喇叭共振和预防研究

谭华，胡广

（湖南理工学院 机械工程学院，湖南 岳阳 414006）

目前百分之九十以上的锥盆单体喇叭都是动圈式的设计，其基本原理是来自佛莱明左手定律，把一条有电流的导线与磁力线垂直的放进磁铁南北极间，导线就会受磁力线与电流两者的互相作用而移动，再把一片振膜依附在这根导线上，随着电流变化振膜就产生前后的运动，从而推动空气有频率的振动[1]。依现有的技术生产的喇叭效率基本都不超过10%，其余的能量大部份转换成热能和动能了，为解决以上问题，本文主要针对喇叭的共振及其如何预防进行研究，减少因振动而损耗的能量，从而获得更多的声能，提高喇叭的效率。振频率两方面入手，要解决共振问题就不能只单单靠改变喇叭的结构和材质[3]。下面是扬声器振动的原理如图1所示。

图1 喇叭的磁场Fig．1 Magnetic field of speaker

1 扬声器共振原理

共振是物理学上一个运用频率非常高的专业术语，其定义是两个振动频率相同的物体，当一个发生振动时，引起另一个物体振动的现象。共振在声学中亦称为”共鸣”，它是指物体因共振而发声的现象，例如当两个频率相同的音叉靠近，其中一个振动发声时，另一个也会发声。在电学中，振动电路的共振现象称为“谐振”[2]。

1）产生共振的条件主要有：a．两个或两个以上的物体；b．物体的固有频率相近。共振不仅在物理学上运用频率非常高，而且也是自然界的一种普遍现象，本文研究的主要目的就是怎样将危害降低到最小。如果要解决共振问题需从电流和共

①奥斯特定律：通电导体在磁场会产生力。这个力F的大小和方向会随着电流I的大小和方向变化而变化，使振膜振动而产生声波[4]；

②驱动力F=BLI

F：驱动力；

B：磁场强度；

L：被磁场包覆内的线圈长度；

I：线圈内的电流。

2）与扬声器振动有关的特性：

①最低共振频率：

MO：振动系的重量，包括鼓纸（振膜）、音圈、弹波的附加、防尘盖和胶；

K：振动系的弹性系数，包括鼓纸（含鼓纸的边缘Edge）和弹波。

②音压：

直观来讲就是声音的大小，声音越大振幅也就越大[5]。

2 提高效率减少振动

扬声器又名Transducer，通常所说的喇叭功率为2 w指的是喇叭能承受的功率为2 w，再将电信号转变成声音。效率=声能/电能，一般喇叭的利用效率还不到2%，即2 w的喇叭发出的声音只有0．04 w。

1）当电信号的能量经过喇叭后被分为3部分[6]：

①音圈纯电阻产生的热能：Q=I2R；

③声能。

因此，要尽可能的降低热能和机械动能，使降低的这部分能量发生转移，从而提高声能。

o 1．18 C=345；

Revc：直流阻抗；

Mms：振动部分的质量；

Sd：振动的面积；

B：磁场强度；

L：线圈的长度。

由上式可知，要想提高扬声器的声能可以从以下4方面考虑：

①降低阻抗；

②减轻质量，将铜线变成铝丝；

③增加振动的面积；

④增加磁场强度。

2）喇叭线圈本质上就是一个电感，当串联喇叭时电路中就会产生谐振如图2所示。

图2 电路的谐振Fig．2 Resonance of circuit

即XL=XC＞＞R时电流非常大，此时如果fo=f（电路的谐振频率）时就会产生强烈的共振，使得大部份的能量转变成动能，大大降低了效率，因此在设计时，串联的线圈应严格控制感应电流产生的反向磁场干扰磁铁的磁场，从而避免电路的谐振频率尽可能的接近或等于喇叭的最低共振频率。

3 实验验证共振降低喇叭效率

为了实验数据真实、可靠，实验总共选取了10个同样规格和型号的喇叭，包括鼓纸、音圈、框体、电流等参数均相同，实验是通过改变输入谐振频率来调节振动频率和输出声能；如图3是10组实验对比测试数据，整个实验过程是在安静的测音室中完成：

图3 不同输入法谐振频率对声能影响Fig．3 Influence of differententer resonance frequency

从图3可以看出：当输入谐振频率为4 kHz左右的时候，鼓纸振幅最大，即喇叭的动能最大，定义该频率为喇叭的共振频率，此时输出的声能却是最小。综上所述，输入频率应避开共振频率，尽可能降低喇叭的动能，从而提高喇叭的效率。

4 从结构设计上预防共振的建议

1）各零部件安装必须是紧密的；

2）设计喇叭：音箱安装位置尽量不靠近于松动类零件，如：按钮等；

3）安装喇叭：音箱背后的结构应尽量简单，也就是说零部件尽可能的少；

4）安装喇叭：音箱振膜面的面板透气孔应尽量大（透气孔面积是鼓纸面积的70%以内是不影响特性的）。

5 结 论

文中研究了喇叭的共振以及如何预防和减少振动，从而从根本上提高了喇叭的效率，具有很强的实用性和推广价值，特别是在现今生产和制造喇叭的工厂，可以大大降低成本，提高其质量。

[1]许学文，陈炫谕，陈煜熙．振动扬声器：中国专利：CN201 995119U[P]．2011-09-28．

[2]汤坷，陈国邦，黄永华，等．热声驱动器谐振频率影响因素分析低温与超导[J]．2003，31（1）：23-26．

TANG Ke，CHEN Guo-bang，HUANG Yong-hua，et al．Analysis of factors influencing resonance frequency of the thermoacoustic engine[J]．Cryogenics and Supercondu Ccivity，2003，31（1）：23-26．

[3]马大酞．热声学的基本理论和非线性 [J]．热声学声学学报，1999，24（4）：337-350．

MA Da-you．Theory and nonlinearity of thermoacoustics[J]．Acta Acustica，1999，24（4）：337-350．

[4]罗运文，李青，曾良春，等．热声谐振管的有源热声网络模型研究[J]．华中理工大学学报，1999，27（9）：30～32．

LUO Yun-wen，LIQing，ZENG Liang-chun，etal．Investigation on an active thermoacoustic networkmodel in thermoacoustic resonant tube[J]．Journal of Huazhong University of Science and Technology，1999，27（9）：30-32．

[5]郭继峰，任万滨，翟国富，等．电磁喇叭分段线性振动响应及其声学特性的研究[J]．振动与冲击，2011，3（10）：225-227．

GUO Ji-feng，REN Wan-bin，ZHAI Guo-fu，et al．Piecewise linear vibration response of an electromagnetic horn and its acoustic characteristics[J]．Journal of Vibration and Shock，2011，3（10）：225-227．

[6]范理，王本仁，金滔．谐振管谐振频率计算方法的研究[J]．声学学学报，2005，30（9）：409-414．

FAN Li ，WANG Ben-ren，JIN Tao．Study on computing of resonance frequency of resonance pipes[J]．Acta Acustica，2005，30（9）：409-414．