JBL专业扬声器纸盆形状的变化及其原理的论证初探

zhou771126 发表于 2005-4-29 09:29

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JBL专业扬声器纸盆形状的变化及其原理的论证初探 
黄少勇 
北京人民广播电台技术中心 
一、引子 
　　人们的进步起源于客观世界的实践和主观世界的逐步认识之中，对于物体振动发生的升华过程也是如何。掌握声波的基本规律，正确认识人耳听觉非线性的理论，是设计和开发声学设备的基础，这已为实践所证实。譬如：人类通过语言进行交流，乐器的振动发声，扬声器不失真的传递频信号等，虽然形式不同，但基本相同。扬声器是人类对实践的认识发展到较高境界时运用现代化技术模拟人和各类乐器发声而制作的产品，其技术所包含的内容多，涉及的范围广，主要有材料力学、化工冶金、机械加工、电声原理、磁路设计、人体工程诸方面。 
　　随着物质生活的提高，人们对于精神食品的需求和要求普遍寄予重望，综观音像市场的繁荣，无不体现出高科技与基础理论相结合，雄厚资金与市场份额之激烈角逐，在咄咄*人的众多外国品牌的进军声中，在没有硝烟的和平气氛中，中国的扬声器产品步履危艰，已到了背水一战的境地。 
　　面对现实加强反思，认真汲取验教训，实乃中国扬声器待业之首选，本文之意谨在于此。 
二、人的发声机理、声波和人耳听觉 
　　我们知道：人说话之前总是先吸一口气储于肺部，从而使气管内的所压大大增加。预备发声时呼吸暂时停止，气管闭合，由喉头四块软骨和两条声带构成的开合松紧的振动系统使声带拉紧靠拢，距离不超过1cm,保持一定的张力，说话时呼出具有一定强度和速度的气流冲击声带，使其振动，并通过口腔的大小和形状对其放大形成声波；而在发辅音时，声带则不参与振动，气流受到舌头、牙齿和嘴唇的阻碍。经过研究表明，这些空间脉动的信号源的声压级量其传播的平面波和球面波，及在空气媒介带有阻尼特性受近振动的质点位移经不同介质（空气、阻抗为Z的固体等）分界面的入射、反射和吸收，通过颅骨、耳蜗骨臂的骨传导耦合至内耳，并由外耳聚焦放大20倍后，被直径8-10mm,面积约为85mm2，厚度约为0.05mm，受到压强并产生位移ζ=ξ。（1-r2/a2)的质量为23mg的锤骨，27.5mg的砧骨和2.5mg的镫骨的振动杆的振动及具有狭管中粘滞性阻尼作用的声波的吸收的耳膜所接收，完成了气传导至液体传导的转换。由于这小骨系统起着加强声音约100倍从而由于人的大脑对感官所接收的信息及相应的处理，通过协调语言能力的左半脑和中枢神经发出的指令并对人体发音器官所进行的有效的控制，完成了复杂的口腔中的唇、齿、舌、腭的动作，以及声带振动与口、鼻腔的共鸣作用从而发出了各种不同的声音。将上述机理推广，得到的结论即：声学现象实质上就是传声媒质质点产生的一系列力学振动过程。 
三、电动式扬声器的工作原理 
　　扬声器是电信号通过传输线路在末端将电能转换为机械能，再转换为声能的声音重放装置。如图1所示。其结构剖视和分解如图2、图3所示。　 
　　当电动式扬声器工作，即当音圈中流过声频信号电流时受磁隙缝中磁场的作用，音圈受力带动纸盆产生振动，向空中辐射声波。 
　　由于磁路中的环形永磁磁铁将导磁柱、导磁板磁化（设导磁性为N极，导磁板为S极，⊕代表声频信号电流流入，⊙代表电流流出），则磁隙缝中由导磁柱向导磁板发出强度为B=F/IL的均匀辐射状磁场，（根据弗莱铭左手定则——磁场对通电线圈受力方向判定）当信号正（负）半周时，音圈受到向上（下）的力并产生位移，推动纸盆向上（下）动作。这样，随着信号电流方向和大小不断交变引起，音圈带动纸盆上下产生不同的位移，形成了机械振动，并引起周围媒质变化，以声音形式完成了电/声转换。 
 
图1 的拨扬声器的能量变换原理 
 
图2 电动式扬声器结构剖视 
 
图3 电动式扬声器分解图 
 
　　由图3和公式F=BIL可知：音圈位移的长短与其受力的大小密切有关，式中 
　　　　B——磁感应强度，单位为伏秒/米2 
　　　　I——通过导体的电流，单位为安培 
　　　　L——导体的有效长度，单位为米 
　　　　F——载流导体所受的作用力，单位为牛顿 
图4 电动式扬声器工作原理示意图 
　　该式是决定电动式扬声器性能的关键所在，围绕着这种自1924年Rigger发明的称之为“勃拉特喻勒”的扬声器的典型结构在由凯洛格和赖斯独立地取得了低频锥形专利权而获得了极大的里程碑式的发展至今仍作为电—力—声换能器件中的典范而被加以广泛的应用。 
四、电、力、声类比： 
　　随着科学技术的提高，人们发现电振荡、力振动、声振动虽然不同的物理现象，具有本身的特殊性，又认识到它们之间在数学形式上存在着某些共性，对此加以系统的整理，将理论与实践更好地结合，使会产生质的飞跃。图6所示的是一个简单的串联电路，也是一个基本的振荡电路。如电源是电动势为E=EAejwt。的稳态振荡，则图6稳态振荡电路图7单振子强迫振动图8亥姆霍兹共鸣器由电路中各元件的物理特性，可列出其运动议程为： 
图5 勃拉特哈勒 
 
图6 稳态振荡电路 
 
图7 单振子强迫振动 
 
图8 亥姆霍兹共鸣器 
　　 
　　图7所示的是单振子的基本的力学振动系统，在外力F=FAejωt的作用下，缚在弹性系数为Km的无质量的弹簧上的一质量为Mm的物体产生运动，运动时质量所受的摩擦力阻为Rm，当其速度，且力顺时，系统的因为质点速度，并引有力硕，上式改写为： 
（4-1） 
因为质点速度，并引用力顺，上式改写为 
（4-2） 
（采用FAejωt是为复数求解把外力FF改成随时间变化简谐的复数开式）。图8所示的是最基本的声振动系统—亥姆霍兹共鸣器，将它的振动发声的截面积为S（并径a），长度为lo的短管中的空气作为质量为MM=PoLoS的惯量活塞与容积为Vo的腔体相串联，并且规定其线度远小于声波波长，短管远小于腔体体积，腔壁是刚性的，各种部分的运动是均匀的这样的集中参数系统。 
　　当有声波作用于管口时，短管中的各部分空气犹如一个“活塞”一样作整体运动，当这个空气柱振动辐射时，等效于一个附加质量，相当于短管加长，并且受到管壁的磨擦，除了其本身的力阻RM外，还有一个附加力阻。 
　　当短管的空气柱向腔内（外）方向运动引起腔内质量增加（减少）时，形成空气压缩（膨胀），压强增加（降低）。这种压强的变化，阻碍向内（外）运动的空气柱，并与空气柱的位移成正比，而方向相反，起到了“空气弹簧”的作用，其弹性系数为 
　　　，用力顺（即弹性系数的倒数）表示则为 
　　　。可见腔体体积Vo愈大，弹性系数KM越小，或者说力顺越大。 
　　　当如图8所示的饱含了质量、力阻及力顺三个元件的亥姆零闫共鸣器在其管口受到声压为P=PAejωt的声波使用，其短管空气柱的线速　　　　度，这时逾量压强（相对于大气压强Po的逾量）P及单位时间内的体积流，即体积速度U=VS有着决定的意义，则亥姆霍兹共鸣器以及其他的声振动系统均采用声质量、声阻、声容（声顺）等元件进行描述，可得到方程为 
　　　 
　　综上所述，将电路、质点振动、声学系统的（4-1）（4-2）（4-3）微分方程加以比对，得到了形式上的相似，其元件之间的类比关系也直接反映了物理意义上的类似特征。例如声质量MA是由短管中的空气柱质量决定的，与电感一样反映了系统具有惯性；声容CA代表刚性腔体内空气的弹性作用，与电容一样反映了系统存在的贮存能量的本领；声阻RA与电阻Re一样反映了系统存在能量的耗损；声压P则与电源电动势E一样是使系统产生运动的外因不。上述分析反映了力学与声学量间的联系，事实上它们划不完全相同，只是力求理论分析上的方便（如量纲）。 
　　鉴于声振动系统与电路系统的类似性，可将物体大小、线度与波长相比拟、质量在空间连续分布并包含着弹性和阻尼的分布参数系统等效为集中参数系统后，使可以象电路分析那样借助于电路图画类比的阻抗型声学线路图，声质量MA借用电感符号，声容CA借用电容符号，声阻RA借用电阻符号，总声压借用恒压源的符号“流”经各元件的是体积速度U，元件两端压强差P=P2-P1，对应于大气压强Po的端点不随时间改变作为“接地”。如表1所示。 
电学声学 阻抗型类比元件及符号 
恒压源E 　恒压源P 　 
恒压源I 　恒压源U 　 
“流”过元件的量电流I 　体速度U 
元件两端的量电压E 　声压P 
电感Le 　声质量MA 　 
电容Ce 　声容CA 　 
电阻Re 　声阻RA 　 
五、发音器官： 
　　人体中参与发音活动的器官有： 
　1、口腔和鼻腔构成的吐字器官。 
　2、胸腔中的呼吸器官和喉构成的发声器官。 
　3、这些器官构成的共鸣腔体。 
　　发音所涉及的人体器官其原有生理功能并不是发音。例如口腔中的牙齿和舌是人体消化系统的一部分，喉和肺则属于呼吸系统，它们都与维系统人的生存有关。当这些器官用于发音活动时，它们组合成一个具有传递语言信息功能的新系统，整个发音器官构成了一个符合物理学原理，能发出不同声音的声道。 
　　在这一声道结构中，肺在隔肌和胸廓的带动下为发音提供气流；唯作为发声器官，在气流推动下产生可供吐字器官加工的声音素材；口腔内的唇、齿、舌等吐字器官和鼻腔则对喉产生的声音或肺部流出的气流进行加工，形成能表达不同意义的语音并且它们都具有调节声音音量、音色的作用。值得注意的是：人耳在发音过程中具有必不可少的监视和调节发音动作的特殊作用，尽管它在传统分类上并未归入发音器官，但其对发音的作用正愈来愈被人们所重视。综上所述，由于人所处的额外负担观环境及感官接收的信息送往大脑进行处理，并由负责语言协调能力在左脑通过中枢神经发出控制发音器官的指令完成了复杂的声带振动与口、鼻腔的共鸣作用以及不同变化的唇、齿、舌、腭的动作，产生出不同声音。这种发声以及各种乐器的弦、板、簧振动发声系统由于参数和变量连续分布而使得分析困难，在相互转换的过程中只能加以近似的讨论并进行充分的实际论证。 
　　人在发音时，从肺部来的直流气流在喉头声门处被声带振动所调制，成为一串随时间“准”周期变化的三角波，此后这股气流经过声门到口唇之间的声道时，实际上就是通过了一个声滤波器系统。此时，舌位高度不同，滤波器的尺寸就不一样，则口唇发出的声音发生变化。例如发汉语元音（i：）时，舌位的前面部分较高（如图9a所示），因而声道的前（口）腔部分直径很小，已退化为一个管子，后（咽）腔部分仍是然是一个腔体，这时发音系统可用理想化的图9b表示。 
　　再如发汉语元音（u）时，舌位后面的部分比较高（如图10a所示），舌位将声道分隔成咽、口腔两个腔体，成为一个双腔共鸣器其声流线路径图及类比线路图分别为图10b、c所示。 
　　可以认为：正是由于声滤波器元件值的变化，决定了人的发声器官发出的声音不同，近似地将图10c的类比线路图中的固定元件值更换为可调整的元件值后，用模拟人声软件对其加经控制，使可得到人的发声器官和各类振动发声设备的具有全频段的声学滤波器的类比线路图（见图10d) 
六、应用分析： 
　1、发声器件在实际中的应用主要分为声场波阵面为平面，其波阵面面积不随距离改变，声强为 
　　I平=W/S平 
　　的平面波和声场波阵面为球面，其波阵面面积随距离的平方成正比（S=4πr2），声强为 
　　I圆=W/4πr2 
　　的球面波，当声功率W为一指定的数时，可以求出 
　　平>I圆 
　　当波阵面以平面波或球面波的形式在媒质中振动产生声波形成声场的确良时，也受到声场的反作用，这种反作用力称为辐射阻抗，这是电声器件设计的重要参量之一，其表达形式为 
Z=Rr+Xr 
　　式中Rr为辐射阻，代表辐射的实部和辐射声能的能力； 
　　Xr为辐射抗，代表辐射的虚部和辐射声能的衰减（相当于声源质量的增加）。 
　　对在无限大障板上的活塞辐射阻式的声源的平均辐射功率为W=1/4poCSKa2UA2（有Ka小，辐射阻小，辐射能小）；而在声源向号筒辐射声功率（双面辐射*2）时的平均辐射功率为W=1/2poC SUA2，这就说明了为什么呈筒能放大声音的基本原理，即纸盆的放大（或细管中声波传播的放大）作用。目前，我们所见到的大量的电动式扬声器均为脉动的锥形号筒（纸盆）放大的振支发声的球面波，它的声压幅值不仅与球源振速有关，还与辐射声波的频率、球源半径有关。 
　　通过障板、纸盆、号筒（细管）声辐射的基本论述，其声波系数与活塞半径a的乘积，可使我们增加对电动式扬声器的初步认识。例如：当球源半径（辐射点源）较小或声频较低（K低、a低）时，纸盆浅，呈现无（全）指向性，辐射声压低；反之则纸盆深，指向性强，辐射声压高。对于指定频率而言，球源半径大，则辐射声压大；对于小口径扬声器，由于其辐射点源较小，辐射低频就比较困难，而大口径扬声器就比较容易。 
　　2、电动式扬声器靠纸盆的振动及媒质的传播完成发声，它的几何形状除了与指向性、辐射声压、球源半径等相磁疗的参数有关外，由于它还是一个梯形或渐开线形的呈现棒在外力作用下产生纵向压缩形变及一个重量较轻的具有一定厚度和张力的膜在外力作用下产生横向伸长形变的综合体，因而对于这种具有一定大小的物体的线度同其中振动的传播波长可以相互比拟的振动系统的质量在径向（空间）连续分布且质量本身包含着弹性和阻尼性质的分布参数系统虽然分析困难，但仍然可以用集中参数系统等效的方法求得的结论性的概念进行综合阐述，即棒恢复平衡的力主要由自身的劲度，膜恢复平衡的力主要由自身的张力。而棒的作纵振动时由于其边界形式的不同（a、两端固定，两端自由；b、一端固定，一端自由；c、一端自由，一站有质量负载；d、一端自由，一端受简谐外力作用），被认定为在低频情况下质点振动系统中的质量块或相当于弹性系数为--的集中弹簧（棒的横振动由于边界形式的不同，随简正频率的奇偶分成奇为位移最大值，偶为位移零，即在同一位置由于奇偶为位移最大值，偶为位移零，即在同一位置由于奇偶简正频率的不同，一会儿为波腹，一会儿为波节）。而圆膜振动的基频与半径成反比，在相同张力或面密度时，膜的半径愈（小）大，相应的基频愈（高）低。由于圆膜的半径不同，用集中参数系统的方法求得的等效质量的振动位移也不相同。如一圆膜（如图11所示）对于圆心径向距离为（r,r+dr)的一个面元，该膜的振动等效为圆心处有一等效的集中质量Men在等效弹簧Ken作用下进行的振动，得到圆膜的等效质量 
　　Men=πa2oJ12 令m=πa2o为膜片质量 
　　即Men=mJ12(µn) µn=1,2,3……时 
　　主于不同振幅、相位、频率的振动方式，其等效质量是不相同的。如： 
　　Me1=mJ12(2.405)=0.27m 
　　Me2=mJ12(5.520)=0.12m 
对于圆膜的等效质量Men，便可以由集中参数系统振动的固有频率 
　 
　求得等效弹簧的等效弹性系数Ken。 
　　综上所述，对于电动式扬声器纸盆的振动而言，是既不同于棒形劲度的等效弹簧，又不同于膜形张力等独立自主质量（和等效弹性系数）这样的既有棒形劲度的等效弹簧，又有膜形张力等效质量的综合（体）应用，它的劲度小于棒形劲度，张力小于膜形张力，其等效弹簧小于棒形，等效质量大于（随平面径向不同变为随梯形径向不同）膜形；对于等效为f,其振幅、相位、频率一致时，则有 
　　f棒 < f盆高 + f盆低 < f膜 
　　3、扬声器的主要参数直接影响到它的声频特性，受纸盆材料、几何形状、音圈质量、磁路设计和制作工艺等原因的影响，每件产品都标出了主要范围以供用户参考，对于低（高）频特性较好的大（小）口径扬声器如何在原有标准上进行高（低）端扩展，除了可以简化音箱的设计之外，还能够充分展示制作者的大师风范。 
　　例如用于专业监听的世界各牌音箱JBL生产厂家在解决如图1 2所示的分割振动，提高大口径扬声器的重放上限频率f高（即音圈振动传不到纸盆上的频率）方面进行了成功的改动。 
　　为有效地解决纸盆在高声频段分割振动带来的影响，JBL公司纸盆上制做了不同径向尺寸不同应力的波纹，对扬声器而言，由于在低频段呈现出的等效弹簧、等效特性基本上保持不变；而在高频段其等效弹簧、等效质量是变化的，对于物体的线度与振动的波长不相比拟且分割振动加剧采用的不同径向尺寸不同应力的波纹，有效地限制了其对相邻频率的影响，换言之波纹相当于膜绷得愈来俞紧，张力愈来愈大，等效弹簧愈来愈大，基频愈来愈高，有效的提高了声频信号的清晰度以及大口径扬声器的上限频率f高。 
　　正是由于技术含量的增加，JBL公司已用目前2单元的4425型取代了早期3单元的4411型（如图1 3所示） 
七、结束语： 
　　扬声器技术诞生百年来，虽然外形变动不大，但随着基础理论的研究、制作工艺的提高，其内部产生了质的飞跃，在声音的还原上充分体现了“科技以人为本”的原则，为人们美好的生活提供了高质量的服务。 
　　应该清醒地认识到：扬声器是一个科技含量很高的涉及多学科的综合产品，面对外国品牌的蜂拥而至，国产品牌度日危限。透过这些现象，我深深地感到邓小平同志论述“科学技术是第一生产力”的理论的英明正确，体会到只有发展才是硬道理的切肤之感，虽然前面的道路困难重重，但我深知：只要播种，总会收获；只要奋斗，总会成功。 
　　在论述JBL专业监听音箱纸盆形状及应用的原理时，我试图将声学基础理论、传播原理、人耳的声传播、磁性材料学、电声技术等诸方面与现代的产品加以结合，希望藉此提高自己的业务水平，尽管如此，由于涉及的专业理论与实践结合性极强，因而难免存在问题和错误，不足之外，请批评指正！

忐忑幽灵 发表于 2014-5-19 10:48

为保住菊花，这个一定得回复！

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