【参赛】倒相式音箱的设计与调试

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     先说几句题外话：正式进入矿坛，五届大赛已经开幕。一套音响几年前已经做完，一时没有拿得出手的作品方案，踌躇再三，写篇文章介绍关于音箱的体会，重在参与吧。
   时近年关，仓促之中难免漏误，欢迎坛友指正。本人发图后不会继续输入文字，请坛友待十五楼发完后再指教吧。

   扬声器技术跨越电、力、声三个学科，其失真约为功放的十倍，因而成为音响系统的瓶颈。为克服“声音短路”，低音扬声器还必须有合适的音箱配合，才能很好地工作。市售高档音箱中，扬声器和分频器的价格只占售价的十之一二，其价值主要体现在音箱的设计和调试中。因此为高品质的扬声器配套合适的音箱，使其淋漓尽致的发挥作用，成为音响发烧友施展拳脚的乐土。
   介绍音箱设计和调试的著作比比皆是，但往往众说纷纭，莫衷一是。此处不涉及复杂的理论，只介绍本人制作音箱的经过和心得，辅以必须的测量和简单的计算，仅供坛友参考。

一．        音箱设计
1.扬声器的选择
（1）扬声器口径的选择
扬声器口径决定了音箱的频率下限和功率，似乎越大越好。但越大口径的扬声器配套的音箱容积越大，需要的听音室也越大，因而受到限制。听音室面积在十二平方以下，扬声器口径不宜超过8寸；三十平方以上可用12寸扬声器；一般家庭以10寸扬声器为宜。
（2）扬声器振膜和音箱形式的选择
扬声器振膜材质对重放音乐的品质有一定影响，应该根据喜好音乐的类型选取。喜欢劲歌劲舞大动态交响乐的，选材质比较硬的金属盆或PP盆，做封闭箱比较合适；喜欢声音松软、低沉、富有弹性的，选材质比较软的涂覆纸盆或羊毛纸盆，做倒相箱比较合适。
（3）扬声器灵敏度的选择
低音扬声器的灵敏度越低需要功放的功率越大，所以不宜过低。但也不宜高于中、高音扬声器，否则如低音过强，使用功率分频器时难以衰减。以90Db左右为宜。
（4）扬声器品质的选择
音响是用来听音乐的，音乐是从扬声器放送出来的，扬声器的重要性不言而喻。市场规律一分钱一分货，在预算允许的情况下，尽量买品质高一些的扬声器。
本例选用丹麦原装Wifa(威发)10英寸涂覆纸盆扬声器，型号为M25WP-09，外型见图一中照片（1-4）。销售商没有资料提供，网上找到图一（5），外观相似，经测量发现有些参数相去甚远，还得自己测量，才能据以设计音箱。

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2.扬声器的老化
   新扬声器的振动部分需要经过充分使用，性能才能趋于稳定，这个老化过程可称为“煲”。在自测扬声器参数前，或按给定参数制作好音箱开始调试前，扬声器都要经过充分的“煲”。在普通使用情况下约需六个月，如需快速“强煲”，可将扬声器采取隔音措施（如用棉被包起来，装进大纸箱），加上额定功率10%左右的市电，连续煲半个月后测谐振频率，以后每隔一个星期测一次，相邻两次没有变化才算完成。
   经过“透煲”， 扬声器的谐振频率可下降一成多。
3.扬声器参数的测量及有关计算
  在没有扬声器参数时，必须通过测量取得。即使有厂家给定的参数和曲线，扬声器配对也需要测量有关参数。
（1）谐振频率Fo。
  Fo是扬声器最常用也是最重要的参数。测试电路及设备连接如图二（1-3）。测量时扬声器前面0.3米内应无反射物。
先将信号发生器频率调到×1档的最高频率处（100Hz），然后增大输出,至电压表(10V档)指示1V，如图二（4）。
不改变信号发生器输出强度，只调整频率高低，使电压表指示最高（约可达4V），信号发生器指示的频率就是扬声器的谐振频率Fo。如图二（5）。
  本例扬声器实测Fo=32Hz.

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（2）等效质量Mo
   视扬声器振动部分质量不同，称出一块几十克重的橡皮泥，搓成圆环状，沿喇叭防尘帽一圈放置，并使其紧贴在纸盆上,见图三。按图二方法测量扬声器此时的谐振频率Fmo。
  本例选Mf=25克，实测Fmo=25Hz.
   Mo值用下式求出。
  Mo=Fmo平方×Mf/(Fo平方-Fmo平方)
   本例Mo=25×25×25/32×32-25×25=39克

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（3）等效半径a
扬声器纸盆有效直径的1/2，即纸盆中心到折环内边沿的距离。
  本例实测扬声器等效半径a=0.095m。见图四。

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  （4）等效容积Vep
扬声器的等效容积，是指在这个容积中，空气的声顺和扬声器的声顺相等。
Vep=34909×a的4次方/Fo的平方×Mo
本例Vep=34909×0.095×0.095×0.095×0.095/32××32×0.039=71L.
  （5）总品质因数Qts
Qts是表征扬声器振动系统和阻尼成反比情况的一个重要参数。测试电路仍如图二，在测得Fo的电压时，计算V1=V2=√Vmin×Vmax。调整信号发生器的输出频率，使用数字表测出对应频率点的准确电压值，绘成图五。从中找到对应V1、V2的频率F1、F2。
Qts=√(Vmin/Vmax)×【F0/（F2-F1）】
本例V1=V2=√1×4.16=2.04，对应F2=47，F1=16.
Qls=√(1.0/4.16)×【32/47-16】=0.50。
Qts是扬声器的重要参数。它标志着一个扬声器在低频段声压特性的平直程度和瞬态特性的好坏。Qts大于0.7的扬声器适合做号筒式音箱；Qts小于0.3的扬声器适合做封闭箱，Qts在0.3-0.6范围之内的扬声器才适合做倒相箱。

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4.音箱容积Vb的计算
Vbj（音箱净容积）=Vep/α
从图六查得，当Qts=0.5时，α=1，
因此，本例Vbj=Vep=71L。
还要加上扬声器、倒相管、隔板加强筋所占用的容积，才是音箱容积。按4%计算
Vb=71L×1.04=73.8L

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5,倒相孔的设计
（1），倒相孔开口面积Sp的选择
从能有效辐射声波的角度考虑，Sp大些为好，但Sp受到倒相管长度的限制，通常为扬声器有效辐射面积的0.1-0.8倍。这里选用两根内径7.6cm长度26cm的成品倒相管。
Sp=（7.6/2）的平方×Π×2=90平方厘米
扬声器有效振动面积=9.5的平方×Π=283
倒相孔开口面积占扬声器有效面积的比例=90/283=32%。是比较合适的。
（2）倒相孔长度Lp
公式一、Lp=C*C*Sp/4*Π*Π*Fb*Fb*Vb
公式二、Lp=（30000S/Vb*Fob*Fob）-0.825√S
倒相管长度的计算比较复杂，计算出来的结果误差也比较大。其实可以保留倒相管的原有长度，到音箱调试时，根据倒相管实际谐振情况，再锯短倒相管到合适长度即可。
6．音箱各部尺寸的选择和计算。
（1）音箱宽度的选择
现代音箱从美观的角度考虑，宜选较小的宽度。本例扬声器外径262mm，音箱内宽选定为270mm，外宽320mm。为进一步减小扬声器安装面的宽度，两边做成15×22 mm的斜面。
（2）音箱高度的选择
    从改善高音扬声器指向性考虑，高音扬声器的水平中心需与听音者的耳朵等高，本例选1.1米。经计算音箱内高为780mm.
（3）音箱深度的计算
73.8L/（2.7×7.8）=350mm
为减小驻波，把音箱做成直角梯形。取上边深度为325mm，则下边深度为375mm，这样也比较美观。
设音箱宽度为1，则各边比例约为1：1.3：2.9。没有整倍数，符合能使驻波频率均匀分布的比例。
7.音箱开孔位置的选择。
（1）        扬声器开孔位置的选择。
音箱内使用加强隔板，使音箱成为上下两室，为使工作时气压均匀，扬声器开孔位于上室的中间。扬声器上边距箱顶100mm,也比较符合与中音扬声器靠近的原则。
（2）        倒相口开孔位置的选择。
a,要求扬声器中心到倒相管中心的距离
Lsd=2.5-4d,(d为倒相管外径，80mm)
本例选Lsd =280mm。
280/80=3.5，符合设计要求。
b,要求倒相管到后侧板的距离
b≥1.5d
本例b=（380-260）/80=1.5，符合要求。
（3）        接线开孔的选择。
使用接线板需在音箱上开孔，会影响到音箱的强度和密闭性，因此本例使用两根8×60 mm的接线柱。为缩短引线，安装在后板距离扬声器比较近的位置。
8.制造音箱材料的选择。
本例要求牢固实用，不刻意追求美观。箱体使用25mm中密度板，前面板由于开孔降低了强度，厚度增加到40mm。不但箱体所有边角都使用25mm×25mm的条木加固，箱体中间还使用25mm厚的中纤隔板加固,以杜绝箱体的振动，避免产生声染色。音箱表面贴胡桃木皮，罩深色漆。
设计好的音箱图纸如图七。

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委托专业工厂制作好的音箱如图八。

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装好扬声器的音箱如图九。
安装扬声器时，要在与箱体结合处衬垫薄层软质密封材料，以免产生机振或漏气。

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二．音箱的调试。
  音箱设计、加工、组装完成，试机开声。感觉低频的析象力和下潜深度都挺好，弹性一般，量感不足。所以要取得满意效果，关键还在调试。
1.改变倒相管长度的调试
这是可以使用仪器、观察参数变化来进行的调试项目。
电路连接仍如图二。测量扬声器装音箱后的曲线，在F2=56和F1=17.5处呈现两个峰值。如图十（1）。F2是扬声器的谐振峰；F1是倒相管的谐振峰。通过调整倒相管长度（或截面积），使两个峰一样高时，音箱的低频响应最好。
当倒相管的峰值比较高时，需要加长倒相管或减小倒相孔面积；当扬声器的峰值比较高时，可以去短倒相管，从而使双峰等高。
此处把倒相管锯短10mm，双峰误差从20%缩小到8%，同时F2和F1分别提高到58和18，见图十（2）。
音箱参数调谐灵敏，一方面说明设计比较成功，另一方面说明参数已经接近最佳值，可调节的余地比较小。
我测过几台进口音箱，都是扬声器的峰值稍高。倒相管一旦去短，再想加长就难了。所以在后面的调整未完成前，如果不是高出很多，可以留到其他项目调试好以后酌情再做处理。
这项调整虽然看到了曲线的变化，因调整量比较小，没听到声音有明显变化。
  2.改变音箱工作方式的试验
（1）封闭式音箱试验
用定制的四个“闷头”堵住倒相口，就变成了封闭式音箱。音箱的频响曲线如图十（3）。形成45HZ的扬声器谐振峰，经计算此时Qts=0.62,接近封闭箱0.7的最佳值。
感觉此时低音的析象力和弹性有进一步提高，低音量能也还可以，唯下潜不够深，声音也不够开扬。比较适合听节奏感强的音乐。

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  （2）变阻尼式音箱试验
  表征音箱效果优劣主要有两个参数，一个是静态参数——低音重放频率下限，另一个是动态参数——瞬态响应。倒相箱的前者较好，封闭箱的后者较好，还有一种可兼顾两者的构思——变阻尼音箱。
设计音箱时就把中间的加强筋做成有四个方孔的隔板，此隔板把音箱隔离成上下两个室。从静态看，箱体容积是上下两箱之和，和倒相箱一样；从动态看，上室容积较小，对扬声器有较大的阻尼，使音箱工作在类似封闭箱状态，从而在保持较低重放频率的同时提高瞬态响应。
  试验目的，是在保持倒相箱重放低频的同时，找到进一步提高瞬态的最佳点。
  用定制的 “变阻尼板” 盖住隔板上的方孔，分辨声音的变化。
  经试验，必须打开三块盖板才不会影响到低频重放下限。每个开孔的面积是8*12=96平方厘米，3*96=288，就是说当隔板开孔面积不小于扬声器有效振动面积283平方厘米时，才能保证低频重放。
  试验结果证明，保留所有开孔面积或使用一块盖板，更能兼顾声音的低频重放和瞬态。
  3.更换扬声器引线的试验
  经过以上两项调整，感到低频的量感仍然不够，也缺乏弹性，根据发烧友建议，更换线材试试。
  不要小看从扬声器到接线柱那不到半米的线材，通过试验，发现其对低音的影响非常明显。
  我开始使用的线材如图十一（1）（2）所示，是烧友从进口音响换下来的。线芯较粗，根数不多，材质很硬，颜色发黄，表明铜材的纯度不高。
  第一次更换的是烧友从欧洲进口音箱换下来的，是很软的多股无氧纯铜线（用到功放里去了，所以不能提供照片）。能感到声音有变化，低音下潜加深，但量感没有明显增加。
  第二次更换的线材如图十一（3）（4）（5）所示，是我从音响商行每米一百元买来的，据说是国外的网络用线。每条线里有10根多芯软铜线，每根线里又分为四组，每组里有10根细铜丝。我把两条线编织在一起，这样每条喇叭线就由20×4×10=800根细铜丝组成。
  这次换线，不但感到低音下潜的很深，量感也比以前有明显增加，而且富有弹性。是我所有更换线材取得效果最明显的一次。当然事物没有十全十美，这条线的析象力稍差一些，这也是倒相箱天生不如封闭箱的地方。总之是得到了符合我喜欢的音色。
  需要说明的是，尽量更换扬声器引线引起了声音明显变化，但在我用仪器可以测出音箱的几个参数中，并没有发现明显变化。

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    4.音箱容积的调试
经过前三项调试，音箱的低音已经相当满意，可惜好景不长，越听感觉低音越浑浊无力。经过半年时间的使用，通过几次测量发现，扬声器的Fo由32HZ下降到了28HZ，相应其他参数也都有了较大幅度的改变。原来制作音箱前我把喇叭装在朋友的音箱上使用了一个月，其实并没有“煲”透。在正式装箱投入使用后，性能逐渐发生变化，与音箱不匹配了。由于扬声器Fo降低，需要相应减小音箱容积，重新进行调整。
  （1）音箱容积是否合适的判断
   判断音箱的容积是否合适，主要靠听声音，需要丰富的经验和判断力，这是很考功夫的一个环节，可以多邀几名资深发烧友来帮助评价。
当箱体容积偏小时，对扬声器的阻尼大，声音比较清楚，但下潜不够深。当音箱的容积偏大时情况相反，低音丰富，但无力，感到比较浑浊。
  （2）调整音箱容积的方法
   当感到音箱容积比较小时，可以适当增加吸音材料。但倒相箱不可放置过多的吸音材料，否则影响倒相效果，所以设计音箱容积时要留出适当余量。
   当感到音箱容积比较大时，可以采用在音箱底部放沙袋的方法，来减小音箱的有效容积。
   把一条牛仔裤剪成两半，封闭裤腰后分别装进左右音箱的底部，把裤腿从倒相孔拉出来，向里面灌沙子，见图十二。开始灌10公斤，以后每次灌1公斤，一边听声音，一边测曲线。直到灌进去22公斤沙子，再增减半公斤沙子，都可以听到声音向不好的方向变化，才算取得比较满意的效果。

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     在这次完成灌砂后的调试中，还分别试听了封闭倒相口和遮挡一个阻尼孔的声音，并测量了频响曲线（见图十三）。
   几种工作方式的声音各有千秋，可供各人对音乐的不同喜好或播放不同类型的音乐时选用。
   本人还是比较喜欢倒相箱那种开扬、深沉、富有弹性、有足够量感的低音。


补充内容 (2014-2-2 02:08):
调试音箱，较声使用森海塞尔650耳机的声音做参照物。

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附录
1．本例设计，中高音扬声器另外使用分体式音箱（见图十四）。
如需把扬声器装在一个箱体里，注意事项如下：
（1）保持低音音箱容积不变。
（2）中音扬声器需要足够容积的箱体空间，以装箱后谐振频率低于分频点1-2个倍频程为宜。
（3）高音扬声器的水平轴线要和听音时人耳的位置差不多高。

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  2，本例设计低音使用前级电子分频。如需使用功率分频器，计算公式如下。
（1）低音串联电感L1=296×Z1/F
式中F为分频点频率，Z1为低音扬声器在分频点的阻抗。可以使用图二电路，使用分频点频率测量扬声器两端电压和通过扬声器的电流，经换算得出。
（2）低音并联电容C1=148000/Z1×F
（3）高音串联电容C2=85300/Z2×F
式中Z2为高音扬声器在分频点的阻抗。
（4）高音并联电感L2=170×Z2/F
注意：高音扬声器引线需反相连接。
如使用三分频，则把两个分频点频率分别代入上式，求出有关参数。再把中音的两套分频元件串联起来即可。
注意：此时中音扬声器引线需反相连接。

在此以本帖作为礼物给矿坛全体朋友拜年：
祝马年心情愉快，身体健康，诸事如意，马到功成。