声学/扬声器

声学换能器的作用是将电能转换为声能。声学换能器存在许多变体，但最常见的是动圈-永磁换能器。经典的扬声器属于动圈-永磁型。

经典的电动力扬声器驱动器可以分为三个关键部件

磁电机驱动系统
扬声器锥盆系统
扬声器悬挂

磁电机驱动系统

磁电机驱动系统的主要目的是在音圈工作的区域建立一个对称的磁场。磁电机驱动系统由前聚焦板、永磁体、后板和极靴组成。在图2中，组装好的驱动系统被示出。在大多数情况下，后板和极靴被制造成一体，称为轭。轭和前聚焦板通常由非常软的铸铁制成。铁是与磁性结构一起使用的材料，因为铁在暴露于磁场时很容易饱和。请注意，在图2中，在聚焦板和轭之间故意留出气隙。磁场通过气隙耦合。气隙的磁场强度（B）通常经过优化，使其在整个气隙中保持均匀。[1]

图2 永磁体结构

当通有电流的线圈置于永磁场中时，会产生一个力。B 是磁场强度， $l$ 是线圈的长度， $I$ 是流经线圈的电流。电磁力由拉普拉斯定律给出：

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

${\underline {B}}$ 和 ${\underline {dl}}$ 是正交的，所以力是通过对线圈的长度进行积分得到的（Re 是螺旋的半径，n 是螺旋的数量， ${\underline {e}}_{x}$ 在线圈的轴线上）

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

此力与流经线圈的电流成正比。

图3 音圈安装在永磁体结构中

线圈由用于声音再现的交流信号激励，当线圈的磁场变化与永磁场相互作用时，线圈来回移动以再现输入信号。扬声器的线圈称为音圈。

扬声器锥盆系统

在一个典型的扬声器中，锥盆的作用是创建一个更大的辐射面积，以便在音圈的激励下移动更多的空气。锥盆是一个活塞，被音圈激励。然后，锥盆会推动空气，从而产生声波。在理想的环境中，锥盆应该是无限刚性的，并且具有零质量，但实际上并非如此。锥盆材料从碳纤维、纸张、竹子到几乎任何可以成型为刚性圆锥形状的材料不等。扬声器锥盆是扬声器中非常重要的部分。由于锥盆不是无限刚性的，因此它往往会在不同的频率下形成不同类型的共振模式，这反过来又会改变和影响声音的再现。锥盆的形状直接影响扬声器的指向性和频率响应。当锥盆连接到音圈时，音圈上方会留下一个较大的空隙。如果异物进入音圈和永磁体结构的气隙，就会出现问题。解决此问题的办法是在锥盆上放置一个称为防尘罩的东西，以覆盖气隙。下面显示了锥盆和防尘罩的示意图。

图6 连接到音圈的锥盆和防尘罩

锥盆的速度可以用一个具有阻尼系数 \xi 的质量-弹簧系统方程表示：

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

当前电流强度 $i$ 和速度 $v$ 也可以用以下公式来表示（ $U$ 是电压， $R$ 是电阻， $L_{b}$ 是电感）

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

利用谐波解，可以得到速度的表达式为：

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

电阻抗可以定义为电压与电流强度的比值：

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

扬声器的频率响应如图 7 所示。

图 7 电阻抗

在 100 Hz 左右的频率附近，可以观察到电共振现象。此外，由于线圈的电感，阻抗从 400 Hz 的频率开始增加。因此，扬声器使用的频率范围是 100-4000 Hz

扬声器悬挂系统

大多数动圈式扬声器都采用两件式悬挂系统，也称为挠性系统。这两个挠性件的组合可以使音圈在通电时保持线性移动，并为音圈系统提供恢复力。两件式系统包括一个围绕锥体外边缘的大型柔性膜，称为环绕，以及直接连接到音圈的另一个挠性件，称为蜘蛛。环绕还有另一个作用，即在扬声器安装在音箱中时密封扬声器。通常，环绕是由多种不同的材料制成的，例如折叠纸、布、橡胶和泡沫。蜘蛛的结构由不同的编织布或合成材料组成，这些材料被压缩成柔性膜。以下两幅图说明了悬挂组件在扬声器上的物理位置以及它们在扬声器工作时的功能。

图 8 扬声器悬挂系统

图 9 移动扬声器

将扬声器建模为集中参数系统

在将扬声器应用于特定应用之前，必须提取一系列表征扬声器的参数。扬声器的等效电路是开发音箱的关键。该电路通过等效的电气、机械和声学电路对扬声器的各个方面进行建模。图 9 显示了三个等效电路的连接方式。电气电路由音圈的直流电阻 $R_{e}$ 、音圈电感的虚部 $L_{e}$ 和音圈电感的实部 $R_{evc}$ 组成。机械系统具有模拟扬声器不同物理参数的电气元件。在机械电路中， $M_{m}$ 是由于运动质量引起的电容， $C_{m}$ 是由于运动质量的顺应性引起的电感，而 $R_{m}$ 是由于悬挂系统引起的电阻。在声学等效电路中， $M_{a}$ 模拟空气质量，而 $R_{a}$ 模拟辐射阻抗[2]。这种等效电路可以深入了解哪些参数会改变扬声器的特性。图 10 显示了使用扬声器等效电路开发的声学输入阻抗与频率的关系。