音箱為什么要有“箱”?(圖1)

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作者:Markus Sheng。家庭影院音箱,Hi-Fi音箱,藍牙音箱,監聽音箱,有源音箱,無源音箱……作為日常生活中非常常見的音頻娛樂設備,你有沒有想過,為什么大部分情況下制造商要把喇叭封閉在一個箱子里呢? www.jokopic.com

如果喇叭自由的飛翔……假設一個揚聲器單元,自由懸浮在空氣中,當它的振膜在音圈的驅動下振動,這時候振膜前后兩側的空氣壓力會發生如下的變化: 轉自老蝸牛家庭影院博客

 

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音箱為什么要有“箱”?(圖2)

 

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質量短路示意圖 hdav.com.cn

設振膜初始運動方向向右,則在其開始運動后的很短的一段時間內,振膜右側的會形成正壓區域,左側相應的是負壓區域。兩側的空氣分子因為振膜的做功開始在各自平衡位置附近振動,聲音產生了。目前位置一切都很美好,但且慢……由于兩側區域之間忽略振膜本身的面積并沒有任何阻隔,空氣會自發的從高壓區向低壓區移動,壓力會在很短的時間內再次平衡。這種現象叫做“質量短路(Massenkurzschluss)”。其結果定性的來講就是降低了聲壓。 http://www.jokopic.com/play-hometheater/4897.html

2. 更科學的來講…… http://www.jokopic.com/play-hometheater/4897.html

上述的場景如果再進一步抽象,就可以得到一個在應用聲學中很有用的理論模型:雙極(Dipole)振動。它描述了兩個相距一定距離,相干但相位相反的點聲源形成的聲場。

省略掉各種燒腦的數學推導,通過這個模型可以得到的結論是,在這種振動模式下,低頻的聲壓會被大大削弱。

這里有兩個關鍵詞需要注意:

第一是低頻。什么樣的頻率在這個模型中算是低頻?這個是由兩個點聲源的間距定

義的:

h?λ這里h即為兩個點聲源的間距,λ為波長。將這個不等式稍微變形:

h?λ=c/f⇒f?c/h

c為空氣中聲速,假設上述正負壓區域相隔1cm,則這個低頻上限為:

f?340m/s0.01m=34.3kHz

也就是說,整個人類聽力頻率范圍都屬于“低頻”了。

第二是削弱。削弱的程度是多少?可以按照下列等式來估算:

pfar,dipole≈−jkhp1sinϑN波數k:波數,k=2πfc假設單個點聲源在同一測量點的聲壓p1:假設單個點聲源在同一測量點的聲壓測量點方位角的余角ϑN:測量點方位角的余角

例如帶入f=100 Hz, h=0.01m試算一下振膜正前方( ϑN=90° )雙極模型和單個點聲源的聲壓比例:

|pfar,dipolep1|=kh≈0.0183或

Lp=20lg(kh)=−34.74dB

可以看到質量短路對于低頻的影響確實巨大。

另外一個附帶的影響是聲源平面的聲壓分布,即指向性。雙極模型呈現的典型指向性是8字形,而單點聲源一般是全指向,這個就不詳細展開了。

3. 具體到揚聲器……

從上面的分析可以得出結論,為了在振膜的一側得到更高的聲壓級,必須盡量避免質量短路,因為揚聲器振膜產生的正壓和負壓區域總歸是工作在Dipole模式。一個簡單粗暴的方法,就是把正壓和負壓區域完全隔離開來,即用所謂的Infinitive Baffle分割振膜前后的空間:

 

音箱為什么要有“箱”?(圖3)

 

無限障板劃分正壓負壓區截面示意圖

而現實中沒有面積無限的障板,自然而然就會使用箱子這個結構來避免質量短路。

從下圖的數值模擬的結果來看,采用Infinitive Baffle,部分Baffle以及完全沒有Baffle所產生的聲壓級差異是顯而易見的。

 

音箱為什么要有“箱”?(圖4)

 

揚聲器單元安裝于無限障板,部分障板和無障板的聲壓級對比

總結:把喇叭關到盒子里,就是為了讓你聽到的聲音,尤其是低頻更響!另一方面也提高了音箱作為整個系統的電-聲轉換效率。至于通過調節箱體的體積和形狀來獲得不同的低頻響應,采用低頻反射管結構或者被動振膜結構進一步調整音箱的頻響曲線,那是另外一個故事了。

參考文獻:

Möser, Michael (2012): Technische Akustik. Berlin: Springer Vieweg.