金属短路环在扬声器中的功用 - 软件应用及仿真室 - 声学楼论坛

金属短路环在扬声器中的功用

徐荣华

扬声器的等效电阻抗Ze，不是一个常数，它是随着频率变化的，其变化的规律曲线就是扬声器的阻抗曲线，安装在障板上的扬声器，其典型的阻抗曲线如图1所示：

图1 扬声器典型阻抗曲线

随着频率的变化，并出现谐振时（f₀），Ze达到极大值，其物理解释是：在谐振时扬声器振动系统振动速度幅达到最大，因而在磁场中运动的音圈所感应的电动势（反电动势）亦为最大，产生的逆向感应电流同时达到最大，这样就相当于冲减输入电流并使之最小。

当频率经过f₀ 以后继续增加，即 f ﹥f₀，由于音圈的振动速度幅减小，扬声器输入电阻抗随之减小，到达f_n 点时，由音圈自感量确定的反电动势和音圈在磁场中运动产生的反电动势量值相等，但相位却相反，因此其阻抗值在曲线上表现出极小值。对于一般的扬声器，Ze 的极小值即 f_n 点的阻抗值，约比音圈的直流电阻大10%左右，这个比例在估算扬声器的额定阻抗时被经常应用。实际上，这个比例值，是与具体扬声器的口径大小有关的，通常扬声器的口径大，则相差的比例亦大。

随着频率的进一步增加，即在f ﹥ f_n 时，音圈的振动速度幅越来越小，其所产生的速度反电动势也就越来越小，此时Ze 的值钳制于音圈的自感量而表现出随频率单调的快速增加。

正因为扬声器的电阻抗值随频率的增加而单调快速地上升，这样，在扬声器恒定输入的情况下，将使扬声器的辐射功率随频率的增加而降低，从而影响高频的重放，这对全频段等扬声器性能而言是不能接受的，必须得以改善，设法减缓扬声器的电阻抗值随频率的上升速度，下面对此提出处理办法并进行分析：

设想在磁路系统的中央，放置一个金属短路环，如图2所示，

图2 含有金属短路环的磁路系统

假设： R₁ 为音圈的电阻；

L₁ 为音圈的自感；

R₂ 为金属短路环的电阻；

L₂ 为金属短路环的自感；

M 为音圈和金属短路环的互感。

则音圈和短路环电路方程分别是：

I ₁ × （ R₁ + jωL₁）= E + E_M1 ；

I ₂ × （ R₂ + jωL₂）= E_M2；

式中：

I₁ ，I₂ 为流经音圈和金属短路环的电流；

E 为驱动电动势；

E_M1 为金属短路环中电流的变化在音圈中产生的互感电动势；

E_M2 为音圈中电流的变化在金属短路环中产生的互感电动势；

并假设：I₁ ，I₂ 均按谐和率变化，即有：

I = I₀ e^j^ωt

通过数学运算（在这里略去）并忽略音圈和金属短路环在高频段的动生阻抗，则可得到音圈两端的电阻抗为：

Z = R₁ + jωL₁ +ω²M²/（R₂ + jωL₂）

从上式可以看到，由于短路环的设置，产生了式中：ω²M²/（R₂ + jωL₂）的值，经过进一步数学运算，并令K² =M²/L₁L₂ 可以得到：

Z = R₁ +（K²R₂L₁/L₂）/ [ 1 + （R₂/ωL₂）²] + jωL₁{ 1 – K²/[1 + (R₂/ωL₂)²]}

在低频，由于：ωL₂ ﹤﹤R₂ ，即 R₂/ωL₂ ﹥﹥ 1，

因此此时有： Z ≈ R₁ + jωL₁

这说明在低频时，由于互感电动势很小，金属短路环的存在对音圈的阻抗没有什么大的影响。

但是在高频段，由于： ωL₂ ﹥﹥R₂ ，互感电动势已起明显的作用，此时有：

Z = R₁ + K²R₂L₁/L₂ + jωL₁×（1-K²）

从式中可见，如果音圈和金属短路环耦合的比较好，使得： K² =M²/L₁L₂ 接近于1，则式中的jωL₁×（1-K²）的值趋近于零，这就是通常说的短路环的作用使音圈的电感为零的数学计算。至此，我们可以明白：由于金属短路环的设置，使音圈的电阻抗值随着频率的上升要趋缓得多，在高频段，扬声器的等效阻抗Ze 主要取决于Z值，因此阻抗曲线在高频段的上升速度也就要缓慢得多。

式中出现的的K²R₂L₁/L₂ 一项，从表面看也消耗了能量，但实际上由于R₂ 非常小（由低电阻率材料制成），使得其值远小于 R₁，因此对扬声器的效率降低是可以忽略不计的。图3为笔者单位的一款全频带扬声器在设置有金属短路环和无金属短路环时阻抗曲线的测试情况比较，不难看出，设置有金属短路环的磁路系统对抑制陡峭的阻抗曲线走势产生明显作用，从而达到改善之目的，这就是金属短路环在扬声器中的功用所在。

放置金属短路环后

未放置金属短路环

图3 有无金属短路环的阻抗曲线测试比较

此外，由于金属短路环的存在，使得磁路非线性的电感量变化减小，从而使失真减小，特别是对三次谐波失真的减小起到很好的作用（在此不作量化计算）。

如果在导磁柱的上端部切除一部分材料，致使磁饱和，以减少磁路的非线性部分量值，从而减少扬声器的非线性失真，通常的作法是将金属短路环设置在切除一部分材料的导磁柱上端部，如图4所示，这样即可达到增加辐射效率和减少非线性失真的双重叠加效应。

图4 金属短路环.磁饱和磁路系统

最后指出，一般扬声器用的金属短路环采用铜材或者铝材制作，且以铜材为优，其结构一般与导磁柱上端部形状相吻合，材料厚度设计为0.3mm左右，高度一般设置为上夹板的厚度尺寸或略大。

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