主题：扬声器的电声转换效率

就是扬声器的输出声功率和输入电功率的比值.

我记得(不是很准确的了,还望有可靠数据的朋友补充或修改)
对于纸盆扬声器来说,理论上的最高值是 4%(?),一般就是1%吧,
HI-FI扬声器还做不到啊.

为什么呢?

电能转换为机械能,再由机械能转换为声能,
"瓶颈"在哪个环节?

电能转换为机械能的效率是可能提得比较高的,
这一点,是和电动机的效率有比的,
理论上做到80%以上总是有盼望的吧(?),
然而 由机械能转换为声能的效率是很难做高的?
学过平面刚性活塞辐射理论,就知道低效能是卡在
这个转换环节上了.

要是在扬声器振膜的前面加上号筒,以及喉塞之类的声学耦合器件等,
机械能转换为声能的效率就可以大大提高了.

记得文献上讲,号筒扬声器的电声转换效率是可能
做到25%,那确实是比直接辐射扬声器高的多了,
然而频率响应曲线和指向性上,出现了新的变数.

另外,记得几十年前实测号筒扬声器的电声转换效率,
一般的只有15%,个别型号的才能接近20%.

在本声学楼网站上,记得曾经有老专家提起过效率的问题.

现在还有没有人做有关的基本调研的呢?

提出这个问题,是让大家再考查一下声辐射及效率的细节方面的问题.

主要效率转换卡在电能-->机械振动这一块了, 70-80%的电能转化成热能白白损失掉了.
从机械振动--->空气的声振动这一块转换效率也不高,剩下的20%左右的能量(机械振动的动能)里的70-80%又浪费在维持机械部分振动上,这样动能是20%x0.8=16%,  剩下最后4%的能量留给声能.

第一次转换被砍掉80%的原因在于, 1.扬声器音圈的先天不足(为重量考虑音圈不能过重, 所以线不能太粗, 则线径过细导致电阻率过大)2.磁路设计上带来的负面因素(大部分音圈绕组都在磁隙之外)及3.铁芯涡流损失
在这方面扬声器的音圈与电动机是不能相比的,电动机纯粹为大功率设计,电流可以很大,线圈铜丝可以做得很粗,这样直流电阻极小

第二次转换再被砍掉80%的原因在于,阻抗的不匹配,从固体到气体介质性能差别太大.号筒扬声器通过加一个阻抗渐变的号筒慢慢调节阻抗,效率就上来了,但最高也没有超过16%的,因为被第一次转换的关卡住. 水声换能器由于是从固到水,比从固到气好很多,效率比扬声器就高得多.

"原因在于,阻抗的不匹配"

好像是根本原因!

第一次转换,即电向力的转换,动生阻抗做为负载和前端耦合关系很差;
第二次转换,即力向声的转换,辐射阻抗和机械阻抗的耦合关系面临的是用样的问题,不过这儿可以想些办法解决,这似乎也是目前提高效率基本思路!

谢谢两位.

我在想:有没有人做过系统的测试呢?就是把各种扬声器的效率测测,
看看目前的情况究竟是怎样?

我想,很多单位有测试条件,就是老大们也许不愿意做这个"傻"事.

另外,有没有搞理论的,就是要从物理的细节出发,
论证出效率的可能的极限值?

也许当年的JAES或JASA杂志上有文章,
国明也许见过?

我这儿是好奇心.

JAES几十年来所有讨论扬声器效率的文章只有五篇(是我很久以前查的,也许有漏,知道的人请补充)

1. 1971年Richard Small发表的关于扬声器系统效率的补充讨论说明,明确了效率是响应曲线与箱体容积的函数,
三个变量只要知道两个就决定了另外一个. 其给出直接辐射扬声器具体效率最高5%.而且给的图示相当清楚.

2. Vanderkooy大师02年发表了一篇"高效率直接辐射扬声器系统"的论文,他是把放大器与系统结合起来讨论了,
最后没给出具体的效率,最后的结论是:"高Bl值情况下, 用普通Class-B型功放总效率最后不超过1.5%, 而使用Class-D
配合扬声器系统效率最高,可达5%左右. 这篇文章等于是在讨论放大器了,而且大家都知道Class-D是数字功放,效率高是
肯定的.所以范德酷的这篇文章有些文不对题,没什么意思.

3. 意大利的Zuccatti在05年发表了"直接辐射扬声器在谐振频率处的效率", 他的结论是扬声器在谐振频率附近的效率要
远远高于其他频段, 而音圈的直流电阻对效率没影响. 他的测试对象是一只5吋单体,在谐振频率附近效率接近2.6%.
在整个频带上效率与频率的关系像阻抗与频率的关系一样,是一个单峰型. 但他得出的这个结果也属于效率的常规范畴,讨论
也是讨论常规单元特定频率的效率,没解决如何提高扬声器效率的问题.

4. 荷兰飞利浦实验室的Ronald博士05年发表了一篇"低Bl值高效率扬声器"的论文, 提出一个小型超薄音箱方案,使用了
他所提倡的"低Bl值高效率扬声器",他的结论是如果要追求小箱体体积,配高Bl值扬声器效率反而低,所以要配低Bl值的单元),
但文章最后也没给出效率的具体值到底是多少. 他做的那个超薄箱的原型曾经送到我以前工作公司的试音室听过的,低音确实
有一点,但实际效果并没有他吹得那么神,而且也没有超出物理学上能重放低频的原理.他的箱体是很薄,但面积大,算下来总体积
并不小,所以有糊弄人的嫌疑.

5. 06年,又是上面这个Ronald,发表了"大自由度设计高效扬声器"的论文,扯了半天,最后得出的结论竟然是"小箱体设计中扬声器
不可能同时获得高效率和高灵敏度(废话!)",另外"在一个高效,小型的箱体中,如果想得到高效率,纸盆的振幅一定要小",这个观点
是对是错就很难讲了.都知道飞利浦一向喜欢在成本上面下功夫,扣门,所以他们的研究成果我认为有这方面的倾向,专搞些便宜的
东西来卖给你.振幅小,便宜,加上有理论支持,你还不好挑他毛病. Ronald的这篇文章同样没有给出效率是多少的具体数据.所以我
看也是在蒙人.

顺便提一下, 罗纳德做的那个超薄箱在http://www.dse.nl/~rmaarts/ 有介绍, 图片是

 
而且他自己号称低音相当好,将这个箱子放的声音录成了一段MP3, 让大家听效果, 可以点这里下载: 超薄箱试听
你们不相信我说的自己下载听听就知道了. (*这个东东是一个Subwoofer,我以前听的实物就是这个样子, 刚听了下
链接MP3文件的效果同记忆里的实际效果一样的,需要用大点的箱体放,最好是3D系统)


五篇论文里,只有Richard Small的文章给出了较明确的效率数据,让人感觉有信服力. 其他的文章或有说废话的毛病, 或有糊弄人的嫌疑.
都不太好. 因此只将Richard Small的文章贴在这里.文章呢还是越老越经典,Richard的文章发表快40年了,在讨论扬声器的效率方面的文章,还没有其他能超过的. 有意思的是,除了Richard Small是学电子(博士)出身的,其他几位作者,全是学物理出身, 而且基本都是博士(只有Zuccatti不是博士),所以学物理的人喜欢搞理论研究,但钻进去后经常搞不出什么实用的东西,然后呢再弄出些理论公式出来对付对付,把人唬住,就当是成果了,这算是学物理的一个通病吧.

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感谢,向各位前辈学习了,
现在国内珠三角的原材料,因单价原因吧,好的很少,可单价贵没什么量,为了降低单价,原料本身搭配就不是很理想,特别是磁路系统,铁含碳量的成分,都没有以前的好,导磁率也明显下降,所以做为汽车扬声器吧,电力声转换的效率能达到1%都不是很多啊,

谢谢国明,非常详细和丰富.
R.H.SMALL的那篇确实是经典著作.

有关效率,箱体积和低截止频率的关系是非常重要的,
可惜很多扬声器设计师似乎没空去很深入地想想啊.
我以为,那篇里引用的(3)式是直接辐射式系统的关键.

我个人总是忘不了号筒扬声器的效率的极限,
印象中总有25%这一说法,出处忘了.

而当年,有同事是测量过的,
但是好象是没写正式报告,消声室里的数据记录和整理太麻烦.
大概后来就用混响室里测量的数据.

总的来说,就是验证出确实是低效率这个情况.

谢谢.

"做为汽车扬声器吧,电力声转换的效率能达到1%都不是很多啊,"

!

号筒扬声器的效率是很高, AES论文讨论号筒也有很多,但我对这方面忽略了, 印象中AES没有什么讨论号筒效率的文章,
或者讨论了但没给出明确的解答,看来效率是一个比较难的课题.网上找到一些厂家,声称灵敏度能做到很高,比如有一家
英国公司的,111dB/W/M的,截图在这. 另外一家江苏的电声公司标明灵敏度112dB/W/M, 电声学里向全空间辐射
1Watt声功率在1米处产生的声压就是112.1dB,难道他们号筒电声转换效率能做到100%? 显然是错误的.就是111dB
算下来灵敏度也在76%以上,也是不可思议的.看来这里面误区还是很多的,厂家胡乱标电声特性在业界也算一个正常现象,
反正厂家和买家都不懂,碰到老兵先生这种喜欢较真的就麻烦了,呵呵

此主题相关图片如下：horn_sa.jpg

应当主要是阻抗匹配的问题吧

《电声技术基础》上有十来页专门写效率问题的

从式子3-90看，等效声辐射阻的大小无法与分母上的机械-电路阻抗相比

主要的耗散途径，如国明所说，是电阻发热和机械生热

另外，根据Small论闭箱的文章，效率应该是可以从灵敏度推导得出的吧

常用参数体系里不放入“换能效率”，应当是“额定功率”和“灵敏度”已经够用了


此主题相关图片如下：《电声技术基础》管善群 - 扬声器效率部分_页面_1.jpg

 哈哈，国明12楼的帖子是让我笑了。

哎，我们在这儿也算是一种发“傻”劲吧。

谢谢dale_zhong先生，特别是引用了管教授的书中的一段。

关于“效率应该是可以从灵敏度推导得出的吧”。

本室的帖子里是有过推导的。

但是要小心，指向性因数为1时，那个计算容易做。

如果指向性因数较大时，那种计算就比较麻烦了。
比如带了号筒后，就不得不考虑更多了。

确实，扬声器标准里不直接列出效率的指标。

我们在这儿的讨论也许有些发“傻”，
。。。。。。。。

上面几个帖子中关于阻抗不匹配的讨论，我想是正确的。

不过，我对于那个电机转换总有一些疑问。

比如，原理上看，电动式扬声器和电动机均是遵从电动机手则，
电动机的效率能做到多高呢？
如果那个能做高的话，扬声器在理论上不也是能做高的吗？

好几年前，在SZ见到一个有首席科学家称号的一个人物，
在效率问题上，他是有几个发明啊。

当时我的看法是：
在工厂里推广是不得不考虑投入产出比，没法推广。

现在想来，这位先生有可贵的一面啊。

电机的效率有90%的，基本不发热

扬声器的效率主要受到“机械-声学”转换效率的限制

扬声器里，真正做声学功的只有辐射阻。在直射式扬声器中，声学阻的数值是相当小的

另外就是国明提到的了，“电学-机械”的转换效率也不可能达到电机水平

第一，有音圈重量限制，导线太细，电阻高

第二，扬声器追求的是响应，为了瞬态响应不至于太糟，机械阻也不能太低

只要声学辐射阻比电阻、机械阻小，直射扬声器的效率就没有指望能提高

而这个限制是天然的

总之，设计电机追求的是转速和效率

设计扬声器追求的是完美声重放，是响度和频响、失真等参数之间的平衡

设计目的不同决定了效率上的差异，即使两者基于同样的物理原理

好帖顶顶！

为了获得频响、失真等参数的良好表现，适当的“阻尼”就非常重要，但是阻尼会消耗能量，降低效率，扬声器的效率受太多因素限制，很难提高……

所以,对于专业扬声器来说,为了在远程得到足够的声压,
效率是不得不重视的问题,
号筒及喉塞等的设计就太重要了.

就是说重点是在第二环节上了.

在第一环节里,足够高的BL还是要的,
专业用的高音头的B值现在是到了多少了呢?