音箱为什么要有“箱”?(图1)

 

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作者:Markus Sheng。家庭影院音箱,Hi-Fi音箱,蓝牙音箱,监听音箱,有源音箱,无源音箱……作为日常生活中非常常见的音频娱乐设备,你有没有想过,为什么大部分情况下制造商要把喇叭封闭在一个箱子里呢? 转自www.laowoniu.com

如果喇叭自由的飞翔……假设一个扬声器单元,自由悬浮在空气中,当它的振膜在音圈的驱动下振动,这时候振膜前后两侧的空气压力会发生如下的变化: https://www.hdav.com.cn/play-hometheater/4897.html

 

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音箱为什么要有“箱”?(图2)

 

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质量短路示意图 转自www.laowoniu.com

设振膜初始运动方向向右,则在其开始运动后的很短的一段时间内,振膜右侧的会形成正压区域,左侧相应的是负压区域。两侧的空气分子因为振膜的做功开始在各自平衡位置附近振动,声音产生了。目前位置一切都很美好,但且慢……由于两侧区域之间忽略振膜本身的面积并没有任何阻隔,空气会自发的从高压区向低压区移动,压力会在很短的时间内再次平衡。这种现象叫做“质量短路(Massenkurzschluss)”。其结果定性的来讲就是降低了声压。

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2. 更科学的来讲…… 转自www.laowoniu.com

上述的场景如果再进一步抽象,就可以得到一个在应用声学中很有用的理论模型:双极(Dipole)振动。它描述了两个相距一定距离,相干但相位相反的点声源形成的声场。

省略掉各种烧脑的数学推导,通过这个模型可以得到的结论是,在这种振动模式下,低频的声压会被大大削弱。

这里有两个关键词需要注意:

第一是低频。什么样的频率在这个模型中算是低频?这个是由两个点声源的间距定

义的:

h≪λ这里h即为两个点声源的间距,λ为波长。将这个不等式稍微变形:

h≪λ=c/f⇒f≪c/h

c为空气中声速,假设上述正负压区域相隔1cm,则这个低频上限为:

f≪340m/s0.01m=34.3kHz

也就是说,整个人类听力频率范围都属于“低频”了。

第二是削弱。削弱的程度是多少?可以按照下列等式来估算:

pfar,dipole≈−jkhp1sinϑN波数k:波数,k=2πfc假设单个点声源在同一测量点的声压p1:假设单个点声源在同一测量点的声压测量点方位角的余角ϑN:测量点方位角的余角

例如带入f=100 Hz, h=0.01m试算一下振膜正前方( ϑN=90∘ )双极模型和单个点声源的声压比例:

|pfar,dipolep1|=kh≈0.0183或

Lp=20lg(kh)=−34.74dB

可以看到质量短路对于低频的影响确实巨大。

另外一个附带的影响是声源平面的声压分布,即指向性。双极模型呈现的典型指向性是8字形,而单点声源一般是全指向,这个就不详细展开了。

3. 具体到扬声器……

从上面的分析可以得出结论,为了在振膜的一侧得到更高的声压级,必须尽量避免质量短路,因为扬声器振膜产生的正压和负压区域总归是工作在Dipole模式。一个简单粗暴的方法,就是把正压和负压区域完全隔离开来,即用所谓的Infinitive Baffle分割振膜前后的空间:

 

音箱为什么要有“箱”?(图3)

 

无限障板划分正压负压区截面示意图

而现实中没有面积无限的障板,自然而然就会使用箱子这个结构来避免质量短路。

从下图的数值模拟的结果来看,采用Infinitive Baffle,部分Baffle以及完全没有Baffle所产生的声压级差异是显而易见的。

 

音箱为什么要有“箱”?(图4)

 

扬声器单元安装于无限障板,部分障板和无障板的声压级对比

总结:把喇叭关到盒子里,就是为了让你听到的声音,尤其是低频更响!另一方面也提高了音箱作为整个系统的电-声转换效率。至于通过调节箱体的体积和形状来获得不同的低频响应,采用低频反射管结构或者被动振膜结构进一步调整音箱的频响曲线,那是另外一个故事了。

参考文献:

Möser, Michael (2012): Technische Akustik. Berlin: Springer Vieweg.