很难定量描述,一般只有通过反复试验才能确认其是否满足使用要求。

鼓纸与电声特性直接相关的定量参数主要有重量、厚度、顺性、杨氏模量等,重量、顺性等决定了扬声器的低频特性,重量、厚度、锥顶角度、杨氏模量等则决定了高频特性。

对于锥型扬声器,低频共振频率Fo和高频上限频率Fh可由下列公式确定:

(2πFo)2 = 1/(Mms*Cms)                                             (5)

(2πFh)2 = (Mm1*Mm2)/[(Mm1+Mm2)*Cmh]                                 (6)

相关说明如下:

Mms为扬声器的等效振动质量,且有Mms =Mm1+Mm2+2Mmr,其中Mm1为音圈质量, Mm2为鼓纸等效质量, Mmr为辐射质量。Mmr =2.67*ρo* a3,其中ρo=1.21kg/m3为空气密度, a为扬声器等效半径。

Cms为扬声器的等效顺性,且有Cms =(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2), Cm1为鼓纸顺性、Cm2为弹波顺性。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,或通过测量鼓纸、弹波的共振频率来换算。

若鼓纸的共振频率为F1、测试附加质量为M1,弹波的共振频率为F2、测试附加质量为M2,则有

(2πF12 = 1/[(M1+Mm2+2Mmr)*Cm1]

(2πF22 = 1/(M2*Cm2)

Fo = SQR{[(M1+Mm2+2Mmr)*F12+M2*F22]/(Mm1+Mm2+2Mmr)}                  (7)

可见,扬声器的低频共振频率由鼓纸的质量、顺性(频率),和弹波的顺性(频率)、音圈的质量等确定。

公式(6)中,Cmh为鼓纸根部(锥顶部)的等效顺性,且有

Cmh = sinθ/(π*E*t*cos2θ)                                       (8)

其中,E为鼓纸材料的杨氏模量,t为鼓纸根部厚度,θ为鼓纸的半顶角。

可见,扬声器的高频上限频率由鼓纸的质量、音圈的质量,鼓纸根部厚度、半顶角及杨氏模量等确定。

 

4.4        弹波(定位支片)

弹波主要作用有二:一是固定音圈的中心位置,使音圈保持在磁间隙中间,避免音圈与磁路碰触;二是控制扬声器的低频共振频率,限制音圈的最大位移,避免音圈跳出磁路,同时对振动系统提供适当的阻尼,改善低频响应及品质因数。一般要求弹波应该具有很大的径向刚性和很大的轴向顺性,以保证良好的机械强度和较低的共振频率及较小的失真。

弹波常用材料有棉布、筛绢、人造丝、NOMEX纤维布等,一般都是浸渍酚醛树脂酒精溶液后热压成形。常用的形状为波纹形。布的编织方式、经纬密度、纱支粗细、浸胶浓度、成形热压温度及时间等,均对弹波的强度、顺性、抗疲劳性能有很大的影响;另外,弹波的尺寸、形状、波纹数等对其性能也有影响。

弹波主要的参数就是其顺性Cm2(或频率F2),由公式(7)可知其对扬声器的共振频率影响较大,同时此值又是可以测量验证的,从而可以控制。弹波顺性的经验公式如下:

Cm2 = (A*n*L3)/(E*b*h)                                            (9)

其中,A为修正系数(其值视波纹形状而异),n为波纹数,L为波纹深度,b为折环所形成的圆周长度,h为材料厚度,E为杨氏模量。

由公式(9)可知,波纹数越多、波纹越深、材料越薄,则弹波的顺性越大。而杨氏模量既与材料本身的材质(纤维及其编织方式、经纬密度、纱支粗细)有关,又与上胶浓度有关,因为酚醛树脂是热固性材料,加热后变性变硬,由此而改变了材料的强度、硬度。

因受支架、音圈等材料尺寸的限制,弹波的尺寸选择余地较小,最终其形状及参数必须结合材料工艺等试验的结果,根据扬声器整体性能设计要求而确定。

  1. 扬声器主要参数综合设计和分析

扬声器性能是电学、力学、声学、磁学等物理参数共同作用的结果,由鼓纸、弹波、音圈、磁路等关键零部件的性能共同确定,其中一些参数相互制约相互影响,因而必须综合考虑和设计。

扬声器常用机电参数以及计算公式、测量方法简述如下:

5.1直流电阻Re

由音圈决定,可直接用直流电桥测量。

5.2共振频率Fo

由扬声器的等效振动质量Mms和等效顺性Cms决定,见公式(5), Fo可直接用Fo测试仪测量或通过测量阻抗曲线获得。

5.3共振频率处的最大阻抗Zo

由音圈、磁路、振动系统(鼓纸、弹波)共同决定,可用替代法测量或通过测量阻抗曲线获得。

Zo = Re+[(BL)2/(Rms+Rmr)]                                        (10)

5.4 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。

5.5 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)

5.6 等效辐射面积Sd

只与口径(等效半径a)有关。

Sd =π* a2                                                        (13)

5.7 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)

5.8 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                                                 (15)

5.9  辐射质量Mmr

只与口径(等效半径a)有关。

Mmr =2.67*ρo* a3                                                 (16)

其中ρo=1.21kg/m3为空气密度, a为扬声器等效半径。

5.10 等效顺性Cms

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)

5.11 等效容积Vas

只与等效顺性、等效辐射面积有关。

Vas =ρo*c2*Sd2*Cms                                               (18)

此处c为空气中的声速,c=344m/s

5.12 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/Δf)*(Zo/Re)                        (19)

Δf 为阻抗曲线上阻抗等于SQR(Zo*Re)所对应的两个频率的差值。

5.13 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/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re)         (20)

5.14 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/Δf)*SQR(Re/Zo)                     (21)

5.15 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。

ηo =(ρo/2πc)*(BL*Sd/Mms)2/Re                                   (22)

5.16 参考灵敏度级SPLo

与参考电声转换效率ηo直接相关。

SPLo = 112+10lgηo                                               (23)

5.17 参考振幅ξ

与参考电声转换效率ηo、电功率Pe、等效半径a、频率f有关。

ξ = 0.481*SQR(Pe*ηo)/(a*f)2                                    (24)

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ξo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ξo≤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ξo可由下列公式计算:

ξo = 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ξo≤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:

ξo = 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*ηo=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ηo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。

扬声器的失真,主要由振动系统的非线性和磁路系统的非线性产生。在大振幅情况下,由折环及弹波所组成的振动系统悬挂体,不再符合线性的虎克定律;磁间隙内磁感应密度沿轴向的不均匀性和导磁材料的非线性特性等都会产生非线性失真。其主要衡量指标是总谐波失真和互调失真。这是可以测量的,但无法精确预测。

 

总之,扬声器电声特性与各零部件的性能参数息息相关、并且是各项参数共同作用的结果。所以,扬声器的最佳设计必须全面考虑、权衡利弊、反复试验、不断改进。除此之外,扬声器的设计还必须考虑其使用场合、听音环境、系统配置等方面。而扬声器最终音质的好坏还必须通过音质评价来衡量,这又与音乐、美学、心理学、生理学等因数有关,所以扬声器的设计必须是全方面的综合设计。

 

  1. 扬声器设计常用参考书藉

《声学基础》,(中)杜功焕、朱哲民、龚秀芬

《电声换能器》,(中)曹水轩

《扬声器系统》,(日)山本武夫

《高保真扬声器和扬声器箱》,(德)KLINGER

《电声技术基础》,(中)管善群

《高保真放声技术》,(中)李保善

《立体声原理》,(中)谢兴甫

小众声学

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