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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，是音頻系統中的重要部件。要充分了解揚聲器在聲音再現過程中的作用，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的音頻內容。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。這個線圈內部環繞著一塊永久磁鐵，建立了聲音產生的核心。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生一系列動作。電流在線圈周圍產生磁場，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，我們可以發現幾個共同作用產生聲音的關鍵部件：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）狀態下的內部結構。
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格和性能標準。這些參數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，其本質上表示響度。與聲源的距離和環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，這是噪音控制和監管的關鍵。 · 最大輸入功率 (W)：此規格表示揚聲器在不出現永久性損壞的情況下短時間內可承受的最大功率。 · 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最佳性能、高效功率傳輸、保持高保真聲音重現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化，而較大的揚聲器則在較低頻時表現更佳。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時，這種關系是關鍵。 · 總 Q 值：Thiele-Small 參數（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，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，以應消除惡劣環境中的濕氣和污染物的影響。 · 安裝方式：根據應用需要，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時，就會產生諧波失真，從而降低音質。THD+N 是一個用單一數字表示的性能指標，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：檢測低頻刺激產生的高頻諧波產品，有助于識別造成不必要噪音的缺陷。 · Thiele-Small 參數：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。Thiele-Small 參數（包括總 Q 值）對于揚聲器箱體設計和生產測試至關重要，因為這些參數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有很大影響。數據固然有用，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、環境和應用。以下是常見音盆材料的匯總： · 塑料：經久耐用，防塵防水，精確的制造公差可減少失真，提高音質。成本因厚度和生產工藝而不同。 · 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格。不過，即使牢記這些參數，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。 |
