扬声器知识自编.ppt
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1、嘉善星龍電訊產品有限公司,揚聲器知識培訓資料 注:以下資料均編自同行及聲學研究機構,本公司僅作內部培訓使用 編制:向陽 二零零八年六月,聲 音,一: 声音的形成,物体围绕平衡位置做来回往复的运动叫做振动.振动物体将它的振动传给周围的弹性物质,弹性物质又将振动传到人的耳朵.听觉系统感受到振动,并对其中的20HZ20000HZ的频率成分做出反应,就形成了声音. 形成声音的三个要素 :发出振动的物体叫做振源(声源),传播振动的物体叫做媒介以及人的听觉系统,二: 声音的传播 声音在真空中是不能传播的.除了气体外,液体及固体都是传播声音的媒介. 声音在各种媒体中传播的速度是不一样的.它与媒体弹性的平方根
2、成正比,与密度成反比. 声音在空气中的传播速度还和大气的条件有关,随绝对温度的升高而加快.0时,声音在空气中的传播速度为331m/s(米/秒).20时为344m/s,这是由于温度低时空气的密度大,温度高时,密度小,声音在空气中传播的速度随密度的减小而增大.同理,空气在高山上传播的速度就要高于地面.以此类推,声音在钢铁中的传播速度可能要因为它的密度比空气大而变小,但声速不仅与介质的密度有关,而且与介质的弹性系数有关,由于钢铁的弹性系数要比空气大得多,所以声音在钢铁中的传播速度还是要比空气中大,空气中声速与温度之间的关系可用下式表示 与空气中声速随密度的增大而减小相反,当空气中的湿度增大时,声音的
3、传播速度不是减小 ,而是增大.这是因为空气中水蒸汽会影响空气的密度.由于水蒸气的密度只有干燥空气密度的62%,所以湿空气的密度要比干燥空气小,因此空气的湿度增加后,声速加快了. 声音在空气中传播的距离则与自身的频率及外部条件有关.低音传得远,高音在空气中衰减得快.研究发现,声波在介质中的传播,除了在传播方向上,单位面积通过的声能与距离的平方成反比外(即反平方定律),声能还会发生其他衰减.这是因为空气在波动中,质点相互之间存在作用力,即有黏滞性,而且相互之间还有摩擦力,有部分能量变成热能而损耗掉,即介质吸收了声能. 空气的湿度对声音的传播距离也有影响,与空气的湿度增加并不减小声速而是增加声速一样
4、,湿度的增加也不减小声音传播距离,而是增大了传播距离.,换句话说,干燥的空气对声音的衰减量更大,潮湿的空气对声音的衰减则减小,声音的传播方式 声辐射 声源振动时,将一部分能量通过与其接触的弹性媒质(如水,空气)以声波的形式向四周传导的过程叫声辐射.空气会对扬声器(声源)起反作用 声音的反射 声音的反射如同一个球碰到墙壁弹回来一样.精确地说是“波振面内由两种媒质之间的表面返回的过程.类似光线,声音的反射也有入射角等于反射角的性质.我们在房间(只要不是消声室)听扬声器.音箱发声时,除了听到扬声器的直达声以外,还听到来自地面,墙壁,顶棚,室内家具等的反射声,共同构成我们对声音的感受.在声波的传播过程
5、中,如果物体大小比波长小,我们就不考虑它的反射影响.物体比较大时就不能不考虑反射的影响了 声音的折射 一根筷子插入水中,看起来筷子变成两段,这就是光线的折射.声音也一样具有折射现象,即“因媒质中声速的变化引起传播方向改变的过程.在扬声器辐射过程,大家对折射似乎不注意.其实扬声器放在音箱箱体内,如果箱体比较薄,会产生振动,这是大家都关注的.另外声波也会经箱体折射出来,尽管这部分能量比较小,一种严格的分析也不是无益的. 知道了折射的原理,就可以用它来改变声音的方向.方法之一是利用障碍物,障碍物的数量和几何形状都会影响声音传播的速度而产生相应的折射.使声波折射的另一个方法,就是将声波的路程拉长,等效
6、于降低了速度,从而改变声传播的方向. 声音的衍射 衍射有时亦称绕射.当声波从一个孔隙穿过时,就会发生变化,这种“由于媒质中有障碍物或其他不连续性引起的波阵面畸变“称做衍射.,驻波 由于频率相同的同类自由行波互相干涉而形成了空间分布固定的周期波.驻波的标志不是有固定于空间的波腹和波节.振幅最大点称为波腹.最小点称为波节.由于声波的进一步,使得一些地方振动强烈,另一些地方振动较弱.对于扬声器的箱体,在设计时要避免长宽高成整数比从而产生驻波.因此,我们平时看到许多箱体边角的弧度,并不完全是为了美观. 声波的吸收与透射 在音箱箱体内经常装有一些泡沫塑料,绒,毛等吸声材料,在室内也常用地毯,窗帘等吸声.
7、“当声波通过媒质或射到媒质表面时声能减少的过程“称做吸收. 当声波传到一个界面时,一部分被反射,一部分被吸收,还有一部分声波会透射过去,即“声波在多媒质中传播时,经过多媒质分界面的多次反射,仍可能有部分声波通过中间各介质达到最后一种媒质的现象“叫做透射. 横波 质点的运动方向与波的传播的方向是垂直的,这种波称为横波 纵波 在空气中质点的运动方向与波的传播方向是平行的,这种波称为纵波 波长 声波在传播过程中,相邻的同相位的两点之间的距离称为波长.波长与频率f和声速c之间的关系为: cf 在空气中的声波为非色散波,即不同频率的声波传播速度相同,因此频率与波长成反比,频率越低,声波波长越长.,声波在
8、管中的传播 在截面积均匀的管中传播的声波不同于自由空间传播的声波,它的波阵面因为受到壁面的限制, 不向四周扩散,而是始终保持不变,因此在管中传播的波是一种平面波.在管中传播的波,能量不容易 分散,因此传播的距离远.如用管子通到各房间的中央空调,如果管壁不做吸声处理,则送去冷风的同 时将噪声也一起带进了房间 对于有限长的管子,当声波传播到管口时,面积有一个突变,声阻抗发生变化,声波一部分向外 辐射,一部分被反射回去.为了使声波更多地向外辐射,我们常常将管口的面积做成逐渐增大的喇叭形 辐射口,这主要是使声波传播到管口时的声阻抗能有一个比较缓慢的变化,逐渐接近自由空间传播的 声阻抗,有利于声波的辐射
9、. 我们在设计扬声器箱时,常常会用一小段管子作为倒相管,所用的管子的长度一般比声波的波长 小得多,所以管中的空气可以看作像活塞一样作整体运动,这时管口附近有一部分空气可以与管内的 空气一起运动,这部分空气的质量称为同振质量,它的存在好像使管子的长度增加了. 当管子的长度与波长可比较时,理论分析发现,当管子的长度正好等于四分之一波长的整数倍时, 管子的辐射功率可以得到很大的提高.管乐中的笛子就是利用手指按孔,改变管子的长度来得到不同频 率的声波辐射产生乐意的. 声波在房间内的传播 声波在房间内的传播,不同于自由空间,它受到墙壁的制约.就是说,在房间里听一个声源发出来 的声音,除了直接从声源传来的
10、声音外,还有很多经墙壁反射的声音.前者称为直达声,后者称为反射 声.所以我们听到是这两种声音叠加的效果,显然比在室外听到的要响(同一条件)室内与室外的差别 取决于反射声的强弱.假如在墙壁上装了很多吸声尖劈,把反射声全吸掉,这样的空间就与室外的自由 空间一样.这种房间称为消声室. 假如将墙壁做得很光滑,使入射到墙壁的声波吸收得很少,尽量反射出去,声波在室内经多次反射 后,再逐渐消失,结果房间内各点的密度比较均匀,从各方向到某一点的声能流的概率相同,而且各方 向到达某一点的声波的相位是无规的,这样的声场称为扩散声场.这种实验室叫混响室.在混响室讲话, 声音的拖尾比较长,讲快了不容易听清楚.墙壁吸声
11、太强,主观上听音就感到“太干”,墙壁吸声太少 则声音听起来就“发浑”. 反映室内吸声特性的一个重要指标是混响时间.它的定义是:室内声场达到稳态后,切断声源,室内 声压级衰减dB所需要的时间.它与房间的大小,室内的吸声特性有关.,三: 声压 声音的传播,实际上声源振动发出的能量通过介质由近及远的传播.扬声器的发声,其过程是电能通过音圈变成振动板的机械能,机械能通过空气的振动向外传播国.声源发出的能量用E表示,单位为焦耳(J). 在音响技术中,人们关心的是声能到过某一特定位置时的强度,即声强或声力.声强用I表示,其定义是单位时间里通过垂直于声传播方向上单位面积声能的大小,单位为瓦/平方米 声音在传
12、播过程中,会对周围的空气产生压力,这一压力是在原来大气静态压力的基础上新增加的,称为声压,用P表示.它代表垂直于声传播方向上,单位面积所受到的声音压力的大小,单位为帕斯卡(Pascal),简称帕(Pa).在国际单位制中,一帕等于一平方米面积上承受一牛顿的力,但至今仍有许多书采用厘米克秒制表示.单位为微巴(bar), 1Pa=10bar. 声学家发现,当声音的强度成10倍,100倍,1000倍地增大时,人耳感觉到的声音的大小只是1倍,2倍,3倍地增长.同样,当声音的频率升高时,人们感觉到音调的提高 ,但音调提高的数值与频率的增加也不成正比,而是与频率增加比较值的对数成正比,这就是有名的韦伯(We
13、b)定律,即人对外界刺激大小的反应是遵从对数定律的.,度量扬声器的效率,人们采用计权声压级SPL表示: 人对3000HZ左右的声音最敏感,而对低频较迟钝,30HZ以下的声音,即使声压高达60dB,人一样充耳不闻,四: 声调 音调表示人对声音振动频率高低的心理感受量,单位是美(mei),所谓美,是将频率为1000HZ,声压级为40BB的纯音的音调定为1000美.音调与声源振动频率正相关.声源每秒钟钟振动的次数少,发出的音调就低,振动的次数多,音调就高.人耳对音调的感觉,不仅和频率有关系,而且还和声音的强度有关.保持频率不变,改变声压级,听觉上会感到音调发生了变化.对于低频,提高声压让人觉得音调变
14、低了.对于1000HZ以上的中高频,提高声压,则会感到音调提高了. 音调的高低除了和声源的振动频率有关外,还和声源移动的方向及速度有关:当声源迎着听者而来,音调加快,而且随移动速度增加而升高,反之,声源离听者而去,音调则降低,且速度越快,声调越低.后人称这一现象称为”多普勒效应. 扬声器在低频大功率时,振动板的冲程大,由于多普勒效应,这时低频就会对高频产生调制,不仅影响了高音的音调,也会使扬声器产生互调失真,五: 音色 乐队演奏时,每一个相同的音符,各个乐器发出的音调(频率)都是一样的,但人们还是分得清不同乐器发出的声音,原因就在于各个乐器发出的乐音的音色不一样.音色顾名思义就是声音的特色.
15、乐声是一种复合声,不同的乐器演奏同一种音符时,发出的基音是相同的,因此调子相同.但泛音的个数,频率和幅度却各有差别,这就构成了不同乐器的不同音色.一般地说,谐泛音越多音色越圆润,越好听 将一个声音分解成基音与泛音,这些基音与泛音就称为被分解音的频谱.以下,我们对若干声音及其频谱作个注释: 纯音: 声音中只含有一个频率成分,人们称其为纯音,纯音的波形是正弦波,是单一波形 基音: 声音分解后,其中频率最低,幅度最大的纯音就叫做基音 谐音: 声音分解后那些频率比基音高,而且是基音频率的若干整数倍的声音就叫谐音,也叫 做谐泛音.谐音的频率成分很多.它的幅度一般都比基音小 泛音: 声音分解后,那些频率比
16、基音大声音统称为泛音.泛音的频率可以是基音频率的整数倍,也可 以不是.泛音的幅度也都比基音小 单音: 由基音与其谐泛音组成的声音叫做单音 复音: 由基音与其泛音组成的声音叫复音 乐音: 能使人愉悦的声音称为乐音.乐音的频谱是分立谱 噪声: 能使人烦躁或不受人欢迎的声音统称噪声.它具有共同性又具有各异性,共同性如调频收音机收不到信号时的背景声音就是噪声.这种噪声是随机发出的,波形非常杂乱,频谱是十分广泛的连续谱.各异和性如,当某些人在特定的环境里伴随着某些声音受到了极大的惊吓,以后当这一声音重现时,对当事人无疑是不受欢迎的噪声. 正常情况下,环境噪声不应大于60dB 国际上规定最高环境噪声不应大
17、于8590dB,在这种环境里每天工作h8,30年后耳不聋,吸声与人耳的听觉特性,一: 吸声 人们总是希望声音在空气中的传播接近于无损耗的传播,但在某些情况下,为了改变声学效果,却需要削弱乃至阻止声音的传播.如微型扬声器为了改变频率响应曲线,需要在透气孔上贴上调音布. 吸声材料需要一般需要满足两方面的要求,一是材料的特性阻抗要和空气尽可能相同,以使空气中的声能尽可能的透到材料中去(在电子线路中,当功放的输出阻抗与扬声器的阻抗相同时,功放与扬声器之间的传输最好).二是吸声材料对传入的声能要尽可能大的吸收.要满足上述两点要求,首推内有密密麻麻的毛细管的多孔材料了. 吸声材料又叫声阻材料,因为声音在毛
18、细管中很难传播,或者说毛细管对声音具有很大的阻力. 可以看出毛细管的管长越长,尤其是半径r越小,则其声阻就越大,这和电学上的的电阻一样.同理,也和电阻并联一样,当吸音材料上的毛细管越多,声阻越小.当吸音材料越厚,或多层叠在一起,声阻就越大. 常用的声阻材料有海绵,棉布,羊毛,无纺布等.其内部可以看成许许多多的毛细管组成.,二: 人耳的听觉特性 人耳可听的频率范围为20Hz-20000Hz,相当于10个八度音. 人及乐器的基音频率范围约在30Hz-4000Hz 人耳分为外耳,中耳,内耳3部分.外耳包括耳廓,耳道及鼓膜.耳廓的作用是削弱或挡住后方传来的声波,收集正前方的信号. 对自然界而言,声音的
19、传播仅仅是一个物理过程,但对人,却是一个物理生理-心理过程,因为作为声音的受体,人的听觉不仅具有很强的心理特点,而且由于各人的年龄,经历,修养及爱好的差别,对声音的感受不同,因而具有很强的心理色彩. 振幅相同而频率不同的声音,在近距离用声压计测量,其声压级是相同的.但频率不同的声音,人听后觉得其响度是不一样的.由于人耳对中音的放大作用,听了以后觉得它的响度最大,而对于低音或高音则不那么敏感,而且随着频率向两边延伸,敏感度会逐渐下降,听起来会觉得声音越来越小. 正因为人的听觉有这一特性,而扬声器的设计又很难根据需要予太大的补偿,尤其是低频的过分提升,容易使曲线曲折,还会使低音显得干瘪,所以音响设
20、计师一般在功率放大器上做文章,在机器上增加了高低音提升功能,听者可以将放大器的增益调试,以对听觉进行补偿. 声学家发现,不同频率的声音,给人的心理感受是各不相同的. 30Hz-80Hz的声音给人一种深沉,震撼和地动山摇的感觉,这段频率理论上在人的听觉范围之内,但人耳对它们很不敏感,更多的是身体,皮肤,五脏六腑受压迫来感觉到. 50Hz-120Hz的声音,是人耳能听到的最壮丽的低音,它给人以雄壮有力,而又宽广宏大的感觉 100Hz-500Hz的声音,听起来敦厚,扎实 不管是放大器还是扬声器,低音重现不足,声音必然单薄乏力,反之,如过分提升,又容易使声音显得浑浊不清.,从300Hz的中低音往上延伸
21、,声音逐渐进入中频段,力底感逐步消失,开始变得清楚,明亮,透明,越接近4000Hz声音变得越来越锐利. 不管是语言还是乐器的声音,中频段所包含的信息,都是最丰富的,因为许许多多声源的基音及大部分泛音,都落在这一区间,这部分表现不好,声音就失去特色,因此不管是扬声器或扬声器系统,中频设计不好,便是败笔.一般地讲,中频过强,声音会因为失去高低音的陪伴而显得生硬,但如果压得过低,又会使语言含混不清,在过强的高低音的干扰下而飘忽不定. 从3000Hz往上至10000Hz,声音迅速接近高音区,声音开始由清楚明亮,变得清脆纤细,边界分明.高音严重不足,声音则会显得暗淡,失去色彩,但高音过度提升则会使人感到
22、尖刺,烦躁. 10000Hz以上的高音,听得清楚的人并不多,但如果成分足,细如游丝的声音才会有挑动心弦的感觉. 人对不同频率的声音敏感程度因性别,年龄而有很大的差异.随年龄的增加,听力在逐渐地下降,尤其是50岁以后下降加快. 年轻人对高音比老年人敏感 女性对高音比男性敏感. 三:音乐频率与听感 80Hz 80Hz以下主要是重放音乐中以低频为主的打击乐器,例如大鼓、定音鼓,还有钢琴、大提琴、大号等少数存在极低频率的乐器,这一部分如果有则好,没有对音乐欣赏的影响也不是很大。这一部分要重放好是不容易的,对器材的要求也较高。许多高级的器材,为了表现好80(或80左右)Hz以上的频段的音乐,宁愿将80(
23、或80左右)Hz以下的频率干脆切除掉,以免重放不好,反而影响主要频段的效果。极低频20Hz为人耳听觉下限,可测试您的器材低频重放下限,低频中的25Hz、31.5Hz、Hz、40Hz、50Hz和63Hz是许多音箱的重放下限,如果您的音箱在这些频率中某处声音急剧下降,则表明这个频率就是您的音箱低频重放下限。,80160Hz 在80160Hz频段的声音主要表现音乐的厚实感,音响在这部分重放效果好的话,会感到音乐厚实、有底气。这部分表现得好的话,在80Hz以下缺乏时,甚至不会感到缺乏低音。如果表现不好,音乐会有沉闷感,甚至是有气无力。是许多低音炮音箱的重放上限,具此可判断您的低音炮音箱频率上限。 30
24、0500Hz 在300500Hz频段的声音主要是表现人声的(唱歌、朗诵),这个频段上可以表现人声的厚度和力度,好则人声明亮、清晰,否则单薄、混浊。 800Hz 800Hz这段一般设备都容易播好,但是要注意不要过多。这段要是过多的话会感到音响的频响变窄,高音缺乏层次,低频丰满度不够。 1000Hz 1 kHz是音响器材测试的标准参考频率,通常在音响器材中给出的参数是在1 kHz下测试。 1200Hz 1.2kHz可以适当多一点,但是不宜超过3dB,可以提高声音的明亮度,但是,过多会是声音发硬。 2000-4000Hz 24kHz对声音的亮度影响很大,这段声音一般不宜衰减。这段对音乐的层次影响较大
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