原创 关于喇叭音腔设计的基本原理及与射频天线的对比

关于喇叭的音腔设计，基本上我们停留在一个概念上，而没有一套完整的理论指导。我们知道的音腔设计，往往是如下的理解：
1：要有音腔，起扩音用，至于为什么要有音腔，则不明白。
2：音腔要求密封，若密封不好，则导致低音很差。
3：音腔孔不能开的太大，若开的太大，会导致音量变小。

以上三点是我们最常关心的，我们往往按要求去做，没有问过为什么。

本人试着用射频理论推导喇叭音腔设计：
对比天线与喇叭
                     天线                                   喇叭
媒质             真空                                   空气
作用            电能转换成电磁场能量    电能转换成声音能量
主要器件    天线                                    喇叭
附属器件    天线自身及匹配电路        音腔
原理            电磁波理论                        震动波理论
目的    获得最大的能量输出，合适的频响  最大的能量输出，合适的频响
结论    只有合适的天线和合适的匹配电路，才能获得最大的能量和合适的频响    只有高效的喇叭和合适的音腔，才能获得最大的能量和合适的频响

通过以上，我们基本上清楚，喇叭跟天线具有类似的功能，就是起能量转换作用，其中喇叭是关键器件，它是电能到声能的根本，但是附属器件音腔决定了它的最大输出功率和频率响应，接下来我们主要讨论音响系统是如何获得最大能量的。


先举一个例子，我们用手拍空气，对空气做功基本上等于0，假如我们拿一把特别大的扇子，扇不动，对空气做功也等于0。
对空气做功其实就是对空气发声，假如这个频率在我们能够听到的范围内，就是声音了。
那么通过上面的例子可以说明，用手对空气做功有一个极点，也就是说有一个最大值。我们用以下公式来看：
P ＝ F × V
 

P为功率，对外界做功的功率，F为力的大小，V为速度。
这个公式说明F太小，或者V太小，都不可能对外做功，只有两个值乘积项决定对外的功率。

接下来我们看看喇叭是不是跟手一样，就是一个振膜加一个动力线圈，振膜决定这个扇子的面积大小，动力线圈相当于人的力。

因为喇叭的振膜是不可能变的，除非换个喇叭，在喇叭振膜，电能信号的频率一定的情况下，我们来描述这个音响系统应该如何提高输出能量：

对比P ＝ F × V公式，我们对喇叭提出一个具体对外做功的简易公式。

因为F正比振膜面积（S），所以写成 F ＝ K × S，K为系数。
V由喇叭的动力线圈决定，动力线圈的动力由电场产生，动力线圈的阻力由两部分产生，一是空气对振膜的阻力（K×S），反对振膜震动，而是喇叭自身振膜的弹力反对振膜震动（Fz）。
对于音响系统来说K×S一般远远小于Fz。这个原因如下。看一个音响系统，动不动就是100W之类的，而声音大小也没有多少，据说一个人一年高声唱歌，产生的能量只能烧一壶水，可见声音的能量还是很少很少的，绝大部分的音响系统，它的能量都消耗在喇叭上，发热了。
所以空气不能影响动力线圈，可以认为V一定。

那么公式就成了P ＝ K × S * V
因为信号一定，喇叭的振膜面积S也一定，若想改变P，则只能改变K，目的是提高K，其实K就由音腔决定，如下：
假如我们现在的空气密度增加一倍，则K增加一倍，假如只对一部分空气做功，则产生的力就能提升，这是因为空气动力学原理dV / V = dF / F,也就是说在一定的空间内对空气做功，空气体积的变化跟力的变化成正比。这个就是音腔原理，就是要划出一部分空气，提高K值，让喇叭对这部分空气做功，产生声音，之后这部分能量再传到整个空间中，在这儿音腔当作了能量传递的中间环节。

以上合理的解释了上面提到的第一点，为什么要有音腔，对于2，3都可以类似的分析，对于2，还需要分析声音的相位问题，因为喇叭有两面，可以当作两个音源来考虑，相位差180°，对于第三点，可以整合到第一点里，都是影响K值。

主要针对便携式小音腔设计，比如手机，随身听之类。