产品结构设计·音腔设计知识介绍

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音腔结构的作用及组成

• 音腔的作用：

音腔可以在一定程度上调整SPEAKER的输出频响曲线，通过声腔参数的调整改变音乐声的高、低音效果对于音乐声音质的优劣影响很大。同一个音源、同一个SPEAKER在不同声腔中播放效果的音色可能相差较大，有些比较悦耳，有些则比较单调。合理的音腔设计可以使音乐声更加悦耳。

• 音腔设计包括以下五个方面：后声腔、前声腔、出声孔、密闭性、防尘网等。

音腔对Speaker的影响

• 后音腔对声音的影响

后音腔主要影响音乐声的低频部分，对高频部分影响则较小。音乐声的低频部分对音质影响很大，低频波峰越靠左，低音就越突出，主观上会觉得音乐声比较悦耳。一般情况下，随着后音腔容积不断增大，其频响曲线的低频波峰会不断向左移动，使低频特性能够得到改善。但是两者之间关系是非线性的，当后音腔容积大于一定阈值时，它对低频的改善程度会急剧下降, 如图所示：

如上图，横坐标是后音腔的容积（cm^3），纵坐标是SPEAKER单体的低频谐振点与从音腔中发出声音的低频谐振点之差，单位Hz 。

后音腔的形状变化对频响曲线影响不大。但是如果后音腔中某一部分又扁、又细、又长，那么该部分可能会在某个频率段产生驻波，使音质急剧变差，因此，在音腔设计中，必须避免出现这种情况 。

注：后音腔设计时，必须保证后出声孔出气畅通，即后出声孔距离最近的挡板距离应大于后出声孔径的0.8倍。后腔的容积尽可能大 。

• 前音腔对声音的影响

前音腔对低频段影响不大，主要影响音乐声的高频部分。随着前音腔容积的增大，高频波峰会往不断左移动，高频谐振点会越来越低。前音腔太大或太小对声音都会产生不利的影响。同时，由于出声孔面积对高频也有较大的影响，因此设计前音腔时，需考虑出声孔的面积，一般情况下，前音腔越大，则出声孔面积也应该越大。    当前音腔过小时，还会造成一个问题，即出声孔的位置对高频的影响程度急剧增加，可能会给外观设计造成一定的困难。    结合设计的实际情况，一般希望前音腔的垫片压缩后的厚度在0.3~0.5mm之间。

• 出声孔面积对声音的影响

出声孔的面积（即在SPEAKER正面上总的投影有效面积）对声音影响很大，而且开孔的位置、分布是否均匀对声音也有一定的影响，其程度与前音腔容积有很大关系。一般情况下，前音腔越大，开孔的位置、分布对声音的影响程度就越小 。出声孔的面积对频响曲线的各个频段都有影响，在不同条件下，对不同频段的影响程度各不相同。当出声孔面积小于一定的阈值时，整个频响曲线的SPL值会急剧下降，即音乐声的声强损失很大，这在设计中是必须禁止的。当出声孔面积大于一定阈值时，随着面积增大，高频波峰、低频波峰都会向右移动，但高频变化的程度远比低频大，低频变化很小，即出声孔面积的变化主要影响频响曲线的高频性能，对低频性能影响不大 。

出声孔面积与高频谐振点的变化呈非线性关系，且与前音腔大小有一定的联系，如下图所示：

横坐标表示出声孔的面积，单位mm^2。纵坐标表示高频谐振点变化的对数值

综上所述，前音腔、出声孔面积设计推荐值如上表。表中:

最小值表示当出声孔面积小于该值时，整个频响曲线会受到较大影响，音量会极大衰减。有效范围表示出声孔面积在此范围之内，一般能满足基本要求。

需要强调是：如果出声孔在前音腔投影范围内，分布比较均匀，且过中心，那么可以取较小值，否则应取偏大一些的值。建议在一般情况下，不要取有效范围的极限值。

• 后腔密闭性对声音的影响

后音腔是否有效的密闭对声音的低频部分影响很大。

当后音腔出现泄漏时，低频会出现衰减，对音质造成损害，它的影响程度与泄漏面积、位置都有一定的关系,主要指箱体内部所构成的音腔或者泄漏孔对Speaker的性能或者声音产生的影响，如下页图示所示：声孔、前腔、内腔、泄  漏孔等等都会对NETBOOK的整体音质表现产生影响。

一般情况下，泄漏面积越大，低频衰减越厉害。泄漏面积与低频谐振点的衰减成近似线性的关系，如下图：

横坐标表示泄漏面积，单位mm^2。纵坐标表示无泄漏与有泄漏情况下低频谐振点之差

在同等泄漏面积情况下，后音腔越小，低频衰减越厉害，即泄漏造成的危害越大，如下图：

综上所述，建议结构设计时，应尽可能保证后音腔的密闭，否则可能会严重影响音质。

合适的设计是：首先要用RubberRing，即环形胶垫（Poron或EVA等）把Speaker与箱体外壳密封起来，使声音不会漏到NETBOOK内腔，然后就是声孔、前腔、内腔的合理配合。

泄漏孔主要是NETBOOK无法密封位置的声漏等效而成的，泄漏孔以远离Speaker为宜，即NETBOOK无法密封的位置要尽量远离Speaker，Speaker单体背面的发声孔一定要自由敞开，且要与整个机壳的后腔相通,这样可以使得NETBOOK的整机的音质表现较好。

• 防尘网对声音的影响

相比于其他几个因素，防尘网对声音的影响程度较小，它主要是影响频响曲线的低频峰值和高频峰值，其中对低频峰值影响较大。

防尘网对声音的影响程度主要取决于防尘网的声阻值和低频、高频峰值的大小。一般情况下，峰值越大，受到防尘网衰减的程度也越大。

防尘网主要有两个作用，防止灰尘和削弱低频峰值，以保护SPEAKER。目前，我们常用的防尘网一般在250＃～350＃之间，它们的声阻值都比较小，基本上在10Ω以下，对声音的影响很小，所以一般采用SPEAKER厂家提供的防尘网差异不会非常大。因此从防尘和声阻两个方面综合考虑，建议采用300＃左右的防尘网。

我们以往采用的不织布防尘网存在一个问题，由于不织布的不同区域密度不一样，因此不同区域声阻也不一样，可能会造成同一批防尘网的声阻一致性较差。但不织布的成本比防尘网低很多，因此建议设计中综合考虑性能和成本，

在高档机型中，尽可能不要采用不织布作为防尘网。

Speaker箱体对NETBOOK的影响

• Speaker箱体的安装位置

因NETBOOK工作时，CPU与硬盘的产生很高的温度，同时也会产生振动。所以Speaker箱体安装位置尽可能远离硬盘，这样可以使得NETBOOK的整机的音质表现较好。同样，Speaker箱体的工作也会影响硬盘的损坏。

• Speaker箱体的安装方式

在安装Speaker箱体时，与NETBOOK的接触部位需加橡胶圈、EVA等防震材料，防止产生共振。这样可以使得NETBOOK的整机的音质表现较好。

音腔结构设计

腔体对扬声器性能的影响分析

扬声器安装于机壳之后的结构见示意图

由此结构，可得其等效线路图为

其中：

Bl为机电转换系数；

eg为信号源的电压；

Re为扬声器直流阻；

Rg为信号源的内阻；

Sd为扬声器的有效辐射面积；

MAS为扬声器振膜与音圈的等效声质量；

CAS为扬声器振膜的等效声顺；

RAS为扬声器振膜的等效声阻；

MAR、RAR分别为扬声器振膜正面的辐射声质量及辐射声阻；

MAB、RAB分别为扬声器振膜背面的辐射声质量及辐射声阻；

MA1、RA1分别为扬声器支架背面开孔的等效声质量及等效声阻

（此部分声阻   也包括外加阻尼的等效声阻）；

MA2、RA2分别为机壳正面发音孔的等效声质量及等效声阻；

MAL、RAL分别为扬声器正面与机壳之间由于泄漏而产生的声质量及声阻；

CA1为扬声器振膜背面与盆架之间容积的等效声顺，CA1=V1/ρc^2；

CA2为扬声器振膜正面与机壳之间容积的等效声顺，CA2=V2/ρc^2；

CA3为扬声器背面与机壳之间后腔容积的等效声顺，CA3=V3/ρc^2；

扬声器在机壳正面的安装，均是将扬声器紧贴面板安装，故其正面的腔体容积V2很小，即CA2亦很小，在较低频时（一般指音频范围内）其产生的声抗很大，故此支路可看作开路。同理，扬声器振膜背面与支架之间形成的腔体容积也足够小，故此支路亦可看作开路。

另外，扬声器与机壳之间是密闭的，其产生的泄漏很小，故MAL、RAL支路很小，可以忽略。故图1的等效线路可以简化为下图所示的等效线路图

一般地，机壳正面无须增加任何的外加阻尼，而机壳本身的阻尼也很小，可以忽略不计，故RA2可以忽略。

对于扬声器来说，振膜本身的阻尼是很小的，通常需要外加阻尼来调节，即通过调节RA1来调节扬声器单体的性能（主要调节Qts） 。

令MA=MAS+ MAR + MAB + MA1+ MA2

RA=（Bl^2/((Rg+Re)*Sd^2)+ RAS+RAR+RAB+ RA1

则图3的等效线路可以简化为下图所示的等效线路。

对于特定的扬声器来说，MAS、 MAR 、 MAB均为定量，且从上式中可以看出，MA1、 MA2影响整体声质量MA，而辐射声压Pr为：

Pr=ρ/(4πr) * eg *Bl/((Rg+Re)*Sd*MA)*G(jw)

从上式中可以输出声压的辐值与MA成反比，故一般要求MA1、 MA2尽可能小。而

MA2 =ρ(l2+Δl2/S2 , MA1 =ρ(l1+Δl1)/S1,

其中，l1、l2为开孔的深度，Δl2、Δl1为开孔的末端校正，S1、S2为开孔的面积。

那么从上式中可以看出，要求发声孔的面积尽可能大

故要求机壳的开孔面积尽可能大。

另外，扬声器单体的fo=1/(2*π*(MA*CAS)^(1/2))；

而装机之后，系统的谐振频率fc=1/(2*π*(MA*CA)^(1/2))，由图4所示的等效线路图可知，CA是声顺CAS 和 CA3的串联：CA=( CAS * CA3)/( CAS + CA3)

由以上三式可得，fc=(1+( CAS / CA3))^(1/2)*fo

由此可以看出，扬声器的等效容积是一定的，而如果CA3越大，即V3越大，fc将会越低，越接近于扬声器单体的fo。反之，如果后腔容积V3越小，则扬声器装腔之后的整体fc将越高，整体的低频效果将越差。故一般要求在条件允许的情况下，后腔容积尽可能大；同时要利用机壳后腔所有可利用的容积，保证扬声器单体背面与整个后腔相通。故要求后腔的容积尽可能大。

再观察图1结构图及图2所示的等效线路图，如果机壳后腔中有障碍物将盆架背面的发声孔堵住，则等效线路图2中的CA3将变成无穷大，即CA3相当于短路。而以上亦描述过，机壳正面发声孔以及盆架背面的发声孔都尽可能的大，而且机壳正面发声孔阻尼也很小，故可忽略MA2、RA2、MA1；同时机壳正面的体积V2很小，此支路相当于开路；另外，忽略泄漏MAL、RAL，故图2中的等效线路可以简化为下图：

由上图中可得fo’=(1+CAS/ CA1)^(1/2) *fo

而一般CA1很小，通常要比CAS小得多，故导致结果fo’变得很高，最终结果是基本上不存在低频性能。

故扬声器单体背面的发声孔一定要自由敞开，且要与整个机壳的后腔相通。

图2 中描述到泄漏，也就是说，如果扬声器正面与机壳安装不密闭，则图2所示的等效线路中的泄漏阻将不能忽略。同上，忽略MA2、RA2、CA2 、CA1、 MA1，则图2中的等效线路图可以简化为图6中的等效线路图：

其中，MA’=MAS+ MAR + MAB  RA’=（Bl^2/((Rg+Re)*Sd^2)+ RAS+RAR+RAB

由上图可见，由于泄漏的存在而附加了一个额外的声阻及声质量，而且泄漏越厉害，这两者的值越大。而声质量影响其输出声压，声质量越大，输出声压越低；而声阻则影响低频端的Q值：声阻越大，Q值越小，则低频端的灵敏度越低。可见两者均会影响机壳正面的输出灵敏度。

故扬声器正面必须与机壳密闭，不能存在泄漏。