CN109618271B - 对扬声器的声负载产生预测曲线的方法 - Google Patents

对扬声器的声负载产生预测曲线的方法 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种对扬声器的声负载产生预测曲线的方法。扬声器包含一号筒与一膜片，该号筒的一端定义为喉口，该号筒的另一端之外为自由空间。来自该膜片的声波穿过该喉口并逐渐扩散到该号筒的另一端之外的自由空间。该方法包含以下步骤：定义一截面或一表面，其中该截面为该喉口的截面，该表面为该膜片的表面；对该截面或该表面的声压值进行积分并取得有效声压，或者对该截面或该表面的声能量进行积分并取得辐射声功率；以及根据该有效声压或该辐射声功率，产生该预测曲线，其中该预测曲线为声阻抗曲线或声功率曲线。

Description

对扬声器的声负载产生预测曲线的方法
技术领域
本申请是关于对扬声器产生预测曲线的方法，尤其是关于对扬声器的声负载产生预测曲线的方法，其中预测曲线包括声阻抗曲线及/或声功率曲线。
背景技术
扬声器是一种电声换能器，只要有声能出现，就必定有声负载存在。大部分扬声器是利用空气振动，把空气作为媒质进行声波的传递，来达到扬声的效果。声负载实际是由空气引起的。
更进一步来说，扬声器中的压缩策动单元的声负载作用更是重中之重，因为压缩策动单元的核心正是掌管着决定扬声器中的空气压缩与振动。所以在压缩策动单元的开发与设计时，单独对声负载的模拟仿真是非常有必要的。
虽然目前扬声器领域已经有利用SPL与IMP模拟曲线，这两种模拟曲线已经包含了声负载的影响，但是SPL曲线是包含了膜片机械振动与声负载的共同作用下的频响曲线；而IMP曲线是包括了直流阻抗、动升阻抗、感抗和声阻抗的共同作用下的阻抗曲线。也就是说，传统的SPL与IMP模拟曲线并不是单纯的声负载的模拟曲线，并无法抽离出声负载的模拟仿真曲线，因此也就无法对压缩策动单元的开发与设计提出良好的建议。
发明内容
有鉴于此，本申请提出一种对扬声器的声负载产生预测曲线的方法。扬声器包含一号筒与一膜片，该号筒的一端定义为喉口，该号筒的另一端之外为自由空间。来自该膜片的声波穿过该喉口并逐渐扩散到该号筒的另一端之外的自由空间。该方法包含以下步骤：定义一截面或一表面，其中该截面为该喉口的截面，该表面为该膜片的表面；对该截面或该表面的声压值进行积分并取得有效声压，或者对该截面或该表面的声能量进行积分并取得辐射声功率；以及根据该有效声压或该辐射声功率，产生该预测曲线，其中该预测曲线为声阻抗曲线或声功率曲线。
在不同实施例中，扬声器还包含一相位塞，该相位塞位在该膜片与该喉口之间，来自该膜片的声波穿过该相位塞的通道抵达该喉口，且该截面可以是从该相位塞的入口处到该号筒的出口处的任一截面。
在一实施例中，对该截面或该表面的声压值进行积分并取得该有效声压的步骤，进一步包含：对该截面或该表面的声压值进行积分先取得声压积分值；该声压积分值除以该截面的面积，以获得该有效声压；对截面上的质点速度进行积分，以获得体积速度；以及根据该有效声压与该体积速度，产生该声阻抗曲线。
声阻抗曲线包含声阻曲线和声抗曲线，该方法进一步包含：对该声阻抗曲线进行实数运算，以产生该声阻曲线。对该声阻抗曲线进行虚数运算，以产生该声抗曲线。
在另一实施例中，对该截面或该表面的声能量进行积分并取得辐射声功率的步骤，进一步包含：计算单位时间内通过该表面的声能量；对该表面的该声能量进行积分，以产生该声功率曲线。
通过该声功率曲线可进一步获得电声转换效率。该方法包含：提供输入电压值与直流阻抗；以及该输入电压值的平方除以该直流阻抗，以获得输入电功率的数值。取出该声功率曲线的最大值；以及该最大值与该输入电功率的数值相比，以获得电声转换效率。
除了具有号筒的号角型扬声器之外，本申请也提供适用于直接辐射型扬声器的扬声器声负载产生预测曲线的方法。该扬声器包含一膜片，该方法包含以下步骤：定义一表面，该表面为该膜片的表面；对该表面的声压值进行积分并取得有效声压；以及根据该有效声压或该辐射声功率，产生该预测曲线，其中该预测曲线为声阻抗曲线或声功率曲线。
相类似地，产生该声阻抗曲线的方法包含：对该表面的声压值进行积分先取得声压积分值；该声压积分值除以该表面的面积，以获得该有效声压；对该表面上的质点速度进行积分，以获得体积速度；根据该有效声压与该体积速度，产生该声阻抗曲线。在本实施例中，产生该声功率曲线的方法包含：计算单位时间内通过该截面或该表面的声能量；以及对该截面或该表面的该声能量进行积分，以产生该声功率曲线。
附图说明
图1为根据本申请的扬声器的局部示意图。
图2为根据本申请的对扬声器的声负载产生预测曲线的方法，显示一实施例的方框图。
图3为根据本申请的对扬声器的声负载产生声阻抗曲线的方法，显示一实施例的方框图。
图4为根据本申请的对扬声器的声负载产生预测曲线的方法，显示一实施例的声阻抗曲线。
图5为根据图4的声阻抗曲线，区分出声阻曲线与声抗曲线。
图6为根据号筒扬声器在有无相位塞的情形下，显示其喉口处的截面或膜片的表面的声阻抗曲线。
图7根据直接辐射型扬声器，显示对其膜片的表面进行计算获得的声阻抗曲线。
图8为根据本申请的对扬声器的声负载产生声功率曲线的方法，显示一实施例的方框图。
图9为根据本申请的对扬声器的声负载产生声功率曲线的方法，显示一实施例的声功率曲线。
图10是在包含有相位塞且具有号筒与没有号筒的情形下，分别显示其所计算出的声功率曲线。
图11是在包含有号筒且具有相位塞与没有相位塞的情形下，分别显示其所计算出的声功率曲线。
图12是在没有号筒且没有相位塞的情形下，显示其所计算出的声功率曲线。
图13为根据本申请的对扬声器的声负载产生声功率曲线，计算电声转换效率的方法，显示一实施例的方框图。
具体实施方式
本申请的主要目的之一就是提供一种对扬声器的声负载产生预测曲线的方法。该扬声器可以是具有号筒的扬声器、具有压缩策动单元(包含号筒与相位塞)的扬声器、以及直接辐射型扬声器。
首先说明具有压缩策动单元的扬声器，对该扬声器的声负载产生预测曲线的方法。请参考图1，扬声器包含一号筒14、一相位塞11、与一膜片12。该号筒14的一端定义为喉口T，该号筒14的另一端之外为自由空间。该相位塞11位在该膜片12与该喉口T之间。扬声器的发声基本原理是对音圈(未标号)通电以产生电磁，通过磁路13与音圈之间的磁场作用产生磁感应力而带动膜片12产生震动，并据此带动周边空气而发声。来自膜片12的声波穿过该相位塞11的通道抵达该喉口T并逐渐扩散到号筒14的另一端之外的自由空间。由于扬声器的发声原理为本领域所熟知者，故不在此赘述。
如图2所示，本申请的方法包含以下步骤S21至S23：
步骤S21：定义一截面或一表面，其中该截面为该喉口的截面，该表面为该膜片的表面。更进一步来说，该截面可以是从相位塞11的入口处到号筒14的出口处之间的任一截面。亦即，本申请所提出的方法可以适用于仅含号筒的扬声器，或仅含相位塞的扬声器，亦可适用于包含号筒与相位塞的扬声器。若是对于没有号筒或相位塞的扬声器，则可以仅定义表面，即膜片的表面。
步骤S22：对该截面或该表面的声压值进行积分并取得有效声压，或者对该截面或该表面的声能量进行积分并取得辐射声功率。
步骤S23：根据该有效声压或该辐射声功率，产生该预测曲线，其中该预测曲线为声阻抗曲线或声功率曲线。
更具体而言，其中一实施例是根据有效声压，产生声阻抗曲线。请同时参考图3，对截面或表面的声压值进行积分取得有效声压的步骤是先进行步骤S31：取得声压积分值，然后该声压积分值除以该截面或该表面的面积，才获得该有效声压(步骤S32)。然后是步骤S33：对该截面或该表面上的质点速度进行积分，以获得体积速度。最后是步骤S34：根据该有效声压与该体积速度，产生该声阻抗曲线。
该声阻抗曲线包含声阻曲线和声抗曲线。步骤S341可以区分出该声阻曲线，即对该声阻抗曲线进行实数运算，以产生该声阻曲线。步骤S342则可以区分出该声抗曲线，即对该声阻抗曲线进行虚数运算，以产生该声抗曲线。
举例来说，以具有压缩策动单元的扬声器为例，扬声器包含有号筒与相位塞，对喉口处的截面与对膜片的表面分别进行计算声阻抗曲线(Za)，计算式为Za＝p/U，单位为Pa*s/m3。根据上述方法步骤计算，可得结果如图4所示，声阻抗曲线，其中黑色为喉口处的截面所计算出的声阻抗曲线，浅灰色为膜片的表面所计算出的声阻抗曲线。
进一步来说，本申请还利用数学式的复数运算，如上所述，对该声阻抗曲线进行实数运算(Ra＝Real(Za))与虚数运算(Xa＝Imag(Za))，以分别获得声阻曲线与声抗曲线。以具有压缩策动单元的扬声器为例，扬声器包含有号筒与相位塞，对喉口处的截面计算，结果如图5所示。
本申请的方法亦可适用于无相位塞的号筒扬声器。图6显示的是号筒扬声器在有无相位塞的情形下，对喉口处的截面或膜片的表面进行计算获得的四种不同的声阻抗曲线。其中仿真显示喉口声阻抗曲线在具有与没有相位塞时是重叠一样的，说明了喉口声阻抗只取决于号筒的形状，与相位塞无关。
本申请的方法还可适用于无相位塞亦无号筒的直接辐射型扬声器。图7显示的是直接辐射型扬声器，对其膜片的表面进行计算获得的声阻抗曲线。
本申请是根据辐射声功率，产生声功率曲线。更进一步来说，在图2的步骤S22中，对该截面或该表面的声能量进行积分并取得辐射声功率的步骤，可进一步细化如图8所示，包含步骤S81：计算单位时间内通过该截面或该表面的声能量；以及步骤S82：对该截面或该表面的该声能量进行积分，以产生该声功率曲线。
举例而言，单位时间内通过垂直声传播方向面积S的平均声能量I(声强度)就是平均声功率，即Wa＝I*S，单位：W。因此，对膜片振动的表面上的声强进行积分就可获得辐射声功率。计算结果则如图9所示的声功率曲线(Wa曲线)。图10是在包含有相位塞且具有号筒与没有号筒的情形下，分别显示其所计算出的声功率曲线(Wa曲线)。图11是在包含有号筒且具有相位塞与没有相位塞的情形下，分别显示其所计算出的声功率曲线(Wa曲线)。
图12则是在没有号筒且没有相位塞的情形下，显示其所计算出的声功率曲线(Wa曲线)。
根据声功率曲线，本申请还可进一步计算以获得电声转换效率。请参考图13，步骤S821：提供输入电压值与直流阻抗；步骤S822：该输入电压值的平方除以该直流阻抗，以获得输入电功率的数值；步骤S823：取出该声功率曲线的最大值；以及步骤S824：该最大值与该输入电功率的数值相比，以获得电声转换效率。
举例来说，根据图9的声功率曲线，以输入电压是0.283V(福特)且直流阻抗是5.6ohm(欧姆)为例，计算可得输入电功率为Wi＝0.2832/5.6＝14.2mW。再取出声功率曲线中的最大值，即2.7mW(瓦特)。将该最大值与该输入电功率的数值相比，即η＝Wa/Wi＝2.7/14.2＝19％，亦即图9实施例的电声转换效率为19％。
在另一实施例中，根据图12的声功率曲线，以输入电压是1.414V且直流阻抗是3.55ohm为例，计算可得输入电功率为Wi＝1.4142/3.55＝0.563W。再取出声功率曲线中的最大值，即0.0014W(瓦特)。将该最大值与该输入电功率的数值相比，即η＝Wa/Wi＝0.0014/0.563＝0.25％，亦即图12实施例的电声转换效率为0.25％。直接辐射型扬声器的电声转换效率相较于压缩策动单元的电声转换效率来的低。
在不同实施例中，可能选择不同的输入电压与直流抗组做为计算的参数，虽然计算出来的声功率值是不一样的，但是效率(电功率与声功率的比值)是一样的。因此对于扬声器设计人员来说，这样的预测曲线会很有参考价值。
压缩策动单元的两个最显著特点就是，内设有相位塞结构和外置搭配号筒使用。相位塞和号筒在本质上就是通过改变声负载，调整从膜片振动压缩空气到自由场之间的声阻抗匹配问题。因此，若能针对声负载的模拟仿真是非常有必要的。
虽然本申请已以实施例公开如上，然其并非用以限定本案，任何本领技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本申请的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种对扬声器的声负载产生预测曲线的方法，其中该扬声器包含一号筒与一膜片，该号筒的一端定义为喉口，该号筒的另一端之外为自由空间，来自该膜片的声波穿过该喉口并逐渐扩散到该号筒的另一端之外的自由空间，该方法的特征在于包含以下步骤：
定义一截面或一表面，其中该截面为该喉口的截面，该表面为该膜片的表面；
对该截面或该表面的声压值进行积分并取得有效声压；以及
根据该有效声压，产生该预测曲线，其中该预测曲线为声阻抗曲线；
其中对该截面或该表面的声压值进行积分并取得该有效声压的步骤，进一步包含：
对该截面或该表面的声压值进行积分先取得声压积分值；
该声压积分值除以该截面或该表面的面积，以获得该有效声压；
对该截面或该表面上的质点速度进行积分，以获得体积速度；以及
根据该有效声压与该体积速度，产生该声阻抗曲线。
2.如权利要求1所述的方法，其中该扬声器包含一相位塞，该相位塞设置于该膜片与该喉口之间，来自该膜片的声波穿过该相位塞的通道抵达该喉口并逐渐扩散到该号筒的另一端之外的自由空间，且该截面可以是从该相位塞的入口处到该号筒的出口处之间的任一截面。
3.如权利要求1所述的方法，其中该声阻抗曲线包含声阻曲线和声抗曲线，该方法进一步包含：对该声阻抗曲线进行实数运算，以产生该声阻曲线。
4.如权利要求1所述的方法，其中该声阻抗曲线包含声阻曲线和声抗曲线，该方法进一步包含：对该声阻抗曲线进行虚数运算，以产生该声抗曲线。
5.如权利要求1或2所述的方法，还包括对该截面或该表面的声能量进行积分并取得辐射声功率，根据该辐射声功率，产生该预测曲线，该预测曲线为声功率曲线；其中对该截面或该表面的声能量进行积分并取得辐射声功率的步骤，进一步包含：
计算单位时间内通过该截面或该表面的声能量；以及
对该截面或该表面的该声能量进行积分，以产生该声功率曲线。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包含：
提供输入电压值与直流阻抗；以及
该输入电压值的平方除以该直流阻抗，以获得输入电功率的数值。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包含：
取出该声功率曲线的最大值；以及
该最大值与该输入电功率的数值相比，以获得电声转换效率。
8.一种对扬声器的声负载产生预测曲线的方法，其中该扬声器包含一膜片，该方法的特征在于包含以下步骤：
定义一表面，该表面为该膜片的表面；
对该表面的声压值进行积分并取得有效声压；以及
根据该有效声压，产生该预测曲线，其中该预测曲线为声阻抗曲线，
其中对该表面的声压值进行积分并取得该有效声压的步骤，进一步包含：
对该表面的声压值进行积分先取得声压积分值；
该声压积分值除以该表面的面积，以获得该有效声压；
对该表面上的质点速度进行积分，以获得体积速度；以及
根据该有效声压与该体积速度，产生该声阻抗曲线。
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