扬声器常用机电参数以及计算公式、测量方法简述如下:
1.直流电阻Re由音圈决定,可直接用直流电桥测量。
2.共振频率Fo由扬声器的等效振动质量Mms和等效顺性Cms决定, Fo可直接用Fo测试仪测量或通过测量阻抗曲线获得。
3.共振频率处的最大阻抗Zo由音圈、磁路、振动系统(鼓纸、弹波)共同决定,可用替代法测量或通过测量阻抗曲线获得。
Zo = Re (BL)2/(Rms Rmr)
4.机械力阻Rms由鼓纸、弹波的内部阻尼及使用胶水的特性决定,可由测量出机械品质因数Qms后通过下列公式计算:
Rms =(1/Qms)*SQR(Mms/Cms)
这里SQR( )表示对括号( )中的数值开平方根,下同。
5.辐射力阻Rmr由口径、频率决定,低频时可忽略。
Rmr = 0.022*(f/Sd)2
6.等效辐射面积Sd只与口径(等效半径a)有关。
Sd =π* a2
7.机电耦合因子BL由磁路Bg值和音圈线有效长度L决定,也可通过测量电气品质因数Qes后用下列公式计算:
(BL)2 =(Re/Qes)*SQR(Mms/Cms)
8.等效振动质量Mms由音圈质量Mm1、鼓纸等效质量Mm2、辐射质量Mmr共同决定, Mms可由附加质量法测量获得。
Mms=Mm1 Mm2 2Mmr
9.辐射质量Mmr只与口径(等效半径a)有关。
Mmr =2.67ρo a^3
其中ρo=1.21kg/m^3为空气密度, a为扬声器等效半径。
10.等效顺性Cms是指扬声器振动系统的支撑部件的柔顺度.其值越大,扬声器的整个振动系统越软.单位:毫米/牛顿(mm/N).
由鼓纸顺性Cm1、弹波顺性Cm2共同决定,此顺性即是我们所称的变位,只是单位需换算为国际单位制:m/N,而变位可以用变位仪直接测量。Cms可由附加容积法测量获得。
Cms=(Cm1*Cm2)/(Cm1 Cm2)
11.等效容积Vas只与等效顺性、等效辐射面积有关。
Vas =ρoc^2Sd^2*Cms
此处c为空气中的声速,c=344m/s
12.机械品质因数Qms由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机械力阻Rms共同决定,Qms可由阻抗曲线的测量获得。
Qms =(1/Rms)SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)(Zo/Re)
f 为阻抗曲线上阻抗等于SQR(Zo*Re)所对应的两个频率的差值。
13.电气品质因数Qes由振动系统的等效振动质量Mms、等效顺性Cms、机电耦合因子BL共同决定,由阻抗曲线的测量获得。
Qes =[Re/(BL)^2]SQR(Mms/Cms)=(Fo/Δf)SQR(Zo*Re)/(Zo-Re)
14.总品质因数Qts由机械品质因数Qms和电气品质因数Qes共同决定。
Qts =(QmsQes)/(Qms Qes)=(Fo/Δf)SQR(Re/Zo)
15.参考电声转换效率ηo由机电耦合因子BL、等效辐射面积Sd、等效振动质量Mms共同决定。
ηo =(ρo/2πc)(BLSd/Mms)^2/Re
16.参考灵敏度级SPLo与参考电声转换效率ηo直接相关。
SPLo = 112 10lgηo
17.参考振幅ξ与参考电声转换效率ηo、电功率Pe、等效半径a、频率f有关。
ξ = 0.481SQR(Peηo)/(a*f)^2
以上这些参数现在均可用扬声器计算机测试系统进行测量和计算,常用的测试系统有LMS、CLIO、MLSSA、DAAS、SYSID、LAUD、IMP等。另外,也可利用一些计算机模拟软件进行扬声器参数的基本设计,如LEAP、CALSOD、Speaker Easy、DLC Design、AudioCad、SOUNDEASY等。
扬声器的功率、失真指标无法直接用公式进行定量计算,只能作些定性分析和探讨。
扬声器的额定正弦功率以及纯音检听功率,基本上由低频最大振幅ξo决定。一般低频最大振幅是在共振频率Fo处。扬声器的低频最大振幅主要取决于磁路结构和音圈卷宽,当然与振动系统也有很大的关系。扬声器正常工作时,音圈不能跳出磁间隙,即有ξo≤Xmax,否则会产生很大的非线性失真(表现为振幅异常音)、甚至会导致音圈损坏(卡死或烧毁)。Fo处最大振幅ξo可由下列公式计算:
ξo = 1.414BLICmsQts (25)
式中I为馈给扬声器的电流,I=SQR(Pe/Re)。可见,假使扬声器的基本机电参数(BL、Cms、Qts)确定,其电流I决定的功率Pe=I2*Re就受到低频最大振幅ξo≤Xmax的限制。反之,假使扬声器的功率必须达到一定值,则扬声器的等效顺性就不能太大,亦即Fo不能太小。当有(BL)2/Re>>Rms时,公式(25)又可简化如下:
ξo = 0.225V/(BLFo) (26)
式中V为馈给扬声器的电压,V=SQR(Pe*Re)。此式更直观地显示出最大振幅ξo与电压V、机电耦合因子BL、共振频率Fo的关系。一般所称的总品质因数Qts对低频振幅的控制能力就由公式(25)、(26)体现和反映,其中BL值的作用更明显。
扬声器的低频声功率Pa同样也受到限制:
Pa= Peηo=4.33ξ^2a^4f^4
可见,声功率Pa既与电功率Pe有关、又与电声转换效率ηo直接相关,实际上最终与扬声器的振幅、口径、频率有关。为了达到一定的声功率Pa,在频率一样的条件下,口径越小、则其振幅越大,而振幅一般都受到限制,所以口径就不能太小。亦即,小口径扬声器不可能产生很大的声功率,因为小口径扬声器一般都受到结构限制,其振幅较小,效率较低,而音圈不会很大、所用线径有限、所能承受的电功率也有限。
扬声器额定噪声功率和长期最大功率,既与低频最大振幅有关,又与音圈的线径、材料和系统的散热条件、使用的胶水等直接相关。大功率扬声器,一般均使用高强度耐高温的音圈线、音圈骨架、胶水,采用大冲程、散热良好的磁路结构,音圈采用较宽的卷宽和线径,弹波采用强度好、抗疲劳性能好的材料,当然一般也采用大口径系列。扬声器额定噪声功率和长期最大功率,最终只能通过负荷试验获得和验证。
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