扬声器是怎么发声的?

【专家解说】：扬声器的工作原理

一、术语
扬声器（speaker，loudspeaker），俗称喇叭；1993年出版的《电声辞曲》指出：扬声器是能将电信号转换成声信号并辐射到空气中去的电声换能器。
据有关资料记载，最早发明扬声器在1877年，德国人西门子（E.W.Scimens）提出了扬声器雏型专利，他首先提出了由一个圆形线圈放置在径向磁场组成的电动结构。
1924年，美国的赖斯（C.W.Rice）和凯洛格（E.W.Kollogg）发明了电动式扬声器。
二、扬声器易响却难精
扬声器在全世界每年的产量数以亿计，它在通信、广播、教育、日常生活等方面有广泛的用途，和布、帛、菽、粟一样成为人们不可须夷离开的东西。对我们从事扬声器设计、制造的技术人员来说，对扬声器的理论、实践、工艺等方面需要深入、系统、全面的了解。有人讲扬声器很简单，不过是雕虫小技，谁都可以生产扬声器，这话不能说全无道理，声学本来就是一个小学科，扬声器更是一个小器件。不过十几个到几十个部件，生产的门槛确是不高，但问题的另一面是扬声器又不容易做好。
扬声器是一个电声器件，是电声学研究的内容之一。电声学是包括电子学、声学、电磁学、磁学等的交叉学科。扬声器虽然只有不多的几十个部件，但是其复杂繁难的程度远远超过我们的想象。这是因为：
（1） 扬声器的能量转换层次多、反馈多。通常遇到的器件能量转换只是一种一次。例如电动机是将电能转换为机械能。发电机是将机械能转换为电能。电灯是将电能转换为光能。电池是将化学能转换为电能。这里发生的只是一种能量向另一种能量的转换。而扬声器有所不同，它是将电能转换为机械能，再将机械能转换成电能，这是在诸种换能器中不常见的。它的层次多、反馈多自然带来系统的复杂性和多样性。在一个扬声器系统中同时存在电学部分、声学部分、能和力学部分（机械振动部分）。
（2） 扬声器的工作状态不仅不是静止的，而且是振动的，这种振动又是在三维空间。这个三维空间的振动系统，具有多个边界条件，因此它的振动分析极为复杂，一般的数学工具已不够用。荷兰学者Frankort等导出锥体微分方程，是具有14个变量的联立一阶微分方程，而且扬声器的振动还与频率和时间有关，实际上它处于多维空间之中。
（3） 扬声器振动系统只在低频区为一集中参数系统。在频率升高时振动系统不再是刚体。在分析扬声器时，常采用等效电路法，将扬声器看成由集中参数组成的等效电路。因为我们对电路理论是熟悉的，所以用电路理论来分析扬声器会得心应手。在分析扬声器振动时，假设扬声器是一个刚体，这样分析起来相应方便。但是上述的假设只是在低音频段是合适的。在频率升高时，扬声器不再是集中参数元件，扬声器振膜不再是刚体，振膜会出现分割振动。因此在高频段，由刚体振动假设导出的分析一律失效，由等效电路推出的公式失效。
分布参数系统的特点还在于这些分散元件并不是彼此无关的。具体来说，振膜上每一点的振动都不相同的，每一点振动都有不同的振幅与相位，而每一点又相互影响。
还可以同我们熟悉的电子技术相比较。因为有了物理性能为大家所熟悉的电学元件（电阻、电感、电容、晶体管、集成电路……），以及大家所熟悉的电路原理，按电路图可以装配成一个放大器，用这些元件不论是经验丰富的工程师还是初出茅庐的中学生其差别是有限的。但对扬声器、音箱来说，就没有那么简单。相同的单元组装成音箱、若经验不同，可能有相当大的差距。
（4） 扬声器的评价不仅取决于众多的客观测试指标，而且目前客观测试指标不能完全概括扬声器的质量。
扬声器的客观测试指标有数10项之多，而且有增加的趋势。大多数测量要求在消声室内进行。尽管现在有了计算机辅助测量，但仍然代替不了消声室的测量。
扬声器的主观评价是不可缺少的，而主观评价又带有极大的离散性，它往往因人而异、因时而异、因地而异、因曲而异，并且自觉或不自觉地受到各种心理暗示的影响。评价的结果不仅取决于聆听者的修养、素质、心理状态，而声音本身是转瞬即逝的，其难度高于其他需主观评价的项目，比如评酒评茶等，它涉及心理声学、生理声学、环境声学、音乐声学、数理统计方法等。
（5） 扬声器制造工艺又涉及造纸、化工、粘合剂、金属加工、磁体制造等许多工艺领域，体现了它的综合性与多样性。其中扬声器振膜材料的变化尤为重要，在几何形状不变的条件下仅仅改变振膜的材料，不但客观测试指标会变，主观音质也会发生变化。
由于以上5个方面给电声工作者带来许多费解的课题，也给扬声器技术抹上一笔迷人的色彩。而扬声器技术是少数能将艺术与技术相结合、趣味与科学相结合的技术之一；又是将古老声学与现代电子相结合的产物；是有广泛发展空间、又与亿万群众有密切联系的技术。
为发展扬声器技术，付出我们的努力，是一项高尚而有益的贡献。
三、 扬声器分类
分类方法有很多种，今天介绍三种分类方法：
（一）按辐射方式分类
直接辐射式扬声器
号筒扬声器
耳机
海尔扬声器
（二）按用途分类
高保真（家用）用扬声器
监听扬声器
扩声用扬声器
乐器用扬声器、电影扬声器
收音机、电视机、录音机用扬声器
警报用扬声器
水中用扬声器、船舶用扬声器
汽车用扬声器
（三）按工作原理分类
电动式扬声器
电磁式扬声器
静电扬声器
压电扬声器
离子扬声器
火焰扬声器
气流调制扬声器
磁致失真扬声器
四、 磁电转化
法拉第通过各种实验，不仅发现了电磁感应现象，而且总结出电磁感应的共同规律。
1）通过导体回路所围面积的磁通量随时间发生变化时，回路中就有感应电动势产生，从而产生感应电流，这个磁通量的变化可以是由磁场的变化引起的，也可以是由于导体回路在磁场中运动或导体回路中的一部分切割磁力线的运动而引起的。
2）感应电动势的大小与磁通量变化的快慢有关，或者说与磁通量随时间的变化率成正比。
总之，电磁感应现象的实质是磁通量的变化产生感应电动势。
3）感应电动势的方向总是在企图由它产生的感应电流建立一个附加的磁通量，以阻碍引起感应电动势的那个磁通量的变化。
1845年，法拉第的实验规律由诺伊曼（F.E.Neumamn）等人写在数学形式，如果这个磁通量的变化率以韦伯/秒为单位，感应电动势的单位为伏特，则法拉第的实验规律可以用数学公式表示为ε=-dΦ/dt
这个方程叫法拉第电磁感应定律。
关于法拉第电磁感应定律，我要特别强调以下几点：
1） 起导体回路中产生感应电流的原因，是由于电磁感应在回路中建立了感应电动势，感应电动势比感应电流更本质，即使由于回路中的电阻无限大而使电流为零，但感应电动势依然存在。即使回路不闭合，也可以在一段导体中产生感应电动势。
2） 回路中产生感应电动势的原因，是由于通过回路所围平面的磁通量的变化，而不是磁通量本身。即使通过回路平面的磁通量很大，但只要它不随时间变化，回路中依然不会产生感应电动势。
3） 关于法拉第电磁感应定律中“-”号的物理意义，负号在这里指明了感应电动势的方向总是这样的：使由它引起的感应电流所产生的磁场通过回路的磁通量，阻碍引起感应电流的那个磁通量的变化。
电动势的方向：规定从电源的负极到正极为电动势的方向，它是客观存在的事实。但把一个电源接入一个电路中，在具体计算时，电动势ε记为“正”还是“负”，取决于选定的回路的绕行方向。若绕行方向与电动势ε的方向一致，则电动势记为“+ε”，若绕行方向与电动势ε的方向相反，由电动势记为“-ε”。
五、 电动式扬声器工作原理
电动式扬声器又称为动圈式扬声器（如图1所示）；它是应用电动原理的电声换能器件；它是目前运用最多、最广泛的扬声器，究其原因主要有三条：
（1） 电动式扬声器结构简单、生产容易，而且本身不需要大的空间，导致价格便宜，可以大量普及。
（2） 这类扬声器可以做到性能优良，在中频段可以获得均匀的频率响应。
（3） 这类扬声器在不断改进中，几十年扬声器发展史，就是扬声器设计、工艺、材料不断改进的历史，也是性能与时俱进的历史。
电动式扬声器其形状大多是锥形、球顶形；锥形扬声器（cone speaker）的结构如图所示。
锥形扬声器的结构可以分为三个部分：
1> 振动系统包括振膜、音圈、定心支片、防尘罩等；
2> 磁路系统包括导磁上板、导磁柱、导磁下板、磁体等；
3> 辅助系统包括盆架、压边、接线架、相位塞条。
根据法拉第定律，当载流导体通过磁场时，会受到一个电动力，其方向符合弗来明左手定则（如图2.图3所示），力与电流、磁场方向互相垂直，受力大小与电流、导线长度、磁通密度成正比。当音圈输入交变音频电流时，音圈受到一个交变推动力产生交变运动，带动纸盆振动，反复推动空气而发声。
使电动式扬声器的振膜发生振动的力，即为磁场对载流导体的作用力，这个效应我们称它为电动式换能器的力效应，其大小由下式规定：
F=B L i
式中：B为磁隙中的磁感应密度（强度），其单位为N/（A.m）<牛顿/（安培.米）>又称为特斯拉（T）
L为音圈导线的长度，单位：米
i为流经音圈的电流，单位：安培
F为磁场对音圈的作用力，单位：牛顿
但是，在通电音圈受力运动的同时，由于会切割磁隙中的磁力线从而在音圈内产生感应电动势，这个效应我们称它为电动式换能器的电效应，其感应电动势的大小为：
е=Вiν
式：ν为音圈的振动速度，其单位为：米/秒
е为音圈中感应电动势，单位为：伏特
电动式扬声器力效应与电效应是同时存在、相伴而行的。
六、 其它扬声器工作原理：
〈一〉 磁式扬声器：亦称“舌簧扬声器”，其结构如图4所示，在永磁体两极之间有一可动铁心的电磁铁，当电磁铁的线圈中没有电流时，可动铁心受永磁体两磁极相等级吸引力的吸引，在中央保持静止；当线圈中有电流流过时，可动铁心被磁化，而成为一条形磁体。随着电流方向的变化，条形磁体的极性也相应变化，使可动铁心绕支点作旋转运动，可动铁心的振动由悬臂传到振膜（纸盆）推动空气热振动。
〈二〉 静电扬声器：它是利用加到电容器极板上的静电力而工作的扬声器，就其结构看，因正负极相向而成电容器状，所以又称为电容扬声器。如图所示，有两块厚而硬的材料作为固定极板，极板上有此可以透过声音，中间一片极板则用薄而轻的材料作振膜（如铝膜）。将振膜周围固定、拉紧而与固定极保持相当距离，即使在大振膜上，亦不致与固定极相碰。
如图5所示，在两电极间原有一直流电压（称之为偏压）。若在两电极间加由放大器输出的音频电压，与原来的输出电压相重叠，形成交变的脉动电压，这个脉动电压产生于两极间隙吸引力的强弱变化，而振膜因此振动而发声。
静电扬声器的优点是整个振膜同相振动，振膜轻，失真小，可以重放极为清脆的声音，有很好的解析力、细节清楚、声音逼真。它的缺点是效率低，需要高压直流电源，容易吸尘，振膜加大失真亦会加大，不适合听摇滚、重金属音乐，价格相对贵一些。
〈三〉 压电扬声器：利用压电材料的逆压电效应而工作的扬声器称为压电扬声器（如图6）。电介质（如石英、酒石酸钾钠等晶体）在压力作用下发生极化使两端表面间出现电势差的现象，称之为“压电效应”。它的逆效应，即置于电场中的电介质会发生弹性形变，称为“逆压电效应”或“电致伸缩”。
压电扬声器同电动式扬声器相比不需要磁路，和静电扬声器相比不需要偏压，结构简单、价格便宜，缺点是失真大而且工作不稳定。
〈四〉 离子扬声器：在一般的状态下，空气的分子量中性的、不带电。但经过高压放电后就成为带电的粒子，这种现象称游离化。把游离化的空气利用音频电压振动，则产生声波，这就是离子扬声器的原理（如图7a）。
为了离子化，就要加20MHz的高频电压，而在其上重叠音频信号压电。由（图7d）可见，离子扬声器由高频振荡部分，音频信号调制部分，放电腔及号筒组成。
放电腔采用将直径8mm的石英棒在中心开孔，开成石英管，将一个电极插入其中，另一个电极（如图7b）所示，呈圆筒形套在石英管外面，由于采用无声放电形式，只有中心的针头电极有损耗，可以定期更换中心电极。离子扬声器与其他扬声器不同之处在于没有振膜，所以瞬态特性和高频特性都很好，但结构太复杂。
〈五〉 火焰扬声器：如图8所示，当空气和煤气燃烧的火焰通过电极，电极加有直流电压和高频信号，火焰受音频信号调制而发声。火焰几乎无质量，声音动态极好。但它有致命的缺点：不安全，不方便。
〈六〉 气流调制扬声器：又称气流扬声器（如图9所示）。它是利用压缩空气作能源，利用音频电流调制气流发声的扬声器。它由气室、调制阀门、号筒和磁路组成。压缩空气气流由气室经过阀门里，受外加音频信号调制，使气流的波动按照外加音频信号而变化，同时被调制的气流经号筒耦合，以提高系统的效率。它主要用做高强度噪声环境试验的声源或远距离广播等。
〈七〉 磁致失真扬声器。这是一种特殊的强磁体，它能在磁场作用下振动发声