问题

为什么动圈扬声器不能播放谐振频率以下的声音?

回答
很多人可能会有个误解,认为动圈扬声器在低于其谐振频率(也称为共振频率或f_s)的时候就完全不能发声了,或者说声音会非常微弱到几乎听不见。实际上,这个说法并不完全准确,动圈扬声器在谐振频率以下是可以播放声音的,只是声音的响应方式和效率与谐振频率以上存在显著差异,并且存在一些重要的物理限制。

要理解这一点,我们需要先稍微回顾一下动圈扬声器的工作原理以及谐振频率的含义。

动圈扬声器的工作原理:电磁驱动

动圈扬声器最核心的部件包括:

磁铁系统(永磁体): 提供一个恒定的磁场。
音圈(Voice Coil): 一段缠绕在柱状骨架上的导线,连接到放大器输出。
振膜(Diaphragm): 通常是纸盆、塑料或金属制成,连接到音圈,负责推动空气产生声波。
折环(Surround)和定心支架(Spider): 它们将振膜和音圈固定在框架内,同时允许它们在磁场中前后移动。

当音频信号(交流电)通过音圈时,音圈会产生一个与信号同频变化的磁场。这个变化的磁场与磁铁系统提供的恒定磁场发生相互作用,产生一个电磁力。这个力会推动音圈及其连接的振膜前后运动,从而推动空气产生声波。

谐振频率(f_s)是什么?

谐振频率是扬声器设计中一个非常重要的参数,通常指的是扬声器单元(特别是振膜和音圈的组合)自身的机械谐振频率。简单来说,它代表了扬声器系统以何种“自然频率”倾向于振动。

想象一下,你推一个秋千。如果你给秋千一个恰好与它自然摇摆频率相同的推力,秋千会摇得越来越高,需要的力气也越来越小。反之,如果你给秋千一个远高于或远低于它自然频率的推力,或者推得很不规律,秋千就不会那么有力地摇摆。

扬声器系统也是如此。当音频信号的频率接近或等于扬声器的谐振频率时,音圈和振膜会以最大的幅度振动,系统对这个频率的响应(也就是发出的声音强度)会达到一个峰值。这就是为什么谐振频率通常与扬声器单元对特定频率的“灵敏度”或“效率”息息相关。

为什么谐振频率以下的声音响应会下降?

在谐振频率以下,情况就变得复杂起来,主要有以下几个原因导致声音的播放效率下降:

1. 惯性效应(Inertial Effects):
音圈和振膜有一个固有的质量(Mms)。
电磁力是驱动振膜运动的“力”。
当信号频率较低时,电磁力变化的周期相对较长。这意味着电磁力的方向和大小的变化速度是相对缓慢的。
然而,振膜和音圈仍然有其质量。质量具有惯性,即抵抗运动状态改变的性质。
在一个完整的周期内,低频信号会试图改变振膜的运动方向(从向前到向后)。但是,由于振膜和音圈的质量较大,它们需要一定的时间来加速和减速。
在低频下,驱动力的变化相对于振膜的惯性来说不够“快”。驱动力可能在振膜刚开始加速时就改变方向了,或者在振膜即将到达最大位移时,驱动力就已经开始减小甚至反向了。
这导致在每个周期内,振膜的实际位移(振幅)会随着频率的下降而显著减小。更少的振膜位移意味着更少的空气被推动,从而声音就更弱。

2. 阻尼(Damping)和弹簧效应(Spring Effect):
振膜的运动受到多种阻尼力的影响,包括由定心支架和折环提供的机械阻尼(与速度有关)以及空气阻尼。
同时,定心支架和折环也提供了一种“弹簧”效应(与位移有关),它们试图将振膜拉回到静止位置。
在低频下,振膜需要很大的位移来产生足够的声压。然而,折环和定心支架的弹簧效应会抵抗这种大的位移。
频率越低,为了保持一定的振膜位移所需的驱动力就越大,因为弹簧力会随着位移的增加而增大。
如果驱动电路提供的电压恒定,那么电磁力就是相对恒定的。当频率非常低时,为了产生一定的声压,振膜需要非常大的位移,而这些位移会受到弹簧效应的严重限制,驱动力不足以克服弹簧力和空气阻尼产生的总阻力来维持有效振动。

3. 阻抗匹配(Impedance Matching)和电感效应(Inductive Effects):
音圈本身是一个电感。电感器的阻抗随频率升高而增加(Z_L = jωL)。
然而,在非常低的频率下,音圈的电感性阻抗相对于其直流电阻(Re)可能不是主导因素。
真正影响的是驱动力与电流的关系。驱动力(F)与音圈电流(I)成正比(F = BlI,其中Bl是磁隙中磁感应强度和音圈有效长度的乘积,是一个常数)。
在低频下,为了克服机械阻力和产生足够的声压,需要较大的振膜位移,这反过来又需要较大的电流。
然而,扬声器系统的总阻抗(包括电阻和电感)以及放大器输出的电流驱动能力都会限制最大可用的电流。在低频下,由于机械阻碍,即使放大器能够提供大电流,扬声器也无法将其有效地转化为大的振膜位移。

声音并非“完全不能播放”,而是“响应非常微弱”

综合以上几点,我们可以理解为什么在谐振频率以下,动圈扬声器的声音会变得非常微弱:

幅度下降: 主要原因是音圈和振膜的惯性效应以及机械阻尼和弹簧效应的限制,导致在低频下振膜的有效振动幅度(位移)急剧减小。幅度越小,推动的空气就越少,声音就越弱。
效率降低: 扬声器系统的总效率可以看作是电能转换为声能的比例。在低频下,输入到扬声器的电能大部分被转化为热能(通过电阻)或被机械系统吸收(阻尼),只有很小一部分能转化为有效的声能。

这是否意味着不能播放呢?

当然不是。只要输入有驱动信号,音圈就会产生电磁力,振膜就会振动。即使在谐振频率远低于输入频率时,振膜也会以输入信号的频率振动,只不过振幅非常小。

如果你用一个非常灵敏的设备(比如一个灵敏的麦克风连接到示波器)去测量低频信号驱动下的扬声器发出的声音,你仍然能检测到声音信号。只是这个声音非常微弱,在日常的听觉范围内,我们很可能听不到,或者认为扬声器没有工作。

为什么我们会觉得“不能播放”?

1. 人类听觉的阈值: 人耳对声音的感知有一个最小的响度阈值。当声音信号低于这个阈值时,我们就听不见了。
2. “播放”的定义: 在实际使用中,“播放”通常意味着产生可闻的声音。如果声音过于微弱以至于听不见,那么在实际意义上,我们就会认为它“不能播放”了。
3. 失真与功率限制: 即使是低频信号,如果我们强行用大音量去驱动扬声器,以期获得更大的振膜位移,可能会导致以下问题:
音圈超出磁隙: 振膜会因为驱动力过大而产生过大的位移,音圈可能会移出磁场的有效区域,导致声音失真,甚至损坏音圈。
机械损坏: 过大的位移也可能导致折环或定心支架达到极限,发生机械损坏。
功率限制: 放大器和扬声器的额定功率是有限的,强行驱动低频会导致电流过大,可能损坏放大器或扬声器。

低音炮的设计:绕开低频限制

正是因为动圈扬声器在谐振频率以下的低频响应会急剧下降,所以设计专门播放低音的扬声器(如低音炮)需要采用特殊的策略:

选用低谐振频率的单元: 选择谐振频率设计得较低的扬声器单元(比如低于50Hz甚至更低),这样它的“自然”响应范围就能覆盖更低的频率。
优化单元设计: 通过使用更轻但刚性足够的振膜、更小的音圈质量、更具弹性的悬挂系统(折环和定心支架),可以降低谐振频率。
箱体设计(箱体调校): 这是最关键的手段。不同的箱体设计(如密闭箱、倒相箱、带通箱等)会改变扬声器单元在不同频率下的阻抗和响应特性,从而“调校”整个系统的低频响应。
倒相箱(Bass Reflex): 利用箱体内的空气作为一种“弹簧”,并通过倒相管(Port)的共振,在某些低频下可以增强扬声器的低频输出,甚至能将有效响应频率延伸到单元自身谐振频率以下一定范围。倒相管的调校就是为了在期望的低频区域产生一个与振膜向前运动相位相反的声波,与振膜的声波叠加增强。
密闭箱(Sealed Enclosure): 箱体内的空气提供了一种向外的“弹簧力”,通常会提升低频的瞬态响应和控制力,但低频下潜通常不如调校得当的倒相箱。
电子均衡(EQ)或低音增强电路: 在信号处理阶段,通过增加特定低频的信号幅度,来补偿扬声器单元在这些频率上的响应不足。但这种做法需要确保扬声器本身有足够的功率承受能力来播放这些增强的信号。

总结

动圈扬声器并非在谐振频率以下完全“不能播放”声音,而是其对这些低频信号的响应(即发出的声音的强度)会随着频率的下降而急剧减弱。这是由音圈和振膜的机械惯性、悬挂系统的弹簧效应、机械阻尼以及电感效应等多种物理因素共同决定的。这种响应下降的幅度很大,以至于在通常情况下,低于特定频率的声音会微弱到人耳无法感知,给人一种“无法播放”的错觉。为了获得良好的低频表现,需要精心设计扬声器单元本身以及配合适当的箱体结构和电子处理。

网友意见

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也不是一定不能,只是效果非常差。

与扬声器单元相关的两个基本物理性质:

  1. 远场辐射声压正比于扬声器振膜的体积加速度。

2. 单自由度振动系统(扬声器单元最简化的模型)在共振频率f0以下工作在弹性控制区,振动位移与频率无关;f0以上是质量控制区,振动加速度与频率无关。

因此,f0以上才能保证远场的声压与频率无关,即频响平直。那么f0以下,恒定电压,频率越低,加速度越低,频响滚降,因为振动加速度=振动位移*omega^2,其中omega为角频率omega=2*pi*f。

如果人为增加f0以下的低频信号幅度试图强行拉平频响(比如使用EQ),就会造成扬声器振膜的振动幅度非常大,且频率越低幅度越大。而非线性失真主要来源于超过弹性模量线性区的大振幅振动,这也就意味着扬声器单元将产生明显的谐波成分(波形削顶,奇次阶失真为主),同时也很可能伴随着大冲程下的其他噪声,甚至造成结构性的损坏。

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