电声基础知识

电声基础知识

一、扬声器的非线性失真

扬声器在重放音时会出现许多附加信号成分，从而形成非线性失真。其主要有以下几种。
1、        谐波失真

磁隙中磁场不均匀、振动系统边缘折环和定心支片顺性在大振幅情况下会引起谐波失真。这种失真总是出现在低频段，频率越低，纸盆振幅越大，谐波失真越明显。

2、        调制失真
扬声器音圈同时输入低频和高频信号，例如低频100~200HZ，高频6~7KHZ，纸盆则同时振动，并出现高频声振动调制低频的现象，这样必然会产生调制失真，使音色变坏，发硬。

3、        瞬态失真电

扬声器音圈通以电流，带动锥盆等产生振动而发音，这时必然会产生一定的惯性作用。惯性系统要达到稳定，需要一定时间，如果这种建立时间太久，各种变化极快的信号接踵而来，纸盆的振动跟不上信号的变化，而产生放音失真，尤以脉冲形声音最为明显。

4、        分谐波失真

分谐波失真是纸盆扬声器的一种固有失真。在输入信号的正半周，纸盆向上弯曲运动，在信号的负半周，由于惯性作用，纸盆被拉直略往下弯曲，只待下一个输入信号的正半周到来时才会往下运动。所以纸盆的运动只有信号频率的一半，造成分谐波失真。这种失真对直线形纸盆较为明显，而指数形纸盆几乎不会产生分谐波失真。

二、扬声器最大线性位移体积

最大线性位移Xmax是指扬声器单元工作时锥盆单向位移的限度，单位是MM。当扬声器锥盆的单向振幅超过这个限度时，切割磁场的音圈匝数减小，导致音圈的驱动力下降，扬声器的输出声压进入非线性状态，失真明显增大。扬声器单元的最大线性位移Xmax与扬声器单元的有效振动面积Sd的成绩就是我们通常所说的最大线性位移体积Vd它决定了扬声器辐射声音时能够推动的最大空气体积.

    扬声器的最大线性位移体积在很大程度上决定了该扬声器单元在最低频端上午最大输出声压级.扬声器的最大线性位移体积值越大,则扬声器单元在较低频率时能够辐射的声压越高.口径较大的扬声器不仅有效振动面积较大,而且它的最大线性位移也较大.因此这种扬声器具有较高的低频输出声压级优势.

三、扬声器等效容积

扬声器单元的等效容积是指将某一扬声器单元放入具有一定内容积的箱体后，倘若该箱体中空气的声顺恰好与所用扬声器单元的声顺相等，那么箱体的内容积就是该扬声器单元的等效容积，扬声器的等效容积简称Veq 。扬声器单元的等效容积Veq与扬声器的品质因数Q。谐振频率F。一起决定了扬声器的低频特性。因此，也是设计音箱的重要参数之一。


四、扬声器功率特性

扬声器上所标识的功率参数值是产品的重要指标之一。由于国内外扬声器功率质量指标定义的不一致，造成了同一产品规格上的混乱。为了消除这种混乱，1985年我国颁布了新部标，与1988年又通过GB9396-9400新国标，1996年改版为GB9396-9397-1996新国标。在新部标和新国标中，结合国际电工委员会颁发的《电声器件-扬声器》和《对高保真设备中扬声器的最低要求》，扬声器质量指标-----功率定义为特性功率、最大噪声功率（额定噪声功率）、最大正弦功率、长期功率、（额定长期功率）和短期功率等。

1、        标称功率
标称功率是用连续、正弦波有效值功率测定其失真值的，以扬声器失真指标来确定，例如一个扬声器标志失真低于3%，则定为5W时失真为3%，那么这个这个扬声器的标称功率就是5W。

2、特性功率

   特性功率是指，在100~8000HZ频率范围内，测量仪输入粉红噪音信号至扬声器系统，距离音源1M处产生一个94dB的特性声压级，其值决定于扬声器的灵敏

3、        最大噪声功率（额定噪声功率）

扬声器系统在一定的额定频率范围内，规定用专门测试噪音信号加至扬声器100H进行试验（该噪音信号的频谱分布较为接近实际的节目信号），结果并没有过热和机械损伤，达到长期安全地工作，这样测试而得的功率称为额定噪声功率。这一功率与失真无关，所以往往比标称功率大2~4倍。国外的扬声器一般都标识这一功率，国产扬声器也逐渐使用这一功率含义定值。

4、        最大正弦功率
扬声器系统在一定频率范围内，馈给连续正弦功率试验，结果扬声器音圈震振动不应该产生打底声，也没有过热或机械损伤。由于该功率不受失真值的限制，所以该功率比标称功率要高。


5、长期功率（额定长期最大功率）

   扬声器系统在一定频率范围内，馈给专门规定噪音信号功率试验。扬声器承受此功率在1min内不会产生永久性机械损伤,每2min试验1次,重复10次。这项功率比额定噪声功率大 许多。

6、        
在一定频率范围内，馈给扬声器系统专门规定的噪声信号功率进行测试，扬声器承受此项功率在1S内不会引起永久性的机械损伤，则此功率为短期功率。它在所有命名功率中标值最大，可比标称功率大8~10倍。

7、        音乐功率

功率主要取决于扬声器承受250HZ以下短期正弦信号频率的能力。扬声器承受此功率，通过实际试验，既无明显的失真，也无过热及机械损伤。音乐功率标值源于德国DIN45500标准，它是综合功率的实际标值。


目前测试扬声器承受功率时大多使用噪声信号发生器。噪声是一种不规则、间歇的信号，一般测试用的噪声信号有白噪声和粉红色噪声两种，“白”和“粉红”这两个词是由这两种噪声的频谱决定的。白噪声是一种随机噪声，这种噪声信号包含从20HZ~20KHZ的各种频率，且这些信号的能量呈均匀分布；粉红噪音也是一种随机噪声，但它的能量分布与频率成反比，因此粉红噪声中的低频成份较多，测试时由功率放大器馈给被测扬声器一定的信号功率，被测扬声器两端输入的电压有效值的平方与被测扬声器阻抗的比值既为该扬声器的承受功率。

五、扬声器品质因数

扬声器单元的品质因数是设计和制作音箱前必须了解的重要参数之一。在扬声器单元的阻抗特性曲线上它表示阻抗曲线在谐振频率处阻抗峰的尖锐程度。它在一定程度上反映了扬声器振动系统的阻尼状态，简称Q。值。扬声器单元的品质因数反映了当输入扬声器单元的电信号消失后扬声器锥盆回复到静止状态下的快慢程度，或者说扬声器单元电磁系统对振动系统的阻尼作用大小，即反映扬声器单元的瞬态响应好坏。扬声器单元的品质因数越高，表明扬声器振动系统消耗能量越慢，谐振越不容易控制。扬声器的低频特性通常由扬声器单元的品质因数Q。值和谐振频率F。决定
Q。值对F。处输出声压的影响关系：
Q。值过低时扬声器的输出声压还没到F。处时就迅速下降，扬声器处于过阻尼状态，造成低频衰减过大。
Q。值过高时扬声器的输出音压在F。处会出现一个峰，扬声器处于欠阻尼状态，低频得到过分的加强，Q。值越大，峰值越陡。
因此扬声器的品质因数Q。值不能过高也不能太低，我们一般取它的临界阻尼值即Q。等于0.2~0.6作为最佳取值范围。

六、扬声器阻抗特性

扬声器上标志的阻抗，单位为Ω。扬声器单元的阻抗通常用它的阻抗特性和额定阻抗来表示，但两者却是两个完全不同

1、        阻抗特性

扬声器音圈是一个用漆包线在圆筒状骨架上饶制而成的线圈，它除了具有一定的直流电阻外还具有一定的电感。当音频信号输入时扬声器音圈即在磁气隙中上下振动。由于音圈电感的作用，这时在音圈中会感应出一个与音频信号反向的感应电压，这个与音频输入信号反向的感应电压会削弱音圈中的电流，从而使音圈的阻抗增大。随着音频信号频率的上升这种效应会越来越大，这就使扬声器音圈的阻抗随音频信号频率的上升而增大。扬声器单元的阻抗随信号频率而变化的规律称为扬声器单元的阻抗特性。

2、        额定阻抗

扬声器单元的额定阻抗是一个纯电阻的阻值，是被测扬声器单元在谐振频率后第一个阻抗最小值。这时音圈自感所产生的反电动势和音圈振动所产生的反电动势因大小相等方向相反而互相抵消，使扬声器的阻抗值最近似等于音圈的直流电阻。我国国家标准GB9399-88《扬声器主要技术参数》中规定扬声器单元的额定阻抗值优选系列为：2、4、8、16和32Ω。目前国内和国际上大部分扬声器的额定阻抗值为4Ω或8Ω。

扬声器的额定阻抗由扬声器生产厂家给出，标注在产品商标或扬声器的下导磁板上。扬声器的额定阻抗也可以根据扬声器音圈的直流阻值估出，将万用表测出的扬声器音圈直流电阻乘以1.1~1.3倍即为该扬声器的额定阻抗
七、扬声器频率特性

扬声器的频率特性是指当输入扬声器的信号电压恒定不变时，扬声器在参考轴上的输出声压随输入信号的频率变化而变化的规律。频率特性也是衡量其质量的重要指标。对扬声器频率的要求，即是对重放音频信号频率范围能否满足要求而言，因此必须测定实际频率特性曲线。

1、        频响曲线

测试必须在消声室中进行。目前大多数扬声器的频响曲线在1M*1W的条件下测得，即输入被测扬声器单元的信号功率为1W；测量话筒沿被测扬声器单元的参考轴  距离扬声器的发射面1M；信号发生器的输出信号经功率放大器放大后馈送到被测扬声器，被测扬声器辐射出的声信号被测量话筒接收后转变为电信号，经测量放大器处理后送至电平记录仪。当信号发生器的输出信号频率发生变化时，扬声器输出声压发生的相应变化便同步地被电平记录仪记录下来，这就是被测扬声器单元的频响曲线。


2、        有效频率范围

在被测扬声器单元频响曲线上声压级最高的区域选取一个倍频程的宽带，（倍频程是指两个频率比为2的频率间隔，例如500~1000HZ、3000~6000HZ都是一个倍频程）计算出该带宽的平均声压级，然后将此平均声压级作为基准，在此平均声压级以下10dB处作一条与X轴平行的直线。该水平直线与扬声器的频响曲线相交的两个点所对应频率之间的频率范围就是我们常说的扬声器有效频率范围。**当输入电动式扬声器的信号频率低于它的谐振频率时，扬声器的输出音压以每频程12dB的速度下降，因此，国际电工委员会IEC规定将扬声器单元的谐振频率作为该扬声器的低频下限频率，而将扬声器单元频响曲线高频端的交点作为该扬声器的高频上限频率。它们之间的频率范围称为该扬声器的有效频率范围。**有时扬声器生产厂家还提供一种称为扬声器额定频率范围的指标。扬声器有效频率范围与额定频率范围是两个不同的概念，前者是指扬声器单元能够有效地重放出满足一定声压级要求的信号频率范围，后者则是扬声器生产厂家根据扬声器单元的产品标准及用途而规定的最佳工作频率范围。

3、        不均匀度

理想状态下，扬声器频率特性曲线越平坦越好，但通常测得的扬声器频响曲线则是由一条具有许多峰谷点的不规则连续曲线。在被测的扬声器有效频率范围内，频响曲线上最大声压级与最小声压级之差，称为该扬声器单元的不均匀度，窄于1/9倍频程的峰和谷可以忽略不计。