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1、喇叭设计-扬声器设计与制作分析1.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2. 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SPL3.扬声器主要零部件尺寸设计3.1扬声器口径扬声器口径必须符合客户要求，若客户没有具体要求，则优先采用国家标GB9400-88直接辐射式
2、扬声器尺寸。准3.2支架支架外形尺寸及安装尺寸应能满足客户需要，除此之外还需考虑鼓纸、弹 波、华司等尺寸选择与配合问题，一般大功率低频率的扬声器要求支架有效 高、底高、弹波接着径、华司钏接径等均较大。3.3磁体磁体尺寸优选常用系列值，具体尺寸需按性能要求确定。常用铁氧体尺寸：32*18*6,35*18*6,40*19*8,45*22*8,50*22*8,55*25*8,60*25*8,60*32*8,65*32*10,70*32*10,80*40*15,90*40*15,100*45*18,100*60*20,110*60*20120*60*20,130*60*20,140*62*20,145
3、*75*20,156*80*20,180*95*20,220*110*20常用标准：SJ/T10410-93永磁铁氧体材料3.4音圈音圈中孔尺寸优选常用系列值，具体尺寸（如卷宽、线径）需按性能要求确 定，骨架高度还需考虑到与鼓纸、支架的配合。常用音圈中xx尺寸：13. 314.14. 715. 416. 3318.19. 420. 425.525.930.535.538.644.549. 550. 565.575.580.04100.0127.03.5各种零件的尺寸配合支架、磁体、音圈等零件的主要尺寸确定后，其他零件的主要尺寸选择余地就受到限制，因为各种零件的尺寸必须相互配合，同时其性能参数也
4、要相互 配合。3.鼓纸外缘与支架胶合面一般需大于2 mm（微型扬声器不受此限制，下同），鼓纸外径必须小于支架内径1 mm以上，鼓纸次外径不能小于支架次外径以上、也不能大于支架次外径2 mm以上，鼓纸有效高必须小于支架有效高3mm0.5 mm以上。3.5.2支架与弹波弹波外缘与支架胶合面一般需大于2 mm,弹波外径必须小于支架的弹波接 着径0.5 mm以上，弹波有效高必须小于支架有效高与鼓纸有效高的差值0.5 mm以上。3.5.3支架与华司配合尺寸主要取决于支架与华司的钏接工艺，总的要求钏接应牢固，内钏要注意材料厚度。3.5.4音圈与鼓纸鼓纸中xx尺寸一般要大于音圈骨架外径0.”20.9 mm,
5、小口径、小音圈取值小些。3. 5.5音圈与弹波弹波中xx尺寸一般大于音圈骨架外径0.”1 0.4 mm,太大会漏胶、太小难装配。3.5.6音圈与T铁支架尤其音圈中xx尺寸一般大于Txx外径0.30.6 mm,小音圈取值相应小些。3.5.7音圈与华司华司中孔尺寸（内钏的为钏后尺寸）一般要大于音圈最大外径（为绕线部位）0.30.6 mm,间隙太小容易碰圈、影响到装配合格率，间隙太大又会降低磁性 能、从而导致灵敏度下降。3.5.8鼓纸与弹波鼓纸中孔与弹波中孔的距离，中小口径的扬声器以0.”52mm为佳，大口径可以加大到25mm,距离大些定位效果会更好、 更能承受大功率，只是鼓纸中心胶和弹波中心胶需分
6、开打。4.扬声器关键零部件的性能设计4.1磁路4.1.1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。4.1. 2磁路设计基本公式Kf*Bg*Sg = Bd*Sm(1)Kr*Hg*Lg = Hd*Lm(2)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
7、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4.1. 3一些参数的选取与设定对于内磁结构的磁路：Kr =1. ”11. 5Kf =1. 82. 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. ”11. 5Kf =2. 04. 0华司厚度：Tp = 5*Lg中柱外径：Dp =4. 3*Tp华司外径噩体外径-磁体厚度/2Sg =兀*(Dp+Lg)*TpBg =o* Hg(3)o = 4兀*10
8、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 = (o*Sm*Lm*Bd*Hd)/(Kr*Kf*Sg*Lg)(4)4.1. 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4然后换算成磁感应密度，Bg = /S里的S为标准线圈 在磁场中切割磁力线的有效面积。4.2音圈4.2.
9、 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.”051.10)* Re音圈的直径Dvc根据磁路结构确定，同时要考虑功率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/兀*(Dvc+2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。4.2. 2音圈材料性能与选择4.2. 2.1音圈骨架材料常见的有牛皮纸(Kraft Paper、杜拉铝(Aluminium Duralumin)、NOMEX TI
10、L、KAPTO精。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：0.030.050.070.100.130.17杜拉车吕(Aluminium Duralumin)采用加以表面硬化及清洁处理的合金铝箔，最高连续工作温度有耐周温、强度局等特点。铝箔有黑、白两种，黑色铝箔更具有绝缘性能佳、优点。其厚度有：0.030.040.050.070.080.100.12NOMEX200 oC,具传热快等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
11、柔和圆润、悦耳动听。其厚 度有：0.030.050.080.12TIL采用玻璃纤维为基材，上面加聚酰亚胺合成，最高连续工作温度其特点为耐高温、材料强度高、刚性好、不易变形。230 oC,KAPTON采用聚酰亚胺箔膜，最高连续工作温度220oC,具有绝缘、质轻、强度高、耐高温、不易燃烧等特点。KAPTONW褐色、黑色两种，黑色KAPTON有 散热快、表面硬度高等优点。4.2. 2.2导线材料常见的有LOC镖、SV线、CCAW（铜包铝线）、扁线等，其 主要特性如下：LOCKS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
12、，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）。4.3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）特性。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2）强度要高，即
13、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(PD、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。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。MYLAFR PEL丝膜等均为热压成型，丝
14、膜还需预先 上胶。无论使用何种材料，或多或少均需添加其他材料，作增强或提高内部阻尼处理。材料特性总的说来很复杂，彳艮难定量描述，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局频特性。对于锥型扬声器，低频共振频率可由下列公式确定：Fo和局频上限频率Fh(2兀Fo)2 = 1/(Mms*Cms)(5)(2兀Fh)2 = (Mm1*Mm2)/(Mm1+Mm2)*Cmh(6)相关说明如下：Mms为扬声器的等效振动质量，且有Mms =Mm1+Mm2+2Mmr
15、,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* p o* a3,中p 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),Cm的鼓纸顺性、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、2、测试附加质量为M1,弹波的共振频率为F”测试附加质量为M2,贝U有(2兀F1 2 = 1/(M1+Mm2+2Mmr)*Cm1(2兀F2 2 = 1/(M2*Cm2
16、)Fo = SQR(M1+Mm2+2Mmr)*F12+M2*F22/(Mm1+Mm2+2Mmr)(7)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 = sin 0 /(兀*E*t*cos2 0 )(8)其中，E为鼓纸材料的杨氏模量，t为鼓纸根部厚度，。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。4.4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
17、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
18、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)(9)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AE o*5.
19、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：5.1直流电阻Re由音圈决定，可直接用直流电桥测量。5.2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),线获得。可直接用Fo测试仪测量或通过测量阻抗曲Fo5. 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)(10)5.4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)(11)这里SQR(表示对括号()中的数值开平方根，下同。5. 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(12)5.6等效辐射面积Sd只与口径(等效半径a)有关。
