扬声器 - 氢原子百科

扬声器（Loudspeakers）又称喇叭，是一种常用的电声转换器件，^[1]最早由赖斯和凯洛格在1924年获得了扬声器专利，这也是现代扬声器的雏形。^[7] 1930年，Bostwick制成了高频号筒扬声器，8年后“励磁式”扬声器被“永磁式”扬声器所取代。^[8]20世纪中后期，扬声器在提高品质、普及率以及电声理论和测量技术等方面取得了不少成就。到2019年，非线性模型、主动控制系统、MEMS扬声器和音质评价等理论和技术不断成熟并广泛应用，扬声器领域正式迎来新的挑战与机遇。^[9]^[10]

扬声器通常包含振膜、磁场、音圈、磁路等主要组件，其工作原理是一种将电能转换成声能，将电信号转换成声波，^[5]^[6]主要技术指标有功率、额定阻抗、灵敏度等。^[11]扬声器可以根据换能方式、结构形式、工作频段和用途等标准进行分类，不同类型适用于不同领域，^[12]^[13]^[14]通常用于各种设备和场景中，包括音响系统、电视、计算机、手机、医疗诊断设备、火警报警系统等。^[2]^[3]^[4]

起源

自从佩奇（Page）在1837年发现了电发声原理以来，扬声器技术取得了持续的进步。不久后，于1876年2月14日，美国的贝尔（A.G.Bell）和沃森（Osen）成功申请了电话专利。随着时间的推移，声音的传输和再现方式也发生了改变。例如，在1877年，爱迪生（Edison）使用了一种特殊的装置来录制和播放音乐，这个装置采用了一个圆柱状的锡箔。这个锡箔会被唱针沿着声槽移动，引发振膜的振动，最终将声音从号筒中发出。早期的实验都涉及将电信号转化为可听的声音。科学家和工程师们主要依靠电磁感应原理，即通过电流流过线圈来产生磁场，从而导致与线圈相连的振动膜或薄膜振动，从而产生声音。^[15]随着技术的不断改进，扬声器的设计也发生了演变。一项重要的改进是采用了舌簧扬声器，它用纸盆代替了金属膜片，并采用了直接辐射形式，这使音质得到了明显的改善。^[16]^[8]然而，扬声器的最早发明要追溯到1877年，德国科学家的西门子（E.W. Siemens）在电报发报机研究中心提出了相关专利。另外，1898年洛奇（O.J. Lodge）也申请了英国专利，为扬声器的发展做出了贡献。此外，1890年怀特（A. White）发明了肩背式送话器，它可以看作是现代电话机的原型，为通信技术的发展奠定了基础。^[17]

改进创新

20世纪初至中期，电动扬声器经历了多次关键性改进和创新。早期采用薄膜和电磁振动器的扬声器虽然声音质量和效率有限，但为后来的发展铺平了道路。1911至1921年期间，出现了杠式声器，E.C. Weute发明了静电传感器，美国西部电公司（Westem Electric）开始将最初的扬声器（"电话话器"）用于声音扩音，^[8]韦伯斯特（A.G. Webeler）首次引入数学方法于扬声器设计，同时Magnavox公司生产了号角扬声器。^[17]

1922年至1932年，西门子的格洛克（E.G. Terlach）发明了带式电声换能器，Kellev提出了背后开放式障板和密闭箱的概念，美国通用电器公司的切斯特·赖斯（C.W.Rice）和爱德华·凯洛格（E.W.Kollogg）在研究试验室获得了扬声器专利，^[7]在这之后，他们又发明了与电动式扬声器类似的工作原理的扬声器。^[16]

1929年至1939年间，扬声器技术又经历了多个关键发展，包括静电扬声器、倒相式扬声器箱、高频号角扬声器、大功率带式扬声器、U型钨钢磁体电动式扬声器、压电式传声器和动圈式双指向传声器的创新，此外，单指向传声器、曲线式纸盆扬声器、曲径式扬声器箱和多声道扬声器箱等新产品也相继出现。^[8]^[17]

发展突破

扬声器技术在20世纪中后期又经历了多个重要阶段的发展。其中，兰辛（J.B.Lancing）开发的同轴型扬声器系统、克莱因（S.Klein）提出的离子扬声器和无缝纸盘扬声器、小型扬声器的普及以及纸盆防潮工艺、^[8]大型平板扬声器、海尔式扬声器、CD唱机、计算机辅助设计等创新和技术进步，都为扬声器行业的发展贡献了重要力量。^[17]而21世纪的NXT扬声器则在原理、结构和设计上带来了全新的革命性变革，使得扬声器更加高效且经济实惠，这一系列发展推动了扬声器技术的不断演进和提升。^[18]20世纪70年代年， EV 公司的 D.B凯利(Keele)设计了称为 HR 系列的号简，俗称“白号简扬声器”，阿尔泰克公司的 C.A.亨利克森（Henricksen)和 M.S.尤里达(Ureda)发展了不是锥形、指数型或双曲线型扩展的新数学模型。^[19]直至20世纪末，扬声器的高素质化、普及化、以及在电声理论、测量技术等方面都取得了不少的成就。截至2019年，扬声器非线性模型、主动控制系统、MEMS扬声器、测量和音质评价等的理论和技术日益成熟并得到广泛应用，扬声器领域正面临着新的变革，机遇与挑战并存。^[9]^[10]

命名方式

中国新型扬声器的型号命名由四部分组成：第一部分用字母“Y”表示产品名称为扬声器。第二部分用字母表示产品类型，“D”为电动式。第三部分用字母表示扬声器的重放频带，用数字表示扬声器口径（单位为 mm）。第四部分用数字或数字与字母混合表示扬声器的生产序号。新型扬声器的型号命名及含义如图所示。^[20]

第一部分:主称		第二部分:类型		第三部分：重放频带或口径		第四部分：序号
字母	含义	字母	含义	数字或字母	含义	用数字或数字与字母混合表示扬声器的生产序号
Y	扬声器	D	电动式	D	低音
				Z	中音
				G	高音
				QZ	球顶中音
				QG	球顶高音
				HG	号筒高音
				130	130mm
				140	140mm
				166	166mm
				176	176mm
				200	200mm
				206	206mm

组成结构

扬声器拥有电动式、电磁式、电动式、锥形扬声器等多种类型，本章节重点介绍锥形纸盆扬声器的组成结构。锥形纸盆扬声器是电动扬声器中，最普通、产量最大、应用最广的扬声器，除用于收录机、电视机外，扩声系统、家庭音响多采这种扬声器。以纸盆扬声器的结构为例，锥形纸盆扬声器是由磁回路系统（磁体、极芯、导磁体）、振动系统（纸盆、音圈）、辅助装置（定心支片、盆架、垫边）等三部分组成。^[6]

音圈：音圈是纸盆扬声器的驱动单元，它是用很细的铜导线分两层绕在纸管上，一般绕有几十圈，放置于导磁芯柱与导磁板构成的磁缝隙中。音圈与纸盆结构在一起，音圈振动带动着纸盆振动。^[6]

纸盆：纸盆是扬声器的辐射器件，并在相当大的程度上，决定着扬声器的放声性能。制作纸盆的材料很多，一般有天然纤维和人造纤维两大类。天然纤维通常采用棉、木材、羊毛，绢丝等;人造纤维则采用人造丝、尼龙、玻璃纤维、碳纤维等。纸盆的类型有直线形、指数形、抛物线形和波纹环形等，无论哪种纸盆，既要质轻又要有良好的刚性、而且不能因环境温湿度变化而变形。^[6]

折环：为了保证纸盆沿扬声器的轴向运动、限制横向运动，在纸盆周边设有折环。折环也是纸盆的支持部分，以保证纸盆与盆架良好配合，同时起着阻挡纸盆前后空气流通作用。折环的材料除用纸盆材料外，还利用塑料簿膜、泡沫塑料、天然橡胶等材料，经过热压粘接到纸盆上。^[6]

定心支片：音圈和纸盆的结合部位，是用定心支片来支持的，以保持正直而不歪斜。定心支片上面有许多同心圆环，使音圈在磁隙中可以自由地上下移动，而不作横向移动，从而保证音圈在磁隙中不与导磁板相碰。定心支片上的防尘罩，是为了防止外部灰尘落入磁隙，以免造成灰尘与音圈摩擦产生异常声。^[6]

工作原理

扬声器它是一种将电能转换成声能的器件，有舌黄式、晶体式、动圈式等几种，常用的是动圈式。动圈式扬声器主要由环形永久磁铁、音圈架、音圈、纸盆架、纸盆等部件组成。在磁铁的磁场缝隙间套着一个能自由移动的线圈，叫音圈。音圈先粘在音圈架上然后再与纸盆粘接在一起，纸盆又固定在纸盆架上。当音频电流通过扬声器音圈时，音圈在磁场中受到磁场力的作用会发生振动，音圈的振动带动纸盆振动，从而发出声音。音频电流越大，作用在音圈上的碰场力也就越大，音圈和纸盆振动的幅度也越大，从而产生的声音就越响。由于音频电流的大小和方向不断变化，就使扬声器产生随音频变化的声音。^[5]

功率

在扬声器的技术参数中，功率包括标称功率、起步功率最大承载功率3个方面。标称功率也叫额定功率，是指音箱能够长时间正常安全地工作的输入电功率。音箱在标称功率下工作时，一切元器件在允许范内，重播音色好，单元产生的失真较小。从另一个角度讲，额定功率是指扬声器(或音箱)在一定的谐波失真范围内，所允许的最大正常输入功率。起步功率是指扬声器(或音箱)能被推动的基准值。一般音响的起步功率为10~50W，所以在选配音箱的功放输出功率必须要大于音箱的起步功率。最大承载功率是指扬声器(或音箱)在短时间内所能承受的最大功率。这个功率值表现了音箱在短时间内所允许加入的最大电信号功率值。在选配功放时功放的输出功率不应大于音箱的最大承载功率值，否则会对扬声器造成损害，甚至烧毁。^[21]

阻抗

阻抗是指扬声器的额定输入阻抗值。在一段直流电路中，电子元件会有阻碍电流的属性，即电阻;而在交流电路中这种属性即为阻抗。目前家庭影院中使用的音箱中，一般的额定输入阻抗在 4~16之间并以、、的音箱最为常见。应该注意的是，由于扬声器中所通过的是交流信号，因此扬声器的阻抗值是随音频信号频率变化而改变的，额定输入阻抗只是在共振峰后扬声器所呈现的最小阻抗，而用万用电表来测量接线柱所得到的电阻值，并非扬声器的额定输入阻抗。^[21]

谐波失真

音箱的重播信号中不应有其他新产生的信号出现，但实际上，由于扬声器单元的振动特性，音箱发出的信号中除了基频信号外，还存在新产生的倍频信号，这在技术上被称为二次谐波、三次谐波等，由这些新生谐波所产生的还音失真称为“谐波失真”。音箱的二次及三次谐波失真对音箱重播的影响最大，因此谐波失真小的音箱，还音效果就好。谐波失真一般以谐波成分占总输出信号的百分比来表示。一般的音箱允许较低的谐波失真存在，但谐波失真不应影响基频信号的再现。^[21]

频率响应

从音响的保真度来说希望从20Hz 至 20kHz 的整个频段内扬器与放大器的频响特性相一致，能够放出所有音调的声音。这种要求很难用一个扬声器来实现，所以家庭影院的音响设备几乎都采用高、中、低音的扬声器搭配重放出不同音频段的声音，使扬声器系统的频率特性符合音箱设备要求。频率特性是指音箱的再现频率能力。在给音箱输入固定电压信号，改变输入信号的频率时，音箱的信号输出将随输入信号频率的变化而变化，音箱的输出信号在2dB 或3dB 的范围内所对应的输入频率范围即为音箱的频响范围，这个参数一般在 40~30kHz之间。值得指出的是，很多组合音响为了达到商业目的其音箱的频响范围多标为 20~20kHz覆盖了人耳的听音极限，但这是音箱输出信号在大于 3dB 的情况下得出的结果。若将音箱的输出信号限定在 3dB 以内则其音箱的频响将变窄。^[21]

灵敏度

扬声器的灵敏度，是用来衡量扬声器是否容易被推动的一项技术参数。它是指在输入1W标准电功率时在距离正前方 1m 远处所测得的声信号的大小。这个声信号一般应在 80~95dB之间专业级音箱可达 100dB 以上。由于输入的电功率一样，因此灵敏度数值越高说明扬声器的换能效率越高。音箱的灵敏度主要反映其易于被推动的特性，但并不直接反映音箱自身的音质和音色表现。许多专业音箱采用高灵敏度设计，以提高电声转换功率，然而，一些出色的发烧级音箱为了保持瞬态响应特性，会降低灵敏度，降低音箱的效率。因此，音箱的灵敏度对于音箱和功放的匹配至关重要，但不能单凭这个参数来评判音箱的质量。音箱的好坏仍然应该以其音质和音色再现的表现为主要标准。^[21]

其他指标

指标名称	定义
指向特性^[22]	扬声器向空间各个方向发声的声分布状况，指向特性随扬声器的工作频率而变化，频率越高指向性就越强；在扬声器工作频率相同的条件下大的扬声器要比口径小的扬声器具有更强的指向性；
额定共振频率^[22]	指扬声器阻抗曲线上出现的第一个阻抗极大值时所对应的频率在共振频率以下功率随频率的四次方的速率下降，用于低频重放的扬声器其共振频率应尽可能选得低些；
标称尺寸^[23]	指扬声器盆架的最大口径，其口径大小与扬声器的性能有一定的关系。一般来说，口径越大，扬声器所能承受的功率越大，输出功率也越大，口径越大其低频响应也越好；
声压频率特性^[23]	指扬声器在输入信号大小不变时，其输出的声压级随输入信号频率变化而变化的特性；
品质因数^[24]	扬声器的品质因数表示扬声器振时的阻尼程度，反映扬声器的瞬态特性，即发声的清晰程度；
支撑顺性^[25]	这个值表示在音圈运动的方向上，向音圈施加一个单力的作用下锥盆的位移程度；

主要分类

扬声器拥有多种分类方式，如按换能方式、结构形式、振膜形式工作频段等方式来分类。而每种分类中又有多种类型的扬声器，比如要按换能方式来划分，可分为电动式扬声器、电磁式扬声器、压电式扬声器、离子式扬声器等。

分类方式	类型	简介
按换能方式分^[12]^[13]^[14]^[26]	电动式扬声器	这种扬声器通过一个电流通过线圈来产生声音。当电流通过线圈时，它产生磁场，与扬声器磁体相互作用，使振膜振动并产生声音。电动式扬声器广泛用于音响系统中，包括家庭音响和专业音响；
	电磁式扬声器	电磁式扬声器也使用电流和磁场来产生声音，但它们的工作原理稍有不同。它们包括磁体和振膜，电流通过线圈产生磁场，然后振膜受磁场作用而振动，从而产生声音。这些扬声器常见于手机、电视和计算机音箱等设备中；
	压电式扬声器	压电式扬声器使用压电效应来产生声音。当施加电压时，压电材料会发生机械变形，导致振膜振动，从而产生声音。这种扬声器常用于蜂鸣器、传感器和一些高频音箱中；；
	离子式扬声器	离子式扬声器利用离子运动来产生声音。它们通过在空气中产生电离来改变气流，从而产生可听见的声音。离子式扬声器通常用于一些特殊应用，如声纳系统；
	气流调制式扬声器	气流调制式扬声器使用气流的变化来产生声音。它们通过调节气流速度和方向来生成声音，常见于一些科学实验和声学研究中；
	电容式（静电式）扬声器	这种扬声器使用静电场来产生声音。它们通常包括一个固定的带电板和一个振动的薄膜，当电场变化时，薄膜振动并产生声音。电容式扬声器在高端音响和耳机中使用；
按结构形式分^[12]^[13]^[14]	单纸盆扬声器	单纸盆扬声器包括一个单一的纸质振膜，通常用于中低频范围；
	复合纸盆扬声器	复合纸盆扬声器使用多层纸盆的振膜，以提高音质和效率；
	号筒扬声器	号简扬声器具有号状振膜，用于扩大声音范围；
	复合号简扬声器	复合号简扬声器结合了多个号状振膜，通常用于高端音响系统；
	同轴扬声器	同轴扬声器具有多个驱动单元，其中一个在另一个的中心，以提供更一致的声音分布；
按振膜形式分^[12]^[13]^[14]	锥形扬声器	锥形扬声器的振膜通常为圆锥形或椭圆锥形，适用于广泛的音频频率范围。它们常见于音响系统中，用于低音、中音和高音；
	平板形扬声器	平板形扬声器通常有一个平坦的振膜，适用于特定的应用，如嵌入式音响系统、汽车音响和平板电视；
	带形扬声器	带形扬声器的振膜呈带状，通常用于高音范围，如超高音扬声器；
	球顶形扬声器	球顶形扬声器的振膜呈球形，通常用于全方位的音频分布；
	平膜形扬声器	平膜形扬声器是指音圈和振膜一体并形成平膜的设计，通常用于高保真音响系统；
按工作频段分^[12]^[13]^[14]	低频扬声器	专门用于低音频范围的扬声器，如低音炮；
	中频扬声器	用于中等音频频率范围的扬声器，通常用于音响系统中的中音单元；
	高频扬声器	专门用于高音频范围的扬声器，如高音单元；
	全频段扬声器	能够覆盖全音频频率范围的多单元扬声器，常用于高保真音响系统；
按用途分^[12]^[13]^[14]^[26]	高保真用扬声器	专为音乐欣赏和高品质音频重现而设计的扬声器；
	扩音用扬声器	用于大型会议、演讲和公共广播的扬声器；
	监听用扬声器	用于音频监控和录音工作室的专业扬声器；
	乐器用扬声器	定制用于音乐乐器的扬声器，如吉他扬声器和键盘扬声器；
	彩电用扬声器	集成在电视机和显示器中的扬声器；
	汽车用扬声器	安装在汽车音响系统中的扬声器，通常包括低音炮、中音单元和高音单元；
按磁路性质分^[27]	普通磁体	是最常见的，目前的多媒体音箱都是采用这种磁体；
按磁路性质分^[27]	钕nǚ铁硼磁体	磁体成本较高，开始在一些高档单元中采用；
按材料分^[27]^[28]	纸盆	所谓纸盆，严格地说，应该叫做膜片。除了用纸制成以外，还可以用铝、泡沫聚苯乙烯、织物等制成。但是由于纸浆做成的膜片性能可以满足一定的要求，而且它的价格便宜，因此在扬声器膜片的生产过程中，使用最为广泛；
	羊毛盆	纸质中加有少量羊毛；
	PP盆	由聚丙烯构成；

应用领域

扬声器在很多领域都需要用到，如生活领域、信息传递领域、工程技术领域。而每个领域中又有多种类型的扬声器，比如按在生活领域场景来划分，可分为家庭音响系统、手机和智能手机、游戏机和电子游戏、个人耳机等。

适用场景	类型	简介
生活领域^[2]^[26]	家庭音响系统	包括立体声音箱、低音炮和环绕声系统，旨在提供高保真音质，适用于家庭影院和音乐欣赏；
	手机和智能手机	用于通话、音乐播放、视频通话和扬声器模式的音频输出，需具备清晰的声音质量和音量；
	游戏机和电子游戏	游戏扬声器需提供高质量的游戏音效，以增强玩家的游戏体验；
	个人耳机	耳机可以是开放式、封闭式或降噪型，用于个人聆听音乐、观看电影和玩游戏；
	车载音响系统	包括主机单元、扬声器和低音炮，用于提供高保真音质，以满足车内乘客的娱乐需求；
	驾驶辅助系统	扬声器用于提供导航指示、碰撞警告和车辆状态的声音提示；
信息传递领域^[3]^[4]^[29]	会议系统	大型会议室和视频会议设备需要高质量的扬声器，以确保远程参与者可以听到清晰的声音；
	机场、车站和购物中心	扬声器用于播放旅客通知、背景音乐和广告，以提供信息和娱乐；
	火警系统	扬声器用于播放紧急警告和撤离指示，以确保人员安全；
	大型音响系统	用于音乐会、音乐节、体育比赛和政治集会，需要高功率扬声器以确保声音在大型场馆中传播；
	公共广告	扬声器用于户外广告牌、公交车站和地铁站等地的广告宣传，以吸引注意力；
	军事通信设备	扬声器在军事通信和指挥中起着重要作用，用于传递指令和警告；
工程技术领域^[3]^[29]^[30]^[31]	医疗诊断设备	扬声器用于输出医疗设备生成的声音，如超声波机器或心电图设备；
	辅助听力设备	助听器和植入式听觉植入物（如人工耳蜗）可用于改善听力损失；
	生产线警报和警告系统	扬声器用于向工人发出设备状态和安全警告；
	机器人和自动化系统	声音提示和反馈帮助操作员监控和管理自动化过程；

参考资料 31

参考 1
参考 2
参考 3
参考 4
参考 5
参考 6
参考 7
参考 8
参考 9
参考 10
参考 11
参考 12
参考 13
参考 14
参考 15
参考 16
参考 17
参考 18
参考 19
参考 20
参考 21
参考 22
参考 23
参考 24
参考 25
参考 26
参考 27
参考 28
参考 29
参考 30
参考 31