音箱駐波改善方法探究

蔡 苗，謝守華

（1.國光電器股份有限公司，廣東 廣州 510800;2.廣東省電聲電子技術(shù)研發(fā)與應用企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510800）

0 引 言

入射波與反射波相互干擾而形成的波形不再推進的波，被稱為駐波。駐波的產(chǎn)生使音箱的響應變差，一般表現(xiàn)為頻響曲線上的峰谷。音箱腔體內(nèi)的駐波影響聲學曲線的平坦度。零部件公差會導致該峰谷的左右漂移，峰谷對應區(qū)域失真異常會在一定程度上影響聽感以及智能語音產(chǎn)品的回音消除效果等。在實際的工作中，大部分聲學工程師經(jīng)常面臨音箱駐波改善的問題?；诖爽F(xiàn)狀，本文針對封閉箱及倒相箱的駐波產(chǎn)生原因及解決方案做了全面的分析，以期為聲學從業(yè)者的工作提供一定參考。

1 封閉箱駐波改善方法

1.1 問題分析

在封閉式揚聲器箱體中，揚聲器振膜前后輻射聲波。箱體內(nèi)部聲波經(jīng)壁面反射后，振幅相同，振動方向一致。傳播方向相反的入射波與反射波疊加之后會形成駐波。該聲波穿過振膜與前面的輻射疊加，表現(xiàn)為揚聲器箱響應的不平坦。

圖1 所示為一款常見封閉式揚聲器箱體，背腔容積約250 ml。產(chǎn)品在實際測試過程當中，在 1.25 kHz 處出現(xiàn)一明顯峰谷，人耳對該頻率聲音較為敏感，所以此處性能需要優(yōu)化。同步測試單元性能，如圖2 所示為單元及箱體頻響測試結(jié)果對比。從測試結(jié)果圖2 來看，可以排除單元原始性能缺陷，初步判斷為箱體內(nèi)部駐波造成。

圖1 封閉箱結(jié)構(gòu)圖

圖2 單元及封閉箱頻響測試結(jié)果

針對此問題，為縮短驗證及優(yōu)化時間，本文采用有限元仿真方法進行探討。如圖3 所示為箱體仿真及測試頻響曲線對比，曲線趨勢基本吻合，在1.25 kHz 處亦存在一明顯谷值。通過圖4 的聲壓云圖可以看到，箱體背腔存在明顯的聲壓反向，此現(xiàn)象為駐波的明顯標志，說明頻響曲線的峰谷由此帶來。

圖3 封閉箱頻響仿真及測試對比

圖4 1.25 kHz 聲壓云圖

對于箱體駐波改善，常見的改善措施為增加吸音棉、利用電子陷波器等，實際使用中各有優(yōu)劣。本文結(jié)合前人經(jīng)驗及理論分析，從箱體結(jié)構(gòu)、吸音棉、赫姆霍茲共鳴器以及反射體4 個方向出發(fā)，用仿真手段驗證其對音箱駐波的改善效果。

1.2 箱體形狀影響

駐波產(chǎn)生的本質(zhì)因素是箱體結(jié)構(gòu)尺寸。從本例結(jié)構(gòu)上分析，出現(xiàn)峰谷頻率f=1.25 kHz，該頻率波長λ=272 mm，箱體為圓柱形，底面圓弧直徑與圓柱體直徑均為68 mm，等于四分之一波長。首先驗證調(diào)整背腔結(jié)構(gòu)對駐波帶來的影響。原始結(jié)構(gòu)如圖5 所示，繪制圖6—圖8 三種結(jié)構(gòu)，分別將底部設計為楔形、凹面、平板三種形狀。

圖5 原始（original）結(jié)構(gòu)

圖6 楔形（Wedge）結(jié)構(gòu)

圖7 凹面（Concavity）結(jié)構(gòu)

圖8 平板（Flat）結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果對比

仿真結(jié)果顯示，不同的底面形狀對此處峰谷有很好的抑制效果，但新設計結(jié)構(gòu)在4 kHz 附近出現(xiàn)新的谷值。該方法一定程度上改善了1.25 kHz峰谷，效果明顯。但設計改變了產(chǎn)品外觀，實際項目中可能無法接受。另外帶來了新的高頻峰谷問題，也需要關(guān)注。

1.3 吸音棉改善法

背腔增加吸音棉是最常見的駐波抑制方法，實際產(chǎn)品性能優(yōu)化中經(jīng)?？梢?。吸聲材料一般為多孔介質(zhì)，聲波通過小孔孔隙時，由于摩擦阻礙，聲能轉(zhuǎn)化為熱能，聲音被吸收。封閉箱內(nèi)填充的吸聲材料可以改變聲順、聲阻及效率等。正確的吸聲材料及填充量、填充位置，可提升效率高達15%。但吸聲材料填充得太多、太緊，會減小箱體的有效容積，Q 值降得過多，亦會導致低音箱模糊而不夠剛 勁有力[1]。

在箱體底部增加不同體積大小的吸音棉，如圖10 所示，驗證不同位置吸音棉的改善效果。吸音棉仿真基于多孔介質(zhì)JCA 聲學模型[2-4]，仿真結(jié)果對比如圖11 所示。

圖10 吸音棉位置

圖11 吸音棉改善法結(jié)果對比

結(jié)果顯示，增加吸音棉對1.25 kHz 峰谷有很好的改善效果，添加不同體積大小的吸聲棉，效果差別不大。但吸音材料在將無效頻帶的聲音吸收的同時也對整個有效頻帶的聲音產(chǎn)生了衰減，從而造成聲壓下降，影響音箱靈敏度。另外在產(chǎn)品制造過程中，增加吸聲棉會增加物料及人工成本，實際使用時，可提前通過仿真手段探尋最佳吸聲材料的用量及位置。

需要指出的是，本例中吸音棉的位置對性能影響不大，但對于其他不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，吸音棉的位置不同可能會產(chǎn)生不同的影響。另外，吸音棉材料不同，對性能亦會有不同的影響。

1.4 赫姆霍茲共鳴器吸聲改善法

赫姆霍茲共鳴器（Helmholtz Resonator，HR）是常見的共振吸聲結(jié)構(gòu)，一般由一個短管+腔體組成，常見結(jié)構(gòu)如圖12 所示。

圖12 赫姆霍茲共鳴器結(jié)構(gòu)圖

共鳴器前段短管內(nèi)的空氣猶如活塞一樣做整體振動，空氣柱Ma做整體振動時，受到管壁摩擦，力阻為Ra。短管內(nèi)空氣柱質(zhì)量為：

式中：ρ0代表空氣密度，ρ0=1.293 kg·m-3，L0代表短管長度，S0代表短管截面積。另外考慮到短管的輻射聲波，需要對短管長度進行修正[2-3]， 如下：

當短管未插入到共鳴器里面時，ΔL=0.73d0；當短管插入到共鳴器里面時，ΔL=0.61d0；沒有短管只有開孔時，，其中d0是短管的直徑。

細管內(nèi)的聲質(zhì)量元件還具有聲阻特性[5-6]，其聲阻由兩方面原因引起。一是媒質(zhì)運動時，管內(nèi)發(fā)生內(nèi)摩擦；二是由于媒質(zhì)運動向管外輻射聲波。細管中的聲阻可由如下公式計算得出：

式中：η是媒質(zhì)的粘滯系數(shù)，常溫空氣中，η=1.83×10-5kg/(m·s-1)。從式（3）可以看出，細管的聲阻與管長、管徑、聲波頻率有關(guān)，管越長，直徑越小，頻率越大，聲阻越大。

另外，腔體里的空氣猶如“空氣彈簧”，受短管內(nèi)空氣運動影響。其彈性系數(shù)為：

彈性系數(shù)與短管的截面積成正比，與共鳴器的體積成反比。截面積越大，體積越小，其值越大。共鳴腔內(nèi)空氣聲容可用式（5）表示：

赫姆霍茲共鳴器的等效電路如圖13 所示。

圖13 等效電路圖

通過上述公式及等效電路圖，可以獲取赫姆霍茲共鳴器的聲阻曲線，針對1.25 kHz 駐波問題，設計不同結(jié)構(gòu)的赫姆霍茲共鳴器（HR），驗證HR對駐波的改善效果。設計的HR 結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 不同HR 設計尺寸表

以上兩款不同尺寸HR 的特征頻率均為 1.25 kHz，其聲阻尼曲線不同，具體如圖14 所示。

圖14 不同結(jié)構(gòu)HR 的聲阻尼曲線

可以看到，腔體尺寸越大，最大聲阻抗值越大，對聲波的吸收越明顯。如下將以上兩款HR 放置在封閉箱內(nèi)不同位置，并行探索相同HR 在不同位置的影響及在HR 出口處增加mesh 調(diào)節(jié)阻尼的影響。設計的3 款HR 如圖15 所示。

圖15 設計的3 款HR 結(jié)構(gòu)圖

HR1 與HR3 結(jié)構(gòu)相同，位置不同；HR2 與HR3 位置相同，結(jié)構(gòu)不同；HR1 與HR1+mesh 結(jié)構(gòu)相同，位置一致，但HR1+mesh 結(jié)構(gòu)在圓孔處增貼mesh 調(diào)節(jié)阻尼。以上不同情況的仿真結(jié)果對比如圖16、圖17 所示。

圖16 不同HR 影響對比

圖17 HR 增加mesh 前后影響對比

可以看到，對比HR1 和HR3，不同位置的HR對聲波的吸收有影響；對比HR2 和HR3，相同位置、不同HR，對聲波的吸收量不同，HR 尺寸越大，聲阻尼曲線越尖銳，對聲波吸收越明顯。HR 出口增加mesh 可降低吸收峰值。

利用HR 物理結(jié)構(gòu)調(diào)整聲學模組的聲學頻率響應特性，不僅僅在于內(nèi)部的駐波處理，也可以破壞中高頻輻射結(jié)構(gòu)的空氣諧振模態(tài)。其對駐波的改善有比較明顯的效果。實際產(chǎn)品可將其與背腔設計為一體，降低物料成本。但是針對不同的模組結(jié)構(gòu)，需要設計不同尺寸的HR；HR 放置的位置也要經(jīng)過提前驗證，尋找最優(yōu)。

1.5 反射體影響

在室內(nèi)聲學設計中，凹曲面的頂棚會產(chǎn)生聲聚焦現(xiàn)象，使反射聲分布不均。常見的避免聲聚焦的方法是在凹面做全頻域吸聲或懸掛擴散反射體，使聲聚焦不能形成[7]。本文借鑒此方法，驗證其在封閉箱體內(nèi)的改善效果。分別繪制兩種結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)中反射體均勻分布于Box 底部，如圖18 所示；第二種結(jié)構(gòu)中隨機設置反射板，結(jié)構(gòu)如圖19 所示。

圖18 反射體均勻分布于Box 底部

圖19 反射板隨機設置

仿真結(jié)果如圖20 所示。

圖20 不同反射體仿真結(jié)果

從以上仿真結(jié)果可以看到，反射體對1.25 kHz處峰谷并無改善，小空間Box 駐波改善應慎用該種方法。但需要說明的是，文章只做了初步的隨機驗證，針對不同結(jié)構(gòu)，不同的反射體設計對駐波的改善是否有正向效果需具體問題具體分析。

2 倒相箱駐波改善方法

2.1 問題分析

倒相式揚聲器系統(tǒng)設計是為了將振膜背面輻射的聲波相位倒轉(zhuǎn)，提高該結(jié)構(gòu)特征頻帶內(nèi)聲能量的利用率。該設計在實際產(chǎn)品中很常見。倒相式箱體中，駐波造成性能曲線峰谷的問題亦普遍存在。

倒相式系統(tǒng)的波源在一個開口端發(fā)生振動產(chǎn)生入射波，入射波傳播到另一個開口端時發(fā)生反射，入射波和反射波疊加形成駐波。文章以如下產(chǎn)品為例，探索倒相式揚聲器箱體駐波改善方法，箱體結(jié)構(gòu)如圖21 所示。該產(chǎn)品在700～800 Hz 處存在明顯峰谷，箱體測試及仿真曲線對比如圖22所示。可以看到，仿真和測試均在700～800 Hz 處出現(xiàn)明顯峰谷。

圖21 倒相箱結(jié)構(gòu)圖

圖22 倒相式箱體仿真及測試曲線

仿真聲壓云圖如圖23、圖24 所示，圖中顯示倒相管內(nèi)聲壓與箱體內(nèi)聲壓反向。

圖23 710 Hz 聲壓云圖

圖24 800 Hz 聲壓云圖

基于此，文章驗證封閉倒相管出口、取消倒相式設計，該處峰谷是否消失。為簡化計算，僅仿真200 Hz～5 kHz 頻帶。仿真結(jié)果如圖25 所示。

圖25 有無倒相管仿真對比

上述結(jié)果顯示，對比倒相式結(jié)構(gòu)，封閉式箱體峰谷略小，但依然存在。仿真聲壓云圖結(jié)果如圖26、圖27 所示，腔內(nèi)存在明顯聲壓正反向，說明此處峰谷由駐波帶來。

圖26 710 Hz 聲壓云圖

圖27 800 Hz 聲壓云圖

2.2 改善方法

針對倒相式系統(tǒng)，本文僅從吸音棉及赫姆霍茲共鳴器兩個方向探究其駐波改善效果。該產(chǎn)品實際改善使用吸音棉，可以達到很好的效果，測試對比曲線如圖28 所示。

圖28 有無吸音棉測試曲線對比

倒相箱部分，文章對吸音棉改善方法不再贅述。主要介紹赫姆霍茲共鳴器改善法，根據(jù)箱體所能放置的體積，分別設計兩款HR，尺寸如表2 所示。

表2 HR 設計尺寸表

HR 位置結(jié)構(gòu)如圖29 所示，仿真結(jié)果如圖30所示。

圖29 HR 位置圖

圖30 有無HR 仿真結(jié)果對比

由于腔體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)限制，本文未做過多嘗試，僅設計兩款用以對比。仿真時，將HR 放置于喇叭單元背部。仿真結(jié)果顯示，HR 對該處峰谷起到了明顯的抑制作用，聲壓云圖如圖31 顯示， 710 Hz 頻率波被HR 有效吸收。另外，與封閉箱效果類似，HR 的尺寸越大，吸收效果越好。但對于赫姆霍茲共鳴器來說并不是越大越好，首先要評估背腔結(jié)構(gòu)是否有足夠余量，另外，過大的HR，吸收太過明顯，可能導致出現(xiàn)額外峰谷。所以使用該方法時，需要根據(jù)實際產(chǎn)品進行優(yōu)化設計。

圖31 增加HR 后仿真聲壓云圖

最后，為驗證HR 的實際效果，筆者對HR2 做了實際打樣測試分析。如圖32、圖33 所示為HR2實際打樣的測試效果。從測試數(shù)據(jù)對比來看，本次打樣的HR2 對聲壓級的峰谷有一定抑制，但沒有吸音棉的效果顯著。從失真曲線上來看，對失真約有2%的降低，比較明顯，說明HR 的基本吸收工作頻率準確。不過限于本次樣品結(jié)構(gòu)限制，筆者未做進一步的HR 優(yōu)化，但可以給出的方向是，設計更大聲阻抗值的HR，對此處駐波抑制會更加有利。

圖32 不同改善方法的頻響測試結(jié)果對比

圖33 不同改善方法的失真測試結(jié)果對比

3 結(jié) 語

本文系統(tǒng)探討了封閉箱、倒相箱的駐波抑制方法。對于封閉箱，探討了結(jié)構(gòu)、吸音棉、赫姆霍茲共鳴器以及反射體四種方法。結(jié)構(gòu)調(diào)整可以達到很好的駐波抑制效果，但在實際產(chǎn)品設計過程中，外觀更改可能不會被接受；吸音棉是比較常見的抑制駐波的方法，但吸音材料吸水性、耐候的時效性會影響產(chǎn)品的品質(zhì)，而且該方法需額外增加人力物料成本；赫姆霍茲共鳴器可以達到很好的效果，后續(xù)項目可以嘗試；對于反射體，雖本文嘗試的兩種反射體結(jié)構(gòu)對駐波抑制效果不佳，但反射體的尺度、結(jié)構(gòu)對該頻率的峰谷有明顯影響，其他產(chǎn)品改善中也可再作嘗試。對于倒相箱，吸音棉依然可以起到較佳的效果，赫姆霍茲共鳴器亦能夠在一定程度上起到改善作用。

對于不同方法的優(yōu)缺點，例如吸收效果、耐候性、頻率選擇性，成本等方面是否可以提前量化，赫姆霍茲共鳴器吸收效果與駐波強度是否存在量化關(guān)系等問題，筆者后續(xù)會持續(xù)關(guān)注。

總的來說，在實際揚聲器箱體駐波改善中，聲學工程師需要根據(jù)實際情況選取最優(yōu)的辦法，綜合考慮實現(xiàn)的可行性、人工物料成本及效果是否最優(yōu)等。另外，通過仿真手段提前探索，可大大減少這一優(yōu)化過程的時間成本。