當(dāng)音樂響起時，你想知道揚聲器背后的秘密嗎

文_編輯部

關(guān)于揚聲器的基本知識

揚聲器是音響系統(tǒng)里面最常見的部件，屬于最終回放聲音的部件，也是決定最終聲音效果最關(guān)鍵的部件。它是一種將電能轉(zhuǎn)換為聲音的換能器，你能從手機、平板、電視機或各種音響系統(tǒng)中聽到節(jié)目源的聲音都是它們的功勞。如果你在網(wǎng)上搜索揚聲器的關(guān)鍵字就會出現(xiàn)各種各樣外形，不同類型的揚聲器圖片，雖然它們的樣子長得都不一樣，但都是通過驅(qū)動空氣，使空氣分子的疏密程度發(fā)生變化，再傳遞到我們的耳朵里面讓我們感知到聲音。由于揚聲器的類型實在太多，且應(yīng)用廣泛、涉及面甚廣。因此，我們把話題定位到高保真音箱當(dāng)中最常用的球頂揚聲器和錐形揚聲器里面。為什么要選擇這兩種類型揚聲器？因為它們倆都是目前在技術(shù)上非常成熟，且大量生產(chǎn)的揚聲器。如果大家在聽音樂的時候，觀察一下音箱上面的揚聲器就會發(fā)現(xiàn)，高音揚聲器的口徑都比較小，而低音揚聲器的口徑都比較大，高音揚聲器的口徑又這么小，這是為什么呢？還有為什么要用硬度高的振膜呢？為什么要在振膜上有一圈圈的環(huán)狀物？到底揚聲器在發(fā)聲的背后隱藏著什么秘密呢？如果你是一名專業(yè)人士，那么這些內(nèi)容就未免太簡單的，可以忽略。但如果你是一名影音小白，那么請閱讀本次專題，你就能了解到一些關(guān)于揚聲器的基本知識。

本次專題主要內(nèi)容包括：

第一、基本原理，結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換過程

第二、球頂揚聲器與錐盆揚聲器一直占據(jù)著主導(dǎo)地位

第三、錐形揚聲器

第四、為什么口徑大的揚聲器有利于低頻回放

第五、為什么口徑越小的揚聲器越有利于高頻回放

第六、振膜的幾何形狀對錐盆揚聲器在高頻重放的影響

第七、球頂揚聲器

第八、揚聲器的振膜在振動時會發(fā)生什么情況

第九、揚聲器的行程范圍

第十、揚聲器的失真

第十一、發(fā)燒友為什么要追求大口徑的低音揚聲器

基本原理，結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換過程

球頂揚聲器和錐形揚聲器都屬于電動式揚聲器。電動式揚聲器的原理就是把線圈放在磁場里，再接入交流電，線圈就會在磁場里產(chǎn)生前后往返運動。至于為什么會產(chǎn)生前后往返運動，請自行翻閱中學(xué)物理課本里面的“左手定則”和“右手定則”。當(dāng)然，真正的揚聲器還會復(fù)雜一點，還有磁鐵、導(dǎo)磁板、支架（也叫盆架）、振膜（也叫音盆）、折環(huán)（用于連接振膜與音盆）、定心支片（也稱彈波）等零部件。

剛剛說到揚聲器是將電能轉(zhuǎn)化為聲音的換能器，而且也說到在一個通入交流電的線圈在磁場中做前后往返運動。其實揚聲器從電能轉(zhuǎn)換為聲音的過程當(dāng)中必須經(jīng)歷電能 → 機械能 → 聲音的轉(zhuǎn)換。也就是說，將電先轉(zhuǎn)化為機械運動，然后由音圈帶動振膜驅(qū)動空氣，當(dāng)然還有一部分能量是因為線圈通電發(fā)熱產(chǎn)生熱量給消耗掉。

球頂揚聲器與錐盆揚聲器一直占據(jù)著主導(dǎo)地位

球頂揚聲器與錐盆揚聲器出現(xiàn)以來一直占據(jù)了主導(dǎo)地位，即使這么多年以來，人類不斷地開發(fā)出各種新型的揚聲器，但依舊沒有對它們的主導(dǎo)地位造成動搖。其原因是它們的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)容易，本身不需要很大的空間，可以大量生產(chǎn)。而且它們在揚聲器多年的發(fā)展史上也在不斷被改進，包括從材料、工藝、磁路等方面，性能可謂與時俱進。因而，不難發(fā)現(xiàn)在音箱里面，絕大多數(shù)都是采用球頂揚聲器與錐盆揚聲器。

球頂揚聲器通常用于高頻，而少數(shù)用于中頻播放，因為制作難度相對較大，例如，英國ATC、Volt，臺灣TB Speaker就有球頂式的中音揚聲器，也就是發(fā)燒友俗稱的“饅頭中音”，而錐形揚聲器多用于中頻，低頻和超低頻重放，也有用于全頻聲音重放錐形揚聲器。

錐形揚聲器

錐形揚聲器是歷史最悠久的電動式揚聲器之一，于 1925年由Edward W.Kellogg和Chester W.Rice獲得專利，美國專利號為1,707,570。錐形揚聲器來自英文“Cone Speaker”，因為振膜的幾何形狀為圓錐形而得名。

錐形揚聲器的結(jié)構(gòu)可以分為三個部分：

1.振動系統(tǒng)部分：包括振膜、音圈、定心支片、防塵罩等；

2.磁路系統(tǒng)部分：包括導(dǎo)磁板、導(dǎo)磁柱、磁體等；

3.輔助系統(tǒng)部分：包括盆架、壓邊、接線端子、相位塞等；

錐形揚聲器在國內(nèi)以前也有人稱它為紙盆揚聲器，因為我們那時候經(jīng)常接觸到的錐形揚聲器，其振膜主要采用紙張制作而成，這實際上是一種誤解。盡管當(dāng)今的錐形揚聲器的振膜依然有采用紙制造，像專業(yè)音響里面的中音揚聲器、低音揚聲器的振膜通常都是紙盆。但同時也出現(xiàn)了其他材料（如金屬材質(zhì)、高分子材料）制作的振膜，這類錐形揚聲器大多數(shù)應(yīng)用在家用音響領(lǐng)域。

因為錐形揚聲器多用于中頻、低頻和超低頻重放，所以它們的振膜口徑都比較大，常見的有4英寸、6.5英寸、8英寸、10英寸、12英寸等等，甚至還有口徑更大的錐形揚聲器，例如，Ascendo的SMSG50超低音音箱，振膜的口徑達到50英寸！因此，振膜的口徑越大，意味著錐形揚聲器的有效驅(qū)動空氣面積越大，能驅(qū)動更大量的空氣，而且振膜的口徑越大，可以發(fā)出頻率更低的聲音，但同時也需要更大的功率驅(qū)動。

為什么口徑大的揚聲器有利于低頻回放？

我記得去年曾經(jīng)做過一期關(guān)于超低音音箱的專題里面就已經(jīng)解釋過這個問題。但時間已經(jīng)過去那么久了，現(xiàn)在再給大家復(fù)習(xí)一下。一個揚聲器能重播到多低的頻率取決于它的共振頻率f0，而f0又由什么來決定的呢？

如左面的關(guān)系式，共振頻率f0主要受振動系統(tǒng)的等效質(zhì)量（m_0）和振動系統(tǒng)的彈性系數(shù)（S_0）所影響。其中，等效質(zhì)量就是音盆（包括防塵帽），音圈的質(zhì)量和因為震動帶動的喇叭兩側(cè)的空氣質(zhì)量之和。系統(tǒng)的彈性系數(shù)（S_0）就是力順（CMY）的倒數(shù)。力順（CMY）受彈波（又稱“定心支片”）和折環(huán)所影響，彈波和折環(huán)越柔軟，會有較高的力順，共振頻率會降低，低頻重播下限更低。

如此一來，加大振動系統(tǒng)的等效質(zhì)量（m_0），減少彈性系數(shù)（S_0）（相當(dāng)于增大力順），那么就可以讓共振頻率（f0）往更低的頻率下移，而增大音盆的口徑，相當(dāng)于增加振動系統(tǒng)質(zhì)量，又或者使用較為柔軟的折邊和彈波都能實現(xiàn)更低的共振頻率（f0），那么就代表著這低音揚聲器能重放出更低的頻率。雖然找到解決問題的方式，但總不可能無限制地增加音盆的口徑，或使用非常柔軟的彈波和折邊，兩者之間需要獲得一個平衡點。

為什么口徑越小的揚聲器越有利于高頻回放？

高頻重播上限是取決于高頻諧振頻率f_h ，當(dāng)重播頻率高于此頻率時聲壓級就會急劇下降。那么f_h由什么來決定的呢？下面同樣以錐盆揚聲器為例說明，再來看以下一組公式。

在公式里面，m1是音圈質(zhì)量，m2是振膜質(zhì)量，Sn是音圈根部勁度。由此可見，降低音圈和振膜質(zhì)量，f_h值就會越高，高頻重播上限越高。因此，越輕，口徑越小的振膜和音圈就有利于高頻的回放，這也是高頻揚聲器的口徑都很小的原因。

由此可以知道，口徑越大對低頻重播有利，但高頻重播的兼顧性變差，相反能保證高頻重播就無法保證低頻重播，這就是矛盾，僅僅靠一只揚聲器是無法很好地兼顧高頻與低頻，所以在音箱設(shè)計上通常都會采用多路分頻方式設(shè)計，且越貴的音箱往往會采用三分頻、四分頻，甚至五分頻，每只揚聲器只負(fù)責(zé)一小部分頻率的回放，從而更好地兼顧高頻和低頻重播。

振膜的幾何形狀對錐盆揚聲器在高頻重放的影響

如果你再細(xì)心地觀察還會發(fā)現(xiàn)，不同錐盆揚聲器的振膜幾何形狀也有差異，有直線形振膜，拋物線振膜和指數(shù)形振膜，這三種不同的幾何形狀對揚聲器的性能產(chǎn)生什么影響呢？答案是高頻重播性能。經(jīng)過大量的分析和實驗可以得到這樣一個答案，指數(shù)形振膜更有利于高頻重播，且高頻重播性能最平滑，因此這種指數(shù)形幾何形狀的振膜在全頻揚聲器里面較為常用，而直線形振膜和拋物線形振膜就常用于中音揚聲器和低音揚聲器。

球頂揚聲器

球頂揚聲器來自英文“Dome Speaker”，因為它的振膜是幾何形狀是往外面凸出的半球形而得名。由于常用于高頻重播，所以球頂揚聲器的振膜口徑很小，最常見是1英寸或1.5英寸，材質(zhì)都選用質(zhì)量輕的材料，而且還根據(jù)材料選用有“軟球頂揚聲器”和“硬球頂揚聲器”之分。軟球頂揚聲器的振膜通常是絲、麻等纖維類等軟性的材料制作，通常還會在振膜上涂上一層涂料。硬球頂揚聲器的振膜通常用金屬材料制作，如鈹、鈦等金屬制造，也有使用碳化硼、人造鉆石等合成材料制作。

球頂揚聲器的振膜除了往外凸出，還有往內(nèi)凹的半球頂揚聲器，也叫“反球頂揚聲器”。這種球頂揚聲器比較少。其中，法國FOCAL設(shè)計的高音單元就是“反球頂揚聲器”。這種球頂揚聲器可以安裝定心支片作為雙重支撐（定心支片+折環(huán)），這樣可以提高振膜運動時的穩(wěn)定性。

另外，專業(yè)音箱里面使用的壓縮驅(qū)動頭，有相當(dāng)一部分產(chǎn)品的內(nèi)部的振膜也是半球形振膜，只不過它的振膜安裝在壓縮腔體里面，我們平時看不到而已。壓縮驅(qū)動器振膜的口徑有1英寸，也有1.5英寸，而且還有更大的3英寸，甚至4英寸。壓縮驅(qū)動器在使用時需要配合號角擴散器一起，這種組合比上述的球頂揚聲器具備更高的效率，能輸出更大的聲壓級來滿足擴聲要求。同樣地，也有廠家在球頂揚聲器前方安裝一個號角擴散器，主要目的是為了控制聲音的指向性。

分割振動會讓振膜產(chǎn)生不規(guī)則的變形，導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)不平坦

揚聲器的振膜在振動時會發(fā)生什么情況？

我們用音響聽音樂時會看到揚聲器的振膜在振動，而且通過肉眼觀察，你看到的情況是整個振膜往前往后移動。事實上是這樣嗎？很顯然地，不是！振膜在前后運動時會發(fā)生什么事情？

首先是分割振動，以錐盆揚聲器而言，它的音圈位于振膜的中心位置。當(dāng)重播頻率不斷上升，振動速度加快的時候就會出現(xiàn)分割振動。簡單說，振膜振動并不是整個膜都在做前后運動，而是不規(guī)則的振動，使得振膜的局部區(qū)域產(chǎn)生反相驅(qū)動空氣，使得頻響曲線產(chǎn)生顛簸；又或者振膜的中心部分振動幅度最大，邊緣部分幾乎沒有振動。因此，使用錐形揚聲器在播放高頻時，而且播放頻率越高，高頻會越往中心發(fā)出。錐盆揚聲器減少分割振動的手段通常都在振膜上做文章。比如，你看到JBL的大口徑低音揚聲器的紙盆振膜上有一圈圈環(huán)狀造型的紋理，目的就是降低分割振動。另外，也有使用硬度更高的碳纖或者三明治結(jié)構(gòu)作為振膜。

如果是半球型揚聲器，因為音圈位于振膜外圍。當(dāng)它產(chǎn)生分割振動時，往往振膜的邊緣在振動，中心部分幾乎不動，或者不均勻地變形。于是，為了減少這些分割振動，廠家都會在振膜的材質(zhì)或者表面處理做處理。以半球形揚聲器而言，最常見的做法就是采用又輕又硬，聲速快的材料。例如，在去年寫的“只為更好的聲音！回顧那些瘋狂的音響設(shè)計”專題里面提到的鈹、鉆石、碳化硼這類高硬度、高聲速的材質(zhì)作為高音，甚至中音揚聲器的振膜，我們稱之為“硬球頂”，目的就是為了降低分割振動。而對于使用軟性的絲膜材料制作的“軟球頂”，通常都采用加固手段。例如，YG Acoustics的在高音揚聲器的振膜加上一個鋁合金支架來支撐，起到加固作用。

采用硬度高，聲速快的鈹金屬作為振膜可以減少分割振動

低音揚聲器振膜上一環(huán)一環(huán)的形狀也是為了減少分割振動

揚聲器的行程范圍

當(dāng)揚聲器的音圈帶動振膜往前，往后運動的過程當(dāng)中會形成一定長度的前后位移，這就是行程。而行程范圍與揚聲器重播聲音的頻率和輸出聲壓有直接的關(guān)系，輸出聲壓越大，重播頻率越低，揚聲器就需要做更大的行程范圍，反之越少。低音揚聲器因為重播頻率低，行程范圍最大，尤其是你聽交響樂、聽打鼓、聽流行音樂時，肉眼能看到低音揚聲器的振膜在振動。但高音揚聲器由于重放頻率高，行程范圍極短，即使是大聲壓輸出狀態(tài)下，肉眼就看不到它的振動。但行程范圍不是無限大，最終受揚聲器自身所限制，這個限制范圍就是揚聲器的行程范圍，或者說最大行程范圍。通常地，揚聲器的最大行程范圍用“±”+ 數(shù)字+ 長度單位進行標(biāo)識。其中，“±”代表音圈從中央位置往前（或往后）的單方向位移，長度單位通常是毫米（mm）。例如，一只喇叭的最大行程范圍標(biāo)識為“±3mm”，那么它的單方向最大行程范圍就是3mm，前后加起來是6mm。

除了最大行程范圍，揚聲器還有一個線性行程范圍的參數(shù)（Xma x）。到底兩者有什么區(qū)別呢？線性行程范圍意思就是告訴你，揚聲器在這個行程范圍內(nèi)可以保證較低的失真，可以保證很好的音質(zhì)，而一旦超出線性行程范圍就會出現(xiàn)非線性失真，音質(zhì)開始劣化，當(dāng)行程進一步加大時，非線性失真進一步加大，音質(zhì)進一步劣化，如果超過最大行程范圍時音圈會觸碰到磁體底部，此時你會聽到揚聲器里傳出“啪”一聲，這就是俗稱的“打底”，嚴(yán)重時會對揚聲器造成損壞。

揚聲器的失真

在上文中我們提及到揚聲器的非線性失真，為什么會產(chǎn)生非線性失真呢？在文章的開頭就說到，揚聲器的音圈在交流電的作用下在磁場里運動。事實上，揚聲器磁路部分的磁場本身存在均勻區(qū)和非均勻區(qū)。當(dāng)音圈在磁場的均勻區(qū)做位移時，揚聲器就可以保證在低失真的狀態(tài)，一旦音圈的位移超過磁場的均勻區(qū)時就會出現(xiàn)非線性失真。與此同時，支撐材料也會引起非線性失真，支撐材料包括定心支片（球頂揚聲器大部分沒有定心支片）和折環(huán)。因此要改善揚聲器的非線性失真，還是先從磁路、音圈、折邊、定心支片等以及其他零部件上做優(yōu)化。

非線性失真是衡量揚聲器性能優(yōu)劣的重要參數(shù)之一。說到這里你就會明白一個道理，除非你的揚聲器性能非常厲害，否則在聽音樂的時候就要注意音量，不要老是調(diào)大音量來聽，也不要用聽那些具備變態(tài)的低頻音效的音樂來折磨你的揚聲器，這樣就可以避免揚聲器的非線性失真，也避免其他不必要的，不可控的情況發(fā)生。

除了非線性失真外，揚聲器本身還會存在其他失真。例如，互調(diào)失真。由于揚聲器在播放音樂的時候是一個復(fù)雜信號，不同信號加載到揚聲器上面播放時，不同信號之間也會相互調(diào)制而引起互調(diào)失真。瞬態(tài)失真。一個完美的，理想的揚聲器，它的振動系統(tǒng)必須完全跟隨輸入信號的變化而變化。換一種表達方式就是，要求揚聲器具備迅雷不及掩耳之勢，對音樂能快速作出反應(yīng)，起始和停止都能瞬間完成。而事實上，這世界上沒有一款揚聲器能滿足這樣的性能，這就是揚聲器的瞬態(tài)失真。

說到揚聲器的失真，以上只是少部分，真正要討論失真這個話題，那是一個很復(fù)雜的話題，還是留給電聲工程師去衡量吧！

揚聲器的總諧波失真曲線，從高頻到低頻所呈現(xiàn)的曲線是非線性變化的

a是對揚聲器輸入的脈沖信號 b是揚聲器輸出的脈沖響應(yīng)

發(fā)燒友為什么要追求大口徑的低音揚聲器？

“小口徑喇叭的低音假，大口徑喇叭的低音寬松自然”這是音響發(fā)燒友常常掛在嘴邊的一句話，久而久之已經(jīng)成為了發(fā)燒圈子里面的金科玉律。到底為什么發(fā)燒友要追求大口徑的低音揚聲器呢？

假如一只6.5英寸的揚聲器與一只15英寸的揚聲器同樣重播50Hz的頻率，聲壓級要達到90dB，由于6.5英寸口徑的揚聲器由于驅(qū)動空氣的有效面積比較小，需要做更長的行程才能驅(qū)動足夠的空氣量來達到所需聲壓級，但一來一回的行程長了就容易產(chǎn)生非線性失真，而且瞬態(tài)響應(yīng)也會變慢，所以低音聽起來能量大，但缺乏質(zhì)感，缺乏清晰度，這就是聽感上覺得很假，不干凈的原因。如果用音頻分析儀去測量揚聲器的失真，測試數(shù)據(jù)顯示20%，甚至達到50%都是很正常的。

對于15英寸的揚聲器，由于驅(qū)動空氣的有效面積比6.5英寸的揚聲器要大，相比之下只需要更小的行程就能驅(qū)動與6.5英寸口徑揚聲器相同的空氣量，更小的行程意味著非線性失真更低，瞬態(tài)響應(yīng)也更好，所以低音聽起來干凈，寬松自然，能量充沛。所以說，要播放低音，低音揚聲器必定是“一寸大，一寸強”。這就是為什么發(fā)燒友玩音響追求大口徑低音揚聲器的原因了。

當(dāng)然，要控制好低音揚聲器的失真，除了揚聲器自身的性能外，與電子線路之間的配合也是非常重要。通常都會使用反饋修正的方式來降低失真。例如，低音揚聲器的音圈上有兩組線圈，一組是放大器驅(qū)動，另一組是反饋線圈，把信號反饋到放大器輸入端做對比，最后作出修正，還有利用加速度傳感器檢測振膜的運動狀態(tài)，把信號反饋到放大器的輸入端做對比，再作出修正，有關(guān)于這些內(nèi)容，我們在去年的“八仙過海，各顯神通，淺談常見的幾種低音炮設(shè)計”專題里面就有相關(guān)內(nèi)容。

總結(jié)：

關(guān)于揚聲器的知識，以上的內(nèi)容只能算是皮毛，如果你想了解更多關(guān)于揚聲器的知識，我們建議大家還是購買相關(guān)的專業(yè)書籍繼續(xù)學(xué)習(xí)。對于揚聲器而言，你必須知道的是，這世界上沒有一個完美的揚聲器，而且揚聲器本身就是個矛盾體，而且解決了一個問題，又會有新的問題出現(xiàn)。例如，口徑大的有利于低頻重播，口徑小的卻有利于高頻重播，所以一只揚聲器是無法很好地兼顧全頻重播。于是，科學(xué)家們又想出了多路分頻，多只揚聲器設(shè)計來實現(xiàn)全頻回放，這又牽涉到分頻器的設(shè)計問題，如此一來又增加了設(shè)計難度。而人類在多年來為了提高揚聲器的性能，給消費者帶來優(yōu)質(zhì)的聽覺體驗也是費盡了心思。

另外，揚聲器也是一套音響器材當(dāng)中失真最大的部件。盡管驅(qū)動揚聲器的功放可以實現(xiàn)非常低的失真（如總諧波失真可以低到小數(shù)點后3位數(shù)），但對于有一只揚聲器，假如在特定的頻響范圍內(nèi)，輸出聲壓90dB，總諧波失真達到0.5%已經(jīng)屬于非常優(yōu)秀的產(chǎn)品，這相比起功放、甚至播放器來說，揚聲器絕對屬于失真最大的部件。如果你是一名發(fā)燒友，我們建議你在選購音響系統(tǒng)的時候，必須在自己的預(yù)算范圍里選擇一款好的音箱，而且在選購之前必須多試聽，多對比，在價位接近的產(chǎn)品里面對比，哪個音箱能給你帶來更清晰干凈，細(xì)節(jié)更豐富的聲音，那么它就是你的最佳選擇。