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[音箱] 三分频音箱的设计思路(连载一)

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本帖最后由 lilin120g 于 2020-2-14 18:14 编辑

三分频音箱的设计思路(连载一)
                                           尊响音响李建华原创
前言,(本文观点纯属个人之见,错误之处还望谅解)目前市面流行的无源音箱主要有全频、二分频、三分频。从制作难易度上讲,毫无疑问三分频音箱的设计和制作要更复杂一些,但是在单元选取上反而更简单、更容易一点,综合性能品质更好一些。本人对扬声器设计略知一二,要想做好二分频箱用的中低音扬声器非常不容易,既能重放好低音,又要兼顾中音,容易顾此失彼,个人深有体会。简单分析一下:低音重放要求扬声器振动质量大一些,这样让音盆更坚固,扬声器谐振频率变低、音圈直径适当的大一点(也不能过大),这样音盆分割震荡小、音圈需要更长的卷宽、冲程长、而中音扬声器恰恰相反、振动质量大、瞬态差速度慢、音圈直径大、卷宽长电感肯定大、音圈电感大是音质大敌,会产生电流失真、瞬态反应慢等诸多问题。全频喇叭更难做,更难选,一只喇叭高中低音全照顾难度可想而知,世面上最贵的喇叭好多都是全频就是这个原因。本文用大量的篇幅介绍扬声器参数及材料选择技巧、从外观上判断扬声器的品质的一点经验。
(一)低音音箱种类选择及调试经验
  音箱种类的选取与调试:也就是说要采用倒相箱、闭箱、迷宫,亦号角箱?如果没有其它特除原因,建议还是在经典的倒相及闭箱中选取,原因是有大量设计制作资料,及多种cad仿真软件,对设计有极大帮助,制作成功率大。
对比一下两种箱子特点。倒相的优点:相同体积箱体f3可向下延伸1/√2
在和闭箱发出同样声压下,可减小f3附近频率扬声器振幅,也就是降低扬声器的非线性失真。相同的低频下限,倒相箱体只有闭箱容积60%。缺点:低频瞬态不如闭箱,特别在fb附近频段更突出。fb频段以下扬声器振幅急剧增加,声压急剧下降、拐点陡峭、群延时大。
image1.png

                              
(图1
image2.png

(图2
闭箱相对倒相箱最大优点是瞬态反应快,群延时低,调试简单,其它都不如倒相箱。通过以上分析发现,倒相箱唯一不如闭箱的就是瞬态反应,能不能既保留倒相箱的优点,又有闭箱的速度?从上图分析一下:其实倒相箱比闭箱下潜深的那一段频率是倒相管发出的,(图1红线所示)。我们仔细看一下图3和图4就会发现倒相管输出声压越强瞬态反应越慢。倒相箱输出以中心频率为fb的声波,高于fb频率的声波和喇叭声波同相,可加强喇叭低频声压、低于fb频率的声波和喇叭声波反向,消弱低频的声音,就造成了倒相箱声压曲线相对于闭箱低频段拐点非常陡峭的原因。群延时一般规律是声压曲线变化越剧烈延时越严重。经以上分析得出结论:倒相管输出能量相对于喇叭输出所占能量比例越大,延时越严重、瞬态响应越差。降低倒相管能量输出,可有效改善倒相箱的瞬态响应和群延时,但也不能降很多,降多了就成闭箱了。从倒相管作用看也应验了“成也萧何败也萧何”。
降低倒相管能量输出几种办法:减小箱体容积、增加箱体损耗增加吸音材料、倒相管塞入吸音棉等办法。其中减小箱体容积办法为最佳,既减小了容积,又降低了倒相管输出,算是一举两得。
说明一下,以上的办法主要针对大口径喇叭的,还有您个人的喜好,是偏重量感还是质感。重质用小箱体、重量大箱体。两分频箱中低喇叭口径一般是6寸半或更小,小口径喇叭比较被动,低频输出能量小,建议箱体还是大一点好,毕竟低劣质量的低音也是低音,比低音非常少甚至没低音要好的多。

image4.jpeg


(3)
       image3.jpeg

(图4
(2)低音扬声器主要参数要求
用尽量小的箱体和尽量低的f3是大部分人设计音箱的目的。都跟喇叭参数Qtf0Vas、有关系。倒相箱设计有多种选择。公式计算法对喇叭参数预选优化有帮助,预测性更强一些。CAD更直观一点,可即刻看到结果,两种方法配合用更好。
公式   
1  Vb=15* Vas * Qt^2.87 (L)
2 f3=0.26 * f0/Qt^1.4 (Hz)   
3 fB=0.42 * f0/Qt^0.9 (Hz)
Q值的选取: 从以上公式可看出Qt大小对箱体体积Vbf3fb都有关系,Qt大了箱体太大、Qt小了F3太高。取Qt0.35-0.42比较合适,最好0.38,为什么是0.38呢?从式3计算可知Qt等于0.38时刚好箱体倒相管谐振频率fb=f0喇叭谐振频率,这样有什么好处呐?我们知道倒相箱调试重要依据,阻抗曲线要有双峰出现,双峰要等高,但是只有Qt等于0.38时双峰等高才是正确的(图5),Qt0.38高频峰高于低频峰(图7),Qt0.38(图6)侧反之。峰与峰高低相差多少没有确定的数值,所以就增加箱子的调试过程中,判断正确与否的难度,显然如果只要求两峰等高就简单容易多了。
image5.jpeg


(5)
image6.jpeg

(6)
image7.jpeg

(7)
f0Vas的选取:公式告诉我们要想同时要箱体体积小、f3低,喇叭谐振频率f0和等效容积Vas当然是越低越小越好,遗憾的是f0Vas是负相关关系,一般是f0越低、Vas越大。有没有既降低f0又能保持Vas不变大的办法?
我们知道f0=1/(2π*√Mms*Cms)
Mms是振幅质量、Cms是系统顺性,要想降低等效容积Vas,只有减小顺性Cms,也就是说增加支撑系统(喇叭的弹波、折环等)的弹性、硬度。同时按比例增大Mms,防止f0升高。所以经以上改进有几点好处:因为对震动质量要求是加重,这样可以把加重的这部分重量用来加强纸盆强度,甚至可用双层纸盆。做喇叭最难的是要求震动系统又轻又硬,为了减轻震动质量绞尽脑汁,不是斤斤计较,而是克克计较。在保证f0不变大,甚至降低的同时,而减小了等效容积Vas。增加了系统弹性,折环可用恢复力强的布基折环,而抛弃高损耗、力度差的橡胶折环。可以保持f3不变的情况下缩小箱体体积(图860L的音箱,图9是体积85.7L的音箱,f3分别是33.9hz32.89hz,并未有大的变化)。虽然增加振动质量Mms得到了一定好处,但也带来一些以下问题,稍微降低了灵敏度,增大了Qt。但是解决这个问题并不难,增大BL值非常容易解决以上问题。可能有人担心振动质量大了是不是影响瞬态速度,经CAD仿真观察瞬态反应并没有变劣的现象,(图8和图9的阶跃响应)虽然质量Mms增大了,同时也加大了BL值,保持原来Qt不变,BL值也可解释是为喇叭的动力源,动力加大了就可以抵消掉增加质量Mms所带来瞬态反应慢的影响。
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(8)
    image9.jpeg

(9)
(3)低音扬声器物理参数与材料选择
   (1)材料和物理尺寸的选取,首先大口径、长冲程(线性良好)。音圈直径大小适当,过小容易分割震荡,音圈直径过大造成弹波线性冲程过小,锥盆强度高、硬不容易分割震荡;尽量用布折环相对橡胶折环;布折环回复力好、损耗低。
在这里着重讨论一下低音扬声器冲程;我认为除口径外,冲程是低音扬声器最重要的物理参数,大的线性冲程保证大的低频能量,(当然也意味着有低的谐波失真)。扬声器冲程由磁路冲程和支撑冲程共同决定。
我们知道计算普通扬声器磁路冲程公式:音圈圈宽–华斯厚度=冲程pp。很显然增大音圈圈宽、减少华斯厚度,都可以增大冲程;但是增加音圈圈宽会降低扬声器灵敏度、同时音圈电感及重量也会增加。随着音乐信号变化,音圈相对T铁柱位置也在改变,当音圈冲出T铁柱时音圈电感值变小,伸进T铁柱时电感值变大,通过音圈的音频电流被干扰调制,产生失真。特别是用在二分频中低音扬声器,严重影响中频音质和瞬态响应;降低华斯厚度既能增加冲程,又有降低材料成本的优点,遗憾的是这优点只对生产厂商。对消费者来说是坏事,举例说明一下:(图10)10mm厚的华斯;音圈圈宽18mm,冲程pp8mm;另一个(图11)华斯厚度6mm音圈圈宽14mm,冲程pp也是8mm,但是10mm华斯磁路BL值线性要好于6mm华斯磁路。
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image11.png

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(10)
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(11)

另一种是用来计算低失真磁路的,华斯厚度–音圈圈宽=冲程pp(图12,图1214mm厚华司5mm音圈卷宽 p-p9mm的磁路模拟)。此磁路因成本太高,固很少有人采用。

image18.png

image19.png

image20.png

(图12)

image21.jpeg image22.jpeg

   


(两种磁路结构对比)
这种结构的磁路要想要想加大冲程只有减小音圈圈宽,加厚华斯厚度,减小音圈圈宽,但是为了保持音圈直流电阻不变,只有用更细更短的导线,导致系统BL值和功率降低,最终导致灵敏度也降低,所以这种方法不可取。另一种办法就是加厚华斯,加厚华斯也意味着磁隙面积变大,磁隙内磁感应强度就变弱,只有加大磁铁才能弥补。所以采用这种结构磁路要加大冲程只有用真金白银解决,因成本原因一般都是高档中音扬声器才采用这种结构,所以说好事总是跟钱过不去。
  支撑系统对冲程的限制:支撑系统由扬声器弹波和折环勾成,简单道理弹波波纹环数越多线性越好,所以一味追求大直径音圈也意味线性冲程在变小。同理折环越宽线性冲程越大,低音炮扬声器折环宽大,但是过度大又宽,有质量重、损耗大、恢复力弱、以及速度等问题。所以扬声器冲程一定要结合支撑系统冲程和磁路冲程,受制扬声器结构限制,有教科书介绍,一般动圈扬声器支撑线性冲程不大于8 p-p mm。图13
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(图13

   所以扬声器有时能通过手眼直观判断个大概。例如看音圈直径大小、折环材料、华斯厚薄,磁铁大小材料,锥盆软硬等等。
扬声器口径与最低频率与最大输出声压的关系(见下表)例如使用6.5寸扬声器制作的倒相箱要想下潜频率到50hz 输出100db声压时,需要扬声器冲程8.2mm P-P。再比如使用4寸扬声器的倒相箱下潜频率到50hz 输出100db声压时,需要扬声器冲程21.4mm P-P
image25.jpg

image26.jpg

image27.jpg

   
因为影响到倒相箱的因素太多:比如箱体材料的刚性、吸音材料的阻尼大小多少、扬声器参数、SBB4QB3SC响应等,要比标准障板变量大得多,不容易量化,图表只是大概。使用此表配合图14上图所述的倒相箱响应,通过调整音箱容积和倒相孔调谐频率可符合这种响应。这种低频输出的特点介于倒相箱与密闭箱之间,有倒相箱的下潜深的特点,又兼顾密闭箱的瞬态响应快的优点,适用于相对大一点口径的扬声器。
14下图的声压响应适用于较小口径的扬声器,这样做的结果导致了倒相孔的输出声压非常高,瞬态响应和群延时响应都很差。但是按下图调整可以比上图调整声压高2-3db。正所谓鱼与熊掌不可兼得,得到了低一点的下潜频率和声压,牺牲了低音的瞬态和品质。
image28.jpeg


(图14
一款音箱的低音好不好往往误认为都是取决去于低频–3db多少赫兹,例如一个5寸的小喇叭低频下限能40赫兹,总之认为–3db越低越好,我认为这样有点偏激,如果不要求输出声压和灵敏度的话,我可以做一个3寸的扬声器低频下限也能到30赫兹,问题是灵敏度和声压太低,只能贴到耳朵上当耳机用,所以扯开输出声压和灵敏度谈低频下限就是扯淡。
这是我平常测试扬声器的一个简单实用的工具(下图)。利用杠杆放大原理,短臂一端系一吊锤,吊锤靠重力压靠在被测扬声器防尘帽上;长臂一端端头垂直放一钢尺,可观察臂端头移动距离。长臂和短臂尺寸是10:1可放大10倍。所以扬声器振盆有一点移动就非常容易观察到。根据F=BLIF=kx扬声器锥盆移动距离和流过音圈直流电流成正比。利用这个工具可简单测量扬声器的线性冲程(包括磁路、弹波、折环)BL值和扬声器的顺性,其中BL值是个非常重要的参数,扬声器灵敏度、动生阻抗,电力声类比分析都需要BL值。由于测试扬声器时需要通几十ma–一千多ma直流电流,测试时间过长有可能烧毁音圈,所以用阶梯恒流源,这样可避免长时间反复调整电流。此LM7805h恒流源有7档电流输出分别是200ma400ma……1400ma每档间隔200ma,适应低音扬声器,如果嫌间隔电流太大,可根据需要自己调整电阻阻值R,输出电流=5/R  可灵活掌握。图)
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待续...


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发表于 2020-2-14 19:44 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
楼主专业,辛苦了
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 楼主| 发表于 2020-2-14 19:47 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
万健 发表于 2020-2-14 19:44
楼主专业,辛苦了

多谢,不客气
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本帖最后由 dayeli 于 2020-2-14 20:05 编辑

好文值得学习谢谢。期盼后续。
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发表于 2020-2-14 20:15 | 显示全部楼层
楼主 你这个图来源是哪里?


20Hz,15寸,100dB,振幅是7.6毫米。


频率加一倍,40Hz,15寸,100dB,振幅是1.9毫米。


频率再加一倍80Hz,15寸,100dB,振幅是0.5毫米。


不呈线性的哦





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 楼主| 发表于 2020-2-14 20:43 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
光芒四射 发表于 2020-2-14 20:15
楼主 你这个图来源是哪里?



频率和冲程的平方成反比

点评

嗯 一个是4,一个是3.8可以理解成是有效数字的限制。  详情 回复 发表于 2020-2-14 22:42
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 楼主| 发表于 2020-2-14 20:51 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
yyy9 发表于 2020-2-14 20:48
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谢谢您的夸奖
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好文章,望有机会多指教,
欢迎交流:
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发表于 2020-2-14 22:33 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
期待实际应用部分。
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 楼主| 发表于 2020-2-14 22:34 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
李齐车 发表于 2020-2-14 22:21
好文章,望有机会多指教,

齐车老师过奖了,应该向前辈您学习
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saechina 发表于 2020-2-14 22:33
期待实际应用部分。

后面有具体实例
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