了解扬声器设计：综合指南

扬声器设计是一个复杂而迷人的领域，它结合了物理学、声学和电气工程的元素，以创建再现声音的设备。本指南提供了关于设计扬声器所涉及的关键概念和考虑因素的全面概述，适用于全球的初学者和经验丰富的音频爱好者。

基本原理

声音再现的基础知识

扬声器通过将电信号转换为机械振动来工作，然后通过空气传播为声波。负责此转换的核心组件是驱动单元。了解驱动单元的工作原理对于理解扬声器设计至关重要。

驱动单元类型

不同类型的驱动单元设计用于再现不同的频率范围：

低音扬声器：负责低频（低音）。通常直径较大。
中音驱动单元：再现中频，对语音清晰度至关重要。
高音扬声器：处理高频，负责清晰度和细节。
超低音扬声器：设计用于极低频率（超低音）。
全频驱动单元：试图用单个驱动单元再现整个可听频率范围。经常用于便携式设备和小扬声器，简化是关键，但很少能达到多路系统的性能。

选择合适的驱动单元是扬声器设计中的关键第一步。必须仔细考虑频率响应、灵敏度和功率处理等参数。

Thiele/Small 参数

Thiele/Small (T/S) 参数是一组机电参数，用于描述扬声器驱动单元的行为。这些参数对于设计优化驱动单元性能的箱体至关重要。关键的 T/S 参数包括：

Fs（谐振频率）：驱动单元最容易振动的频率。
Vas（等效容积）：与驱动单元悬架具有相同顺性的空气体积。
Qts（总 Q 值）：驱动单元阻尼的度量。
Qes（电气 Q 值）：电气阻尼的度量。
Qms（机械 Q 值）：机械阻尼的度量。
Sd（有效活塞面积）：驱动单元锥体辐射声音的面积。
Xmax（最大线性冲程）：驱动单元锥体可以线性移动的最大距离。

WinISD 和 BassBox Pro 等软件工具广泛用于根据 T/S 参数和箱体设计模拟驱动单元的性能。这些工具可以预测频率响应、阻抗和其他重要特性。这些工具允许您查看不同的箱体设计和驱动单元选择如何相互影响。

箱体设计

箱体的作用

箱体（容纳驱动单元的盒子）在扬声器性能中起着至关重要的作用。它可以防止驱动单元背面产生的声波抵消驱动单元前面产生的声波，并且还会影响驱动单元的谐振频率和阻尼。不同的箱体设计在频率响应、效率和尺寸方面提供不同的权衡。

箱体类型

密封箱体：最简单的设计，提供良好的瞬态响应和相对平坦的频率响应。通常需要更强大的放大器才能实现与通风箱体相同的低音输出。
通风（低音反射）箱体：使用端口（通风口）使箱体内的空气产生共振，从而扩展低频响应。需要仔细调谐以避免不必要的共振。
无源辐射器箱体：使用无源辐射器（没有电机的驱动单元）代替端口。提供与通风箱体类似的优势，但可以更紧凑并避免端口噪声。
传输线箱体：一种更复杂的设计，使用长而折叠的管道来扩展低频响应。可能难以正确设计和构建。
开放挡板箱体：驱动单元安装在没有箱体的平板上。提供非常自然的声音，但由于声学抵消，低音响应有限。

选择正确的箱体类型取决于所需的音响特性、驱动单元的 T/S 参数和可用空间。例如，小型书架扬声器可以使用密封或通风箱体，而超低音扬声器可以使用通风或无源辐射器箱体。

箱体结构

用于构建箱体的材料和施工技术也会影响扬声器的性能。首选坚硬、密集的材料，如 MDF（中密度纤维板），以最大限度地减少振动和共振。可以添加支撑以进一步加固箱体并减少不必要的振动。箱体内部通常衬有阻尼材料（例如，玻璃纤维、吸音泡沫），以吸收声波并减少内部反射。

分频器设计

分频器的作用

在多路扬声器系统（具有单独的低音扬声器、中音驱动单元和高音扬声器的系统）中，分频器用于将音频信号分成不同的频率范围，并将每个范围发送到相应的驱动单元。这确保了每个驱动单元在其最佳频率范围内运行，并防止它们因其未设计处理的频率而损坏。

分频器类型

无源分频器：由无源元件（电阻器、电容器和电感器）组成，这些元件放置在放大器和驱动单元之间。它们易于实现，但会引入插入损耗并具有有限的灵活性。
有源分频器：使用有源电子电路（例如，运算放大器）在音频信号到达放大器之前将其分割。提供更大的灵活性和控制，但需要为每个驱动单元配备单独的放大器。
数字信号处理 (DSP) 分频器：使用数字信号处理来实现分频器功能。提供最大的灵活性和控制，允许进行复杂的滤波和均衡。

分频器阶数和斜率

分频器的阶数指的是信号在通带（驱动单元 intended 要再现的频率范围）之外衰减的速率。高阶分频器提供更陡峭的斜率，在驱动单元之间提供更好的隔离，但也可能引入相位失真。常见的分频器阶数包括：

一阶：6 dB/倍频程衰减。简单但隔离性差。
二阶：12 dB/倍频程衰减。在简单性和性能之间取得很好的折衷。
三阶：18 dB/倍频程衰减。提供更好的隔离，但可能会引入更多相位失真。
四阶：24 dB/倍频程衰减。提供出色的隔离，但更复杂，并且可能引入显着的相位失真。

分频频率选择

应仔细选择分频频率（信号在驱动单元之间分割的频率），以确保驱动单元之间的平滑集成。要考虑的因素包括驱动单元的频率响应、扩散特性和功率处理能力。通常，分频频率是在驱动单元的频率响应重叠的地方选择的。

声学考虑

频率响应

扬声器的频率响应是指它以相同水平再现不同频率的能力。通常希望有一个平坦的频率响应，因为它表明扬声器正在准确地再现原始音频信号。但是，某些扬声器可能在设计时考虑了特定的频率响应，例如那些用于重低音音乐的扬声器。

扩散

扩散是指声音从扬声器向不同方向辐射的方式。宽扩散通常是可取的，因为它能创建更宽的声场和更身临其境的聆听体验。但是，在某些应用中，例如在扩声系统中，控制扩散可能很有用，在扩声系统中，最大限度地减少反射和反馈非常重要。

阻抗

阻抗是扬声器对交流电的电阻。扬声器的额定值通常为 4 欧姆、8 欧姆或 16 欧姆。匹配扬声器的阻抗与放大器的输出阻抗非常重要，以确保适当的功率传输并防止放大器或扬声器损坏。阻抗也随频率变化，并且阻抗变化较大的扬声器可能更难驱动放大器。

总谐波失真 (THD)

THD 是扬声器引入的失真的度量。它表示为总信号的百分比。较低的 THD 值表示较少的失真和更好的音质。 THD 通常在高频和高功率水平下较高。

房间声学

听音室的声学对扬声器的感知音质有重大影响。反射、共振和驻波都会影响频率响应和声场。房间处理，例如声学面板和低音陷阱，可用于改善房间的声学效果并增强聆听体验。即使是家具的摆放以及地毯和窗帘的存在也会影响房间的声学效果。

实际示例和案例研究

DIY 扬声器项目

设计和制造自己的扬声器可能是一种有益的体验。有许多在线资源和社区致力于 DIY 扬声器制造。项目范围从简单的书架扬声器到复杂的多路系统。 Parts Express 和 Madisound 等公司为 DIY 扬声器项目提供了各种各样的驱动单元、组件和套件。 DIY 扬声器允许您根据您的特定偏好自定义设计和声音。

商用扬声器设计

分析商用扬声器设计可以为设计过程提供有价值的见解。考虑 Bowers & Wilkins、KEF 和 Focal 等制造商做出的设计选择。这些公司使用先进的技术和材料来实现高水平的性能。检查他们的分频拓扑、箱体设计和驱动单元选择会非常有益。

录音室监听器设计

录音室监听器专为关键聆听和准确的声音再现而设计。它们通常具有平坦的频率响应、低失真和宽扩散。 Genelec、Neumann 和 Adam Audio 等公司专门从事录音室监听器设计。他们的扬声器用于世界各地的录音室。了解录音室监听器背后的设计原则也有助于设计家庭音频扬声器。

高级技术

挡板步进补偿

挡板步进补偿是一种用于补偿当扬声器从辐射到整个球体（4π 立体弧度）过渡到辐射到半球体（2π 立体弧度）时发生的辐射阻抗变化的技术。这会导致频率响应在挡板步进频率处出现下降。挡板步进补偿可以使用无源或有源滤波器来实现。

时间对齐

时间对齐是指将来自不同驱动单元的声音波在听音位置的到达时间对齐。这可以改善成像和声场。时间对齐可以通过物理定位不同深度的驱动单元或使用电子延迟电路来实现。

声学透镜

声学透镜是一种用于控制声波扩散的装置。它可以用于扩大高音扬声器的扩散或将声波聚焦在特定方向。声学透镜通常用于高端扬声器设计。

有限元分析 (FEA)

FEA 是一种数值方法，用于模拟复杂系统（如扬声器）的行为。 FEA 可用于优化箱体、驱动单元和分频器的设计。扬声器设计师使用 COMSOL 和 ANSYS 等 FEA 软件包来预测其设计的性能，然后再构建它们。

结论

扬声器设计是一个多方面的学科，需要理论知识和实践技能的结合。通过了解本指南中概述的基本原理、箱体类型、分频器设计和声学考虑因素，您可以更深入地了解扬声器设计的艺术和科学。无论您是经验丰富的发烧友、DIY 爱好者，还是只是对扬声器的工作原理感到好奇，这些知识都将使您能够做出明智的决定并增强您的音频体验。扬声器设计的世界在不断发展，新材料、技术和技术不断涌现。持续的学习和实验是保持在该令人兴奋的领域的前沿的关键。

在处理电气元件和电动工具时，请务必始终优先考虑安全。如果您不确定扬声器设计或构造的任何方面，请咨询经验丰富的专业人士。