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揚聲器的工作原理一、術(shù)語揚聲器（speaker，loudspeaker），俗稱喇叭；1993年出版的《電聲辭曲》指出：揚聲器是能將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號并輻射到空氣中去的電聲換能器。據(jù)有關(guān)資料記載，最早發(fā)明揚聲器在1877年，德國人西門子（E.W.Scimens）提出了揚聲器雛型專利，他首先提出了由一個圓形線圈放置在徑向磁場組成的電動結(jié)構(gòu)。1924年，美國的賴斯（C.W.Rice）和凱洛格（E.W.Kollogg）發(fā)明了電動式揚聲器。二、揚聲器易響卻難精揚聲器在全世界每年的產(chǎn)量數(shù)以億計，它在通信、廣播、教育、日常生活等方面有廣泛的用途，和布、帛、菽、粟一樣成為人們不可須夷離開的東西。對我們從事?lián)P聲器設(shè)計、制造的技術(shù)人員來說，對揚聲器的理論、實踐、工藝等方面需要深入、系統(tǒng)、全面的了解。有人講揚聲器很簡單，不過是雕蟲小技，誰都可以生產(chǎn)揚聲器，這話不能說全無道理，聲學(xué)本來就是一個小學(xué)科，揚聲器更是一個小器件。不過十幾個到幾十個部件，生產(chǎn)的門檻確是不高，但問題的另一面是揚聲器又不容易做好。揚聲器是一個電聲器件，是電聲學(xué)研究的內(nèi)容之一。電聲學(xué)是包括電子學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、磁學(xué)等的交叉學(xué)科。揚聲器雖然只有不多的幾十個部件，但是其復(fù)雜繁難的程度遠遠超過我們的想象。這是因為：（1） 揚聲器的能量轉(zhuǎn)換層次多、反饋多。通常遇到的器件能量轉(zhuǎn)換只是一種一次。例如電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。電燈是將電能轉(zhuǎn)換為光能。電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。這里發(fā)生的只是一種能量向另一種能量的轉(zhuǎn)換。而揚聲器有所不同，它是將電能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換成電能，這是在諸種換能器中不常見的。它的層次多、反饋多自然帶來系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性。在一個揚聲器系統(tǒng)中同時存在電學(xué)部分、聲學(xué)部分、能和力學(xué)部分（機械振動部分）。（2） 揚聲器的工作狀態(tài)不僅不是靜止的，而且是振動的，這種振動又是在三維空間。這個三維空間的振動系統(tǒng)，具有多個邊界條件，因此它的振動分析極為復(fù)雜，一般的數(shù)學(xué)工具已不夠用。荷蘭學(xué)者Frankort等導(dǎo)出錐體微分方程，是具有14個變量的聯(lián)立一階微分方程，而且揚聲器的振動還與頻率和時間有關(guān)，實際上它處于多維空間之中。（3） 揚聲器振動系統(tǒng)只在低頻區(qū)為一集中參數(shù)系統(tǒng)。在頻率升高時振動系統(tǒng)不再是剛體。在分析揚聲器時，常采用等效電路法，將揚聲器看成由集中參數(shù)組成的等效電路。因為我們對電路理論是熟悉的，所以用電路理論來分析揚聲器會得心應(yīng)手。在分析揚聲器振動時，假設(shè)揚聲器是一個剛體，這樣分析起來相應(yīng)方便。但是上述的假設(shè)只是在低音頻段是合適的。在頻率升高時，揚聲器不再是集中參數(shù)元件，揚聲器振膜不再是剛體，振膜會出現(xiàn)分割振動。因此在高頻段，由剛體振動假設(shè)導(dǎo)出的分析一律失效，由等效電路推出的公式失效。分布參數(shù)系統(tǒng)的特點還在于這些分散元件并不是彼此無關(guān)的。具體來說，振膜上每一點的振動都不相同的，每一點振動都有不同的振幅與相位，而每一點又相互影響。還可以同我們熟悉的電子技術(shù)相比較。因為有了物理性能為大家所熟悉的電學(xué)元件（電阻、電感、電容、晶體管、集成電路……），以及大家所熟悉的電路原理，按電路圖可以裝配成一個放大器，用這些元件不論是經(jīng)驗豐富的工程師還是初出茅廬的中學(xué)生其差別是有限的。但對揚聲器、音箱來說，就沒有那么簡單。相同的單元組裝成音箱、若經(jīng)驗不同，可能有相當(dāng)大的差距。（4） 揚聲器的評價不僅取決于眾多的客觀測試指標(biāo)，而且目前客觀測試指標(biāo)不能完全概括揚聲器的質(zhì)量。揚聲器的客觀測試指標(biāo)有數(shù)10項之多，而且有增加的趨勢。大多數(shù)測量要求在消聲室內(nèi)進行。盡管現(xiàn)在有了計算機輔助測量，但仍然代替不了消聲室的測量。揚聲器的主觀評價是不可缺少的，而主觀評價又帶有極大的離散性，它往往因人而異、因時而異、因地而異、因曲而異，并且自覺或不自覺地受到各種心理暗示的影響。評價的結(jié)果不僅取決于聆聽者的修養(yǎng)、素質(zhì)、心理狀態(tài)，而聲音本身是轉(zhuǎn)瞬即逝的，其難度高于其他需主觀評價的項目，比如評酒評茶等，它涉及心理聲學(xué)、生理聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、音樂聲學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計方法等。（5） 揚聲器制造工藝又涉及造紙、化工、粘合劑、金屬加工、磁體制造等許多工藝領(lǐng)域，體現(xiàn)了它的綜合性與多樣性。其中揚聲器振膜材料的變化尤為重要，在幾何形狀不變的條件下僅僅改變振膜的材料，不但客觀測試指標(biāo)會變，主觀音質(zhì)也會發(fā)生變化。由于以上5個方面給電聲工作者帶來許多費解的課題，也給揚聲器技術(shù)抹上一筆迷人的色彩。而揚聲器技術(shù)是少數(shù)能將藝術(shù)與技術(shù)相結(jié)合、趣味與科學(xué)相結(jié)合的技術(shù)之一；又是將古老聲學(xué)與現(xiàn)代電子相結(jié)合的產(chǎn)物；是有廣泛發(fā)展空間、又與億萬群眾有密切聯(lián)系的技術(shù)。為發(fā)展揚聲器技術(shù)，付出我們的努力，是一項高尚而有益的貢獻。三、 揚聲器分類分類方法有很多種，今天介紹三種分類方法：（一）按輻射方式分類直接輻射式揚聲器號筒揚聲器耳機海爾揚聲器（二）按用途分類高保真（家用）用揚聲器監(jiān)聽揚聲器擴聲用揚聲器樂器用揚聲器、電影揚聲器收音機、電視機、錄音機用揚聲器警報用揚聲器水中用揚聲器、船舶用揚聲器汽車用揚聲器（三）按工作原理分類電動式揚聲器電磁式揚聲器靜電揚聲器壓電揚聲器離子揚聲器火焰揚聲器氣流調(diào)制揚聲器磁致失真揚聲器四、 磁電轉(zhuǎn)化法拉第通過各種實驗，不僅發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，而且總結(jié)出電磁感應(yīng)的共同規(guī)律。1）通過導(dǎo)體回路所圍面積的磁通量隨時間發(fā)生變化時，回路中就有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個磁通量的變化可以是由磁場的變化引起的，也可以是由于導(dǎo)體回路在磁場中運動或?qū)w回路中的一部分切割磁力線的運動而引起的。2）感應(yīng)電動勢的大小與磁通量變化的快慢有關(guān)，或者說與磁通量隨時間的變化率成正比。總之，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實質(zhì)是磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。3）感應(yīng)電動勢的方向總是在企圖由它產(chǎn)生的感應(yīng)電流建立一個附加的磁通量，以阻礙引起感應(yīng)電動勢的那個磁通量的變化。1845年，法拉第的實驗規(guī)律由諾伊曼（F.E.Neumamn）等人寫在數(shù)學(xué)形式，如果這個磁通量的變化率以韋伯/秒為單位，感應(yīng)電動勢的單位為伏特，則法拉第的實驗規(guī)律可以用數(shù)學(xué)公式表示為ε=-dΦ/dt這個方程叫法拉第電磁感應(yīng)定律。關(guān)于法拉第電磁感應(yīng)定律，我要特別強調(diào)以下幾點：1） 起導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因，是由于電磁感應(yīng)在回路中建立了感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢比感應(yīng)電流更本質(zhì)，即使由于回路中的電阻無限大而使電流為零，但感應(yīng)電動勢依然存在。即使回路不閉合，也可以在一段導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。2） 回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原因，是由于通過回路所圍平面的磁通量的變化，而不是磁通量本身。即使通過回路平面的磁通量很大，但只要它不隨時間變化，回路中依然不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。3） 關(guān)于法拉第電磁感應(yīng)定律中“-”號的物理意義，負號在這里指明了感應(yīng)電動勢的方向總是這樣的：使由它引起的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場通過回路的磁通量，阻礙引起感應(yīng)電流的那個磁通量的變化。電動勢的方向：規(guī)定從電源的負極到正極為電動勢的方向，它是客觀存在的事實。但把一個電源接入一個電路中，在具體計算時，電動勢ε記為“正”還是“負”，取決于選定的回路的繞行方向。若繞行方向與電動勢ε的方向一致，則電動勢記為“+ε”，若繞行方向與電動勢ε的方向相反，由電動勢記為“-ε”。五、 電動式揚聲器工作原理電動式揚聲器又稱為動圈式揚聲器（如圖1所示）；它是應(yīng)用電動原理的電聲換能器件；它是目前運用最多、最廣泛的揚聲器，究其原因主要有三條：（1） 電動式揚聲器結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)容易，而且本身不需要大的空間，導(dǎo)致價格便宜，可以大量普及。（2） 這類揚聲器可以做到性能優(yōu)良，在中頻段可以獲得均勻的頻率響應(yīng)。（3） 這類揚聲器在不斷改進中，幾十年揚聲器發(fā)展史，就是揚聲器設(shè)計、工藝、材料不斷改進的歷史，也是性能與時俱進的歷史。電動式揚聲器其形狀大多是錐形、球頂形；錐形揚聲器（cone speaker）的結(jié)構(gòu)如圖所示。錐形揚聲器的結(jié)構(gòu)可以分為三個部分：1> 振動系統(tǒng)包括振膜、音圈、定心支片、防塵罩等；2> 磁路系統(tǒng)包括導(dǎo)磁上板、導(dǎo)磁柱、導(dǎo)磁下板、磁體等；3> 輔助系統(tǒng)包括盆架、壓邊、接線架、相位塞條。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)載流導(dǎo)體通過磁場時，會受到一個電動力，其方向符合弗來明左手定則（如圖2.圖3所示），力與電流、磁場方向互相垂直，受力大小與電流、導(dǎo)線長度、磁通密度成正比。當(dāng)音圈輸入交變音頻電流時，音圈受到一個交變推動力產(chǎn)生交變運動，帶動紙盆振動，反復(fù)推動空氣而發(fā)聲。使電動式揚聲器的振膜發(fā)生振動的力，即為磁場對載流導(dǎo)體的作用力，這個效應(yīng)我們稱它為電動式換能器的力效應(yīng)，其大小由下式規(guī)定：F=B L i式中：B為磁隙中的磁感應(yīng)密度（強度），其單位為N/（A.m）<牛頓/（安培.米）>又稱為特斯拉（T）L為音圈導(dǎo)線的長度，單位：米i為流經(jīng)音圈的電流，單位：安培F為磁場對音圈的作用力，單位：牛頓但是，在通電音圈受力運動的同時，由于會切割磁隙中的磁力線從而在音圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個效應(yīng)我們稱它為電動式換能器的電效應(yīng)，其感應(yīng)電動勢的大小為：е=Вiν式：ν為音圈的振動速度，其單位為：米/秒е為音圈中感應(yīng)電動勢，單位為：伏特電動式揚聲器力效應(yīng)與電效應(yīng)是同時存在、相伴而行的。六、 其它揚聲器工作原理：〈一〉 磁式揚聲器：亦稱“舌簧揚聲器”，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，在永磁體兩極之間有一可動鐵心的電磁鐵，當(dāng)電磁鐵的線圈中沒有電流時，可動鐵心受永磁體兩磁極相等級吸引力的吸引，在中央保持靜止；當(dāng)線圈中有電流流過時，可動鐵心被磁化，而成為一條形磁體。隨著電流方向的變化，條形磁體的極性也相應(yīng)變化，使可動鐵心繞支點作旋轉(zhuǎn)運動，可動鐵心的振動由懸臂傳到振膜（紙盆）推動空氣熱振動。〈二〉 靜電揚聲器：它是利用加到電容器極板上的靜電力而工作的揚聲器，就其結(jié)構(gòu)看，因正負極相向而成電容器狀，所以又稱為電容揚聲器。如圖所示，有兩塊厚而硬的材料作為固定極板，極板上有此可以透過聲音，中間一片極板則用薄而輕的材料作振膜（如鋁膜）。將振膜周圍固定、拉緊而與固定極保持相當(dāng)距離，即使在大振膜上，亦不致與固定極相碰。如圖5所示，在兩電極間原有一直流電壓（稱之為偏壓）。若在兩電極間加由放大器輸出的音頻電壓，與原來的輸出電壓相重疊，形成交變的脈動電壓，這個脈動電壓產(chǎn)生于兩極間隙吸引力的強弱變化，而振膜因此振動而發(fā)聲。靜電揚聲器的優(yōu)點是整個振膜同相振動，振膜輕，失真小，可以重放極為清脆的聲音，有很好的解析力、細節(jié)清楚、聲音逼真。它的缺點是效率低，需要高壓直流電源，容易吸塵，振膜加大失真亦會加大，不適合聽搖滾、重金屬音樂，價格相對貴一些。〈三〉 壓電揚聲器：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)而工作的揚聲器稱為壓電揚聲器（如圖6）。電介質(zhì)（如石英、酒石酸鉀鈉等晶體）在壓力作用下發(fā)生極化使兩端表面間出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象，稱之為“壓電效應(yīng)”。它的逆效應(yīng)，即置于電場中的電介質(zhì)會發(fā)生彈性形變，稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮”。壓電揚聲器同電動式揚聲器相比不需要磁路，和靜電揚聲器相比不需要偏壓，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，缺點是失真大而且工作不穩(wěn)定。〈四〉 離子揚聲器：在一般的狀態(tài)下，空氣的分子量中性的、不帶電。但經(jīng)過高壓放電后就成為帶電的粒子，這種現(xiàn)象稱游離化。把游離化的空氣利用音頻電壓振動，則產(chǎn)生聲波，這就是離子揚聲器的原理（如圖7a）。為了離子化，就要加20MHz的高頻電壓，而在其上重疊音頻信號壓電。由（圖7d）可見，離子揚聲器由高頻振蕩部分，音頻信號調(diào)制部分，放電腔及號筒組成。放電腔采用將直徑8mm的石英棒在中心開孔，開成石英管，將一個電極插入其中，另一個電極（如圖7b）所示，呈圓筒形套在石英管外面，由于采用無聲放電形式，只有中心的針頭電極有損耗，可以定期更換中心電極。離子揚聲器與其他揚聲器不同之處在于沒有振膜，所以瞬態(tài)特性和高頻特性都很好，但結(jié)構(gòu)太復(fù)雜。〈五〉 火焰揚聲器：如圖8所示，當(dāng)空氣和煤氣燃燒的火焰通過電極，電極加有直流電壓和高頻信號，火焰受音頻信號調(diào)制而發(fā)聲?；鹧鎺缀鯚o質(zhì)量，聲音動態(tài)極好。但它有致命的缺點：不安全，不方便。〈六〉 氣流調(diào)制揚聲器：又稱氣流揚聲器（如圖9所示）。它是利用壓縮空氣作能源，利用音頻電流調(diào)制氣流發(fā)聲的揚聲器。它由氣室、調(diào)制閥門、號筒和磁路組成。壓縮空氣氣流由氣室經(jīng)過閥門里，受外加音頻信號調(diào)制，使氣流的波動按照外加音頻信號而變化，同時被調(diào)制的氣流經(jīng)號筒耦合，以提高系統(tǒng)的效率。它主要用做高強度噪聲環(huán)境試驗的聲源或遠距離廣播等。〈七〉 磁致失真揚聲器。這是一種特殊的強磁體，它能在磁場作用下振動發(fā)聲]

紙盆式揚聲器又稱為動圈式揚聲器。 它由三部分組成：①振動系統(tǒng)，包括錐形紙盆、音圈和定心支片等；②磁路系統(tǒng)，包括永義磁鐵、導(dǎo)磁板和場心柱等；③輔助系統(tǒng)，包括盆架、接線板、壓邊和防塵蓋等。當(dāng)處于磁場中的音圈有音頻電流通過時，就產(chǎn)生隨音頻電流變化的磁場，這一磁場和永久磁鐵的磁場發(fā)生相互作用，使音圈沿著軸向振動，由于揚聲器結(jié)構(gòu)簡單、低音豐滿、音質(zhì)柔和、頻帶寬，但效率較低]