号筒扬声器

五、号筒扬声器

纸盆扬声器安装在无限大障板上时的辐射阻，在中声频段以下的频段与频率平方成正比。要使中声频段的输出声压频率特性平滑，就必须使纸盆的振动速度与频率成反比。因此，就应使纸盆的共振频率极低。但是，这将使低声频段振幅非常大，易产生失真。

另外，因为纸盆扬声器的辐射阻不大，所以有效率低的缺点，与负载电阻接在具有某一内阻的电源上时的情形相似(如图3-24所示)。纸盆扬声器的输出相当于纸盆的辐射阻，这时不管负载电阻大小，输出功率都小。只有将与电源内阻相同数值的负载电阻接在电源上时，输出功率才最大。这种状态就叫做阻抗匹配状态。对纸盆扬声器来说，由于负载电阻小，因而电声转换效率很低。

图3-24　当电源内阻与负载电阻相等时输出最大

图3-25　截面逐渐变化的声管

纸盆扬声器的辐射阻之所以小，一方面是因为声音从比较小的振膜辐射到很大的空间时，波阵面形状变化很快，另一方面是平面波的声阻是纯阻。以此类推，假如采用如图3-25所示的截面积逐渐变化的声管，振膜发出的声波向空间传播时，波阵面逐渐扩散，由振膜馈入的声阻抗是纯阻性的，而且具有所希望的较大数值。这种截面积逐渐变化的声管叫做号筒。

把振膜与号筒结合起来，辐射阻增加，所以振膜的振幅变小，转换效率提高。最早的留声机拾取记录在唱片纹槽里的信号后，将唱针的振动直接传给振膜，使振膜振动发出声音，主要就是由于振膜前面配有喇叭形号筒的原因。

号筒扬声器的效率好，但也有外形大、指向性尖锐的缺点，只能按用途分别使用。另外，号筒扬声器有多种换能方式，如电动式、静电式和压电式等等。在此，只讨论广泛使用的电动式的中高音号筒扬声器。

(一)号筒扬声器的结构及工作原理

1.号筒扬声器的结构

图3-26所示为高音号筒扬声器的结构。号筒扬声器的工作原理与电动式纸盆扬声器相同，它将音圈放在导磁板和导磁柱之间的磁缝隙里，声频电流通过音圈驱动振膜振动。为了使振膜易于与号筒连接，也为了使振膜刚性增强，都采用球形或环形振膜。

图3-26　号筒扬声器的结构

如图3-27所示，当振膜直径大时，振膜中心部分发出的声波的相位和周围部分发出的声波的相位在喉口部产生差异，在半波长与振膜半径相同的频率以上时，喉口的声输出下降，重放频段受到限制。为了消除这种相位干涉，采用喉塞，这对扩大号筒扬声器高声频段的重放频段是行之有效的办法。有喉塞时的高声频比无喉塞时的高声频高得多。另外，喉塞也能提高振膜的效率。

图3-27　喉塞的作用

2.阻抗的匹配

声频电流通过音圈时，使振膜振动。与纸盆扬声器一样，即使单独放在空气中，这种振膜也能发出声波。但这样成效不大，也就是说在阻抗不匹配的状态下，不能把振膜的振动能量有效地转换成声能。纸盆扬声器的效率最多只有1%左右。

对于号筒扬声器来说，号筒具有的声阻加到振膜上相当于负载，而号筒喉口截面积压缩得比振膜的面积小，压缩比使振膜的负载声阻抗变大，所以必须使振膜负载声阻抗尽可能地与振膜本身的阻抗值相近，形成阻抗匹配。

其次，号筒的截面积越大，号筒口与空间之间的阻抗匹配越好，效率也就越高。因此，号筒相当于电路的变压器。振膜与喉塞之间形成一个狭窄的间隙，这个间隙的大小必须保证在低声频段时振膜与喉塞之间形成的空腔力劲减小，不利于高声频段的重放，降低了高声频重放的上限。

3.号筒扬声器的种类

(1)音头的种类

图3-28所示为号筒扬声器各种音头的结构，图3-28所示为音头的基本分类。图3-28a所示为具有球顶形振膜无喉塞的前辐射式音头，这是具有代表性的音头。图3-28b所示为目前使用最为广泛的音头，这种音头在图3-28a所示音头上配一个喉塞。这样就增大了振膜面积与喉口面积之比，也就提高了压缩比和效率，同时也扩大了重放频段，所以应用很广。图3-28c所示为采用反球顶振膜。图3-28d所示为一种铁氧体制作的号筒音头，它采用环状铁氧体，巧妙地利用了后辐射，并且价格比较低。它将逐渐取代图3-28b所示音头，成为今后发展的主流。图3-28e所示为采用环形振膜的音头，具有反射式声道。图3-28f和图3-28e所示音头基本相同，采用环形振膜，区别在于声道不是反射式，而是直接向前辐射，磁路是内磁式。这种音头的音圈处于环形振膜中心线附近，高声频段性能良好，因而主要用于高音扬声器。图3-28g所示为采用球顶形振膜的音头，为后辐射式，采用环形磁体内磁式磁路。它的体积一般较大，多用于扩声号筒的音头。

(2)号筒的种类

根据号筒的形状，可以将号筒分成以下几种类型：

①圆形号筒：这种号筒设计简单，加工容易。但大型圆形号筒有指向性尖锐的缺点，不适用于高保真扬声器。为了改善指向性，可以采用径向号筒和扇形号筒。

②径向号筒：水平指向性好。

③多格号筒：它是由几个小型号筒组成，这些小型号筒所朝的方向指向性好。但是小型号筒之间有强烈的互相干扰，控制好其特性相当困难。

④扇形号筒：其外形与径向号筒相同，只是号筒口内加入隔板，水平指向性良好。

图3-28　各种音头的结构

图3-29　号筒扬声器音头的分类

(二)号筒扬声器的指向性

一般来说，号筒扬声器比纸盆扬声器或球顶扬声器指向性尖锐。这不是因为扬声器形式不同，主要是由于扬声器声源振膜大小不同。例如在5k Hz以上频段的高音扬声器中，纸盆扬声器采用直径5cm—7cm的振膜，由于高声频段振膜有效振动半径小，指向性不尖锐；而球顶扬声器采用直径2cm—3cm的振膜，所以指向性更宽。

对于号筒高音扬声器来说，一般号筒直径在5cm以上，也有很多超过10cm，但是号筒扬声器的振膜较小。由于号筒中的声波以近似平面波的状态传播，并从号筒口向空间辐射，所以可以认为它是一个与号筒口直径相等的活塞振膜在振动，因此指向性尖锐。

为了使指向性变得较宽，并且能够重放低声频，一般采用如下的号筒。

1.矩形号筒

图3-30所示为各种开口形状号筒扬声器的指向频率特性。圆形开口或正方形开口的号筒扬声器的水平指向性和垂直指向性一样，但矩形开口的号筒扬声器的这两个指向性却不同。如图f所示，如果把矩形开口的号筒横置使用，水平指向性不会因频率有很大的变化，故适用于高保真重放。相反，如果垂直使用，则中声频段指向性仍然较宽，但是高声频段指向性变得相当尖锐。

2.径向号筒

关于号筒内声波呈平面波状态传播的问题，是号筒理论的基础。但是，对径向号筒来说，其喉口水平面内声表面波波阵面设计成圆弧形。由于这种圆弧形的波阵面呈同心圆状在号筒内部传播，所以到开口处仍保持原来无指向性状态辐射，水平指向性变得较宽。图3-31所示为径向号筒扬声器的指向性。

图3-30　号筒截面不同时指向特性的变化

图3-31　径向号筒扬声器的指向性

3.多格号筒

多格号筒将号筒分成几个格子，组成不同方向的小号筒组。高声频段号筒组各格子指向性尖锐，但各格子所指方向综合起来，可以形成扇形指向性。因而在高声频段各格子指向性尖锐，而在比各格子单独开始工作频率低的频率时，各个格子的指向性更加尖锐。图3-32所示为多格号筒的指向性。

图3-32　多格号筒扬声器的指向性

4.扇形号筒

扇形号筒是一种在径向号筒里嵌入隔板的结构。由于隔板的深度不同，扇形号筒的工作原理有近似于径向号筒之处，也有近似于多格号筒之处。也就是说，一种是隔板不达到喉口，喉口的设计与径向号筒相同，工作原理也与径向号筒相同；另一种是隔板达到喉口，喉口设计与多格号筒相同，其工作原理也与多格号筒相同。图3-33所示为扇形号筒的指向性。

图3-33　扇形号筒扬声器的指向性