三分频音箱的设计思路（连载一）

本帖最后由 lilin120g 于 2020-2-14 18:14 编辑

                                           尊响音响李建华原创

前言，（本文观点纯属个人之见，错误之处还望谅解）目前市面流行的无源音箱主要有全频、二分频、三分频。从制作难易度上讲，毫无疑问三分频音箱的设计和制作要更复杂一些，但是在单元选取上反而更简单、更容易一点，综合性能品质更好一些。本人对扬声器设计略知一二，要想做好二分频箱用的中低音扬声器非常不容易，既能重放好低音，又要兼顾中音，容易顾此失彼，个人深有体会。简单分析一下:低音重放要求扬声器振动质量大一些，这样让音盆更坚固，扬声器谐振频率变低、音圈直径适当的大一点(也不能过大)，这样音盆分割震荡小、音圈需要更长的卷宽、冲程长、而中音扬声器恰恰相反、振动质量大、瞬态差速度慢、音圈直径大、卷宽长电感肯定大、音圈电感大是音质大敌，会产生电流失真、瞬态反应慢等诸多问题。全频喇叭更难做，更难选，一只喇叭高中低音全照顾难度可想而知，世面上最贵的喇叭好多都是全频就是这个原因。本文用大量的篇幅介绍扬声器参数及材料选择技巧、从外观上判断扬声器的品质的一点经验。
（一）低音音箱种类选择及调试经验
  音箱种类的选取与调试：也就是说要采用倒相箱、闭箱、迷宫，亦号角箱？如果没有其它特除原因，建议还是在经典的倒相及闭箱中选取，原因是有大量设计制作资料，及多种cad仿真软件，对设计有极大帮助，制作成功率大。
对比一下两种箱子特点。倒相的优点：相同体积箱体f3可向下延伸1/√2。
在和闭箱发出同样声压下，可减小f3附近频率扬声器振幅，也就是降低扬声器的非线性失真。相同的低频下限，倒相箱体只有闭箱容积60%。缺点：低频瞬态不如闭箱，特别在fb附近频段更突出。fb频段以下扬声器振幅急剧增加，声压急剧下降、拐点陡峭、群延时大。

                              

（图1）

（图2）

闭箱相对倒相箱最大优点是瞬态反应快，群延时低，调试简单，其它都不如倒相箱。通过以上分析发现，倒相箱唯一不如闭箱的就是瞬态反应，能不能既保留倒相箱的优点，又有闭箱的速度？从上图分析一下：其实倒相箱比闭箱下潜深的那一段频率是倒相管发出的，（图1红线所示）。我们仔细看一下图3和图4就会发现倒相管输出声压越强瞬态反应越慢。倒相箱输出以中心频率为fb的声波，高于fb频率的声波和喇叭声波同相，可加强喇叭低频声压、低于fb频率的声波和喇叭声波反向，消弱低频的声音，就造成了倒相箱声压曲线相对于闭箱低频段拐点非常陡峭的原因。群延时一般规律是声压曲线变化越剧烈延时越严重。经以上分析得出结论:倒相管输出能量相对于喇叭输出所占能量比例越大，延时越严重、瞬态响应越差。降低倒相管能量输出，可有效改善倒相箱的瞬态响应和群延时，但也不能降很多，降多了就成闭箱了。从倒相管作用看也应验了“成也萧何败也萧何”。
降低倒相管能量输出几种办法:减小箱体容积、增加箱体损耗增加吸音材料、倒相管塞入吸音棉等办法。其中减小箱体容积办法为最佳，既减小了容积，又降低了倒相管输出，算是一举两得。

说明一下，以上的办法主要针对大口径喇叭的，还有您个人的喜好，是偏重量感还是质感。重质用小箱体、重量大箱体。两分频箱中低喇叭口径一般是6寸半或更小，小口径喇叭比较被动，低频输出能量小，建议箱体还是大一点好，毕竟低劣质量的低音也是低音，比低音非常少甚至没低音要好的多。

(图3)

      

（图4）

(2)低音扬声器主要参数要求
用尽量小的箱体和尽量低的f3是大部分人设计音箱的目的。都跟喇叭参数Qt、f0、Vas、有关系。倒相箱设计有多种选择。公式计算法对喇叭参数预选优化有帮助，预测性更强一些。CAD更直观一点，可即刻看到结果，两种方法配合用更好。
公式   
1  Vb=15* Vas * Qt^2.87 (L)
2 f3=0.26 * f0/Qt^1.4 (Hz)   
3 fB=0.42 * f0/Qt^0.9 (Hz)
Q值的选取: 从以上公式可看出Qt大小对箱体体积Vb和f3、fb都有关系，Qt大了箱体太大、Qt小了F3太高。取Qt值0.35-0.42比较合适，最好0.38，为什么是0.38呢？从式3计算可知Qt等于0.38时刚好箱体倒相管谐振频率fb=f0喇叭谐振频率，这样有什么好处呐？我们知道倒相箱调试重要依据，阻抗曲线要有双峰出现，双峰要等高，但是只有Qt等于0.38时双峰等高才是正确的(图5)，Qt＞0.38高频峰高于低频峰(图7)，Qt＜0.38(图6)侧反之。峰与峰高低相差多少没有确定的数值，所以就增加箱子的调试过程中，判断正确与否的难度，显然如果只要求两峰等高就简单容易多了。

(图5)

(图6)

(图7)

f0和Vas的选取:公式告诉我们要想同时要箱体体积小、f3低，喇叭谐振频率f0和等效容积Vas当然是越低越小越好，遗憾的是f0和Vas是负相关关系，一般是f0越低、Vas越大。有没有既降低f0又能保持Vas不变大的办法？
我们知道f0=1/(2π*√Mms*Cms)
Mms是振幅质量、Cms是系统顺性，要想降低等效容积Vas，只有减小顺性Cms，也就是说增加支撑系统（喇叭的弹波、折环等）的弹性、硬度。同时按比例增大Mms，防止f0升高。所以经以上改进有几点好处:因为对震动质量要求是加重，这样可以把加重的这部分重量用来加强纸盆强度，甚至可用双层纸盆。做喇叭最难的是要求震动系统又轻又硬，为了减轻震动质量绞尽脑汁，不是斤斤计较，而是克克计较。在保证f0不变大，甚至降低的同时，而减小了等效容积Vas。增加了系统弹性，折环可用恢复力强的布基折环，而抛弃高损耗、力度差的橡胶折环。可以保持f3不变的情况下缩小箱体体积（图8是60L的音箱,图9是体积85.7L的音箱,f3分别是33.9hz和32.89hz,并未有大的变化）。虽然增加振动质量Mms得到了一定好处，但也带来一些以下问题，稍微降低了灵敏度，增大了Qt。但是解决这个问题并不难，增大BL值非常容易解决以上问题。可能有人担心振动质量大了是不是影响瞬态速度，经CAD仿真观察瞬态反应并没有变劣的现象，（图8和图9的阶跃响应）虽然质量Mms增大了，同时也加大了BL值，保持原来Qt不变，BL值也可解释是为喇叭的动力源，动力加大了就可以抵消掉增加质量Mms所带来瞬态反应慢的影响。

(图8)

   

(图9)

(3)低音扬声器物理参数与材料选择
   (1)材料和物理尺寸的选取，首先大口径、长冲程(线性良好)。音圈直径大小适当，过小容易分割震荡，音圈直径过大造成弹波线性冲程过小，锥盆强度高、硬不容易分割震荡；尽量用布折环相对橡胶折环；布折环回复力好、损耗低。
在这里着重讨论一下低音扬声器冲程；我认为除口径外，冲程是低音扬声器最重要的物理参数，大的线性冲程保证大的低频能量，（当然也意味着有低的谐波失真)。扬声器冲程由磁路冲程和支撑冲程共同决定。
我们知道计算普通扬声器磁路冲程公式:音圈圈宽–华斯厚度=冲程p–p。很显然增大音圈圈宽、减少华斯厚度，都可以增大冲程；但是增加音圈圈宽会降低扬声器灵敏度、同时音圈电感及重量也会增加。随着音乐信号变化，音圈相对T铁柱位置也在改变，当音圈冲出T铁柱时音圈电感值变小，伸进T铁柱时电感值变大，通过音圈的音频电流被干扰调制，产生失真。特别是用在二分频中低音扬声器，严重影响中频音质和瞬态响应；降低华斯厚度既能增加冲程，又有降低材料成本的优点，遗憾的是这优点只对生产厂商。对消费者来说是坏事，举例说明一下：(图10)10mm厚的华斯；音圈圈宽18mm，冲程p–p是8mm；另一个(图11)华斯厚度6mm音圈圈宽14mm，冲程p–p也是8mm，但是10mm华斯磁路BL值线性要好于6mm华斯磁路。

   

(图10)

  

(图11)

另一种是用来计算低失真磁路的，华斯厚度–音圈圈宽=冲程p–p（图12，图12，14mm厚华司5mm音圈卷宽 p-p9mm的磁路模拟）。此磁路因成本太高，固很少有人采用。

(图12）

   

（两种磁路结构对比）

这种结构的磁路要想要想加大冲程只有减小音圈圈宽，加厚华斯厚度,减小音圈圈宽，但是为了保持音圈直流电阻不变，只有用更细更短的导线，导致系统BL值和功率降低，最终导致灵敏度也降低，所以这种方法不可取。另一种办法就是加厚华斯，加厚华斯也意味着磁隙面积变大，磁隙内磁感应强度就变弱，只有加大磁铁才能弥补。所以采用这种结构磁路要加大冲程只有用真金白银解决，因成本原因一般都是高档中音扬声器才采用这种结构，所以说好事总是跟钱过不去。
  支撑系统对冲程的限制：支撑系统由扬声器弹波和折环勾成，简单道理弹波波纹环数越多线性越好，所以一味追求大直径音圈也意味线性冲程在变小。同理折环越宽线性冲程越大，低音炮扬声器折环宽大，但是过度大又宽，有质量重、损耗大、恢复力弱、以及速度等问题。所以扬声器冲程一定要结合支撑系统冲程和磁路冲程，受制扬声器结构限制，有教科书介绍，一般动圈扬声器支撑线性冲程不大于8 p-p mm。图13）

（图13）

   所以扬声器有时能通过手眼直观判断个大概。例如看音圈直径大小、折环材料、华斯厚薄，磁铁大小材料，锥盆软硬等等。
扬声器口径与最低频率与最大输出声压的关系（见下表）例如使用6.5寸扬声器制作的倒相箱要想下潜频率到50hz 输出100db声压时，需要扬声器冲程8.2mm P-P。再比如使用4寸扬声器的倒相箱下潜频率到50hz 输出100db声压时，需要扬声器冲程21.4mm P-P。

   
因为影响到倒相箱的因素太多：比如箱体材料的刚性、吸音材料的阻尼大小多少、扬声器参数、SBB4、QB3、SC响应等，要比标准障板变量大得多，不容易量化，图表只是大概。使用此表配合图14上图所述的倒相箱响应，通过调整音箱容积和倒相孔调谐频率可符合这种响应。这种低频输出的特点介于倒相箱与密闭箱之间，有倒相箱的下潜深的特点，又兼顾密闭箱的瞬态响应快的优点，适用于相对大一点口径的扬声器。
图14下图的声压响应适用于较小口径的扬声器，这样做的结果导致了倒相孔的输出声压非常高，瞬态响应和群延时响应都很差。但是按下图调整可以比上图调整声压高2-3db。正所谓鱼与熊掌不可兼得，得到了低一点的下潜频率和声压，牺牲了低音的瞬态和品质。

（图14）

一款音箱的低音好不好，往往误认为都是取决去于低频–3db多少赫兹，例如一个5寸的小喇叭低频下限能40赫兹，总之认为–3db越低越好，我认为这样有点偏激，如果不要求输出声压和灵敏度的话，我可以做一个3寸的扬声器低频下限也能到30赫兹，问题是灵敏度和声压太低，只能贴到耳朵上当耳机用，所以扯开输出声压和灵敏度谈低频下限就是扯淡。
这是我平常测试扬声器的一个简单实用的工具（下图）。利用杠杆放大原理，短臂一端系一吊锤，吊锤靠重力压靠在被测扬声器防尘帽上；长臂一端端头垂直放一钢尺，可观察臂端头移动距离。长臂和短臂尺寸是10:1可放大10倍。所以扬声器振盆有一点移动就非常容易观察到。根据F=BLI和F=kx扬声器锥盆移动距离和流过音圈直流电流成正比。利用这个工具可简单测量扬声器的线性冲程（包括磁路、弹波、折环）BL值和扬声器的顺性，其中BL值是个非常重要的参数，扬声器灵敏度、动生阻抗，电力声类比分析都需要BL值。由于测试扬声器时需要通几十ma–一千多ma直流电流，测试时间过长有可能烧毁音圈，所以用阶梯恒流源，这样可避免长时间反复调整电流。此LM7805h恒流源有7档电流输出分别是200ma–400ma……1400ma每档间隔200ma，适应低音扬声器，如果嫌间隔电流太大，可根据需要自己调整电阻阻值R，输出电流=5/R  可灵活掌握。图）

待续...