扬声器的性能及测试方法

扬声器基础讲座之一----扬声器主要性能及测试方法讲解天津洪波电子有限公司2008年9月前言本讲座是针对国家标准GB/T9396-1996《扬声器主要性能测试方法》的技术讲解，可作为初步涉足扬声器设计的同志的学习资料，也可作为有一定经验的设计人员参考。讲座分叁部分：1）扬声器的主要性能介绍；2）扬声器的主要性能的测试条件和方法；3）附件。编者一、扬声器的主要性能介绍1.类别描述：1）扬声器驱动单元#换能原理如：电动式、电磁式、压电式、静电式等。目前最常用的是电动式。#类型如号筒式，直接辐射式，单个单元或多个单元，同轴或不同轴，带分频器或不带分频器等。2）扬声器系统可分为扬声器单元数量、类型和声负载，如闭箱式、倒相式、柱状或线状等。2.极性标志：1）特性解释：是指在扬声器输入端馈入信号时，扬声器膜片产生运动的方向与输入端所加信号极性之间关系的标志。2）实用价值：极性对使用单个扬声器的场合没有什么意义，但对使用多只扬声器的系统或场合，尤其对立体声、多声道放声有致命影响。音箱参考面一般为折环所在平面。号筒扬声器参考面一般为号筒口所在平面。纸盆扬声器参考面一般为音箱、扬声器的安装面板表面。线状扬声器参考面一般由制造厂规定提供。号筒扬声器3.参考面、参考点和参考轴：这些都是由制造厂规定，而不是测得的，但原则上也都遵循一定的原则。1）参考面：是一个位置与扬声器驱动单元或扬声器箱的某些特性有关的平面。它确定参考点和参考点的位置和参考轴的方向。号筒扬声器2）参考点：是参考轴与参考面相交的点，由制造厂规定如是对称结构，参考点通常是几何对称点。如是非对称结构，参考点多数为高频扬声器的参数考点或中高频扬声器的中心点如圆形为园心矩形和椭圆为中心如多扬声器音响高频低频高频低频中频3）参考轴：是一条通过参考点并以一定方向通过参考面的直线，通常垂直于参考面，由制造厂规定。如一般纸盆扬声器号筒扬声器多声道扬声器4）测量轴：为参考点与测量传声器之间的联系线：测量点的方位由它与参考轴之间的夹角确定。300测量轴参考轴测量一般性能时，夹角为0，如测量扬声器的指向性时，夹角根据需要变化4.纯音检听：1）特性解释：在额定频率范围内，馈给扬声器规定电压的正弦信号检查扬声器的装配质量。2）测量方法：扬声器单元检听，馈给扬声器正弦信号的电功率为1/2额定噪声功率，一般在0.3M处检听，在此距离内应无反射物，扬声器单元不另加负载。注：①全频带及低频扬声器检听时，应以共振频率允许偏差下限开始向高频扫描；如F0标准为150±20Hz，那么起始频率应为130Hz。注：②中频、高频扬声器检听时，应从分频点频率开始向高频扫频。uf低频中频高频fe1fe2分频频率注：③高顺性扬声器检听时，可以在产品标准规定的声负载上进行，应以共振频率允许偏差下限开始向高频扫频。注：④在便于检查垃圾声、碰圈声和机振声，在共振频率f0时近必须检听，但可以规定馈给扬声器较低的电压。注：⑤根据多年来了解的的实际，扬声器纯音检听条件，主要由客户来规定，由于外行一般越严越好，一般是输入全功率或1.2-1.5倍额定功率，全频带扫频，不允许使用声负载。3）扬声器系统检听：馈给扬声器系统的正弦信号电压及检听距离由产品标准规定，检听时由系统的下限频率开始向高频扫频，衰减器置于频率响的平直位置或产品标准规定位置。注：扬声器系统一般由低、中、高频扬声器组成，根据国标《模拟节目信号》的内容，中频扬声器的额定功率一般设计为低频额定功率的1/2，高频扬声器的额定功率一般设计为低频额定功率的1/4，所以在系统的纯音检听时应考虑之。模拟节目信号的频谱如右：1251.6kFHzdB功率级5.阻抗和它的派生特性：1）额定阻抗特性解释：是一个由制造厂规定的纯电阻的阻抗，在确定信号源的有效电功率时，用它来替代扬声器；是指阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值。注：一般纸盆扬声器的额定阻抗是音圈直流阻的1.2-1.4倍具体倍数由扬声器的口径和此题的大小决定。2）阻抗曲线特性解释：把阻抗数值表示为频率的函数22fc21fl2RZ纸盆扬声器的典型阻抗曲线f0测量点ZΩRef号筒扬声器典型阻抗曲线f0ZΩfHz测量点3）总品质因数Qt特性解释：在共振频率点的慢性抗（弹性抗）部分与电阻的比值即：RQfm2t或RQfc2lt（式中m为扬声器振动系统的等效质量，c为扬声器振动系统的等效顺性）注1：上述定义的总品质因数仅适用于电动式扬声器驱动单元及闭箱系统。注2：Qt、c和共振频率f0一起足以确定扬声器的低频特性。6.等效空气容和Vas特性解释：是指在封闭在刚性容器中空气的声顺与扬声器单元的声顺相等时体积。注:声顺m1mSCFSm力位移Fδ7.输入电压1）短期输入电压：特性解释：扬声器单元或系统能承受持续时间为1秒，间隔为60秒的模拟节目信号，而不产生永久性损坏的最大信号电压。2）长期最大输入电压：特性解释：扬声器单元或系统能承受持续时间为1分钟，间隔为2分钟重复10次的模拟节目信号，而不产生永久性损坏的最大信号电压。3）额定正弦电压特性解释：在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号，而不产生热和机械损坏的持续信号电压，该电压为在规定的持续时间内，使用正弦信号测量时电压的极限值，如无特殊规定，持续时间应为1小时。注1：该电压值是频率的函数。注2：该电压值与扬声器的安装方式有关。4）额定噪声电压：特性解释：在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号，而不产生热和机械损伤的信号电压。8.输入电功率1）短期最大功率特性解释：与短期最大输入电压对应的电功率，其定为其中Um是短期最大输入电压，R是额定阻抗。2）长期最大功率特性解释：与长期最大输入电压对应的电功率。3）额定正弦功率特性解释：与额定正弦电压对应的电功率。4）额定噪声功率特性解释：与额定噪声电压对应的电功率。9.频率特性1）额定频率范围特性解释：由制造厂规定的扬声器的频率范围。RU2m2）共振频率特性解释：a：在扬声器单元的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，出现某一个阻抗极大值时的频率。b：闭箱扬声器系统（包括分频器）的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，出现第一个极大值时的频率。f0Za：Reff0Zfb：c：倒相或无源辐射扬声器系统（包括分频器）的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，某一个主要阻抗极大值后的某一个极小值时的频率。倒相箱无源辐射箱f0Z测量点fu10.自由场和半空间自由场条件下的声压1）指定频带内的声压特性解释：馈给扬声器以规定频率范围、规定电压值的粉红噪声信号时，扬声器在参数轴上离参数点规定距离处所产生的声压。2）指定频带内的声压极LrLr=20lg单位dB式中：Pr：测得的指定频带内的声压单位PaPo：基准声压20μPa（即1000Hz声音的可听阈声压）如：80dB的声压级对应的声压为0.2Pa90dB的声压级对应的声压为0.6324PaPrPo3）指定频带内的特性灵敏度特性解释：在指定频带内的声压换算成输入功率为1W和参数轴上距离参数点1m处的值。4）指定频带内特性灵敏度级特性解释：特性灵敏度与基准声压（20μPa）比值的对数值乘以20以dB表示。例如：1馈给扬声器的功率增大1倍，声压提高，倍，声压级提高3dB。2馈给扬声器的电压增大1倍，声压提高1倍，声压级提高6dB。3馈给扬声器的功率增大至10倍，声压提高倍，声压级提高10dB。5）指定频带内的平均声压特性解释：指定频带内所有1/3oct频带测得到声压方均根值即P平均=210nn21PPP6）指定频带内的平均声压级特性解释：5）中的值和基准声压比值的对数值乘以20以dB表示。说明：oct是倍频率（octive）的缩写，两个声音的频率比值以2为底的对数称之谓频程，对数表达式为:n为倍频程数，可以是分数或整数，例如n=1，1/3则称为“倍频称”和“三分之一陪频程”，在电声工程中常用这两种倍频程。如：100-200Hz，500-100Hz就是倍频程。100-125Hz，1600-2000Hz就是三分之一倍频程。122fflogn=附件：常用带通滤波器中心频率和频率范围的一部分：中心频率（Hz）1/1倍频程1/3倍频程低频（Hz）高频（Hz）低频（Hz）高频（Hz）10089.111212589177110140160142.6179.520017622425017735422328031528135340035644950035470744656163056170780071389810007071414891112211.自由场和半空间自由场条件下的响应1）频率响应特性解释：在自由场或半空间自由场条件下，在相对于参数轴和参数点的指定位置，以规定的恒定电压测得的作为频率函数的声压级，所用的恒定电压为正弦信号，或为频带噪声信号。SPL(dB)(Hz)fSPL(dB)(Hz)f2）有效频率范围特性解释：是上限频率和下限频率为界限的频率范围。12.指向特性1）指向性图形特性解释：在自由场条件下规定的平面内测得的声压级表示为：测量轴和参数轴之间夹角的函数，它可以随频率不同而变化。0045090013501800225027003150低频典型图形0045090013501800225027003150高频典型图形2）指向性频响曲线特性解释：在偏离参数轴不同角度处测得的一组曲线。(Hz)SPL(dB)f3）辐射角特性解释：在包含参数轴的平面内，相对于参数轴测得的角度在此角度上和规定的距离处，测得的声压级比在参数轴上测得的声压级低10dB。003004）振幅非线性总谐波失真、dt特性解释：以%计：dt=%100ptppp2nf2f322fn次谐波失真dn特性解释：以%计：dn=%100ptpnf以dB计：Ldn=20Lg100dn如：扬声器的二次谐波失真为10%即d2=10%那么以dB计的Ldn=20Lg=20dB100105）特性谐波失真特性解释：通过在指定频带内的平均声压Pm表示总品质谐波失真。13.漏磁场（杂散磁场）特性解释：在距离扬声器任何组成部分某以规定距离处由于扬声器磁回路的泄露而产生的杂散磁场。14.物理特性1）尺寸：扬声器的外形结构和安装尺寸。2）重量：扬声器使用时的重量。3）电缆配套件。15.设计数据设计数据可作为补充资料提供给客户如：-------总气隙磁通量-------气隙磁通密度-------音圈直流电阻-------磁体的重量和质量二、性能参数的测量方法1.极性标志按规定馈给扬声器以瞬时直流电压，引起膜片向扬声器前方运动时，与电压正级相连接的输入端为扬声器正极，用红色或符号“+”表示。+-电池+-+-+-万用表直流微安或毫安挡ok极性检测仪+-+-2.纯音检听馈给扬声器正弦信号的点电功率为二分之一，额定噪声功率一般在0.3m处检听，在此距离内无反射物，扬声器单元不另加声负载。声频信号发生器功率放大器有效值电压表注：1）全频带及低频扬声器，应从共振频率允许偏差下限开始向高频扫频。2）中频、高频扬声器，应从分频点频率开始向高频扫频。3）高频扬声器，可以在产品标准现定的声负载上进行。4）为便于检查垃圾声碰圈声和机械声，在共振频率f0附近必须检听，但可以规定较低的信号电压。5）以上各项都必须服从客户要求，必要时可与客户协商。3.阻抗及其派生特性1）额定阻抗声频信号发生器K有效值电压表RSRK这是恒流法，测量所使用的电压值或电流值应足够准，应保持扬声器工作在线性状态。RS=3---10RKf0ZRef额定阻抗曲线一般纸盆扬声器，根据直径大小分别规定为1000、400、200Hz2）总品质因数（Qt）品质因数Qt可以由扬声器的阻抗曲线来确定，并按下式计算。1rrrfffr1t2121201200QZfZmaxr1Ref1f0f3ReV1-----在频率f1.f2处阻抗Z1、Z2对Re之比，上式中r0/f0处阻抗极大值zmax对扬声器直流阻Re之比。f1和f2在f0附近对称的两个频率点，在两处的阻抗值相等，其值为r1、Re。当r1