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自制音箱入门

09-08 12:00:01 | http://www.5idzw.com | 电子制作 | 人气:197
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1. 基本设计
这里要谈的主要是箱体的设计。箱体及倒相管的最佳值可根据下述TS参数来计算。
·        Fs:单元的谐振频率
·        Qts:单元谐振频率下的Q值
·        Vas:单元的等价换算容积

关于Q值
Q值的含义如下:
Qms = wM/Rms
Qes = wM/real(A^2 / Zes) = wM/(A^2 * Res / |Zes|^2) -> wM/(A^2 / Res)
Qts = 1/(1/Qms + 1/Qes) = wM/(Rms + A^2 / Res)
Qms: 机械系的顺性
Qes: 电气系的顺性
Qts: 上述2者的合计
M: 振动系质量
w: 谐振角频率
Res: 音圈的直流阻抗。从单元侧来看的放大器与分频器的阻抗也加算在内
Rms: 振动系的机械阻抗
A: 阻尼系数。以1安培电流流过音圈时,振动系上被施加有多少牛顿的力来表示

从上述来看,Q值似乎可以被看成为谐振系的实成分(R)与虚成分(wM或1/wC)的比。
虚成分越大,则谐振系所保持的动能就越大;实成分越大,则消耗的动能就越大,故Qts越低,谐振就越早被衰减。因此,所谓易于驱动的喇叭指的就是Qts低的喇叭。

关于Qts的特征
Qts将随着Qms与Qes的任一方变小而变小。就是说,只要电气或机械的任一方的制动性好即可。

关于Qms
Rms越大,即摩擦越大,Qms就越小,制动性能越好。不过,Rms要是太大,谐振将被抑制,低音则出不来。因此,对于低音喇叭来说,为了有好的低频重放能力,Rms都设计得很小。相反地,对于高音单元来说,制动优先,Rms都很大。高音单元封装液磁为的就是这个。

关于Qes
Res变小或A变大,Qes即会变小。即
1.将A做大。为此可加强磁钢磁性,增加音圈的匝数。
2.将Res做小。使用电传导性能优异的线材绕制音圈。使用输出阻抗低的放大器。使用粗的连接线材。不使用分频器。或使用串接陷波滤波器。

总结

从Q值来看一个好的喇叭单元应该是:
磁钢强大。
直流阻抗相对的低。
有适当的Rms。
振动膜轻。
谐振频率低。
 
   然而,全部满足上述要求是不可能的,若全部满足了的话,将变成一个具有高频段被极端加强了的f特的喇叭。我们只能要求一个兼顾平衡的最佳值。

将来,可用数码滤波器对f特与相位进行补偿,那是另一回事了。

 设计中要注意的是Qts值,此数值因阻尼系数而变化。阻尼系数低,则Qts升高,低域的谐振频率附近将呈上升的F特(频率特性)。阻尼系数亦会因分频器(若是低音喇叭,则起因于电感的内阻及串接电阻Rs)而下降,因此设计时要考虑到这些。换句话说,即先决定分频器和喇叭单元后再进行箱体的设计。

 在分频点以2000Hz以上居多的2waysystem中,Qts的上升不过为10%,500Hz以下的3way系统中箱体的设计将大为不同。我最初对欧系单元的Qts值之低抱有疑问,但考虑上述因素设计倒相箱时,发现很多单元的设计相当恰当,我的怀疑是多余的。

 基于上述理由,有些发烧友将市售3way ported system的分频器卸下,代用多声道放大器驱动的玩法并没有必要,这样的话整个系统的相位特性将变得非常糟糕。将电子管时代的3~4waysystem的分频器卸下,代而换之Channel Divider + 最新的功率放大器来驱动的话,还说得过去。不过若存在有按这种搭配来宣传卖点的音响店,那肯定是那种想多多出手放大器的店铺,除此之外的原因只能说是个谜了。

 至于箱体的尺寸,取不易产生驻波的比率即可。正立方体箱肯定不行,虽然我没有做过。边长的比率以3:4:5最为著名。若内尺寸为30x40x50cm的话将可得到60升容积的箱体。15x20x25的话将达到7.5升。当然计算容积时要去除内部加强筋和倒相管,以及喇叭单元所占据的体积。

 将障板(安装喇叭单元的平面)进行某种倾斜以减少障板中央面积的做法经常被采用,但在定量上该如何做,还没有一个固定的说法。我做过的箱体中倾斜的就较多。实际上四方体是会产生驻波的,为此要使用吸音材。但可以不必在意工作在100Hz以下的低音单元所带来的驻波影响。想想看为何?若声波速度为340m/s,那么100Hz的λ/2(1/2波長)是多少?

2. Closed Box:封闭箱
推荐新手们先制作密封型的系统。因为其它类型的箱体制作起来相对困难,并且由于是自行设计制作,若没有进行阻抗测定的话使用起来心情肯定不怎么样。后期调校是必要的。倒相箱如此,号筒箱更不用说了。

优点:
·        设计自由度广,认真制作的话一般都将OK。不用测定仪。
·        计算简单。
·        制作容易。
·        相位特性优秀。
·        箱体小。

缺点:
·        低音量感不如其它类型的音箱。


在箱体设计上,将箱体容积视为参数,系统的Q值将随之而变化。当达到1/√2时,F-3dB(频率特性-3dB时的频率)最低。封闭箱的场合仅此而已。

3. Ported Box:倒相箱

 倒相型的设计顺序为:

1)挑选与放大器相匹配的喇叭单元。
2)设计分频器。
3)设计箱体。

与放大器相匹配的这种说法,仅针对内阻在10欧以下的胆机玩家。内阻有100欧以上的晶体管放大器(FET,双极型)的场合,分频器的影响占支配地位,可以跳过1)来设计。

   在设计上要注意的是,不要取比计算所求得的最佳容积大的箱体,因为相位特性将会劣化。

  常见的倒相管虽然以圆管为多,但只要横截面积相同,什么形状都可。只是,过于扁平的截面形状将使实效截面积减少。考虑到驻波问题,倒相管位置不要过于靠近箱体边缘即可。由于低音没有什么指向性可言,故有很多箱体将倒相管设在背面。

  刚才有提过,倒相箱的场合必须测定其阻抗特性以便对管长进行微调整。看看市售的音箱基本上都是倒相型的,就可知道倒相型的完成度还是相当高的。在封闭箱上要实现32Hz的低音是很够呛的一件事,这就是近来的单元几乎都以倒相箱为前提设计的原因。

关于喇叭单元的阻抗

机械系的阻抗Zms见下式
F == Zms * V    (1)
F:施加于振动系的力
V:振动系的速度

阻尼系数A以1安培电流流过音圈时,振动系上施加有多少牛顿的力来表示,如下式
F == A * I    (2)
F: 施加于振动系的力
I:电流
一般情况下,由于
F = B * L * I
B:磁束密度
L:磁导体长度(音圈在其中运动的磁腔长度)

A == B * L

另外,由于振动系发振导致音圈产生的逆向电压 = V * B * L = A * V
给喇叭施加电压E时,就有下式

E = Zes * I + A * V    (3)
将(1)(2)代入(3),则
E = (Zes + A^2/Zms) * I

故喇叭的阻抗Z为

Z = Zes + A^2 / Zms
即,Zms的值为
Zms = Rms + j(wMms - 1/wCms)
Zms:机械系阻抗
Rms:等价机械阻抗(包括放射阻抗)
Mms:振动系质量(包括附加质量)
Cms:等价顺性
Zes的值为
Zes = Res + jwLes
Zes:电气系的阻抗
Res:音圈直流阻抗
Les:音圈的感抗

理解了上述内容后再看看阻抗曲线,应该会明白许多了吧。
1.        阻抗的最低值用Res来表示。
2.        高频段的阻抗上升是由Les引起。
3.        谐振频率点的波峰形状表示的是机械阻抗的波形。
4.        谐振频率点的波峰幅度大小与A^2成比例。

基于上述,

1.        机械驱动性好的单元,谐振频率处的波峰流畅且宽阔。
2.        电气驱动性好的单元的Qes小,故A^2/Res大。即谐振频率的波峰大,Res小。

  让我把话题回到倒相箱上。要制作倒相箱,在单元取向上当然是挑选适合倒相箱的,但其Qts若大于1/√3(约0.57)的话,F特就变得不平坦了。另外,Qts太大的话倒相管的谐振频率与箱体的谐振频率在频带上将离得很开,这对整个系统来说不是一件好事。在计算上Qts大的话F-3dB将下降,有人喜欢那样做,不过在定论之前有必要进行不断的重复试听,对听感上的特征的把握还是必需的。

4.分频器

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