扬声器设计入门之一               p1/6

扬声器常用国家标准

GB/T9396-1996 《扬声器主要性能测试方法》

GB/T9397-1996 《直接辐射式电动扬声器通用规范》

GB9400-88     《直接辐射式扬声器尺寸》。

GB7313-87     《高保真扬声器系统最低性能要求及测量方法》

GB12058-89    《扬声器听音试验》

扬声器设计入门之二

扬声器主要电声特性

额定阻抗     Znom

总品质因数   Qts

等效容积     Vas

共振频率     Fo

额定正弦功率 Psin

额定噪声功率 Pnom

长期最大功率 Pmax

额定频率范围 Fo-Fh

平均声压级   SPL

扬声器设计入门之三

1.   磁路设计的目的与方法

磁路设计的目的主要有两种：一是给定磁体规格(已知材料性能和尺寸),设计出磁路结构,使其工作气隙磁感应密度Bg值为最大,Bg值的大小对扬声器的灵敏度及电气品质因数Qes影响很大；二是给定Bg值,设计出磁路结构,使所用磁体尺寸为最小,从而达到节约成本的目的。

磁路设计的方法有多种，这里采用的是经验公式法。

2.  磁路设计基本公式

Kf*Bg*Sg = Bd*Sm   

Kr*Hg*Lg = Hd*Lm   

相关说明如下:

Bg: 工作气隙中的磁感应密度

Bd: 磁体内部的磁感应密度

Sg: 工作气隙截面积

Sm: 磁体截面积

Kf: 漏磁系数(总磁通与工作气隙磁通之比)

Hg: 工作气隙中的磁场强度

Hd: 磁体内部的磁场强度

Lg: 工作气隙宽度

Lm: 磁体高度

Kr: 漏磁阻系数(总磁阻与工作气隙磁阻之比)

这里所有单位均采用国际单位制,即千克、米、秒制。

3 一些参数的选取与设定

对于内磁结构的磁路:

Kr = 1.1~1.5                                                                          p2/6

Kf = 1.8~2.5

导磁板厚度:Tp = 5*Lg

导磁板直径:Dp = 4.1*Tp

对于外磁结构的磁路:

Kr = 1.1~1.5

Kf = 2.0~4.0

华司厚度:Tp = 5*Lg

中柱外径:Dp = 4.3*Tp

华司外径 = 磁体外径-磁体厚度/2

Sg =π*(Dp+Lg)*Tp

Bg =μ_o* Hg                    

μ_o = 4π*10^-7 H/m为真空磁导率.

根据磁体材料退磁曲线和最大磁能积曲线,可以确定最佳工作点的Bd和Hd值,在此工作点,磁体体积最小(给定Bg值时),工作气隙中的磁感应密度最大(给定磁体尺寸时)。

Bg² = (μ_o*Sm*Lm*Bd*Hd)/(Kr*Kf*Sg*Lg)    

4.  磁路设计的验证

选择了一种磁路结构后，验证很方便，只需将磁路充磁，测量其工作气隙中的磁感应密度Bg就行。

磁感应密度Bg的测量方法有两种:一是用带超薄霍尔探头的特斯拉计(高斯计)直接测量；二是用带标准线圈的韦伯表(磁通表)测量磁通φ,然后换算成磁感应密度, Bg =φ/S,这里的S为标准线圈在磁场中切割磁力线的有效面积。

扬声器设计入门之四

1.音圈主要参数设计

音圈的直流电阻Re一般要预先设定，或按额定阻抗Znom确定:

Znom =(1.05~1.10)* Re

音圈的直径Dvc根据磁路结构确定，同时要考虑功率承受能力以及扬声器的灵敏度、品质因数等电声参数。音圈直径太小,则其功率承受能力必然有限,因为线径决定了其允许通过的电流大小,同时T铁中柱太小又影响到其散热能力；音圈直径太大,则导致其质量加重,同时Bg值下降,从而导致灵敏度降低,并且增加了材料成本。

音圈的卷宽Tvc亦需根据磁路结构确定, 同时也要考虑功率承受能力以及扬声器的灵敏度、品质因数、最大振幅、失真等电声参数。一般低音单元均采取长音圈结构,即音圈卷宽Tvc=(1.4~3.0)*Tp,则有最大线性振幅Xmax=(Tvc-Tp)/2=(0.2~1.0)*Tp,可见大功率大口径扬声器的音圈卷宽及华司厚度均需较大。

根据导线的电阻率或电阻系数及所需直流电阻,可以很容易地算出音圈线长Lvc=Re/电阻系数，则绕线圈数n = Lvc/[π*(Dvc+2*骨架厚度+层数*线径)]，卷宽Tvc=n*1.03*线径/层数，此处线径指导线的最大外径。

2   音圈材料性能与选择

2.1音圈骨架材料常见的有牛皮纸(Kraft Paper)、杜拉铝(Aluminium Duralumin)、NOMEX、TIL、KAPTON等。主要特性如下：

牛皮纸(Kraft Paper)

采用最高连续工作温度180 ^oC的电缆纸(牛皮纸)，其特点为质轻、绝缘好、价格低廉。其厚度有：

0.03  0.05  0.07  0.10  0.13  0.17

杜拉铝(Aluminium Duralumin)

采用加以表面硬化及清洁处理的合金铝箔，最高连续工作温度200 ^oC，具有耐高温、强度高等特点。铝箔有黑、白两种，黑色铝箔更具有绝缘性能佳、传热快等优点。其厚度有：                              p3/6

0.03  0.04  0.05  0.07  0.08  0.10  0.12                                                            

NOMEX

采用芳香族聚酰亚胺制成箔膜， 最高工作温度300 ^oC，具有绝缘、质轻、耐高温、粘接力强等优点。用它制成的扬声器音色柔和圆润、悦耳动听。其厚度有：

0.03  0.05  0.08  0.12

TIL

采用玻璃纤维为基材，上面加聚酰亚胺合成，最高连续工作温度230 ^oC，其特点为耐高温、材料强度高、刚性好、不易变形。

KAPTON

采用聚酰亚胺箔膜， 最高连续工作温度220 ^oC，具有绝缘、质轻、强度高、耐高温、不易燃烧等特点。KAPTON有褐色、黑色两种，黑色KAPTON还有散热快、表面硬度高等优点。

2.2 导线材料常见的有LOCK线、SV线、CCAW（铜包铝线）、扁线等，其主要特性如下：

LOCK线

使用温度在140 ^oC，为溶剂型，一般用于小型低功率扬声器。

SV线

使用温度在200 ^oC，为溶剂型，特点为固化后粘接性能很强，是音圈生产中最常用的线种之一。

CCAW（铜包铝线）

比铜线质轻、比铝线导电率高且拉力强，其高频时阻抗与铜线相仿，用它制成的扬声器瞬态特性好、灵敏度高，是高灵敏度扬声器中常采用的材料。

扁线

磁场利用率较圆线大（圆线磁场利用率为78%~91%,扁线为96%），特点为换能效率高，适于制作大功率扬声器，扁铝线更常用于专业扬声器（大功率、高灵敏度）。

扬声器设计入门之五

1.鼓纸(振动板)

鼓纸特性直接影响着扬声器各种电声参数、音质和使用寿命。鼓纸的性能主要取决于使用材料、设计形状、制造工艺等。

鼓纸材料一般要求具有下述三种基本特性：

1）             质量要轻，即要求材料密度要小，这可以提高扬声器的效率、同时改善瞬态特性。

2）             强度要高，即要求材料杨氏模量E要大，这可以改进扬声器的效率、瞬态特性，拓宽高频响应。

3）             阻尼适当，即要求材料内部损耗适中，这可以有效地抑制分割振动，藉以降低高频共振的峰谷，使频率响应平坦、过渡特性良好，同时改善失真。

锥盆常用的鼓纸材料有纸、聚丙烯（PP）、杜拉铝、玻璃纤维、碳纤维等，球顶高音用振动板材料有丝、铝、钛、MYLAR、PEI等。

鼓纸的形状一般为锥形，球顶高音及中音则为半球形。

                                                                                       P4/6

因材料所用不同，其制造工艺也各有不同。纸盆工艺比较特殊，需经打浆、抄制、热压或烘干等各道工序，代表性的有紧压、半松压、非压等三种类型。聚丙烯盆制作工艺有两种：吸塑成型、注塑成型。MYLAR、PEI、丝膜等均为热压成型，丝膜还需预先上胶。

无论使用何种材料，或多或少均需添加其它材料，作增强或提高内部阻尼处理。材料特性总的说来很复杂，很难定量描述，一般只有通过反复试验才能确认其是否满足使用要求。

鼓纸与电声特性直接相关的定量参数主要有重量、厚度、顺性、杨氏模量等，重量、顺性等决定了扬声器的低频特性，重量、厚度、锥顶角度、杨氏模量等则决定了高频特性。

对于锥型扬声器，低频共振频率Fo和高频上限频率Fh可由下列公式确定：

(2πFo)² = 1/(Mms*Cms)   

(2πFh)² = (Mm₁*Mm₂)/[(Mm₁+Mm₂)*Cmh]     

相关说明如下:

Mms为扬声器的等效振动质量,且有Mms =Mm₁+Mm₂+2Mmr,其中Mm₁为音圈质量, Mm₂为鼓纸等效质量, Mmr为辐射质量。Mmr =2.67*ρ_o* a³,其中ρ_o=1.21kg/m³为空气密度, a为扬声器等效半径。

Cms为扬声器的等效顺性，且有Cms =(Cm₁*Cm₂)/(Cm₁+Cm₂), Cm₁为鼓纸顺性、Cm₂为弹波顺性。此顺性即是我们所称的变位，只是单位需换算为国际单位制：m/N,

而变位可以用变位仪直接测量，或通过测量鼓纸、弹波的共振频率来换算。

若鼓纸的共振频率为F₁、测试附加质量为M₁，弹波的共振频率为F₂、测试附加质量为M₂，则有

（2πF₁）² = 1/[(M₁+Mm₂+2Mmr)*Cm₁]

（2πF₂）² = 1/(M₂*Cm₂)

F_o = SQR{[(M₁+Mm₂+2Mmr)*F₁²+M₂*F₂²]/(Mm₁+Mm₂+2Mmr)}

可见，扬声器的低频共振频率由鼓纸的质量、顺性（频率），和弹波的顺性（频率）、音圈的质量等确定。

公式（6）中，Cmh为鼓纸根部（锥顶部）的等效顺性，且有

Cmh = sinθ/(π*E*t*cos²θ)

其中，E为鼓纸材料的杨氏模量，t为鼓纸根部厚度，θ为鼓纸的半顶角。

可见，扬声器的高频上限频率由鼓纸的质量、音圈的质量，鼓纸根部厚度、半顶角及杨氏模量等确定。

扬声器设计入门之六

1.弹波(定位支片)

弹波主要作用有二：一是固定音圈的中心位置，使音圈保持在磁间隙中间，避免音圈与磁路碰触；二是控制扬声器的低频共振频率，限制音圈的最大位移，避免音圈跳出磁路，同时对振动系统提供适当的阻尼，改善低频响应及品质因数。一般要求弹波应该具有很大的径向刚性和很大的轴向顺性，以保证良好的机械强度和较低的共振频率及较小的失真。

弹波常用材料有棉布、筛绢、人造丝、NOMEX纤维布等，一般都是浸渍酚醛树脂酒精溶液后热压成形。常用的形状为波纹形。布的编织方式、经纬密度、纱支粗细、浸胶浓度、成形热压温度及时间等，均对弹波的强度、顺性、抗疲劳性能有很大的影响；另外，弹波的尺寸、形状、波纹数等对其性能也有影响。

弹波主要的参数就是其顺性Cm₂（或频率F₂），由公式（7）可知其对扬声器的共振频率影响较大，同时此值又是可以测量验证的，从而可以控制。弹波顺性的经验公式如下：

Cm₂ = (A*n*L³)/(E*b*h) 

其中，A为修正系数（其值视波纹形状而异），n为波纹数，L为波纹深度，b为折环所形成的圆周长度，h为材料厚度，E为杨氏模量。

由公式（9）可知，波纹数越多、波纹越深、材料越薄，则弹波的顺性越大。而杨氏模量既与材料本身的材质（纤维及其编织方式、经纬密度、纱支粗细）有关，又与上胶浓度有关，因为酚醛树脂是热固性材料，加热后变性变硬，由此而改变了材料的强度、硬度。

因受支架、音圈等材料尺寸的限制，弹波的尺寸选择余地较小，最终其形状及参数必须结合材料工艺等试验的结果,根据扬声器整体性能设计要求而确定。

Cm₂ = (A*n*L³)/(E*b*h)  ,L為波紋深度，如果我們設計的波紋不是一樣高的怎么選擇啊！                                        

  扬声器设计入门之七              p5/6                      

1.扬声器主要参数综合设计和分析

扬声器性能是电学、力学、声学、磁学等物理参数共同作用的结果，由鼓纸、弹波、音圈、磁路等关键零部件的性能共同确定，其中一些参数相互制约相互影响，因而必须综合考虑和设计。

扬声器常用机电参数以及计算公式、测量方法简述如下：

1.1直流电阻Re

由音圈决定，可直接用直流电桥测量。

1.2共振频率Fo

由扬声器的等效振动质量Mms和等效顺性Cms决定，见公式(5)， Fo可直接用Fo测试仪测量或通过测量阻抗曲线获得。

1.3共振频率处的最大阻抗Zo

由音圈、磁路、振动系统（鼓纸、弹波）共同决定，可用替代法测量或通过测量阻抗曲线获得。

Zo = Re+[(BL)²/(Rms+Rmr)] 

1.4 机械力阻Rms

由鼓纸、弹波的内部阻尼及使用胶水的特性决定，可由测量出机械品质因数Qms后通过下列公式计算：

Rms =(1/Qms)*SQR(Mms/Cms) 

这里SQR( )表示对括号( )中的数值开平方根，下同。

1.5 辐射力阻Rmr

由口径、频率决定，低频时可忽略。

Rmr = 0.022*(f/Sd)² 

1.6 等效辐射面积Sd

只与口径(等效半径a)有关。

Sd =π* a²

1.7 机电耦合因子BL

由磁路Bg值和音圈线有效长度L决定，也可通过测量电气品质因数Qes后用下列公式计算:

(BL)² =(Re/Qes)*SQR(Mms/Cms) 

1.8 等效振动质量Mms

由音圈质量Mm₁、鼓纸等效质量Mm₂、辐射质量Mmr共同决定， Mms可由附加质量法测量获得。

Mms=Mm₁+Mm₂+2Mmr

1.9  辐射质量Mmr

只与口径(等效半径a)有关。

Mmr =2.67*ρ_o* a³ 

其中ρ_o=1.21kg/m³为空气密度， a为扬声器等效半径。

1.10 等效顺性Cms

由鼓纸顺性Cm₁、弹波顺性Cm₂共同决定，此顺性即是我们所称的变位，只是单位需换算为国际单位制：m/N, 而变位可以用变位仪直接测量。Cms可由附加容积法测量获得。

Cms=(Cm₁*Cm₂)/(Cm₁+Cm₂) 

1.11 等效容积Vas

只与等效顺性、等效辐射面积有关。

Vas =ρ_o*c²*Sd²*Cms

此处c为空气中的声速，c=344m/s

1.12 机械品质因数Qms

Δf 为阻抗曲线上阻抗等于SQR(Zo*Re)所对应的两个频率由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机械力阻Rms共同决定，Qms可由阻抗曲线的测量获得。

Qms =(1/Rms)*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*(Zo/Re) 

的差值。

1.13 电气品质因数Qes

由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机电耦合因子BL共同决定，由阻抗曲线的测量获得。

P6/6

Qes =[Re/(BL)²]*SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)*SQR(Zo*Re)/(Zo-Re) 

1.14 总品质因数Qts

由机械品质因数Qms和电气品质因数Qes共同决定。

Qts =(Qms*Qes)/(Qms+Qes)=(Fo/Δf)*SQR(Re/Zo) 

1.15 参考电声转换效率η_o

由机电耦合因子BL、等效辐射面积Sd、等效振动质量Mms共同决定

η_o =(ρ_o/2πc)*(BL*Sd/Mms)²/Re

5.16 参考灵敏度级SPLo

与参考电声转换效率η_o直接相关。

SPLo = 112+10lgη_o

5.17 参考振幅ξ

与参考电声转换效率η_o、电功率Pe、等效半径a、频率f有关

ξ = 0.481*SQR(Pe*η_o)/(a*f)²

以上这些参数现在均可用扬声器计算机测试系统进行测量和计算，常用的测试系统有LMS、CLIO、MLSSA、DAAS、SYSID、LAUD、IMP等。另外，也可利用一些计算机模拟软件进行扬声器参数的基本设计，如LEAP、CALSOD、Speaker Easy、DLC Design、AudioCad、SOUNDEASY等。

 

 刚入门的电声人员,可以参考一下.

好东西 不顶不行 谢谢

很不错