电声换能器与扬声器打摩

吴 迪

（郑州市电子信息工程学校 河南 郑州 450007）

为什么国产扬声器的价格仅为进口产品的十分之一?为什么国产喇叭的音质一般都比进口产品差？为什么发烧友宁愿花大的代价也不愿换用低端国产音响？我们忽视了一些基础的东西，电声换能器是打摩扬声器必不可少的理论依据，希望音响界对它给予足够的重视。

1 电声换能器的分类

电声换能器主要有以下四类。

1.1 电动式：电动式换能器是利用安培定律和电磁感应定律将声能和电能相互转换的换能器。图1所示为电动式扬声器的工作原理截面图，线圈放置在环状磁隙中，当导体通过音频电流时，导体在磁场内做切割磁力线运动，带动振膜发出声音，实现电声转换。

图1

图2

1.2 电容式：电容式换能器是利用电容极板间的静电力实现电声转换的。图2所示当可变电容两极板间加有音频信号时，由于极板间电压发生变化，产生变化的电场力，将电能转化成声能。

1.3 压电式：压电式换能器是利用压电效应实现电能与声能相互转换的，多用压电陶瓷等晶体制造。

1.4 气流调制式：气流调制式只能将电能转化成声能，但这种换能器输出功率可达几千瓦，适用于远距离扩声、远程报警等场合。

2 换能器的等效四端网络

将换能器建立成数学模型，有助于对其进行分析和计算。

2.1 电动式换能器的等效四端网络：如图1所示，线圈处于环形磁隙中，假设通过线圈的电流是I，磁感应强度为B，线圈总长为L，由安培定律可知线圈受力为BLI。若振膜上受外力为F，则振动系统受合力为F+BLI。换能器的力方程就可写成 F+BLI=ZmoV公式中V表示振膜振速，Zmo表示系统开路阻抗 Zmo=Rmo+jωMmo+j/（ωCmo），公式中 Rmo为等效力阻，Mmo为等效质量，Cmo为等效力顺。经过分析，我们可以画出电动式换能器的等效网络如图3所示。

图3

图4

2.2 电容式换能器的等效四端网络：根据电容的基本原理和换能器的力学特点，我们也可以得到电容式的等效网络如图4所示。 电容式换能器的力方程为 F-UI/（jωXo）=ZmoV公式中U表示极板间电压，Uo表示极板间的初始极化电压，Xo表示极板间的距离。

3 了解换能器的意义

当换能器作为电声器件时，我们不仅希望它的输入输出成线性关系，而且希望它的频率特性是平坦均匀的。多数换能器在20—20kHz音频的中低频段近似认为是集中参数系统，而这样一个系统，都存在一个共振频率ωo。我们对这种换能器或设备有三种控制方法：一种为力阻控制，调节Rmo（或者 Q）；一种为质量控制，调节 Mmo；一种为弹性控制，调节Cmo。这是打摩音箱或音响设备的根本理论依据。

4 扬声器的打摩与改造

扬声器是将电能转换成声能的换能器，电学端是它的输入端，力学端是它的输出端，输出负载是振膜的辐射阻抗。利用换能器的等效网络，可以画出扬声器的等效线路，然后对它进行分析与改进。

4.1 对音圈的打摩与改造

采用长音圈或短音圈代替普通音圈：加长或缩短音圈是为减小由磁场不均所产生的非线性矢真，主要应用于低音扬声器，但短音圈在球顶式扬声器中也多有应用。短音圈指的是音圈长度比磁隙长度小，一般取的音圈长度小于导磁板厚度与2倍音圈最大振幅之差，使音圈在振动时不致于跳出磁场均匀区，避免了非线性矢真。但这种方法磁场的利用率较低，为了达到一定的灵敏度和功率必须增大磁钢的体积。所谓长音圈的音圈长度一般超过导磁板厚度与2倍音圈最大振幅之和，使音圈振动时切割决大部分磁力线，使平均磁感应强度保持恒定。但由于平均磁场比匀强磁场弱，因此扬声器的灵敏度也会降低，但为了得到优美的声音，牺牲一些灵敏度和增大磁钢体积也是值得的。图5分别为短音圈、普通音圈和长音圈示意图。

图5

音圈截面的打摩：导线截面有圆形和矩形之分，矩形截面导线能有效地利用空间，使磁通均匀，但绕制较困难，只出现在高级扬声器中。音圈绕制的层数应该取偶数，即两层或四层，现在多数扬声器都应做这样的改造。另外音圈所用的材料主要有铜、铝、铜包铝三种，铜线可焊性好，铝线效率高，铜包铝线有二者的优点。

4.2 对纸盆的打摩与改造

改造纸盆形状：按纸盆母线可将纸盆分为直线形、指数形、抛物线形三种，如图6所示。抛物线形纸盆半顶角大，高频上限附近有一个尖峰，适合做低音扬声器。直线形纸盆比较多见，适合做低音扬声器，但频响曲线不够平直。指数形纸盆半顶角小，没有明显峰值，适合做宽频带和高音扬声器，但不适合做中低音扬声器。

图6 不同母线形状扬声器及其频响示意图

改造纸盆内部结构：纸盆材质结构分为单层结构、多层结构和蜂巢结构三种。目前多数扬声器为单层纤维结构，由于各种纤维形状不同，比例不均匀，透气性也不能满足要求，放音会出现局部共振和分割矢真，要想得到更好的音质，必须对纸盆进行打摩和改造。多层结构纸盆由性质不同的材料叠积组成。蜂巢结构纸盆为中空构造，提高了纸盆强度并使放音更均匀，后两种结构较复杂只出现在高档扬声器的生产中。

打摩纸盆外部结构：用等效分析的方法可以得到以下的结论——要降低扬声器的低频下限频率，就要增大振动系统质量，增大振动辐射面积；而要提高上限频率，又要减小振动系统质量，减小振动辐射面积。这显然是一对矛盾。对于低音扬声器，可以加重其纸盆质量，比如用金属或液态防尘罩等，对高音喇叭则应相反。有些厂家把纸盆做成了双纸盆结构，如图7所示，双纸盆可以在一定程度上展宽频带，但由于大小纸盆都连在同一个音圈上，因而互调矢真加大，还是应该对低音扬声器和高音扬声器分别进行打摩和改造。在纸盆上加环状折皱可以改善元件力顺，抑制高频峰值，因此优质扬声器纸盆上都加有各种折皱结构。

图7 双纸盆结构示意图

4.3 折环的打摩

折环是振动系统的支撑结构，它要保证纸盆沿轴向振动，并要阻挡纸盆前后空气的流通。大多数折环应具有2～3个波纹，质量一般很轻，当折环质量不可忽略时，折环的等效质量为其实际质量的三分之二。折环在改造时应采用不易激发共振的不对称形状，比如将原喇叭的正铉波纹改成锯齿波纹；折环应采用阻尼较大的材料，也可涂上阻尼树脂，以抑制共振幅度；适当减小折环宽度，改善扬声器中频特性。

4.4 给磁钢加短路环

加短路环是为了改善扬声器高频声辐射，展宽高频上限，同时减小高频电流矢真的一项措施。短路环其实就是套在导磁柱上的一个薄铝套或者铜套，厚度为0.3mm左右，起到音圈次级线圈的作用。它可以改善音圈的电感性，减小电流的非线性矢真。也可以采用线性磁路的方法，即在导磁柱中央挖出凹形缺口，以减小导磁的非线性。

图8 磁钢短路环和线性磁路示意图

4.5 对号筒扬声器号筒的打摩

图9 声透镜示意图

号筒式扬声器的非线性矢真主要由号筒前室空气的非线性和喉部声波的传播所引起。由于高音辐射具有尖锐的指向性，为了改善声音的辐射特性，可采用以下矩形、径向弧形、多格形状的号筒。矩形号筒加工简单，声音指向性也有所改善；径向号筒将声音以同心圆的状态向外传播，可以获得较宽的水平指向，也是使用较多的号筒；多格号筒相当于若干号筒紧贴组成的扇形辐射器，高频指向性稳定。另一种改善号筒指向性的方法是采用声透镜，如图9所示，声波在透镜中经过多次反射加长了行程，相当于声速变慢，声音以球面或圆柱面的形式向外辐射，声音更稳定。

应用电声换能器理论除了可以解决上述问题之外，还可对其它音响设备进行分析和打摩改造，比如音柱采用怎样的结构和几单元最合理，在什么场合下使用什么样的拾音器最符合要求等等。希望厂家或者发烧友在打摩音响时灵活运用换能器，使设备放出更加优美的声音。