17喇叭扬声器设计与制作分析

声学和扬声器基础知识教学大纲一、要求:掌握音频声学的基础理论和电\磁\机械学中与喇叭有关的基本知识,了解扬声器测试的要求和T/S参数的计算的原理和方法.二、文化基础要求:高中三、内容与学时安排：第一章音频声学基础1.1声波的产生1.2描述声学的物理量1.3声级,分贝及运算1.4声波的传播特征第二章人耳听觉特征2.1响度与频响曲线2.2音调与倍频音程2.3音色2.4波的分解,付氏解析法2.5失真与失真察觉2.6哈斯效应2.7屏蔽效应第三章电、磁、机械振动基础3.1电学基础知识3.2磁场与电磁感应3.3交流电路中的电容3.4交流电路中的电感3.5复阻抗3.6谐振电路3.7机械振动3.8电机类比第四章扬声器结构与参数测试4.1喇叭结构,名称(磁场,间隙,短路环,音圈,锥盒,指向性,防尘帽,音架,弹波,边,磁流液)4.2Thiele和Small参数测试类比电路图4.3扬声器阻抗曲线及其物理解释4.4阻抗测试4.5质量测试4.6BL测试,力顺测试4.7品质因素Q的计算4.8等效容积Vas的计算4.9效率与灵敏度的测试4.10扬声器基本参数及T/S参数汇总4.11基于PC的扬声器测试信号,相位,clio,Soundcheck,Klippel,LMS.第五章音箱,分频器的设计计算5.1音箱的设计5.2无限平板上的喇叭负载5.3封闭音箱中的喇叭5.4填充物的作用5.5倒相音箱的设计和计算5.6分频器的种类与计算第一章音频声学的基础1.1波动和声波1.1.1波动的数学描述振动产生波，如绳子的振动能量以波的形式传播。常用绳子多点的位移来描述绳子波的传动，一个波动可用正弦函数来表示。正弦函数：y=AsinϕA为最大振辐（m）ϕ为角度(相位角)。在x-y坐标系里，若x代表角度，y代表振幅，画出的波形图叫正弦曲线。一般在电学、声学里，角度都用弧度表示：2π=360度，π/2=90度。有时，x轴取为时间，y轴为振幅，则可表示振幅随时间的变化，这时，正弦函数要写成：y=Asin(ωt)ω叫角频率ω=2π/TT为振动一次所需的时间，又叫周期。当t=T,ωt=2π;当t=T/2,ωt=π,当t=T/4,ωt=π/2所以ωt就相当角度。T的倒数，1/T=f,叫频率，表示单位时间(1秒)震动的次数。有时，x轴取为距离，y轴为振幅，则可表示振幅随距离的变化，这时，正弦函数要写成：y=Asin(ωx)ω叫角频率ω=2π/λλ为振动一次所的长度，又叫波长。ωx就相当角度。在使用表达式y=Asin(ωt)的时候，往往碰到在t=0时振幅不为0的情况，这时，要把表达式改写成y=Asin(ωt+ϕ)，ϕ角可正，可负。也常把它称为相位角。周期T,波长λ和频率f,它们之间的关系是：f=1/T,（波速）C=λ/T=λfλ=C/f如：1Hz声波波长为344m10Hz声波波长为34.4m100Hz声波波长为3.44m1000Hz声波波长为0.344m1.1.2声波的形成(波的形成和传播)横波:振动方向与传播方向垂直纵波:振动方向与传播方向平行声波是一种纵波例如，受活塞作用,空气密度增加,压力加大,增大的压力在管内传播,就形成波动,在声波传输的介质里的某固定点，压力随时间的变化可写成:P=P0sin(ωt+ϕ)P0代表空气密度增加时，气压的最大增量。1.2描述声波的物理量1.2.1声压SoundPressure声波的传播就是大气压增压在弹性介质(空气)中的传播。P=P0sin(ωt+ϕ)P0为声压振辐，单位是帕斯卡Pa(N/m2)一个大气压为1.0325*105Pa即1000hPa。与交流电一样,常用有效值（RMS）（Root-Mean-Square）表示声压.如果声波的最大振幅为P0，Prms=0.707P0,即√2/2P0以后我们提到声压如无特殊说明,都是指声压有效值.人耳能分辨的最低声压为20μPa(当频率为1000Hz时)两人面对面交谈声压为2*10-2Pa织布车间噪声声压为2Pa20Pa时,人耳有痛觉最低声压20μPa是由弗来彻和芒森确定的(1000Hz),500Hz时,还要低,当频率超过1000Hz时,灵敏度会提高,最灵敏的频率是3.5KHz1.2.2频率f声源每秒振动的次数称频率,单位是Hz,声音的频率可听范围是20Hz-20kHz20Hz为次声20000Hz为超声1.2.3声速声音可在不同介质中传播。固、液、空气，速度在不同介质中不同。速度:固体液体气体在空气中,声速c=331.6+0.6t(m/s),此处t指环境温度。可见15度时,c为340m/s左右.声速与空气质点运动速度是不同的概念，大声说话时，声压为0.1Pa,质点的运动速度是p/(ρ0C0)为2.5*10-4m/s.空气的ρ0C0为415N.S/m3,1.2.4波长声波在传播过程中,相邻的同位相之间的距离为波长。C,f,λ的关系为:C=λ*f空气中声音是非色散波(不同频率波速相等),因此,频率与波长成反比,频率低的波长长.1000Hz波长0.34m100Hz波长3.4m10Hz波长34m1Hz波长340m不同波长传播时会发生不同物理现象.当遇到障碍物时,障碍物线度比波长小,会有绕射发生,声波可自由传播.当障碍物与波长相当时,发生散射,在声波入射方向散射波声强增加.其他方向减弱,出现指向性.当障碍物线度波长,声音被反射回去,障碍物后出现声影区.1.2.5声强声音的传播是空气质量在平衡位置附近来回振动的能量(动能和势能)的传播.常用声强来定量描述声能的传播.定义:单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的平均能量.用I表示，单位：W/m2.(N*s/m2)I是矢量,有大小和方向.I与声压的关系:I=P2/(ρ0C0)ρ0是声传波媒体的密度，空气密度为：ρ0=1.21kg/m3（在20度时）C0是声传波的速度,当温度为20度，C0为344m/s.ρ0C0在声学里是一个非常重要的概念,称为媒体的特性阻抗，当温度为20度，C0为344m/s,ρ0=1.21kg/m3,空气的ρ0C0为415N/s.m2对水来说，密度为1000kg/m3,声速为1480m/s,ρ0C0为1.48*106N/s.m2声波碰到特性阻抗不同的媒体的界面，会发生反射。一个球面的震动体(喇叭可近似看成球面一部分)在向外辐射声音时,会受到声音的反作用力,称为辐射阻抗,它可写成:R=ρ0C0*S,此处S是辐射面的面积,这在以后当讨论压缩驱动器(CompressionDriver)时要涉及到.1.2.6声功率声源在单位时间内辐射的总的声能量叫声源辐射功率（即声功率）,单位W。声功率很小,人讲话20μW,扬声器由电功率转换为声功率,效率仅为千分之几。若一点声源在自由空间辐射声波,与点声源距r的球面上,声强I都相同。则W=I*4πr21.3声级、分贝及运算人耳感受到的声压,从20μPa一直到有痛感的20Pa,跨越了106倍,即100万倍。人耳的“感觉响度”与强度，或声压有关。听觉响了一倍，实际上强度大了十倍，所以更接近于与强度的对数成正比。因此在声学中,常用对数坐标来表示声压，声强和声功率。复习---对数，对数是指数的逆运算。y=axlogay=x（称为：x是y以a为底的对数）以10为底的对数叫常用对数，以e=2.73..为底的叫自然对数。100=102log10100=2对数运算法则：log(a*b)=loga+logb例如：log2*100=log2+log100=0.3010+2=2.3010loga/b=loga–logb例如：log1000/100=log1000–log100=3–2=1logAx=x*logA例如：log1002=2*log100=4log1=0因为A0=1log1/100=log1–log100=0-2=-2对数尺度：把某一量取对数以后标在线性尺度上叫对数尺度logarithmicscale.123456101001000100001000001.3.1分贝上世纪初，贝尔（Bell）发明电话，当信号经过放大器，信号功率增加/减少的对数就是贝尔，Bel.Bel.无单位，如输入1W，放大后为2W.Bel=log(2w/1w)=0.301031/10贝尔定义为分贝，decibel(dB)。所以,增加了一倍,即增加了10*lg(2/1)=3.0103dB,即增加了3分贝.没有增益10*lg(1/1)=0dB.若不是增加,而是减少了为原来的一半,10lg(0.5/1)=10lg(1/2)=10*(0-0.3)=10*-0.3=-3dB三个重要的数字:+3dB=2*…..+10dB=10*……..0dB=1*…….所以,若0dB~1W3dB~2W6dB~4W9dB~8W10dB~10W12dB~16W20dB~100W30dB~1000W33dB~2000W-10dB~0.1W,-2OdB~0,01W-30dB~0.001W（即：每增加三个dB，则输出增加为输入的2倍。1.3.2声压级.Soundpressurelevel.(SPL)声压级定义：声压的有效值P与基准声压P0之比取10为底的对数再乘以20。即Lp=20*lg(P/P0)(dB)P0=20μPa=2*10-5Pa例如,喇叭A比喇叭B声压大了一倍,问声压级提高了多少分贝?Lp=20lg(Pa/Pb)=20*lg2=6dB.计算声压级的时候，要乘20，是因为声功率与声压的平方成正比。即声压增大一倍（为原来的二倍），声功率为原来的四倍（就像电压增大为原来的二倍，电功率为原来的4倍）。例1：喇叭测试信号电压的峰值因子为6dB,问峰值时功率为平时的多少倍？电压的峰值因子为6Db（相当于电压级为6dB），说明峰值电压比有效值大一倍，所以电功率为有效值的4倍。例2：用Clio测谐振频率，3阶谐振频响曲线在提高了30分贝以后，在大于200Hz以后与总的相应曲线高度接近，问3阶谐振的声振动能量与整体比，为整体的多少？答:-30dB=10*lg(X/1)-3=lgXX=0.001=0.1%1.3.3声强级某声强与基准声强I0之比取对数乘10LI=10lg(I/I0)dB式中I0=10-12w/m2，又声强与声压的平方成正比。故在常温常压下，声强级与声压级相等。声强级与声压级数值上相等，所以，声强级概念不常用。1.3.4声功率级Lw=20lgw/w0(dB)w0=10-12W(1000Hz)1.3.5声压级的叠加和平均声强级，声压级，声功率级与声强，声压，声功率是不同的概念。以分贝为单位的各“级”只有相对的意义，无量纲，其大小与基准数有关。在一定条件下，声压级，声功率级，声强级数值上是相等的，三者统一用声级表示。声强W/m2声功率W声压Pa声级dB102102200140747起飞1120120耳朵痛阈10-210-22100织布机房10-410-40.280汽车喇叭10-610-62*10-260相距1米交谈002002lg20)lg(10}lg{100lg10220ppppcpcpIILooI10-810-82*10-340轻声耳语10-1010-102*10-420静夜室内10-1210-122*10-50最低可听阈问题：两个不同的声源，各个发出声压级为60dB，Lp1=Lp2=60dB总声压级为多少?从声音传播的角度看，对于不相干的声源，空间某点的声压叠加，实际上是平均能量的叠加。单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的平均能量。用声强I表示。单位：W/m2I与声压的关系：I=P2/(ρ0C0)所以计算点声压级应是：将声压级转换成声压，再平方相加，得到总的均方根声压值，再根据声压级公式求得总声压级。总声压计算公式为：P2(t)=p12(t)+p22(t)计算方法：60=20lgp1/p03=lgp1/p0p1=1000p0p2=1000p0P2(t)=p12(t)+p22(t)=2*(1000P02)P=√2*1000P0Lp=20lg(√2*1000P0/P0)=20lg(√2*1000)=20(lg√2+log103)=20(1/2lg2+3)=3+6