音箱七种内部结构图及应用设计

描述

　　音箱概述

　　音箱指可将音频信号变换为声音的一种设备。通俗的讲就是指音箱主机箱体或低音炮箱体内自带功率放大器，对音频信号进行放大处理后由音箱本身回放出声音，使其声音变大。

　　音箱是整个音响系统的终端，其作用是把音频电能转换成相应的声能，并把它辐射到空间去。它是音响系统极其重要的组成部分，担负着把电信号转变成声信号供人的耳朵直接聆听的任务。

　　音箱的工作原理

　　要知道音箱发声的原理，我们首先需要了解声音的传播途径。声音的传播需要介质（真空不能传声）；声间要靠一切气体，液体、固体作媒介传播出去，这些作为传播媒介的物质称为介质。就好比水波，你往平静的水面上抛一个石子，水面就有波浪，再由对岸传播到4周；声波也是这样形成的。声波的频率在20——20，000Hz范围内，能够被人耳听到；低于或高于这个范围，人耳都听不到。波与声波的传播方式是一样的，通过介质的传播，人耳才能听到声音。声波可以在气体、固体、液体中传播。

　　下面在来说说喇叭的工作原理。喇叭是把电信号转换为声信号的一种装置，它由线圈、磁铁、纸盆等组成。由放大器输出大小不等的电流（交流电）通过线圈在磁场的作用下使线圈移动，线圈连接在纸盆上带动纸盆震动，再由纸盆的震动推动空气，从而发出声音。

　　喇叭的发声原理

　　当喇叭接收到由音源设备输出的电信号时，电流会通过喇叭上的线圈，并产生磁场反应。而通过线圈的电流是交变电流，它的正负极是不断变化的；正极和负极相遇会相互吸引，线圈受到喇叭上磁铁的吸引向后（箱体内）运动；正极和正极相遇则相互排斥，线圈向外（箱体外）运动。这一收一扩的节奏会产生声波和气流，并发出声音，它和我们讲话的喉咙振动是同样的效果。

　　频率响应曲线SPL vs Freq

　　人耳所能听到的频率范围为20Hz─20KHz，（ 《20hz称为次声，》20KHz称为超声 ）图标纵坐标─表示声压级，单位是dB。图标横坐标─表示频率，单位是Hz。

　　图标左侧为低音单体频响曲线，右侧为高音单体，包含左右的是音箱。从频响曲线可以知道几个重要参数：

　　特性灵敏度（SPL）：以一瓦电功率，在一米距离处所测得的声压，并由频响曲线取四个点所得平均值即为平均音压。

　　有效频率范围（F0~20KHz）：可由SPL-10 dB，这样一条直线与曲线相交两点，这两点之间就是有效频率范围。如上图音箱的有效频率范围是45Hz─20KHz，低音单体有效频率范围是40Hz─3KHz，高音单体有效频率范围则是1800Hz─20KHz。频响曲线越平直越好，带宽则越宽越好。

　　从阻抗曲线可以知道几个重要参数：

　　阻抗值（Ohm）：

　　图示波峰过后最低点对应纵坐标即为阻抗值。

　　最低共振周波数（F0）：

　　单体喇叭（单峰）─以阻抗曲线波峰对应横坐标的点即为F0。音箱喇叭（双峰）─以阻抗曲线第一波峰与第二波峰间的波谷对应横坐标的点即为Fb，第一波峰为导音管F0，第二波峰则为单体F0。音箱喇叭+高音单体（三峰）─仍以阻抗曲线波峰与波峰间的波谷对应横坐标的点即为Fb，第三波峰即为高音单体的F0。

　　1.直流阻抗（Ohm）：

　　以静态扬声器来测其阻抗，所以求的的结果是直流阻抗，就是音圈上所绕的铜线总长的阻抗值。直流阻抗不受频率的影响。

　　2.交流阻抗（Ohm）：

　　在动态的扬声器，即通电以后所求得的交流阻抗值。

　　（ 通常对音圈的公差要求是±15%。）

　　3.标准输入功率（W）：就是扬声器的额定承受功率，为保证值。

　　4.最大输入功率（W）：指扬声器的最大承受功率，仅承受1秒内峰值电压，非保证值。

　　5.出力音压，又称灵敏度（dB）：

　　灵敏度也叫特性灵敏度，一般规定为扬声器放在消声室隔板上输入端加上相当于在额定阻抗上一瓦电功率的信号电压时，在参考轴上离参考点一米处产生的音压时，用分贝“（dB）”单位表示特性灵敏度。扬声器灵敏度高低与扬声器振动系统的性能及气隙中磁感应强度的大小有较大关系。

　　6、极性：

　　在扬声器的输入端加上脉冲直流信号，如果振摸向前推动，则与直流电压正端相接的为喇叭的正极，反之为负极，如果接反，则喇叭振动的相位将不正确。

　　音箱的组成

　　音箱（扬声器系统）一般主要由扬声器、箱体和分频器等组成。

　　1.扬声器

　　扬声器（俗称喇叭）的作用是将功率放大器输出的电信号转换成声音信号再辐射出去。

　　（1）扬声器的分类

　　扬声器有多种分类方式：按其换能方式可分为电动式、电磁式、压电式、数字式等多种；按振膜结构可分为单纸盆、复合纸盆、复合号筒、同轴等多种；按振膜形状可分为锥盆式、球顶式、平板式、带式等多种；按重放频带可分为高频、中频、低频和全频带扬声器；按磁路形式可分为外磁式、内磁式、双磁路式和屏蔽式等多种；按磁路性质可分为铁氧体磁体、钕铁硼磁体、铝镍钴磁体扬声器；按振膜材料可分为纸质和非纸盆扬声器……

　　（2）电动式扬声器

　　电动式扬声器是民用音响系统中应用最多的一种，它是利用音圈与恒定磁场之间的相互作用力使振膜振动而发声的。电动式的低音扬声器以锥盆式居多，中音扬声器多为锥盆式或球顶式，高音扬声器则以球顶式和带式、号筒式为常用。

　　锥盆式扬声器的结构简单，能量转换效率较高。它使用的振膜材料以纸浆材料为主，或掺人羊毛、蚕丝、碳纤维等材料（或涂胶），以增加其刚性、内阻尼及防水等性能。新一代电动式锥盆扬声器使用了非纸质振膜材料，如聚丙烯、云母碳化聚丙烯、碳纤维编织、防弹布、硬质铝箔、CD波纹、玻璃纤维等复合材料，性能进一步提高。

　　球顶式扬声器有软球顶和硬球顶之分。软球顶扬声器的振膜采用蚕丝、丝绢、浸渍酚醛树脂的棉布、化纤及复台材料，其特点是重放音质柔美；硬球顶扬声器的振膜采用铝合金、钛合金及铍合金等材料，其特点是重放音质清脆。

　　号筒式扬声器的辐射方式与锥盆扬声器不同，它是在振膜振动后，声音经过号筒再扩散出去。其特点是电声转换及辐射效率高、距离远、失真小，但重放频带及指向性较窄。

　　带式扬声器的音圈直接制作在整个振膜（铝台金或聚酰亚胺薄膜等）上，音圈与振膜间直接耦合。音圈产生的交变磁场与恒磁场相互作用，使带式振膜振动而辐射出声波。其特点是响应速度快、失真小，重放音质细腻、层次感好。

　　2.箱体

　　箱体用来消除扬声器单元的声短路、抑制其声共振，拓宽其频响范围，减小失真。

　　音箱的箱体外形结构有书架式和落地式之分，还有立式和卧式之分。箱体内部结构又有密闭式、倒相式、带通式、空纸盆式、迷宫式、双腔双开口式、1／4波长加载式、对称驱动式和号筒式等多种形式，使用最多的是密闭式、倒相式和带通式，如下图所示。

　　3.分频器

　　分频器有功率分频器和电子分频器之分，主要作用均是频带分割、幅频特性与相频特性校正、阻抗补偿与衰减等作用。

　　功率分频器也称无源式后级分频器，是在功率放大器之后进行分频的。它主要由电感（L）、电阻（R）、电容（C）等无源元件组成滤波器网络，把各频段的音频信号分别送到相应频段的扬声器中去重放。其特点是制作成本低，结构简单，适合业余制作，但插入损耗大、效率低、瞬态特性较差。

　　电子分频器也称有源式前级分频器，是由各种阻容元件与晶体管或集成电路等有源器件组成，它是置于前置放大器和功率放大器信号线路中的一种模拟电子滤波器，能把前置放大器输出的音频信号分成不同频段后，再送人功率放大器进行放大处理。其特点是各频段频谱平衡、相互干扰小、输出动态范围大，本身有一定的放大能力，插入损耗较小。但因电路复杂一些，业余制作的难度较功率分频器要大。

　　分频器按分频频段可分为二分频、三分频和四分频。二分频是将音频信号的整个频带划分成高频和低频两个频段；三分频是将整个频带划分成高频、中频和低频三个频段；四分频将三分频多划分出一个超低频段。业余条件下制作音箱，以二分频和三分频为主。

　　分频点与分频斜率是直接影响分频器的分频频率（交叉频率）。

　　分频点是指两个相邻扬声器（如二分频中的高音与低音，三分频中的高音与中音、中音与低音）的频响曲线在某一频率上的相交点，通常为两个扬声器中功率输出的一半处（即一3dB点）的频率，要根据音箱和每个扬声器的频率特性和失真度等参数决定。通常二分频分频器的分频点取lkHz～3k之间，三分频取250Hz～1kHz和5kHz两个分频点。

　　分频斜率（也称滤波器的衰减斜率）用来反映分频点以下频响曲线的下降斜率，用分贝／倍频程（dB／oct））来表示。它有一阶（6dB／oct）、二阶（12dB／oct）、三阶（18dB／oct））和四阶（24dB／oct））之分，阶数越高，分频点后的频率曲线斜率就越大。较常用的是二阶分频斜率。高阶分频器可增加斜率但相移较大，低阶分频器能产生较平缓的斜率和很好的瞬态响应，但幅频特性较差。决定高、低音滤波的阶数主要应考虑到扬声器本身在分频点处相位的良好衔接问题。

　　七种音箱内部结构图

　　1、密闭式音箱

　　是结构最简单的扬声器系统，1923年由FrederI Ck提出，简单地说，就是扬声器单元装在一个全密封箱体内。它能将扬声器的前向辐射声波和后向辐射声波完全隔离，但由于密闭式箱体的存在，增加了扬声器运动质量产生共振的刚性，使扬声器的最低共振频率上升。

　　密闭式音箱的声色有些深沉，但低音分析力好，使用普通硬折环扬声器时，为了得到满意的低音重放，需要采用容积大的大型箱体，新式的密闭音箱大多选用Q值适当的高顺性扬声器。利用封闭在箱体中的压缩空气质量的弹性作用，尽管扬声器装在较小的箱体中，锥盆后面的气垫会对锥盆施加反动力，所以这种小型密闭式音箱也称气垫式音箱。

　　2、低音反射式音箱（倒相式音箱）

　　低音反射式音箱也称倒相式音箱，1930年由Thuras发明。在它的负载中有一个出声口开孔在箱体一个面板上，开孔位置和形状有多种，但大多数在孔内还装有声导管。箱体的内容积和声导管孔的关系，根据兹共振原理，在某特定频率产生共振，称反共振频率。扬声器后向辐射的声波经导管倒相后，由出声口辐射到前方，与扬声器前向辐射声波进行同相迭加。

　　它能提供比密闭式更宽的带宽，具有更高的灵敏度，较小的失真。理想状态上，低频重放频率的下限可比扬声器共振频低20%之多。这种音箱用较小箱体就能重放出丰富的低音，是目前应用最为广泛的类型。

　　3、声阻式音箱

　　实质上是一种倒相式音箱的变形，它以吸声材料或结构填充在出声口导管内，作为半密闭箱控制倒相作用，使之缓冲，以降低反共振频率来展宽低音重放频段。

　　4、传输线式音箱

　　是以古典电气理论的传输线命名的，在扬声器背后设有用吸声性壁板做成的声导管，其长度是所需提升低频声音波长的1/4或1/8。

　　理论上它衰减由锥盆后面来的声波，防止其反射到开口端而影响低音扬声器的声辐射，但实际上传输线式音箱具有轻度阻尼和调谐作用，增加了扬声器在共振频率附近或以下的声输出，并在增强低音输出的同时减小冲程量。通常这种音箱的声导管大多迭呈迷宫状，所以也称迷宫式或曲径式。

　　5、无源式辐射式音箱

　　是低音反射式音箱的分支，又称空纸盆式音箱，是1954年美国的Olson和Preston发表的，它的开孔出声口由一个没有磁路和音圈的空纸盆（无源锥盆）取代，无源锥盆振动产生的辐射与扬声器向前辐射声处于同相工作状态，利用箱体内空气和无源锥盆支撑组件共同构成的复合声顺和无源锥盆质量形成谐振，增强低音。

　　这种音箱的主要优点是避免了反射出声孔产生的不稳定的声音，即使容积不大也能获得良好的声辐射效果，所以灵敏度高，可有效地减小扬声器工作辐度，驻波影响小，声音清晰透明。

　　6、耦合腔式音箱

　　是介于密闭式和低音反射式之间的一种箱体结构，1953年美国的Henry Lang发表，它的输出由锥盆一边所驱动的出声孔输出，锥盆另一边则与一闭箱耦合。

　　这种音箱的优点为低频时扬声器所推动的空气量大大增加，由于耦合腔是个调谐系统，在锥盆运动受限制时，出声口输出不超过单独锥盆的声输出，展阔了低频重放范围，所以失真减小，承受功率增大。1969年日本Lo-d的河岛幸彦发表的A·S·W（AcoustICSuperWoofer）音箱就是一种耦合腔式音箱，适于用小口径长冲程扬声器不失真重放低音。

　　7、号筒式音箱

　　对家用型来讲，多采用折迭号筒形式，它的号筒喇叭口在口部与较大空气负载耦合，驱动端直径很小，这种音箱的背面是全密封，箱腔内的压力都多在扬声器锥盆的背面上。

　　为保锥盆前后压力保持平衡，倒相号筒装置于扬声器前面。折迭号筒音箱是倒相式音箱的派生，其声响效果优于密闭式音箱的一般低音反射式音箱。