喇叭揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)與制作分析.doc

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______________________________________________________________________________________________________________ 喇叭設(shè)計(jì)-揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)與制作分析 1. 揚(yáng)聲器常用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T9396-1996 《揚(yáng)聲器主要性能測(cè)試方法》 GB/T9397-1996 《直接輻射式電動(dòng)揚(yáng)聲器通用規(guī)范》 GB9400-88 《直接輻射式揚(yáng)聲器尺寸》。 GB7313-87 《高保真揚(yáng)聲器系統(tǒng)最低性能要求及測(cè)量方法》 GB12058-89 《揚(yáng)聲器聽音試驗(yàn)》2. 揚(yáng)聲器主要電聲特性 額定阻抗 Znom 總品質(zhì)因數(shù) Qts 等效容積 Vas 共振頻率 Fo 額定正弦功率 Psin 額定噪聲功率 Pnom 長(zhǎng)期最大功率 Pmax 額定頻率范圍 Fo-Fh 平均聲壓級(jí) SPL 3. 揚(yáng)聲器主要零部件尺寸設(shè)計(jì) 3.1 揚(yáng)聲器口徑 揚(yáng)聲器口徑必須符合客戶要求，若客戶沒有具體要求，則優(yōu)先采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9400-88《直接輻射式揚(yáng)聲器尺寸》。 3.2 支架 支架外形尺寸及安裝尺寸應(yīng)能滿足客戶需要，除此之外還需考慮鼓紙、彈波、華司等尺寸選擇與配合問題，一般大功率低頻率的揚(yáng)聲器要求支架有效高、底高、彈波接著徑、華司鉚接徑等均較大。 3.3 磁體 磁體尺寸優(yōu)選常用系列值，具體尺寸需按性能要求確定。 常用鐵氧體尺寸： 32*18*6,35*18*6,40*19*8,45*22*8,50*22*8,55*25*8,60*25*8,60*32*8, 65*32*10,70*32*10,80*40*15,90*40*15,100*45*18,100*60*20,110*60*20120*60*20,130*60*20,140*62*20,145*75*20,156*80*20,180*95*20, 220*110*20 常用標(biāo)準(zhǔn)： SJ/T10410-93 《永磁鐵氧體材料》 3.4 音圈 音圈中孔尺寸優(yōu)選常用系列值，具體尺寸(如卷寬、線徑)需按性能要求確定，骨架高度還需考慮到與鼓紙、支架的配合。 常用音圈中孔尺寸： 13.3 14.3 14.7 15.4 16.3 18.4 19.4 20.4 25.5 25.9 30.5 35.5 38.6 44.5 49.5 50.5 65.5 75.5 80.0 100.0 127.0 3.5 各種零件的尺寸配合 支架、磁體、音圈等零件的主要尺寸確定后，其他零件的主要尺寸選擇余地就受到限制，因?yàn)楦鞣N零件的尺寸必須相互配合，同時(shí)其性能參數(shù)也要相互配合。 3.5.1 支架與鼓紙 鼓紙外緣與支架膠合面一般需大于2 mm (微型揚(yáng)聲器不受此限制，下同)，鼓紙外徑必須小于支架內(nèi)徑 1 mm以上，鼓紙次外徑不能小于支架次外徑 3 mm 以上、也不能大于支架次外徑 2 mm 以上，鼓紙有效高必須小于支架有效高 0.5 mm 以上。 3.5.2 支架與彈波 彈波外緣與支架膠合面一般需大于 2 mm ，彈波外徑必須小于支架的彈波接著徑 0.5 mm 以上，彈波有效高必須小于支架有效高與鼓紙有效高的差值 0.5 mm 以上。 3.5.3 支架與華司 配合尺寸主要取決于支架與華司的鉚接工藝，總的要求鉚接應(yīng)牢固，內(nèi)鉚支架尤其要注意材料厚度。 3.5.4 音圈與鼓紙 鼓紙中孔尺寸一般要大于音圈骨架外徑 0.2~0.9 mm ，小口徑、小音圈取值小些。 3.5.5 音圈與彈波 彈波中孔尺寸一般大于音圈骨架外徑 0.1~0.4 mm ，太大會(huì)漏膠、太小難裝配。 3.5.6 音圈與T鐵 音圈中孔尺寸一般大于T鐵中柱外徑 0.3~0.6 mm ，小音圈取值相應(yīng)小些。 3.5.7 音圈與華司 華司中孔尺寸(內(nèi)鉚的為鉚后尺寸)一般要大于音圈最大外徑(為繞線部位) 0.3~0.6 mm ，間隙太小容易碰圈、影響到裝配合格率，間隙太大又會(huì)降低磁性能、從而導(dǎo)致靈敏度下降。 3.5.8 鼓紙與彈波 鼓紙中孔與彈波中孔的距離，中小口徑的揚(yáng)聲器以 0.5~2 mm 為佳，大口徑可以加大到 2~5 mm ，距離大些定位效果會(huì)更好、更能承受大功率，只是鼓紙中心膠和彈波中心膠需分開打。 4. 揚(yáng)聲器關(guān)鍵零部件的性能設(shè)計(jì) 4.1 磁路 4.1.1 磁路設(shè)計(jì)的目的與方法 磁路設(shè)計(jì)的目的主要有兩種：一是給定磁體規(guī)格(已知材料性能和尺寸),設(shè)計(jì)出磁路結(jié)構(gòu),使其工作氣隙磁感應(yīng)密度Bg值為最大,Bg值的大小對(duì)揚(yáng)聲器的靈敏度及電氣品質(zhì)因數(shù)Qes影響很大；二是給定Bg值,設(shè)計(jì)出磁路結(jié)構(gòu),使所用磁體尺寸為最小,從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。 磁路設(shè)計(jì)的方法有多種，這里采用的是經(jīng)驗(yàn)公式法。 4.1.2 磁路設(shè)計(jì)基本公式 Kf*Bg*Sg = Bd*Sm (1) Kr*Hg*Lg = Hd*Lm (2) 相關(guān)說明如下: Bg: 工作氣隙中的磁感應(yīng)密度 Bd: 磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)密度 Sg: 工作氣隙截面積 Sm: 磁體截面積 Kf: 漏磁系數(shù)(總磁通與工作氣隙磁通之比) Hg: 工作氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hd: 磁體內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度 Lg: 工作氣隙寬度 Lm: 磁體高度 Kr: 漏磁阻系數(shù)(總磁阻與工作氣隙磁阻之比) 這里所有單位均采用國(guó)際單位制,即千克、米、秒制。 4.1.3 一些參數(shù)的選取與設(shè)定 對(duì)于內(nèi)磁結(jié)構(gòu)的磁路: Kr = 1.1~1.5 Kf = 1.8~2.5 導(dǎo)磁板厚度:Tp = 5*Lg 導(dǎo)磁板直徑:Dp = 4.1*Tp 對(duì)于外磁結(jié)構(gòu)的磁路: Kr = 1.1~1.5 Kf = 2.0~4.0 華司厚度:Tp = 5*Lg 中柱外徑:Dp = 4.3*Tp 華司外徑 = 磁體外徑-磁體厚度/2 Sg =π*(Dp+Lg)*Tp Bg =o* Hg (3) o = 4π*10-7 H/m為真空磁導(dǎo)率. 根據(jù)磁體材料退磁曲線和最大磁能積曲線,可以確定最佳工作點(diǎn)的Bd和Hd值,在此工作點(diǎn),磁體體積最小(給定Bg值時(shí)),工作氣隙中的磁感應(yīng)密度最大(給定磁體尺寸時(shí))。 Bg2 = (o*Sm*Lm*Bd*Hd)/(Kr*Kf*Sg*Lg) (4) 4.1.4 磁路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證 選擇了一種磁路結(jié)構(gòu)后，驗(yàn)證很方便，只需將磁路充磁，測(cè)量其工作氣隙中的磁感應(yīng)密度Bg就行。 磁感應(yīng)密度Bg的測(cè)量方法有兩種:一是用帶超薄霍爾探頭的特斯拉計(jì)(高斯計(jì))直接測(cè)量；二是用帶標(biāo)準(zhǔn)線圈的韋伯表(磁通表)測(cè)量磁通φ,然后換算成磁感應(yīng)密度, Bg =φ/S,這里的S為標(biāo)準(zhǔn)線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線的有效面積。 4.2 音圈 4.2.1 音圈主要參數(shù)設(shè)計(jì) 音圈的直流電阻Re一般要預(yù)先設(shè)定，或按額定阻抗Znom確定: Znom =(1.05~1.10)* Re 音圈的直徑Dvc根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)確定，同時(shí)要考慮功率見大功率大口徑揚(yáng)聲器的音圈卷寬及華司厚度均需較大。 根據(jù)導(dǎo)線的電阻率或電阻系數(shù)及所需直流電阻,可以很容易地算出音圈線長(zhǎng)Lvc=Re/電阻系數(shù)，則繞線圈數(shù)n = Lvc/[π*(Dvc+2*骨架厚度+層數(shù)*線徑)]，卷寬Tvc=n*1.03*線徑/層數(shù)，此處線徑指導(dǎo)線的最大外徑。 4.2.2 音圈材料性能與選擇 4.2.2.1音圈骨架材料常見的有牛皮紙(Kraft Paper)、杜拉鋁(Aluminium Duralumin)、NOMEX、TIL、KAPTON等。主要特性如下： 牛皮紙(Kraft Paper) 采用最高連續(xù)工作溫度180 oC的電纜紙(牛皮紙)，其特點(diǎn)為質(zhì)輕、絕緣好、價(jià)格低廉。其厚度有： 0.03 0.05 0.07 0.10 0.13 0.17 杜拉鋁(Aluminium Duralumin) 采用加以表面硬化及清潔處理的合金鋁箔，最高連續(xù)工作溫度200 oC，具有耐高溫、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。鋁箔有黑、白兩種，黑色鋁箔更具有絕緣性能佳、傳熱快等優(yōu)點(diǎn)。其厚度有： 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 0.10 0.12 NOMEX 采用芳香族聚酰亞胺制成箔膜， 最高工作溫度300 oC，具有絕緣、質(zhì)輕、耐高溫、粘接力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用它制成的揚(yáng)聲器音色柔和圓潤(rùn)、悅耳動(dòng)聽。其厚度有： 0.03 0.05 0.08 0.12 TIL 采用玻璃纖維為基材，上面加聚酰亞胺合成，最高連續(xù)工作溫度230 oC，其特點(diǎn)為耐高溫、材料強(qiáng)度高、剛性好、不易變形。 KAPTON 采用聚酰亞胺箔膜， 最高連續(xù)工作溫度220 oC，具有絕緣、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐高溫、不易燃燒等特點(diǎn)。KAPTON有褐色、黑色兩種，黑色KAPTON還有散熱快、表面硬度高等優(yōu)點(diǎn)。 4.2.2.2 導(dǎo)線材料常見的有LOCK線、SV線、CCAW（銅包鋁線）、扁線等，其主要特性如下： LOCK線 使用溫度在140 oC，為溶劑型，一般用于小型低功率揚(yáng)聲器。 SV線 使用溫度在200 oC，為溶劑型，特點(diǎn)為固化后粘接性能很強(qiáng)，是音圈生產(chǎn)中最常用的線種之一。 CCAW（銅包鋁線） 比銅線質(zhì)輕、比鋁線導(dǎo)電率高且拉力強(qiáng)，其高頻時(shí)阻抗與銅線相仿，用它制成的揚(yáng)聲器瞬態(tài)特性好、靈敏度高，是高靈敏度揚(yáng)聲器中常采用的材料。 扁線 磁場(chǎng)利用率較圓線大（圓線磁場(chǎng)利用率為78%~91%,扁線為96%），特點(diǎn)為換能效率高，適于制作大功率揚(yáng)聲器，扁鋁線更常用于專業(yè)揚(yáng)聲器（大功率、高靈敏度）。 4.3 鼓紙(振動(dòng)板) 鼓紙?zhí)匦灾苯佑绊懼鴵P(yáng)聲器各種電聲參數(shù)、音質(zhì)和使用壽命。鼓紙的性能主要取決于使用材料、設(shè)計(jì)形狀、制造工藝等。 鼓紙材料一般要求具有下述三種基本特性： 1） 質(zhì)量要輕，即要求材料密度要小，這可以提高揚(yáng)聲器的效率、同時(shí)改善瞬態(tài)特性。 2） 強(qiáng)度要高，即要求材料楊氏模量E要大，這可以改進(jìn)揚(yáng)聲器的效率、瞬態(tài)特性，拓寬高頻響應(yīng)。 3） 阻尼適當(dāng)，即要求材料內(nèi)部損耗適中，這可以有效地抑制分割振動(dòng)，藉以降低高頻共振的峰谷，使頻率響應(yīng)平坦、過渡特性良好，同時(shí)改善失真。 錐盆常用的鼓紙材料有紙、聚丙烯（PP）、杜拉鋁、玻璃纖維、碳纖維等，球頂高音用振動(dòng)板材料有絲、鋁、鈦、MYLAR、PEI等。 鼓紙的形狀一般為錐形，球頂高音及中音則為半球形。 因材料所用不同，其制造工藝也各有不同。紙盆工藝比較特殊，需經(jīng)打漿、抄制、熱壓或烘干等各道工序，代表性的有緊壓、半松壓、非壓等三種類型。聚丙烯盆制作工藝有兩種：吸塑成型、注塑成型。MYLAR、PEI、絲膜等均為熱壓成型，絲膜還需預(yù)先上膠。 無論使用何種材料，或多或少均需添加其他材料，作增強(qiáng)或提高內(nèi)部阻尼處理。材料特性總的說來很復(fù)雜，很難定量描述，一般只有通過反復(fù)試驗(yàn)才能確認(rèn)其是否滿足使用要求。 鼓紙與電聲特性直接相關(guān)的定量參數(shù)主要有重量、厚度、順性、楊氏模量等，重量、順性等決定了揚(yáng)聲器的低頻特性，重量、厚度、錐頂角度、楊氏模量等則決定了高頻特性。 對(duì)于錐型揚(yáng)聲器，低頻共振頻率Fo和高頻上限頻率Fh可由下列公式確定： (2πFo)2 = 1/(Mms*Cms) (5) (2πFh)2 = (Mm1*Mm2)/[(Mm1+Mm2)*Cmh] (6) 相關(guān)說明如下: Mms為揚(yáng)聲器的等效振動(dòng)質(zhì)量,且有Mms =Mm1+Mm2+2Mmr,其中Mm1為音圈質(zhì)量, Mm2為鼓紙等效質(zhì)量, Mmr為輻射質(zhì)量。Mmr =2.67*ρo* a3,其中ρo=1.21kg/m3為空氣密度, a為揚(yáng)聲器等效半徑。 Cms為揚(yáng)聲器的等效順性，且有Cms =(Cm1*Cm2)/(Cm1+Cm2), Cm1為鼓紙順性、Cm2為彈波順性。此順性即是我們所稱的變位，只是單位需換算為國(guó)際單位制：m/N, 而變位可以用變位儀直接測(cè)量，或通過測(cè)量鼓紙、彈波的共振頻率來換算。 若鼓紙的共振頻率為F1、測(cè)試附加質(zhì)量為M1，彈波的共振頻率為F2、測(cè)試附加質(zhì)量為M2，則有 （2πF1）2 = 1/[(M1+Mm2+2Mmr)*Cm1] （2πF2）2 = 1/(M2*Cm2) Fo = SQR{[(M1+Mm2+2Mmr)*F12+M2*F22]/(Mm1+Mm2+2Mmr)} (7) 可見，揚(yáng)聲器的低頻共振頻率由鼓紙的質(zhì)量、順性（頻率），和彈波的順性（頻率）、音圈的質(zhì)量等確定。 公式（6）中，Cmh為鼓紙根部（錐頂部）的等效順性，且有 Cmh = sinθ/(π*E*t*cos2θ) (8) 其中，E為鼓紙材料的楊氏模量，t為鼓紙根部厚度，θ為鼓紙的半頂角。 可見，揚(yáng)聲器的高頻上限頻率由鼓紙的質(zhì)量、音圈的質(zhì)量，鼓紙根部厚度、半頂角及楊氏模量等確定。 4.4 彈波(定位支片) 彈波主要作用有二：一是固定音圈的中心位置，使音圈保持在磁間隙中間，避免音圈與磁路碰觸；二是控制揚(yáng)聲器的低頻共振頻率，限制音圈的最大位移，避免音圈跳出磁路，同時(shí)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)淖枘?，改善低頻響應(yīng)及品質(zhì)因數(shù)。一般要求彈波應(yīng)該具有很大的徑向剛性和很大的軸向順性，以保證良好的機(jī)械強(qiáng)度和較低的共振頻率及較小的失真。 彈波常用材料有棉布、篩絹、人造絲、NOMEX纖維布等，一般都是浸漬酚醛樹脂酒精溶液后熱壓成形。常用的形狀為波紋形。布的編織方式、經(jīng)緯密度、紗支粗細(xì)、浸膠濃度、成形熱壓溫度及時(shí)間等，均對(duì)彈波的強(qiáng)度、順性、抗疲勞性能有很大的影響；另外，彈波的尺寸、形狀、波紋數(shù)等對(duì)其性能也有影響。 彈波主要的參數(shù)就是其順性Cm2（或頻率F2），由公式（7）可知其對(duì)揚(yáng)聲器的共振頻率影響較大，同時(shí)此值又是可以測(cè)量驗(yàn)證的，從而可以控制。彈波順性的經(jīng)驗(yàn)公式如下： Cm2 = (A*n*L3)/(E*b*h) (9) 其中，A為修正系數(shù)（其值視波紋形狀而異），n為波紋數(shù)，L為波紋深度，b為折環(huán)所形成的圓周長(zhǎng)度，h為材料厚度，E為楊氏模量。 由公式（9）可知，波紋數(shù)越多、波紋越深、材料越薄，則彈波的順性越大。而楊氏模量既與材料本身的材質(zhì)（纖維及其編織方式、經(jīng)緯密度、紗支粗細(xì)）有關(guān)，又與上膠濃度有關(guān)，因?yàn)榉尤渲菬峁绦圆牧希訜岷笞冃宰冇?，由此而改變了材料的?qiáng)度、硬度。 因受支架、音圈等材料尺寸的限制，彈波的尺寸選擇余地較小，最終其形狀及參數(shù)必須結(jié)合材料工藝等試驗(yàn)的結(jié)果,根據(jù)揚(yáng)聲器整體性能設(shè)計(jì)要求而確定。 5. 揚(yáng)聲器主要參數(shù)綜合設(shè)計(jì)和分析 揚(yáng)聲器性能是電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等物理參數(shù)共同作用的結(jié)果，由鼓紙、彈波、音圈、磁路等關(guān)鍵零部件的性能共同確定，其中一些參數(shù)相互制約相互影響，因而必須綜合考慮和設(shè)計(jì)。 揚(yáng)聲器常用機(jī)電參數(shù)以及計(jì)算公式、測(cè)量方法簡(jiǎn)述如下： 5.1直流電阻Re 由音圈決定，可直接用直流電橋測(cè)量。 5.2共振頻率Fo 由揚(yáng)聲器的等效振動(dòng)質(zhì)量Mms和等效順性Cms決定，見公式(5)， Fo可直接用Fo測(cè)試儀測(cè)量或通過測(cè)量阻抗曲線獲得。 5.3共振頻率處的最大阻抗Zo 由音圈、磁路、振動(dòng)系統(tǒng)（鼓紙、彈波）共同決定，可用替代法測(cè)量或通過測(cè)量阻抗曲線獲得。 Zo = Re+[(BL)2/(Rms+Rmr)] (10) 5.4 機(jī)械力阻Rms 由鼓紙、彈波的內(nèi)部阻尼及使用膠水的特性決定，可由測(cè)量出機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qms后通過下列公式計(jì)算： Rms =(1/Qms)*SQR(Mms/Cms) (11) 這里SQR( )表示對(duì)括號(hào)( )中的數(shù)值開平方根，下同。 5.5 輻射力阻Rmr 由口徑、頻率決定，低頻時(shí)可忽略。 Rmr = 0.022*(f/Sd)2 (12) 5.6 等效輻射面積Sd 只與口徑(等效半徑a)有關(guān)。  THANKS !!! 致力為企業(yè)和個(gè)人提供合同協(xié)議，策劃案計(jì)劃書，學(xué)習(xí)課件等等 打造全網(wǎng)一站式需求 歡迎您的下載，資料僅供參考 -可編輯修改-