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喇叭单元内部结构

时间:2016-05-03?????? 来源:未知

一、折环
      折环,又叫皮边。它的作用首先是为锥盆(2)的运动提供一定的顺性,也就是具有一定的柔性,让锥盆可以前后运动,另外还有辅助定心支片(4)对锥盆音圈进行定位,让音圈保持在磁隙中央,并提供锥盆运动的回复力的作用。
      在最早的喇叭上,折环就是锥盆最外沿的部分,也就是没有专用的折环材料。后来出现了皮革、布基、橡胶、塑料等各种各样的折环材料,折环形状也多种多样。根据折环的作用,有时候可以从折环的形状粗略估计单元的冲程情况,宽而高高鼓起的折环常常意味着单元有较大的冲程,但这并不准确。另外宽大的折环往往对声音有不利的影响,下文马上提到。
      虽然现代的折环从锥盆中分离出来,是一个独立的结构,但它仍然会对声音有很大的影响。
      一个方面,折环跟着锥盆一起振动,这个振动对喇叭单元整体的声音辐射有贡献。因此计算单元的有效振动直径时,通常要包含折环一半的宽度(也有只计1/3的)。所以有效振动直径就是折环中部所围的圆的直径。
      另一个方面,折环的振动又无法与锥盆完全一致,它有自己的谐振特性,可能在某个频率处与锥盆的运动正好反相,于是就产生了一种现象,即所谓的折环反共振,并影响锥盆的运动,最后在声音输出上产生“中频谷”。所以呢,折环最好能自己消耗掉这种振动的能量,也就是要有很好的内阻尼。不同的材料具有不同的内阻尼,一些胶水也常常被涂在折环上用来提高内阻尼,以抑制中频谷。另外折环的形状、几何尺寸等对"中频谷“也都有影响。“中频谷”不仅仅可以从频率响应曲线上看出,由于它是一种谐振引起的现象,所以常常还会很明显地体现在阻抗曲线上
      另外,有些折环材料的顺性受气温等影响较大,当气温较低时,有些单元的谐振频率fs就会升高,比如我用过的vifa P13wh,在南方的冬天会升到300Hz以上,非常恐怖。但这种情况在其他hifi喇叭单元中并不常见。
二、锥盆
      锥盆,又叫振膜,也就是喇叭单元中最重要的一个振动部件,由它来直接驱动空气,把单元的机械运动,转换为空气的声波传递运动。锥盆直接决定了单元重播声音各个方面的性能,例如频率响应、失真、甚至灵敏度等。其中,锥盆的大小、几何形状、材料性能、质量(重量)等方面的特征都是重要的。
      这些因素中,首先是锥盆材料。最早的锥盆材料就是纸,当然,纸的种类本身就非常多,性能也有巨大的差别。后来又发展出金属(铝等)、塑料(如聚丙烯等)、高分子纤维(芳纶纤维、碳纤维等)、精细陶瓷(氧化铝陶瓷等)、复合材料(钻石涂层、三明治结构)等等,不胜枚举。
      理想的锥盆材料应该是刚性(杨氏模量)极好,密度极小,内阻尼大等。杨氏模量大是为了使喇叭单元重放声音的带宽(频响范围)足够大,特别是为了提高重放范围的上限,因为在低频区,可以认为锥盆是作为一个整体来运动的,这个频率范围就是所谓的活塞运动区,这时候声音的重放性能主要是由单元的电和力方面的设计决定的。当重播的频率提高时,锥盆就无法做为一个整体来运动了,而是会产生所谓的分割振动,锥盆各个区域的振动行为各不相同,如下图所示:
      低到420Hz,这个六寸半的单元就开始分割振动了。
      分割振动的出现,使得频率响应不再平滑,出现许多峰谷,并产生失真。很多金属锥盆严重的分割振动的谐振峰(也有人称之为盆裂峰)的高度可以高达10dB以上。除了峰以外,分割振动的谐振现象在频响曲线上也可能表现为谷。
      金属盆的分割振动谐振峰明显,并不意味着非金属锥盘就没有严重的分割振动,而可能是更严重(在较低的频率就开始了,我曾经开玩笑地形容说“高频基本靠抖”)。但是许多非金属材料,如纸、聚丙烯、具有良好的内阻尼,较好地吸取了这些分割振动的能量,所以在频率响应曲线上看,谐振产生的峰谷不是很明显,但毕竟存在。这些谐振严重时也可以从阻抗曲线上看出来。 
      为了提高内阻尼,有些锥盆表面还涂上某种胶水。而锥盆表面有时也做出各种形状的加强筋,主要目的也是抑制分割振动。
      重播的上限还与锥盆的质量以及形状有关,如盆剖面是直线形、抛物线型还是指数形,盆的顶角等等。锥盆的质量也影响重播的下限。
      喇叭单元,特别是高音单元中,振膜(这时候不能叫锥盆了)的形状还影响重播声音的指向性。一般来说球顶的指向性比反球顶的广。
      一种很特殊的振膜形状是平板振膜: 
      一般来说,平板振膜由于消除了锥形振膜中存在的前室效应,所以一定程度上可以抑制中频谷,但指向性不好,目前大多数平板扬声器的音质也不是很理想。
三、防尘罩
      防尘罩么,不就是个盖子,有啥好说的?
      没错,盖子是它的首要功能,防止异物落在磁隙中影响音圈的运动。它做为一个盖子,同时还具有一个和折环一样的功能,就是把锥盆前后方的空气隔离开,避免向后辐射的声音绕到前方,而造成声短路。      (但事实上有少数单元的防尘罩特意留有小孔,为什么捏?(问题4))
      但是防尘罩是粘在振膜的中央和振膜一起运动的,所以它也会推动空气,产生声辐射,因此防尘罩也会影响音质。不同的防尘罩,形状和材质不同,常见的是鼓起来的一个球顶形状的,也有凹下去的,如下图的喇叭用的:也有些防尘罩与振膜是一体成形的,如Dynaudio的低音单元,采用大音圈的同时使用大型的一体成形防尘罩,这样的防尘罩使得整个锥盆的形状有点接近平板振膜,好处是可以抑制中频谷,并且组装的工艺可以简化。另外,防尘罩的材质也会影响单元的频率响应。出于市场的考虑,防尘罩还被赋予了重要的装饰功能,特别是在车用超低音单元上。
      有不少单元并没有防尘罩,比如SEAS的许多单元在导磁柱上安了一个金属的相位塞,这防尘罩就没地方装了。相位塞可以改变声波传递的途径,对声音输出有一定的影响,但单元的防尘功能就差了一些,后向辐射也会在一定程度上“泄露”到前方来。对于SEAS的一些单元来说,金属相位塞最重要的优点应该是它加强了音圈的散热,可以提高单元的功率。
四、定心支片 
      定心支片,又叫弹波。它的功能主要是为锥盆的运动提供回复力,并使音圈在运动时仍能保持在磁隙中的正确位置。除此之外,它还能防止异物落入磁隙。虽然很少被人注意到,但在高保真低音单元中,定心支片的性能对单元低音的重播有非常重要的影响。它不仅和锥盆、折环以及音圈一起决定单元的fs、Qts等T/S参数,还影响单元的动态、失真等性能。大声压下单元的性能与定心支片有很大的关系,但是目前国内相关行业对这方面的认识似乎还不是很充分。
      定心支片一般用棉、麻、聚?亚胺、NOMEX等纤维织成的布做成,然后浸上树脂使之定形(波浪形)、变硬。力-位移曲线是定心支片的基本参数。
      新单元的定心支片比较硬,经过一定时间的工作之后会慢慢变松,使得单元整体的fs、Qts等均发生变化,这也是“煲”喇叭的主要原因。
五、盆架
      盆架是整个喇叭单元的骨架,大多数部件都直接或间接地固定在盆架上。但它对声音的影响却相对较小。盆架主要用铁皮、铸铝或塑料做成。大家都喜欢铸铝的盆架,因为看起来摸起来都很爽。铁皮盆架和塑料盆架的成本当然要低许多。 
      至于盆架对声音的影响,主要在两个方面,一方面是盆架的刚性不够时,可能在单元工作时产生谐振,那就会使频率响应产生峰谷,并导致失真,但这个问题通常都比较轻微。另一个方面,设计不良的盆架可能会使锥盆后方的气流受到影响,声波在盆架内的反射也会影响声音的输出。所以现代的高保真低音单元的盆架都是相当的开放。 
六、音圈骨架
      音圈是喇叭单元发声的中心部件,喇叭完成从电能到机械能的转换,就是依靠音圈来进行的。
      音圈处在上夹板与导磁柱围成的磁隙中,当电流通过时,就产生力,发生运动。这个力是磁隙中的磁通密度与音圈导线长度的乘积,记为BL,它也是喇叭单元的重要参数之一。
      音圈的工作与磁路关系非常密切,首先是它们几何尺寸的相对大小就会明显影响喇叭单元的声音表现。按照音圈绕线的宽度与磁隙高度之间的关系,可以把喇叭单元的音圈磁路结构分成两大类,一类是长音圈结构,另一类是短音圈结构。 
      由于磁隙中的磁场是比较均匀的,而磁隙外的磁场是不均匀的。所以在一定范围内,也就是所谓的线性冲程内,短音圈结构利用的始终是均匀的磁场,而长音圈利用的磁场中总有一部分是不均匀的,所以一般而言,短音圈结构天生具有较低的失真,但只能利用磁场的一部分,效率很低;而长音圈失真较高,但效率也较高,有利于控制成本。所以现在大多数喇叭单元为长音圈结构,短音圈结构则很少见,而且大多数是用在高音单元或中音单元上。上面给出的scanspeak的低音单元是少数短音圈设计的低音单元之一。
      根据这些原理可知,对于短音圈结构,线性冲程的计算方法一般为(磁隙度度-音圈绕宽)/2。长音圈结构的线性冲程应如何计算?(问题9)因此,为了得到足够的线性冲程,短音圈结构的低音单元通常具有非常厚的上夹板和很窄的音圈绕宽,但非常厚的上夹板又会让磁隙中的磁通密度下降,加上短音圈只能利用其中一部分的磁能,所以要得到适当的效率,就要使用巨大的磁体。下图是aune开发中的某款3寸小单元,磁体直径比振膜还大,上夹板与磁体差不多厚,高达8mm(多数6-8寸hifi单元的上夹板厚度为4-5mm):音圈上的绕线层数可以从1层到多层,有很大的变化,它与绕线的宽度和线径,一起决定绕线的长度、音圈的质量和电感等,从而进一步影响单元的阻抗特性、频率特性、功率承受能力等。常见的是2层与4层。一般来说多层音圈的电感较大所以高频响应较差。但上图中的小单元绕线层数高达8层,却依然保持了很宽的重放带宽。
      音圈线有铜线和铝线以及铜包铝线,其中铜包铝线的综合性能较优。音圈线的截面形状又有圆形和扁平之分,扁平线有利于提高效率。
      喇叭单元的额定功率与音圈关系最大,可以说单元的额定功率接近于音圈不被烧伤烧毁的最大功率。其中,音圈的直径、导线的漆膜耐温性以及音圈骨架的种类有很重要的影响。
      音圈骨架常用的材料可以分为金属与非金属。非金属的主要有纸、聚酰亚胺、云母增强树脂等;金属材料常用的有铝和黄铜,其中铝合金是目前大功率单元最常用的音圈骨架材料。
      由于金属在磁场中运动时会切割磁力线而产生涡流,所以要在骨架上纵向切开一个细缝。但这个细缝并不能杜绝涡流的产生,而涡流又导致损耗、失真和阻尼,所以铝骨架音圈的Qms一般较非金属骨架低。非金属骨架则不存在涡流现象,因而具有较高的Qms,同时也避免了涡流导致的失真。
七、导磁板柱
      上夹板又叫前夹板、华司等。导磁板柱又叫T铁,它又可以分成下(后)夹板(与上夹板合称导磁板)和导磁柱两个部分。它们和磁体共同构成了单元的磁路系统。
      磁体在喇叭单元发展的最初阶段采用过电磁铁,也就是励磁电路,现在基本上完全被永磁体代替(除了极少数发烧友自己玩的)。喇叭单元的磁体类型主要有铁氧体、钕铁硼和铝镍钴三大类,铝镍钴具有很好的特性,但价格太高,现在很少采用。铁氧体成本低且稳定,使用最多。钕铁硼磁能积高,使用也较广泛,但居里点较低,也就是不耐热。最近稀土价格猛涨,也波及了喇叭磁体市场。
      导磁板与导磁柱一般用低碳钢或纯铁制成,要求磁导率高。
      上面对长短音圈结构的图解中所示的磁路是最常用的外磁式磁路,另一种较少采用的是内磁式磁路,其结构如下图看示(磁体位置标错了,应该在所标的上方):
      磁路系统还包括一个本帖第二个图上看不出来的但非常重要的部分--磁隙。磁隙并不是一个实体的部件,而是由导磁柱和上夹板围出来的一个磁场强度很高的狭缝,可以说磁体、导磁柱和导磁板都是为了形成这个磁隙而存在的。磁隙及其附近磁场的对称性和均匀性对喇叭单元的失真有重大的影响。因此对磁路的磁场特性进行分析和模拟在磁路设计中有极为重要的作用,但在过去,这是很困难的工作,近年来有限元法的发展为这个分析与模拟提供了可能。下图是对一个磁路的有限元分析结果:
      观察上图磁隙中代表磁通密度的色彩可知,这个磁路设计的磁场是不对称、不均匀的(兰绿不均),可以进一步优化设计,得到下面的结果:
      可以看出,通过改变磁路各部分的结构(延长导磁柱,使它高出上夹板,把导磁柱中央去掉一部分,并把导磁柱做成T形(导磁柱在磁隙下方收窄)等),可以有效地得到均匀的磁场,从而减少失真。图中所示表明,优化后的磁路不仅磁隙内的磁场有良好的对称性,磁隙外的杂散场也相当地对称。
      虽然短音圈结构天生具有较低的失真,但从上面的例子可以很容易地推测,设计良好的长音圈结构的性能可以优于随便设计的短音圈结构。
      另一类有效改进磁场对称性和均匀性的办法是在磁路中附加铜或铝质的短路环,现在在高保真单元上已经大量使用,比如SEAS EXCEL系列,全线在磁路中使用短路环。以下是scanspeak一个单元,图中可以看到一个铜环套在导磁柱上:短路环的使用不仅可以减少磁路带来的失真,还可以减少音圈电感,从而提升单元重放的高频。
八、气孔
      这个结构是贯穿T铁中央的一个孔道,并不存在于所有的单元上。有不少单元没有这样的结构。
      为什么会有这样的结构,得从音圈和它的运动说起。音圈的上端固定在锥盆底部,是密封的,而另一端套在导磁柱上,这样,音圈与导磁柱顶部就有一个不完全密封的小室,因为在音圈与磁隙之间,内外侧都有细小的缝,使这个小室可以通向单元之外,但这个细缝很小,气流通过有较大的阻力。当音圈前后运动时,这个小室的体积不断改变,小室气压也随着改变,相当一个带阻尼的空气弹簧安装在音圈中,将对单元的工作造成意外影响。因此必须在适当的位置开孔,使小室的空气可以顺畅进出。在导磁柱上开这个气孔的主要目的就是这个。当然还有别的方案,上面提到少数单元的防尘罩带有小孔,也是这个原因。还有的单元在音圈骨架上打出许多小孔,也可以起到同样的作用 
      进出这个小室的气流还有个很重要的作用,就是把音圈工作时产生的大量热量带走。所以一般认为导磁柱上这个气孔是用来散热用的,也因此许多单元的气孔越开越大。这个气孔是不是越大越有利于散热呢?有研究表明,并非如此。据klippel的一项研究表明,较小的气孔散热效果更好。.

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