II. 動圈式直接輻射型揚聲器
2. 1 動作原理
所有的動圈式揚聲器,大體上動作原理都相同。Fig. 2.1所示為一典型之動圈式直接幅射型揚聲器之構造。
一個錐膜的頂端(Apex,即斷面積較小的一端)附著一個線圈,線圈經由稱為「蜘蛛」(Spider)的置心裝置(Centering Device),懸浮在強力磁鐵的間隙(GAP)之內。錐膜的底部(Base,即斷面積較大的一端)則由柔軟的材料所做成的邊緣(Surround)支撐在框架(Frame)上。這樣的裝置使得線圈,得以在間隙內自由擺動。由放大器的輸出端子而來的電流信號,流經線圈即產生一個和磁鐵的磁場垂直的另一磁場,這兩個磁場,按放大器電氣信號的頻率,相互推斥或吸引,同時帶動錐膜鼓動四周的空氣,而產生聲波。
2. 2 二級能量轉換(Two-Stage Energ Conversion)
為了解釋之便,我們將揚聲器視為一個二級能量轉換器。首先,電能被轉換成機械能,然後機械能在被轉換成聲能。如Fig. 2. 2。這種能量的轉換,必須做到低失真而且高效率的要求。為了高效率的轉換,最好是使揚聲器的阻抗和放大器的輸出阻抗匹配,很不幸這只能在極小頻率內得以辦到,因為揚聲器對放大器所呈現的阻抗隨頻率而異。
假定揚聲器是固定在無限大障板(Infinite Baffle)上的,則障板兩邊的輻射阻抗ZAA是相同的,(Fig. 2. 2最右側的½ZAA道理即在此)
Fig. 2. 2的線路可以轉換成Fig. 2. 3中的任意一種線路,在Fig. 2. 3(a)和(b)中,所有的元件都以電氣方式表示,在Fig. 2. 3(c)中,則以機械方式表示。因此我們先將電學的電壓源(eg)和串聯電氣阻抗(Ze)轉換成電流源(eg/Ze)和一個並聯阻抗(Ze)。這個原理可以用於這些端點右側部分的計算。最後,我們又將動性線路轉換成阻抗性線路。
2. 3 輻射阻抗(Radiation Resistance)
在討論揚聲器的工作狀態時,皆假定揚聲器是固定在無限大障板上的;即後方的輻射不致影響到前方輻射。在此情況下,錐膜的空氣負荷僅有一個機械阻抗ZMA,在此標誌MA已表示「機械,空氣」機械阻抗實際上是由輻射阻性RMA和輻射抗性XMA串聯組成。在實際情況若kγ＜1,則輻射抗性為空氣負荷的質量,在此以MMA表示,因而可寫成
ZMA=R+jωMMA (2 .1)
既然,輻射阻抗中的阻性成分才能產生音響功率,則輻射阻性的動作乃成為我們研究的重點。在動圈式系統中,輻射值量MMA常可忽略不計,因為它和錐膜質量串聯存在,且數值又遠小於錐膜的機械質量MMA。
Fig. 2. 4所示為輻射阻性和輻射抗性對頻率的變化情形。在1. 4. 4節中,我們已證明曲線傾斜部分的RMA值為:
在此 ω=2πf (f=以Hz表示的頻率)
γ=以米表示的錐膜半徑
ρ=空氣密度=1.18kg/m³
c=音速=344m/S
上述情形適用於kγ＜1的狀況,此種狀況為大多數揚聲器的主要頻率範圍。
輻射抗性XMA為
XMA=jωMMA (2. 3)
在此輻射質量MMA為
MMA=2.67γ³ρ (2. 4)
Fig. 2. 4所採用的單位容或需要加以解釋,頻率是以標準化刻度(Normalized Scale)表示,水平軸代表以波長和錐膜尺度關係來表示的頻率,
kγ=2πfγ/c=2πγ/λ
也就式揚聲器圓周和波長的比值。
在kγ=2以下,輻射阻性按示(2. 2)以f²的比例增加。若kγ＞2,情況就不同了,式(2. 2)和(2. 3)不再適用,輻射阻性RMA乃變成
RMA=πγ²ρcNs/m (2. 5)
顯然輻射阻性和頻率無關。
轉載音響技術第53期MAY. 1980 Hi-Fi揚聲系統之設計/羅 哲/(本文摘譯自Philips Technical Informational 026)
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