探究自制动圈式扬声器性能的影响因素
探究自制动圈式扬声器性能的影响因素
徐州市第一中学 王士嘉
（江苏省徐州市第一中学，江苏徐州，221000）
摘要：动圈式扬声器又称电动式扬声器。它是在音圈中输入交变电流产生运动，带动纸盆反复推动空气而发音的设备。本实验通过改变线圈匝数、振膜材质、振膜大小、磁铁磁力大小、音频波形等因素，测定频率响应曲线并分析原因，探究影响自制动圈式扬声器性能的因素，以此提出改善扬声器性能的方案。
关键词：动圈式扬声器；频率响应曲线；
动圈式扬声器是一种常见的扬声器类型，也被称为电磁式扬声器。它是在音圈中输入交变电流产生运动，带动纸盆反复推动空气而发音的设备。在动圈式扬声器的发展中，研究人员一直努力改进其设计和技术来提高音质和效能,包括使用新型磁体材料、改进音圈和振动系统的设计、优化扬声器的尺寸和外观，以适应不同场景和需求。
本探究对高中生科学素养的培养具有重要的价值。它可以帮助我们深入了解扬声器的工作原理和相关物理知识，培养创新能力和实验技巧。同时，通过实践操作，提高我们的问题解决能力和团队合作意识。
在本次探究中，我们在控制其他变量相同的前提下，通过改变线圈匝数、振膜材质、振膜大小、磁铁磁力大小、音频波形等因素，测定频率响应曲线并分析原因，探究影响自制动圈式扬声器性能的因素，以此提出改善扬声器性能的方案。
具体做法如下：
实验材料
纸杯、纸、涤纶、PE保鲜膜、铝箔、漆包线、薯片桶、磁铁、502胶水、3D打印的音圈架（PLA材质）
扬声器设计图
测试环境与方法
测试环境 |
信号源 |
荣耀 30 Frequency Sound Generator |
功放板 |
TDA2030A 电脑电源DC12V驱动 |
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收音条件 |
荣耀X20SE K5噪音分贝仪 |
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测试方法 |
记录100~15000Hz时的响度（以100Hz的间隔测试100~1000Hz范围的频率，以1000Hz的间隔测试1000~15000Hz范围的频率），每个声音频率下重复实验三次，用Excel统计数据，绘制出频率响应曲线。 |
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探究1线圈匝数对扬声器性能的影响
待测扬声器的参数
扬声器1：匝数150 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器2：匝数100 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器3：匝数50 磁铁数15 振膜纸杯
频率响应曲线
分析频率响应曲线
从频率响应曲线对比可以看出，相同条件下匝数为100匝的纸杯扬声器频率响应最好。
匝数为50匝的纸杯扬声器因为匝数太少，使通过扬声器的电流产生的电磁驱动力不足，因此频率响应不佳。
匝数为150匝的纸杯扬声器因为匝数太多，使得振膜质量过大，难以响应电流信号的变化；同时因为匝数过多，电感变大，难以通过高频电流，使得高音部分的频率响应更差。
结论：
扬声器在其他条件相同的情况下，匝数并不是越高越好。
匝数应该在保证足够的电磁驱动力的前提下，尽可能的减轻重量。
比如说采用更细的音圈用漆包线，采用无骨音圈结构。
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银 |
铜 |
铝 |
电阻率 |
1.6*10-8Ω·m |
1.7*10-8Ω·m |
2.9*10-8Ω·m |
密度 |
10.5*103 kg/m³ |
8.9*103 kg/m³ |
2.7*103 kg/m³ |
同时，由上表可以看出，在匝数和电阻相同的情况下铝线圈质量仅为银线圈质量的1/2.2，为铜线圈质量的1/1.9，所以用铝做线圈最合适。
但是因为铝的化学性质比较活泼，表面有致密的氧化膜，难以与外部电路连接，所以常见的扬声器线圈还是采用铜线圈，仅在部分高端的扬声器里才采用铝质的线圈。
探究2振膜材质对扬声器性能的影响
待测扬声器的参数
扬声器1：匝数100 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器2：匝数100 磁铁数15 振膜涤纶
扬声器3：匝数100 磁铁数15 振膜PE
频率响应曲线
分析频率响应曲线
从频率响应曲线对比可以看出，相同条件下纸振膜整体响应最好，涤纶振膜在低音区响应尚可但高音区效果差，PE振膜频率响应整体不佳。
这应该是因为此次实验的三种振膜密度都不大，但是纸振膜的韧性和刚性都较优异；涤纶振膜的韧性好而刚性差，导致低音响应尚可但高音效果差；PE振膜虽然质量最轻但韧性和刚性均不佳，导致频率响应整体不佳，仅在高音部分稍有起色。
结论：
扬声器在其他条件相同的情况下，振膜需要密度低（质量小）、韧性好、刚性强。
查阅资料得知，振膜密度小，扬声器易推动，瞬态响应更更好；振膜韧性好，振膜在工作时不易变形，寿命长且能有效抑制谐振的产生；振膜刚性好，可以减少扬声器的失真。
常见扬声器的振膜主要有纸、复合塑料、金属和合成纤维等，考虑到性价比，我们可以用纸来制作普通扬声器的振膜。
探究3振膜大小对扬声器性能的影响
待测扬声器的参数
扬声器1：匝数50 磁铁数15 振膜1.5x
扬声器2：匝数50 磁铁数15 振膜1x
扬声器3：匝数50 磁铁数15 振膜0.75x
频率响应曲线
分析频率响应曲线
通过上述实验，在所测试的输入声源频率范围内，我们认识到不同大小的纸盆对扬声器性能有影响，具体表现为在其他因素相同时，纸盆越小质量越轻，可以更快地响应高频信号的变化，高频响应越好；纸盆越大，能够推动空气越多，低频声压越大。
结论：
扬声器在其他条件相同的情况下，振膜大低音好，振膜小高音好。
所以我们常见的多单元扬声器系统会既有高音部分的小扬声器单元，也有中低音部分的大扬声器部分，有时候为了强调低音还会加入更大单元的超重低音部分。
探究4磁铁磁力大小对扬声器性能的影响
待测扬声器的参数
扬声器1：匝数150 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器2：匝数150 磁铁数10 振膜纸杯
扬声器3：匝数150 磁铁数05 振膜纸杯
频率响应曲线
分析频率响应曲线
对比磁铁数10和磁铁数5的扬声器频率响应曲线可以看出，磁铁数10扬声器的频率响应更好；对比磁铁数15和磁铁数10的扬声器频率响应曲线可以看出，磁铁数15和磁铁数10的扬声器的频率响应相近。
结论：
扬声器在其他条件（线圈匝数、振膜材质、振膜大小）相同的情况下，磁铁磁力越大，扬声器的频率响应越好，但超过一定限度，堆砌磁铁数量对提高扬声器的频率响应效果不明显。
所以我们常见的动圈式扬声器里，较大扬声器里的磁体主要为磁性稍弱但更廉价的铁氧体磁铁，而小型耳机扬声器里所用的磁体为保证效果主要为磁性更强但价格偏高的铷铁硼磁铁。
探究5不同波形对扬声器性能的影响
待测扬声器的参数
扬声器1：匝数100 磁铁数15 振膜纸杯 波形正弦波
扬声器2：匝数100 磁铁数15 振膜纸杯 波形方波
频率响应曲线
分析频率响应曲线
对比正弦波和方波的频率响应曲线可以看出，低中音区相近，高音区方波的频率响应更好。
结论：
扬声器在硬件条件相同的情况下，波形不同会使频率响应不同。在硬件条件有限的情况下，如果高音区频率响应不足，我们可以用软件（如Camtasia Studio）扩展高音区的正弦波形峰值时间，修正成类似方波的波形，以此提高频率响应效果。
探究6其他因素对扬声器性能的影响
待测扬声器的参数
第一组
扬声器1：匝数150 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器2：匝数100 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器3：匝数50 磁铁数15 振膜纸杯
第二组
扬声器1：匝数100 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器2：匝数100 磁铁数15 振膜涤纶
扬声器3：匝数100 磁铁数15 振膜PE
第三组
扬声器1：匝数150 磁铁数15 振膜纸杯
扬声器2：匝数150 磁铁数10 振膜纸杯
扬声器3：匝数150 磁铁数05 振膜纸杯
第四组
扬声器1：匝数50 磁铁数15 振膜1.5x
扬声器2：匝数50 磁铁数15 振膜1x
扬声器3：匝数50 磁铁数15 振膜0.75x
频率响应曲线
分析频率响应曲线
观察以上频率响应曲线，我们发现前三张图中的曲线均在5kHz处有明显的向下波动产生深V字图形（如图中红圈部分），而第四张图中没有此现象。
最早我们以为是扬声器谐振消耗了能量，但是不同扬声器结构和质量不同，不应该都在5kHz的频率下发生谐振。
于是，我们测量了从振膜背面到扬声器底部的距离为70mm左右，除以声速得到声音走完此段距离的用时为2*10^-4s，恰巧是5kHz声波走完1个波长距离的时间，等于是扬声器背面的反相音波没有倒转相位，直接叠加在正相音波上，对正相音波起到了抵消作用，导致扬声器在5kHz处的频率响应差，出现了图中的深V字图形。
结论：
扬声器背面的反相音波会对扬声器的工作效率产生影响。
我们可以将扬声器背面的反相音波倒转相位，起到增强正相音波、提高扬声器总输出效率的作用。
我们可以调整倒相管的位置、长度和口径，来调节扬声器的频率响应。
总结和应用：
扬声器频率响应的峰值或最高点是它的谐振频率。
一定限度内，线圈匝数越高扬声器频率响应越好，但在保证足够的电磁驱动力的前提下，应尽可能地减轻线圈重量。如采用更细的音圈用漆包线，采用无骨音圈结构，部分高端扬声器可以尝试采用铝制音圈。
扬声器在其他条件相同的情况下，振膜需要密度低（质量小）、韧性好、刚性强。符合此要求的有纸、复合塑料、金属和合成纤维等，考虑到性价比，我们可以用纸来制作普通小扬声器的振膜。
扬声器在其他条件相同的情况下，振膜大低音好一点，振膜小高音好一点。我们可以用高音部分优秀的小扬声器和中低音部分优秀的大扬声器合成一套频率响应优秀的多单元扬声器系统，当然为了强调低音还可以加入更大单元的超重低音部分。
一定限度内，磁铁磁力越大频率响应越好，但超过一定限度，堆砌磁铁数量对提高扬声器的频率响应效果不明显。较大扬声器空间较大可以使用磁性稍弱但更廉价的铁氧体磁铁，小型耳机为保证效果可以使用磁性更强但价格偏高的铷铁硼磁铁。
如果高音区频率响应不足，可以用软件扩展高音区的正弦波形峰值时间，修正成类似方波的波形，以此提高频率响应效果。
我们可以将扬声器背面的反相音波倒转相位，起到增强正相音波、提高扬声器总输出效率的作用。我们也可以调整倒相管的位置、口径和长度来调节扬声器的频率响应。
参考文献：
