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完整的揚聲器選型指南

發(fā)布時間:2024-10-15 09:08    發(fā)布者:eechina
關鍵詞: 揚聲器
來源:Digikey
作者:Nick Grillone, Applications Engineer, Same Sky

揚聲器是將電信號轉換為用戶可聽到的聲波的換能器,是音頻系統(tǒng)中的重要部件。要充分了解揚聲器在聲音再現(xiàn)過程中的作用,就必須探究其工作背后的工程原理和所涉及的關鍵部件。本文詳細介紹揚聲器技術,包括基本工作原理、重要規(guī)格、設計注意事項、音盆和磁鐵類型等。

揚聲器基礎知識

揚聲器發(fā)出聲音是一個精心設計的過程,利用了電磁學和機械運動的原理。一切從電信號開始,電信號代表了需要再現(xiàn)的音頻內(nèi)容。這種信號可能來自各種不同的源頭,如智能手機、筆記本電腦或任何其他旨在產(chǎn)生電脈沖的音頻設備。無論是歌曲旋律、播客清晰度,還是電影身臨其境的效果,這種信號都是揚聲器即將創(chuàng)造出的聽覺體驗的電氣藍圖。

揚聲器的核心部件是音圈和永磁體。音圈通常是緊密纏繞的導線,與柔性音盆或振膜相連。這個線圈內(nèi)部環(huán)繞著一塊永久磁鐵,建立了聲音產(chǎn)生的核心。當電信號通過揚聲器的導線時,音圈通電,在電磁力的驅動下產(chǎn)生一系列動作。電流在線圈周圍產(chǎn)生磁場,磁場的極性隨電信號的變化而變化。

揚聲器的運動取決于這些磁場之間的相互作用。隨著電場的波動,它們交替地排斥和吸引,導致音圈及其附帶的音盆快速來回移動。音盆的振蕩運動與周圍的空氣分子相互作用,使它們隨著音盆的運動而振動。

這些振動在空氣中產(chǎn)生壓力波,壓力波會一直傳播到人的耳朵,大腦將其解讀為聲音。這就完成了聲音感知過程,將電信號轉化為豐富的聽覺體驗。


圖 1:揚聲器的工作原理。(圖片來源:Same Sky)

通過對揚聲器結構的研究,我們可以發(fā)現(xiàn)幾個共同作用產(chǎn)生聲音的關鍵部件:音盆、音圈、音板、磁鐵、框架和軛以及印刷電路板 (PCB)。以下插圖重點說明了揚聲器在拆卸(圖 2)和組裝(圖 3)狀態(tài)下的內(nèi)部結構。


圖 2:揚聲器組件的分解視圖。(圖片來源:Same Sky)


圖 3:揚聲器組件的裝配視圖。(圖片來源:Same Sky)

揚聲器的重要規(guī)格和注意事項

對揚聲器的工作和結構有了基本了解后,選擇揚聲器時的重要考慮事項就是幾個關鍵的規(guī)格和性能標準。這些參數(shù)對于確保揚聲器能否達到所需的音頻性能和可靠性標準至關重要。

· 聲壓級 (dB):聲壓級 (SPL) 量化了空氣中的聲波強度,其本質(zhì)上表示響度。與聲源的距離和環(huán)境條件都會影響聲壓級。分貝 (dB) 是衡量聲壓級的標準單位。對于揚聲器設計、各種環(huán)境下的噪音水平評估來說,了解聲壓級極為重要,這是噪音控制和監(jiān)管的關鍵。
· 最大輸入功率 (W):此規(guī)格表示揚聲器在不出現(xiàn)永久性損壞的情況下短時間內(nèi)可承受的最大功率。
· 標稱輸入功率 (W):標稱輸入功率指揚聲器在長期連續(xù)運行時能夠承受的安全功率。這是確保揚聲器在正常工作條件下的長使用壽命和高可靠性的關鍵。
· 阻抗 (Ω):用于測量電流從放大器流向揚聲器的電阻。阻抗越低,揚聲器的功率就越大,因此揚聲器的阻抗必須與放大器的阻抗相匹配。正確的阻抗匹配對于實現(xiàn)最佳性能、高效功率傳輸、保持高保真聲音重現(xiàn)以及防止設備損壞極為關鍵。
· 諧振頻率 (Hz):這是揚聲器的最有效振動頻率,有助于深度了解揚聲器的低頻響應。了解諧振頻率有助于比較不同揚聲器的性能,尤其是低頻性能。
· 尺寸 (mm):揚聲器的尺寸直接影響其頻率范圍。尺寸較小的揚聲器針對較高頻率進行了優(yōu)化,而較大的揚聲器則在較低頻時表現(xiàn)更佳。在為諸如深沉的低音或清晰的中頻人聲等特定音頻輸出設計系統(tǒng)時,這種關系是關鍵。
· 總 Q 值:Thiele-Small 參數(shù)(即總 Q 值)用作為揚聲器選擇理想箱體類型的廣泛基準值。如果總 Q 值為 0.4 或更低,則表示揚聲器最適合安裝在通風的箱體中。數(shù)值在 0.4 和 0.7 之間表示建議使用密封箱體,而 0.7 或更高則表示揚聲器適合自由空氣、半開放式背板或無限隔板設置。然而,這些準則并不是絕對的,重要的是要考慮設計中的所有相關參數(shù),以達到理想的音頻性能。
· 侵入防護 :揚聲器具有各種不同的侵入防護 (IP) 等級,以應消除惡劣環(huán)境中的濕氣和污染物的影響。
· 安裝方式:根據(jù)應用需要,揚聲器可采用不同的連接方式,包括通孔、電線引線、彈簧端子等。


圖 4:常用的揚聲器連接配置。(圖片來源:Same Sky)

揚聲器的測量和測試

在按照上文提到的主要規(guī)格選擇揚聲器后,還必須測量和測試,以確保揚聲器能正確地集成到設計中,并發(fā)揮預期的性能。Same Sky 的音頻設計服務將為這些關鍵的測量和測試提供支持:

· 頻率響應:揚聲器對全頻段聲音的再現(xiàn)程度的可視化。Same Sky 關于音頻范圍和諧振頻率的兩篇博文較詳細地討論了頻率響應圖。
· 階躍頻率掃描:針對假頻進行更詳細的頻率響應分析。
· 電平和增益:決定揚聲器的能量輸出能力。測量方法是將設備的輸出電平除以輸入電平。
· 總諧波失真加噪聲 (THD+N):當在音頻信號中加入了不需要的音調(diào)時,就會產(chǎn)生諧波失真,從而降低音質(zhì)。THD+N 是一個用單一數(shù)字表示的性能指標,已被廣泛理解和接受。
· 相位:描述波形與基準信號之間的時間偏移。音頻設計中的兩種主要相位測量是設備輸入/輸出相位和通道間相位,后者可確保系統(tǒng)中多個揚聲器之間的正確同步。
· 摩擦和嗡嗡聲:檢測低頻刺激產(chǎn)生的高頻諧波產(chǎn)品,有助于識別造成不必要噪音的缺陷。
· Thiele-Small 參數(shù):這組測量可捕捉被測揚聲器的復合阻抗,并提供決定揚聲器低頻性能的機電參數(shù)。Thiele-Small 參數(shù)(包括總 Q 值)對于揚聲器箱體設計和生產(chǎn)測試至關重要,因為這些參數(shù)描述了揚聲器與箱體的相互作用方式。
· 阻抗:測量揚聲器的阻抗對于了解揚聲器對交流信號流動的阻力非常重要,如來自放大器的音頻信號。阻抗以歐姆為單位,會影響揚聲器從放大器汲取的功率大小,以及揚聲器的工作效率。

揚聲器的音盆和磁鐵類型

揚聲器振膜的材料對音質(zhì)有很大影響。數(shù)據(jù)固然有用,但傾聽和測試才是關鍵。耐用性因材料而異:塑料最耐用,其次是紙和布,然后是泡沫塑料。使用壽命還取決于濕度、環(huán)境和應用。以下是常見音盆材料的匯總:

· 塑料:經(jīng)久耐用,防塵防水,精確的制造公差可減少失真,提高音質(zhì)。成本因厚度和生產(chǎn)工藝而不同。
· 紙和布料:具有良好的聲音和自阻尼,但會受濕度影響。這些材料由木質(zhì)纖維和添加劑制成,由于重量輕,通常用于大型揚聲器。
· 泡沫:泡沫很少單獨使用,與金屬或紙張等材料結合在一起,可增強內(nèi)部損耗,使聲音更加自然。

磁鐵類型也是影響揚聲器結構和性能的關鍵因素。下面總結了揚聲器中最常用的磁鐵類型:

· 鐵氧體:成本低,耐用,耐腐蝕,但重量大,不適合便攜式使用。鐵氧體在接近最大容量時性能良好。
· AlNiCo:音色經(jīng)典,不易開裂,但價格較高。如今,已較少使用,見于高端應用。
· 釹 (NdFeB):重量輕,磁場強度高,是小型高 SPL 揚聲器的理想選擇。這種材料具有良好的頻率響應性,但易碎。
· 釤鈷:價格昂貴,但具有出色的耐腐蝕性和溫度穩(wěn)定性。這種材料的強度較低,易碎。

結束語

了解揚聲器的機械結構有助于工程師創(chuàng)造身臨其境般的音頻體驗。本文重點介紹了選擇合適揚聲器時涉及到的各種部件和規(guī)格。不過,即使牢記這些參數(shù),也必須對最終設計進行全面的測試和測量。為此,Same Sky 推出一系列微型和標準揚聲器以及音頻設計服務。
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