音頻設計中揚聲器的全面指南

揚聲器是我們聽覺體驗中不可或缺的組成部分，它們將電信號轉換為我們所感知的聲音。要理解揚聲器的工作原理及其對聲音制作的影響，我們需要深入探究它們的基本機制和關鍵組成部分。本博客文章將全面介紹揚聲器在音頻設計中的應用，包括其基本工作原理、關鍵規格、設計考慮、振膜和磁鐵類型等多個方面。

揚聲器的工作原理

揚聲器的聲音產生涉及電磁作用與機械運動的精確配合。聲音的產生始于電信號，它是我們希望聽到的音頻的電子表示形式。該信號可以來自智能手機、筆記本電腦或任何能夠生成電信號的音頻設備。無論是最喜愛的歌曲旋律、清晰的播客對話，還是電影的沉浸式音效，這些電信號最終都會被揚聲器轉換為聲音。

在揚聲器內部，一些關鍵組件共同作用。核心組件包括音圈（voice coil）和永久磁鐵（permanent magnet）。音圈由導線制成，并連接到一個可靈活振動的振膜（cone/diaphragm）。音圈環繞在一個穩固的永久磁鐵周圍，這是聲音產生的基礎。當電信號流經揚聲器的導線時，它會為音圈提供能量，從而引發電磁作用。電信號的變化會影響音圈周圍的磁場，使其極性隨之改變。

揚聲器工作的核心在于這些磁場之間的相互作用。當磁場發生變化時，它們會交替排斥和吸引，使音圈及其連接的振膜產生快速振動。這種振動進一步影響周圍空氣分子，使它們按照振膜的運動同步振動。

這些振動的空氣分子會形成壓力波，并在空氣中傳播，最終到達我們的耳朵，被大腦解釋為聲音，從而完成整個聽覺過程。

揚聲器的基本結構

深入研究揚聲器的內部結構，可以發現多個組件協同工作以產生聲音，主要包括：

• 振膜（Cone）

• 音圈（Voice Coil）

• 極板（Plate）

• 磁鐵（Magnet）

• 框架和軛鐵（Frame & Yoke）

• 電路板（PCB）

不同揚聲器的內部結構有所不同，但這些組件共同構成了揚聲器的核心工作系統。

揚聲器的關鍵規格

在選擇揚聲器時，需要關注多個關鍵參數，以確保其能夠滿足設計需求：

• 聲壓級（Sound Pressure Level, SPL，單位：dB）：      衡量聲音強度，即聲音的響度。

• 最大輸入功率（Max Input, W）： 揚聲器短時間內可承受的最大功率。

• 額定輸入功率（Nominal Input, W）： 揚聲器在長期使用中可安全承受的功率。

• 阻抗（Impedance, Ω）： 揚聲器對音頻放大器電流的阻抗。低阻抗的揚聲器會消耗更多功率，因此需要與放大器匹配，以確保最佳性能。

• 諧振頻率（Resonant Frequency, Hz）： 揚聲器最有效振動的頻率范圍，通常影響低頻響應。

• 尺寸（Size, mm）： 揚聲器尺寸影響其工作頻率范圍。小型揚聲器適用于高頻，大型揚聲器更適用于低頻。

• 總品質因數（Total Q）： 指導揚聲器適配的音箱類型。例如，總 Q 值小于 0.4 的揚聲器適用于通風式音箱，而總 Q 值大于 0.7 的揚聲器適用于自由空氣或半開放后蓋結構。

揚聲器尺寸與形狀的影響

通常情況下，較大尺寸的揚聲器能夠在相同的驅動信號下產生更大的聲壓級，并且對低頻響應更佳。對于小型揚聲器，可以通過DSP 預失真技術（例如用于手機和筆記本電腦的揚聲器）來增強其性能。此外，音箱的設計也可以在一定程度上改善揚聲器的表現。

揚聲器的形狀往往取決于可用的安裝空間。例如，橢圓形揚聲器可以在非方形空間內容納更大的振膜表面積，提高低頻性能。揚聲器的頻率響應曲線應被仔細檢查，以確保尺寸或形狀不會對其預期的性能產生負面影響。

揚聲器的環境適應性和應用考慮

不同環境對揚聲器的要求不同，因此有多種防護級別（IP 等級）可選，以適應潮濕或惡劣環境。例如，Same Sky 還提供符合 IEC 60601-1-8 醫療標準的醫療級揚聲器，適用于醫療報警系統。

此外，揚聲器通常沒有固定的壽命，因為它們在額定規格范圍內可以長期穩定工作，不同于許多電子元件，它們不會有明確的報廢期限。

關鍵揚聲器測量與測試

在選擇揚聲器后，還需要進行一些關鍵測試，以確保其性能符合設計要求。例如：

• 頻率響應（Frequency Response）： 展示揚聲器對不同頻率聲音的再現能力。

• 階梯頻率掃描（Stepped Frequency Sweep）： 通過針對特定別名頻率的測試，獲得更詳細的頻率響應數據。

• 總諧波失真（THD+N）： 評價音頻信號中新增的諧波失真。

• 相位測量（Phase）： 用于描述音頻波形相對于參考信號的時間偏移。

• Rub & Buzz 測試： 檢測揚聲器在低頻驅動下是否產生高頻噪音。

• Thiele-Small 參數測試： 用于描述揚聲器的低頻性能，并幫助優化音箱設計。

揚聲器振膜材料的影響

不同的振膜材料會影響揚聲器的音質。以下是常見的振膜材料及其特點：

• 塑料（Plastic）： 耐用性強，抗潮濕，適合精確制造，具有良好的阻尼特性。

• 紙 & 纖維（Paper & Cloth）：      自然音質佳，但受濕度影響較大，通常用于大型揚聲器。

• 泡沫（Foam）： 作為復合材料的一部分使用，提高內損耗，減少材料固有音染。

揚聲器磁鐵類型

磁鐵是揚聲器的關鍵組件，影響其整體性能。常見類型包括：

• 鐵氧體磁鐵（Ferrite）： 低成本，耐腐蝕，適用于高功率揚聲器。

• 鋁鎳鈷磁鐵（AlNiCo）： 早期用于揚聲器的磁鐵，音色平滑，但價格較高。

• 釹磁鐵（Neodymium, NdFeB）： 體積小、重量輕、磁場強，適用于小型高性能揚聲器。

• 釤鈷磁鐵（Samarium Cobalt）： 耐高溫和抗腐蝕，但成本較高。

結論

了解揚聲器的工作原理可以幫助工程師打造沉浸式音頻體驗。本博客文章概述了選擇揚聲器時需要考慮的眾多因素，但最終，實際測試和測量仍然是確保揚聲器性能的最佳方法。Same Sky 提供全系列微型揚聲器、標準揚聲器及音頻設計服務，助您優化揚聲器系統設計！