扬声器设计入门之一 p1/6
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》
扬声器设计入门之二
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
扬声器设计入门之三
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。
2. 磁路设计基本公式
Kf*Bg*Sg = Bd*Sm
Kr*Hg*Lg = Hd*Lm
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。
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 p2/6
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
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. 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。
扬声器设计入门之四
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，同时要考虑功率承受能力以及扬声器的灵敏度、品质因数等电声参数。音圈直径太小,则其功率承受能力必然有限,因为线径决定了其允许通过的电流大小,同时T铁中柱太小又影响到其散热能力；音圈直径太大,则导致其质量加重,同时Bg值下降,从而导致灵敏度降低,并且增加了材料成本。
音圈的卷宽Tvc亦需根据磁路结构确定, 同时也要考虑功率承受能力以及扬声器的灵敏度、品质因数、最大振幅、失真等电声参数。一般低音单元均采取长音圈结构,即音圈卷宽Tvc=(1.4~3.0)*Tp,则有最大线性振幅Xmax=(Tvc-Tp)/2=(0.2~1.0)*Tp,可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。
2 音圈材料性能与选择
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： p3/6
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230 oC，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。
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）。
扬声器设计入门之五
1.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。
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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)
(2πFh)2 = (Mm1*Mm2)/[(Mm1+Mm2)*Cmh]
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
（2πF1）2 = 1/[(M1+Mm2+2Mmr)*Cm1]
（2πF2）2 = 1/(M2*Cm2)
Fo = SQR{[(M1+Mm2+2Mmr)*F12+M2*F22]/(Mm1+Mm2+2Mmr)}
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)
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。
扬声器设计入门之六
1.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)
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。
Cm2 = (A*n*L3)/(E*b*h) ,L為波紋深度，如果我們設計的波紋不是一樣高的怎么選擇啊！
扬声器设计入门之七 p5/6
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：
1.1直流电阻Re
由音圈决定，可直接用直流电桥测量。
1.2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。
1.3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)]
1.4 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)
这里SQR( )表示对括号( )中的数值开平方根，下同。
1.5 辐射力阻Rmr
由口径、频率决定，低频时可忽略。
Rmr = 0.022*(f/Sd)2
1.6 等效辐射面积Sd
只与口径(等效半径a)有关。
Sd =π* a2
1.7 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)
1.8 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
1.9 辐射质量Mmr
只与口径(等效半径a)有关。
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。
1.10 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)
1.11 等效容积Vas
只与等效顺性、等效辐射面积有关。
Vas =ρo*c2*Sd2*Cms
此处c为空气中的声速，c=344m/s
1.12 机械品质因数Qms
Δf 为阻抗曲线上阻抗等于SQR(Zo*Re)所对应的两个频率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)
的差值。
1.13 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。
P6/6
Qes =[Re/(BL)2]*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re)
1.14 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)
1.15 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
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
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
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。
刚入门的电声人员,可以参考一下.
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Post By：2009-9-24 6:18:35 [只看该作者]
修水 村人
