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來源：Digikey 作者：Nick Grillone, Applications Engineer, Same Sky 揚(yáng)聲器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)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(yáng)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(guān)鍵部件。本文詳細(xì)介紹揚(yáng)聲器技術(shù)，包括基本工作原理、重要規(guī)格、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)、音盆和磁鐵類型等。 揚(yáng)聲器基礎(chǔ)知識(shí) 揚(yáng)聲器發(fā)出聲音是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的過程，利用了電磁學(xué)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的原理。一切從電信號(hào)開始，電信號(hào)代表了需要再現(xiàn)的音頻內(nèi)容。這種信號(hào)可能來自各種不同的源頭，如智能手機(jī)、筆記本電腦或任何其他旨在產(chǎn)生電脈沖的音頻設(shè)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(hào)都是揚(yáng)聲器即將創(chuàng)造出的聽覺體驗(yàn)的電氣藍(lán)圖。 揚(yáng)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(dǎo)線，與柔性音盆或振膜相連。這個(gè)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(dāng)電信號(hào)通過揚(yáng)聲器的導(dǎo)線時(shí)，音圈通電，在電磁力的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生一系列動(dòng)作。電流在線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的極性隨電信號(hào)的變化而變化。 揚(yáng)聲器的運(yùn)動(dòng)取決于這些磁場(chǎng)之間的相互作用。隨著電場(chǎng)的波動(dòng)，它們交替地排斥和吸引，導(dǎo)致音圈及其附帶的音盆快速來回移動(dòng)。音盆的振蕩運(yùn)動(dòng)與周圍的空氣分子相互作用，使它們隨著音盆的運(yùn)動(dòng)而振動(dòng)。 這些振動(dòng)在空氣中產(chǎn)生壓力波，壓力波會(huì)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(hào)轉(zhuǎn)化為豐富的聽覺體驗(yàn)。 
圖 1：揚(yáng)聲器的工作原理。（圖片來源：Same Sky） 通過對(duì)揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)幾個(gè)共同作用產(chǎn)生聲音的關(guān)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(diǎn)說明了揚(yáng)聲器在拆卸（圖 2）和組裝（圖 3）狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖 2：揚(yáng)聲器組件的分解視圖。（圖片來源：Same Sky）
圖 3：揚(yáng)聲器組件的裝配視圖。（圖片來源：Same Sky） 揚(yáng)聲器的重要規(guī)格和注意事項(xiàng) 對(duì)揚(yáng)聲器的工作和結(jié)構(gòu)有了基本了解后，選擇揚(yáng)聲器時(shí)的重要考慮事項(xiàng)就是幾個(gè)關(guān)鍵的規(guī)格和性能標(biāo)準(zhǔn)。這些參數(shù)對(duì)于確保揚(yáng)聲器能否達(dá)到所需的音頻性能和可靠性標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。 · 聲壓級(jí) (dB)：聲壓級(jí) (SPL) 量化了空氣中的聲波強(qiáng)度，其本質(zhì)上表示響度。與聲源的距離和環(huán)境條件都會(huì)影響聲壓級(jí)。分貝 (dB) 是衡量聲壓級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)單位。對(duì)于揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)、各種環(huán)境下的噪音水平評(píng)估來說，了解聲壓級(jí)極為重要，這是噪音控制和監(jiān)管的關(guān)鍵。 · 最大輸入功率 (W)：此規(guī)格表示揚(yáng)聲器在不出現(xiàn)永久性損壞的情況下短時(shí)間內(nèi)可承受的最大功率。 · 標(biāo)稱輸入功率 (W)：標(biāo)稱輸入功率指揚(yáng)聲器在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)能夠承受的安全功率。這是確保揚(yáng)聲器在正常工作條件下的長(zhǎng)使用壽命和高可靠性的關(guān)鍵。 · 阻抗 (Ω)：用于測(cè)量電流從放大器流向揚(yáng)聲器的電阻。阻抗越低，揚(yáng)聲器的功率就越大，因此揚(yáng)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(duì)于實(shí)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(shè)備損壞極為關(guān)鍵。 · 諧振頻率 (Hz)：這是揚(yáng)聲器的最有效振動(dòng)頻率，有助于深度了解揚(yáng)聲器的低頻響應(yīng)。了解諧振頻率有助于比較不同揚(yáng)聲器的性能，尤其是低頻性能。 · 尺寸 (mm)：揚(yáng)聲器的尺寸直接影響其頻率范圍。尺寸較小的揚(yáng)聲器針對(duì)較高頻率進(jìn)行了優(yōu)化，而較大的揚(yáng)聲器則在較低頻時(shí)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(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，這種關(guān)系是關(guān)鍵。 · 總 Q 值：Thiele-Small 參數(shù)（即總 Q 值）用作為揚(yáng)聲器選擇理想箱體類型的廣泛基準(zhǔn)值。如果總 Q 值為 0.4 或更低，則表示揚(yáng)聲器最適合安裝在通風(fēng)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(yáng)聲器適合自由空氣、半開放式背板或無限隔板設(shè)置。然而，這些準(zhǔn)則并不是絕對(duì)的，重要的是要考慮設(shè)計(jì)中的所有相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到理想的音頻性能。 · 侵入防護(hù) ：揚(yáng)聲器具有各種不同的侵入防護(hù) (IP) 等級(jí)，以應(yīng)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(yīng)用需要，揚(yáng)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(yáng)聲器連接配置。（圖片來源：Same Sky） 揚(yáng)聲器的測(cè)量和測(cè)試 在按照上文提到的主要規(guī)格選擇揚(yáng)聲器后，還必須測(cè)量和測(cè)試，以確保揚(yáng)聲器能正確地集成到設(shè)計(jì)中，并發(fā)揮預(yù)期的性能。Same Sky 的音頻設(shè)計(jì)服務(wù)將為這些關(guān)鍵的測(cè)量和測(cè)試提供支持： · 頻率響應(yīng)：揚(yáng)聲器對(duì)全頻段聲音的再現(xiàn)程度的可視化。Same Sky 關(guān)于音頻范圍和諧振頻率的兩篇博文較詳細(xì)地討論了頻率響應(yīng)圖。 · 階躍頻率掃描：針對(duì)假頻進(jìn)行更詳細(xì)的頻率響應(yīng)分析。 · 電平和增益：決定揚(yáng)聲器的能量輸出能力。測(cè)量方法是將設(shè)備的輸出電平除以輸入電平。 · 總諧波失真加噪聲 (THD+N)：當(dāng)在音頻信號(hào)中加入了不需要的音調(diào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波失真，從而降低音質(zhì)。THD+N 是一個(gè)用單一數(shù)字表示的性能指標(biāo)，已被廣泛理解和接受。 · 相位：描述波形與基準(zhǔn)信號(hào)之間的時(shí)間偏移。音頻設(shè)計(jì)中的兩種主要相位測(cè)量是設(shè)備輸入/輸出相位和通道間相位，后者可確保系統(tǒng)中多個(gè)揚(yáng)聲器之間的正確同步。 · 摩擦和嗡嗡聲：檢測(cè)低頻刺激產(chǎn)生的高頻諧波產(chǎn)品，有助于識(shí)別造成不必要噪音的缺陷。 · Thiele-Small 參數(shù)：這組測(cè)量可捕捉被測(cè)揚(yáng)聲器的復(fù)合阻抗，并提供決定揚(yáng)聲器低頻性能的機(jī)電參數(shù)。Thiele-Small 參數(shù)（包括總 Q 值）對(duì)于揚(yáng)聲器箱體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)測(cè)試至關(guān)重要，因?yàn)檫@些參數(shù)描述了揚(yáng)聲器與箱體的相互作用方式。 · 阻抗：測(cè)量揚(yáng)聲器的阻抗對(duì)于了解揚(yáng)聲器對(duì)交流信號(hào)流動(dòng)的阻力非常重要，如來自放大器的音頻信號(hào)。阻抗以歐姆為單位，會(huì)影響揚(yáng)聲器從放大器汲取的功率大小，以及揚(yáng)聲器的工作效率。 揚(yáng)聲器的音盆和磁鐵類型 揚(yáng)聲器振膜的材料對(duì)音質(zhì)有很大影響。數(shù)據(jù)固然有用，但傾聽和測(cè)試才是關(guān)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(yīng)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(huì)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(yáng)聲器。 · 泡沫：泡沫很少單獨(dú)使用，與金屬或紙張等材料結(jié)合在一起，可增強(qiáng)內(nèi)部損耗，使聲音更加自然。 磁鐵類型也是影響揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵因素。下面總結(jié)了揚(yáng)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(shí)性能良好。 · AlNiCo：音色經(jīng)典，不易開裂，但價(jià)格較高。如今，已較少使用，見于高端應(yīng)用。 · 釹 (NdFeB)：重量輕，磁場(chǎng)強(qiáng)度高，是小型高 SPL 揚(yáng)聲器的理想選擇。這種材料具有良好的頻率響應(yīng)性，但易碎。 · 釤鈷：價(jià)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(qiáng)度較低，易碎。 結(jié)束語 了解揚(yáng)聲器的機(jī)械結(jié)構(gòu)有助于工程師創(chuàng)造身臨其境般的音頻體驗(yàn)。本文重點(diǎn)介紹了選擇合適揚(yáng)聲器時(shí)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(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的測(cè)試和測(cè)量。為此，Same Sky 推出一系列微型和標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器以及音頻設(shè)計(jì)服務(wù)。 |
