音箱结构设计教材

它是将高、中、低音扬声器组装在专门设计的箱体内，并经过分频网络将高、中、低频信号分别送至相应的扬声器进行重放。 　　扬声器安装在音箱内后，可以利用音箱内部的声音的传播特性，扩展扬声器低频重放范围，使重放声产生较宏大的声场。 　　音箱按分频的方式分类主要有：单扬声器音箱；二分频音箱；三分频音箱；四分频音箱；多分频音箱；超低音音箱（低音炮）。 　　音箱按用途分类主要有：落地式音箱；书架式音箱；有源音箱；环绕音箱；监听音箱；影剧院用音箱；舞台用音箱等。 　　音箱按内部结构不同分类要有：密闭式、倒相式、迷宫式、前置号筒式、空纸盆式、对称驱动式、克尔顿式、哑铃式等等。 　　1、密闭式音箱 密闭式音箱在市场上品种很多，例如美国的AR系列音箱，就是最有代表性的一种，国外还往往把喇叭单元fo很低的密闭式音箱称作为“气垫式”音箱，小型密闭式音箱的主要适应条件是：应当选用振动膜直径不大、共振频率又很低、顺性很大的喇叭单体。 　　密闭式音箱是目前就使用最多的音箱之一。所谓密闭式音箱就是将扬声器按装在一个完全封闭的箱体中，它是用箱体将扬声器前后的声辐射隔开，以防止声短路。密闭式音箱内的空气对于扬声器来说好比是一个弹簧，从而改善了扬声器的低频响应。 　　密闭式音箱的重放特点是低音深沉，低音的解析度较好。但是由于密闭箱内的空气对扬声器的运动同时也有一定的阻尼作用，因此对音箱的共振频率ｆ 0和品质因素Ｑｔ有一定的影响，如果箱体较大的话这种影响还较小，但在实际使用中一般主要在选择扬声器的ｆ0和Ｑｔ下功夫。另外， 由于密闭式音箱只利用了扬声器的一面的声辐射，因此效率较低，一般比其它种类的音箱低3~ 5dB。 　　小型密闭式音箱为了把气垫作用发挥得最好，扬声器振动膜的厚度往往都增加了很多，在这种条件下音箱的效率会相对下降一些，输出亦会降低，所以比起大多数倒相式音箱要难推动一些，这是密闭式音箱不足的地方。但密闭式音箱的长处是制作简单，便于大量生产和发烧友业余制作。从高保真的角度来看，密闭式音箱与其它类型音箱相比，失真最低，速度快，低音准确、深沉，控制力好，相位特性也是其它形式音箱所无法比拟的。用发烧的语言来形容：密闭式音箱重放的低频是真正正确的低音效果，而反射式音箱，由于要利用喇叭单元后面的辐身声，就一定要在箱体上开一个合适的倒相孔，这样一来，声音的辐射波要在音箱内经过180度倒相作用，再从倒相孔中辐射出来，以增加声音的辐射能量，表面看来，效率是提高了，但由于声波要在箱体内经过一段时间，才能从倒相孔释放出来，与正面声波相加，这就存在一个时间延时的问题，严格来说，反射出来的声波与正面的声波相比，在时间上是差了一段，当然到达耳朵的先后也不同，相位也有一定的差异，所以说是一种假低音的重放，但是由于人耳低频上的反应远不如中高频来得敏感，所以倒相式音箱的这些差距，在听感上、头脑中不会产生太大的影响，由于反射的效率高，还是受到人们的喜爱，在市场上占有极大的比重。 　　2、倒相式音箱 　　倒相式音箱又称低频反射式音箱，是目前使用较为广泛的一种音箱。 倒相式音箱的理论是A.L.Thuras早在1932年提出来的，到了1952年，B.N.Locanthi提出了振膜与倒相孔的气体互相作用的计算方式，推动了倒相式音箱的发展，而真正让倒相式音箱得到成熟的实用设计，是1961年A.N.Tniele运用Novak确定的简化模型，较细致的发表了许多实际性的设计方法，而后来的R.H.Small对倒相式音箱的全方法设计也发表更有实际性意义的文章。在几十年的发展过程中，倒相式音箱渐渐的成熟起来。 　 它和密闭式音箱的区别在于在音箱的面板上按装了一个倒相管，当扬声器工作时，背后辐射出的声波经过倒相管后辐射到前方，与扬声器前面的声波相叠加，然后共同向前辐射，使低频效果增强。 　　倒相式音箱的特点是：可以利用箱体和倒相管的共振，在扬声器的声压不变的情况下，扩展了低频，其低频可以扩展至扬声器共振频率的0.7倍。 倒相式音箱和重放同一频率的密闭式音箱相比，体积比密闭式音箱小70％，因此对功率放大器输出功率的要求比密闭式音箱低。倒相管可以减小低频下限频率附近的扬声器的振幅失真，但是倒相式音箱的瞬态特性较密闭式音箱差。 　　 设计良好的倒相式音箱，能够在声音音量不下降的情况下，进一步扩展低频平衡重放时的下限频率 。我们知道，喇叭单元都有一个基本的共振点频率，在这一频率上，输出的声音将最大，同时失真也最大，如不加以控制，势必造成声箱低频带重放的不均匀度加大，平衡变坏，失真急剧增加。而制作合理的一个倒相式音箱，应能将喇叭基本谐振峰压低，使其变为左右分开的两个小峰，且两个小峰的大小相等，这样向低端扩展的小峰，也会使音箱的频响进一步向低扩展。显然，基本揩振峰压低后，失真也明显减少了，这是因为喇叭在这点上的振辐呈振状态，在该频率附近，振动的辐度变小所至。 　　 要想利用倒相式音箱的这些优点，设计者必须要清楚的了解所选用的精心设计才能得到理想的重放效果，并不是随便开一个倒相孔就能成功。倒相式音箱对单元的Qo也有严格的要求，不取特定的Qo值就不能充分发挥出倒相式音箱的长处，同时调整的手续也比较复杂。 　　 倒相式音箱虽然有效率高，低频特性好及体积小等优点，但也有不足的一面。主要在于设计制作调整难度较大，例如倒相孔不能只为了效率而开得太大，否则会形成峰值，同时倒相孔的长度也会对低频有较大的影响，设计不好容易产生低音太过沉重或速度变慢的问题，也可能会有气流声太响等问题。与密闭式音箱比较，倒相式音箱在低频段的瞬态特性较差，声音的表现有些混浊，由于倒相式音箱要利用喇叭背面的声波要在箱体内经过一段时间才反射出来，所以相位并不是十分准确的，同时反射出来的声波在速度上肯定比喇叭正面的直达声慢了一步，所以说倒相箱发出来的是一种“假”低频，没有密闭式音箱来的准确。 　　3、空纸盆音箱 　　空纸盆音箱又称无源辐射音箱、牵动纸盆音箱。它是在倒相式音箱的基础上发展起来的放音系统，它是由一个扬声器和空纸盆组成，空纸盆代替了倒相式音箱的倒相管的位置。空纸盆音箱的工作原理是利用了扬声器纸盆振动后箱内空气的弹簧作用使空纸盆振动，与扬声器形成的共振，基本工作原理和倒相式音箱相似。 　　倒相式音箱在工作时空气会不断地从倒相管中排出和吸进，而空纸盆音箱在扬声器工作时，空纸盆会顺应箱体内空气的变化而进行前后移动，箱体内的空气并不泄漏出去，因此空纸盆音箱的灵敏度较高。同时空纸盆音箱不象倒相式音箱那样由于空气大量地进出容易产生共振而出现驻波。在较低频段工作时空纸盆音箱接近于密闭音箱的工作状态，因而可以有效地减小扬声器的振动幅度。 　　目前，在进口的音箱中有部分是采用空纸盆音箱的，如美国的“ＪＢＬ”音箱。 　　4、对称式音箱 　　对称式音箱是密闭式音箱由于各种原因而不能做到小型化时而采用的一种加强音箱对空气的振动力度的音箱，它是将两只扬声器重叠安装在一起，当音频信号输入时，两个扬声器进行同相振动，因此重放时对空气的振动力度增强，其低频效果和较大容积的音箱的重放效果一样。在实际的重放试听中，感觉重放声的声像定位略差。 　　5、迷宫式音箱 　　迷宫式音箱顾名思义是其内部的结构较为复杂，好似迷宫一样。迷宫式音箱音箱是在喇叭单元的振动膜后面，制作了一条矩形截面的折叠反射管道，而同周围的介质相耦合，放声管道的截面积一般等于喇叭单元振膜的有效面积。这种结构形式的音箱与传统的密闭式音箱及倒相式音箱在设计时完全不同，这类音箱的设计要点主要有两个原则：一是要求迷宫式音箱在工作时应该有效的控制喇叭单元的基本共振频率fo；二是要求迷宫系统的放声管道能提升所设计的低频下限频率与能量。 　　 迷宫式音箱实际上是把喇叭单元反面的声波经过一条长长的管道反射出来，而放声管道的长度是迷宫式音箱的设计焦点。设计合理的迷宫式音箱，在扬声器单元工作时， 辐射出的声波如与喇叭单元前面的声波相位相反，迷宫内的放音管道应该起抑制作用。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。 　　 迷宫式音箱虽然重放效果很好，但结构比较复杂，了它大量的发展。设计这种音箱要注意减少放音声管内的高频谐波振荡频率对迷宫系统所产生的频响特性不良的影响，因此应在声管内敷以吸音材料，并力求让音箱的各部位结构牢固可靠，避免内部管道的漏气现象产生。还要求放声管道的各部位截面积，不得小于所使用扬声器单体本身振动膜有效面积。 　　 现在市场上可以见到的迷宫式音箱有英国产的TDL系列产品，是该厂的创始人John Wright设计开发的。John Wright认为倒相式音箱虽然在一定程度上提升了低频的辐射能量，但不能使低频下潜得很深。而传输线式（迷宫）音箱却可以做到这一点，我们知道，如果要听到20Hz的低频声音，房间的长度要达到17米左右，就算是1/2波长最少也要8米，一般家庭很少有这样的听音环境，用迷宫式音箱来产生这样的长度就能实现这样的感觉。

音箱通用原理

时间:2005-11-02 13:25来源:互联网 作者:郭继烈 点击: 4073次

1、引言 目前音箱是按其构造分类的，例如闭箱、倒相箱、空纸盆箱（无源辐射箱）、迷宫箱、二级倒相箱、前号筒箱、后号筒箱、箱式低音炮、管式低音炮、加载式、传输线式、管道式等等约有10余种形式，而每一种音箱都不得有各自的原理解释，绝大多数解释的不完

1、 引言

目前音箱是按其构造分类的，例如闭箱、倒相箱、空纸盆箱（无源辐射箱）、迷宫箱、二级倒相箱、前号筒箱、后号筒箱、箱式低音炮、管式低音炮、加载式、传输线式、管道式等等约有10余种形式，而每一种音箱都不得有各自的原理解释，绝大多数解释的不完全不全面。

人们知道，设置音箱的目的有两个，一是因为频率在1~200Hz以下的低音无方向性，振膜前后方的声波呈反相状态，会引起低音声短路，致使低频声压大跌，因此需用音箱隔离前后声波；二是单个扬声器的频响范围有限，为拓宽频响，需用2只以上扬声器分别工作在不同的频段，以达到对高低音向两端延伸的要求。防止声短路问题，但背辐射声波的能量没有利用起来。为改善这一弱点，人们又发明了10余种形式的音箱，在防止低音声短路的前提下，充分利用背辐射声波的能量，提高电声轮换效率，拓宽低频响应。这10余种音箱都有各自的工作原理解释，有些解释较清楚，有些解释较笼统，甚至还有一些片面的误解。这种设计制作各种音箱带来了难度，为此，笔者提出一种全新的通用的音箱原理——消音与半消音原理。在充分理解的基础上，就能举一反三，设计制作好任意结构的音箱。

2、 音箱的分类

传统的分类是按箱体的结构分类，而根据消音与半消音原理分类，是按背辐射声波的处理方式分类，这就将所有的动圈式扬声器归纳为一个共同的原理——消音与半消音原理。并分为两大类箱形，即消音箱和半消音箱。

2．1 消音式音箱

消音式音箱就是对箱内声波作消音处理，闭箱就是典型的消音箱，此外，大障板箱、背开口箱、对称驱动箱、前号筒箱等均为消音式音箱。通过消音二字，对其工作原理就能大体略知，消音的好坏，直接关系到放音质量的好坏。这里可把背辐射声波分为两个频段，分别对待。一段是低音扬声器装箱后听谐振频段，另一段是低音单元除去谐振频段后的全部频段即非谐振频段。

对谐振频段来说，未加入吸声材料时，声波能量被吸收的较少，能量被转移消化的较少，因此谐振能量较大，低音单元在谐振频率处的谐振未受到太多的抑制，振幅依然很大，造成很强的自感电势，自感电势与信号电势共同参与电声双向反应（笔者在另一文章提出了电声双向反应论），对谐振频率处的声波造成最大的波形失真，这是危害之一。危害之二是当电信号停止时，惯性导致大振幅具有较强的余振，造成声波拖尾变长，使低频变得拖泥带水，产生隆隆声。这个隆隆声就是余振拖尾造成的，是电信号中没有的新声波。危害之三是强烈的振幅产生较高的声压，该声波失真又大，又会使频响曲线的低端凸起，破坏了声压的平衡。对音箱来说，减少这3点危害的有效方法就是增加吸声材料。但吸声材料的加入量并非越多越好，过多的吸声材料，虽然减少了前两个危害，但又造成低音力度不足。这就需要折衷处理，如何掌握吸声材料的加入量，以什么为标准呢？应以反映谐振峰阻尼特性的Q值为标准，将音箱Q值调整在0.6~0.7之间为好。当Q值<0.6较多时，阻尼过量，低频清晰无隆隆声。如果Q值>0.7较多时，阻尼不足，低频声压虽上升，但是瞬态特性变差，低频伴有隆隆声，声波不清晰。

影响音箱Q值的因素有两点，一是单元装箱前的Q值，由扬声器厂家设计确定，用户一般只能挑选不能调整。二是箱内吸声材料的品种和数量可选。这两个因素是互相影响的，一个方面的不足，可用另一个方面给予补偿。但这种补偿是有限度的，例如一个自身阻尼不足的低音单元，品质因数Q值过大时，是无法通过增加吸声材料来使其工作在最佳状态的，只能使其转好一点而已。

扬声器的谐振频率装箱后会向上漂移，漂移量的大小，受箱容积和吸声材料的影响。箱容积越大，吸声材料越多，向上漂移量越小，反之相反。所以消音箱谐振峰的频率，由单元、箱容积及吸声材料共同决定。单元谐振频率低，箱容积大，吸声材料多，谐振频率就低。值得注意的是单元的谐振频率，这是起主导作用的。如果单元谐振频率偏高，就不能指望通过加大消音箱容积来延伸低频响应，因为单靠增大消音箱容积只能获得减少向上的漂移量，并不能使音箱的谐振越过扬声器自身谐振点向下延伸（半消音可以）。一对音箱的低频表现，应该是频率低、声压足、无隆隆声。而频率和声压两者很难同时照顾到最佳值，只能折衷考虑。追求低频的最佳方案是，单元口径大（口径略小但线性冲程长），谐振点低，适当的大容积，适量的吸声材料。低频响应的下限值，主要由单元谐振点所决定。任意一只低音单元，可以配用不同容积的箱体，箱容积偏大时，谐振峰向高峰漂移小，频响箱容积偏小，谐振峰向上漂移大，频宽变小，能量较为集中，使低端声压有所上升，箱容积小到一定程度时，会在低频段的频响曲线上出现一个上凸区。人们希望在保持声压频响曲线尽量平坦的前提下尽量拓宽低频下限。

对谐振峰以上频段的背辐射声波，即非谐振频段声波，则要做最大程度的消音处理，消音越彻底，背辐射声波对振动体的调制干扰越小，声染色就越小，下面声波就越清晰。为了使消音更彻底，增加吸声材料的数量是必要的，但不是唯一的，消音需注意以下几点。

The Bass Reflex enclosure takes the idea of the infinite baffle one stage further.  The enclosure is airtight, like the infinite baffle, except for a small open vent or port at the front through which some of the sound may escape.  The basic principal behind this is that the rear wave is delayed and so emerges 180° later at certain frequencies, which makes it in phase with the front wave therefore enforcing it. 

The Bass Reflex enclosure

The air in the inlet port is isolated from the rest of the air in the enclosure except at it’s inside end.  It has inertia and therefore a resonant frequency of it’s own.  The pipe should be proportioned so that this is similar to that of the rest of the system.  This may seem contrary to what has been previously said about avoiding similar resonant frequencies, but it is the manner in which these two frequencies interact which each other that gives the desired effect. 

At high frequencies the inertia of the air in the pipe is too great for it to respond, so it therefore acts in the same manner as an infinite baffle enclosure.  This system therefore is only beneficial for low frequency bass signals.  If possible in my design I should like to consider creating this sort of enclosure for the bass driver (woofer) and attaching a second enclosure for the treble (and possibly mid-range) units.  

Compared to closed-box infinite baffle systems, the bass reflex vented enclosure possesses several unique characteristics: 

▪ Lower cone excursion near the box’s resonant frequency, resulting in a higher power handling and less distortion.  However there is a high potential for cone excursion at frequencies well below the box’s resonant frequency (another argument for getting this frequency as low as possible) for example subsonic noise caused by record warp if using a turntable.  Fortunately, many drivers do not respond to such low frequencies, and they could be filtered if necessary u sing a filter. 

▪In theory a higher efficiency of +3dB compared to the infinite baffle enclosure.  This is because of a lower cone mass requirement for the drive unit. 

Example of a bass reflex design  

Passive Radiator (ABR)  

Another variation on the Bass Reflex design is the passive radiator.  Also known as an Auxiliary Bass Radiator (ABR), this is a dummy loudspeaker, i.e. a cone suspension without the magnet and coil.  It’s mass serves as a substitute for the air in the pipe in a bass reflex enclosure.  It avoids the pipe noise and air turbulence and also serves as a barrier to mid-frequencies which may radiate through a pipe due to internal reflections.  They provide the same low frequency extension but without the problems of noises and coloration, and work well with smaller enclosures.  This method is employed by several manufacturers, including Celestion and many ‘tower’ format loudspeakers. 

The passive radiator