吳 迪

（鄭州市電子信息工程學(xué)校 河南 鄭州 450007）

為什么國(guó)產(chǎn)揚(yáng)聲器的價(jià)格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的十分之一?為什么國(guó)產(chǎn)喇叭的音質(zhì)一般都比進(jìn)口產(chǎn)品差？為什么發(fā)燒友寧愿花大的代價(jià)也不愿換用低端國(guó)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(yáng)聲器必不可少的理論依據(jù)，希望音響界對(duì)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(dòng)式：電動(dòng)式換能器是利用安培定律和電磁感應(yīng)定律將聲能和電能相互轉(zhuǎn)換的換能器。圖1所示為電動(dòng)式揚(yáng)聲器的工作原理截面圖，線圈放置在環(huán)狀磁隙中，當(dāng)導(dǎo)體通過(guò)音頻電流時(shí)，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)振膜發(fā)出聲音，實(shí)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(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換的。圖2所示當(dāng)可變電容兩極板間加有音頻信號(hào)時(shí)，由于極板間電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生變化的電場(chǎng)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(yīng)實(shí)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(dá)幾千瓦，適用于遠(yuǎn)距離擴(kuò)聲、遠(yuǎn)程報(bào)警等場(chǎng)合。

2 換能器的等效四端網(wǎng)絡(luò)

將換能器建立成數(shù)學(xué)模型，有助于對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算。

2.1 電動(dòng)式換能器的等效四端網(wǎng)絡(luò)：如圖1所示，線圈處于環(huán)形磁隙中，假設(shè)通過(guò)線圈的電流是I，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，線圈總長(zhǎng)為L(zhǎng)，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(dòng)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(kāi)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(guò)分析，我們可以畫出電動(dòng)式換能器的等效網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3

圖4

2.2 電容式換能器的等效四端網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)電容的基本原理和換能器的力學(xué)特點(diǎn)，我們也可以得到電容式的等效網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。 電容式換能器的力方程為 F-UI/（jωXo）=ZmoV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(dāng)換能器作為電聲器件時(shí)，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(rèn)為是集中參數(shù)系統(tǒng)，而這樣一個(gè)系統(tǒng)，都存在一個(gè)共振頻率ωo。我們對(duì)這種換能器或設(shè)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(shè)備的根本理論依據(jù)。

4 揚(yáng)聲器的打摩與改造

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

4.1 對(duì)音圈的打摩與改造

采用長(zhǎng)音圈或短音圈代替普通音圈：加長(zhǎng)或縮短音圈是為減小由磁場(chǎng)不均所產(chǎn)生的非線性矢真，主要應(yīng)用于低音揚(yáng)聲器，但短音圈在球頂式揚(yáng)聲器中也多有應(yīng)用。短音圈指的是音圈長(zhǎng)度比磁隙長(zhǎng)度小，一般取的音圈長(zhǎng)度小于導(dǎo)磁板厚度與2倍音圈最大振幅之差，使音圈在振動(dòng)時(shí)不致于跳出磁場(chǎng)均勻區(qū)，避免了非線性矢真。但這種方法磁場(chǎng)的利用率較低，為了達(dá)到一定的靈敏度和功率必須增大磁鋼的體積。所謂長(zhǎng)音圈的音圈長(zhǎng)度一般超過(guò)導(dǎo)磁板厚度與2倍音圈最大振幅之和，使音圈振動(dòng)時(shí)切割決大部分磁力線，使平均磁感應(yīng)強(qiáng)度保持恒定。但由于平均磁場(chǎng)比勻強(qiáng)磁場(chǎng)弱，因此揚(yáng)聲器的靈敏度也會(huì)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(zhǎng)音圈示意圖。

圖5

音圈截面的打摩：導(dǎo)線截面有圓形和矩形之分，矩形截面導(dǎo)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(jí)揚(yáng)聲器中。音圈繞制的層數(shù)應(yīng)該取偶數(shù)，即兩層或四層，現(xiàn)在多數(shù)揚(yáng)聲器都應(yīng)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(diǎn)。

4.2 對(duì)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(gè)尖峰，適合做低音揚(yáng)聲器。直線形紙盆比較多見(jiàn)，適合做低音揚(yáng)聲器，但頻響曲線不夠平直。指數(shù)形紙盆半頂角小，沒(méi)有明顯峰值，適合做寬頻帶和高音揚(yáng)聲器，但不適合做中低音揚(yáng)聲器。

圖6 不同母線形狀揚(yáng)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(yáng)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(huì)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(duì)紙盆進(jìn)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(qiáng)度并使放音更均勻，后兩種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜只出現(xiàn)在高檔揚(yáng)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(yáng)聲器的低頻下限頻率，就要增大振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，增大振動(dòng)輻射面積；而要提高上限頻率，又要減小振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，減小振動(dòng)輻射面積。這顯然是一對(duì)矛盾。對(duì)于低音揚(yáng)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(duì)高音喇叭則應(yīng)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(gè)音圈上，因而互調(diào)矢真加大，還是應(yīng)該對(duì)低音揚(yáng)聲器和高音揚(yáng)聲器分別進(jìn)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(yáng)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(dòng)系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，它要保證紙盆沿軸向振動(dòng)，并要阻擋紙盆前后空氣的流通。大多數(shù)折環(huán)應(yīng)具有2～3個(gè)波紋，質(zhì)量一般很輕，當(dāng)折環(huán)質(zhì)量不可忽略時(shí)，折環(huán)的等效質(zhì)量為其實(shí)際質(zhì)量的三分之二。折環(huán)在改造時(shí)應(yīng)采用不易激發(fā)共振的不對(duì)稱形狀，比如將原喇叭的正鉉波紋改成鋸齒波紋；折環(huán)應(yīng)采用阻尼較大的材料，也可涂上阻尼樹(shù)脂，以抑制共振幅度；適當(dāng)減小折環(huán)寬度，改善揚(yáng)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(yáng)聲器高頻聲輻射，展寬高頻上限，同時(shí)減小高頻電流矢真的一項(xiàng)措施。短路環(huán)其實(shí)就是套在導(dǎo)磁柱上的一個(gè)薄鋁套或者銅套，厚度為0.3mm左右，起到音圈次級(jí)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(dǎo)磁柱中央挖出凹形缺口，以減小導(dǎo)磁的非線性。

圖8 磁鋼短路環(huán)和線性磁路示意圖

4.5 對(duì)號(hào)筒揚(yáng)聲器號(hào)筒的打摩

圖9 聲透鏡示意圖

號(hào)筒式揚(yáng)聲器的非線性矢真主要由號(hào)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(hào)筒。矩形號(hào)筒加工簡(jiǎn)單，聲音指向性也有所改善；徑向號(hào)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(hào)筒；多格號(hào)筒相當(dāng)于若干號(hào)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(hào)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(guò)多次反射加長(zhǎng)了行程，相當(dāng)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。

應(yīng)用電聲換能器理論除了可以解決上述問(wèn)題之外，還可對(duì)其它音響設(shè)備進(jìn)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(chǎng)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(shí)靈活運(yùn)用換能器，使設(shè)備放出更加優(yōu)美的聲音。