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一种节能高效的新型号筒扬声器
沈树基 崔玉良
天津洪波电子集团有限公司
shenshujitj@

【摘要】节能型双向号筒扬声器原理：充分利用号筒扬声器驱动单元中发声膜片振动时，向正反两个方向激发的声能，使原来没有被利用的无效能量（主要是热能）转化为有效的声能。使集中式广播号筒扬声器、报警用号筒扬声器以及与其配套的线间变压器的数量减少一半，功率放大器和太阳能电池板的容量也可以减小一半。已在一些工程中应用，取得了可观的经、社会效益。
【关键词】节能；双向号筒扬声器；驱动单元；等效电路图；输出频率特性

1概述
号筒扬声器俗称“高音喇叭”是农村有线广播和各种预警、报警系统等公共扩声系统的终端设备。它的转换效率、频率特性、方向性等性能对上述扩声系统的效果和投资成本都有重要的影响。
号筒扬声器在我国的发展，从建国初期至改革开放前的近三十年中，主要由天津和上海两家企业生产。随着改革开放的大潮，号筒扬声器的生产厂家迅速和发展，主要集中在江苏、浙江、广东等地。但是在科研创新方面，远没有直接辐射式扬声器（俗称低音喇叭）和音箱等产品随着人民文化生活水平、音乐欣赏水平的不断提高，在新产品研发创新方面有较大幅度的改进。如目前在农村有线广播和山洪地质灾害预警系统中大量广泛使用的25瓦号筒扬声器，基本上还是停留在天津真美公司六十年代产品原型的水平上。
提高号筒扬声器的水平，一要参考代表国际先进水平的同类产品，吸收它们的技术优势，二要结合实际研发生产出适合国情的新一代号筒扬声器产品系列，来满足各方面不断增长的需求。天津洪波电子集团公司是一家民营企业，他们正在传统技术的基础上走一条“发扬、创新”的开发之路，争取尽快改变国内号筒扬声器总体落后的面貌。
近年来，“保护地球、节能环保”的理念在全球范围内日趋深入人心，并体现在各个国家政府的施政方针中。对于我们这样一个人口众多、资源相对贫乏的国家，我国政府一直身体力行地制定和贯彻一系列有关政策，积极鼓励开发、生产节能环保产品并已经在政府采购目录中增设了“节能产品目录”定期发布。我公司的双向号筒扬声器系列产品［发明专利发明(授权)号：200910070435.2］就是在这一背景下推出的。
2 基本原理
2.1简述
现在广泛使用的号筒扬声器基本上都是一个驱动单元接一个（或一组）号筒向一个方向辐射声波。由于驱动单元中的振膜在电动力的驱动下处于双向振动状态，单方向辐射声波实际上只利用了音膜振动激发的50%左右的声能，反向激发的声能在驱动单元内部转化为无用的热能和机械能，造成浪费。节能型双向号筒扬声器在磁路系统和振动系统的结构上做了一些改动和特殊设计，使号筒扬声器在正、反两个方向辐射的声功率和频率特性基本相同。根据能量守恒定律,无用能量的减小使驱动单元内部的发热减少，扬声器的热可靠性也得到相应提高，音圈损坏的几率大大减小。
图1和图2分别是普通号筒扬声器和节能型双向号筒扬声器驱动单元（俗称音头）的结构示意图。
喉盖

相位塞
导磁下板
磁体
导磁上板
导磁芯
音膜

图1. 普通号筒扬声器的驱动单元结构示意图

磁体
导磁下板
后喉盖
后相位塞
导磁芯
导磁上板
前喉盖
音膜
前相位塞

图2. 节能型双向号筒扬声器的驱动单元结构示意图

图3是HBYHS25-1B型双向号筒扬声器正反向输出频率特性的比较，从图中可以看出，扬声器正反向输出的声压频率特性基本相同，与原普通单向号筒扬声器也基本相同。

图3 双向号筒扬声器的正反向输出频率特性的比较

2.2 电-力-声等效电路分析
扬声器作为一个机电元器件，分析它的原理并以此改进结构设计一般都把需改进的扬声器系统使用电-力-声类比等效电路来分析。
图4和图5分别是普通号筒扬声器和双向号筒扬声器的等效力学线路图。

图4. 普通号筒扬声器的等效力学线路

图5 双向号筒扬声器的等效力学线路

图中 F——电动力
CEM——音圈电感反映到力学线路中的力顺
REM——音圈电阻反映到力学线路中的力阻
MMD——振动系统等效质量
CMS——振动系统等效力顺
CMB——振膜后腔室的等效力顺
RMB——振膜后腔室的等效力阻
RMF——振膜前腔室的等效力阻
CMF——振膜前腔室的等效力顺
RMT——（正向）号筒反映到扬声器喉部的力阻
R’MT——反向号筒反映到扬声器喉部的力阻
FMF和FMB——分别为音膜振动作用在前后腔室的力

上面两个等效力学线路图中REM、MMD、CMS都是由驱动单元中的音膜组（扬声器的振动系统）所决定的，不受结构而改变。而CMB、CMF、RMB、RMF的大小则分别由振膜与驱动单元的前后“相位塞”及喉盖间腔室的容积形状所决定。
根据电-力-声的等效电路图的分析，普通号筒扬声器的单向辐射声功率为FMF²/RMT。而新型双向号筒扬声器两个方向辐射声功率为分别为FMF²/RMT和FMB²/RMT’。
图中RMT和RMT分别为两个号筒反映到扬声器前后喉口的力阻即辐射阻。只要前后号筒和喉口设计一致，RMT和RMT’是相等的.因此图4中的FMF、图5中的FMF、FMB的大小应该尽可能相等，才能实现创新产品的构想，达到我们的目的。这3个电动力的大小决定于CMB、CMF、RMB、RMF的大小。RMT和RMT’分别为驱动单元两个喉口的辐射阻，上文已提到只要前后号筒和喉口设计一致，RMT和RMT’应该相等。因此只要两个结构图中的FMF和FMB基本相同，创新型双向号筒扬声器的辐射声功率就会增加一倍，两个方向的辐射声功率与普通号筒扬声器单一方向的辐射声功率也基本相同。
为了正反向辐射的声功率及频率特性基本一致，在双向扬声器驱动单元的前、后腔室设计了两个的形状各异的“相位塞”，并在音膜上做了一些结构性的处理，实现了前后腔的力学参数CMF和CMB，RMF和RMB基本相同，从理论上实现了扬声器前后辐射特性的基本相同结论,以后的实际测试也验证了这一点。
2.3 实测结果
扬声器两个方向都达到以下技术指标：
项目
产品标准
实测数据
备注
额定功率
25W
25W

额定阻抗
16Ω±10 %
16Ω±10 %

有效频率 范围
宽于200–6KHz
宽于150–7KHz

额定特性 灵敏度
≥ 105 dB
107~108 dB
两个方向差异 ＜1 dB
谐波失真
＜ 20 %
＜ 10 %

注：以上测量执行《号筒扬声器技术条件》国家标准GB/T14475-93、《号筒扬声器测量方法》GB/T14475-93。

2.4 关于“相位”问题的说明
有的人可能会有疑问，双向号筒扬声器的前后辐射声波的相位原则上应该是相反的，会不会因为相位干涉而影响传播距离和范围。从理论分析和实践验证的结果都证明，这个担心是不必要的。理由有三：
1）号筒扬声器播放的节目信号主要是语言、歌曲或带宽噪声的警报信号，都属于振幅、相位极不规则的、杂乱无章的声频信号，所谓的“相位干涉”是微乎其微的。这在我们的实地试听和正在使用的用户反映中都已得到验证。
2）号筒扬声器的输出声级很高，受众都在远距离场合，扬声器正反向辐射声波之间的所谓“干涉”几乎可以忽略不计。
3）公共广播用号筒扬声器基本上都属于中频或中高频扬声器，辐射声波的波长较短，绕射能力弱。
3 应用实例
由于双向号筒扬声器驱动单元向前后两个方向辐射取代两个驱动单元连接两个号筒的普通产品，扬声器、功率放大器的功率及线间变压器数量都可以减半，传输线的长度和截面也可以减小，在无线广播系统中使用还可以节省50%容量的太阳能电池板。
以下是几个应用实例的具体情况
例1. 浙江某市水利局山洪地质灾害预警系统设计方案
方案一 每个播音点配备普通号筒扬声器： HBYHX25-1B 4个、功率放大器（100瓦）：1台 。设计播音有效范围：以号筒扬声器为圆心半径300米的圆形区域。共设播音点5000个。
方案二 每个播音点配备新型双向号筒扬声器： HBYHS25-1B 2个功率放大器（50瓦）： 1台 。设计播音有效范围：号筒扬声器轴向600米，垂直于轴线200米的椭圆形区域。共设播音点5000个。
说明：1）播音有效范围以语言清晰度70%为准
2）周围环境没有高大建筑物，风力不大的情况下

表1. 浙江某市山洪防灾非工程措施项目两个方案投资费用对比
对比项目
采用双向号筒扬声器
采用普通号筒扬声器
扬声器数量
2×5000=10000只
4×5000=20000只
扬声器总价
10000×95=95万元
20000×75=150万元
功率放大器
50W 1×5000=5000台
100W 1×5000=5000台
放大器总价
230×5000=115万元
380×5000=190万元
线间变压器
2×5000=10000个
4×5000=20000个
变压器总价
10000×18=18万元
20000×18=36万元
总投资费用
95+115+18=228万元
150+190+36=376万元
节约费用
376-228=148万元

例2. 重庆某县广播“村村响”工程项目
工程项目原设计方案要求使用普通25W号筒扬声器3700只，50W 功率放大器1850台。采用双向号筒声器只需要1850只，50W功率放大器可改用25W的。可节省不少投资，减少大量电耗。

表2. 重庆市某县“村村响”工程投资费用对比
对比项目
采用双向号筒扬声器
采用普通号筒扬声器
扬声器
数量
HBYHS25-1B 1850只
3700只
扬声器
总价
1850*95=17.575元
3700*75=27.75元
功率放大
器数量
25W 1850个
50W 1850个
功率放大
器总价
150*1850=27.75万元
250*1850=46.25万元
线间变压
器数量
25W 120V 1850只
25W 120V 3750只
线间变压
器总价
1850*18=3.33万元
3700*18=6.66万元
总投资
费用
17.575+27.75+3.33=
48.655万元
27.75+46.25+6.66=
80.66万元
节约费用
80.66-48.655=32.005万元
每年
用电量
40*5000*4*365=
29.2千瓦小时
85*4*365=62.05千瓦小时
每年节约
用电量
62.05-29.2=32.85千瓦小时

例3 天津国土资源局某县土地保护区报警工程
天津某县有1000亩左右需保护的土地资源，设计方案在其周边村安装200个杆，每一杆上配摄像头，25W功放，25W普通号筒扬声器，太阳能电池板各一个，经与我公司合作，决定采用双向号筒扬声器，新的设计方案，周边村100个杆，每一杆上配摄像头、25W功放、25W双向号筒扬声器1个、太阳能电池板，现工程已竣工投入使用，财务决算节约3.2万元。
工程费用对比结果如下：

表3. 天津国土资源局某县土地保护区报警工程费用对比结果
成本

项目
原方案
现方案
数量
成本
数量
成本
水泥杆
200
200×300=6万
100
100×300=3万
50W功放
200
200×350=7万
100
100×350=3.5万
25W号筒
扬声器
普通型
400
400×60=2.4万
双向
200
200×90=1.8万
100W太阳
能电池板
200
200×800=16万
100
100×800=8万
小计
31.4万
20.8万
工程费节约
7万
共节省
27.8万元

图6. HBYHS25-2B扬声器在天津某县土地保护区报警工程中的应用

4 产品介绍
5~25W系列 HBYHS5-1

外形尺寸：Φ95×125
额定功率：5W
额定阻抗：4Ω±10%
频率范围（双向）：500~5kHz
额定特性灵敏度：＞ 102dB
谐波失真：＜ 15%

HBYHS15（25）-1B

外形尺寸：Φ260.0±5×520.0±5
额定功率：15W 25W
额定阻抗：16Ω±10%
频率范围（双向）：300~6kHz
额定特性灵敏度：＞ 105dB
谐波失真：＜ 15%

HBYHS25-2B

外形尺寸：Φ260.0±5×520.0±5
额定功率：25W
额定阻抗：16Ω±10%
频率范围（双向）：300~6kHz
额定特性灵敏度：＞105dB
谐波失真：＜15%

每种规格的扬声器都有不同俯角系列（以HBYHS25-1B为例）

不同俯角的型号为：
HBYHS25-1B 无俯角
HBYHS25-1B-150 俯角150○
HBYHS25-1B-120 俯角120○
HBYHS25-1B-90 俯角90○

5 前景
从现在国内市场的需求来看，各省、市、自治区的农村有线广播都在进行修复或重建中，而且正在与各种防灾预警系统联网应用。“村村响”和“村村通”、“电影进村”等都已列入各级政府的重点文化建设项目，“以人为本”的理念已成为共识和国策。不论是反恐安全、生产事故安全、防空报警还是自然灾害预警，交通运输等基础建设如矿山、油田、港口、机场、船舶、铁路和高速公路等各方面都离不开号筒扬声器。在可预见的将来市场需求量会持续上升。
以农村有线广播工程为例，每年的需求量30-40万只，如再考虑1000万只以上在用产品每年的更新改造，市场需求量很大。前不久，新疆政府采购中心发布的一个广电专用设备（大喇叭）项目招标公告：在一个牧区计划建设的8463个有线广播站，100瓦收扩机的数量是8463部，25瓦号筒扬声器的数量应该是33852只。基本都是集中式广播，完全可以采用双向号筒扬声器取代普通号筒扬声器，经计算可节约投资110万元，以每天播放4小时计，每年可节电近65万千瓦小时。在公共广播的其他领域大部分使用场合都可以使用双向号筒扬声器，尤其是在使用太阳能电池板的情况下，更可以节约大量投资和资源。
去年的中央一号文件和召开的全国水利工作会议都对山洪地质灾害预警工作给予高度重视并提出具体要求，很多自然灾害频发地区都在应用“物联网技术”把有线广播系统和防灾预警系统联接在一起，这对有关的设备制造企业既是机遇，又是挑战。我们要用优质的产品和优质的服务为我国的广播事业和水利建设事业作出贡献。
References (参考文献)
南京大学声学研究所 曹水轩 《电声换能器》