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科普:喇叭单元基本机构详解

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发表于 2016-1-6 13:45:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
以下内容均来自网络



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喇叭单元的基本机构



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下面将按部分进行详解


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 楼主| 发表于 2016-1-6 13:48:40 | 显示全部楼层
1、折环
折环,又叫皮边。它的作用首先是为锥盆(2)的运动提供一定的顺性,也就是具有一定的柔性,让锥盆可以前后运动,另外还有辅助定心支片(4)对锥盆音圈进行定位,让音圈保持在磁隙中央,并提供锥盆运动的回复力的作用。

在最早的喇叭上,折环就是锥盆最外沿的部分,也就是没有专用的折环材料。后来出现了皮革、布基、橡胶、塑料等各种各样的折环材料,折环形状也多种多样。根据折环的作用,有时候可以从折环的形状粗略估计单元的冲程情况,宽而高高鼓起的折环常常意味着单元有较大的冲程,但这并不准确。另外宽大的折环往往对声音有不利的影响,下文马上提到。 虽然现代的折环从锥盆中分离出来,是一个独立的结构,但它仍然会对声音有很大的影响。 一个方面,折环跟着锥盆一起振动,这个振动对喇叭单元整体的声音辐射有贡献。因此计算单元的有效振动直径时,通常要包含折环一半的宽度(也有只计1/3的)。所以有效振动直径就是折环中部所围的圆的直径。  另一个方面,折环的振动又无法与锥盆完全一致,它有自己的谐振特性,可能在某个频率处与锥盆的运动正好反相,于是就产生了一种现象,即所谓的折环反共振,并影响锥盆的运动,最后在声音输出上产生“中频谷”。所以呢,折环最好能自己消耗掉这种振动的能量,也就是要有很好的内阻尼。不同的材料具有不同的内阻尼,一些胶水也常常被涂在折环上用来提高内阻尼,以抑制中频谷。另外折环的形状、几何尺寸等对“中频谷”也都有影响。“中频谷”不仅仅可以从频率响应曲线上看出,由于它是一种谐振引起的现象,所以常常还会很明显地体现在阻抗曲线上,请看下图:

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另外,有些折环材料的顺性受气温等影响较大,当气温较低时,有些单元的谐振频率fs就会升高,比如我用过的vifa P13wh,在南方的冬天会升到300Hz以上,非常恐怖。但这种情况在其他hifi喇叭单元中并不常见。




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 楼主| 发表于 2016-1-6 13:55:06 | 显示全部楼层
2、锥盆
锥盆,又叫振膜,也就是喇叭单元中最重要的一个振动部件,由它来直接驱动空气,把单元的机械运动,转换为空气的声波传递运动。锥盆直接决定了单元重播声音各个方面的性能,例如频率响应、失真、甚至灵敏度等。其中,锥盆的大小、几何形状、材料性能、质量(重量)等方面的特征都是重要的。  这些因素中,首先是锥盆材料。最早的锥盆材料就是纸,当然,纸的种类本身就非常多,性能也有巨大的差别。后来又发展出金属(铝等)、塑料(如聚丙烯等)、高分子纤维(芳纶纤维、碳纤维等)、精细陶瓷(氧化铝陶瓷等)、复合材料(钻石涂层、三明治结构)等等,不胜枚举。 理想的锥盆材料应该是刚性(杨氏模量)极好,密度极小,内阻尼大等。杨氏模量大是为了使喇叭单元重放声音的带宽(频响范围)足够大,特别是为了提高重放范围的上限。因为在低频区,可以认为锥盆是作为一个整体来运动的,这个频率范围就是所谓的活塞运动区,这时候声音的重放性能主要是由单元的电和力方面的设计决定的。当重播的频率提高时,锥盆就无法做为一个整体来运动了,而是会产生所谓的分割振动,锥盆各个区域的振动行为各不相同,如下图所示:

04.png
注:图中的+号表示这个区域运动方向与音 圈的运动方向相同,或同相;-号表示该区域的运动方向与音圈的相反、或反相。从这个图上可以看出,低到420Hz,这个六寸半的单元就开始分割振动了。

分割振动的出现,使得频率响应不再平滑,出现许多峰谷,并产生失真。很多金属锥盆严重的分割振动的谐振峰(也有人称之为盆裂峰)的高度可以高达10dB以上。除了峰以外,分割振动的谐振现象在频响曲线上也可能表现为谷。金属盆的分割振动谐振峰明显,并不意味着非金属锥盘就没有严重的分割振动,而可能是更严重(在较低的频率就开始了,我曾经开玩笑地形容说“高频基本靠抖”)。但是许多非金属材料,如纸、聚丙烯、具有良好的内阻尼,较好地吸收了这些分割振动的能量,所以在频率响应曲线上看,谐振产生的峰谷不是很明显,但毕竟存在。这些谐振严重时也可以从阻抗曲线上看出来。如下图所示的曲线:

05.png

为了提高内阻尼,有些锥盆表面还涂上某种胶水。而锥盆表面有时也做出各种形状的加强筋,主要目的也是抑制分割振动。重播的上限还与锥盆的质量以及形状有关,如盆剖面是直线形、抛物线型还是指数形,盆的顶角等等。锥盆的质量也影响重播的下限。喇叭单元,特别是高音单元中,振膜(这时候不能叫锥盆了)的形状还影响重播声音的指向性。一般来说球顶的指向性比反球顶的广。

一般来说,平板振膜由于消除了锥形振膜中存在的前室效应,所以一定程度上可以抑制中频谷,但指向性不好,目前大多数平板扬声器的音质也不是很理想。

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 楼主| 发表于 2016-1-6 14:01:41 | 显示全部楼层
3、防尘罩

防尘罩么不就是个盖子,有啥好说的?没错,盖子是它的首要功能,防止异物落在磁隙中影响音圈的运动。它做为一个盖子,同时还具有一个和折环一样的功能,就是把锥盆前后方的空气隔离开,避免向后辐射的声音绕到前方,而造成声短路。
但是防尘罩是粘在振膜的中央和振膜一起运动的,所以它也会推动空气,产生声辐射,因此防尘罩也会影响音质。不同的防尘罩,形状和材质不同,常见的是鼓起来的一个球顶形状的,也有凹下去的,如下图的喇叭用的:

06.png


也有些防尘罩与振膜是一体成形的,如Dynaudio的低音单元,采用大音圈的同时使用大型的一体成形防尘罩,这样的防尘罩使得整个锥盆的形状有点接近平板振膜,好处是可以抑制中频谷,并且组装的工艺可以简化:
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另外,防尘罩的材质也会影响单元的频率响应。出于市场的考虑,防尘罩还被赋予了重要的装饰功能,特别是在车用超低音单元上。   有不少单元并没有防尘罩,比如SEAS的许多单元在导磁柱上安了一个金属的相位塞,这防尘罩就没地方装了。相位塞可以改变声波传递的途径,对声音输出有一定的影响,但单元的防尘功能就差了一些,后向辐射也会在一定程度上“泄露”到前方来。对于SEAS的一些单元来说,金属相位塞最重要的优点应该是它加强了音圈的散热,可以提高单元的功率。




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 楼主| 发表于 2016-1-6 14:03:36 | 显示全部楼层
4、定心支片

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定心支片,又叫弹波。它的功能主要是为锥盆的运动提供回复力,并使音圈在运动时仍能保持在磁隙中的正确位置。除此之外,它还能防止异物落入磁隙。虽然很少被人注意到,但在高保真低音单元中,定心支片的性能对单元低音的重播有非常重要的影响。它不仅和锥盆、折环以及音圈一起决定单元的fs、Qts等T/S参数,还影响单元的动态、失真等性能。

大声压下单元的性能与定心支片有很大的关系,但是目前国内相关行业对这方面的认识似乎还不是很充分。  定心支片一般用棉、麻、聚䣷亚胺、NOMEX等纤维织成的布做成,然后浸上树脂使之定形(波浪形)、变硬。力-位移曲线是定心支片的基本参数。  新单元的定心支片比较硬,经过一定时间的工作之后会慢慢变松,使得单元整体的fs、Qts等均发生变化,这也是“煲”喇叭的主要原因。

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 楼主| 发表于 2016-1-6 14:10:48 | 显示全部楼层
5、盆架
盆架是整个喇叭单元的骨架,大多数部件都直接或间接地固定在盆架上。但它对声音的影响却相对较小。盆架主要用铁皮、铸铝或塑料做成。大家都喜欢铸铝的盆架,因为看起来摸起来都很爽。铁皮盆架和塑料盆架的成本当然要低许多。   至于盆架对声音的影响,主要在两个方面,一方面是盆架的刚性不够时,可能在单元工作时产生谐振,那就会使频率响应产生峰谷,并导致失真,但这个问题通常都比较轻微。另一个方面,设计不良的盆架可能会使锥盆后方的气流受到影响,声波在盆架内的反射也会影响声音的输出。所以现代的高保真低音单元的盆架都是相当的开放,比如这个scanspeak的新设计:

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 楼主| 发表于 2016-1-6 14:18:29 | 显示全部楼层
6、音圈
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音圈是喇叭单元发声的中心部件,喇叭完成从电能到机械能的转换,就是依靠音圈来进行的。音圈处在上夹板与导磁柱围成的磁隙中,当电流通过时,就产生力,发生运动。这个力是磁隙中的磁通密度与音圈导线长度的乘积,记为BL,它也是喇叭单元的重要参数之一。音圈的工作与磁路关系非常密切,首先是它们几何尺寸的相对大小就会明显影响喇叭单元的声音表现。按照音圈绕线的宽度与磁隙高度之间的关系,可以把喇叭单元的音圈磁路结构分成两大类,一类是长音圈结构,另一类是短音圈结构。如下图所示:

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由于磁隙中的磁场是比较均匀的,而磁隙外的磁场是不均匀的。所以在一定范围内,也就是所谓的线性冲程内,短音圈结构利用的始终是均匀的磁场,而长音圈利用的磁场中总有一部分是不均匀的,所以一般而言,短音圈结构天生具有较低的失真,但只能利用磁场的一部分,效率很低;而长音圈失真较高,但效率也较高,有利于控制成本。所以现在大多数喇叭单元为长音圈结构,短音圈结构则很少见,而且大多数是用在高音单元或中音单元上。上面给出的scanspeak的低音单元是少数短音圈设计的低音单元之一。根据这些原理可知,对于短音圈结构,线性冲程的计算方法一般为(磁隙度度-音圈绕宽)/2。因此,为了得到足够的线性冲程,短音圈结构的低音单元通常具有非常厚的上夹板和很窄的音圈绕宽,但非常厚的上夹板又会让磁隙中的磁通密度下降,加上短音圈只能利用其中一部分的磁能,所以要得到适当的效率,就要使用巨大的磁体。下图是aune开发中的某款3寸小单元,磁体直径比振膜还大,上夹板与磁体差不多厚,高达8mm(多数6-8寸hifi单元的上夹板厚度为4-5mm):

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音圈上的绕线层数可以从1层到多层,有很大的变化,它与绕线的宽度和线径,一起决定绕线的长度、音圈的质量和电感等,从而进一步影响单元的阻抗特性、频率特性、功率承受能力等。常见的是2层与4层。一般来说多层音圈的电感较大所以高频响应较差。但上图中的小单元绕线层数高达8层,却依然保持了很宽的重放带宽。音圈线有铜线和铝线以及铜包铝线,其中铜包铝线的综合性能较优。音圈线的截面形状又有圆形和扁平之分,扁平线有利于提高效率。喇叭单元的额定功率与音圈关系最大,可以说单元的额定功率接近于音圈不被烧伤烧毁的最大功率。其中,音圈的直径、导线的漆膜耐温性以及音圈骨架的种类有很重要的影响。

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 楼主| 发表于 2016-1-6 14:20:07 | 显示全部楼层
7、上夹板
上夹板又叫前夹板、华司等。导磁板柱又叫T铁,它又可以分成下(后)夹板(与上夹板合称导磁板)和导磁柱两个部分。它们和磁体共同构成了单元的磁路系统。


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 楼主| 发表于 2016-1-6 14:21:18 | 显示全部楼层
8、磁体

磁体在喇叭单元发展的最初阶段采用过电磁铁,也就是励磁电路,现在基本上完全被永磁体代替(除了极少数发烧友自己玩的)。喇叭单元的磁体类型主要有铁氧体、钕铁硼和铝镍钴三大类,铝镍钴具有很好的特性,但价格太高,现在很少采用。铁氧体成本低且稳定,使用最多。钕铁硼磁能积高,使用也较广泛,但居里点较低,也就是不耐热。最近稀土价格猛涨,也波及了喇叭磁体市场。

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 楼主| 发表于 2016-1-6 14:22:38 | 显示全部楼层
9、音圈骨架

音圈骨架常用的材料可以分为金属与非金属。非金属的主要有纸、聚酰亚胺、云母增强树脂等;金属材料常用的有铝和黄铜,其中铝合金是目前大功率单元最常用的音圈骨架材料。

由于金属在磁场中运动时会切割磁力线而产生涡流,所以要在骨架上纵向切开一个细缝。但这个细缝并不能杜绝涡流的产生,而涡流又导致损耗、失真和阻尼,所以铝骨架音圈的Qms一般较非金属骨架低。非金属骨架则不存在涡流现象,因而具有较高的Qms,同时也避免了涡流导致的失真。

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