分割振动的出现,使得频率响应不再平滑,出现许多峰谷,并产生失真。很多金属锥盆严重的分割振动的谐振峰(也有人称之为盆裂峰、共振峰)的高度可以高达10dB以上。除了峰以外,分割振动的谐振现象在频响曲线上也可能表现为谷。金属盆的分割振动谐振峰明显,并不意味着非金属锥盘就没有严重的分割振动,而可能是更严重(在较低的频率就开始了,我曾经开玩笑地形容说“高频基本靠抖”)。但是许多非金属材料,如纸、聚丙烯、具有良好的内阻尼,较好地吸收了这些分割振动的能量,所以在频率响应曲线上看,谐振产生的峰谷不是很明显,但毕竟存在。这些谐振严重时也可以从阻抗曲线上看出来。如下图所示的曲线:为了提高内阻尼,有些锥盆表面还涂上某种胶水。而锥盆表面有时也做出各种形状的加强筋,主要目的也是抑制分割振动。重播的上限还与锥盆的质量以及形状有关,如盆剖面是直线形、抛物线型还是指数形,盆的顶角等等。锥盆的质量也影响重播的下限。喇叭单元,特别是高音单元中,振膜(这时候不能叫锥盆了)的形状还影响重播声音的指向性。一般来说球顶的指向性比反球顶的广。一种很特殊的振膜形状是平板振膜:一般来说,平板振膜由于消除了锥形振膜中存在的前室效应,所以一定程度上可以抑制中频谷,但指向性不好,目前大多数平板扬声器的音质也不是很理想。三、防尘罩防尘罩么,不就是个盖子,有啥好说的?没错,盖子是它的首要功能,防止异物落在磁隙中影响音圈的运动。它做为一个盖子,同时还具有一个和折环一样的功能,就是把锥盆前后方的空气隔离开,避免向后辐射的声音绕到前方,而造成声短路。(但事实上有少数单元的防尘罩特意留有小孔,为什么呢?(为了释放音圈运动时,在音圈与导磁柱之间的气压变化。但从这些小孔泄露出来的声辐射与锥盆的正向声辐射反相,会造成一些不良影响。)但是防尘罩是粘在振膜的中央和振膜一起运动的,所以它也会推动空气,产生声辐射,因此防尘罩也会影响音质。不同的防尘罩,形状和材质不同,常见的是鼓起来的一个球顶形状的,也有凹下去的,如下图的喇叭用的:也有些防尘罩与振膜是一体成形的,如Dynaudio的低音单元,采用大音圈的同时使用大型的一体成形防尘罩,这样的防尘罩使得整个锥盆的形状有点接近平板振膜,好处是可以抑制中频谷,并且组装的工艺可以简化:另外,防尘罩的材质也会影响单元的频率响应。出于市场的考虑,防尘罩还被赋予了重要的装饰功能,特别是在车用超低音单元上。
不少单元并没有防尘罩,比如SEAS的许多单元在导磁柱上安了一个金属的相位塞,这防尘罩就没地方装了。相位塞可以改变声波传递的途径,对声音输出有一定的影响,但单元的防尘功能就差了一些,后向辐射也会在一定程度上“泄露”到前方来。对于SEAS的一些单元来说,金属相位塞最重要的优点应该是它加强了音圈的散热,可以提高单元的功率。带相位塞单元的有效振动面积的计算方法有别于带防尘罩的单元,差别在哪里?(相位塞本身是不运动的,不产生声输出。因此要减去相位塞及周围缝隙的面积。)四、定心支片定心支片,又叫弹波。是连接锥形振膜和音圈的一个圆形波纹状元件,具有类似水波纹的外形。它的功能主要是为锥盆的运动提供回复力,并使音圈在运动时仍能保持在磁隙中的正确位置。除此之外,它还能防止异物落入磁隙。虽然很少被人注意到,但在高保真低音单元中,定心支片的性能对单元低音的重播有非常重要的影响。它不仅和锥盆、折环以及音圈一起决定单元的fs、Qts等T/S参数,还影响单元的动态、失真等性能。大声压下单元的性能与定心支片有很大的关系,但是目前国内相关行业对这方面的认识似乎还不是很充分。
定心支片一般用棉、麻、聚亚胺、NOMEX等纤维织成的布做成,然后浸上树脂使之定形(波浪形)、变硬。力-位移曲线是定心支片的基本参数。新单元的定心支片比较硬,经过一定时间的工作之后会慢慢变松,使得单元整体的fs、Qts等均发生变化,这也是“煲”喇叭的主要原因。
喇叭发弹性部分(定心支片折环)和质量部分(音圈、锥形振膜)共同决定扬声器的谐振频率以及工作范围。针对DJ和俱乐部设计的扬声器中用到特殊的折环,在锥形振膜超出普通的线性工作范围时,这样的折环能提供更强的非线性回复力。五、盆架盆架是整个喇叭单元的骨架,大多数部件都直接或间接地固定在盆架上。但它对声音的影响却相对较小。盆架主要用铁皮、铸铝或塑料做成。大家都喜欢铸铝的盆架,因为看起来摸起来都很爽。铁皮盆架和塑料盆架的成本当然要低许多。至于盆架对声音的影响,主要在两个方面,一方面是盆架的刚性不够时,可能在单元工作时产生谐振,那就会使频率响应产生峰谷,并导致失真,但这个问题通常都比较轻微。另一个方面,设计不良的盆架可能会使锥盆后方的气流受到影响,声波在盆架内的反射也会影响声音的输出。所以现代的高保真低音单元的盆架都是相当的开放,比如这个scanspeak的新设计:还有AT的这个设计:上面这个单元在定心支片下加了一块海绵,是什么作用?(由于设计定心支片下方的盆架几乎完全敞开,异物容易落入磁隙,海绵可以避免这一点。)六、音圈
音圈是缠绕在音圈骨架上的漆包线圈组件。音圈准确置于磁隙中心,音圈和磁体组成了扬声器的驱动部分,音圈能提供的驱动力是与音圈线的长度成比例的。
音圈位于磁隙中的那部分决定了扬声器单元的线性工作范围。这个范围一般以mm计算,标记为Xmax。低频扬声器的线性范围可达16mm。观察这个量值,再考虑到扬声器的散热能力,就能够了解扬声器在大信号下的工作状态。有时候,音圈的骨架采用聚酰亚胺薄膜以利于散热。
扬声器的驱动部分(即磁体+音圈)。将音圈线长度l乘以磁通密度B,就得到了扬声器的机电耦合因数Bl。这个值说明了电流一定时作用于扬声器振膜上的力。将Bl乘以电流i,即得到具体的力的数值。一般来说,设计扬声器的时候希望Bl值尽可能大,而扬声器振膜的质量要小,以便获得较大的灵敏度。在20世纪50年代,由于磁体材料等限制,Bl值做不大,巧妙采用了声学上加号筒的方法,才实现了大灵敏度。
和爱迪生最初的发明一样,号筒式扬声器的振膜到外界空气由一根截面积渐变的管道连接,以便实现较好的声阻抗匹配。如今的扬声器技术上有了进步,驱动部分的效率已经足够高,不再用带来失真的号筒了。不过,经过合理化的设计,家用扬声器系统中还是可以将号筒的失真降低到合理程度的。事实上,时至今日仍然有成功的号筒类产品出现。同时,在礼堂和俱乐部的户外广播系统上,效率有时候还是不够,也借助号筒实现扩声。
九、音圈骨架上图中,音圈骨架为什么大多数切开一个细槽?(减少金属骨架在磁场中运动时产生的涡流。) 音圈是喇叭单元发声的中心部件,喇叭完成从电能到机械能的转换,就是依靠音圈来进行的。音圈处在上夹板与导磁柱围成的磁隙中,当电流通过时,就产生力,发生运动。这个力是磁隙中的磁通密度与音圈导线长度的乘积,记为BL,它也是喇叭单元的重要参数之一。 音圈的工作与磁路关系非常密切,首先是它们几何尺寸的相对大小就会明显影响喇叭单元的声音表现。按照音圈绕线的宽度与磁隙高度之间的关系,可以把喇叭单元的音圈磁路结构分成两大类,一类是长音圈结构,另一类是短音圈结构。如下图所示:一款长音圈设计的AT单元剖面图,注意图中音圈绕宽与磁隙高度的关系:上图中,磁隙高度是否与上夹板厚度相等?为什么?(不相等,上夹板内侧收细,使得磁隙高度小于上夹板厚度。为了提高磁隙的磁通密度,增大BL。)
磁隙指的是磁铁南北极之间的缝隙。磁路设计成特定的形状,在其南北极之间形成磁场强度较大而均匀的区域。音圈就在这个区域内工作,使其上的交流电产生的电磁场与磁铁的磁场发生作用。这样导致作用于音圈的力;力的方向符合“左手定则”,音圈和锥形振膜会因此而做活塞运动。 由于磁隙中的磁场是比较均匀的,而磁隙外的磁场是不均匀的。所以在一定范围内,也就是所谓的线性冲程内,短音圈结构利用的始终是均匀的磁场,而长音圈利用的磁场中总有一部分是不均匀的,所以一般而言,短音圈结构天生具有较低的失真,但只能利用磁场的一部分,效率很低;而长音圈失真较高,但效率也较高,有利于控制成本。所以现在大多数喇叭单元为长音圈结构,短音圈结构则很少见,而且大多数是用在高音单元或中音单元上。上面给出的scanspeak的低音单元是少数短音圈设计的低音单元之一。 根据这些原理可知,对于短音圈结构,线性冲程的计算方法一般为(磁隙度度-音圈绕宽)/2。长音圈结构的线性冲程应如何计算?((音圈绕宽-磁隙高度)/2)因此,为了得到足够的线性冲程,短音圈结构的低音单元通常具有非常厚的上夹板和很窄的音圈绕宽,但非常厚的上夹板又会让磁隙中的磁通密度下降,加上短音圈只能利用其中一部分的磁能,所以要得到适当的效率,就要使用巨大的磁体。下图是aune开发中的某款3寸小单元,磁体直径比振膜还大,上夹板与磁体差不多厚,高达8mm(多数6-8寸hifi单元的上夹板厚度为4-5mm): 音圈上的绕线层数可以从1层到多层,有很大的变化,它与绕线的宽度和线径,一起决定绕线的长度、音圈的质量和电感等,从而进一步影响单元的阻抗特性、频率特性、功率承受能力等。常见的是2层与4层。一般来说多层音圈的电感较大所以高频响应较差。但上图中的小单元绕线层数高达8层,却依然保持了很宽的重放带宽。 音圈线有铜线和铝线以及铜包铝线,其中铜包铝线的综合性能较优。音圈线的截面形状又有圆形和扁平之分,扁平线有利于提高效率。 喇叭单元的额定功率与音圈关系最大,可以说单元的额定功率接近于音圈不被烧伤烧毁的最大功率。其中,音圈的直径、导线的漆膜耐温性以及音圈骨架的种类有很重要的影响。 音圈骨架常用的材料可以分为金属与非金属。非金属的主要有纸、聚酰亚胺、云母增强树脂等;金属材料常用的有铝和黄铜,其中铝合金是目前大功率单元最常用的音圈骨架材料。 由于金属在磁场中运动时会切割磁力线而产生涡流,所以要在骨架上纵向切开一个细缝。但这个细缝并不能杜绝涡流的产生,而涡流又导致损耗、失真和阻尼,所以铝骨架音圈的Qms一般较非金属骨架低。非金属骨架则不存在涡流现象,因而具有较高的Qms,同时也避免了涡流导致的失真。八、磁体
磁体在喇叭单元发展的最初阶段采用过电磁铁,也就是励磁电路,现在基本上完全被永磁体代替(除了极少数发烧友自己玩的)。喇叭单元的磁体类型主要有铁氧体、钕铁硼和铝镍钴三大类,铝镍钴具有很好的特性,但价格太高,现在很少采用。铁氧体成本低且稳定,使用最多。钕铁硼磁能积高,与铁氧体相比磁能积高出35倍之多。 钕铁硼使用也较广泛,但居里点较低,也就是不耐热。最近稀土价格猛涨,也波及了喇叭磁体市场。
磁体的优劣是根据剩余磁感应强度和动态矫顽磁力来评价的。喇叭的大小和质量直接决定着驱动系统的能力。有时候为了增加磁场强度,喇叭会采用双磁和三磁体的设计。
七、上夹板
十、导磁板柱上夹板又叫前夹板、华司等。导磁板柱又叫T铁,它又可以分成下(后)夹板(与上夹板合称导磁板)和导磁柱两个部分。它们和磁体共同构成了单元的磁路系统。导磁板与导磁柱一般用低碳钢或纯铁制成,要求磁导率高。上面对长短音圈结构的图解中所示的磁路是最常用的外磁式磁路,另一种较少采用的是内磁式磁路,其结构如下图看示(磁体位置标错了,应该在所标的上方): 磁路系统还包括一个本帖第二个图上看不出来的但非常重要的部分--磁隙。磁隙并不是一个实体的部件,而是由导磁柱和上夹板围出来的一个磁场强度很高的狭缝,可以说磁体、导磁柱和导磁板都是为了形成这个磁隙而存在的。磁隙及其附近磁场的对称性和均匀性对喇叭单元的失真有重大的影响。因此对磁路的磁场特性进行分析和模拟在磁路设计中有极为重要的作用,但在过去,这是很困难的工作,近年来有限元法的发展为这个分析与模拟提供了可能。下图是对一个磁路的有限元分析结果: 观察上图磁隙中代表磁通密度的色彩可知,这个磁路设计的磁场是不对称、不均匀的(兰绿不均),可以进一步优化设计,得到下面的结果: 可以看出,通过改变磁路各部分的结构(延长导磁柱,使它高出上夹板,把导磁柱中央去掉一部分,并把导磁柱做成T形(导磁柱在磁隙下方收窄)等),可以有效地得到均匀的磁场,从而减少失真。图中所示表明,优化后的磁路不仅磁隙内的磁场有良好的对称性,磁隙外的杂散场也相当地对称。 虽然短音圈结构天生具有较低的失真,但从上面的例子可以很容易地推测,设计良好的长音圈结构的性能可以优于随便设计的短音圈结构。 另一类有效改进磁场对称性和均匀性的办法是在磁路中附加铜或铝质的短路环,现在在高保真单元上已经大量使用,比如SEAS EXCEL系列,全线在磁路中使用短路环。以下是scanspeak一个单元,图中可以看到一个铜环套在导磁柱上: 短路环的使用不仅可以减少磁路带来的失真,还可以减少音圈电感,从而提升单元重放的高频。某个单元是否使用短路环能不能从阻抗曲线上看出来?(带有短路环的单元具有较小的电感,因此阻抗曲线高频段上翘幅度要小于不带短路环的单元。)十一、气孔 这个结构是贯穿T铁中央的一个孔道,并不存在于所有的单元上。有不少单元没有这样的结构。 为什么会有这样的结构,得从音圈和它的运动说起。音圈的上端固定在锥盆底部,是密封的,而另一端套在导磁柱上,这样,音圈与导磁柱顶部就有一个不完全密封的小室,因为在音圈与磁隙之间,内外侧都有细小的缝,使这个小室可以通向单元之外,但这个细缝很小,气流通过有较大的阻力。当音圈前后运动时,这个小室的体积不断改变,小室气压也随着改变,相当一个带阻尼的空气弹簧安装在音圈中,将对单元的工作造成意外影响。因此必须在适当的位置开孔,使小室的空气可以顺畅进出。在导磁柱上开这个气孔的主要目的就是这个。当然还有别的方案,上面提到少数单元的防尘罩带有小孔,也是这个原因。还有的单元在音圈骨架上打出许多小孔,也可以起到同样的作用: 进出这个小室的气流还有个很重要的作用,就是把音圈工作时产生的大量热量带走。所以一般认为导磁柱上这个气孔是用来散热用的,也因此许多单元的气孔越开越大。这个气孔是不是越大越有利于散热呢?有研究表明,并非如此。据klippel的一项研究表明,较小的气孔散热效果更好。. 此外,一个喇叭单元还要包括引线、接线端子等小配件,这里就不描述了。
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