揚聲器的失真特性王以真;胡秉奇【摘要】介紹了揚聲器的結構及其特性，說明了揚聲器的研究思路，分析了揚聲器的非線性及揚聲器非線性失真，指出揚聲器的失真大體上可分為兩大類:一類是線性失真:即輸出信號的幅值與頻率的關系，與輸入信號不同.或者輸出信號的相位與頻率的關系，與輸入信號不同.另一類是非線性失真:即在輸出信號中出現了輸入信號沒有的頻率.非線性失真還有其他一些現象與征兆，例如:出現一些異常音，信號波形變化,工作不穩定，振幅壓縮，相位變化，產生互調失真等等.非線性失真的后果首先是聽感受到影響，變差了.輸出受到限制,工作不穩定等.最后總結了揚聲器非線性失真的原因.【期刊名稱】《電聲技術》【年(卷)，期】2015(039)010【總頁數】5頁(P27-31)【關鍵詞】揚聲器;音圈;線性失真;非線性失真【作者】王以真湖秉奇【作者單位】天津聲學學會，天津300200;天津聲學學會，天津300200【正文語種】中文【中圖分類】TN643本文中研究的揚聲器是指電動式揚聲器。揚聲器是一個結構并不復雜的電聲器件。它的主要功能是重放聲音，人們更要求它能不失真地重放聲音信號。月有陰晴園缺，人有悲歡離合，要求揚聲器不失真是不可能的，退而要求其高保真。圖1是揚聲器的結構圖。如圖1所示，當揚聲器的音圈中通過交變電流時，根據弗來明左手定則，將在圖的左右方向產生驅動力，這一驅動力推動振膜振動，振膜振動再推動空氣振動，空氣振動產生聲波。而失真即產生于這個過程之中。這個驅動力為BLI，其中：B為磁隙中的磁場強度；L為磁隙中的音圈有效長度；I為通過的電流。另外當振膜以速度V振動時，根據弗來明右手定則，音圈中會感應一個反電動勢BLV。當振膜加外力F，振動系統的力阻抗為zM，以速度V振動時當音圖外加電壓為E,音圈電阻抗為ZE，根據基爾霍夫定律當電路的端電壓E由電動勢為E0，內阻抗為Z0的電源供給時，作用到振膜上的力是由激勵力F0，內阻抗z0的聲源供給，得代入轉換這些是揚聲器的基本分析，并無新意。關鍵在于：這些參數、系數不少是變量。這些變量的規律是非線性的，這些變化規律，有些人們開始明白，有些還沒有明白，更不能講完全掌握。這些變量之間還存在某種關聯，可能此起彼伏、此消彼長。這些變量不僅與揚聲器設計有關，還與揚聲器材料、工藝等有關，它使變化因素多元化［1-3］。這些變化最終曲折地反映到揚聲器的客觀指標與主觀音質。總結國內外電聲界的努力，解決此問題的途徑如下：主要靠經驗和悟性，雖然很難，但也能做出好的揚聲器，而且為制造優質揚聲器積累經驗。依靠科學分析和實驗論證來弄清揚聲器的規律。進一步來說，真正要設計制造好一批優質揚聲器，既要理論分析，實驗驗證，也要經驗積累，工藝精良，音樂悟性，以及認真負責的態度，幾者有機結合。揚聲器的失真大體上可分為兩大類：一類是線性失真：即輸出信號的幅值與頻率的關系，與輸入信號不同。或者輸出信號的相位與頻率的關系，與輸入信號不同。另一類是非線性失真：即在輸出信號中出現了輸入信號沒有的頻率。非線性失真還有其他一些現象與征兆，例如：出現一些異常音，信號波形變化，工作不穩定，振幅壓縮，相位變化，產生互調失真等。非線性失真的后果首先是聽感受到影響，變差了。輸出受到限制，工作不穩定等等。電聲學最初研究的是小振幅的聲波傳播，滿足線性條件。但是大振幅聲波就出現非線性問題。而揚聲器工作時，涉及電、磁、力、空氣、聲、聲場……等，這些因素都可能涉及非線性。而實踐中出現的分岔、混沌現象更是一種特殊非線性［4-5］。傳統的測試是在揚聲器的終端測試，即在終端測量揚聲器的頻率響應和諧波系數，測出2次、3次......n次諧波分量，測量互調失真。這些測量當然是有價值的。KLIPPEL儀的出現，開始了揚聲器內部失真的測量，探索揚聲器失真產生的原因。這樣內夕卜結合，必然幫助大家更精確、更客觀了解揚聲器［6］。在論述揚聲器原理時講到，當在磁場中音圈有電流通過時，會產生一個電動力，推動振膜振動。這個電動力為BLI，要減少失真，首先磁通密度B在整個推動范圍內應是均勻的。圖2是一個揚聲器磁路的磁通密度分布圖。不難發現，對于一個常見揚聲器磁路，在磁隙中部磁通密度大體均勻，但在兩端磁通分布是不均勻的。因此磁路設計的一個重要任務是想方設法保證磁隙中磁通密度分布均勻，為此找出多種有效辦法。但也帶來揚聲器靈敏度下降、結構復雜、成本升高等副作用。當用Klippel測試儀對揚聲器BL測試時，又發現BL值不但不均勻，而且不對稱。圖3是BL值對音圈位移(x)的曲線。而圖中的虛線是BL(x)的鏡像曲線。圖中的曲線表明的是揚聲器的內部曲線，這個曲線很重要，反映了揚聲器的內部狀況。在沒有Klippel儀之前，是較難測量的。這條曲線不僅說明磁通密度分布不均勻（這點大家早知道），而且說明了音圈的有效長度L也在變（這點往往被人忽略）。在設計不同磁路時，或對磁路設計改進時，可以對BL（x）進行對比測量，可以驗證筆者的設計與改進是否到位。BL（x）在低頻時，由于揚聲器振膜振幅較大，對非線性失真影響較大，在中高頻，由于揚聲器振幅減小，對其非線性失真影響較小。Klippel的試驗指出，BL隨位移分布曲線的對稱性影響揚聲器偶次諧波頭真和互調失真，曲線的平坦度影響揚聲器奇次諧波失真和互調失真。對此還可進一步分析認證。揚聲器振膜需要折環和定心支片的支撐，保證音圈處于磁隙中心位置，保持振膜往復運動的對稱性。筆者希望它們受力與位移的關系是線性的。事實證明這只是筆者的愿望。當然筆者可以從設計及工藝等方面去改善它的線性。圖4是揚聲器振膜折環的非線性。由圖4可以看出，當振膜受力振動時，折環每一部分的位移是不同的，這就是一種非線性（現實中會比圖中情況要復雜的多）。圖5是定心支片外力與位移的非線性。從曲線可看到外力與位移的非線性，而且不同方向的非線性還不相同。力與位移的關系可以用勁度來表示。同樣可以用Klippel儀來測量揚聲器勁度與位移的關系。圖6是Klippel儀測量的揚聲器勁度與位移的關系。這種勁度的不均勻，會導致揚聲器的失真。在低頻揚聲器的振幅較大，因此在低頻,勁度引起的失真較大。勁度分布曲線不對稱也不平坦。勁度隨位移分布的對稱性影響揚聲器偶次諧波失真，曲線的平坦度影響奇次諧波失真。但是勁度變化如何引起失真，其中過程與細節，還要進一步分析。還有折環的勁度及定心支片的勁度，對總勁度的形成，誰的作用更大些？揚聲器的諧振頻率是由振膜諧振頻率與定心支片諧振頻率共同構成的。兩者誰起主導作用，為此進行了大量數據試驗，對多只揚聲器分別測量揚聲器的諧振頻率，振膜的諧振頻率、定心支片的諧振頻率。然后利用最小二乘法求出相關系數。最后發現，揚聲器的諧振頻率主要取決于振膜的諧振頻率。對于勁度的影響，可以通過剪去大部分折環的方法，來進行測量試驗。結果發現折環大部分剪去時，總勁度曲線變化不大，就可以大致判定，揚聲器總勁度主要是定心支片勁度起主導作用。而且定心支片決定勁度曲線的對稱性。很長時間以來大家注意改進定心支片線性是很有道理的。當然對于沒有定心支片只有折環的微形揚聲器，勁度只由振膜折環勁度決定。在以往的揚聲器設計中，總是將音圈電感視為一個常數。得知的音圈電感，是按公式計算的，通常是在靜態下測量的，即使在動態下測量的也是一個周期內電感的平均值。其實音圈電感亦會變化，影響音圈電感變化的原因一是音圈位置的變化，再一是音圈電流的變化。音圈工作時，在上下振動。而磁隙內磁場分布是不均勻的，當音圈向上運動，部分可移出磁隙，而空氣導磁率較小導致磁場較小，使得音圈電感變小。而音圈向下運動，磁隙導磁率高而使音圈電感變大，電感值成為一個變量。圖7是音圈位置引起的電感變化。由于導磁材料B-H曲線的非線性，在音圈中，音頻電流感應而生的磁場強度，在一個周期內不同，導磁率相應不同，音圈電感也相應變化。圖8是由于B-H曲線的非線性導磁率相應變化。改進電感值的辦法可以在導磁柱上加短路環或短路罩。圖9為磁路加短路環。加短路環后，使音圈電感減小，相應電感曲線的平坦度得到改善。圖10是短路環對音圈電感的影響。可見短路環是有效的。短路環會使電感曲線平坦。對于微形揚聲器，可以用電鍍的方法獲得等效短路環。從圖8還可以看到，當磁路工作點上移，在磁飽和狀態，磁場對電感的影響會減小。感抗在低頻時數值較小，對失真影響較小，而高頻時影響加大。電感的變化會引起揚聲器的互調失真（要進一步驗證說明）。而人耳對互調失真相當敏感，所以電感的變化會影響聽感（人耳與互調失真的關系，也有待進一步研究。也有人認為，人耳對互調失真并不敏感）。在實際工作中會有多個頻率信號同時輸入，揚聲器振幅變化是不規則的，而振幅不同引起的BL和勁度及音圈電感的變化也是不規則的，由它們引起的揚聲器的失真相應地也不規則。歸納一下揚聲器非線性失真的成因有以下幾個方面：【相關文獻】山本武夫.揚聲器系統[M].王以真，吳光威，張紹高，譯.北京：國防工業出版社，2010.杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎[M].3版.南京：南京大學出版社，2012.王以真.實用磁路設計[M].2版.北京：國防