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    關于喇叭音腔設計的基本原理及與射頻天線的對比

    發布時間:2012-8-2 16:26    發布者:絕對好文
    關鍵詞: 喇叭 , 天線 , 揚聲器
    鳳舞天

    關于喇叭的音腔設計,基本上我們停留在一個概念上,而沒有一套完整的理論指導。我們知道的音腔設計,往往是如下的理解:

    1:要有音腔,起擴音用,至于為什么要有音腔,則不明白。
    2:音腔要求密封,若密封不好,則導致低音很差。
    3:音腔孔不能開的太大,若開的太大,會導致音量變小。

    以上三點是我們最常關心的,我們往往按要求去做,沒有問過為什么。

    本人試著用射頻理論推導喇叭音腔設計:

    對比天線與喇叭
                       天線                                   喇叭
    媒質             真空                                   空氣
    作用            電能轉換成電磁場能量    電能轉換成聲音能量
    主要器件      天線                                    喇叭
    附屬器件      天線自身及匹配電路        音腔
    原理            電磁波理論                        震動波理論
    目的    獲得最大的能量輸出,合適的頻響  最大的能量輸出,合適的頻響

    結論:只有合適的天線和合適的匹配電路,才能獲得最大的能量和合適的頻響    只有高效的喇叭和合適的音腔,才能獲得最大的能量和合適的頻響

    通過以上,我們基本上清楚,喇叭跟天線具有類似的功能,就是起能量轉換作用,其中喇叭是關鍵器件,它是電能到聲能的根本,但是附屬器件音腔決定了它的最大輸出功率和頻率響應,接下來我們主要討論音響系統是如何獲得最大能量的。

    先舉一個例子,我們用手拍空氣,對空氣做功基本上等于0,假如我們拿一把特別大的扇子,扇不動,對空氣做功也等于0。

    對空氣做功其實就是對空氣發聲,假如這個頻率在我們能夠聽到的范圍內,就是聲音了。

    那么通過上面的例子可以說明,用手對空氣做功有一個極點,也就是說有一個最大值。我們用以下公式來看:

    P = F × V



    P為功率,對外界做功的功率,F為力的大小,V為速度。

    這個公式說明F太小,或者V太小,都不可能對外做功,只有兩個值乘積項決定對外的功率。

    接下來我們看看喇叭是不是跟手一樣,就是一個振膜加一個動力線圈,振膜決定這個扇子的面積大小,動力線圈相當于人的力。

    因為喇叭的振膜是不可能變的,除非換個喇叭,在喇叭振膜,電能信號的頻率一定的情況下,我們來描述這個音響系統應該如何提高輸出能量:

    對比P = F × V公式,我們對喇叭提出一個具體對外做功的簡易公式。

    因為F正比振膜面積(S),所以寫成 F = K × S,K為系數。

    V由喇叭的動力線圈決定,動力線圈的動力由電場產生,動力線圈的阻力由兩部分產生,一是空氣對振膜的阻力(K×S),反對振膜震動,而是喇叭自身振膜的彈力反對振膜震動(Fz)。

    對于音響系統來說K×S一般遠遠小于Fz。這個原因如下?匆粋音響系統,動不動就是100W之類的,而聲音大小也沒有多少,據說一個人一年高聲唱歌,產生的能量只能燒一壺水,可見聲音的能量還是很少很少的,絕大部分的音響系統,它的能量都消耗在喇叭上,發熱了。
    所以空氣不能影響動力線圈,可以認為V一定。

    那么公式就成了P = K × S * V

    因為信號一定,喇叭的振膜面積S也一定,若想改變P,則只能改變K,目的是提高K,其實K就由音腔決定,如下:

    假如我們現在的空氣密度增加一倍,則K增加一倍,假如只對一部分空氣做功,則產生的力就能提升,這是因為空氣動力學原理dV / V = dF / F,也就是說在一定的空間內對空氣做功,空氣體積的變化跟力的變化成正比。這個就是音腔原理,就是要劃出一部分空氣,提高K值,讓喇叭對這部分空氣做功,產生聲音,之后這部分能量再傳到整個空間中,在這兒音腔當作了能量傳遞的中間環節。

    以上合理的解釋了上面提到的第一點,為什么要有音腔,對于2,3都可以類似的分析,對于2,還需要分析聲音的相位問題,因為喇叭有兩面,可以當作兩個音源來考慮,相位差180°,對于第三點,可以整合到第一點里,都是影響K值。

    主要針對便攜式小音腔設計,比如手機,隨身聽之類。
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