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[音箱] 三分频音箱的设计思路(连载二)

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三分频音箱的设计思路(连载二)
                                           尊响音响李建华原创
本文观点纯属个人之见,错误之处还望谅解

中音篇:中音是音乐中最重要的频段,很少见到有人单独用低音炮听音乐的,更没有人光用一只高音扬声器听音乐。电视机、收音机没有低音、高音扬声器照样听音乐,它们用的扬声器基本可算是中音扬声器范畴,可见中音扬声器的重要性。很多乐器及人声基波和谐波都在这个频段,也是人耳对音乐失真最敏感的频段,低于100赫兹和大于8000赫兹谐波失真对人耳都不敏感,所以中频扬声器对谐波失真和瞬态失真有很高要求,所以个人认为中音扬声器失真指标应该排在第一位。中音扬声器不要求很大冲程。重放同样的声压,扬声器冲程和重放频率平方成反比,例如低音扬声器重放30赫兹中低音分频频率是300赫兹,也就是中音扬声器最低重放300赫兹频率,300/30=10 倍 ,10的平方=100 倍,重放同样声压和扬声器面积成反比, 假如低音扬声器用12寸振动面积550cm平方,中音扬声器5寸振动面积80cm平方, 550/80=6.88   100/6.88=14.5倍,意思放同样声压,因为重放的频率不同,口径不同,中音扬声器冲程只要有低音扬声器14.5分之一的冲程就行。可见中音扬声器对冲程要求不高。

中音扬声器的失真包括磁路驱动失真和支撑系统失真。(1)磁路驱动失真普通磁路音圈圈宽大于磁隙宽度,磁隙内磁通密度大于磁隙外的密度,音圈在磁隙里做轴向往复运动,磁隙内外磁通不均匀,所引起的电磁力非线性所产生的失真。解决办法:采用长磁路、短音圈磁路结构,图2很明显能看出音圈始终在磁场内运动,优点不言而喻。
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1

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2)音圈内的T铁柱是良好的导磁材料,所以音圈有相当大的电感值,当音圈大幅往复运动,音圈部分伸出t铁柱(导磁柱)时,音圈电感值变小,缩进t铁柱时音圈电感值变大,音圈电感值不稳定,引起音频电流变化而产生失真。解决办法:采用长磁路、短音圈磁路、给导磁柱加铜短路环,相当给音圈加个纯阻性的次级线圈,能有效的降低音圈电感值。(见图3
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3)理想的扬声器磁路系统,磁隙的磁通密度应该是恒定的,当音圈有通有音频电流时,所产生的交变磁场,干扰扬声器磁路系统,引起磁路不稳定而产生失真。解决办法:减少音圈圈数,就是用直径细一点,短一点的导线绕音圈,相应提高磁隙内磁通密度,能提高到磁化曲线上膝点以上更好,这样更抗干扰,磁通量更稳定(见图4)
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4
悬置系统的失真:在低频段,扬声器进入以顺性为主导的控制区,包括弹波和折环的非线性引起的失真,主要发生在振幅大的低频段。解决办法:采用回复力好的如杜邦材料弹波,直径适当大一点的弹波(音圈直径和弹波直径要有适当比例,过大的音圈导致弹波的波环数过少,影响线性);使用低损耗材料折环,轻质量的折环。
我们知道扬声器阻抗由直流电阻+音圈感抗+动生阻抗组成,直流电阻和音圈感抗变化平缓,扬声器阻抗曲线剧烈起伏主要是动生阻抗引起的,所以从阻抗曲线可判断扬声器对微弱信号,及细节重现能力,阻抗曲线越平滑阻尼损耗越大,弱信号、清晰度越差,稍微带点毛刺清晰度比较好。
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5 低损耗扬声器阻抗曲线(放大图)

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6 低损耗扬声器阻抗曲线

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   7 高损耗扬声器阻抗曲线(放大图)

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8高损耗扬声器阻抗曲线


锥盆振动失真:(1)扬声器锥盆在中频某一频率,和折环反向共振干涉所引起中频谷;在中频谷频率附近有很大的失真。(消除和抑制中频谷的办法。从中频谷产生原因分析可得出:消除和隔离折环所产生的相位相反的振动能量,等于消除了干涉源,就可消除中频谷。1减小折环宽度也就是减小折环面积,折环面积减小了,折环所产生的相位相反的能量小了,自然中频谷就浅了。2,用内阻尼大的折环,橡胶、泡沫等材料做折环,材料就把折环振动能量损耗掉了。3,涂覆阻尼胶原理基本和2一样,不在赘述。
以上是常规的消除中频谷的方法。 有很多缺陷与不足,现在分析一下。办法1减小折环宽度只能抑制减轻部分中频谷,不能完全消除中频谷,折环宽度减小也带来负作用:扬声器谐振频率变高,有效冲程降低,也增加扬声器振动系统的非线性。办法23,重量重内阻尼大的折环、及涂覆阻尼胶的折环虽然阻尼损耗掉了折环相位相反的振动能量,同时也阻尼损耗掉很多有用的音频能量,特别是音乐中的微弱信号,听感缺少细节。还有个矛盾是:折环阻尼越大、抑制中频谷效果越好,但是扬声器重现微弱信号能力越差,细节越少。折环阻尼小了又起不了抑制中频谷作用。
   针对以上办法的缺陷及不足,用一种新的方式(已申请专利,专利申请号2019221516920):隔离法来消除中频谷原理如下:
用以一个带凹槽的圆环,罩在扬声器面板上,圆环内圆直径若小于扬声器折环直径,外径试凹槽体积大小而定,凹槽内充填吸音阻尼材料,利用圆环凹槽内圆边缘把折环产生的振动声能量导入圆环凹槽内,凹槽要有一定适量体积,利用凹槽内充填的吸音棉阻尼掉折环的所产生的振动能量,消除了干涉源。此方法对扬声器折环材料及阻尼大小、折环宽度基本无限制,可用阻尼非常小的折环,无损耗的重现中频的微弱信号细节,又圆满解决了中频谷危害问题
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9 原理图
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10 圆环背面
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11圆环正面
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12 未装隔离环的中音扬声器
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13装有隔离环的中音扬声器
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14未装隔离环的声压曲线(可明显看出在1920hz的中频谷)
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15装上隔离环后的声压曲线(中频谷已消失)
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16 装与不装隔离环的声压曲线对比(虚线是未装隔离环,实线是装有隔离环)
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17 输入1/4w功率(声压级86db)的中音扬声器,未装隔离环时,产生了幅度12.46db  1925hz基波,和5775hz的三次谐波(幅度-39.87db
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18输入1/4w功率(声压级86db)的中音扬声器,装有隔离环时,产生了幅度12.46db 1925hz基波,和 5775hz的三次谐波(幅度-52.27db)失真比较上图三次谐波降低了12.4db,(可见中频谷对音质危害还是比较大的)
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图19 所用器材GUWEI GAG-810信号发生器 惠普3561A频谱仪
中频谷以上频率进入分割区,出现分割振动引起的失真。解决办法:采用刚性锥盆,优化锥盆形状,适当的内阻尼。以上只是妥协的办法,最好方法只能降低分频点,尽量避开分割区。
中频扬声器瞬态失真,我们知道中频包括了大部分人声及乐器的基频,为了更好的还原音乐的细节,对中频扬声器的瞬态提出更高的要求。 扬声器累积谱衰减图俗称瀑布图能比较直观的分析观察扬声器的能量衰减快慢,但是衰减快分两种情况;一种是系统阻尼大、一种是振动质量轻,振动系统储存的能量小。如果是振动质量大,利用大阻尼系统得到快速衰减并不是好现象,过大系统阻尼容易把微弱细节信号滤掉,再一个重现方波前沿也不理想(例如高音扬声器加磁液)。好的瞬态要求: (1)振动质量,振动质量尽量轻,根据扬声器等效电路原理,质量等效于电感,质量越重,等效电感越大,所以要锥盆令行禁止必须用尽量轻的振动质量。(2)音圈电感值,在保证标称阻抗和灵敏度的前提下,可用细一点的导线,更小的音圈卷宽,尽可能减少音圈圈数。再加上短路环双管齐下,这样可把音圈电感值降到最低。(3)支撑系统及音圈材料:折环和弹波的损耗要小,锥盆的各种有害振动应该利用锥盆自身的内阻尼消除,不要用大阻尼的材料(比如橡胶折环等)。音圈骨架用非金属材料避免产生涡流,音圈导线用铝或铜包铝以减轻质量,避免用弹性大的胶水粘接音圈和锥盆。以上措施都是尽量降低系统损耗、降低阻尼提高反应速度,总之在需要用的频段内,保证不出现有害振铃的情况下尽量降低系统阻尼。
  灵敏度:很多烧友不是很重视这个指标,认为扬声器灵敏度低只是难推一点罢了,只要用功率大的功放机就能解决,甚至认为灵敏度低,阻尼大,的扬声器谐波失真低,其实不然。大部分扬声器谐波失真都是在1w/米的声压失真指标,例如A扬声器83db/w/米失真0.5%、另一只B扬声器92db/w/米失真1%,表面看起来扬声器A失真小,我认为A扬声器失真大于B扬声器,因为我们听的不是电功率而是声压,因为A扬声器要达到B扬声器同样的声压,A扬声器需要B扬声器8倍电功率。所表面上低灵敏度扬声器失真低,实际上失真更大。高灵敏度低失真才是王道。
另外我认为扬声器的灵敏度指标的重要性应该不次于扬声器的失真度指标。么原因?我们知道灵敏度的计算公式 。
灵敏度=112+10*lg {[(ρo/2πc)*(BL*Sd/Mms)^2]/Re}
SD是振动面积,Re是音圈直流电阻,Mms是振动质量,L音圈导线长度,B磁通密度,公式可看出口径相同的扬声器灵敏度低,由于成本原因一般是磁通密度B低;要么是音圈直径过大,造成振动质量Mms大。例如一只扬声器灵敏度是83db;另一只扬声器灵敏度是92db,灵敏度相差9db,两只扬声器要达到同样声压,灵敏度低的扬声器需要音频电功率是灵敏度高的扬声器8倍,扬声器音圈也可等效为一个励磁线圈,通过大的音频交流电流甚至可起到消退磁作用,这样说可能有点过分,但是干扰磁路稳定现象肯定存在的,灵敏度越低需要的电功率越大,磁铁磁能积越小,磁路磁场越不稳定,后果是音乐缺少细节,调制失真大,微弱信号不能很好的重现。
  另外需要说明想中音降低扬声器的谐波失真,不要期望一味的加大系统阻尼来解决,后果得不偿失,会把音乐微弱、细节也一块阻尼损耗掉了。唯有从磁路、锥盆口径、材料、选择失真小的频段(例如选用口径小一点的口径,强度大的锥盆材料,尽量让扬声器工作在活塞区)为最佳。
                                                                                                     待续

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北昌影音
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发表于 2020-2-25 08:11 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
好技术文章!
学习了!
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发表于 2020-2-25 08:23 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
综上所述是否馒头中音是最合理?
音联邦
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发表于 2020-2-25 08:25 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
本帖最后由 音乐思想家 于 2020-2-25 08:32 编辑

所以 diy 音箱还是以成品喇叭为元素来搞会更实际,因为你想到的厂家和先前的科学家都早已想到了,而作为个人就算你想到也没能力去把握材料和工艺去制造出来
因此个人制作音箱如果不是为了降低成本成或者是想隐藏成本,必须使用成品牌成品喇叭来搞
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发表于 2020-2-25 09:17 | 显示全部楼层
理论与实际,听与制作很难一致
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 楼主| 发表于 2020-2-25 10:26 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
音乐思想家 发表于 2020-2-25 08:25
所以 diy 音箱还是以成品喇叭为元素来搞会更实际,因为你想到的厂家和先前的科学家都早已想到了,而作为个 ...

没有听过我的扬声器之前,最好不要下结论,有图,有真相,请拿出证据说话。估计你也没那个水平。
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发表于 2020-2-25 10:29 | 显示全部楼层
2.5分频跟2分频有何区别?
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发表于 2020-2-25 10:42 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
本帖最后由 无糖可乐 于 2020-2-25 10:45 编辑
音乐思想家 发表于 2020-2-25 08:25
所以 diy 音箱还是以成品喇叭为元素来搞会更实际,因为你想到的厂家和先前的科学家都早已想到了,而作为个 ...


多一点鼓励和肯定吧
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发表于 2020-2-25 10:43 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
lilin120g 发表于 2020-2-25 10:26
没有听过我的扬声器之前,最好不要下结论,有图,有真相,请拿出证据说话。估计你也没那个水平。

淡定,淡定。在论坛,无论是谁,都容易被喷
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发表于 2020-2-25 10:48 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
楼主对全频喇叭怎么看?像lowther、德国疯子全频?
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 楼主| 发表于 2020-2-25 11:02 来自家电论坛网手机触屏版 | 显示全部楼层
无糖可乐 发表于 2020-2-25 10:48
楼主对全频喇叭怎么看?像lowther、德国疯子全频?

这类喇叭基本都是强磁高灵敏度,清晰度非常好,中音的质感不是那些低灵敏度喇叭可比的,当然全频也有一定局限性,比如指向性尖锐,分割震荡,互调失真等问题。
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发表于 2020-2-25 11:16 | 显示全部楼层
这个折环罩我不知道在那个箱子上见过,貌似形状不一样但是原理相通。
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