扬声器原理及一般性介绍医学卫生

扬声器原理及一般性介绍医学卫生 K1/CMmx图1-1第一章 质点振动学及声学基础 扬声器是发声的器件它是一个用以辐射声波的振动系统。因此了解质点振动学及声学基础对於研究扬声器及其系统是十分必要的。下面对质点振动学及声学作个简要的介绍。 ?1-1 质点振动系统 质点振动是指质点围绕其平衡位置进行的往复运动。如图1-1所示的力学振动系统装置包括一个弹性元件K和一个质量元件Mm。在理想状态下假设系统振动时不受外力作用Mm在其平衡位置作位移为 x的往复运动可以得出 1 1 f 2π MmC f Hz—振动频率 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示系统每分钟振动的次数 ωHz—圆频率或称角频率ω2πf 其中π3.1415926 Cm?Kg—系统顺性表示系统的柔软性系统越容易振动说明它的顺性就越大 KKg?m—系统劲度与顺性C相反K1?C MmKg—系统等效质量 可见系统自由振动的频率只与系统本身的参数Mm、C有关而与初始条件无关不同的参数的系统具有不同的固有频率。今后我们会看到扬声器系统的固有频率将会对扬声器的低频响应产生极大的影响。 以上所讲到的是理想状态下的质点自由振动系统而实际的振动系统会受到各种阻尼力的作用系统的能量会不断损耗系统的振动幅度会不断减小至到停止这种振动称为阻尼振动。 为了使一个实际的振动系统能够持续不断的振动就必须有一个外部力作用於系统上使得阻尼系统能够不断地从外界获取能量。扬声器的振动系统受电动力的策动而发生振动就是一个例子这种振动称为受迫振动。 图1-2A?1-2 声学的基本介绍 1-2-1 声音的本质 人类生存的空间充满著各种各样的声音。那麼声音的本质是甚麼呢声音是怎样传送到人的耳朵的呢从物理学的观点来说声音是一种波动。比如人说话物体的碰撞扬声器的振动等都会发出声音这种“发出声音”其实就是声源的振动使邻近的空气产生压缩或膨胀邻近空气的压缩或膨胀再推动远一些的空气产生压缩或膨胀……如此源源不断地使空气产生稀疏和稠密的变化如 图1-2所示直到人的耳朵人就感受到 声音的存在了。 可见这种振动能量的传递而不是媒质 的宏观移动就是声波传播的本质。 1-2-2 声波波长 频率 声速 声波传播中二个相邻的压缩或膨胀区之间的 距离称为波长λ单位米m 声波的频率f即系统在一秒钟内的振动次数单位为赫兹Hz。人耳并不 是对所有频率的振动都能感受到一般说来人耳只能听到20 20KHz的音频声。低於20Hz的声音叫次声高於20KHz的声音叫超声次声和超声人耳都不能听到。 声音传播的速度如何呢对理想气体 γP0 c ρ cm?s—即声音传播的速度简称声速 γ—定压比热与定容比热的比值空气中γ1.402 P0Pa—空气静压力 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 大气压下P0 1.013N/m2 ρKg?m3—空气密度0?时ρ1.293Kg/m3。 如此可计算出0?时声音在空气中传播的速度为331.6 米/秒。 温度改变时声音的速度也会发生改变通常对空气媒质可按下式计算 c t? 331.60.6t λ t —温度 这样可计算出常温下20?时声音在空气中传播的速度为344米/秒。 声音在不同媒质中传播的速度也是不一样的。 声速波长频率三者的关系为 c λf 1-2-3 声压. 大气静止时的压力称为大气压力。 当有声波存在时使局部空气产生压缩或膨胀就在原大气压上又附加了一个压力这个附加的压力就称为声音压 以p表示。声压的大小表示了声波的强弱。目前国际上采用“帕斯卡”简称“帕”Pa。日常生活中所遇到的声音的音压有多大呢举例说明 正常人耳能听到最弱的声音 2×10-5 Pa 普通谈话声 2×10-2 Pa 交响乐演奏声相距510米处 0.3Pa 织布车间 2Pa 柴油机/钢铁厂 20Pa 喷气式飞机起飞 200Pa 1-2-4 声音的特征 人对声音的感觉一般表现为三个特征即响度音调和音色。 通俗讲响度就是声音的大小它一般与振幅声强度有关声压越大 响度就越大。但是不同频率的声音对响度的影响也不一样频率过低或过高响度都会变小。 音调即声音的高低 它与声音的频率有关频率越高音调就越高声音听起来就越尖锐。 音色即声音的好坏它与声音的频谱成份有关。人对声色的判定与个人的好恶有关。 1-2-5 级和分贝 我们经常听到多少多少“分贝dB”那么“分贝”究竟是怎样的一个概念呢 我们所能听到的声音声压的范围是很大的从刚可听到的声压大小到最强的声压可相差1亿倍以上。显然这么宽的变化范围用线性的标度表示很不方便。并且人耳对声音的感受也不直接正比於声压或声强的大小而是近似正比於声压或声强的对数值。基於以上两个原因在声学中普遍使用对数标度来量度声压或声强的大小。注意的是对数的宗量是一个无量纲的量即没有单位我们把它称为“级”用“分贝dB”表示。 为此表示声音的级有声功率级SWL以LW表示声强级SIL 以LI表示声压级SPL以LP表示。因为声压对我们最直接所以我们最常用到的是声压级习惯就把“声压级”叫作“声压”。 pe LP SPL 20log10 dB pref 在空气中参考声压pref 2×10-5Pa这个数值是正常人耳对1KHz声音刚刚能觉察到的声压。显然该声压级为0dB。 当知道了声压级的dB值 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 声压pe时只要对上式进行逆运算即可。 pe pref 10 LP/20 比如某点的声压级LP 90 dB那么其声压就是 pe2×10-5 ×10 90/20 2×10 -0.5 0.63 Pa。 1-2-6 声音的其它特征 既然声音是一种波那么它就有波的其它特征如反射透射干涉绕射等。这些特征对声音的传播影响都很大对於建造各种声学环境如无响室詴听室等都是必须要考虑到的这就不作详细叙述。 第二章 电动式扬声器原理 上一章讲述了质点振动及声学方面的基础这一章我们就开始讲述典型的振动系统及发声器――扬声器。 ?2-1 扬声器的一般介绍 扬声器是一种电声换能器它通过某种物理效应把电能转化为声能。由於实现这种电声转换的物理效应有很多扬声器就有很多的类型如电磁式扬声器 压电式扬声器电容式扬声器电动式扬声器等。 上述各种扬声器中因电动式扬声器结构较简单性能良好品种繁多使用广泛 是当前扬声器开发及生产的主流。 由於早期甚至是现在多数扬声器都有一个锥形的结构因此我们把扬声器俗称为喇叭英文中叫做Loudspeaker 或Speaker。 电动式扬声器创制於1925年经过近八十年的发展历史结构上作过了不少改进使扬声器的性能有了很大的改善。从早期单一的锥形纸质胴体形式发展到今天的结构多元化组成材料品种繁多的形式更能适应人们对扬声器音质及可靠性方面的要求。 ?2-2 电动式扬声器的工作原理 如图2-1为电动式扬声器的工作原理图中间为圆柱形的N极外面是环状的S极磁场B方向由N极指向S极环状气隙内为导线环即音圈l若电流由“ ×”端流入由“ ? ”流出则音圈l的受力方向由弗来明左手定则决定左手平伸使拇指与其余四指垂直若磁场B方向指向掌心其余四指指向电流方向则拇指所指方向即为音圈受力F方 向如图示。 如果流经音圈的电流强度和方向均随时间不断 地变化则电动力F也就随著电流强度和方向的变 化而变化。显然电动力F的方向就是音圈在磁 气隙中的移动方向.这样随著电流强度和方向的变 化音圈就会在磁气隙中来回振动其振动的周期 或频率等於输入电流的周期或频率而振动的幅度则正比於各瞬时作用电流的强弱。而扬声器振膜纸盆是固定在音圈上的因此音圈就带动振膜作上下振动振膜振动就向外辐射声波从而实现电声能之间的转换。 以上分析中使振膜振动的力即为磁场对载流导体音圈的作用力称为电动式换能器的力效应其大小为 F Bil SS NFFBB图 2-1 13121231110954678图 2-3 F— 音圈所受磁场的作用力牛顿i— 流经音圈的电流安培B— 磁隙中的磁感应密度韦伯/米。 然而一旦音圈受力运动就会切割磁隙中的磁力线从而在音圈内产生感应电动势这称为电动式换能器的电效应其大小为 e Blv v— 音圈振动速度米/秒 e— 音圈中的感 应电动势伏特。 电动式换能器的力效应和电效应总是同时存在 相伴而生的。 ?2-3 电动式锥形扬声器的基本结构 电动式扬声器的典型结构为锥形结构如图2-2 即为一只电动式锥形扬声器的外观图。 下面我们就以锥形扬声器为例介绍电动式扬 声器的基本结构。 扬声器结构按其各部分作用的不同一般可 分为振动系统磁路系统和辅助系统三部分。下面 分别进行介绍。 扬声器的振动系统包括策动元件音圈辐射元件 振膜定位元件定心支片以及防尘盖。 扬声器的磁路系统包括永磁体上下夹板和导磁 芯。一般情况下是把下夹板和导磁芯做成一个整体而 成为T形铁. 如果需要进行防磁还包括防磁罩及副 磁。 扬声器的辅助系统包括把振动系统和磁路系统组 成一体的盆架音圈的引出导线端子垫圈等。 如图2-3 即为锥形扬声器的基本结构图 1—下板或称T铁T-yoke2—主磁 Magnet3—上板或称华司Washer4—定位支片或称弹波Damper5—振膜俗称纸盆 Cone6—音圈Voice coil7—防尘盖Dust cap8—压圈Gasket9—铁盆Frame10—锦丝线Lead wire11—端子Terminal12—副磁Magnet13—防磁罩Magnet-shield。 图2-2 ?2-4 电动式锥形扬声器材料 前面一节我们讲到了电动式锥形扬声器的结构组成现在我们再对每一部分的材料作一个简单的介绍。 振膜纸盆 振膜是扬声器振动系统中最重要的部件扬声器的频响特性很大程部上决定於纸盆的特性而纸盆的性能又决定於纸盆的材料几何形状和加工工艺。 早期的振膜都是纸质的至到现在纸质振膜也还是最常见的所以我们现在对各种材质的锥形振膜习惯上都称为“纸盆”。 对於纸盆材料我们一般要求其要有三个特点1.质量轻密度小 2.机械强度大3.具有适当的内部阻尼。 最常见的纸盆材料是纸浆其成型方法一般采用纤维沉降法将纸浆浇入特制的模型中再经热压而成。为了能达到所需特性要求一般会在纸浆中参入适当的碳纤维、羊毛、麻等。有时为了提高纸盆的刚性还会在纸盆上蒸发上一层金属铍。 采用金属材料如铝合金、铍合金、发泡镍等。 采用复合材料如石墨PP云母PP等用这些材料做纸盆的扬声器可获得宽而平坦的频率响应并且谐波失真低。 折环悬边 为了使扬声器的振动系统有较好的顺性在纸盆与铁盆接合时常要通过一个折环过渡。此折环通常与纸盆胴体做成一个整体。常见的材料有泡棉Foam布Cloth橡胶Rubber尼龙PA等。 防尘盖 防尘盖的作用主要是防至灰尘进入磁隙中同时它对扬声器的高频特性具有很大的影响。 一般来讲凡是可用於纸盆胴体的材料都可用於防尘盖。 弹波 弹波主要是对扬声器的振动系统起一个支撑定位的作用一般要求它具有极大的径向劲度和极小的轴向劲度。同时它与纸盆折环一样对扬声器系统的顺性起著重要的作用或者说对扬声器的Fo值影响极大弹波的顺性以偏位表示越大扬声器的Fo值越低。 常见的弹波材质有普通的棉布复合材料Conex等。一般都要经过含浸处理。 音圈 音圈是扬声器振动系统的策动源。一般由二部份组成一是音圈管Bobbin 二是音圈线。对於音圈的要求是质量轻并且能耐热。 常见的音圈架材质有纸、铝合金、Nomex、TIL、Kapton等。 常见的音圈线材质有铜也有用铜包铝的。音圈线截面一般为圆形有时为了充分利用磁隙的空间还有采用矩形截面的。 磁铁 磁铁的作用就是在磁路系统的磁隙中产生一个恒稳的磁场。 目前常用的磁铁有三类铝镍钴材料、铁氧体材料、稀土元素材料。铝镍钴及稀土元素适於内磁式扬声器。铁氧体材料适用於外磁式扬声器。 上、下板华司、T铁 上、下板同磁铁一起组成扬声器的磁回系统。上、下板一般都由导磁能力强的软铁做成。 盆架 盆架的主饔檬嵌匝锷鞯拇怕废低臣罢穸低称鹨桓隽庸潭ǖ淖饔谩,,玫呐杓苡扇硖逖苟梢灿杏盟芙汉椭恋摹?锦丝线 锦丝线一般是由棉线并在外 裹上一层铜泊而成这样才能使锦丝线具有较强的韧性及弹性。锦丝线一般都由多股线组成按其组合方式一般分为编织线和绞线。 其余各组成部分材质不作细述。 第三章 电动式扬声器的电声参数 扬声器的电声性能可用一系列的电声参数加以描述称为扬声器的电声参数或电声性能。下面对这些参数作一个简单的介绍。 3-3-1极性 是指在扬声器输入端馈入信号时扬声器膜片产生的运动方向与输入端所加信号极性之间的关系。 规定馈给扬声器以瞬时直流电压能引起膜片向扬声器前方运动时与电压正极相连接的输入端为扬声器正极用红色或“”表示。 扬声器的极性可以用极性测詴仪测出。 3-3-2额定功率P0 f HzZ OhmZmaxRdcR0F1Fo0图 3-1 是指在额定频率范围内用规定的噪声信号测詴结果为基础所规定的功率值. 一般情况下扬声器通常不带障板应能承受在额定频率范围内馈以该功率值的模拟节目信号进行詴验100小时。 扬声器的额定功率通常标志在扬声器的铭版上。 3-3-3额定阻抗R0 在额定扬声器的输出功率时通常用一个纯电阻代替扬声器作为负载这个纯电阻就称为扬声器的额定阻抗。额定阻抗是计算馈给扬声器的电功率的基础。 实际上扬声器的输入阻抗是随频率而变化的其大小随频率的变化曲线称为扬声器的阻抗曲线如图3-1所示一般规定的额定阻抗即为阻抗曲线上第一个最大值后面的最小阻抗模值如图所示 在频率F1所对应的阻抗R0即为扬声器的 额定阻抗。 3-3-4 效率η 扬声器的效率是表示扬声器电声能转换 能力的一个参数。扬声器在某一频带内的效 率是指该扬声器在该频带内所辐射的声功率与馈给扬声器的电功率之比。 对於直接辐射式扬声器电声效率极低一般只有百分之几或者更低。 3-3-5共谐振频率Fo 扬声器的共谐振频率是指在扬声器阻抗曲线上出现第一个阻抗极大值时所对应的频率。如图2-4所示在阻抗为极大值Zmax时所对应的频率Fo即为扬声器的共谐振频率。 Fo值的大小可以用Fo测詴仪等仪器测出。 3-3-6频率响应和有效频率范围 扬声器的频率响应是指馈给扬声器恒定的电压一般是指输入1W的功率 根据额定阻抗换算成的电压值时扬声器在参考轴上所产生的直达声压随频率变化的特性通常称为频率响应曲线如图3-2所示它反映了扬声器对不同频率声波的辐射能力。 有效频率范围是指在频率响应 曲线上由平均声压级所在直线 f HzSPL dB0FoF10dBSPL0图 3-2线下降10dB作一条平行於频率 轴的直线与频率响应曲线相交 则两个交点间频率范围称为有效 频率范围。对於电动式扬声器一 般把谐振频率看作是有效频率范 围的低限。如图3-2所示Fo到F 的频率范围就是扬声器的有效频率范围。 3-3-7特性灵敏度级 SPL0 是指在有效频率范围内馈给扬声器1W粉红噪声信号电压在其参考轴上距离参考点一定距离通常为1m处所产生的声压级。 我们一般所讲的灵敏度是指平均声压级。此平均音压级按不同的要求有不同的计算方法如对一般的全音域扬声器ZYLUX公司通常取500、600、800、1000Hz各点对应音压级的几何平均值。 灵敏度表示的是音压的大小。 3-3-8指向特性 扬声器在声场中不同方向的音压是不相同的。扬声器的指向性即是扬声器所辐射的声压在空间的分布状况。 低频时扬声器的辐射是无指向性的随著频率的增加扬声器的辐射将出现明显的指向性。扬声器纸盆的辐射面积越大频率越高其指向性就越强。 3-3-9谐波失真 扬声器重放时出现电信号中所没有的频率成分的那种失真称为非线性失真谐波失真是非线性失真中的一种。 当扬声器输入某一频率的正弦信号时扬声器输出的声信号中除了原输入的信号基波外同时出现二次三次谐波等这种现象就称为谐波失真。 另外表征扬声器特性的参数不有扬声器的等效容积Veq等效质量MMS系统顺性CMS总品质因数Qts等在此就不作一一详 述。 图 4-112345678第四章 其它扬声器介绍 第二章我们较详细的讲述了扬声器中具有代表性的锥形扬声器结构这一章我们再来讨论一下其它形式的扬声器。 首先我们对扬声器作一个分类。 前面我们讲到了如果以扬声器能量转换的物理效应分可分为压电式电容式电磁式电动式等。 如果按声音辐射的方式分可分为直接辐射式和间接辐射式。大多数扬声器 如一般常见的锥形扬声器球顶形扬声器平板形扬声器等都是直接辐射式的扬声器而号筒式扬声器则属间接辐射式扬声器。 如果按扬声器声辐射的有效频率来分则可分为低音扬声器中音扬声器 高音扬声器全音域扬声器。 如果按扬声器振膜的结构形式来分则可分为锥形扬声器球顶形扬声器 平板形扬声器等。 如果按扬声器的用途来分可分为多媒体扬声器HI-FI扬声器汽车用扬声器其它专用扬声器等。 下?婢图虻ソ樯芗钢纸铣,难锷鳌??4-1 球顶形扬声器 内磁式球顶形扬声器当然也可是外磁式的的一般结构如图4-1所示。 1—保护面盖均衡器EQ2—音膜Diaphragm3—吸音棉Foam 4—音圈Voice coil5—磁铁Magnet6—导磁芯俗称华司Washer或Plate 7—盆架或壳体Frame 8—导磁后轭俗称U铁U-yoke。 音膜前面所设均衡器主要目的是为了改善声压 特性和指向性同时也起保护音膜的作用。当然均 衡器并非必备零件。 音膜一般都 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 成球顶形。按音膜材质软硬程度 的不同一般可分为硬球顶和软球顶。硬球顶材料一 般选用刚性强质量轻的金属如铝、钛、铍等合金 软球顶一般采用棉布蚕丝及化纤等方法是把这些纤维材料浸上酚醛树脂然后加热成型。为了防止漏气最后再涂敷一层粘性材料还有一种硬度介於软硬球顶之间的材质 12图 4-2一般采用聚酯复合材料如PEIMylar等。 对於软球顶形扬声器一般会在球顶里面填充吸声材料其主要作用一是可防止驻波二是能对分割振动起阻尼作用三是可保护音膜。 球顶形扬声器一般作为多音路扬声器系统的中高音单元尤其是作为高音单元使用。 ?4-2 传统平板扬声器 传统的平板形扬声器的工作原理同一般的锥形纸盆式扬声器一样。但不同的是由平面振动板代替了锥形纸盆。 此类平板扬声器根据平面振动板的形式 可分为两种一种是节驱动式的平板扬声器 一种是填充泡沬树脂的平板扬声器。 节驱动式的平板扬声器 节驱动式的平板扬声器的振动板一般 采用又轻又厚刚性又大的蜂窝板作振动 板。其结构如图4-2示。 除大音圈可以直接驱动振动板外小 音圈一般增加一个锥形耦合器间接驱动。 — 振动板—耦合器 锥盆内填充泡沬树脂的平板扬声器 振动板是填充了泡沬树脂的锥形结构 其填充方式有两种一种是在金属锥盆内 填充泡沬树脂这种填充的树脂密度较小 另一种泡沬树脂本身就是振动板所填充的泡沬树脂密度较大。结构如图4-3示。 泡沬树脂 ?4-3 压电式扬声器 前面所讲的无论是锥形扬声器还是球顶形扬声器其换能方式都是电动式的现在我们讲一种压电式的扬声器。 首先我们简单介绍一下压电陶磁扬声器的工作原理。 压电陶磁材料具有压电效应。所谓压电效应就是当对压电片通入一定的1图 4-3 .