扬声器设计基础

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 阻抗曲线 之前在群里问过这个扬声器额定阻抗估算的问题，没得到非常满意的答复。就自己琢磨研究了一下。最开始是希望能通过估算额定阻抗，从而预估其额定功率。因为功率试验的电压是以额定阻抗为基准来计算的。 由最基础的扬声器等效电路可以得到： 阻抗模的表达式 绘制阻抗曲线 02 — 估算额定阻抗 对上述阻抗模的表达式进行求导操作，然后寻找导数为0的点，即极值点（极小值）。 通过计算，找到令下述表达式等于0对应的频率。然后再将频率点代入上述阻抗模的表达式即可找到额定阻抗。 确定了扬声器的额定阻抗和其对应频率的准确值，才能成功设计音箱的分频网络，从而求出每个扬声器所能承受的最大功率，这对音箱设计是很关键的。 单对扬声器单元本身来说，确定好额定阻抗也能对其承受功率有比较好的估计。 03 — 复杂模型 上述讨论均基于简化模型，未考虑复杂的电感模型，比如LR-2模型，LEACH模型，或WRIGHT模型等。 LEACH模型 LR-2模型 WRIGHT模型 LR-3模型 复杂模型得到解析解的方法可能会比较麻烦。不过基于同样的原理，得到数值解是很简单的事情。 总的来说，这种方式只能做为一种粗略的预估。 这篇文章尽是公式，放两张涡流仿真的动态图吧。一个随音圈位置变化，一个随频率变化。涡流效应会减少电感，但增加电阻损失。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — Comsol 5.3a COMSOL MULTIPHYSICS最近12月份刚刚发布了5.3a版，谈谈和扬声器仿真相关的更新。 总感觉Comsol最近这些年每一个版本的更新都能给我不少惊喜。好多是期盼已久的新功能。下面一个个来说。 02 — 电磁场更新 用于磁场分析的混合边界元-有限元法 (BEM-FEM) 混合 FEM-BEM 模型可基于 FEM 方法模拟非线性各向异性磁材料，并使用磁场，无电流，边界元 接口来模拟周围空间。 非线性永磁铁定义 我很早在文章和群里都吐槽过，终于增加这个功能了。 非线性磁铁仿真参数定义 03 — 结构力学更新 集总机械系统 通过集总参数模拟来表示电子和机械扬声器分量的特性，其中使用 Thiele-Small 参数（小信号参数）作为集总模型的输入。移动质量、悬挂系统的柔性和机械损耗等机械扬声器分量可以通过集总机械系统接口进行建模。 04 — 声场更新 用于声学和声-结构相互作用的混合边界元-有限元法 (BEM-FEM) 可以将边界元接口与基于有限元法 (FEM) 的物理场接口无缝耦合，例如通过声-结构边界 多物理场耦合与振动结构相互耦合，以及通过新的“声学 BEM-FEM 边界”多物理场耦合与 FEM 声学域相结合。 采用这种混合方法，可以根据建模需要，采取最适合的 FEM 或 BEM 方法。例如，振动结构的内部域可以用 FEM 建模，由此可使用更通用的材料属性，而外部域则用 BEM 建模，由于它更适合对较大的域或无限域建模。 使用 BEM 时，只需对与相关建模域相邻的表面进行网格剖分。这样做可以显著减少对大体积进行网格剖分的需求，因此，基于 BEM 的接口尤其适用于模拟包含复杂 CAD 几何的辐射和散射问题。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 悬臂梁模型 测试材料参数有很多种方法。针对不同材料有不同的测试方法。这里介绍一种比较常用的悬臂梁模型。 悬臂梁模型的模态频率存在解析解 i表示模态阶数，L是梁的长度，m是单位长度的重量 I是惯性矩 系数λ与阶次相关。对第一阶来说，取1.875。 02 — 杨氏模量计算 将密度均匀的待测材料裁剪成厚度均匀的片材。 通过测量悬臂梁样品的第一阶模态频率，然后利用上述公式即可计算出杨氏模量E。 或者采用仿真和实测对比校准的方法，手动调整或自动优化仿真用的材料参数，使得仿真和实测结果一致。也可以得到准确的材料参数。 也可以直接采用Klippel的MPM模块来测试，是一个比较完备的测试系统。 03 — 阻尼系数计算 从时域角度来看 下图是一个常见的有阻尼的衰减振动 其阻尼比 阻尼系数或者说损耗系数 阻尼系数定义为谐振频率阻尼比的两倍。 从频域来看 阻尼系数=(fH-fL)/fs 举一个小例子

本文首发于微信公众号「声学号角」 这篇文章是基于2015年声学楼十周年年会中，深圳东原电子的杨帆发表的论文“一种钕铁硼磁路副磁组装工艺新方法”。 论文中提出了一个很有效率的反磁组装新工艺。本文进行了补充和拓展。 东原的兄弟，记得给广告费啊。 01 — 常规工艺 常规的工艺方法是先将华司与主磁组装，然后再与 U 铁组装并充磁，在将反磁单独充好磁后组装到主磁路的华司上方。 问题点在于主磁路对反磁会产生排斥力，从而造成装配困难。容易装偏，甚至夹手。 文中是采用Femm进行了简单的仿真对比。不过只模拟了装配过程中某一个点的磁场分布，并未模拟整个装配过程中的完整受力分析。 所以我用Comol做了下完整的分析。 整个装配过程中的磁场分布变化 反磁受力变化 可以看到反磁受到向上的排斥力，首先越近越大，然后比较接近的时候，又会迅速变小。这种变化是符合装配的实践经验的。 02 — 新工艺 新工艺是让华司与反磁先单独组装。 装配过程中的某一个时刻磁场分布 整个装配过程中的磁场分布变化 反磁和华司整体受力变化 可以看到受到的排斥力小了很多，甚至会出现吸引力。便于装配。

本文首发于微信公众号「声学号角」 定芯支片（名称源自其作用，英文名称Spider），又称弹波（音译自Damper，译得很生动）。目前常用的是类似下图的，材料常用有棉，Nomex/Conex，混纺，蚕丝等等。也有特殊情况用橡胶等材料的。 蝶式定芯支片是比较老的支片设计方案了。可以采用酚醛树脂板，纸板，玻纤或者Kapton等之类的材料。缺点是行程太小，所以慢慢基本上很少使用了。 其优点是Kms（x）对称性较好，即线性很好，可以在行程范围内提供恒定一致的支撑力。 设计的方案很多，可以在某些小振幅扬声器上使用。 其中一种设计方案，完整的3d，附上音圈，最好考虑上胶水模型 采用1/4模型，设置对称边界 应力集中很容易发生在尖角的位置，可以适当进行优化 为对比仿真结果，可以使用Klippel DA主机配合激光头测试，手动模式，测试Peak位移值。也可以使用其他的激光测试设备或者拉力/推力计来进行测试和验证。 实际使用案例：

本文首发于微信公众号「声学号角」 锦丝线简介 音圈相当于扬声器的心脏的话，那锦丝线就相当于大动脉。 锦丝线一般使用特点： 一端随音圈上下移动 另一端固定在正负极端子上 大体可以分为编织线和绞合线。 锦丝线包括导线（铜，银等），纺织线（棉线，Nomex等），线体处理（上蜡，热缩套管，硅胶披覆等）。 各种锦丝线引出方法 锦丝线穿过音盆： 锦丝线从纸盆之下引出： 锦丝线穿入支片，或直接缝在支片上： 引出方向： 锦丝线一般失效情况 运动过程中，锦丝线被拉扯，断裂 锦丝线长期敲击其他部件，断裂 焊锡渗入锦丝线，运动过程中切割锦丝线，断裂 温度过高，断裂 前期可靠性试验 耐屈试验：在一定负重，摆角，速率情况下，看其耐屈次数。 可焊接性，抗硫化，抗湿热等试验。 直阻 需要考虑锦丝线本身直阻。在满足其他前提下，直阻尽可能低。

本文首发于微信公众号「声学号角」 这是一家意大利专门从事扬声器单元研发和生产的公司-FaitalPRO，下面是这家公司的介绍性视频。 可以看到这家公司做扬声器单元产品的设计/仿真/测试等一些过程。 做得相对来说还算是比较全面。 供各位参考。 同样是意大利一家专门做扬声器单元的公司18Sound介绍 下面这个是一条日本的扬声器单元全自动生产流水线的视频 从视频中可以明显看出，整个生产过程中，除了投入物料和最终成品的包装之外（视频中未显示），并不需要其他太多的人工干预。包括硬件，软件部分的装配，焊引线，在线测试等等都是可以实现完全自动化。 这个是很早的视频了。 就目前来看，国内扬声器软件部件装配这块的柔性自动化做得还不够好。 应该来说技术上的难度不会特别大。 可能跟一次性投入太大也有很大的关系。

本文首发于微信公众号「声学号角」 扬声器音盆组谐振频率 F0 是设计扬声器的重要参数，其测试准确性以及管控十分重要。 一、背景 扬声器音盆组谐振频率 M 为音盆组的等效质量；C为音盆组的顺性。 音盆组的等效质量M=音盆质量+胶水重量+1/3*复合边可等效弹簧质量 扬声器有效振动质量Mms以及有效辐射面积Sd 扬声器有效振动质量Mms的仿真探讨 音盆组的顺性C主要取决于复合边的形状和材料。以下是音盆组的顺性C的经验公式 以上δ是面密度， b 为单个折环宽度， E 为折环杨氏模量， h 为折环高度， D 为外折环直径， α 1 是与折环 形状有关的参数，正弦形为 1， α 2 是折环总的宽度和 高度之比， n 是折环个数。 当然以上参数过多，而且部分参数是很难准确得到的。所以其意义不在于定量准确计算音盆组的顺性C，而是可以定性理解音盆组的顺性C。知道复合边的形状和材料对音盆组的顺性C的影响。 每个音盆组做好后，在一定的外界条件下（主要是温度和湿度），都具有一个固定的 F0。所以音盆组F0是一个相对值。 注意：由于材料的蠕变效应，采用不同的力驱动音盆组进行测量时，F0会存在差异。在测量设备精度可以保证的前提下，驱动力应尽可能小。 二、音盆组F0的常规测量方法和设备 2.1测试原理 目前音盆组F0的常规测量方法和设备如下图所示 测量原理为：当扫频仪输出扫频信号，作为激励源的扬声器产生振动，通过被测音盆组后腔空气推动被测音盆组振动，并反过来，通过后腔空气，影响激励源扬声器振动系统的振动，使其动生阻抗发生变化。这时候的音盆可以类似看成无源辐射器。 2.2 测试过程中可能会对结果准确度产生影响的因素 （1）温度变化影响。 当外界温度变化时，引起折环材料杨氏模量E的变化，导致顺性C的变化，使Fo发生变化，一般温度升高，C增大，Fo降低。 （2）湿度变化影响。 环境湿度变化，引起锥盆含水率变化，导致E和M的变化，使Fo发生变化。 （3）激励功率的影响。 当激励源输出功率变化时，Fo也会受到影响，一般功率增大，Fo变小。这是由于由于材料的蠕变效应，采用不同的力驱动音盆组进行测量时，F0会存在差异。在测量设备精度可以保证的前提下，驱动力应尽可能小。 以上三点对所有测量方法都具有影响，故应规定在同一温度、湿度和功率范围内测量。 2.3 测试原理可能会对结果准确度产生影响的因素 （1）被测音盆后腔空气影响。 空气是个弹性体，具有一定的等效质量和顺性，并参与振动，其体积大小和密封状况直接引起被测锥盆的M和C的相对值发生变化，从而使Fo偏离真值。 （2）音盆中孔的影响。 常规音盆中间都是有孔的，为了和音圈装配。而孔可以类比于倒相管，会形成谐振，并对最终的测试结果造成影响。尤其是孔对比音盆较大的时候，比如2寸音盆使用1寸的中孔时。 三、通过激光测量音盆组位移的方法来测量音盆组F0 3.1****测试原理 现在有通过激光测量音盆组位移的方法来测量音盆组F0的设备。通过测量音盆组位移最大的频率点，来表示音盆组的F0。 3.2 测试原理可能会对结果准确度产生影响的因素 音盆组F0应该是速度共振频率，但该设备测试的是位移共振频率。 而位移共振频率和速度共振频率不完全等同，其相互之间的关系： 当然，通常情况下音盆组Qm值会比较大，两者之间是比较接近的。但总会有差异，测试到的位移共振频率比实际音盆组的F0会略小。 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 扬声器振膜在空气中运动时，空气对振膜也会产生反作用力，等效扬声器整体的质量将增加。该等效质量一般称为空气随动质量或者空气附加质量。 对小口径扬声器单元，空气随动质量的轻微差异，对整体Mms估算影响不大。但对振动面积比较大，比如8寸以上的低音扬声器，空气随动质量计算的准确性还是有必要研究的。对准确设计音箱也有帮助。 1.自由场测试 一般认为自由场测试时空气随动质量 Mair=2.67*p*a^3=0.394D^3=0.566*Sd^(1.5) p为空气密度（温度20℃时1.18kg/m^3），a为扬声器振膜半径，D为直径，Sd为振膜有效辐射面积。 关于Sd的计算，可以参考下面两篇文章。 扬声器有效振动质量Mms以及有效辐射面积Sd 扬声器有效辐射面积Sd的仿真探讨 常用的测试系统都是采用这个计算公式。 例外的是Klippel测试系统，是按上下两侧各有这么多空气随动质量。 而在普遍的认识中，无限大障板才需要按这样上下两侧质量计算。 2.无限大障板测试 一般认为无限大障板按上下两侧空气随动质量计算。 Mair=1.13*Sd^(1.5) 3.扬声器单元工作在音箱中的空气随动质量 很显然，箱体内外的形状对空气随动质量是有较大影响的，内外的空气随动质量也不一样。而且边界复杂的时候，估算起来也比较麻烦。 Beranek提出近似计算公式： 振膜前空气随动质量Mair-front=0.408*Sd^(1.5) 振膜后空气随动质量Mair-rear=0.667*Km*Sd^(1.5) 其中Km≈10^(-(0.462β+0.057），β是振膜面积和障板面积之比。

本文首发于微信公众号「声学号角」 扬声器中频谷是由于音盆边缘谐振，在之前的文章中有提过。 模态分析在扬声器设计优化中的作用 用Klippel Scanner可以找到中频谷频率附近的振动方式 反谐振模态仿真 弗兰科特编著的《扬声器锥体的振动和声辐射》是非常经典的一本专门关于扬声器音盆振动和声辐射的理论计算讨论的书籍。 徐世良和范鹤年1984年在南京大学学报上发表了论文《扬声器中频谷点的全息分析及改善方法》。提出反共振指的是折环部分和 纸锥部分作反向振动，在纸锥边缘处出现节圆。 文中得到的中频谷频率点： 其中 T 是单位长度上的张力，是单位面积上的质量，a是纸锥外径 南京大学沙家正也发表了论文《扬声器中频谷点的研究》。认为中频谷点是纸锥和折环在测试点的反相辐射所引起的。综合考虑和振动和声辐射对中频谷的影响。 文中得到的中频谷频率点： 其中C为横向振动传播相速度，L是锥母线长度 张志良1999年发表论文《扬声器锥形振膜环反谐振频率的计算》 a为半顶角 , Ra 和 Rb分别是锥盆内外半径。 ftb 是低频段的上限频率 c=sqrt（E/p），E为振膜材料杨氏模量，p为材料密度。 我做了一款目前正在开发中的低音中频谷的验证。实测中频谷在3000Hz，计算到的中频谷在2970Hz。仅相差1%，满足工程应用需求。 对于非规则锥盆，可以考虑用有限元进行模态分析。