細(xì)解揚(yáng)聲器的Q值

1、細(xì)解揚(yáng)聲器的q值摘要：本文從理論計(jì)算入手，詳細(xì)分析了揚(yáng)聲器qms、qes及qts的本質(zhì)意義，特別是對(duì)于不經(jīng)常使用的qms及其影響因素，更是從各個(gè)方面進(jìn)行了全面的分析。關(guān)鍵詞：揚(yáng)聲器、t-s參數(shù)、品質(zhì)因素、阻尼、阻抗company：guoguang electric co., ltd.subject: analyzes the q parameter of loudspeakersummary: this article introduces the key parameter q (including qms, qes and qts) of loudspeaker. especially f

2、or qms, it is analyzed in particular since qms was not in common use.key words: loudspeaker, t-s parameters, quality factor, damping, impedance.正文：在揚(yáng)聲器的thiele-small參數(shù)中，其品質(zhì)因素q值作為評(píng)價(jià)低頻性能和低音箱體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)常被大家提起和引用；但作為一個(gè)數(shù)學(xué)模型的輔助參量，q值的概念是非常抽象的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如fs（諧振頻率）、vas（等效容積）等參數(shù)容易得到感性的認(rèn)識(shí)。下面，本文將通過(guò)不同的角度，來(lái)分析、闡釋q值的意義，希望能夠加

3、深大家對(duì)q值的理解。1. 基本概念根據(jù)t-s參數(shù)的定義，q(quality factor)是描述揚(yáng)聲器阻尼系數(shù)（damping factor）的一組參數(shù)。在t-s參數(shù)中，q值分為qms，qes和qts。qms為機(jī)械系統(tǒng)的阻尼，體現(xiàn)了揚(yáng)聲器支片、邊等支撐系統(tǒng)對(duì)能量的消耗、吸收和音盆、音圈、防塵帽等質(zhì)量系統(tǒng)對(duì)能量的內(nèi)在消耗；qes為電力系統(tǒng)的阻尼，主要體現(xiàn)在音圈直流電阻對(duì)電能的消耗；qts為總阻尼，為上述兩者的并聯(lián)。即qts=qms*qes/(qms+qes)。揚(yáng)聲器qts對(duì)低頻聲壓特性的影響如圖（1）所示，這在很多參考書(shū)上都有描述，這兒不再討論。圖（1）qts對(duì)揚(yáng)聲器低頻聲壓特性的影響1. 阻抗

4、曲線的數(shù)學(xué)模型考慮到揚(yáng)聲器q值與阻抗ze密不可分的關(guān)系，在具體分析q值前，我們簡(jiǎn)單了解一下?lián)P聲器阻抗曲線。在阻抗型電聲類(lèi)比中，揚(yáng)聲器的等效阻抗為：其中，re為揚(yáng)聲器的直流阻抗，l為音圈線圈的感抗；res為振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)等效阻抗，res=（bl）²/（rms+2rmr），rms振動(dòng)系統(tǒng)的力阻，rmr為揚(yáng)聲器振膜單面的輻射力阻； cmes為質(zhì)量抗，cmes=mms/（bl）²； lces為彈性抗，lces=cms*（bl）²。 當(dāng)頻率在fs的時(shí)候，動(dòng)生阻抗達(dá)到最大值；同時(shí)由于在低頻階段，音圈感抗相當(dāng)小，基本上可以忽略，所以我們有：zmax=re+|res|參考下面ml

5、ssa對(duì)某款揚(yáng)聲器的測(cè)試結(jié)果，我們可以對(duì)其進(jìn)行直觀地理解。圖（2）揚(yáng)聲器的阻抗曲線1. q值與阻抗ze的關(guān)系根據(jù)qms的定義，有qms=mms/(rms+2rmr)。由=2fs以及我們不難得到：同樣，對(duì)于qes和qts有：對(duì)于上述的bl、cms和mms，一般的測(cè)試軟件都可以通過(guò)附加已知質(zhì)量法測(cè)得或者通過(guò)fs推算得到，具體的方法及推算過(guò)程由于不是本文的內(nèi)容，這兒就不做介紹。為了驗(yàn)證上述公式的準(zhǔn)確性，本人特地選了幾款低音或者全頻揚(yáng)聲器，統(tǒng)一單位以后，其計(jì)算結(jié)果如下：測(cè)得參數(shù) 公式計(jì)算結(jié)果 實(shí)際測(cè)試結(jié)果 blcmsmmsreresqmsqesqtsqms qes qts 2.557201.47.76

6、14.77 3.167 1.664 1.091 3.151.661.094.264255.353.6834.89 6.821 0.719 0.651 6.830.720.654.9110767.69 5.79 50.10 5.556 0.642 0.576 5.650.650.594.9549013.483.5625.10 5.373 0.762 0.667 5.380.760.677.50107312.446.8752.93 3.204 0.416 0.368 3.20.420.3713.0332193.933.63125.56 12.651 0.366 0.355 12.650.370.3

7、619.2031397.827.4757.48 2.756 0.358 0.317 2.770.360.32由于mlssa的q值、re和res是通過(guò)阻抗曲線計(jì)算得到的，而bl和cms、mms則是通過(guò)附加一致質(zhì)量法得到，兩者之間多多少少會(huì)有些誤差；對(duì)比測(cè)得的結(jié)果，其公式計(jì)算結(jié)果顯然是讓人滿(mǎn)意的。根據(jù)上述公式，我們可以清楚地看到影響揚(yáng)聲器q值的幾個(gè)因素：bl，cms，qms，re和res，而其中bl則是最容易改變也是影響最大的，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中改變bl值也是我們調(diào)整q值最常用的辦法。在一般定義的設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，re一般都是已經(jīng)預(yù)先設(shè)定的，所以對(duì)于qes的控制也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這兒就不做重點(diǎn)討論。下面我們就來(lái)

8、重點(diǎn)討論相對(duì)復(fù)雜的res及其對(duì)qms的影響。1. 感性認(rèn)識(shí)qms在t-s參數(shù)的三項(xiàng)q值中，大部分人對(duì)qts與qes非常敏感，而對(duì)qms都不會(huì)太過(guò)注重。的確，作為描述低頻份量的參數(shù)，從圖（1）中我們就可以看出qts的重要性；更何況在低音箱體設(shè)計(jì)時(shí)，作為判斷使用何種箱體以及計(jì)算箱體尺寸的重要依據(jù)，qts一直被音箱開(kāi)發(fā)者頻繁使用；而對(duì)于揚(yáng)聲器單體的開(kāi)發(fā)者，qts也是經(jīng)常被客戶(hù)要求的參數(shù)之一。對(duì)于qes，由于其值比qms一般都小很多，根據(jù)qms=qms*qes/(qms+qes)，qes基本上決定了qts，甚至很多參考書(shū)上都直接將qes當(dāng)作qts使用。所以相對(duì)而言，大部分揚(yáng)聲器開(kāi)發(fā)者對(duì)qes和qts的

9、設(shè)計(jì)和調(diào)整都比較輕車(chē)熟路。而對(duì)于qms，由于使用的頻率不高，大部分參考書(shū)上也甚少介紹，相當(dāng)多的人對(duì)其本質(zhì)意義以及控制辦法都沒(méi)有太深的理解。下面，我們就重點(diǎn)分析一下qms。根據(jù)前面的分析結(jié)果，qms反映了阻抗曲線上的峰值，即動(dòng)生阻抗的最大值res的大小。從另一方面說(shuō)，res越大，其阻抗峰越尖銳，qms也就越大。而對(duì)于動(dòng)生阻抗，顧名思義，其阻抗因動(dòng)而生。其產(chǎn)生的根本原因就是音圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線而產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)音圈輸入電流反向作用的效果，就相當(dāng)于在音圈中產(chǎn)生了變化的阻抗；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為：e=blv；其中v為音圈的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度。顯然，v越大，揚(yáng)聲器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越強(qiáng)，動(dòng)

10、生阻抗也就越大；而在振動(dòng)最快的fs這一點(diǎn)，動(dòng)生阻抗也就達(dá)到了最大值。所以間接看來(lái)，qms越高，就表示揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)速度越快。根據(jù)揚(yáng)聲器的輻射功率p=v²*2rmr,我們可以知道qms越高，揚(yáng)聲器在fs附近的效率也就越高。 另一方面，v越大，同時(shí)意味著揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)越容易起動(dòng)，而一旦振動(dòng)起來(lái)后，卻更加難以控制了。這句話從換個(gè)角度理解，就意味著qms越高，揚(yáng)聲器瞬態(tài)的前沿特性就越好，而后沿特性就會(huì)比較差；反之，則前沿特性差，而后沿特性比較好。這點(diǎn)我們可以簡(jiǎn)單的根據(jù)下圖理解： 圖（4）揚(yáng)聲器的瞬態(tài)特性 一些發(fā)燒友音質(zhì)評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)中，有個(gè)詞匯叫做“速度快”，從瞬態(tài)的角度理解，所謂的“速度快

11、”就是揚(yáng)聲器前沿特性比較好，對(duì)信號(hào)的反映比較及時(shí)，也就是說(shuō)，qms比較高。一般來(lái)說(shuō)，前沿特性的提高必然導(dǎo)致后沿特性的惡化，而后沿特性比較差的揚(yáng)聲器，聽(tīng)起來(lái)就會(huì)拖尾較長(zhǎng)，聲音渾濁不清。按照個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，由于材料特性的關(guān)系，往往qms都相對(duì)比較高；而對(duì)個(gè)人而言，本人則更傾向于后沿特性好一點(diǎn)的揚(yáng)聲器。1. 影響qms和res的因素根據(jù)我們前面對(duì)qms的計(jì)算公式，我們知道與qms相關(guān)共有四個(gè)參數(shù)：res，bl、mms和cms，其中bl、cms和mms的概念比較簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)過(guò)程中調(diào)整起來(lái)也相對(duì)比較容易，在這兒就不重點(diǎn)討論了。對(duì)于res，從前面的介紹中我們已經(jīng)知道：res=（bl）²/（rms+2

12、rmr） 在低頻段，揚(yáng)聲器振膜做活塞振動(dòng)，其輻射力阻抗rmr比較簡(jiǎn)單，有:rmr=²sd²/(2c)式中為空氣密度，sd為揚(yáng)聲器的有效振動(dòng)面積，c為空氣中的聲速。 所以rmr基本上是僅與振動(dòng)面積相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，在揚(yáng)聲器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一旦揚(yáng)聲器的尺寸確定，rmr基本上就已經(jīng)確定。 對(duì)于rms，其基本定義為揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械力阻。由于揚(yáng)聲器參與振動(dòng)的因素較多，各個(gè)部分對(duì)其作用也各不相同，為了方便理解，我們先來(lái)看看揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖（5）揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu) 上圖中，1為揚(yáng)聲器的折環(huán)，2為音盆，3為支片，4為音圈，5為防塵帽。 在上述各個(gè)部件中，折環(huán)和支片作為支撐系統(tǒng)，對(duì)rms的

13、作用主要體現(xiàn)在自身的內(nèi)部阻尼消耗能量上，從而抑制振動(dòng)，所以其材料內(nèi)部阻尼就特別重要。限于篇幅，對(duì)于材料的內(nèi)部阻尼我們就不做具體介紹了。不過(guò)對(duì)于支片的阻尼，有兩點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，可以給大家分享。 1. 支片的直徑越大，相同順性的情況下，阻尼越高；這點(diǎn)應(yīng)該比較容易想象，一方面為了保持順性，直徑大的支片必然需要更多的膠水（酚醛樹(shù)脂）來(lái)定型，另一方面，直徑大的支片在振動(dòng)傳遞過(guò)程中，需要更長(zhǎng)的距離，其能量消耗自然也就比較大； 2. 部分人的經(jīng)驗(yàn)，降低支片的順性可以降低qms；從前面的分析來(lái)看，顯然是不對(duì)的。但降低支片的順性，必然需要更多的膠水定型，其內(nèi)部阻尼也就更大；所以在某些情況下，內(nèi)部阻尼的作用大于由順性帶來(lái)

14、的影響時(shí)，qms確實(shí)是會(huì)降低的。 音盆和防塵帽對(duì)rms的作用則有下面幾個(gè)方面： 1. 利用了空氣形成的阻力抑制振動(dòng)；相對(duì)來(lái)說(shuō)，比彈性率e/（彈性模量/密度）大的材料，即剛性好，密度低的材料，對(duì)rms的貢獻(xiàn)就比較大； 2. 音盆內(nèi)部阻尼在傳遞音圈引發(fā)的振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量消耗；這一點(diǎn)對(duì)中高頻來(lái)說(shuō)，是影響分割振動(dòng)的一個(gè)重要因素，而對(duì)于低頻，這種作用則與折環(huán)和支片類(lèi)似； 3. 利用表面阻尼在與空氣摩擦產(chǎn)生的損耗。我們經(jīng)?？吹皆谝恍┑鸵魮P(yáng)聲器紙盆的表面涂一層阻尼膠，很大一部分的作用就在于此。 對(duì)于音圈，對(duì)rms的貢獻(xiàn)主要在于骨架。作為振動(dòng)傳遞的第一站，音圈骨架的內(nèi)部阻尼對(duì)整體rms的影響相當(dāng)大，特別是

15、小型揚(yáng)聲器。對(duì)此我們可以比較一下一款2”的全頻帶揚(yáng)聲器，分別使用不同的骨架材料得到的數(shù)據(jù)： 骨架材料 blcmsmmsresrms+2rmrqms0.05mmkapton2.576381.3533.32 0.207.34 0.05mm黃鋁片 2.586431.4215.61 0.433.48 另外，除了上述各部件，防塵帽下方和支片下方的空腔氣流也是影響rms的因素之一。有時(shí)候，我們?cè)诖胖蛘吲杓苌祥_(kāi)孔都可以少量的改變qms。 （六）結(jié)束語(yǔ) 從以上分析可以看出，揚(yáng)聲器品質(zhì)因素q作為描述振動(dòng)系統(tǒng)所受阻尼的參數(shù)，與揚(yáng)聲器大部分部件的材料、性能以及結(jié)構(gòu)都相關(guān)；實(shí)際上，揚(yáng)聲器的很多參數(shù)都是互相影響甚至互

16、相矛盾的，揚(yáng)聲器的開(kāi)發(fā)過(guò)程就是一個(gè)平衡其中各項(xiàng)矛盾的系統(tǒng)工程。本文通過(guò)對(duì)q值的詳細(xì)分析，希望能夠加深大家對(duì)各項(xiàng)相關(guān)因素的理解，從而在開(kāi)發(fā)過(guò)程中能夠更輕松的做出相應(yīng)調(diào)整，找到一個(gè)符合自己意愿的平衡點(diǎn)。 附文中引用的部分t-s參數(shù)名詞解釋?zhuān)?fs：揚(yáng)聲器的諧振頻率，很多資料將其表示為f0，單位：hzbl: 磁場(chǎng)間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度與音圈在磁場(chǎng)中的有效線長(zhǎng)乘積，單位：tesla-meters (tm)mms：揚(yáng)聲器的等效振動(dòng)質(zhì)量，單位：克(gram) cms：支撐系統(tǒng)的順性，單位：微米/牛頓(um/n) 參考文獻(xiàn) o 俞錦元. 音箱原理與制作. 北京：電子工業(yè)出版社, 1998 o 曹水軒、沙

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