纸盆扬声器

三、纸盆扬声器

扬声器中使用最广泛的是纸盆扬声器，从收音机、电视机、组合音响等一般用的扬声器到高保真扬声器，以及全频带组合扬声器中的低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器，都是纸盆扬声器。特别是全频带扬声器和低音扬声器，几乎百分之百是纸盆扬声器。

由于振膜面积可以做得比较大，能得到比较大的振幅，所以纸盆扬声器具有低声频重放下限频率低的特点。另外，纸盆扬声器结构简单，成本低，目前已成为扬声器生产中的主流。

(一)纸盆扬声器的结构及工作原理

1.纸盆扬声器的结构

图3-10　纸盆扬声器的结构

纸盆扬声器的种类较多，其中最具代表性的是单纸盆扬声器，其结构如图3-10所示。纸盆扬声器的关键部件是纸质振膜，因为它的形状是圆锥形，所以通常称为纸锥或纸盆。纸盆外缘由折环支持，纸盆中心部由定心支片支持，使纸盆处于悬置状态。折环和定心支片的形状都使它们在纸盆的振动方向易于运动，而在与之垂直的方向却具有良好的刚性。折环起封闭、阻尼和支架的作用。纸盆中心孔上的罩称为防尘罩或中心罩，是振膜的一部分，起防尘作用。音圈绕在音圈架上，纸盆中心部分与音圈架相粘接。上面这些部件统称为振动系统，是扬声器极为重要的部分。

扬声器另一个重要组成部分是供给音圈磁通的磁路。音圈位于导磁板与导磁柱之间形成的均匀磁场中，由磁体通过导磁轭供给磁通。磁路和振动系统的相对位置由盆架保持，盆架供人们拿取扬声器。音圈通过柔软的引出线(通常是金属编织线)与焊片焊接。编织线通常用棉线或尼龙线作为芯线，再用铜丝编织而成。

纸盆扬声器的结构比较简单，部件也不多，其中纸盆是最重要的部件，是扬声器的“心脏”。图3-11所示是几种不同形状的纸盆：图3-11a为一般的双纸盆，图3-11b为两端连接的双纸盆，图3-11c为纸盆中加有皱褶的特殊纸盆，图3-11d为纸盆腹部加有圆锥体的纸盆。

图3-11　纸盆的种类

上述各例主要是指全频带重放扬声器而言。至于组合扬声器中的中音扬声器和高音扬声器的结构，分别如图3-12和3-13所示。它们的特征是在纸盆背面有一封闭的腔体，当和低音扬声器组装在一个声箱中，它们背面的空气振动不会对低音扬声器产生干扰作用，否则会出现互调失真。另外，这一空腔还起到调节最低共振频率f₀的作用。

图3-12　中音扬声器的结构

图3-13　高音扬声器的结构

2.纸盆扬声器的工作原理

纸盆扬声器是一个电声换能器，但不是将电能直接转换为声能，其能量变换方式是电能—机械能—声能。当音圈有声频电流I时，音圈在磁场作用下产生振动，带动纸盆振动，使空气随之振动，从而将电信号转换成声音。

下面，我们详细分析扬声器的工作情况。图3-14所示为音圈与磁路的关系。磁路中磁体的极性如图所示方向，在音圈一侧为N极，在导磁板一侧为S极，在磁缝隙中磁通穿过音圈到导磁板组成磁路。如果音圈中通以电流，其方向如图所示，根据左手定则，音圈受到一个向上的力。当音圈电流相反时，受力方向也相反。这个力F的大小和音圈电流、磁感应强度及音圈的导体长度成正比，即

图3-14　电动式纸盆扬声器的工作原理

F=BLI=Ai[N]

式中，B为磁缝隙磁感应强度[Wb/m²]，I为电流[A]，L为音圈导体长度[m]，Ai为力系数[Wb/m]。

因此当声频电流通过音圈时，产生一个与声频电流成正比的力，推动音圈振动。这个振动通过音圈架传递给纸盆，使纸盆前后的空气振动而把声音辐射出去，辐射的声功率W_a为

W _a=r_ad|V|²[W]

式中，r_ad为辐射阻[Ns/m]，V为振膜振动速度的有效值[m/s]。

由上式可以看出，辐射阻越大，振膜速度越快，声输出功率也就越大。但是辐射阻是频率的函数，所以在整个频段保持恒定的声输出功率十分困难，通常高声频输出下降。图3—15所示为纸盆扬声器轴线上典型的声压频率特性。可以看出，纸盆扬声器相当于一种低频下限为f₀、高频上限为f_h的带通滤波器。

图3-15　电动式纸盆扬声器的一般特性

(二)纸盆扬声器的指向性

由于在中低声频段，纸盆可以看成是活塞震动，所以此时纸盆扬声器的指向性与圆形活塞的指向性基本一致。当纸盆尺寸小于波长时，则无指向性。圆形活塞的指向性可以用下式表示：

D=|2J₁(kasinγ)/kasinγ|

式中，a为振膜半径，k为2πf/c，D为中心轴上声压与γ°方向声压之比。

由上式可以看出，当ka值不同时的指向特性(如图3-16所示)。由此可见，纸盆口径小时，高声频段纸盆不再是活塞振动，而是分割振动。这相当于有效半径减小，实际得到的指向性比上式计算出的要好。但是，如果为了提高f_h，使半顶角变小，加深纸盆深度，则在纸盆根部所辐射的高声频成分被限制在一个很窄的立体角内，指向性就变得尖锐起来。通常为了改善高声频的指向性，纸盆的形状要浅，同时材料的径向声速要小。另外，也可以在扬声器前安装声透镜或安装扩散球来改善指向性。

图3-16　圆形活塞声源的指向性(a为振膜半径，k=2πf/c)

(三)纸盆扬声器的效率

纸盆扬声器的效率也是不可忽视的问题。换能效率是输入电功率与输出声功率之比，一般用百分比表示。纸盆扬声器的效率与其他换能器的效率相比非常低，通常只有1%左右。特别是在高保真扬声器系统中，为了减少失真而设计的小型扬声器，其效率只有0.2%左右。扩声用、乐器用和监听用扬声器，特别是需要有大输出的扬声器，其效率也可达到10%—20%。通常，纸盆扬声器在额定输出范围内的效率η为

η=Wa/We×100%

式中，Wa为输入声功率，We为输入电功率。

纸盆扬声器的效率与磁感应强度的平方成正比，纸盆面积越大，其效率越高。当纸盆的质量一定时，如音圈的质量等于纸盆质量与附加质量之和，则效率最高。

另外，纸盆扬声器的效率与音圈导体的材料也有关。因此，纸盆扬声器的效率与很多因素有关，同时这些因素还影响扬声器的其他特性，所以不能仅从效率的角度考虑问题。

(四)纸盆扬声器的失真

纸盆扬声器音质的好坏，完全取决于它的失真情况。虽然音质好坏与心理因素也有很大的关系，但是波形失真还是主要的原因。而在重放声的波形失真中占据主导地位的，是声压频率特性和相位特性的线性失真。

纸盆扬声器的失真分为线性失真和非线性失真两种。线性失真主要是由于中声频段折环共振产生的分谐波和纸盆在中高声频段的分割振动所造成的。非线性失真的原因很多，大致可以分为三类：

(1)由驱动力引起的失真

(2)由悬置引起的失真

(3)由纸盆引起的失真

(五)纸盆扬声器的瞬态特性

扬声器对急剧变化的输入信号的响应能力称为瞬态特性。瞬态特性好的扬声器可以很好地跟随信号的变化。通常，纸盆扬声器在活塞振动频率范围的瞬态特性较好，而进入分割振动频率范围后瞬态特性变差，从而导致声音包络的建立过程出现延时，波形变坏，声波衰减过程的包络变差。

(六)纸盆扬声器的相位失真

对于没有非线性失真的扬声器，波形被正确传输的必要条件是：

(1)声压频率特性曲线(振幅特性)平滑；

(2)相位频率特性平滑，其数值应为0或π的整数倍。

这里，第一种情况出现的失真称为振幅失真，第二种情况出现的失真称为相位失真，两者统称为线性失真。振幅失真是最一般的特性，通常用声压频率特性表示。关于相位失真的问题，尚在讨论之中。

纸盆扬声器相位失真产生的原因主要有两点：第一是由于电流的相位产生的相位失真。在低声频段是f₀的相位变化，在中高声频段则是由于折环的反射、音圈电感等引起的相位变化，在电路上进行补偿比较容易。第二是由于振动系统引起的相位失真。这主要出现在分割振动频率范围内，但音圈振动相位和纸盆各部的振动相位不一致时，也会出现这种失真。