電聲換能器與揚聲器打摩

吳 迪（鄭州市電子信息工程學校 河南 鄭州 450007）

為什么國產(chǎn)揚聲器的價格僅為進口產(chǎn)品的十分之一?為什么國產(chǎn)喇叭的音質(zhì)一般都比進口產(chǎn)品差？為什么發(fā)燒友寧愿花大的代價也不愿換用低端國產(chǎn)音響？我們忽視了一些基礎(chǔ)的東西，電聲換能器是打摩揚聲器必不可少的理論依據(jù)，希望音響界對它給予足夠的重視。

1 電聲換能器的分類

電聲換能器主要有以下四類：

1.1 電動式：電動式換能器是利用安培定律和電磁感應定律將聲能和電能相互轉(zhuǎn)換的換能器。圖1所示為電動式揚聲器的工作原理截面圖，線圈放置在環(huán)狀磁隙中，當導體通過音頻電流時，導體在磁場內(nèi)做切割磁力線運動，帶動振膜發(fā)出聲音，實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換。

圖1

圖2

1.2 電容式：電容式換能器是利用電容極板間的靜電力實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換的。圖2所示當可變電容兩極板間加有音頻信號時，由于極板間電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生變化的電場力，將電能轉(zhuǎn)化成聲能。

1.3 壓電式：壓電式換能器是利用壓電效應實現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的，多用壓電陶瓷等晶體制造。

1.4 氣流調(diào)制式：氣流調(diào)制式只能將電能轉(zhuǎn)化成聲能，但這種換能器輸出功率可達幾千瓦，適用于遠距離擴聲、遠程報警等場合。

2 換能器的等效四端網(wǎng)絡

將換能器建立成數(shù)學模型，有助于對其進行分析和計算。

2.1 電動式換能器的等效四端網(wǎng)絡：如圖1所示，線圈處于環(huán)形磁隙中，假設通過線圈的電流是I，磁感應強度為B，線圈總長為L，由安培定律可知線圈受力為BLI。若振膜上受外力為F，則振動系統(tǒng)受合力為F+BLI。換能器的力方程就可寫成F+BLI=ZmoV公式中V表示振膜振速，Zmo表示系統(tǒng)開路阻抗Zmo=Rmo+jωMmo+j/（ωCmo），公式中 Rmo為等效力阻，Mmo為等效質(zhì)量，Cmo為等效力順。經(jīng)過分析，我們可以畫出電動式換能器的等效網(wǎng)絡如圖3所示。

圖3

2.2 電容式換能器的等效四端網(wǎng)絡：根據(jù)電容的基本原理和換能器的力學特點，我們也可以得到電容式的等效網(wǎng)絡如圖4所示。電容式換能器的力方程為 F-UI/（jωXo）=ZmoV

圖4

公式中U表示極板間電壓，Uo表示極板間的初始極化電壓，Xo表示極板間的距離。

3 了解換能器的意義

當換能器作為電聲器件時，我們不僅希望它的輸入輸出成線性關(guān)系，而且希望它的頻率特性是平坦均勻的。多數(shù)換能器在20—20KHz音頻的中低頻段近似認為是集中參數(shù)系統(tǒng)，而這樣一個系統(tǒng)，都存在一個共振頻率ωo。我們對這種換能器或設備有三種控制方法：一種為力阻控制，調(diào)節(jié)Rmo（或者Q）；一種為質(zhì)量控制，調(diào)節(jié)Mmo；一種為彈性控制，調(diào)節(jié)Cmo。這是打摩音箱或音響設備的根本理論依據(jù)。

4 揚聲器的打摩與改造

揚聲器是將電能轉(zhuǎn)換成聲能的換能器，電學端是它的輸入端，力學端是它的輸出端，輸出負載是振膜的輻射阻抗。利用換能器的等效網(wǎng)絡，可以畫出揚聲器的等效線路，然后對它進行分析與改進。

4.1 對音圈的打摩與改造

采用長音圈或短音圈代替普通音圈：加長或縮短音圈是為減小由磁場不均所產(chǎn)生的非線性矢真，主要應用于低音揚聲器，但短音圈在球頂式揚聲器中也多有應用。短音圈指的是音圈長度比磁隙長度小，一般取的音圈長度小于導磁板厚度與2倍音圈最大振幅之差，使音圈在振動時不致于跳出磁場均勻區(qū)，避免了非線性矢真。但這種方法磁場的利用率較低，為了達到一定的靈敏度和功率必須增大磁鋼的體積。所謂長音圈的音圈長度一般超過導磁板厚度與2倍音圈最大振幅之和，使音圈振動時切割決大部分磁力線，使平均磁感應強度保持恒定。但由于平均磁場比勻強磁場弱，因此揚聲器的靈敏度也會降低，但為了得到優(yōu)美的聲音，犧牲一些靈敏度和增大磁鋼體積也是值得的。圖5分別為短音圈、普通音圈和長音圈示意圖。

圖5

音圈截面的打摩：導線截面有圓形和矩形之分，矩形截面導線能有效地利用空間，使磁通均勻，但繞制較困難，只出現(xiàn)在高級揚聲器中。音圈繞制的層數(shù)應該取偶數(shù)，即兩層或四層，現(xiàn)在多數(shù)揚聲器都應做這樣的改造。另外音圈所用的材料主要有銅、鋁、銅包鋁三種，銅線可焊性好，鋁線效率高，銅包鋁線有二者的優(yōu)點。

4.2 對紙盆的打摩與改造

改造紙盆形狀：按紙盆母線可將紙盆分為直線形、指數(shù)形、拋物線形三種，如圖6所示。拋物線形紙盆半頂角大，高頻上限附近有一個尖峰，適合做低音揚聲器。直線形紙盆比較多見，適合做低音揚聲器，但頻響曲線不夠平直。指數(shù)形紙盆半頂角小，沒有明顯峰值，適合做寬頻帶和高音揚聲器，但不適合做中低音揚聲器。

圖6 不同母線形狀揚聲器及其頻響示意圖

改造紙盆內(nèi)部結(jié)構(gòu)：紙盆材質(zhì)結(jié)構(gòu)分為單層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和蜂巢結(jié)構(gòu)三種。目前多數(shù)揚聲器為單層纖維結(jié)構(gòu)，由于各種纖維形狀不同，比例不均勻，透氣性也不能滿足要求，放音會出現(xiàn)局部共振和分割矢真，要想得到更好的音質(zhì)，必須對紙盆進行打摩和改造。多層結(jié)構(gòu)紙盆由性質(zhì)不同的材料疊積組成。蜂巢結(jié)構(gòu)紙盆為中空構(gòu)造，提高了紙盆強度并使放音更均勻，后兩種結(jié)構(gòu)較復雜只出現(xiàn)在高檔揚聲器的生產(chǎn)中。

打摩紙盆外部結(jié)構(gòu)：用等效分析的方法可以得到以下的結(jié)論——要降低揚聲器的低頻下限頻率，就要增大振動系統(tǒng)質(zhì)量，增大振動輻射面積；而要提高上限頻率，又要減小振動系統(tǒng)質(zhì)量，減小振動輻射面積。這顯然是一對矛盾。對于低音揚聲器，可以加重其紙盆質(zhì)量，比如用金屬或液態(tài)防塵罩等，對高音喇叭則應相反。有些廠家把紙盆做成了雙紙盆結(jié)構(gòu)，如圖7所示，雙紙盆可以在一定程度上展寬頻帶，但由于大小紙盆都連在同一個音圈上，因而互調(diào)矢真加大，還是應該對低音揚聲器和高音揚聲器分別進行打摩和改造。在紙盆上加環(huán)狀折皺可以改善元件力順，抑制高頻峰值，因此優(yōu)質(zhì)揚聲器紙盆上都加有各種折皺結(jié)構(gòu)。

圖7 雙紙盆結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 折環(huán)的打摩

折環(huán)是振動系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，它要保證紙盆沿軸向振動，并要阻擋紙盆前后空氣的流通。大多數(shù)折環(huán)應具有2～3個波紋，質(zhì)量一般很輕，當折環(huán)質(zhì)量不可忽略時，折環(huán)的等效質(zhì)量為其實際質(zhì)量的三分之二。折環(huán)在改造時應采用不易激發(fā)共振的不對稱形狀，比如將原喇叭的正鉉波紋改成鋸齒波紋；折環(huán)應采用阻尼較大的材料，也可涂上阻尼樹脂，以抑制共振幅度；適當減小折環(huán)寬度，改善揚聲器中頻特性。

4.4 給磁鋼加短路環(huán)

加短路環(huán)是為了改善揚聲器高頻聲輻射，展寬高頻上限，同時減小高頻電流矢真的一項措施。短路環(huán)其實就是套在導磁柱上的一個薄鋁套或者銅套，厚度為0.3mm左右，起到音圈次級線圈的作用。它可以改善音圈的電感性，減小電流的非線性矢真。也可以采用線性磁路的方法，即在導磁柱中央挖出凹形缺口，以減小導磁的非線性。

圖8 磁鋼短路環(huán)和線性磁路示意圖

4.5 對號筒揚聲器號筒的打摩

號筒式揚聲器的非線性矢真主要由號筒前室空氣的非線性和喉部聲波的傳播所引起。由于高音輻射具有尖銳的指向性，為了改善聲音的輻射特性，可采用以下矩形、徑向弧形、多格形狀的號筒。矩形號筒加工簡單，聲音指向性也有所改善；徑向號筒將聲音以同心圓的狀態(tài)向外傳播，可以獲得較寬的水平指向，也是使用較多的號筒；多格號筒相當于若干號筒緊貼組成的扇形輻射器，高頻指向性穩(wěn)定。另一種改善號筒指向性的方法是采用聲透鏡，如圖9所示，聲波在透鏡中經(jīng)過多次反射加長了行程，相當于聲速變慢，聲音以球面或圓柱面的形式向外輻射，聲音更穩(wěn)定。

圖9 聲透鏡示意圖

應用電聲換能器理論除了可以解決上述問題之外，還可對其它音響設備進行分析和打摩改造，比如音柱采用怎樣的結(jié)構(gòu)和幾單元最合理，在什么場合下使用什么樣的拾音器最符合要求等等。希望廠家或者發(fā)燒友在打摩音響時靈活運用換能器，使設備放出更加優(yōu)美的聲音。