扬声器谐波失真的改善_林渊

图 2 是一个长方形扬声器（Fs＝100 Hz）的频响及二 次谐波失真曲线， 图 3 是这款扬声器在加长音圈卷幅 后的频响及二次谐波失真曲线。 其中，频响曲线作为参 考，可以很明显地看到 Fs以下频段的失真大幅降低。
图 1 所示的短音圈形式由于效率的原因， 一般只 用在振幅很小的中高频扬声器上， 对于绝大多数低频 扬声器，使用图 1 中的长音圈形式。 音圈设计的长度普 遍保证音圈的卷幅是气隙长度的 2 倍左右， 目前还无 法计算得到。 虽然某些测试扬声器大振幅下电声参数 的系统可以提供设计参考 （如 KLIPLLE），但 是 大 多 数 情况下都只能通过试验的方法得到。 如果目前的设计
輦輵讂 2011年 第 35 卷 第 02期
扬声器与传声器
Loudspeaker and Microphone
确能降低扬声器的失真[2]。
可避免地造成中频谷与中频失真。 当长轴两端的区域 产生严重的谐振时， 造成比较宽频率范围的失真，在 纯音检验时可很明显听到“双音”。 而当这种失真只是 在某一个频率出现时，需要依靠仪器才能辨别。 图10 是改善长轴两端强度后的失真，中频失真明显降低。
design ， suspension system design， cone paper design etc.
【Key words】 electrodynamic loudspeaker； harmonic distortion； frequency response； resonance frequency； nonlinear
析，提供了改善扬声器谐波失真的一些参考。
【关键词】 电动式扬声器； 谐波失真； 频率响应； 谐振频率； 非线性
【中图分类号】 TN643.2
【文献标识码】 A
Improvement of Loudspeaker Harmonic Distortion
LIN Yuan
（Guangzhou Guoguang Electric Co.， Ltd.， Guangzhou 510800， China）
其实，这是一种分谐波失真。当以很高的电平驱动 重量很轻的纸盆或球顶时，这种失真时常会发生[4]。 在 笔者的工作中由于这种失真发生的几率， 到目前为止 只是千万分之几，尚未引起足够的重视，估计这与纸锥 在抄纸过程中出现异常有关， 以后只有进一步通过微 观的科学分析手段才能找到真正的原因。
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这也不能一概而论， 在笔者多年的扬声器设计制 作过程中也出现例外的案例。 常用的等振纹支片的三 次谐波失真反而比衰减形线性支片的三次谐波失真 小，这是因为线性设计不够合理，位移与阻尼不足等因 素阻碍了系统的线性运动。 通常设计扬声器时，折环的 位移都是足够的，而设计支片时，为了防止打底等重大 缺陷而刻意减小支片的振幅，以控制扬声器的振幅，往 往非线性失真就在支片振幅的极限处产生。 图 7 是典 型的由于位移与阻尼不足而造成在扬声器振幅最大处 附近的失真，使用 CONEX 支片，振幅比较小。图 8 为使 用发泡材料后， 支片位移与阻尼改善后的频响与三次 谐 波 失 真 ， 在 测 试 T/S 参 数 时 可 以 看 到 Qm 是 比 较 小 的，采用单半圆形状，线性振幅足够，改善是非常明显 的。 以上的分析以及试验证明，设计良好的定芯支片的
不能满足失真的要求，在磁路系统设计合理的前提下 可以尝试加长音圈的卷幅。 因此在保证其他性能参 数、甚至牺牲一些电声性能的前提下，加长音圈的卷 幅是一个行之有效的方法。 当然，过长的音圈也会带 来诸如散热不良等问题。 2.2 定芯支片的影响
由于支撑系统的非线性等原因，也会造成失真的 加大。 在这里，扬声器的支撑系统指的是定芯支片及 柔性折环所组成的弹性支撑结构。 虽然支撑系统中的 柔性折环在运动时也可能存在非线性问题，但是与定 芯支片相比，在材料本身有一定阻尼的情况下，其影 响要小得多。 在这里，只讨论通过对定芯支片的设计 优化以减小其对三次谐波失真的影响。
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E Loudspeaker and Microphon
图 4 为这两种定芯支片的区别。
图 5 是同一个长方形扬声器（Fs＝100 Hz）在使用三 角形定芯支片时的三次谐波失真曲线。 而图 6 是同一 个扬声器在使用衰减形定芯支片时的三次谐波失真。 可以很明显地看到， 使用衰减形的定芯支片对三次谐 波失真的改善效果是非常明显的。
2003.
[3] 俞锦元. 降低扬声器系统设计中的失真[J]. 电声技术，2004
（1）：24-28.
2 扬声器低频段的谐波失真
在通常情况下， 只研究扬声器在其标称工作范围 内的性能指标。对于谐波失真，同样也只研究其指定工 作范围内的谐波失真。 在这里，主要指的是 F0 以下的 谐波失真。 事实上，对于接入系统的扬声器，只要系统 中有额定频率以外的信号存在， 扬声器同样被这些信 号驱动， 这些频段往往正是谐波失真最大的区域。 目 前， 大多数扬声器厂家都不提扬声器额定工作范围外 的谐波失真，这也是极少研究的问题。 显然，为了进一 步改善扬声器的性能，这是不可逃避的。虽然指望这些 频段的谐波失真可以达到额定频段内的水平， 目前是 不可能的事，但在平衡其他电声性能的前提下，尽量降 低这些频段的谐波失真是可以做到的。 2.1 音圈的影响
1 引言
虽然现代电子技术已经发展到相当高的水平，但 是发 展 却 远 远 跟 不 上电子技术发展的步伐。在失真问题上，电子设备可以 轻而易举地做到极低的失真， 而电声技术虽然经过几 十年的发展，进步也很快，但是在降低扬声器失真的问 题上仍然有相当多的工作需要做。
由于人耳对三次谐波失真的敏感度要比二次谐 波失真高，改善三次谐波失真往往更加重要。 目前，大 多数扬声器都使用正弦形、 甚至三角形的定芯支片， 而对于三次谐波失真的改善，大量试验表明，使用衰 减形线性的定芯支片是非常奏效的。 通过计算机模拟 可以发现，定芯支片在上下运动时，中心部分的振动 与变形最大，而外围部分由于被粘在盆架上，振幅相 对小，变形也小。 从声波传播的角度来看，这一点也不 难明白。 因此，衰减形的定芯支片可以保证整个支片 振动时的振幅与变形一致， 从而减少振动的非线性。
3 扬声器中频段的谐波失真
通常柔性折环上下运动的不对称性、位移不足、欠 阻尼等都会造成谐波失真， 在扬声器低频段的失真相 对于支片的影响来说是比较小的。 在这里只讨论折环 造成中频段某些频点的失真突然加大的情况。 笔者在 日常工作中发现， 特别是由于非对称型折环的原因造 成径向振动不平衡， 会产生这种非常明显的二次谐波 失真， 这种径向振动不平衡通常是由于制造工艺以及 制造过程中控制不当造成的。 目前机理还不是十分明 确，这与 BL 值的突变有关，音圈在磁气隙中偏心就会 产 生 低 次 的 偶 次 谐 波 ，例 如 二 次 和 四 次[3]。 另 外 ，也 与 折 环与音盆边缘产生共振以及折环本身的谐振有关。 目 前的控制办法是根据经验以及试验数据调整材料、形 状 以 及 控 制 好 生 产 制 造 工 艺 ，1 kHz 附 近 的 失 真 就 是 这种情况。 当然，装配不好，例如折环与纸锥粘合不好 等原因也会造成这种失真，这里就不做讨论了。
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Loudspeaker and Microphone
文 章 编 号 ：1002-8684（2011）02-0026-04
扬声器谐波失真的改善
·论文·
林渊 （广州国光电器股份有限公司，广东 广州 510800）
【摘 要】 简述了电动式扬声器谐波失真的改善方法。 通过对音圈设计、支撑系统设计、音盆设计等几个方面的分
另外，由于失真机理的复杂多样化，目前对失真的 评价测试手段是不完整的 ，而另外一些测 试方法[6]、仪 器、设备等目前还没有得到推广应用，也局限了工厂对 扬声器此类缺陷的分析与改善。
参考文献
[1] 曹水轩. 扬声器及其系统[M]. 南京：南京大学出版社，1986.
[2] 王以真. 实用扬声器技术手册[M]. 北京：国防工业出版社，
輦輶讂
2011年 第 35 卷 第 02期
笔者在日常的工作中还发现， 扬声器的中频段出 现一种有别于上文提及的失真。在纯音扫频检查中，扬 声器的失真声音与“双音”的声音非常相似。 而在测试 其二次、三次失真中也未见异常。 通过重放节目信号 对 比 ，也 听 不 到 明 显 的 异 常 ，但 输 入 一 个 1 kHz 的 信 号，就可以非常明显地听到失真声音。后来通过测试软 件 的 FFT 窗 口 分 析 其 频 谱 ，发 现 在 1 kHz 前 面400 Hz 处出现一个非常高的波形， 在 1 kHz 的后面也出现多 个以倍频分布的分谐波，如图 11 所示。 而图 12 是正常 的情形，虽然 1 kHz 以后也存在分谐波，但是比不良品 少了一组分谐波，于是人耳并没能分辨出来。
电动式扬声器低频谐波失真主要是非线性失真。
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其主要原因是由于在大振幅时音圈跳出了气隙中磁场 的均匀区，导致机电转换系数 BL 值不能保持恒定，电 磁效应力 F＝BLI 的线性关系受到破坏， 最常见的解决 办法是采用长音圈方式[1]。 所谓长音圈、短音圈是针对 音圈的卷幅相对于气隙的长度而言， 图 1 说明了这两 者的区别。
图 13 是这种失真改善前的测试结果， 图 14 是改 善后的测试结果， 可以看到改善前高频段出现相当多 的 谐 波 分 量 ，也 是 通 过 FFT 分 析 频 谱 得 到 ，而 输 入 的 信号频率与扬声器的 F0 相等。
5 小结
一只性能优良的扬声器， 除了一般性能指标要优 良、满足行业强制性的要求外，谐波失真也是需要考虑 的。改善扬声器的失真，特别是由于系统振动的非线性 所造成的谐波失真，可以从几个方面入手：合理设计音 圈的卷幅， 合理设计支撑系统的形状， 选用合适的材 料。 对于中频段的失真，也可以从两个方面入手：合理 的折环设计以及合理的纸盆形状设计。 对于高频段的 失真，除非纸盆的制作过程中出现异常，否则，要在装 配工装夹具与装配工艺上多下功夫。另外，需要注意扬 声器内部被封闭的空气问题。 由于失真的原因非常复 杂，降低失真的方法也是多种多样的，笔者并没有讨论 磁路系统对失真的影响。 虽然通过优化磁路系统的设 计可以降低扬声器的失真是众所周知的， 但是许多优 化磁路系统的方法大大增加了生产成本。