原创 关于喇叭音腔设计的基本原理及与射频天线的对比

2012-7-18 13:21 1753 6 10 分类: 消费电子

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

 

1268416185_61c4d9d5.jpg
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。

文章评论4条评论)

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xujian_466954279 2012-7-21 10:38

谢谢分享。

taylor.aha_399722640 2012-7-20 00:31

发声和煽风似乎没差异了,“煽风声学大师”大胆往前走!

cnnihao_438945703 2012-7-19 11:20

喇叭的音腔设计半个世纪多前,就已经有系统的理论设计了。

zxj 2012-7-19 10:20

很好!进行努力!
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