扬声器的设计原理

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1、扬声器的设计原理1. 喇叭的零件：鼓紙(Gdm Paper) Hi(Draphragnir(GaskAt)fBMKLead wires)警子橱Twml帼I）fEFrame)WMOflmper)MKYoke)內磁式IBM(伽 Q 他t)外磁式 (Ring Magnet)A. 音圈的驅動力- 磁間隙中的磁場強度，單位為韋伯 / 。 - 音圈導線 （ 銅線 ） 的長度， 單位為米。- 流過音圈的電流，單位為安培。 這是喇叭驅動的公式，我們可用的資源為；- 磁間隙中的磁場強度，我們現在在華司上增加一片磁鐵，主要反應在 磁場強度的增加。- 音圈導線(銅線) 的長度，兩層的音圈，我們改為四層，四層改六層，

2、 體現在長度的增加。- 流過音圈的電流。假如電路已經固定， 8 歐姆的喇叭，改成 4 歐姆 明顯的增加流過 的電流，但通常不是我們來決定，而是客戶來決定。B. 間隙設計的考量 設計考量的重點在【紙管式的音圈；內間隙設計成一致，外間隙隨阻抗 的變化而改變】。【無紙管的音圈；外間隙設計成一致，我們考量上音圈 製具的一致】。C. 磁力線的分佈下圖(a)為我們的常規設計，磁力線作上下均勻的分佈。但假如把它做成 不等平面的設計如圖b，磁力線會被擠到上半部去；既圖上的上半部較 多，下部較少。注意：不等面的設計，在任何一邊都行。意思是假如是內磁式， Yoke 邊凸出，或華司邊凸出都行。我們所生產這一系列的喇

3、叭，為了不使音圈打到 Yoke 底部，都把音圈 紙管往上移，所以我們應該把磁迴的設計成不等面，使裸露在上面的音 圈還會被磁力線所含蓋，或許，這多出的部分，可以讓我們增加2db的 音壓。2. Fo （ Lowest resonant frequency；最低共振頻率）=Mo = 振動系的重量；包括鼓紙（振膜）、音圈、彈波的附加、防塵蓋、膠。So =振動系的柔順性；包括鼓紙（含鼓紙的邊緣Edge）、彈波。測 Fo 值是在【自由音場】下測得，在我們實際的量測時，務必注意喇 叭的前後不可有障礙物擋住，而影響氣流的流動，否則所得的值就不正 確了。比較正確的測試方式為用阻抗曲線測出的值，較準確。通常測定

4、Fo 的電壓為IV,但我們會碰上喇叭的功率不足IV的情形，在這種情況下, 我們會改用0.5V 測,但必須載明於規格書上。測試的電壓愈高，所測得Fo的值會愈低，所以必須要定出一個共同的 規範。Q 值：代表在諧振點 Fo 的諧振品質因素Zmax0 707 ZmaxQ值，和電子電路的Q值定義一樣，可以從阻抗曲線上來求得。Q愈高 表示曲線愈尖銳，以振動的現象來說，是振動不易停止，所以聽起來， 低音會變得渾濁。但在小喇叭的情況來說，因為低音都不易做好，所以Q值都高一些。Q質的最大用處在於設計音箱時，音箱設計的著手點都從Q開始。當然 我們也可以透過其他方法來調整Q值。如何調整品質因素 Qt（比較舊的喇叭分

5、析教材只定義Qt,或Qo。新的分析方式把Q拆成機 械共振的Qm及電氣共振的Qe，它們兩者的並聯值為Qt,既）。以下是節錄自【揚聲器及其系統一南京大學出版】書上關於Q的定義。 或者符號說明：- 放大器內阻,單位為歐姆。 - 音圈的直流電阻,單位為歐姆。- 磁間隙中的磁場強度,單位為韋伯/ 。- 音圈導線（銅線）的長度,單位為米。-支撐系統的等效力順，即鼓紙折環（錐緣或叫Edge）和彈波的總力順， 單位為米/牛頓。- 振動系統的等效質量，即鼓紙和音圈質量之和，單位為千克。由此可知，揚聲器的 值，與 的平方根成正比，而與 的平方根成反比。 改變這兩個量的大小，當然可以改變 的值，但效果並不顯著。而與

6、 的 平方成反比，可見改變 值的大小，即可明顯的改變 的值。事實上，這 是控制揚聲器 值所經常採用的辦法。此外，我們知道，音圈的驅動力 ：音圈的反電動勢- 音圈的振動速度。 - 音圈的反電動勢（電壓）。音圈的反電動勢：我們可以看做是音圈因為運動，產生一個阻止電流流 入而極性相反的電壓。在阻抗曲線的表示上，假如是 變得很高，表示 反電動勢的電壓很高，也表示 Q 很高。從另一個角度看，就是 (音圈的 振動速度)很快，套到我們 36mm 的喇叭看，也有合理的解釋，因為振 速高，所以壽命比較短。假如在我們的Mylar喇叭產品中，把不織布貼上，相當於把機械共振的Qm 降低。3.喇叭對於(輸入)不同頻率的

7、電訊號，所產生音壓的大小。通常將X軸設 定為頻率；對數刻度， Y 軸為音壓；線性刻度。主要作為判斷一支喇叭 好壞的重要依據，理想的曲線為一條直線，就是對任意頻率輸入的電訊 號喇叭響應為一致的輸出。音壓(db Decibel)：定義為 db = 20 log 壓力的單位為 Newton / m22 x 10 Newton / m ( 或 2 x 10 Dyne / cm ) 是人耳能聽到的最低界限， 我們拿來當音壓位準(0 db)。注意：db是一個比較值，不是單位，所以我們可以改變【位準、或參考 值】的值來從新定義db。常用的位準值如1伏(V),稱為dbV (常用在 麥克風的感度上)。 另外以

8、600甌姆消耗 1mW 的功率(相當 0.7745 V) 為參考位準值的，我們稱為 dbm (m : mW)。頻率：每秒鐘振動的次數，單位為Hz (Hertz)。慣稱K (Kilo = 10 )、M (Mega = 10 ) Hz。有效頻率範圍：Fo(Average SPL - lOdb)。這是JIS、CNS規範的標 準。中音谷：在10003000 Hz的中音範圍，當一個訊號送到鼓紙的固定邊， 反彈回來，恰好碰上後來趕上來的訊號，產生一個抵消的作用，在曲線 上會有一個下跌的山谷形狀，這叫中音谷，是我們工程師努力要解決的 工程問題。在鼓紙折環(錐緣或叫Edge)利用不產生反彈的形狀、能吸收振動的

9、材 質、塗怖吸震的膠等為有效解決此問題的對策。4D2020Dt lOQOHz Y: 8?.?1 dB2.0K4. 失真 當喇叭收到一個純音的電訊號，鼓紙相應的震動並非如預期的只產生該 訊號的震動，會有它一倍、二倍頻率或1/2倍、1/4倍.等等的震動， 這些震動產生的聲音，我們稱為 【諧波 Harmonic】。悴+凭+玩+严+耳失真=x 100% P :基本波、P :二次諧波.P :n 次諧波把諧波的總能量和全部能量之比，我們稱為失真，也慣稱為THD (Total Harmonic Distortion)。增加鼓紙本体的鋼性、均勻的驅動力，可以減少失真的現象。5. 功率 沒有儀器能一下就測定出喇

10、叭的承受功率是多少，通常的方式都是用壽 命試驗來決定。詳細關於喇叭的壽命試驗，請參照【喇叭的壽命試驗】有詳細的說明。 功率大並不表示聲音就大，詳細的關係參照它項說明。注意【功率】和 【效率】 意義上的不同。功率：是指以電的訊號送給喇叭，消耗在喇叭上的電功率。 效率：喇叭是一個換能器件，將電能轉換為聲能，效率是指這個轉換的 比值。簡單的指標參數就是 db/W M。喇叭效率都不高，依我們現生產的產大概都不超過 10%，其他的能量大 部分都轉換成熱能和動能了。正常功率(Normal )：是指長時間工作沒有問題的功率。最大功率(Maximu m)：短時間，非連續性，喇叭還能正常工作的功率。功率、距和音

11、壓的關係；Sc (SPL 換算值)=(SPL 測試值)+ 20 - 10、 ：分別為測試距離、計算距離 、 : 測試功率、計算功率 註：如原以0.2W、0.5M測得SPL為80db，現功率不變，距離改以1M測,則，80+20Log(0.5/1)-10Log(0.2/0.2) = 74 db.如原以0.2W、0.5M測得SPL為80db，現距離不變，功率以0.4W測,將得，80+20Log(0.5/0.5)-10Log(0.2/0.4) = 83 db.整理出功率、距離和音壓的關係如下：功率不變、距離增一倍4SPL 減功率不變、距離減一半匸SPL an 6db距離不變,功率增一倍dSPL fln

12、.3db距離不蠻二功率減一半GSPL 減 3db6. 極性 以電池加在喇叭標示的正端，鼓紙是向前推出。 在雙聲道以上的設備裡，對極性的要求就很嚴謹。7. 環境試驗包括： 高溫、低溫、高濕、冷熱循環、冷熱衝擊。震動、落下。鹽霧。8. 各零件功能及材料a. 框体塑料：ABS、ABS+GF、PBT+GF、ABS+PC 等。ABS+GF 為塑料合金 可以改善物性。加FG (Fiber Glass)改善鋼性及耐熱性。 鐵材：以低碳的鐵材沖壓而成，碳會增加磁阻，不利於導磁性。理想的喇叭框体材料是，軛鐵部分良好的導磁，框体部分不導磁，磁力 線才不至於分散。b. 端子板 用衝剪纖維板後鉚上鉚釘而成。主要做為訊

13、號引入的端點。 印刷電路板（紙質板或玻璃纖維板上貼銅箔）蝕刻出接點。c. 錦絲線 以銅箔圍著纖維紗捲繞而成。功能在提供一個緩衝的空間，音圈的震動 不會直接傳遞到端子的固定點，否則此引線會因拉扯而斷裂。 紗也以耐熱性及耐疲勞度而分等級。銅箔可以分一股（一片銅箔）、兩股等捲繞，依須要是否鍍上錫等。d. 墊片 主要用來墊高喇叭和機殼間的距離，以免鼓紙碰撞了機殼。其他還有減 震、防止漏氣、防水等功用。材質有紙、EVA、CR、橡膠等，設計要考慮不能碰觸鼓紙的邊緣，可能 使喇叭的 Fo 增加，失去原始設計的值。e. 軛鐵、華司 做為磁氣迴路的一部分，必須盡量的減少磁阻，磁飽和系數大，防銹良 好。和框体的鐵

14、料一樣。f. 彈波用布材經樹脂含浸，再熱壓定型而成，最近的產品也有以 PI 衝剪成型 或用 Mylar 成型者。我們取其恢復性、耐疲勞性。主要的功用在支撐音圈，在音圈受驅動時，其運動時能在我們設定的間 隙內，不去碰撞金屬件。基本上是一個對喇叭特性供獻很小的零件，沒有彈波，特性還更好，但 沒有彈波的產品，量產有很高的難度。g. Bobbin 線軸（因我廠都用牛皮紙的材料，因此都用紙管這名稱 來替代 Bobbin） 在紙上塗怖耐熱及能和漆包線接著的樹脂而成。對於須要較高的耐熱等 級，有不同的材質因應，包括樹脂及紙管的材料。紙管主要的功用在於 使音圈能正確的在其工作的位置。此外，為了減輕重量及增進散

15、熱，可 以在紙管上打孔。在紙管的材料上有牛皮紙、鋁箔、PEI的押出管、PI捲繞管（見膜片說明）、Nomex 的織物等。 列舉兩種常用的塗佈材及其特性當參考，h. 防塵蓋 防止異物落入音圈內。通常這樣功能的防塵蓋是用不織布仿彈波的做法 做的。另外可以用Mylar或鈦合金等輕質的材料做，用於調整高音的特性，注 意正或倒過來貼其特性會有所不同。在低音喇叭里，也可以適當的設計防塵蓋的形狀及材質，來消除高音。i.音圈、自融漆包線是喇叭的引擎，主要材料為銅線，先被覆一道絕緣層，再塗上一道遇醇 復活或受熱溶合的樹脂而成。大部分我們所用的漆包線為醇類復活性，當線材霑過醇後，會恢復黏性， 從而使銅線黏在一起形成線圈。基本上此樹脂的性質和紙管上塗怖的材 質類似。和紙管一樣，對不同溫度的要求，樹脂的塗層也不一樣，尤其 在大功率時會產生高熱，樹脂更是嚴格要求。在生產線上，會用不同比率的水和甲醇參和，以達到最佳的接著效果。 為了減輕音圈的重