1. 课题背景

1.1中科院微型实验室“科探方舟”

“科探方舟”（课题研究项目），是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。“科探方舟”以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成“小课题研究”，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。“科探方舟”是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型的实验室，其中包含了生命科学、资源环境等十个不同方向的课题，分别涉及水质差异与硬水软化、射电天文望远镜工程、桥梁承载能力、住宅日照间距、种子催芽剂、风力发电等，都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新 意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。

1.2课题简介

扬声器又称喇叭，是一种十分常用的电声换能器件，在音响设备中有着广泛的应用，音频电流通过电磁、压电或者静电等效应，使扬声器的振动部分向空气中辐射出声音。扬声器性能的好坏，到底与哪些因素影响？为了解答这个问题，我们自制了一个动圈式扬声器，并通过改变音圈疏密以及振膜大小等参数，分别研究了这些参数的改变对扬声器性能的影响情况，探究了扬声器的频率响应特性。通过此项研究，可进一步提出更有效的优化方案，从而提高其在音响设备中的应用效果。

扬声器性能的好坏，到底与哪些因素影响？为了解答这个问题，我们自制了一个动圈式扬声器，并通过改变音圈疏密以及振膜大小等参数，分别研究了这些参数的改变对扬声器性能的影响情况，探究了扬声器的频率响应特性。通过此项研究，可进一步提出更有效的优化方案，从而提高其在音响设备中的应用效果。提出音圈越密，振膜越大扬声器声音越大的设想。

2. 实验过程

2.1实验伊始

站在即将开始的“自制动环形扬声器性能影响因素探究”实验前，我心中充满了期待和好奇。这将是我首次深入探索音频设备的内部工作原理，并且能够亲手操作和测试专业的音频设备，这对我来说是一个全新的挑战。

首先，我利用图书馆和互联网资源，对扬声器的基本原理进行了初步的学习。我了解了声音是如何通过扬声器产生的，以及扬声器设计中的各种因素如何影响其性能。这些知识为我理解实验的目的和过程打下了基础。

接下来，我阅读了几篇关于自制动环形扬声器的技术文章，试图理解这种扬声器的工作机制及其与传统扬声器的不同之处。虽然一些专业术语和复杂的概念对我来说有些难以理解，但我还是尽力去把握主要观点。

此外，我还向学校的物理老师寻求帮助，希望他们能够提供一些实验技巧和安全指导。老师给了我一些有用的建议，比如如何准确地记录数据，以及在实验室中应该遵守的安全规则。

为了准备好实验所需的技能，我还参加了学校组织的科学俱乐部活动。在那里，我有机会使用一些基本的实验工具，比如万用表和麦克风。虽然这些经历还不足以让我成为一个实验专家，但至少让我对实验设备有了基本的了解。

最后，我开始制定我的实验计划。我列出了我需要收集的数据类型，以及我打算如何改变自制动系统的参数来观察扬声器性能的变化。我还准备了一个笔记本，用于记录实验过程中的所有重要信息和观察结果。

尽管我已经做了一些准备工作，但我知道我还有很多要学习的地方。我期待着在实验过程中能够获得更多的知识和经验，并希望我能够为这个项目做出贡献。

2.2实验过程

实验之前准备

我们首先对实验所需知识进行了充分的学习，之后，通过微信建立了一个工作群，讨论后共同制定了实验计划。课题主要由五个实验组成，

·实验一：扬声器的开放设计与制作

选用科学盒子中的热熔胶枪、公对母杜邦线、公对公杜邦线、音频线、接线端子、功放板、纸杯、漆包线等，完成纸杯扬声器的制作

·实验二：探究扬声器的频率响应特性

自变量：不同频率

因变量：不同频率对应的分贝数

·实验三：探究音圈疏密对扬声器性能的影响

自变量：线圈匝数

因变量：扬声器音量

·实验四：探究振膜大小对扬声器性能的影响

自变量：杯子口径

因变量：扬声器音量

·实验五：探究音圈材质对扬声器性能的影响

自变量：音圈材质

因变量：扬声器音量不同指定频率声音下的响应声压级

2.3结果分析

这些实验揭示了扬声器设计的复杂性，以及多个变量如何共同作用以决定最终的音质和性能。通过对这些变量的理解和控制，可以设计和优化扬声器以满足特定的应用需求。

一是制作纸杯扬声器的过程涉及将音圈和振膜（纸杯）结合，并确保它们可以自由振动以产生声音。热熔胶枪用于固定组件，而杜邦线和音频线则用于连接电路。这种设计简单且成本低廉。

二是扬声器的频率响应特性是衡量其性能的关键指标。实验结果表明，扬声器对不同频率的声音有不同的响应，这通常表现为频率与分贝数的关系图（频率响应曲线）。理想情况下，扬声器应该能够在整个听觉频率范围内提供平坦的频率响应，但在实际应用中，由于机械和电气限制，扬声器的频率响应通常会出现波动。

三是音圈的疏密程度，即线圈匝数，直接影响扬声器的磁场和感应电流，进而影响振膜的移动。线圈匝数的增加可能会增加扬声器的阻抗和功率处理能力，但也可能导致移动质量增加，从而影响高频响应。因此，音圈的疏密程度需要根据扬声器的设计目标来优化。

四是振膜的大小直接关系到扬声器的辐射面积和振动空气的能力。较大的振膜通常能够提供更大的音量和更低的低频响应，但可能会牺牲高频的清晰度。杯子口径的变化改变了振膜的面积，从而影响了扬声器的整体性能。

五是音圈材质的选择会影响扬声器的效率、功率处理能力和声音质量。不同的材质具有不同的质量、刚度和内部阻尼特性，这些因素都会影响音圈在电磁场中的运动和声音的产生。例如，轻质材料可能有助于提高高频响应，而高刚性材料可能有助于提高低频性能。

扬声器的响应线并非一条平坦的直线，它是一条具有许多峰谷点的不规则的连接曲线。扬声器音量大小与音圈疏密、振膜大小和音圈材质有关。线圈匝数越多，线圈电阻越大，通过线圈的电流越小，扬声器的音量反而越低，线圈匝数对扬声器音量大小的影响呈正态分布，两边低，中间高。在一定程度上，振膜的大小越大，扬声器的音量就越大。在不同音圈材质中，用铝线做线圈更合适，音圈材料越好，声音密度也越好，失真越小。

3. 课题报告

自制动圈式扬声器并探究扬声器性能的影响因素

科探方舟第八组

何思琪 司昊阳 刘淑晴 贾明磊

摘要:本课题旨在从扬声器的的制作及其影响因素方面进行探究，运用提供的材料进行组装及改进。选取科学盒子中部分材料，如热熔胶枪、公对母杜邦线、公对公杜邦线、音频线、接线端子、功放板、纸杯、漆包线等。后进行电路的连接及扬声器的制作。在进行对扬声器性能影响因素实验时，首先提出猜想，其次运用控制变量法，对本小组研究员认为的影响因素如音圈疏密、振膜大小、音圈材质等进行一一探究。结果表明，扬声器音量大小与音圈疏密、振膜大小、音圈材质有关。在控制变量基础上，不同条件下，扬声器音量也不相同。

关键词：扬声器 自制 动圈式 影响因素

0. 引言：

扬声器发明是指一种将电信号通过振动产生声音的装置，其主要用于音乐播放、语音通讯和广播等领域。扬声器发明的历史可以追溯到19世纪末期，当时发明家Edison在研究电话技术的过程中提出了“膜式扬声器”的概念。膜式扬声器是一种将电信号转换为声波的装置，它由一个薄膜、一个磁体和一个永久磁铁组成。当电流通过磁体时，它会产生一个磁场，这个磁场会引起薄膜的振动，从而产生声波。这种扬声器可以将人的声音转换为电信号并放大。20世纪初，扬声器技术得到了进一步的发展。在1925年，美国发明家Rice和Kellogg发明了一种新型的扬声器，称为“动圈扬声器”。这种扬声器利用了一个金属圆盘的振动来产生声音。圆盘上有一个线圈，当电流通过线圈时，它会在磁场中产生振动。这种扬声器成为了音响设备的标准配件，并广泛用于广播、电视和音乐播放等领域。在现代，扬声器的种类已经变得非常多样化。除了传统的圆形扬声器，还有线阵列扬声器、超声波扬声器和扩音器等等。这些新型扬声器不仅在声音品质上有所提升，而且在尺寸和功率上也更加灵活和多样化。总的来说，扬声器发明的历史是一个不断发展和创新的过程。从最初的膜式扬声器到现代的多种类型扩音器，扬声器技术一直在逐渐完善和提高。扬声器的发明不仅为人们带来了更好的音乐和语音体验，也为现代通讯和娱乐行业的发展做出了贡献。

1.材料与方法

1.1 材料选择

本实验选取科学盒子中部分材料，包括热熔胶枪、公对母杜邦线、公对公杜邦线、音频线、接线端子、功放板、纸杯、漆包线等。

1.2 实验方法

将选用的材料，进行电路的连接及扬声器的制作，并完成如下五个实验。

1.2.1扬声器的开放设计与制作

本研究小组选用科学盒子中的热熔胶枪、公对母杜邦线、公对公杜邦线、音频线、接线端子、功放板、纸杯、漆包线等进行纸杯扬声器的制作。首先将一根细长的纸条紧紧缠绕在磁铁或圆形柱体(圆柱底面直径应大于等于磁铁直径）上，并用双面胶固定。当第一根纸条固定好后，开始将第二根又长又窄的纸条缠绕在第一根线条外面，并用双面胶固定结实。将漆包线在制作好的纸卷上缠绕一定圈数。比如20圈，漆包线两端应预留约15cm长的自由端。线圈缠绕好后，将漆包线两段松散的电线拧在一起，并在保持线圈形状的同时，小心滴将铜线从纸圈上取下，并用胶带粘住线圈，以免线圈散开。使用砂纸打磨线圈两端的铜线，去除漆包线表面的绝缘层，每端打磨掉1~2cm长的绝缘层，仔细观察会发现打磨掉的绝缘层的导线颜色与绝缘层颜色的明显不同。接着 ，用热熔胶枪将线圈固定在纸杯的外底面中心，用双面胶将磁铁粘到纸杯的内底面中心。将线圈两端打磨好的自由导线接入快速接线端子，快速接线端子另一端通过杜邦线连接到单通道功放板上的两个喇叭输出端。将红色或者白色音频线通过接线端子及杜邦线连接到功放板上的“音频输入正”，将黑色音频导线通过接线端子及杜邦线连接到功放板上的“音频输入负”。将音频线的另一端和手机或电脑相连，利用电源适配器给功放板供电。红色电源线（电源正极）通过接线端子及杜邦线和功放板上的“供电正连接”，黑色电源线（电源负极）通过接线端子及杜邦线和功放板上的（供电负）连接。最后，播放一首音乐检验扬声器是否能够发声。

1.2.2 自制扬声器的频率响应特性研究

本研究小组成员首先寻找了一个安静的房间进行实验。要测量扬声器的频率响应，需让扬声器播放不同频率的纯音，并测量扬声器在该频率下的升压级。在检验过扬声器是否能够发生后，本研究小组成员先测试了声音大小，将播放设备的音量调低到舒适的水平，再使用“频率发生器”APP播放指定频率的纯音。接着使用“噪音分贝仪”APP将测量设备与纸质扬声器保持固定的距离，测量发生的分贝数。为了确保实验结果的准确性，本研究小组成员在每个声音频率下重复实验三次，并取平均值。通过该实验，本研究小组成员发现，扬声器的响应曲线并非一条平坦的直线，它是一条具有许多峰谷点的不规则的连接曲线。

1.2.3 探究音圈疏密对扬声器性能的影响

在探究音圈疏密对扬声器的影响时，本研究小组成员在控制每个扬声器所用的磁铁大小和数量等其他材料相同时，缠绕了三个不同疏密的线圈（12、24、36匝）。缠绕好后将其连接到扬声器测试电路部分，播放相同频率，相同音量的纯音信号，测量该频率下的声压级。将测量设备与纸质扬声器保持固定距离，测量发生的分贝数，并重复在每个声音频率下实验三次，取平均值。实验之前本研究小组成员提出猜想，认为线圈匝数越多，声音会越大。但是通过该实验本研究小组成员发现线圈匝数越多，线圈的电阻越大，通过线圈的电流越小，扬声器的音量反而越低，线圈匝数对扬声器音量大小的影响呈正态分布，两边低，中间高。

1.2.4 探究振膜大小对扬声器性能的影响

绕制三个相同的音圈分别固定在尺寸不一样的1倍、 1.25倍、1.5倍的三个锥形纸杯上，通过扬声器系统测量扬声器在不同指定频率纯音下的响应声压级，每个声音频率下重复实验三次取平均值。通过该实验，本研究小组成员发现在一定程度上振膜的大小越大，扬声器的音量就越大。

1.2.5 探究音圈材质对扬声器性能的影响

在保持其他条件相同的情况下，选取银线，铜线，铝线作为音圈的材质。将线圈安装在纸杯上后，连接扬声器系统，测量扬声器在不同指定频率声音下的响应声压级。每个声音频率下重复实验三次，取平均值。通过查阅的资料以及实验得知银的电阻率为：1.65 x 10^(-8) Ω·m，铜的电阻率为：1.75 x 10^(-8) Ω·m，铝的电阻率为：2.83 x 10^(-8) Ω·m，但因为其密度的不同，所以在匝数和电阻相同的情况下，铝线圈质量仅为沿线圈质量的1/2.2，为铜线圈质量的1/1.9，所以用铝线圈更为合适。音圈材料越好声音密度也会越好，失真也越小。

2结果与分析

这些实验揭示了扬声器设计的复杂性，以及多个变量如何共同作用以决定最终的音质和性能。通过对这些变量的理解和控制，可以设计和优化扬声器以满足特定的应用需求。

一是制作纸杯扬声器的过程涉及将音圈和振膜（纸杯）结合，并确保它们可以自由振动以产生声音。热熔胶枪用于固定组件，而杜邦线和音频线则用于连接电路。这种设计简单且成本低廉。

二是扬声器的频率响应特性是衡量其性能的关键指标。实验结果表明，扬声器对不同频率的声音有不同的响应，这通常表现为频率与分贝数的关系图（频率响应曲线）。理想情况下，扬声器应该能够在整个听觉频率范围内提供平坦的频率响应，但在实际应用中，由于机械和电气限制，扬声器的频率响应通常会出现波动。

三是音圈的疏密程度，即线圈匝数，直接影响扬声器的磁场和感应电流，进而影响振膜的移动。线圈匝数的增加可能会增加扬声器的阻抗和功率处理能力，但也可能导致移动质量增加，从而影响高频响应。因此，音圈的疏密程度需要根据扬声器的设计目标来优化。

四是振膜的大小直接关系到扬声器的辐射面积和振动空气的能力。较大的振膜通常能够提供更大的音量和更低的低频响应，但可能会牺牲高频的清晰度。杯子口径的变化改变了振膜的面积，从而影响了扬声器的整体性能。

五是音圈材质的选择会影响扬声器的效率、功率处理能力和声音质量。不同的材质具有不同的质量、刚度和内部阻尼特性，这些因素都会影响音圈在电磁场中的运动和声音的产生。例如，轻质材料可能有助于提高高频响应，而高刚性材料可能有助于提高低频性能。

3..结论与讨论

通过对扬声器的开放设计与制作以及其性能影响因素的探究，我们得到以下结论：

一是使用简单的材料和工具，例如热熔胶枪、杜邦线、音频线、接线端子、功放板、纸杯和漆包线等，可以成功制作出功能性的纸杯扬声器，验证了电磁学原理在扬声器设计中的应用。

二是扬声器的频率响应特性不是平坦的，存在多个峰谷点。这表明扬声器对不同频率的声音放大能力不均匀，这种性能可能受到扬声器设计、材料和构造的影响。

三是音圈的疏密程度，即线圈匝数，直接影响扬声器的性能。密集的音圈可能会增加电阻并提高感应电动势，而稀疏的音圈则电阻较小，感应电动势也较低。这需要找到适当的平衡以优化扬声器的性能。

四是振膜的大小，如实验中所用杯子口径的大小，是影响扬声器性能的另一个重要因素。较大的振膜通常能提供更好的低频响应和更大的音量。

五是音圈的材质对扬声器的性能也有显著影响，不同的材质因其导电性和机械特性的差异而影响扬声器的音量和频率响应。

综上所述，扬声器的设计和性能受到多种因素的影响，包括结构设计、材料选择以及音圈的特性。为了提高扬声器的性能，需要对这些因素进行综合考虑和优化。未来的工作可以继续探索这些变量之间的相互作用，以及如何通过创新设计来提升扬声器的整体性能。

参考文献：

杜漾波.影响动圈式扬声器音质的主要因素【J】.电声技术

黄卫良.“动圈式扬声器原理”教具制作

孟祥嵩，李佳泽.简易纸杯扬声器的制作【J】.理科考试研究:高中版