主题：[原创]倒相箱体各种损失的电声类比

简单说一下倒相箱箱体一些损失的类比, 倒相箱是市场上最流行,覆盖率最大的音箱, 同时它的箱损也是最复杂,问题最多的一种,所以只讨论这一种,
这个会了其它的也都会了. 这里只简略分析一下,以后有时间再详细计算.

见下图, 是一个从音圈一直类比到纸盆的一个倒相箱, 假定大家基本的类比都熟悉,从线路最左边的元件,什么Rg,Re,Le都知道是什么吧,然后经过Bl第一次变量,
从电到力的转换, Mms,Cms,Rms分别是喇叭单元振动质量,振动顺性,振动力阻那三大件, 到Sd第二次变量,力到声的转换,Sd是喇叭纸盆有效面积, 就到最后的声辐射环节了. 这些类比都是基本的,我就不一一赘述了.这个线路图是一个阻抗性类比线路图, 阻抗性类比我们称之为正类比, 那么导纳性类比呢就称之为偏门类比, 注意偏门类比不是说它不好, 两种类比最后结果是相同的. 正类比之所以为说它正,就是正规的意思,因为类比的物理意义明确. 但是正类比也有问题,就是线路归一化以后不太方便分析,但如果对于使用电路模拟软件呢就不存在这一问题,所以很多人还是喜欢使用正类比电路图的.

声辐射元件使用Zac来表示, 注意Zac也就是喇叭纸盆的辐射阻抗不是一个纯阻, 而是复阻抗,所以画了一个砖头来表示,如果是纯电阻呢就用波折号来表示.
这点是我们画电路图时特别要注意的.

现在这个电路图表示的是倒相箱的理想情况,也就是不存在任何损耗的状态. 辐射阻Zac后面并联了一只电容Cab,就是箱体的声顺,这是由箱体体积决定的.
Map就是倒箱管的声质量了,它的作用是与那个Cab在特点频率点Fb时发生谐振,那时这个回路的阻抗就很大了,"电流"很小,这样喇叭的速度振幅最小,保护了喇叭.同时造成倒相管的声压达到最大值,Mp后面还有一个变量器是倒相管的面积,用于倒相管向外辐射声压,这里没画出来.这就是倒相箱的工作原理.

 
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来看第二张图, 为简单起见,把Sd之前的电路全部省掉了,只留下箱体电路部分.一般倒相箱都要往里填些吸声材料,这使箱体有一个声吸收,其实呢就算你不加任何吸声材料,箱体也会帮你吸掉一些声的,所以这一部分损失叫吸声损失,用Rab来表示,在阻抗类比图里,它是和箱体顺性Cab串在一条支路上的.

其次就是箱体共振,箱板共振,这个问题是修水村人,也就是老修最感兴趣的问题了,一直发帖讨论的,现在来了. 所有的箱体共振,不良音,箱体杂音都可以归到它身上,我们用Ral来表示,它是作为一条独立支路与Cab并联接地的.

最后就是倒相管的问题,倒相管不是理想的,而是有声阻的,表示为Rap,这个Rap的存在,会使倒相管效率降低,一部分能量也被这个声阻吃掉了.并且最要命的是什么呢,
这个Rap它不是一个常数,它是随着倒相管气流的变化而变化的,这种非线性的行为导致一个后果就是紊流,这种紊流会进一步使倒相管声辐射效率降低,特别是功率越大的时候越明显, 为了改善这一情况,一般都是要把倒相管口径做大一点,并且管口使用喇叭口渐开式.

这三个损耗阻,Rab, Ral, Rap共同作用,导致音箱的能量被损耗掉一部分,把我们的频响特性压下去了,低频性能受到影响,所以如何改善它们,减小这些损耗阻,是音箱设计师一直追求的.特别是Hi-Fi箱,有些损耗,比如箱体共振是越小越好,有些损耗比如吸声损失还不能没有.


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最后谈一下空纸盆音箱,就是被动辐射式音箱. 见最后一个图. 为了避免倒相管那个非线性阻Rp的问题,一个对策就是把倒相管换成空纸盆,这样箱体被封闭了,没有空气跑出去. 所以箱体的电路呢,除了有上面倒相箱的那些,只是倒相管支路上多加了一个空纸盆的顺性Cap而已.但是注意这个Map现在是被动辐射器的振动质量,而不是空气的振动质量了,同时Rap变成了被动辐射器的声阻尼,而不是空气的阻尼了.其它的损失参数,都同倒相箱相同. 空纸盆音箱由于没有空气直接辐射出去,避免了一些气流噪音,但是我们看到它多出来一个电容元件,这个电容元件会和电路里其它元件发生谐振,所以设计难度比倒相箱要大,调试也要困难些. 当然并不是说空纸盆的声学性能就比倒相箱要好,以前讨论过,空纸盆不能取代倒相箱,因为低频效率赶不上. 这里提空纸盆的目的,只是为了让大家多了解一点电声类比.


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前面提到的这些损耗的类比,还不能完全反映一个音箱的全部声损耗,但是已经是一个很好的模型了.如果能根据这些对参数精确计算模拟,那么应该说能够设计出一个非常不错的音箱.

怎么测定, 三种方法.

第一种是直接计算法. 设定物理模型, 手动计算.

第二种测试法. 测试法又分为直接测试与间接测试法.
直接测试法,因为有三个未知损耗参数,不容易测,可采取隔离法单独测试.
具体做法呢,比如先将倒相堵起来,变成一个闭箱.然后闭箱里不加吸声材料,这样Rab=0 (近似)
未知损耗只剩下一个Ral了,这就容易测了.测出Ral后,往箱里填吸声材料,测出Rab.最后再放开倒相管,测出最后一个Rap.

间接测试法,不用分步测. 整个电路里我们只有Rab,Ral,Rap三个未知参数,三个未知数,需要三个方程.改变电路三次状态,就得到三个方程.
联立求解三元方程组得所求结果.

第三种就是公式法,直接找到相应公式就能估算了,这个方法最快,但准确性不能保证,公式可能也有不同版本.

通过测T-S参数可间接算出这三个未知数, T,S两位的论文里都写过,自己去找着看看.比如箱损T-S理论里叫QL, 一般经验取QL=7,
用QL可以直接求出Ral,这两个参数是挂钩的,有关系QL=ωbCabRal, T-S参数可以通过测箱体响应求得.其他两个也有公式,自己去找找.

倒相管与低音单元位置的远近一般认为对声质无影响,电声设计时是不加以考虑的. 这是因为类比时将倒相管看作一个理想的元件,忠实地履行"倒相"任务,实际上并非如此,倒相管内的空气并不是那么听话,老老实实地参与谐振工作,它里面有一部分空气柱是泄露掉的,或者说箱体内的一部分空气漏掉了,这部分泄露掉的空气会消耗掉一部分能量, 与喇叭单元正面辐射声短路. 所以如果模拟的话将它看作一个纯阻Rapl(acoustic port loss),与原有倒相管的支路并联就可以了. 另外箱内空气有泄露,相当于箱体体积略微增大了,所以箱体顺性那里要并上一个电容,表示为Cabi.(Cabi其实存在于任何结构的音箱里,并非仅仅是倒相箱才有,闭箱也有) 实际上任何问题,都可以用电路去模拟,只要往里加减支路元件就可以了.

但是通常的设计对这些并不是太讲究,有些HIFI厂家甚至反其道行之,有意将倒相管离低频单元近一些, 比如有些国外的HIFI小箱子,我记得猛牌音响好像就有,还有KEF? 倒箱管的管口甚至就是低频单体的外缘, 通常这种设计的小箱子,都有低频单元素质好,输出功率大,承受功率大等特点.所以这就是"艺高人胆大". 他的单体素质好,不在乎损失掉的一点点. 反而还给听者留下"箱体结构设计紧凑,低频输出强劲"的好印象. 所以如果遇见这种箱子,通常我们可以判断它的低频喇叭特别好. 但是也不能绝对,万一一个垃圾厂商,知道这个窍门后故意使用这种设计,让倒相管挨着低频喇叭特别近,但是用的喇叭呢特别差.那也把人给骗了.

可见声学设计并非一定要遵循声学原理,关键是总体的平衡与最终的效果. 如果你只有100元,丢了50元,感觉损失很大.但如果你有1000元,丢了50元,就觉得没什么. 声学设计的道理与此同.


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 你讲得对, 那你说说如何模拟这种效应? 电路图该怎么改?

 
 将倒相管堵住,不加吸声材料,目的是使模型简单化,减少太多未知量造成的计算难度.. 假如一个电路里只有一个未知量,比如说某个电阻R不知道,你说应该如何计算? 如果能测出电阻两端的电压V和电阻支路上的电流I, 则R=V/I. 当然这是个简单的比方, 实际的扬声器系统情况比这复杂得多,要把电路进行整理归一, 喇叭还是交流电路. 你可以选择万用表测电压电流要用,也可以选择用用声级计测声压, 两种方法对应的电路要作变换, 然后要用LKC或LKT求解(基尔霍夫电流,电压定律)比如说你选测声压,电路就要化成声学线路, 从音圈往后的那一部分就要变成导纳类比了,这个你应该很熟悉, 导纳类比了,喇叭的振膜往后也是导纳类比,这时箱体顺性就变成电感了,与辐射阻并联,如果箱体有一个箱损,那个箱损(电路里等效为一个电导)应该串在箱体顺性电感上面, 如果喇叭纸盆辐射声压能测出来.辐射阻又知道,那么就能算出体积速度,体积速度就是加在箱顺与箱损上面的,这样箱顺你又知道, 就能解出箱损.

但万变不离其宗,就是要解决电路问题(参考我的帖"真正喇叭开发教程"3楼更新电路内容).  所以电学水平决定求解能力, 需要掌握一系列基本功, 诸如LKC,LKT,节点,回路,变压器,复阻抗,幅值,相角,电路变换,这些基础知识都要熟, 但学声学的在这方面很弱,南大,海大物理系声学科班出身的,这些东西也没怎么深入学过(电磁学学过一些电路知识,但是那些程度太浅),像喇叭纸盆的辐射阻抗,在导纳类比里变成电导纳了,以Y=G+jB的形式出现, 这个Y,再与箱顺电感回路并联, 用声压计测出的声压, 只是是电导G的贡献,中间还差了相位角,所以如果这个不了解计算电路是很容易出错,最后整个都求错了.如果不会电路也可以用Pspice去模拟,但如果对电路了解不深,模拟软件用起来效果也不好.

说到电路的知识也不是几句话就说得清的,这里也不好讲太多.只能提一下,有兴趣的还是要自己去看书. 这些已经算是很深的内容,一般设计音箱,也用不着这样去搞,太精细,我觉得这纯属于在电声方面真正兴趣的可以这么研究一下,如果平时工作时这么做,那也太不值得了,哪家老板出得起这样的工资请这种人才? 我上班的时候,我从来不会这样给老板搞的.也不是做顶级的HiFi箱.一般用LEAP模拟一下就出结果了,速度还快.

如果平时测多了,可以把数据记录起来,实际用时一看就知道差不多那个参数是多少,直接估一个值,然后再根据实际声压测量结果进行修正,也是一种很省力的办法.