当音乐响起时，你想知道扬声器背后的秘密吗

文_编辑部

关于扬声器的基本知识

扬声器是音响系统里面最常见的部件，属于最终回放声音的部件，也是决定最终声音效果最关键的部件。它是一种将电能转换为声音的换能器，你能从手机、平板、电视机或各种音响系统中听到节目源的声音都是它们的功劳。如果你在网上搜索扬声器的关键字就会出现各种各样外形，不同类型的扬声器图片，虽然它们的样子长得都不一样，但都是通过驱动空气，使空气分子的疏密程度发生变化，再传递到我们的耳朵里面让我们感知到声音。由于扬声器的类型实在太多，且应用广泛、涉及面甚广。因此，我们把话题定位到高保真音箱当中最常用的球顶扬声器和锥形扬声器里面。为什么要选择这两种类型扬声器？因为它们俩都是目前在技术上非常成熟，且大量生产的扬声器。如果大家在听音乐的时候，观察一下音箱上面的扬声器就会发现，高音扬声器的口径都比较小，而低音扬声器的口径都比较大，高音扬声器的口径又这么小，这是为什么呢？还有为什么要用硬度高的振膜呢？为什么要在振膜上有一圈圈的环状物？到底扬声器在发声的背后隐藏着什么秘密呢？如果你是一名专业人士，那么这些内容就未免太简单的，可以忽略。但如果你是一名影音小白，那么请阅读本次专题，你就能了解到一些关于扬声器的基本知识。

本次专题主要内容包括：

第一、基本原理，结构及能量转换过程

第二、球顶扬声器与锥盆扬声器一直占据着主导地位

第三、锥形扬声器

第四、为什么口径大的扬声器有利于低频回放

第五、为什么口径越小的扬声器越有利于高频回放

第六、振膜的几何形状对锥盆扬声器在高频重放的影响

第七、球顶扬声器

第八、扬声器的振膜在振动时会发生什么情况

第九、扬声器的行程范围

第十、扬声器的失真

第十一、发烧友为什么要追求大口径的低音扬声器

基本原理，结构及能量转换过程

球顶扬声器和锥形扬声器都属于电动式扬声器。电动式扬声器的原理就是把线圈放在磁场里，再接入交流电，线圈就会在磁场里产生前后往返运动。至于为什么会产生前后往返运动，请自行翻阅中学物理课本里面的“左手定则”和“右手定则”。当然，真正的扬声器还会复杂一点，还有磁铁、导磁板、支架（也叫盆架）、振膜（也叫音盆）、折环（用于连接振膜与音盆）、定心支片（也称弹波）等零部件。

刚刚说到扬声器是将电能转化为声音的换能器，而且也说到在一个通入交流电的线圈在磁场中做前后往返运动。其实扬声器从电能转换为声音的过程当中必须经历电能 → 机械能 → 声音的转换。也就是说，将电先转化为机械运动，然后由音圈带动振膜驱动空气，当然还有一部分能量是因为线圈通电发热产生热量给消耗掉。

球顶扬声器与锥盆扬声器一直占据着主导地位

球顶扬声器与锥盆扬声器出现以来一直占据了主导地位，即使这么多年以来，人类不断地开发出各种新型的扬声器，但依旧没有对它们的主导地位造成动摇。其原因是它们的结构简单，生产容易，本身不需要很大的空间，可以大量生产。而且它们在扬声器多年的发展史上也在不断被改进，包括从材料、工艺、磁路等方面，性能可谓与时俱进。因而，不难发现在音箱里面，绝大多数都是采用球顶扬声器与锥盆扬声器。

球顶扬声器通常用于高频，而少数用于中频播放，因为制作难度相对较大，例如，英国ATC、Volt，台湾TB Speaker就有球顶式的中音扬声器，也就是发烧友俗称的“馒头中音”，而锥形扬声器多用于中频，低频和超低频重放，也有用于全频声音重放锥形扬声器。

锥形扬声器

锥形扬声器是历史最悠久的电动式扬声器之一，于 1925年由Edward W.Kellogg和Chester W.Rice获得专利，美国专利号为1,707,570。锥形扬声器来自英文“Cone Speaker”，因为振膜的几何形状为圆锥形而得名。

锥形扬声器的结构可以分为三个部分：

1.振动系统部分：包括振膜、音圈、定心支片、防尘罩等；

2.磁路系统部分：包括导磁板、导磁柱、磁体等；

3.辅助系统部分：包括盆架、压边、接线端子、相位塞等；

锥形扬声器在国内以前也有人称它为纸盆扬声器，因为我们那时候经常接触到的锥形扬声器，其振膜主要采用纸张制作而成，这实际上是一种误解。尽管当今的锥形扬声器的振膜依然有采用纸制造，像专业音响里面的中音扬声器、低音扬声器的振膜通常都是纸盆。但同时也出现了其他材料（如金属材质、高分子材料）制作的振膜，这类锥形扬声器大多数应用在家用音响领域。

因为锥形扬声器多用于中频、低频和超低频重放，所以它们的振膜口径都比较大，常见的有4英寸、6.5英寸、8英寸、10英寸、12英寸等等，甚至还有口径更大的锥形扬声器，例如，Ascendo的SMSG50超低音音箱，振膜的口径达到50英寸！因此，振膜的口径越大，意味着锥形扬声器的有效驱动空气面积越大，能驱动更大量的空气，而且振膜的口径越大，可以发出频率更低的声音，但同时也需要更大的功率驱动。

为什么口径大的扬声器有利于低频回放？

我记得去年曾经做过一期关于超低音音箱的专题里面就已经解释过这个问题。但时间已经过去那么久了，现在再给大家复习一下。一个扬声器能重播到多低的频率取决于它的共振频率f0，而f0又由什么来决定的呢？

如左面的关系式，共振频率f0主要受振动系统的等效质量（m_0）和振动系统的弹性系数（S_0）所影响。其中，等效质量就是音盆（包括防尘帽），音圈的质量和因为震动带动的喇叭两侧的空气质量之和。系统的弹性系数（S_0）就是力顺（CMY）的倒数。力顺（CMY）受弹波（又称“定心支片”）和折环所影响，弹波和折环越柔软，会有较高的力顺，共振频率会降低，低频重播下限更低。

如此一来，加大振动系统的等效质量（m_0），减少弹性系数（S_0）（相当于增大力顺），那么就可以让共振频率（f0）往更低的频率下移，而增大音盆的口径，相当于增加振动系统质量，又或者使用较为柔软的折边和弹波都能实现更低的共振频率（f0），那么就代表着这低音扬声器能重放出更低的频率。虽然找到解决问题的方式，但总不可能无限制地增加音盆的口径，或使用非常柔软的弹波和折边，两者之间需要获得一个平衡点。

为什么口径越小的扬声器越有利于高频回放？

高频重播上限是取决于高频谐振频率f_h ，当重播频率高于此频率时声压级就会急剧下降。那么f_h由什么来决定的呢？下面同样以锥盆扬声器为例说明，再来看以下一组公式。

在公式里面，m1是音圈质量，m2是振膜质量，Sn是音圈根部劲度。由此可见，降低音圈和振膜质量，f_h值就会越高，高频重播上限越高。因此，越轻，口径越小的振膜和音圈就有利于高频的回放，这也是高频扬声器的口径都很小的原因。

由此可以知道，口径越大对低频重播有利，但高频重播的兼顾性变差，相反能保证高频重播就无法保证低频重播，这就是矛盾，仅仅靠一只扬声器是无法很好地兼顾高频与低频，所以在音箱设计上通常都会采用多路分频方式设计，且越贵的音箱往往会采用三分频、四分频，甚至五分频，每只扬声器只负责一小部分频率的回放，从而更好地兼顾高频和低频重播。

振膜的几何形状对锥盆扬声器在高频重放的影响

如果你再细心地观察还会发现，不同锥盆扬声器的振膜几何形状也有差异，有直线形振膜，抛物线振膜和指数形振膜，这三种不同的几何形状对扬声器的性能产生什么影响呢？答案是高频重播性能。经过大量的分析和实验可以得到这样一个答案，指数形振膜更有利于高频重播，且高频重播性能最平滑，因此这种指数形几何形状的振膜在全频扬声器里面较为常用，而直线形振膜和抛物线形振膜就常用于中音扬声器和低音扬声器。

球顶扬声器

球顶扬声器来自英文“Dome Speaker”，因为它的振膜是几何形状是往外面凸出的半球形而得名。由于常用于高频重播，所以球顶扬声器的振膜口径很小，最常见是1英寸或1.5英寸，材质都选用质量轻的材料，而且还根据材料选用有“软球顶扬声器”和“硬球顶扬声器”之分。软球顶扬声器的振膜通常是丝、麻等纤维类等软性的材料制作，通常还会在振膜上涂上一层涂料。硬球顶扬声器的振膜通常用金属材料制作，如铍、钛等金属制造，也有使用碳化硼、人造钻石等合成材料制作。

球顶扬声器的振膜除了往外凸出，还有往内凹的半球顶扬声器，也叫“反球顶扬声器”。这种球顶扬声器比较少。其中，法国FOCAL设计的高音单元就是“反球顶扬声器”。这种球顶扬声器可以安装定心支片作为双重支撑（定心支片+折环），这样可以提高振膜运动时的稳定性。

另外，专业音箱里面使用的压缩驱动头，有相当一部分产品的内部的振膜也是半球形振膜，只不过它的振膜安装在压缩腔体里面，我们平时看不到而已。压缩驱动器振膜的口径有1英寸，也有1.5英寸，而且还有更大的3英寸，甚至4英寸。压缩驱动器在使用时需要配合号角扩散器一起，这种组合比上述的球顶扬声器具备更高的效率，能输出更大的声压级来满足扩声要求。同样地，也有厂家在球顶扬声器前方安装一个号角扩散器，主要目的是为了控制声音的指向性。

分割振动会让振膜产生不规则的变形，导致频率响应出现不平坦

扬声器的振膜在振动时会发生什么情况？

我们用音响听音乐时会看到扬声器的振膜在振动，而且通过肉眼观察，你看到的情况是整个振膜往前往后移动。事实上是这样吗？很显然地，不是！振膜在前后运动时会发生什么事情？

首先是分割振动，以锥盆扬声器而言，它的音圈位于振膜的中心位置。当重播频率不断上升，振动速度加快的时候就会出现分割振动。简单说，振膜振动并不是整个膜都在做前后运动，而是不规则的振动，使得振膜的局部区域产生反相驱动空气，使得频响曲线产生颠簸；又或者振膜的中心部分振动幅度最大，边缘部分几乎没有振动。因此，使用锥形扬声器在播放高频时，而且播放频率越高，高频会越往中心发出。锥盆扬声器减少分割振动的手段通常都在振膜上做文章。比如，你看到JBL的大口径低音扬声器的纸盆振膜上有一圈圈环状造型的纹理，目的就是降低分割振动。另外，也有使用硬度更高的碳纤或者三明治结构作为振膜。

如果是半球型扬声器，因为音圈位于振膜外围。当它产生分割振动时，往往振膜的边缘在振动，中心部分几乎不动，或者不均匀地变形。于是，为了减少这些分割振动，厂家都会在振膜的材质或者表面处理做处理。以半球形扬声器而言，最常见的做法就是采用又轻又硬，声速快的材料。例如，在去年写的“只为更好的声音！回顾那些疯狂的音响设计”专题里面提到的铍、钻石、碳化硼这类高硬度、高声速的材质作为高音，甚至中音扬声器的振膜，我们称之为“硬球顶”，目的就是为了降低分割振动。而对于使用软性的丝膜材料制作的“软球顶”，通常都采用加固手段。例如，YG Acoustics的在高音扬声器的振膜加上一个铝合金支架来支撑，起到加固作用。

采用硬度高，声速快的铍金属作为振膜可以减少分割振动

低音扬声器振膜上一环一环的形状也是为了减少分割振动

扬声器的行程范围

当扬声器的音圈带动振膜往前，往后运动的过程当中会形成一定长度的前后位移，这就是行程。而行程范围与扬声器重播声音的频率和输出声压有直接的关系，输出声压越大，重播频率越低，扬声器就需要做更大的行程范围，反之越少。低音扬声器因为重播频率低，行程范围最大，尤其是你听交响乐、听打鼓、听流行音乐时，肉眼能看到低音扬声器的振膜在振动。但高音扬声器由于重放频率高，行程范围极短，即使是大声压输出状态下，肉眼就看不到它的振动。但行程范围不是无限大，最终受扬声器自身所限制，这个限制范围就是扬声器的行程范围，或者说最大行程范围。通常地，扬声器的最大行程范围用“±”+ 数字+ 长度单位进行标识。其中，“±”代表音圈从中央位置往前（或往后）的单方向位移，长度单位通常是毫米（mm）。例如，一只喇叭的最大行程范围标识为“±3mm”，那么它的单方向最大行程范围就是3mm，前后加起来是6mm。

除了最大行程范围，扬声器还有一个线性行程范围的参数（Xma x）。到底两者有什么区别呢？线性行程范围意思就是告诉你，扬声器在这个行程范围内可以保证较低的失真，可以保证很好的音质，而一旦超出线性行程范围就会出现非线性失真，音质开始劣化，当行程进一步加大时，非线性失真进一步加大，音质进一步劣化，如果超过最大行程范围时音圈会触碰到磁体底部，此时你会听到扬声器里传出“啪”一声，这就是俗称的“打底”，严重时会对扬声器造成损坏。

扬声器的失真

在上文中我们提及到扬声器的非线性失真，为什么会产生非线性失真呢？在文章的开头就说到，扬声器的音圈在交流电的作用下在磁场里运动。事实上，扬声器磁路部分的磁场本身存在均匀区和非均匀区。当音圈在磁场的均匀区做位移时，扬声器就可以保证在低失真的状态，一旦音圈的位移超过磁场的均匀区时就会出现非线性失真。与此同时，支撑材料也会引起非线性失真，支撑材料包括定心支片（球顶扬声器大部分没有定心支片）和折环。因此要改善扬声器的非线性失真，还是先从磁路、音圈、折边、定心支片等以及其他零部件上做优化。

非线性失真是衡量扬声器性能优劣的重要参数之一。说到这里你就会明白一个道理，除非你的扬声器性能非常厉害，否则在听音乐的时候就要注意音量，不要老是调大音量来听，也不要用听那些具备变态的低频音效的音乐来折磨你的扬声器，这样就可以避免扬声器的非线性失真，也避免其他不必要的，不可控的情况发生。

除了非线性失真外，扬声器本身还会存在其他失真。例如，互调失真。由于扬声器在播放音乐的时候是一个复杂信号，不同信号加载到扬声器上面播放时，不同信号之间也会相互调制而引起互调失真。瞬态失真。一个完美的，理想的扬声器，它的振动系统必须完全跟随输入信号的变化而变化。换一种表达方式就是，要求扬声器具备迅雷不及掩耳之势，对音乐能快速作出反应，起始和停止都能瞬间完成。而事实上，这世界上没有一款扬声器能满足这样的性能，这就是扬声器的瞬态失真。

说到扬声器的失真，以上只是少部分，真正要讨论失真这个话题，那是一个很复杂的话题，还是留给电声工程师去衡量吧！

扬声器的总谐波失真曲线，从高频到低频所呈现的曲线是非线性变化的

a是对扬声器输入的脉冲信号 b是扬声器输出的脉冲响应

发烧友为什么要追求大口径的低音扬声器？

“小口径喇叭的低音假，大口径喇叭的低音宽松自然”这是音响发烧友常常挂在嘴边的一句话，久而久之已经成为了发烧圈子里面的金科玉律。到底为什么发烧友要追求大口径的低音扬声器呢？

假如一只6.5英寸的扬声器与一只15英寸的扬声器同样重播50Hz的频率，声压级要达到90dB，由于6.5英寸口径的扬声器由于驱动空气的有效面积比较小，需要做更长的行程才能驱动足够的空气量来达到所需声压级，但一来一回的行程长了就容易产生非线性失真，而且瞬态响应也会变慢，所以低音听起来能量大，但缺乏质感，缺乏清晰度，这就是听感上觉得很假，不干净的原因。如果用音频分析仪去测量扬声器的失真，测试数据显示20%，甚至达到50%都是很正常的。

对于15英寸的扬声器，由于驱动空气的有效面积比6.5英寸的扬声器要大，相比之下只需要更小的行程就能驱动与6.5英寸口径扬声器相同的空气量，更小的行程意味着非线性失真更低，瞬态响应也更好，所以低音听起来干净，宽松自然，能量充沛。所以说，要播放低音，低音扬声器必定是“一寸大，一寸强”。这就是为什么发烧友玩音响追求大口径低音扬声器的原因了。

当然，要控制好低音扬声器的失真，除了扬声器自身的性能外，与电子线路之间的配合也是非常重要。通常都会使用反馈修正的方式来降低失真。例如，低音扬声器的音圈上有两组线圈，一组是放大器驱动，另一组是反馈线圈，把信号反馈到放大器输入端做对比，最后作出修正，还有利用加速度传感器检测振膜的运动状态，把信号反馈到放大器的输入端做对比，再作出修正，有关于这些内容，我们在去年的“八仙过海，各显神通，浅谈常见的几种低音炮设计”专题里面就有相关内容。

总结：

关于扬声器的知识，以上的内容只能算是皮毛，如果你想了解更多关于扬声器的知识，我们建议大家还是购买相关的专业书籍继续学习。对于扬声器而言，你必须知道的是，这世界上没有一个完美的扬声器，而且扬声器本身就是个矛盾体，而且解决了一个问题，又会有新的问题出现。例如，口径大的有利于低频重播，口径小的却有利于高频重播，所以一只扬声器是无法很好地兼顾全频重播。于是，科学家们又想出了多路分频，多只扬声器设计来实现全频回放，这又牵涉到分频器的设计问题，如此一来又增加了设计难度。而人类在多年来为了提高扬声器的性能，给消费者带来优质的听觉体验也是费尽了心思。

另外，扬声器也是一套音响器材当中失真最大的部件。尽管驱动扬声器的功放可以实现非常低的失真（如总谐波失真可以低到小数点后3位数），但对于有一只扬声器，假如在特定的频响范围内，输出声压90dB，总谐波失真达到0.5%已经属于非常优秀的产品，这相比起功放、甚至播放器来说，扬声器绝对属于失真最大的部件。如果你是一名发烧友，我们建议你在选购音响系统的时候，必须在自己的预算范围里选择一款好的音箱，而且在选购之前必须多试听，多对比，在价位接近的产品里面对比，哪个音箱能给你带来更清晰干净，细节更丰富的声音，那么它就是你的最佳选择。