主题：扬声器设计原理

1.   喇叭的零件：




A.        音圈的驅動力  
       - 磁間隙中的磁場強度，單位為韋伯/ 。 - 音圈導線(銅線)的長度，單位為米。
- 流過音圈的電流，單位為安培。

這是喇叭驅動的公式，我們可用的資源為；
- 磁間隙中的磁場強度，我們現在在華司上增加一片磁鐵，主要反應在磁場強度的增加。
- 音圈導線(銅線)的長度，兩層的音圈，我們改為四層，四層改六層，體現在長度的增加。
- 流過音圈的電流。假如電路已經固定，8歐姆的喇叭，改成4歐姆，明顯的增加流過
的電流，但通常不是我們來決定，而是客戶來決定。




B.    間隙設計的考量
設計考量的重點在【紙管式的音圈；內間隙設計成一致，外間隙隨阻抗的變化而改變】。
                           【無紙管的音圈；外間隙設計成一致，我們考量上音圈製具的一致】。

C.   磁力線的分佈

下圖(a)為我們的常規設計，磁力線作上下均勻的分佈。但假如把它做成不等平面的設計如圖b，磁力線會被擠到上半部去；既圖上的上半部較多，下部較少。
注意：不等面的設計，在任何一邊都行。意思是假如是內磁式，Yoke邊凸出，或華司邊凸出都行。




我們所生產這一系列的喇叭，為了不使音圈打到Yoke底部，都把音圈紙管往上移，所以我們應該把磁迴的設計成不等面，使裸露在上面的音圈還會被磁力線所含蓋，或許，這多出的部分，可以讓我們增加2db的音壓。

2.   Fo  ( Lowest resonant frequency；最低共振頻率) =

Mo = 振動系的重量；包括鼓紙(振膜)、音圈、彈波的附加、防塵蓋、膠。
So = 振動系的柔順性；包括鼓紙(含鼓紙的邊緣Edge)、彈波。

測Fo值是在【自由音場】下測得，在我們實際的量測時，務必注意喇叭的前後不可有障礙物擋住，而影響氣流的流動，否則所得的值就不正確了。

比較正確的測試方式為用阻抗曲線測出的值，較準確。通常測定Fo的電壓為1V，但我們會碰上喇叭的功率不足1V的情形，在這種情況下，我們會改用0.5V測，但必須載明於規格書上。
測試的電壓愈高，所測得Fo的值會愈低，所以必須要定出一個共同的規範。

Q值：代表在諧振點Fo的諧振品質因素





Q值，和電子電路的Q值定義一樣，可以從阻抗曲線上來求得。Q愈高表示曲線愈尖銳，以振動的現象來說，是振動不易停止，所以聽起來，低音會變得渾濁。
但在小喇叭的情況來說，因為低音都不易做好，所以Q值都高一些。

Q質的最大用處在於設計音箱時，音箱設計的著手點都從Q開始。當然我們也可以透過其他方法來調整Q值。

如何調整品質因素Qt
(比較舊的喇叭分析教材只定義Qt，或Qo。新的分析方式把Q拆成機械共振的Qm及電氣共振的Qe，它們兩者的並聯值為Qt，既 )。

以下是節錄自【揚聲器及其系統—南京大學出版】書上關於Q的定義。
  或者    
    
符號說明：
- 放大器內阻，單位為歐姆。       - 音圈的直流電阻，單位為歐姆。
- 磁間隙中的磁場強度，單位為韋伯/ 。 - 音圈導線(銅線)的長度，單位為米。
- 支撐系統的等效力順，即鼓紙折環(錐緣或叫Edge)和彈波的總力順，單位為米/牛頓。
- 振動系統的等效質量，即鼓紙和音圈質量之和，單位為千克。

由此可知，揚聲器的 值，與 的平方根成正比，而與 的平方根成反比。改變這兩個量的大小，當然可以改變 的值，但效果並不顯著。而與 的平方成反比，可見改變 值的大小，即可明顯的改變 的值。事實上，這是控制揚聲器 值所經常採用的辦法。

此外，我們知道，
音圈的驅動力   ：音圈的反電動勢  
- 音圈的振動速度。      - 音圈的反電動勢(電壓)。

音圈的反電動勢：我們可以看做是音圈因為運動，產生一個阻止電流流入而極性相反的電壓。在阻抗曲線的表示上，假如是 變得很高，表示反電動勢的電壓很高，也表示Q很高。從另一個角度看，就是 (音圈的振動速度)很快，套到我們36mm的喇叭看，也有合理的解釋，因為振速高，所以壽命比較短。

假如在我們的Mylar喇叭產品中，把不織布貼上，相當於把機械共振的Qm降低。
3.  響應曲線

喇叭對於(輸入)不同頻率的電訊號，所產生音壓的大小。通常將X軸設定為頻率；對數刻度，Y軸為音壓；線性刻度。主要作為判斷一支喇叭好壞的重要依據，理想的曲線為一條直線，就是對任意頻率輸入的電訊號喇叭響應為一致的輸出。

音壓(db  Decibel)：
定義為 db = 20 log               壓力的單位為 Newton / m2
2 x 10  Newton / m  (或 2 x 10  Dyne / cm ) 是人耳能聽到的最低界限，我們拿來當音壓位準(0 db)。

注意：db是一個比較值，不是單位，所以我們可以改變【位準、或參考值】的值來從新定義db。常用的位準值如1 伏(V)，稱為dbV (常用在麥克風的感度上)。 另外以600甌姆消耗1mW的功率(相當0.7745 V)為參考位準值的，我們稱為dbm (m : mW)。

頻率：每秒鐘振動的次數，單位為 Hz (Hertz)。慣稱 K (Kilo = 10 ) 、M (Mega = 10 ) Hz。


有效頻率範圍： Fo  ~  (Average SPL - 10db)。這是JIS、CNS規範的標準。

中音谷：在1000 ~ 3000 Hz的中音範圍，當一個訊號送到鼓紙的固定邊，反彈回來，恰好碰上後來趕上來的訊號，產生一個抵消的作用，在曲線上會有一個下跌的山谷形狀，這叫中音谷，是我們工程師努力要解決的工程問題。

在鼓紙折環(錐緣或叫Edge)利用不產生反彈的形狀、能吸收振動的材質、塗怖吸震的膠等為有效解決此問題的對策。
  

  
4.   失真
當喇叭收到一個純音的電訊號，鼓紙相應的震動並非如預期的只產生該訊號的震動，會有它一倍、二倍頻率或1/2倍、1/4倍….等等的震動，這些震動產生的聲音，我們稱為 【諧波 Harmonic】。
失真 = x 100%  P : 基本波、P ：二次諧波….P ：n次諧波
把諧波的總能量和全部能量之比，我們稱為失真，也慣稱為THD (Total Harmonic Distortion)。


增加鼓紙本体的鋼性、均勻的驅動力，可以減少失真的現象。

5.   功率
沒有儀器能一下就測定出喇叭的承受功率是多少，通常的方式都是用壽命試驗來決定。
詳細關於喇叭的壽命試驗，請參照【喇叭的壽命試驗】有詳細的說明。
功率大並不表示聲音就大，詳細的關係參照它項說明。注意 【功率】 和 【效率】 意義上的不同。
功率：是指以電的訊號送給喇叭，消耗在喇叭上的電功率。
效率：喇叭是一個換能器件，將電能轉換為聲能，效率是指這個轉換的比值。簡單的指標參數就是db/W M。
喇叭效率都不高，依我們現生產的產大概都不超過10%，其他的能量大部分都轉換成熱能和動能了。

正常功率(Normal)：是指長時間工作沒有問題的功率。
最大功率(Maximum)：短時間，非連續性，喇叭還能正常工作的功率。

功率、距離和音壓的關係；
Sc (SPL換算值) = (SPL測試值) + 20 - 10  
、 ：分別為測試距離、計算距離 、  : 測試功率、計算功率

註：                      

如原以0.2W、0.5M測得SPL為80db，現功率不變，距離改以1M測，則，
        80+20Log(0.5/1)-10Log(0.2/0.2) = 74 db.

如原以0.2W、0.5M測得SPL為80db，現距離不變，功率以0.4W測，將得，
80+20Log(0.5/0.5)-10Log(0.2/0.4) = 83 db.
      
       整理出功率、距離和音壓的關係如下：



6.         極性
以電池加在喇叭標示的正端，鼓紙是向前推出。
在雙聲道以上的設備裡，對極性的要求就很嚴謹。

7.   環境試驗
包括： 高溫、低溫、高濕、冷熱循環、冷熱衝擊。
             震動、落下。
             鹽霧。

8.  各零件功能及材料
a.           框体
塑料：ABS、ABS+GF、PBT+GF、ABS+PC等。ABS+GF為塑料合金可以改善物性。
加FG (Fiber Glass)改善鋼性及耐熱性。
鐵材：以低碳的鐵材沖壓而成，碳會增加磁阻，不利於導磁性。
理想的喇叭框体材料是，軛鐵部分良好的導磁，框体部分不導磁，磁力線才不至於分散。
b.          端子板
用衝剪纖維板後鉚上鉚釘而成。主要做為訊號引入的端點。
印刷電路板(紙質板或玻璃纖維板上貼銅箔)蝕刻出接點。
c.           錦絲線
以銅箔圍著纖維紗捲繞而成。功能在提供一個緩衝的空間，音圈的震動不會直接傳遞到端子的固定點，否則此引線會因拉扯而斷裂。
紗也以耐熱性及耐疲勞度而分等級。
銅箔可以分一股(一片銅箔)、兩股…等捲繞，依須要是否鍍上錫等。
d.          墊片
主要用來墊高喇叭和機殼間的距離，以免鼓紙碰撞了機殼。其他還有減震、防止漏氣、防水等功用。
材質有紙、EVA、CR、橡膠等，設計要考慮不能碰觸鼓紙的邊緣，可能使喇叭的Fo增加，失去原始設計的值。
e.           軛鐵、華司
做為磁氣迴路的一部分，必須盡量的減少磁阻，磁飽和系數大，防銹良好。
和框体的鐵料一樣。
f.            彈波
用布材經樹脂含浸，再熱壓定型而成，最近的產品也有以PI衝剪成型或用Mylar成型者。我們取其恢復性、耐疲勞性。
主要的功用在支撐音圈，在音圈受驅動時，其運動時能在我們設定的間隙內，不去碰撞金屬件。
基本上是一個對喇叭特性供獻很小的零件，沒有彈波，特性還更好，但沒有彈波的產品，量產有很高的難度。
g.           Bobbin 線軸(因我廠都用牛皮紙的材料，因此都用紙管這名稱來替代Bobbin)
在紙上塗怖耐熱及能和漆包線接著的樹脂而成。對於須要較高的耐熱等級，有不同的材質因應，包括樹脂及紙管的材料。紙管主要的功用在於使音圈能正確的在其工作的位置。此外，為了減輕重量及增進散熱，可以在紙管上打孔。
在紙管的材料上有牛皮紙、鋁箔、PEI的押出管、PI捲繞管(見膜片說明)、Nomex的織物等。
列舉兩種常用的塗佈材及其特性當參考，



h.           防塵蓋
防止異物落入音圈內。通常這樣功能的防塵蓋是用不織布仿彈波的做法做的。
另外可以用Mylar或鈦合金等輕質的材料做，用於調整高音的特性，注意正或倒過來貼其特性會有所不同。
在低音喇叭里，也可以適當的設計防塵蓋的形狀及材質，來消除高音。
i.             音圈、自融漆包線
是喇叭的引擎，主要材料為銅線，先被覆一道絕緣層，再塗上一道遇醇復活或受熱溶合的樹脂而成。
大部分我們所用的漆包線為醇類復活性，當線材霑過醇後，會恢復黏性，從而使銅線黏在一起形成線圈。基本上此樹脂的性質和紙管上塗怖的材質類似。和紙管一樣，對不同溫度的要求，樹脂的塗層也不一樣，尤其在大功率時會產生高熱，樹脂更是嚴格要求。
在生產線上，會用不同比率的水和甲醇參和，以達到最佳的接著效果。
為了減輕音圈的重量，有內心部分是鋁線再包覆一銅層，再經過絕緣、上樹脂等做法的線材，稱為銅包鋁線CCAW。
其他為了增加單位長度下線圈的匝數，把銅線扎成方形者，稱扁平線。
近來廠商有推出【高張力】的漆包線，目的是要改善音圈的可靠度。

線圈的阻抗：
阻抗是由下式決定 R (Ω) =               其中 為銅線的電阻系數， 為線的長度， 為線的截面積。實際操作時，我們也不以上式來計算，而是由廠家提供的數據來製作，廠商會提供 Ω/㏎ 的資料，我們據以計算線圈的長度。
已有用完善Excel做的線圈公式可用。

漆包線的塗佈樹脂對環境非常敏感，必須存放在除濕間裡，妥善保存。
j.            磁鐵
就像手機的電池一樣，是提供喇叭動能的源頭。
有下列的材料在市場使用，但主流是Ferrite及NdFeB，因為成本較低。





在使用上，鐵氧鐵沒有溫度的問題，就是說工作溫度到100度也沒有很大的問題。但NdFeB就有溫度的問題，見下列曲線：




第一象限為磁鐵充磁的曲線，當H(磁場強度；單位為Oe  Oersted)增加到一定程度後，B(磁束密度Gs  Gauss高斯，10 Gs =1 mT )不再增加，到此為磁鐵的飽和點，移去H，曲線會回落到Br點，此點為剩磁點。當我們轉為負的H時，B會像第二象限的曲線，當H達-i Hc (矯頑力)時，Br降為零。
喇叭的應用在磁鐵的第二象限，Br的高低決定磁鐵的總能量；叫磁能積，單位為 GsOe，因單位都很大，通用為M Gs Oe (既K x K為M，10 )。
iHc影響磁鐵的耐熱特性，通常來說，必須要達到17K Oe才能在85度工作。另外要注意磁鐵受熱導致磁性能的降低為不可逆的特性，也就是說，移去熱源後，磁性能也不會恢復。

磁鐵表面的強度並不是均勻分布的，所以以高斯表去測磁鐵的表面場強，必須測幾點然後去平均，在間隙裡的情形是一樣的。

另外NdFeB的基本素材中，Nd和Fe都是很活潑的金屬，很容易氧化，我們電鍍上一層保護層，才能使NdFeB的磁鐵長期工作。

有參考書可參考做精確的磁路設計。
k.          Mylar；塑料材質的膜片，我們也慣用Mylar來替代塑料材質的膜片。
決定喇叭特性最重要的關鍵器件。
形狀、基材厚度、成型溫度等都會影響整體硬度，工程師也就是在解決跟尋求最適值。
              製作方式：熱壓成型，材料依耐熱性能的不同而有如下數項材料可選用。
              Polyester film(PET，Dupont商名叫Mylar) 最高可工作到70℃。
              Poly-ether-imide (PEI)：主要為三菱化學出產的薄膜材料。最高可工作到90℃。
Poly-imide (PI)：主要應用在電子電路的軟性PCB(printed circuit board)上，生產廠商有調質後的特定型號，可以熱壓成型，可工作到100℃。
l.             鼓紙
紙漿經吸盤吸起後再熱壓成型，這是傳統鼓紙的作法。
為了改善低音和瞬態響應，把鼓紙的邊切去，貼上不同材質的邊。相對於鼓紙的膧体來說，已經是沒有邊了，因此又被慣稱為Free Edge。
用來當貼邊的材料有【布、海棉、PU、橡膠…等】，當然還有更多更新的材料在加入。
編織材料的流行，膧体本身也在變，紙漿已經不再是很普遍的材料了，最大的缺失在吸濕性。編織材料沒有這些缺點，常見的編織材料有碳纖、玻璃纖維、Nomex(Dupont的一種材料商名)等。
m.         膠
可以說，喇叭全都用膠黏出來的。
我們常用的膠有：
橡膠系，像4001 ~4005 (氯平橡膠系)，耐熱性好，價平。
合成樹脂系，像747H、768等，接著性好，可惜不耐熱。
以上為溶劑型的膠，通常溶劑均為甲苯，必須嚴格管控加入甲苯的比率，過高的甲苯，將使膠失去黏性。

AB膠，為變性壓克力樹脂，固成份(指硬化反應完後剩餘的体積)100%，快速硬化，不須精確比率而能作業，對金屬敏感(不能儲存在金屬容器裡)，是專為金屬接著使用的膠。

厭氧膠，也適用在金屬的接著，在沒有氧氣時硬化，通常須添加加速劑使用，價高，比較不使用在喇叭的行業裡。

環氧樹脂(Epoxy)，固成份100%，嚴格要求比率跟均勻的攪拌，適用在金屬和三點(鼓紙、音圈、彈波)的接著及電子零件的絕緣填平用。
近來有做成單液型的環氧樹脂，是把硬化劑做成微小顆粒狀，遇熱融解而達到硬化接著的目的。

其他還有樹脂乳化以水為溶劑的膠，我們用在海棉或其他對甲苯敏感的材料使用的膠。

基本上，鼓紙和框体接著的部分可比較不用考慮膠的耐熱性，但中心三點(鼓紙、音圈、彈波，或音圈+膜片)的接著就非常重要，因為音圈一工作會產生高熱。此外，中心膠還要比重輕，太重了，全音域的喇叭在高音部分就沒法提升。

磁鐵的接著膠，必須考慮【耐衝擊性】，簡單的說就是，經得起落下試驗。

膠在使用上，可以用濃稠度、放置接著物的時間等來做最適當的應用。必須隨時注意周遭環境的變化，做最佳的調整。加溫可以使溶劑活性，來要帶走溶劑還是要借助風力，效果才比較明顯。
n.           焊錫
最適比例的錫為60~63% 鉛40~37%，心蕊包助焊樹脂而成。近年電子業的變化，延伸出一些新的產品，諸如免洗錫絲、無鉛錫絲等。注意外徑愈細，單價會較高。

尤其是無鉛錫絲，各國對環境保護觀念的興起，日本已經禁用含鉛錫絲，歐洲也逐步禁用，必定是全世界的趨勢。
o.          線材 Harness
分為兩部分，一是電子線，指負載小電流的電線。另一部分為連接器部分，大部分都依知名廠商(如 Molex、AMP、JST、Hirose…)的連接器母座當編號(如 Molex 51021-0200等)。
電子線，
線蕊的部分，市場上都依美國線規(AWG：American Wire Gauge )的規定訂定。線皮部分，因牽扯到安全規定(簡稱安規，如UL、CSA、…)，也都以UL安規的案號來命名，例如： UL 1571 AWG# 26。
                                               
                
                 Housing (母座)                      Terminal (端子)              Wafer、Header (公座)
廠家是把電子線用模具打在端子上，然後插入母座上而成，我們要注意線材在端子上的壓著力，太過，可能使銅線斷裂，不足，將使線材脫落。

熱縮套管，顧名思義就是加熱後會縮緊的線套，目的在使線能靠緊一起，便利於成品的組裝。比較知名的廠商為Sumitube，為Sumitomo住友商事旗下的一家公司。

總觀線材，我們必須注意：整體線徑的大小、端子壓著力的大小、端子和母座的拉拔力、熱縮套管熱縮後的外徑、電子線的長度、電子線在母座上安排的順序。