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浅谈电声器件和电声系统的设计(一)
* 来源 :http://www.wwwkj2469.com * 作者 : * 发表时间 : 2019-10-04 00:54

  大家好!好多年没有更新博客了。大家可能会关心老虎180这些年在忙些什么,为什么没有更新音响博客?前十几年,本人一直在从事软硬件开发工作。之前的日子,本人先后DIY过音源、前级、功放等。在数字音频信号处理和放大器设计方面也有了一定的积累。最近几年,本人将研究的目标重点转向音响系统的后端---电声器件和电声系统的设计上。为了这个目标,老虎不惜辞掉了很有前途的从事了十几年的工作,从零开始学习、实践,希望在电声器件和电声系统设计方面能够有所提升。

  电声器件和电声系统的设计,是音响设计中难度最大,也是最“玄妙”的一门学问。非此专业的设计者,往往会被弄得一头雾水,或者停留在比较浅的层面,或者局限于某些理论而不能自拔。本人之前在硬件和数字信号处理方面涉猎甚多,但对电声系统也了解不够。为了更加深入的理解电声系统和电声器件,本人花费了近5年的时间,专门深入到生产制造电声器件的一线,希望通过专业的角度更加深入的理解和突破电声设计的一些“瓶颈”,进而达到更加接近真实和自然的声音享受。下面和大家分享一下本人最近这些年的一些经历吧。

  老虎刚刚开始接触电声这个行业,就面对到了一个问题,那就是:什么样的声音是好声音?以及接下来要面对的下一个问题:怎样才能做出好声音?

  面对这些问题,不同的人会有不同的答案,可是如果不能把这两个问题弄明白的话,又何谈好声音!

  关于好声音的标准,评价维度有很多,每个维度都会对应分解成具体的指标,有些指标之间互相制约,互相牵制。我们不但要弄清楚这些评价维度,还要弄清楚这些维度如何分解成具体指标,还要考虑这些指标如何落地,这是一个巨大而繁杂的系统工程!多少国外顶尖的音频设计公司和知名品牌,就是因为弄清楚了这些问题,就可以在市场上有立足之地!而只有弄清楚这些内在的规律和关系,再结合工艺和材料以及设计、测试手段,才能真正做出一款优秀的产品!

  举个最简单的例子,手机是人人必备的消费品,手机上的喇叭,对好声音有什么要求呢?针对手机这样的场景,人们一般会从如下三个维度来关注手机喇叭的声音是否优秀:第一个维度:声音音量是否足够大。www.58966.com,第二个维度:低音是否丰满,高音是否清晰。第三个维度:声音是否好听,音质好不好。

  这是手机喇叭,对声音要求不高的背景情况下人们最为关注的三个维度。如果将这些维度分解为对应的指标,那么可以得到如下简单对应关系:音量是否足够大:灵敏度、功率承受能力低音丰满、高音清晰:谐振频率f0、频响特性曲线声音是否好听:失真THD以上是一个基本的、简单的对应。实际由于评价的维度增加,实际上的对应情况还要复杂很多。那么针对上述简单的这个对应关系,转化到电声产品设计中,又会是一个什么样的状况呢?

  如果我们需要获得足够大的音量,意味着在一定的工作电压下,扬声器的振膜的振幅要尽可能增加。此时我们在设计上可以通过降低振动质量的方式来解决(在这里,暂时不讨论功率承受能力,这又是一个新课题)。如果要想获得更好的频率响应曲线,我们要尽可能增加扬声器的低频下限,此时我们可以在设计上通过尽可能柔软的悬边来解决。但此时,一个又轻又薄又柔软的振膜,在工作时势必会产生更多变型,此时THD会增加,音质会变差。如果要控制THD,我们需要减少振膜变形量,加大振膜内阻尼,此时,我们会换用厚重且阻尼好的材料做振膜,此时灵敏度和频响又会受到影响,声音会变小...

  我们可以看出,仅仅在这三个维度上考量,扬声器的指标和设计就是互相制约和互相平衡的。这个制约和平衡就体现在振膜的和振动系统的设计上。这一块如果展开,又是一大系统工程,本文就暂时不展开讨论了。那么,针对这三个指标,我们有没有一个途径来打破这种制约呢?答案是肯定的。

  我们可以换一个角度来考虑上述这些矛盾,既然失真和灵敏度之间不可兼得,我们是否可以通过其他手段来加大这两个指标的设计裕度呢?答案是肯定的。实际上,我们可以通过增加“驱动”来实现这个裕度的增加。

  所谓“驱动”,顾名思义,就是扬声器音圈在一定电压下,受到的磁场力的大小。驱动增加了,意味着音圈受力增加了,此时,我们既可以得到“灵敏度”增加的优势,又可以通过振膜设计,降低失真的同时使得“灵敏度”不受影响。这就大大增加了设计裕度,让我们在得到足够高灵敏度的同时,也兼顾了频响和失真的要求。

  谈到“驱动”的增加,我们就不得不谈到几个词:“磁路设计”“磁铁标号”和“磁间隙”。之所以谈到这几个词,是因为这几个词都和“驱动”密切相关。

  磁路设计对“驱动”的影响在于:磁铁的截面积、高度、是一个磁铁还是多个磁铁组合、磁铁位置等等,都会影响到最终的“磁场强度”,这个是不难理解的。关于磁路设计的知识,可以自行阅读相关书籍获取。

  关于“磁铁标号”,通俗来说,是标识磁铁磁力大小的一个重要参数。磁铁标号高了,同样体积和形状的磁铁充满磁后的磁力就大。当然对应的“磁场强度”也会越大。值得注意的是,磁铁标号受制于现有的材料和配方,是不能无限制增加的。

  关于“磁间隙”,是指扬声器音圈所在位置,磁路都会有一个缝隙。这个缝隙中的磁场就是扬声器的工作磁场。音圈就是在这个缝隙中受到磁场力的作用,并带动振膜发出声音的。这个缝隙中间是音圈,两边是磁路的零件。音圈到磁路零件之间的距离就被称作“磁间隙”。其中,音圈内侧到与之最近的磁路零件之间的距离被称为“内间隙”,音圈外侧到与之最近的磁路零件之间的距离被称之为“外间隙”。从理论上来说,“内间隙”和“外间隙”应该越小越好,间隙小了,磁路缝隙就变小了,音圈所处的位置磁场强度就会加强,驱动就会增加。相反,间隙大了,相应的驱动就会减弱。可是,这个间隙也不是无限制缩小的,当它缩小到一定的程度后,音圈到磁路零件距离过近,音圈外型、装配、质量平衡等方面如果有误差,音圈在工作时就容易碰到磁路零件,此时扬声器表现出的现象是“杂音”,就失效了。因此这个缝隙也不是能够无限制减小的。这个磁间隙可以减小到什么程度,取决于工装治具的精度、生产设备的精度、工艺的一致性、材料的一致性等等。每一项深入挖掘,都能讲出一大堆道理和引发一大堆有趣的故事。

  说到故事,简单讲一个吧。我当年设计一款高性能扬声器时,专门为它设计了一套工装治具。我们将图纸发给了电声行业某“著名”治具加工厂做加工。可是过了一个多星期,加工的事情一直没有进展,于是我趁着出差的机会,见了这个治具加工厂的老板。双方见面寒暄后,切入正题,对方开口:

  “老虎180兄,我看过您给我的图纸。我看了之后,有句话不知当讲不当讲?”

  “为什么呢?”老虎180问道。其实到这个时候老虎180还是有些惴惴不安的,是不是犯了什么低级错误...

  “老虎180兄,我看了您给我的图纸,里面每个尺寸都标注了公差,不但标注了公差,而且还是+/-0.01mm的公差...”对方开始侃侃而谈...“您知道么?在我们业界,从来都是只标尺寸,不标注公差的...”

  “因为我们业界都讲究实配的。所谓实配,就是你不管我公差做多大,你把磁路、音圈,支架,音膜这些实物给到我,我来帮你现场放一下,能放好就可以了。更何况你所标注的0.01mm 的公差,臣妾实在是做不到呀...”

  “哦,缘来如此...”我说到。心里却在想,估计我的高品质扬声器的工装治具制作和您无缘了。

  后来为了能够找到合适的加工企业,老虎180走访了很多工厂。终于找到了一个有精密三坐标加工中心的企业,理论精度5um。实际加工下来,确实控制在了0.01mm公差范围内了。虽然他不是“业内”的企业,但也成为了老虎180的合作伙伴。再后来,老虎180我顺藤摸瓜,彻底弄清楚了“音圈模具”和“成品音圈”尺寸的关系,彻底弄清楚了各个原材料的尺寸公差,也就在源头上形成了闭环的尺寸链。再将这个精度要求推移到生产设备和工艺上,进而实现了在非常极限的磁间隙下的生产...可想而知,此时生产的产品也一定是属于高端产品了...

  谈到这里,我们就知道了,哪怕是一款最最普通的电声器件,哪怕是几个最最普通的指标,在设计时就会有这么多的制约和讲究,每一个因素向深处发掘,都可以去挑战极限。而影响我们听感的因素,有通用指标可以衡量的和没有通用指标可以衡量的,又何止这么3个因素!因此,优秀扬声器的设计,它是一个系统工程,他对设计者的素质和认知程度,以及材料、工艺等等都提出了极高的要求!而在设计中,影响听感的这些参数都是相互影响,相互制约的...(未完待续)

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