音箱七種內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及應(yīng)用設(shè)計

音箱概述

音箱指可將音頻信號變換為聲音的一種設(shè)備。通俗的講就是指音箱主機箱體或低音炮箱體內(nèi)自帶功率放大器，對音頻信號進行放大處理后由音箱本身回放出聲音，使其聲音變大。

音箱是整個音響系統(tǒng)的終端，其作用是把音頻電能轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲能，并把它輻射到空間去。它是音響系統(tǒng)極其重要的組成部分，擔(dān)負著把電信號轉(zhuǎn)變成聲信號供人的耳朵直接聆聽的任務(wù)。

音箱的工作原理

要知道音箱發(fā)聲的原理，我們首先需要了解聲音的傳播途徑。聲音的傳播需要介質(zhì)（真空不能傳聲）；聲間要靠一切氣體，液體、固體作媒介傳播出去，這些作為傳播媒介的物質(zhì)稱為介質(zhì)。就好比水波，你往平靜的水面上拋一個石子，水面就有波浪，再由對岸傳播到4周；聲波也是這樣形成的。聲波的頻率在20——20，000Hz范圍內(nèi)，能夠被人耳聽到；低于或高于這個范圍，人耳都聽不到。波與聲波的傳播方式是一樣的，通過介質(zhì)的傳播，人耳才能聽到聲音。聲波可以在氣體、固體、液體中傳播。

下面在來說說喇叭的工作原理。喇叭是把電信號轉(zhuǎn)換為聲信號的一種裝置，它由線圈、磁鐵、紙盆等組成。由放大器輸出大小不等的電流（交流電）通過線圈在磁場的作用下使線圈移動，線圈連接在紙盆上帶動紙盆震動，再由紙盆的震動推動空氣，從而發(fā)出聲音。

喇叭的發(fā)聲原理

當喇叭接收到由音源設(shè)備輸出的電信號時，電流會通過喇叭上的線圈，并產(chǎn)生磁場反應(yīng)。而通過線圈的電流是交變電流，它的正負極是不斷變化的；正極和負極相遇會相互吸引，線圈受到喇叭上磁鐵的吸引向后（箱體內(nèi)）運動；正極和正極相遇則相互排斥，線圈向外（箱體外）運動。這一收一擴的節(jié)奏會產(chǎn)生聲波和氣流，并發(fā)出聲音，它和我們講話的喉嚨振動是同樣的效果。

頻率響應(yīng)曲線SPL vs Freq

人耳所能聽到的頻率范圍為20Hz─20KHz，（ 《20hz稱為次聲，》20KHz稱為超聲 ）圖標縱坐標─表示聲壓級，單位是dB。圖標橫坐標─表示頻率，單位是Hz。

圖標左側(cè)為低音單體頻響曲線，右側(cè)為高音單體，包含左右的是音箱。從頻響曲線可以知道幾個重要參數(shù)：

特性靈敏度（SPL）：以一瓦電功率，在一米距離處所測得的聲壓，并由頻響曲線取四個點所得平均值即為平均音壓。

有效頻率范圍（F0~20KHz）：可由SPL-10 dB，這樣一條直線與曲線相交兩點，這兩點之間就是有效頻率范圍。如上圖音箱的有效頻率范圍是45Hz─20KHz，低音單體有效頻率范圍是40Hz─3KHz，高音單體有效頻率范圍則是1800Hz─20KHz。頻響曲線越平直越好，帶寬則越寬越好。

從阻抗曲線可以知道幾個重要參數(shù)：

阻抗值（Ohm）：

圖示波峰過后最低點對應(yīng)縱坐標即為阻抗值。

最低共振周波數(shù)（F0）：

單體喇叭（單峰）─以阻抗曲線波峰對應(yīng)橫坐標的點即為F0。音箱喇叭（雙峰）─以阻抗曲線第一波峰與第二波峰間的波谷對應(yīng)橫坐標的點即為Fb，第一波峰為導(dǎo)音管F0，第二波峰則為單體F0。音箱喇叭+高音單體（三峰）─仍以阻抗曲線波峰與波峰間的波谷對應(yīng)橫坐標的點即為Fb，第三波峰即為高音單體的F0。

1.直流阻抗（Ohm）：

以靜態(tài)揚聲器來測其阻抗，所以求的的結(jié)果是直流阻抗，就是音圈上所繞的銅線總長的阻抗值。直流阻抗不受頻率的影響。

2.交流阻抗（Ohm）：

在動態(tài)的揚聲器，即通電以后所求得的交流阻抗值。

（ 通常對音圈的公差要求是±15%。）

3.標準輸入功率（W）：就是揚聲器的額定承受功率，為保證值。

4.最大輸入功率（W）：指揚聲器的最大承受功率，僅承受1秒內(nèi)峰值電壓，非保證值。

5.出力音壓，又稱靈敏度（dB）：

靈敏度也叫特性靈敏度，一般規(guī)定為揚聲器放在消聲室隔板上輸入端加上相當于在額定阻抗上一瓦電功率的信號電壓時，在參考軸上離參考點一米處產(chǎn)生的音壓時，用分貝“（dB）”單位表示特性靈敏度。揚聲器靈敏度高低與揚聲器振動系統(tǒng)的性能及氣隙中磁感應(yīng)強度的大小有較大關(guān)系。

6、極性：

在揚聲器的輸入端加上脈沖直流信號，如果振摸向前推動，則與直流電壓正端相接的為喇叭的正極，反之為負極，如果接反，則喇叭振動的相位將不正確。

音箱的組成

音箱（揚聲器系統(tǒng)）一般主要由揚聲器、箱體和分頻器等組成。

1.揚聲器

揚聲器（俗稱喇叭）的作用是將功率放大器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號再輻射出去。

（1）揚聲器的分類

揚聲器有多種分類方式：按其換能方式可分為電動式、電磁式、壓電式、數(shù)字式等多種；按振膜結(jié)構(gòu)可分為單紙盆、復(fù)合紙盆、復(fù)合號筒、同軸等多種；按振膜形狀可分為錐盆式、球頂式、平板式、帶式等多種；按重放頻帶可分為高頻、中頻、低頻和全頻帶揚聲器；按磁路形式可分為外磁式、內(nèi)磁式、雙磁路式和屏蔽式等多種；按磁路性質(zhì)可分為鐵氧體磁體、釹鐵硼磁體、鋁鎳鈷磁體揚聲器；按振膜材料可分為紙質(zhì)和非紙盆揚聲器……

（2）電動式揚聲器

電動式揚聲器是民用音響系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種，它是利用音圈與恒定磁場之間的相互作用力使振膜振動而發(fā)聲的。電動式的低音揚聲器以錐盆式居多，中音揚聲器多為錐盆式或球頂式，高音揚聲器則以球頂式和帶式、號筒式為常用。

錐盆式揚聲器的結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換效率較高。它使用的振膜材料以紙漿材料為主，或摻人羊毛、蠶絲、碳纖維等材料（或涂膠），以增加其剛性、內(nèi)阻尼及防水等性能。新一代電動式錐盆揚聲器使用了非紙質(zhì)振膜材料，如聚丙烯、云母碳化聚丙烯、碳纖維編織、防彈布、硬質(zhì)鋁箔、CD波紋、玻璃纖維等復(fù)合材料，性能進一步提高。

球頂式揚聲器有軟球頂和硬球頂之分。軟球頂揚聲器的振膜采用蠶絲、絲絹、浸漬酚醛樹脂的棉布、化纖及復(fù)臺材料，其特點是重放音質(zhì)柔美；硬球頂揚聲器的振膜采用鋁合金、鈦合金及鈹合金等材料，其特點是重放音質(zhì)清脆。

號筒式揚聲器的輻射方式與錐盆揚聲器不同，它是在振膜振動后，聲音經(jīng)過號筒再擴散出去。其特點是電聲轉(zhuǎn)換及輻射效率高、距離遠、失真小，但重放頻帶及指向性較窄。

帶式揚聲器的音圈直接制作在整個振膜（鋁臺金或聚酰亞胺薄膜等）上，音圈與振膜間直接耦合。音圈產(chǎn)生的交變磁場與恒磁場相互作用，使帶式振膜振動而輻射出聲波。其特點是響應(yīng)速度快、失真小，重放音質(zhì)細膩、層次感好。

2.箱體

箱體用來消除揚聲器單元的聲短路、抑制其聲共振，拓寬其頻響范圍，減小失真。

音箱的箱體外形結(jié)構(gòu)有書架式和落地式之分，還有立式和臥式之分。箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)又有密閉式、倒相式、帶通式、空紙盆式、迷宮式、雙腔雙開口式、1／4波長加載式、對稱驅(qū)動式和號筒式等多種形式，使用最多的是密閉式、倒相式和帶通式，如下圖所示。

3.分頻器

分頻器有功率分頻器和電子分頻器之分，主要作用均是頻帶分割、幅頻特性與相頻特性校正、阻抗補償與衰減等作用。

功率分頻器也稱無源式后級分頻器，是在功率放大器之后進行分頻的。它主要由電感（L）、電阻（R）、電容（C）等無源元件組成濾波器網(wǎng)絡(luò)，把各頻段的音頻信號分別送到相應(yīng)頻段的揚聲器中去重放。其特點是制作成本低，結(jié)構(gòu)簡單，適合業(yè)余制作，但插入損耗大、效率低、瞬態(tài)特性較差。

電子分頻器也稱有源式前級分頻器，是由各種阻容元件與晶體管或集成電路等有源器件組成，它是置于前置放大器和功率放大器信號線路中的一種模擬電子濾波器，能把前置放大器輸出的音頻信號分成不同頻段后，再送人功率放大器進行放大處理。其特點是各頻段頻譜平衡、相互干擾小、輸出動態(tài)范圍大，本身有一定的放大能力，插入損耗較小。但因電路復(fù)雜一些，業(yè)余制作的難度較功率分頻器要大。

分頻器按分頻頻段可分為二分頻、三分頻和四分頻。二分頻是將音頻信號的整個頻帶劃分成高頻和低頻兩個頻段；三分頻是將整個頻帶劃分成高頻、中頻和低頻三個頻段；四分頻將三分頻多劃分出一個超低頻段。業(yè)余條件下制作音箱，以二分頻和三分頻為主。

分頻點與分頻斜率是直接影響分頻器的分頻頻率（交叉頻率）。

分頻點是指兩個相鄰揚聲器（如二分頻中的高音與低音，三分頻中的高音與中音、中音與低音）的頻響曲線在某一頻率上的相交點，通常為兩個揚聲器中功率輸出的一半處（即一3dB點）的頻率，要根據(jù)音箱和每個揚聲器的頻率特性和失真度等參數(shù)決定。通常二分頻分頻器的分頻點取lkHz～3k之間，三分頻取250Hz～1kHz和5kHz兩個分頻點。

分頻斜率（也稱濾波器的衰減斜率）用來反映分頻點以下頻響曲線的下降斜率，用分貝／倍頻程（dB／oct））來表示。它有一階（6dB／oct）、二階（12dB／oct）、三階（18dB／oct））和四階（24dB／oct））之分，階數(shù)越高，分頻點后的頻率曲線斜率就越大。較常用的是二階分頻斜率。高階分頻器可增加斜率但相移較大，低階分頻器能產(chǎn)生較平緩的斜率和很好的瞬態(tài)響應(yīng)，但幅頻特性較差。決定高、低音濾波的階數(shù)主要應(yīng)考慮到揚聲器本身在分頻點處相位的良好銜接問題。

七種音箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1、密閉式音箱

是結(jié)構(gòu)最簡單的揚聲器系統(tǒng)，1923年由FrederI Ck提出，簡單地說，就是揚聲器單元裝在一個全密封箱體內(nèi)。它能將揚聲器的前向輻射聲波和后向輻射聲波完全隔離，但由于密閉式箱體的存在，增加了揚聲器運動質(zhì)量產(chǎn)生共振的剛性，使揚聲器的最低共振頻率上升。

密閉式音箱的聲色有些深沉，但低音分析力好，使用普通硬折環(huán)揚聲器時，為了得到滿意的低音重放，需要采用容積大的大型箱體，新式的密閉音箱大多選用Q值適當?shù)母唔樞該P聲器。利用封閉在箱體中的壓縮空氣質(zhì)量的彈性作用，盡管揚聲器裝在較小的箱體中，錐盆后面的氣墊會對錐盆施加反動力，所以這種小型密閉式音箱也稱氣墊式音箱。

2、低音反射式音箱（倒相式音箱）

低音反射式音箱也稱倒相式音箱，1930年由Thuras發(fā)明。在它的負載中有一個出聲口開孔在箱體一個面板上，開孔位置和形狀有多種，但大多數(shù)在孔內(nèi)還裝有聲導(dǎo)管。箱體的內(nèi)容積和聲導(dǎo)管孔的關(guān)系，根據(jù)茲共振原理，在某特定頻率產(chǎn)生共振，稱反共振頻率。揚聲器后向輻射的聲波經(jīng)導(dǎo)管倒相后，由出聲口輻射到前方，與揚聲器前向輻射聲波進行同相迭加。

它能提供比密閉式更寬的帶寬，具有更高的靈敏度，較小的失真。理想狀態(tài)上，低頻重放頻率的下限可比揚聲器共振頻低20%之多。這種音箱用較小箱體就能重放出豐富的低音，是目前應(yīng)用最為廣泛的類型。

3、聲阻式音箱

實質(zhì)上是一種倒相式音箱的變形，它以吸聲材料或結(jié)構(gòu)填充在出聲口導(dǎo)管內(nèi)，作為半密閉箱控制倒相作用，使之緩沖，以降低反共振頻率來展寬低音重放頻段。

4、傳輸線式音箱

是以古典電氣理論的傳輸線命名的，在揚聲器背后設(shè)有用吸聲性壁板做成的聲導(dǎo)管，其長度是所需提升低頻聲音波長的1/4或1/8。

理論上它衰減由錐盆后面來的聲波，防止其反射到開口端而影響低音揚聲器的聲輻射，但實際上傳輸線式音箱具有輕度阻尼和調(diào)諧作用，增加了揚聲器在共振頻率附近或以下的聲輸出，并在增強低音輸出的同時減小沖程量。通常這種音箱的聲導(dǎo)管大多迭呈迷宮狀，所以也稱迷宮式或曲徑式。

5、無源式輻射式音箱

是低音反射式音箱的分支，又稱空紙盆式音箱，是1954年美國的Olson和Preston發(fā)表的，它的開孔出聲口由一個沒有磁路和音圈的空紙盆（無源錐盆）取代，無源錐盆振動產(chǎn)生的輻射與揚聲器向前輻射聲處于同相工作狀態(tài)，利用箱體內(nèi)空氣和無源錐盆支撐組件共同構(gòu)成的復(fù)合聲順和無源錐盆質(zhì)量形成諧振，增強低音。

這種音箱的主要優(yōu)點是避免了反射出聲孔產(chǎn)生的不穩(wěn)定的聲音，即使容積不大也能獲得良好的聲輻射效果，所以靈敏度高，可有效地減小揚聲器工作輻度，駐波影響小，聲音清晰透明。

6、耦合腔式音箱

是介于密閉式和低音反射式之間的一種箱體結(jié)構(gòu)，1953年美國的Henry Lang發(fā)表，它的輸出由錐盆一邊所驅(qū)動的出聲孔輸出，錐盆另一邊則與一閉箱耦合。

這種音箱的優(yōu)點為低頻時揚聲器所推動的空氣量大大增加，由于耦合腔是個調(diào)諧系統(tǒng)，在錐盆運動受限制時，出聲口輸出不超過單獨錐盆的聲輸出，展闊了低頻重放范圍，所以失真減小，承受功率增大。1969年日本Lo-d的河島幸彥發(fā)表的A·S·W（AcoustICSuperWoofer）音箱就是一種耦合腔式音箱，適于用小口徑長沖程揚聲器不失真重放低音。

7、號筒式音箱

對家用型來講，多采用折迭號筒形式，它的號筒喇叭口在口部與較大空氣負載耦合，驅(qū)動端直徑很小，這種音箱的背面是全密封，箱腔內(nèi)的壓力都多在揚聲器錐盆的背面上。

為保錐盆前后壓力保持平衡，倒相號筒裝置于揚聲器前面。折迭號筒音箱是倒相式音箱的派生，其聲響效果優(yōu)于密閉式音箱的一般低音反射式音箱。