音箱与扬声器的设计方案及设想.doc

音箱与扬声器的设计方案与设想- 音箱与扬声器的设计方案及设想设计人：王冰1.二分频倒相书架音箱设计32.全频曲径式音箱设计93.带通式超低频音箱设计114.超宽频带开口式音箱与扬声器单元低频曲线补偿电路的设计方案与设想135.平衡气压式密封音箱的设计方案与设想 186.电磁助推式扬声器单元的设计方案与设想 21二分频倒相式书架音箱设计：一、扬声器选择中低音扬声器：西雅士 SEAS H1216-08 CA15RLY 涂层纸盆 中低音单元谐振频率：45Hz Qts：0.34推荐频率：50-4000Hz 灵敏：87.5DB有效半径：5.0CM外观半径7.3CM振动质量：7.7g Pl：60W Pm：250W振膜最大位移：20mm Sd：78.54cm2 音圈电感量：0.82mH 高音扬声器：金琅G2铝带高音单元有效频率范围：1700-40000Hz 音箱外观效果图灵敏：96DB 尺寸：74W 120H 90D西雅士 SEAS H1216-08 CA15RLY 采用涂层纸盆 纸盆在使劲的听感上对音色的染色最小，声音比较温暖，能充分的表现音乐的各种内涵，擅长表现弦乐与人声。在纸盆上加以涂层也改变了纸盆刚性差、振幅大时的变形引起失真，也起到了防潮和延长使用寿命的效果，7.7g的振动质量和较强的电磁动力也使得扬声具有了良好的器瞬态响应。西雅士 SEAS H1216-08 CA15RLY 扬声器的品质因数为0.34 在理论上讲倒相式音箱的中低频扬声器的品质因数取到0.38时可得到最佳的低频响应状态，实际设计当中品质因数选在0.3到0.4之间只要设计合理均可得到满意的效果。在谐振频率方面，此扬声器的谐振频率为45Hz，在四阶巴特沃斯设计中系统谐振频率约为50Hz，在5寸书架音箱中，听者是比较愿意接受的。推荐频率上限为4000Hz高于所要选用高音单元频率下限的一个倍频，有利于选择最佳的分频点。 金琅G2铝带高音的振膜尺寸是：宽度8.5mm(7.5mm),长度70mm,较大的振膜尺寸使得G2有更佳的中频响应,G2的六角蜂巢或波浪形两种振膜,其厚度仅为0.01mm,其起落变化十分敏捷，频响曲线非常平滑平滑，频响范围从1700Hz一直延伸至40kHz(3dB)。由于带式扬声器结构的磁隙较宽，所以要求磁体的磁力特强，G2是采用当今最昂贵的磁体N40钕铁硼磁性材料，磁通密度高达6000Gs，因而也获得很高灵敏度：96dB/W/m。二、 分频器设计：1. 分频点选择： 分频点的选择决定了扬声器的工作频率范围，让扬声器单元工作在最佳的频率范围内要求每个扬声器工作范围的频响曲线尽量平滑，扬声器中轴与30处频响曲线重合性好，分频点附近没有明显的波峰波谷。 西雅士 SEAS H1216-08 CA15RLY 频响与阻抗曲线在西雅士 SEAS H1216-08 CA15RLY的频响曲线中可以看出频率上限在3000Hz之前曲线的重合度较好。金琅的g2高音扬声器的频率范围是在1700Hz到40KHz之间，是由于信息资源的问题我没有得到g2的频响曲线，但是从网络上对此扬声器的描述与同类产品的曲线来看，可以大致猜测该扬声器的频响状况。通常在没有曲线图像的时候会采取将高音扬声器低频下限向上一个倍频的方式寻找分频点，但是为了保证低音扬声器良好的重合性，3000Hz与3400Hz并没有交汇点。由于g2铝带高音的特性和优秀的品质决定将其倍频下限下移。最终分频点选择在3000Hz处。2. 滤波器设计：为了让扬声器的工作范围更加精确与分频后优秀的相位，本分频器选择具有24db衰减斜率的巴特沃斯四阶分频器设计具体计算数据为： L1：0.8mH C1：10.5U L2：0.4mH C2：2.3u L3：0.27mH C3：3.7U L4：1.2mH C4：7u3. 阻抗补偿设计： 扬声器在工作状态，由于自身的振动产生感应电动势，会对扬声器的实际阻抗造成一定的影响，阻抗的变化引起了滤波器分频点的漂移。所以本分频器欲设计中低音扬声器的高频阻抗补偿和谐振处阻抗补偿电路。(1) 谐振处阻抗补偿： 谐振处阻抗补偿是在扬声器德两端并联一个电感、电容、电阻的串联电路，可对谐振区域的高阻抗进行校正。 经计算C=762.5（uf） L=16.41（mH） R=10.8ohm（2） 高频阻抗补偿设计： 此设计是为了补偿频率升高时阻抗的上升，由于阻抗补偿的起始频率通常取到阻抗上升到额定阻抗的1.4倍时的频率，但此时频率约为3200Hz，大于分频点频率，所以不需要对其设计高频阻抗补偿。（3）4. 衰减器设计： 不同扬声器同时工作时，由于自身的灵敏度不同输出的声压级也要有所不同，为了保证更佳的听感，分频器中对高音扬声器进行了8.5db的衰减设计。电路分别用两个电阻并联与串联在扬声器的两极。经计算两电阻阻值为： R1：5欧 R2：4.8欧 5.具体原理图：低频分频器电路图 高频分频器电路图 在分频器的设计上，把高低音分频器的输入端分开，让共接地点延长到功放之中，可有效的减少扬声器之间的信号干扰，使分频更为干净。 三、箱体设计： 1.根据扬声器的品质因数求出音箱系统的声顺比a、音箱系统的谐振频率fb与品质因数Qb。 经查表得出a=2 fb =1.12f0=50.4Hz Qb=0.78 2.计算出箱体的内容积： 经公式计算得出箱体的内容积V=7.11L 在实际制作时扬声器以及分频器等都会占用一定的空间，所以将内容积扩大到原1.1倍进行参考设计。 3.确定倒相管参数： 倒相管截取面面积一般要大于S=0.8fbvd=6.31cm2根据经验我们可将倒相管的面积选定在扬声器锥盆有效面积的10%-40%之间（至31.416cm2），从提高倒相管声辐射效率的角度来考虑需要将倒相管面积取的大一些，但是面积增大倒相管的长度也会增加。但是倒相管的长度也不能过长，通常不宜超过扬声器谐振频率波长的1/12（63.7cm）。综合考虑后决定将面积取为25cm2倒相管长度经计算 L=30000S/Fb2V-0.825sqrt(S)=33.6 倒相管口距离箱体壁不小于8.5cm （倒相管口径的1.5倍）4.确定箱体内部尺寸： 选择合适箱体内壁的尺寸比例可对箱体内部的驻波情况有利，配合箱体容积与外观感受选择比例为H：D：W=2.1：1.0：1.5具体尺寸为：D：13.6cm W：20.3cm H：28.4cm四、具体设计与CAD图纸： 左图为音箱设计的前视图，高音、低音单元与方形倒相管组成方圆方的图形对称形式，与两边的弧边配合箱体的比例给箱体一种敦实的感觉。将铝带高音横向放置，一是为了配合箱体的整体外观感觉，使其风格凝聚统一。二是与低音扬声器放置距离较近的情况下，将音箱放置在合适的高度，横向的带状振膜可使音箱听音的“霸王位置”区域有所扩大。为了箱体的整体感觉，倒相管设计为方形倒相，并在两端设计了弧形的开口，目的在于消除大动态时的风噪问题。并在开口处设计边框与低音扬声器同宽。音箱的面板一样设计了沉口目的在于加固扬声器减少扬声器的无谓振动。 上图为箱体设计的顶视图和侧刨面图。从顶视图看，箱体内部采用了内弧面的设计，使得箱体内壁无任何平行板出现，有效的减少了驻波的形成，设计中并对弧面的交汇处的锐角进行了填充，减小了声音的连续干涉现象。前面板采用较厚的板材在一定程度上也很好的抑制了扬声器的自振。从侧视刨面图看，箱体在内壁设有锯齿状内壁，对于采用吸音棉附着的箱体而言，在倒相设计原理中，将声能打散的设计比吸收的效果更好，并与弧面箱体配合基本杜绝了驻波的形成。高音单元在箱体中配有一个独立的密封腔体，并在扬声器与腔体之间均匀覆盖了吸声材料，可有效的杜绝高频声波在共振腔内以及对低频扬声器的不良影响，真正做到扬声器的独立工作，声音更加纯净。倒相管的设计中，由于为了扩大声辐射效率，所以将面积取的稍大，从而使得倒相管的长度有所增加，倒相管设计为弯折的L行，不仅解决了长度问题也对箱体的阻尼起到了改善作用。倒相管在两端的开口处设计了弧形的曲线开口，可起到降低大动态时的风噪问题。倒相管的下端紧贴箱体下壁，并在内部对倒相管进行固定阻值了倒相管自身的振动现象。四、 音箱的调试：1.箱体容积的调整： 箱体在设计中和实际制作中的误差会使实际的箱体容积产生变化，箱体过大会使系统有较低的频率响应但是低频上升缓慢、声压级降低。容积过小会使系统的谐振频率上升，低音会变得不丰满。所以要确定设计的合理谐振频率对大容积进行填充刚性实体减小净容积，较小的容积将填充吸音棉来起到扩大容积的效果。理论上吸音棉可将箱体的容积扩大40%，吸引材料可选用玻璃纤维棉。由于本设计的特性，建议填充吸音棉时，将其附着在箱体的上下内壁或包裹早倒相管上。2. 倒相管的调整： 一般来说只要设计合理，制作工艺有所保证的条件下，音箱的阻抗曲线就会出现一个双峰的阻抗图像，双峰之间的波谷所对应的频率就是音箱系统的谐振频率。在保证箱体气密良好的条件下，如果发现系统谐振频率比设计高时，可增加倒相管长度或扩大口径。如低反之。如发现曲线表示箱体的阻抗性较差的情况下可采取对倒相管增加阻尼塞的方式尝试调整。 总而言之，音箱的设计与调试的最终目的是满足个人的主观听感，不能盲目的追求最佳的数据，正所谓音乐中最长用的一句话：“耳朵是最好的调音器！” 全频曲径式音箱设计： 本设计采用Fostex FE126En 5寸全频单元其主要参数如下： 有效振动面积：65CM2 有效振动半径a：4.6cm Qts：0.25 振动质量：2.9g 谐振频率：70HZ 谐振频率波长：4.914M 直径117mm 曲径式音箱的基本原理是利用弯折的导管将扬声器背面的声辐射传导至扬声器辐射的正方向进行有利的声波干涉。当辐射出的声波与喇叭单元前面的声波相位一致时，迷宫式音箱的放音管道要起提升的作用，这是迷宫式音箱的主要出发点，如果设声管的长度为辐射声频率的1/2波长，则相位便会移动，等于180度，这时，迷宫式音箱放声管道的末端开口处所释放出的声波，就会与喇叭单元前面的发声处在同一相位，同样道理，如果设声管的长度为1/4波长，上式同样成立，且能缩短声管的长度，一般取偶数值，是设计迷宫箱的正确做法。如果取共振频率fo的3/4波长，或是其倍频的3/4波长时，输出的辐射就会降低，这是因为声管出口处的辐射波与喇叭单元后面的声波呈反相位关系所致。因此会对共振频率fo的声音输出起抑制作用。奇数1、3、5值的结果。如果设计的迷宫式音箱的喇叭单元基本谐振峰与声管的反谐振点相同，低频的下潜能力就会降低至1.33倍。迷宫式音箱的设计，一般是先测出所采用的喇叭单元本身的谐振频率fo，用下式求得放音管道的长度：声管长度=n344/4fo（1），式中n是奇数值的1、3、5、7，344是声波的速度，将不同的奇数值的n代入公式，看哪个值与设计的低频下限相近，即是最佳的n数值。迷宫式音箱的重放下限频率可按下式求得：f放2fo/n将扬声器参数代入式中计算结果：声管长度=n344/（4fo） f放=2fo/n n取奇数n=1 L=1344/（470）=1.22857m Fb=270/1=140HZ n=3 L=3344/（470）=3.6857m Fb=270/3=46.67HZ n=5 L=5344/（470）=6.143m Fb=270/5=28Hz在数据中看当n=3的时候比较合理传输线的面积大体上与扬声器面积相当。为了减少多余的反射传输线的面积必须比扬声器的面积大25%，而且必须正对扬声器单元后方。传输线的面积随距离单体的长度增加而逐渐减小紧接单元体的面积介于单元振动面积的1.4到1.5倍之间时，可获得较佳的中低频音质。综合考虑后将传输线的面积定为：起始面积651.45=94.25cm2 末面积=651.25=81.25cm2 并在其中随长度的增加逐渐减小。具体设计及CAD图纸： 曲径式音箱的侧视刨面图及前视图 上图为曲径式音箱的侧视刨面图和前视图，在图中可以看出曲径出口设计的距离扬声器较近，可使声波更好的进行干涉。在设计尺寸中曲径内壁预留了可张贴6至10mm的牺牲材料的空间，吸声材料的添加可大幅度的减少高频声波在曲径导管内的干扰和增加系统阻尼。声传导的设计是将声波从单元正后方传出再由顶端进入外壁导管后从下方回到内部逐级上升。在右下角的设计只要通过填充和消减补偿体的高度就可对曲径导管的长度进行60cm左右的长度进行调节，方便了箱体的设计调试。带通式超低频音箱设计：四阶带通式音箱 在闭箱腔内增加了一个开口腔，其中一部分工作于闭箱模式，另一部分工作于倒相式模式，因此，这种音箱既具有闭箱的优势，也具备倒相式音箱的特点，它的效率高于纯粹的闭箱，低频下潜截止频率与倒相式音箱相近，可以用较小口径的单元获得较低下潜截止频率。另外，它的带通频率可以调整，因而分频器可以简单化，因为音箱本身就相当于自然分频器。 在单元选取上，原则上与闭箱相似，但由于效率略高于闭箱，而且锥盆位移量比较小，可以使用较小口径、短冲程的单元。本次设计扬声器选用惠威D6G 6寸低音扬声器，其参数如下：一、确定带通范围 首先求出扬声器谐振频率与其品质因数的比值=44/0.38=115.79，以箱体自由-3db处的频率为fl=40Hz计算fl系数=0.34545，取带通连波S为0.6时（允许曲线有0.35db的起伏）查表得到最接近的fh系数=1.2945从而计算出fh=148.89Hz，以此带通范围作为基本数据进行以下计算。二、 计算带通品质因数带通品质因数其中为带通的中点频率其关系有得出=77Hz =0.7三，右系统增益求出相关系数与从而计算箱体的前后腔容积在带通音箱的设计图表中看，当S=0.6时上述参数所对应的系统增益G为-4db则在公式从而计算出=1，再根据与之间的关系式 求出=1.414，然后将所得数据代入前后腔容积计算公式与计算开口腔容积17.286L与密封腔容积3.49L四、 确定倒相管参数在箱体情况允许的条件下，开口腔调谐管的口径应尽量的开大一些，口径越大所得到的灵敏度就越高，一般取到低频扬声器单元有效辐射面积的40%到60% ，本次设计为有效辐射面积的50% ，开口半径选为4cm。倒相管的长度由公式计算得到L=22.3cm 以下是具体设计与CAD工程图：左图为带通式音箱的刨面图与前视图，背腔与前开口腔的具体做成分离外接的两个箱体，这样做可使每个箱体的具体设计尺寸都成为对驻波有利的箱体尺寸比例。在适当的范围内可以在密封腔体内放入适量的吸音棉，此时具体制作时可以将密封箱的容积减小，板材选用高密度纤维板，板厚达到20mm可有效的减少箱体的共振。在开口腔的设计上，是排除了倒相管占用容积后的净容积计算的箱体比例。单元内置双腔体带通低频音箱的扬声器安装在箱体内部扬声器锥盆不直接向外辐射声波，扬声器锥盆分割振动等原因所产生的各种高次谐振波无法输出，大大减小了放音时的是真。但是其中音表现能力较差，所以不适合与高音扬声器组合成为二分频式音箱，可做专为重放200Hz以下信号的低频箱体。新型超宽频带音箱设计思路： 如今的音箱设计中，大都采用密封式、倒相式和曲径式音箱。最原始的音箱设计理念是为了减少或杜绝扬声器单元的声短路现象，由于低频声波的波长长绕过能力极强，所以要用到面积庞大的障板，就算将其折叠起来（敞开式音箱），其体积也依然庞大，当其深度为所辐射频率波长的1/4时又会产生共振现象影响音质。所以在现今的HIFI中几乎不能使用。为了解决这个问题，人们又将箱体的后盖密封起来形成了密封箱，这种做法完全消除了前后的声波干扰，增大了系统的阻尼。但是由于内部完全封闭的气压问题使得扬声器的力顺降低从而谐振频率升高。倒相式音箱是采用了共振腔的原理，曲径式音箱是利用增加传导距离改变相位，他们都是利用了波的干涉。但是扬声器辐射的频率时刻都在变化，但箱体式固定的，波的干涉形式也会有所变化，并且干涉程度较难控制，设计也比较复杂。如果做一个假设可将这些问题一一解决将会得到更为平坦的音频曲线。1. 敞开与密封音箱都是为了减少和杜绝低频短路现象，那我们就想办法阻值背面的声波传递到单元前面。方法大致有阻碍，衰减和隔绝。如果在扬声器周围包裹大量的多孔的吸声材料，再在封闭式音箱距离单元较远处开一个足够大的口尽量保证箱体内外的气压平衡。由于低频声波的穿透力较差，尽量使用吸音效果好的透气性好的优质吸声材料，做到透气不透声。来弥补密封式与敞开式音箱的不足。尽量使得扬声器的工作不受箱体的影响。2. 倒相式与迷宫式音箱都使用谐振频率附近的声波干涉来加强低频，如果采用上述的设计方法，则没有对低频有所补偿。在扬声器低频单元的频响曲线上从低到高都会有一个上升的曲线，而我们所说的谐振频率也通常都在那条曲线上，如何尽量将那条逐渐上升的曲线变得平滑成为了一个难题。 对于低频曲线补偿的几个设想： （1）用分频器的衰减补偿，其做法是采用电阻衰减器对扬声器的灵敏度进行衰减，衰减到我们所要提升的最低频率处的声压级，再在电阻衰减器中与扬声器单元串联的电阻上并联一个分频器将曲线按一定的斜率提升，电感的信号完全释放频率为所要提升的最低频率，信号完全阻碍频率为曲线弯折至平滑处所对应的频率。其基本电路原理图如下：但是此电路的最大缺点就是频率的提升斜率不好控制，并且大大降低了扬声器的灵敏度。也可以说得不偿失。（2） 降低扬声器原有的升压在将频率范围内的升压还原，不如直接对其进行提升。这样研究的范围就转向到了功放的前级上面。如果可以将所需提升部分的频率的放大倍数提升，再使用分频元件使提升具有一定的提升斜率，其数值正好与扬声器低频衰减斜率相等，就可以很好的解决此类问题了。其基本原理电路图如下：首先前级信号在输入二级前级放大之前设置一个分频器，前级ic2的分频点定在所需提升频率范围的上限，ic1的分频器分频点定在所需提升范围的下限。Ic1的放大倍数取在所需提升频率的上下限声压级之差之间。如果扬声器的低频衰减曲线等于6db/oct，可将ic1放大倍数选为提升频率上下限声压级之差。由于衰减器的衰减斜率最低单位为6，高至12、18、24db/oct。所以此电路只有在扬声器的低频衰减斜率约等于6db/oct时刻发挥最好的作用。往往扬声器单元的衰减斜率都低于6db/oct。提升斜率的控制还是一个很大的问题。（3） 低频曲线提升斜率的控制，在以上的两种电路中，由于各个扬声器的低频衰减斜率不同和无法控制低频提升电路的提升斜率，所以不能良好的提升扬声器低频曲线的下滑部分。经过一段时间的研究发现了以下的方法，在理论上可以适应大部分扬声器低频部分的下滑曲线，低频曲线下滑频率上限到所需低频下限的范围提升到近似一条直线。1.选择所需提升的频率范围；2.用高衰减斜率的分频器在ic1前级放大电路前固定其频率范围；3.使用高衰减斜率的分频器在ic2前级放大电路前将所需提升频率的上限以下频率截止；4.调整ic1放大倍数，使其高于ic2声压为所需提升频率范围的最高与最低声压之差；5.在ic1前级输出端并联电容或串联电感（扬声器低频衰减斜率大于6db/oct的吧电感或电容变为阶数更高的低通分频器）；6.调节电感或电容的电感量或电容量（高阶分频器调节器提升其低通分频点）从而改变其感抗或容抗，使其衰减斜率与扬声器单元低频衰减斜率相等。其电路原理图如下：低频曲线补偿电路 此电路具有可按斜率对扬声器低频下滑曲线按斜率补偿的作用，使所需范围内的频响曲线近似成为一条直线，拓宽了扬声器的频响范围，使低频更加丰满。但是这种方式的补偿又带来了新的问题，就是扬声器单元在低频处的振幅会有所增大，在大功率工作时可能造成失真甚至扬声器损坏。这个问题我们可以通过双扬声器同时工作来进行弥补，每个扬声器只承受一半的功率，减小了非线性失真，还增加了振膜的面积，使低频更加丰厚。如果再谈缺点，那就是功放无法兼容更多的音箱了。不过个人认为，为了达到更好的声音这样更好。(也可生产成品与音箱配套使用)综上所述，我设计了这样的一款音箱： 左图为新型开口式音箱的侧视刨面图低频部分设计了双扬声器，是为了使用上述的低频曲线的补偿电路。因为本设计的初衷是得到最纯净的扬声器正面声波辐射，不利用任何声波干涉的形式，所以进行电路的补偿可以有效减少箱体设计的复杂性和客观因素的影响。本设计采用了上端开口的箱体设计开口大于扬声器总面积的1.25倍，尽量保证箱体内外的气压差距。利用低频声波穿透能力差的特性在箱体内填满优质的吸声材料，使低频声波得到迅速的衰减，也起到了降低声速的作用从而使低频波长变短。在低频扬声器后端加罩了一个网罩可使扬声器有一个空气振动空间，并有效的防止了吸声材料对扬声器的不良影响。低频在180Hz时就几乎失去了方向，但本设计的低频分频点设在约400Hz处，所以低频扬声器设计了一定的角度，在音箱之间距离为1.5到3M时，可在“霸王听音”区域直接指向坐时的人耳，高频扬声器的中心位置额这号与人耳同高，得到了较佳的指向性。音箱顶距离下方180mm采用中空设计表层包裹透空吸声材料，顶面和前面封闭，更进一步的吸收了残余的声部和阻滞声波直接绕至前方。中音单元和高音单元采用密封箱设计，按有利驻波的比例设计，其箱体谐振频率都大大小于扬声器分频下限频率。所以可良好的表现整个频率范围。左图为音箱设计的顶视图和前视图，顶视图不包括顶部的顶板，从顶视图可看到一层网状结构，其目的是封盖吸音材料，使其保证一定的密度，也不至于散乱出来。前视图，两个低频扬声器的距离很近，加上上扬的角度与其他扬声器结合，有了良好的指向性。 分频器的设计：首先在扬声器的选择上，选择了惠威f12的12寸低音，Fountek fw168全频单元以及Fountek NeoPro5i高音扬声器（7ohm）。它们的频响曲线分别如下：经过曲线平坦性与相位的重合性等考虑决定将分频点定为300Hz和1300Hz。 本次设计采用二阶分频器的设计方案，四阶分频器的衰减斜率大，相位特性好，但是设计与调试比较复杂，所以采用最流行的二阶分频器的设计方案。在设计中并考虑-3db降落点的隆起后进行计算结果为：L1=L2=7.9mH C1=C2=61.7uf L3= 1.1mH L4= 0.96mH C3=26u C4=29.7u为了保证平均的频响升压，分别将高音和低音用衰减器降至87.3db，其中低音使用了双扬声器将会比原本声压高出3db所以对其要多衰减3db。选用灵敏接近的扬声器单元是个不错的选择。具体衰减电阻阻值：高音：R1=5.4ohm R2=2.2ohm低音：R3=2.7ohm R4=16ohm分频器具体原理电路图如下：如果设计中结合上述的低频曲线补偿电路，可使整条频响曲线接近为一条直线，理论上完全有可能将音箱设计成为拥有20Hz到40000Hz的超宽频带音箱。注：本设计的设计重点在于扬声器背面低频辐射声波的大幅度衰减和低频曲线的声压补偿，补偿电路在理论和数据上可以行之有效的补偿低频曲线。但是由于对吸声材料的了解较少，无法证实低频声波是否可以得到有效地衰减和是否可以达到良好的透气性能。如果没有合适的吸声材料，本设计的箱体设计将失败。基于密封式音箱的一些设计设想：（弹簧式气压补偿音箱） 密封箱有低频放声失真小，阻尼大等优点。由于扬声器单元背面的声波被完全阻隔，所以不会产生声波的短路现象，但是音频的辐射效率比较低更重要的扬声器的振动使密封的箱体与外界产生的气压差，使扬声器的劲度系数增加顺性降低，从而使系统的写真频率升高。如果有一种方式平衡箱体内外的气压差，并能有效的减少箱体的共振，就可以得到一个比较理想的扬声器系统。于是我尝试根据物理学的热力学和力学原理设计了一个具有平衡箱体内外气压的气压补偿式音箱，具体设计原理如下： 左图为箱体设计的原理图。1.箱体采用双层钢化玻璃箱体，将其中间部分的空气抽出形成真空，并在双层玻璃之间适当加入几个弹性材料，双层玻璃的结合处可采用橡胶，这样做的目的是使箱体成为一个减震缓冲器，内层箱体的振动不不会对外层产生音箱。2.内层箱体设计为上下两个密封的独立空间，上端空间的容积一定要比扬声器振动产生的容积差，用扬声器的最大线性位移乘以扬声器的振动面积。3.下端密封空间的压强为标准大气压强，上端的空间内的压强至少比标准大气压强低有扬声器振动产生的最大压强差。4.两个腔体之间的隔板采用质量轻的刚体材料，四周用弹性材料薄膜连接，保证隔板可以自由活动。5.由于两个腔体之间有一定的气压差，隔板会有一个向上的压力，在隔板上方和顶板之间加入弹簧，给隔板一个向下的弹力，使得在下端空间气压为标准大气压时，大气压力、弹力和重力在竖直方向上形成一个力的平衡。 扬声器单元在前后振动的时候会使下端密封箱的气压产生变化，如果箱体为外全封闭的刚性空腔则扬声器向内振动时箱体内气压会增大，向外振动时箱体内的气压会减小，从而形成内外的气压差，产生阻碍扬声器振动的力。在箱体内设计图中的一个活动装置，箱体内的气压产生变化时，下方空腔与上方空腔也会产生一个驱动力，使腔体之间的刚体隔板产生于扬声器单元的同向的振动，从而弥补箱体内外的气压差，起到减少气压阻力的效果。但是经过计算得知，刚体隔板的上下震动力劲与上下振动时产生的气压差的变化有关。当隔板向上振动时气压差以理想振动最大点来计算而隔板向下振动的时候 其中上或下腔体的体积变化量，P为上方空腔的静态气压，V为上方腔体的静态容积，理想状态下希望与扬声器振动产生的体积变化相等。再看一下隔板上下振动时的受力情况：（忽略重力）向上：向下：但是从公式可以看出上下的气压差变化并不相等，想要扬声器达到最佳的振动状态又要求在隔板上下振动时保证与相等，那就要求的数值在上下振动时相等，这样是不可能的，尽量的缩小它就要尽量的加大下腔体的容积和缩小隔膜的面积。这样在无形当中增加了箱体的容积，增加了设计的难度也很难达到理想的效果。基于上面的设计，本人又有了一个改进的想法，从上面的力学分析来看，当隔板向下振动的时候位移要比向上的时候大。我们可以计算出上下振动时受力差的基本斜率，用弹簧来进行受力的补偿，通常振幅越大受力差的斜率就会越大，如果设计的受力差的斜率变化较大可以采用弹簧组分段的进行受力补偿。CAD原理图如下： 左图为弹簧组受力补偿原理图： 1.在振动隔膜的下方适当的位置装一块弹簧固定板，要求面积越小，强度越好高越好。为不同劲度系数的弹簧的合理安装，可把此板设计成梯度弯折板。通常设置在比振动隔膜向下最大位移略下的位置。短距离可使弹簧体保持更好的性能。 2.弹簧安装时只与固定板连接，采用不同劲度系数的弹簧设置在距离振动隔板不同的距离，采用劲度系数累加的方式进行补偿。 3.弹簧的劲度系数由振动隔板上下受力差与位移差的比值计算得来。此设计可以有效的起到平衡扬声器内外振动阻力的效果。但是由于内部隔板的振动也牵动了内部箱体的振动。虽然设计了中空的箱体，但多多少少的还是会传导到外面，隔板的振动本身也产生了一定的声波，它的频率大致由低音扬声器决定，所以不会很高，振幅可以通过增大隔板面积来降低，使其气压差力差减小。基于此设计，本人又对它进行了另一些改进，使其性能更佳。具体设计原理图如左图：1. 本设计将原来的低气压区德空间一分为二分别位于箱体的上下两方。2. 如果与上面的设计的气压补偿效果一样，则低压区总容积与原来一样，气压为原来的一半，上部分的弹簧的劲度系数也为原来的一半，下部分由于重力方向向下重新进行计算。这样更有利于增大隔板的面积和降低隔板的运动阻碍，使扬声器获得更小的振动阻力。3. 采用双向的两个受力差补偿弹簧组进行隔板上下的受力补偿。4. 两个隔板的振动方向正好相反，在隔板质量较小的情况下可近似的看成振幅相同，这样就使内部箱体上下振动的受力平衡，阻止振动。 设计参数对音箱性能的影响：1. 低压区支撑弹簧劲度系数越低，补偿效度就越大；2. 隔板振动面积越大补偿速度就越快；3. 隔板质量越小箱体的瞬态越好；4. 在一定范围内增大隔板质量，由于惯性原理会对扬声器振幅具有一定的提升，但质量太大在箱体较大时，高动态有可能会使低音浑浊或降低扬声器振幅。5. 隔板最好做成多块小面积结构，有助于曾大隔板系统的强度和减轻质量，得到更好的瞬态表现。6. 在普通心理学的理论来看感觉阈是随着外界刺激的增大而以指数的形式增加的，也就是说响度越大，人对响度变化感知的灵敏度越差，将实际的上下振动差调整到一定的范围内，人就无法感知其差别了。采用弹簧式力差补偿的设计，可以有效的均匀的对隔板上下振动的受力差进行补偿，但是设计比较复杂。如果控制好人的感觉阈范围，采用另一种设计简单的系统进行补偿将是更为理想的。真个气压补偿系统的动力来源为扬声器的前后振动，扬声器的动力来源又是电和磁。如果在前后振动的动力上采用某种方式进行控制，也可基本解决上下振动的受力差问题，并且设计与制作要简单得多。以电路方式对隔板振动受力差的补偿：扬声器的磁感强度是大致固定的，想要对其进行变化性的控制比较难，所以应该着手扬声器的输入电信号。设想可以把声波电信号的正负电分开，在使扬声器向前振动方向上的电流进行一定程度的衰减，就可以起到降低隔板振动的受力差问题。其基本电路原理图如下：电路中采用两个并联的反向二极管将音频信号分开，在正方向电流二极管后串联一个电阻，这样就可以将电流正方向的电流减小，起到减小扬声器单一方向振动力的效果。但是补偿斜率不变与电路后交流电相位问题还没有证实。以上设计即使在较小的箱体之中也可达到较好的气压补偿作用，如果设计合理，可大大缩小缩小箱体的体积，箱体体积的大小只与所用扬声器振动产生的容积差有关。 电磁助推式扬声器单元设计方案与设想:音箱的设计目的大致有两点，一是杜绝扬声器单元的声短路现象；二是对扬声器的低频声波升压不足处进行补偿。如今的设计当中大部分采用倒相和声波干涉的方式来达到设计的目的。但是声波的干涉本身就存在各种的不确定因素，声波在空气中传播的本质是由于物体的振动对空气分子间距的压缩与拉伸，在单位时间内的振动幅度越大，对空气的压缩和拉伸的强度就越大，声音的响度也就越高。在如今的电磁式频扬声器的频响曲线来看，在某一个频率以下的频率越低扬声器的响度越低，这样就影响了低频扬声器的低频响应能力。在扬声器有效频率范围的测量方式来看，低频的响应能力也直接的决定了扬声器的频响范围。如果能在这个区间之内加大扬声器的振幅，最好能按照频响的衰减曲线进行补偿，那么扬声器的低频表现能力与频响范围都会得到一定的提高。单位时间内的振幅要求越大要求扬声器纸盆的推动力就越强，于是我利用合成力与分频器原理尝试设计了如下一款有动力补偿能力的扬声器系统。具体设计如下：左图为本次设计的原理图。1. 在设计中采用长驱动线圈设计，磁体间隙长度的设计上要比驱动线圈长的更多。允许扬声器音圈更大的位移，并始终保持在磁体的间隙之中。2. 驱动线圈的设计采用主、副前后的两个线圈，主线圈为扬声器的基本驱动线圈，与正常扬声器一样。副线圈位于主线圈的后方，主、副线圈之间首位连接，并且相互绝缘。3. 副线圈的输入端串联一个分频器，分频点设置在需要补偿的频率上限或下限。4. 调整电路使主、副线圈音频信号相位相同，主、副线圈所使用的分频器阶数相同。当音频输入信号达到设定条件时，副线圈将启动，与主线圈的运动方向一致。由于即使在副线圈不通入电流的时候仍然处在运动状态，也会产生感应电动势。所以在设计时主线圈的直流电阻要设置的稍大一些。当副线圈开始工作时，整个扬声器的总阻抗将会降低,为了避免分频器分频点的漂移，所以音箱使用的分频器一定要直接连在主线圈上与副线圈分频器保持并联状态，切忌与副线圈的分频器串联。扬声器的阻抗补偿电路与衰减器电路的设计都要将主、副线圈分开设计。调整电路使主、副线圈信号输入相位保持运动方向一致是方案成功的关键。此外，扬声器的振膜需要更强的刚性，以避免大动态时的振动分割引起的失真。21