聲學/揚聲器

聲學換能器的作用是將電能轉換為聲能。聲學換能器存在許多變體，但最常見的是動圈-永磁換能器。經典的揚聲器屬於動圈-永磁型。

經典的電動力揚聲器驅動器可以分為三個關鍵部件

磁電機驅動系統
揚聲器錐盆系統
揚聲器懸掛

磁電機驅動系統

磁電機驅動系統的主要目的是在音圈工作的區域建立一個對稱的磁場。磁電機驅動系統由前聚焦板、永磁體、後板和極靴組成。在圖2中，組裝好的驅動系統被示出。在大多數情況下，後板和極靴被製造成一體，稱為軛。軛和前聚焦板通常由非常軟的鑄鐵製成。鐵是與磁性結構一起使用的材料，因為鐵在暴露於磁場時很容易飽和。請注意，在圖2中，在聚焦板和軛之間故意留出氣隙。磁場透過氣隙耦合。氣隙的磁場強度（B）通常經過最佳化，使其在整個氣隙中保持均勻。[1]

圖2 永磁體結構

當通有電流的線圈置於永磁場中時，會產生一個力。B 是磁場強度， $l$ 是線圈的長度， $I$ 是流經線圈的電流。電磁力由拉普拉斯定律給出：

d{\underline {F}}=I{\underline {dl}}\times {\underline {B}}

${\underline {B}}$ 和 ${\underline {dl}}$ 是正交的，所以力是透過對線圈的長度進行積分得到的（Re 是螺旋的半徑，n 是螺旋的數量， ${\underline {e}}_{x}$ 線上圈的軸線上）

{\underline {F}}=2\pi R_{e}BnI{\underline {e}}_{x}

此力與流經線圈的電流成正比。

圖3 音圈安裝在永磁體結構中

線圈由用於聲音再現的交流訊號激勵，當線圈的磁場變化與永磁場相互作用時，線圈來回移動以再現輸入訊號。揚聲器的線圈稱為音圈。

揚聲器錐盆系統

在一個典型的揚聲器中，錐盆的作用是建立一個更大的輻射面積，以便在音圈的激勵下移動更多的空氣。錐盆是一個活塞，被音圈激勵。然後，錐盆會推動空氣，從而產生聲波。在理想的環境中，錐盆應該是無限剛性的，並且具有零質量，但實際上並非如此。錐盆材料從碳纖維、紙張、竹子到幾乎任何可以成型為剛性圓錐形狀的材料不等。揚聲器錐盆是揚聲器中非常重要的部分。由於錐盆不是無限剛性的，因此它往往會在不同的頻率下形成不同型別的共振模式，這反過來又會改變和影響聲音的再現。錐盆的形狀直接影響揚聲器的指向性和頻率響應。當錐盆連線到音圈時，音圈上方會留下一個較大的空隙。如果異物進入音圈和永磁體結構的氣隙，就會出現問題。解決此問題的辦法是在錐盆上放置一個稱為防塵罩的東西，以覆蓋氣隙。下面顯示了錐盆和防塵罩的示意圖。

圖6 連線到音圈的錐盆和防塵罩

錐盆的速度可以用一個具有阻尼係數 \xi 的質量-彈簧系統方程表示：

m{\frac {dv}{dt}}+\xi v+k\int {v\,dt}=Bli

當前電流強度 $i$ 和速度 $v$ 也可以用以下公式來表示（ $U$ 是電壓， $R$ 是電阻， $L_{b}$ 是電感）

L_{b}{\frac {di}{dt}}+Ri=U-Blv

利用諧波解，可以得到速度的表示式為：

v={\frac {Bli}{\xi +j\left(m\omega -{\frac {k}{\omega }}\right)}}

電阻抗可以定義為電壓與電流強度的比值：

Z={\frac {U}{i}}=R+jL\omega +{\frac {B^{2}l^{2}}{\xi +j\left(m\omega -{\frac {k}{\omega }}\right)}}

揚聲器的頻率響應如圖 7 所示。

圖 7 電阻抗

在 100 Hz 左右的頻率附近，可以觀察到電共振現象。此外，由於線圈的電感，阻抗從 400 Hz 的頻率開始增加。因此，揚聲器使用的頻率範圍是 100-4000 Hz

揚聲器懸掛系統

大多數動圈式揚聲器都採用兩件式懸掛系統，也稱為撓性系統。這兩個撓性件的組合可以使音圈在通電時保持線性移動，併為音圈系統提供恢復力。兩件式系統包括一個圍繞錐體外邊緣的大型柔性膜，稱為環繞，以及直接連線到音圈的另一個撓性件，稱為蜘蛛。環繞還有另一個作用，即在揚聲器安裝在音箱中時密封揚聲器。通常，環繞是由多種不同的材料製成的，例如摺疊紙、布、橡膠和泡沫。蜘蛛的結構由不同的編織布或合成材料組成，這些材料被壓縮成柔性膜。以下兩幅圖說明了懸掛元件在揚聲器上的物理位置以及它們在揚聲器工作時的功能。

圖 8 揚聲器懸掛系統

圖 9 移動揚聲器

將揚聲器建模為集中引數系統

在將揚聲器應用於特定應用之前，必須提取一系列表徵揚聲器的引數。揚聲器的等效電路是開發音箱的關鍵。該電路透過等效的電氣、機械和聲學電路對揚聲器的各個方面進行建模。圖 9 顯示了三個等效電路的連線方式。電氣電路由音圈的直流電阻 $R_{e}$ 、音圈電感的虛部 $L_{e}$ 和音圈電感的實部 $R_{evc}$ 組成。機械系統具有模擬揚聲器不同物理引數的電氣元件。在機械電路中， $M_{m}$ 是由於運動質量引起的電容， $C_{m}$ 是由於運動質量的順應性引起的電感，而 $R_{m}$ 是由於懸掛系統引起的電阻。在聲學等效電路中， $M_{a}$ 模擬空氣質量，而 $R_{a}$ 模擬輻射阻抗[2]。這種等效電路可以深入瞭解哪些引數會改變揚聲器的特性。圖 10 顯示了使用揚聲器等效電路開發的聲學輸入阻抗與頻率的關係。