喇叭共振和預(yù)防研究

譚華，胡廣

（湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006）

目前百分之九十以上的錐盆單體喇叭都是動圈式的設(shè)計，其基本原理是來自佛萊明左手定律，把一條有電流的導(dǎo)線與磁力線垂直的放進(jìn)磁鐵南北極間，導(dǎo)線就會受磁力線與電流兩者的互相作用而移動，再把一片振膜依附在這根導(dǎo)線上，隨著電流變化振膜就產(chǎn)生前后的運動，從而推動空氣有頻率的振動[1]。依現(xiàn)有的技術(shù)生產(chǎn)的喇叭效率基本都不超過10%，其余的能量大部份轉(zhuǎn)換成熱能和動能了，為解決以上問題，本文主要針對喇叭的共振及其如何預(yù)防進(jìn)行研究，減少因振動而損耗的能量，從而獲得更多的聲能，提高喇叭的效率。振頻率兩方面入手，要解決共振問題就不能只單單靠改變喇叭的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)[3]。下面是揚聲器振動的原理如圖1所示。

圖1 喇叭的磁場Fig．1 Magnetic field of speaker

1 揚聲器共振原理

共振是物理學(xué)上一個運用頻率非常高的專業(yè)術(shù)語，其定義是兩個振動頻率相同的物體，當(dāng)一個發(fā)生振動時，引起另一個物體振動的現(xiàn)象。共振在聲學(xué)中亦稱為”共鳴”，它是指物體因共振而發(fā)聲的現(xiàn)象，例如當(dāng)兩個頻率相同的音叉靠近，其中一個振動發(fā)聲時，另一個也會發(fā)聲。在電學(xué)中，振動電路的共振現(xiàn)象稱為“諧振”[2]。

1）產(chǎn)生共振的條件主要有：a．兩個或兩個以上的物體；b．物體的固有頻率相近。共振不僅在物理學(xué)上運用頻率非常高，而且也是自然界的一種普遍現(xiàn)象，本文研究的主要目的就是怎樣將危害降低到最小。如果要解決共振問題需從電流和共

①奧斯特定律：通電導(dǎo)體在磁場會產(chǎn)生力。這個力F的大小和方向會隨著電流I的大小和方向變化而變化，使振膜振動而產(chǎn)生聲波[4]；

②驅(qū)動力F=BLI

F：驅(qū)動力；

B：磁場強度；

L：被磁場包覆內(nèi)的線圈長度；

I：線圈內(nèi)的電流。

2）與揚聲器振動有關(guān)的特性：

①最低共振頻率：

MO：振動系的重量，包括鼓紙（振膜）、音圈、彈波的附加、防塵蓋和膠；

K：振動系的彈性系數(shù)，包括鼓紙（含鼓紙的邊緣Edge）和彈波。

②音壓：

直觀來講就是聲音的大小，聲音越大振幅也就越大[5]。

2 提高效率減少振動

揚聲器又名Transducer，通常所說的喇叭功率為2 w指的是喇叭能承受的功率為2 w，再將電信號轉(zhuǎn)變成聲音。效率=聲能/電能，一般喇叭的利用效率還不到2%，即2 w的喇叭發(fā)出的聲音只有0．04 w。

1）當(dāng)電信號的能量經(jīng)過喇叭后被分為3部分[6]：

①音圈純電阻產(chǎn)生的熱能：Q=I2R；

③聲能。

因此，要盡可能的降低熱能和機械動能，使降低的這部分能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而提高聲能。

o 1．18 C=345；

Revc：直流阻抗；

Mms：振動部分的質(zhì)量；

Sd：振動的面積；

B：磁場強度；

L：線圈的長度。

由上式可知，要想提高揚聲器的聲能可以從以下4方面考慮：

①降低阻抗；

②減輕質(zhì)量，將銅線變成鋁絲；

③增加振動的面積；

④增加磁場強度。

2）喇叭線圈本質(zhì)上就是一個電感，當(dāng)串聯(lián)喇叭時電路中就會產(chǎn)生諧振如圖2所示。

圖2 電路的諧振Fig．2 Resonance of circuit

即XL=XC＞＞R時電流非常大，此時如果fo=f（電路的諧振頻率）時就會產(chǎn)生強烈的共振，使得大部份的能量轉(zhuǎn)變成動能，大大降低了效率，因此在設(shè)計時，串聯(lián)的線圈應(yīng)嚴(yán)格控制感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場干擾磁鐵的磁場，從而避免電路的諧振頻率盡可能的接近或等于喇叭的最低共振頻率。

3 實驗驗證共振降低喇叭效率

為了實驗數(shù)據(jù)真實、可靠，實驗總共選取了10個同樣規(guī)格和型號的喇叭，包括鼓紙、音圈、框體、電流等參數(shù)均相同，實驗是通過改變輸入諧振頻率來調(diào)節(jié)振動頻率和輸出聲能；如圖3是10組實驗對比測試數(shù)據(jù)，整個實驗過程是在安靜的測音室中完成：

圖3 不同輸入法諧振頻率對聲能影響Fig．3 Influence of differententer resonance frequency

從圖3可以看出：當(dāng)輸入諧振頻率為4 kHz左右的時候，鼓紙振幅最大，即喇叭的動能最大，定義該頻率為喇叭的共振頻率，此時輸出的聲能卻是最小。綜上所述，輸入頻率應(yīng)避開共振頻率，盡可能降低喇叭的動能，從而提高喇叭的效率。

4 從結(jié)構(gòu)設(shè)計上預(yù)防共振的建議

1）各零部件安裝必須是緊密的；

2）設(shè)計喇叭：音箱安裝位置盡量不靠近于松動類零件，如：按鈕等；

3）安裝喇叭：音箱背后的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，也就是說零部件盡可能的少；

4）安裝喇叭：音箱振膜面的面板透氣孔應(yīng)盡量大（透氣孔面積是鼓紙面積的70%以內(nèi)是不影響特性的）。

5 結(jié) 論

文中研究了喇叭的共振以及如何預(yù)防和減少振動，從而從根本上提高了喇叭的效率，具有很強的實用性和推廣價值，特別是在現(xiàn)今生產(chǎn)和制造喇叭的工廠，可以大大降低成本，提高其質(zhì)量。

[1]許學(xué)文，陳炫諭，陳煜熙．振動揚聲器：中國專利：CN201 995119U[P]．2011-09-28．

[2]湯坷，陳國邦，黃永華，等．熱聲驅(qū)動器諧振頻率影響因素分析低溫與超導(dǎo)[J]．2003，31（1）：23-26．

TANG Ke，CHEN Guo-bang，HUANG Yong-hua，et al．Analysis of factors influencing resonance frequency of the thermoacoustic engine[J]．Cryogenics and Supercondu Ccivity，2003，31（1）：23-26．

[3]馬大酞．熱聲學(xué)的基本理論和非線性 [J]．熱聲學(xué)聲學(xué)學(xué)報，1999，24（4）：337-350．

MA Da-you．Theory and nonlinearity of thermoacoustics[J]．Acta Acustica，1999，24（4）：337-350．

[4]羅運文，李青，曾良春，等．熱聲諧振管的有源熱聲網(wǎng)絡(luò)模型研究[J]．華中理工大學(xué)學(xué)報，1999，27（9）：30～32．

LUO Yun-wen，LIQing，ZENG Liang-chun，etal．Investigation on an active thermoacoustic networkmodel in thermoacoustic resonant tube[J]．Journal of Huazhong University of Science and Technology，1999，27（9）：30-32．

[5]郭繼峰，任萬濱，翟國富，等．電磁喇叭分段線性振動響應(yīng)及其聲學(xué)特性的研究[J]．振動與沖擊，2011，3（10）：225-227．

GUO Ji-feng，REN Wan-bin，ZHAI Guo-fu，et al．Piecewise linear vibration response of an electromagnetic horn and its acoustic characteristics[J]．Journal of Vibration and Shock，2011，3（10）：225-227．

[6]范理，王本仁，金滔．諧振管諧振頻率計算方法的研究[J]．聲學(xué)學(xué)學(xué)報，2005，30（9）：409-414．

FAN Li ，WANG Ben-ren，JIN Tao．Study on computing of resonance frequency of resonance pipes[J]．Acta Acustica，2005，30（9）：409-414．