扬声器原理

扬声器是什么？扬声器俗称喇叭（英文名称:Loudspeakers ）是一种把电信号转换成声音信号的电声器件。确切地说，扬声器的工作实际上是把一定范围内的音频电功率讯号通过换能方式转变为失真小并具有足够声压级的可听声音。
  扬声器运用了电磁铁和永久磁铁 (图1)。假设现在要播放C调 (频率为256Hz，即每秒振动256次)，唱机就会输出256 Hz的交流电，换句话说，在一秒钟内电流的方向会改变256次。每一次电流改变方向时，电磁铁上的线圈所产生的磁场方向也会随着改变。我们都知道，磁力是「同极相拒，异极相吸」的，线圈的磁极不停地改变，与永久磁铁一时相吸，一时相斥，产生了每秒钟 256次的振动。线圈与一个薄膜相连，当薄膜与线圈一起振动时，便会推动了周围的空气。振动的空气，不就是声音吗？这就是扬声器的运作原理了。
  扬声器的种类很多，分类方式也五花八门，一般可根据其工作原理、振膜形状以及放声频率范围来分类。
  
  图1扬声器构造
  
  　　一、扬声器的构造
  我们最常见的电动式锥形纸盆扬声器。电动式锥形扬声器即过去我们常说成纸盆扬声器，尽管现在振膜仍以纸盆为主，但同时出现了许多高分子材料振膜、金属振膜，用锥形扬声器称呼就名符其实了。锥形纸盆扬声器大体由磁回路系统（永磁体、芯柱、导磁板）、振动系统（纸盆、线圈）和支撑辅助系统（定心支片、盆架、垫边）等三大部份构成。
  　　1、线圈：线圈是锥形纸盆扬声器的驱动单元，它是用很细的铜导线分两层绕在纸管上，一般绕有几十圈，放置于导磁芯柱与导磁板构成的磁疑隙中。线圈与纸盆固定在一起，当声音电流讯号通入线圈后，线圈振动带动着纸盆振动。
  　　2、纸盆：锥形纸盆扬声器的锥形振膜所用的材料有很多种类，一般有天然纤维和人造纤维两大类。由于纸盆是扬声器的声音辐射器件，在相当大的程度上决定着扬声器的放声性能，所以无论哪一种纸盆，要求既要质轻又要刚性良好，不能因环境温度、湿度变化而变形。
  　　3、折环：折环是为保证纸盆沿扬声器的轴向运动、限制横向运动而设定的，同时起到阻挡纸盆前后空敢流通的作用。折环的材料除常用纸盆的材料外，还利用塑料、天然橡胶等，经过热压粘接在纸盆上。
  　　4、定心支片：定心支片用于支持线圈和纸盆的结合部位，保证其垂直而不歪斜。定心支片上有许多同心圆环，使线圈在磁隙中自由地上下移动而不作横向移动，保证线圈不与导磁板相碰。定心支片上的防尘罩是为了防止外部灰尘等落磁隙，避免造成灰尘与线圈摩擦，而使扬声器产生异常声音。
  
  　　二、扬声器的分类
  扬声器结构：可分两大类，1内磁扬声器 2外磁扬声器。内磁扬声器体积小重量轻，磁场泄漏小，适合于需防磁场干扰场合，如电视机等电器，但这种由于散热不畅原因，扬声器功率不能做的太大。外磁扬声器具有功率大，散热好等优点，但磁场辐射大，能干扰其它设备，这种扬声器广泛用于音响设备及不需防磁的场合。
  
  　　按工作原理分类:按工作原理的不同，扬声器主要分为电动式扬声器、电磁式扬声器、静电式扬声器和压电式扬声器等。
  　　1、电动式扬声器：这种扬声器采用通电导体作线圈，当线圈中输入一个音频电流讯号时，线圈相当于一个载流导体。如果将它放在固定磁场里，根据载流导体在磁场中会受到力的作用而运动的原理，线圈会受到一个大小与音频电流成正比、方向随音频电流变化而变化的力。这种扬声器应用最广泛。
  　　2、电磁式扬声器：也叫舌簧式扬声器，声源讯号电流通过线圈后会把用软铁材料制成的舌簧磁化，磁化了的可振动舌簧与磁体相互吸引或排拆，产生驱动力，使振膜振动而发音。
  　　3、静电式扬声器：这种扬声器利用的是电容原理，即将导电振膜与固定电极按相反极性配置，形成一个电容。将声源电讯号加于此电容的两极，极间因电场强度变化产生吸引力，从而驱动振膜振动发声。
  　　4、压电式扬声器：利用压电材料受到电场作用发生形变的大原理，将压电动组件置于音频电流讯号形成的电场中，使其发生位移，从而产生逆电压效应，最后驱动振膜发声。
  
  　　按振膜形状分类：扬声器主要有锥形、平板形、球顶形、带状形、薄片形等。
  　　1、锥形振膜扬声器：锥形振膜扬声器中应用最广的就是锥形纸盆扬声器，它的振膜成圆锥状，是电动式扬声器中最普通、应用最广的扬声器，尤其是作为低音扬声器应用得最多。
  　　2、平板扬声器：也是一种电动式扬声器，它的振膜是平面的，以整体振动直接向外辐射声波。它的平面振膜是一块圆形峰巢板，板中间是用铝箔制成的峰巢芯，两面蒙上玻璃纤维。它的频率特性较为平坦，频频宽而且失真小，但额定功率较小。
  　　3、球顶形扬声器：球顶形扬声器是电动式扬声器的一种，其工作原理与纸盆扬声器相同。球顶形扬声器的显着特点是瞬态响应好、失真小、指向性好，但效率低些，常作为扬声器系统的中、高音单元使用。
  　　4、号筒扬声器：号筒扬声器的工作原理与电动式纸盆扬声器相同。号筒扬声器的振膜多是球顶形的，也可以是其它形状。这种扬声器和其它扬声器的区别主要在于它的声辐射方式，纸盆扬声器和球顶扬声器等是由振膜直接鼓动周围的空气将声音辐射出去的，是直接辐射，而号筒扬声器是把振膜产生的声音通过号筒辐射到空间的，是间接辐射。号筒扬声器最大的优点是效率高、谐波失真较小，而且方向性强，但其频带较窄，低频响应差。所以多作为扬声器系统中的中、高音单元使用。
  
  　　 按放声频率分：可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器、全频带扬声器等。
  　　1、低音扬声器：主要播放低频讯号的扬声器称为低音扬声器，其低音性能很好。低音扬声器为使低频放音下限尽量向下延伸，因而扬声器的口径做得都比较大，一般有200mm、300-380mm等不同口径规格的低音扬声器，能随大的输入功率。为了提高纸盆振动幅度的容限值，常采用软而宽的支撑边，如像皮边、布边、绝缘边等。一般情况下，低音扬声器的口径越大，重放时的低频音质越好，所承受的输入功率越大。
  　　2、中音扬声器：主要播放中频讯号的扬声器称为中音扬声器。中音扬声器可以实现低音扬声器和高音扬声器重放音乐时的频率衔接。由于中频占整个音域的主导范围，且人耳对中频的感觉较其它频段灵敏，因而中音扬声器的音质要求较高。有纸盆形、球顶形和号筒形等类型。作为中音扬声器，主要性能要求是声压频率特性曲线平担、失真小、指向性好等。
  　　3、高音扬声器：主要播放高频讯号的扬声器称为高音扬声器。高音扬声器为使高频放音的上限频率通达到人耳听觉上限频率20kHz，因而口径较小，振动膜较韧。和低、中音扬声器相比，高音扬声器的性能要求除和中音单元相同外，还要求其重放频段上限要高、输入容量要大。常用的高音扬声器有纸盆形、平板形、球顶形、带状电容形等多种形式。
  　　4、全频带扬声器：全频带扬声器是指能够同时覆盖低音、中音和高音各频段的扬声器，可以播放整个音频范围内的电讯号。其理论频率范围要求是从几十Hz至20kHz，但在实际上由于采用一只扬声器是很困难的，因而大多数都做成双纸盆扬声器或同轴扬声器。双纸盆扬声器是在扬声器的大口径中央加上一个小口径的纸盆，用来重放高频声音讯号，从而有利于频率特性响应上限值的提升。同轴式扬声器是采用两个不同口径的低音扬声器与高音扬声器安装在同一个中轴在线。
  
  　　三、扬声器的性能指针
  　　扬声器是扬声器系统（俗称喇叭)中的关键部位，扬声器的放声质量主要由扬声器的性能指针决定，进而决定了整套的放音指标。扬声器的性能指针主要有额定功率，额定阻抗、频率特性、谐波失真、灵敏度、指向性等。
  
  　　扬声器的性能优劣主要通过下列指标来衡量：
  　　1、额定功率（W）
  　　扬声器的额定功率是指扬声器能长时间工作的输出功率，又称为不失真功率，它一般都标在扬声器后端的铭牌上。当扬声器工作于额定功率时，线圈不会产生过热或机械动过载等现象，发出的声音没有显示失真。额定功率是一种平均功率，而实际上扬声器工作在变功率状态，它随输入音频讯号强弱而变化，在弱音乐及声音讯号中，峰值脉冲讯号会超过额定功率很多倍，由于持续时间较短而不会损坏扬声器，但有可能出现失真。因此，为保证在峰值脉冲出现时仍能获得很好的音质，扬声器需留足够的功率余量。一般扬声器能随的最大功率是额定功率的2-4倍。
  　　2、频率特性（Hz）
  　　频率特性是衡量扬声器放音频频宽度的指标。高保真放音系统要求扬声器系统应能重放20Hz-2000Hz的人耳可听音域。由于用单只扬声器不易实现该音域，故目前高保真喇叭系统采用高、中、低三种扬声器来实现全频带重放覆盖。此外，高保真扬声器的频率特性应尽量趋于平坦，否则会引入重放的频率失真。高保真放音系统要求扬声器在放音频率范围内频率特性不平坦度小于10dB。
  　　3、额定阻抗（Ω）
  　　扬声器的额定阻抗是指扬声器在额定状态下，施加在扬声器输入端的电压与流过扬声器的电流的比值。现在，扬声器的额定阻抗一般有2、4、8、16、32欧等几种。
  　　扬声器额定阻抗是在输入400Hz讯号电压情况下测得的，而扬声器线圈的直流电阻R直?0.9R额。
  　　4、谐波失真（TMD%）
  　　扬声器的失真有很多种，常见的有谐波失真（多由扬声器磁场不均匀以及振动系统的畸变而引起，常在低频时产生）、互调失真（因两种不同频率的讯号同时加入扬声器，互相调制引起的音质劣化）和瞬态失真（因振动系统的惯性不能紧跟讯号的变化而变化，从而引起讯号失真）等。谐波失真是指重放时，增加了原讯号中没有的谐波成份。扬声器的谐波失真来源于磁体磁场不均匀、振动膜的特性、线圈位移等非线性失真。目前，较好的扬声器的谐波失真指标不大于5%。
  　　5、灵敏度（dB/W）
  　　扬声器的灵敏度通常是指输入功率为1W的噪声电压时，在扬声器轴向正面1m处所测得的声压大小。灵敏度是衡量扬声器对音频讯号中的细节能否巨细无遗地重放的指标。灵敏度越高，则扬声器对音频讯号中所有细节均能作出的响应。作为Hi-Fi扬声器的灵敏度应大于86dB/W。
  　　6、指向性
  　　扬声器对不同方向上的辐射，其声压频率特性是不同的，这种特性称为扬声器的指向性。它与扬声器的口径有关，口径大时指向性尖，口径小时指向性宽。指向性还与频率有关，一般而言，对250Hz以下的低频讯号，没有明显的指向性。对1.5kHz以下的高频讯号则有明显的指向性。
  
   图2 内磁式扬声器
   图2 外磁式扬声器