手持裝置喇叭結構設計(發表中)

soundquality

　　以下我會用這一帖開始說明手持裝置的喇叭結構設計，文章會陸陸續續地發表，可以放圖的我會盡量放圖(雖然我還不知道怎麼插圖進帖子)。
　　在這個帖子各位可以對相關的議題盡量發問，但是拜託不要灌水，像是看不懂或是好這類無意義的回帖。
另外幾點注意：
1) 說好不打臉的，就算我發表的很爛，也不可以打臉。
2) 因為我只會使用正體字中文，所以各位習慣簡體字的人就慢慢判讀吧。

soundquality

　　我想有人會問為何是從喇叭結構設計講起？我必須要說的是：喇叭與其結構佔了所有特性的90%以上。這並非我危言聳聽，在額定功率上所測試得到的頻率響應曲線，代表的是整個手持裝置的喇叭可以達到的最佳表現。如果你的頻率響應曲線沒有低頻或是低頻很爛，整體手持裝置的低頻也會很爛。
　　當然有人會說把功率不斷地加上去就可以超過這條曲線了，這是正確的，不過伴隨而來的過功率/過熱燒毀喇叭、高失真度甚至於振膜過度位移造成的結構異音都會出現。這不是專業設計者應該做出來的產品。
　　也就是說，這是我要強調的，每個手持裝置在機構設計完成，不論是在樣品階段或是實品階段，額定功率的頻率響應曲線與失真曲線都要測試並修正到完美為止。好的曲線帶你上天堂，不好的曲線帶你住套房。
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無氣密背腔
<img src="attachments/dvbbs/2011-9/20119191135010220.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
氣密背腔[br]<p align=right><font color=red>+5 RD币</font></p>

soundquality

　　還是拜託各位不要留下加油打氣的回文。我沒有更新不是沒有資料，而是沒有時間打字。

　　在一開始設計喇叭及其音箱時，最重要的一個工作是選一個正妹(誤)，是選一顆好的喇叭單體。我無法在這裡提供哪家公司的喇叭單體比較好，這個涉及到商業行為，不是我想要做的。
　　我把常用的、0.5W/ 8Ohms的喇叭單體用fo區隔為兩塊：一款是fo接近450~500Hz的喇叭，另一款是fo接近750~800Hz的喇叭。之所以用fo作為區隔是因為這個頻率基本上決定了喇叭音箱的大小，而空間……應該是所有設計手機聲音的人心中的痛。(如果你沒痛過，還真的要恭喜你)
　　當然，除了fo之外，另外一個重點是音壓值。在相同功率的喇叭下fo跟SPL是相關的，fo越低SPL也越低。通常：
                                                A零件        B零件
         fo                               450~500Hz     750~800Hz
   SPL(5cm測試距離、2~3kHz)  92~96dB      97~101dB

　　A零件的好處是不需要太大的音箱尺寸就可以讓整支手機fo小於1000Hz，但是音量就是會少個幾分貝；B零件的手機fo幾乎是不可能低於1000Hz，但是音量比較高。要高音量還是低fo，各位看官請自行去選擇。
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caijinhua

加油，楼主再接再历。

soundquality

　　有關腔體尺寸的計算方法說明如下。我採用Richard H. Small 在 Journal of the audio engineer society所發表的論文內的計算公式。各位對於Small 先生應該不會陌生，他就是TS參數的那位Small。
<img src="attachments/dvbbs/2011-9/20119271133219193.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
　　其中，fs為手機的第一共振頻率，fo為單體喇叭的共振頻率，Vs為腔體大小，單位為cc。
　　以此公式推斷fo=450Hz與fo=800Hz的單體喇叭放到手機內的第一共振頻率如下圖：
<img src="attachments/dvbbs/2011-9/2011927111180152.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
　　由此結果可以看出：要設計手機的第一共振頻率低於1000Hz的產品，唯有選擇fo=450Hz單體的產品才比較有可能做到。
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FAE832

楼主继续啊~

sang123

我原来的理解是后腔大小只跟单体的物理尺寸有关。按照楼主的说法是还跟F0有关。也就是说物理尺寸同是15X11mm的单体，F0为450Hz和F0为700Hz的所要求的腔体大小是不一样的了。

17173

楼主加油继续发啊

mirein

楼主这份帖子快一个月没跟新咯哦；
我这里有一个小小的疑问哈：
LZ的第一幅图：没有密闭后背腔体的那张图是怎么测试出来的？您用的测试仪器是什么？我测试了很多那种没有直接没有腔体的山寨手机，感觉不是那样的。另外能帮忙讲解一下前后音腔对音质的影响吗？还有THD与腔体的关系，麻烦了……[em07]

soundquality

　　再補充說明後腔的尺寸問題。
　　在決定後腔腔體大小還有另外一個重要的因素：振膜衝程。每一個喇叭的振膜都有其衝程限制，此限制來自於機械而非磁力上的限制。要知道每一個喇叭的振膜衝程限制，請詢問你的喇叭供應商。
　　在此以NXP 11x15x3.5的喇叭為例。在規格中明白地顯示本喇叭最大允許衝程0.6mm，也就是說當喇叭衝程超過0.6mm以上，就會聽到振膜撞擊的聲音，此聲音並不難分辨。
　　另外有幾點要知道的：
1)        是在固定驅動電壓下(也就是固定速度下)衝程與頻率有關，頻率越低衝程越大。
2)        最大衝程發生在共振頻率上。
3)        背腔體積越大，衝程越大。
　　綜合上述結果，可以劃出在不同背腔體積上不同驅動功率(電壓)的衝程圖。附上上述NXP喇叭在1cc與2cc的結果。
　　由結果可以得知，當背腔體積為1cc、驅動功率超過350mW時，本喇叭在共振頻率處會超過衝程限制。但是在當背腔體積為2cc時，驅動功率只要超過220mW喇叭在共振頻率處就會超過衝程限制。所以除非喇叭衝程足夠長，否則的話腔體並不是越大越好，應該是適可就好。
　　過衝程的解法我想各位應該都曉得：利用高通濾波器把低頻能量砍掉。
<img src="attachments/dvbbs/2012-3/201232317365929315.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

<img src="attachments/dvbbs/2012-3/201232317371248403.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
1cc 後腔體積

<img src="attachments/dvbbs/2012-3/201232317373477643.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
2cc 後腔體積

soundquality

　　各位抱歉了，這麼久沒有更新這個帖。我的工作非常繁忙，沒有很多時間來寫這些技術資料。再者，在這裡發表這些東西純粹只是跟大家有緣，屬於義務性質，所以別再逼我了...泣。
　　先解答上面的問題。
　　第一共振頻率，也就是二樓下方的那張圖，靠近1kHz附近的峰值，跟幾個参數有關：單體的共振頻率f0，後音箱的大小，後音箱的氣密程度以及喇叭後方的透氣率有關。單體在free space 的f0是一個重要的因素：不管你的後音箱設計到多大，音箱系統(單體+音箱)的共振頻率絕對不會比單體在free space 的f0還要來的低。
　　當然，如果沒有密閉音箱的話，這個共振頻率會消失，就如同二樓上方的那張圖。
　　第二個問題有關沒有密閉音箱的圖型，有可能不會那麼糟，但是可以確定的是在第一共振頻率上不會有局部峰值。當然，最最大的問題點是在THD，以下兩個圖型顯示開放音箱與密閉音箱的THD值。
<img src="attachments/dvbbs/2012-3/201231618561846093.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
開放音箱
<img src="attachments/dvbbs/2012-3/201231618565517966.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
密閉音箱

　　我使用的測試儀器是頻譜分析儀，以外接式掃頻電壓接入手機的喇叭，在額定功率下去測試響應以及失真。建議的分析儀為AP，B&K兩家公司的儀器。

　　有關前後腔的影響，在下一帖說明。

soundquality

　　我不覺得振模的材料會影響音腔設計的要求，應該是喇叭整體的f0才是影響音腔設計的關鍵，而這一點在前面已經有提到過。
　　振膜的材料不同，帶給我的感覺是音質的差異。複合膜因為有金屬的特性，所以聲音聽起來比較亮、比較尖一點。

boyin757

楼主能讲点复合膜和普通膜喇叭对音腔要求的区别么?3ks

soundquality

　　我想有關喇叭設計的部分大概就解釋到這邊，各位如果不嫌棄的話可以手動推文置頂。有問題也可以在此帖發問，我會盡量解答。
　　就我個人多年的設計，我的感覺是：氣密>>>>>後腔體積>前腔體積。
　　有時間的話，我會再針對氣密設計部分寫出一篇文章。
[em02]

soundquality

　　再來討論有關前腔的部分。
　　前腔體大小、出音通道長度、出音孔面積共同決定了第二共振頻率(一般在超過3kHz以上的那個峰值)。
<img src="attachments/dvbbs/2012-4/2012451634034015.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

　　有關此共振頻率的評估公式非常多，但是坦白說都不是很準確。在此介紹兩種計算公式：
　　第一種是最原始的Helmholtz共振頻率，如下圖。帶入前腔體積、出音通道長度、出音孔面積就可以計算出共振頻率。我用這種公式算過，大概差個1000Hz左右。
<img src="attachments/dvbbs/2012-4/2012451641099373.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

　　第二種是改良式的公式，比較適合多圓孔出音孔用。這個公式用在圓出音孔上是比較準，但是差距也是幾百Hz。
<img src="attachments/dvbbs/2012-4/2012451643317993.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

　　各位不妨先記住重點：共振頻率與體積(V)長度(L)呈反比，與開孔面積(A)成正比。這樣子在設計完成、量測完頻率響應之後，比較有方向知道怎麼去修改。附上前腔體大小與第二共振頻率的關係圖。
<img src="attachments/dvbbs/2012-4/2012451645923624.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

　　也許有人會問：第二共振頻率到底要在甚麼頻率上會比較好？坦白說這個跟每個人的感覺有關，很難說哪種比較好。不過值得注意的是在過第二共振頻率之後的聲音會隨著頻率上升而減少，也又是說，例如第二共振頻率是在5kHz，則超過5kHz的音量會逐步遞減，再加上人耳對於高頻的聽覺比較差，往往會有高頻音消失的感覺。

52orange

楼主讲得非常好！感谢！
顺便请教一个问题哈，频响曲线上的高频谐振峰值（大概在10kHz附近）跟什么参数相关？
能否多讲点前音腔和出音孔的影响？先谢谢了！~

Amelie

好文，期待楼主更新

soundquality

　　這個問題不好回答。如果要用這種設計，最好將通道的面積加大，長度減少。通道面積過小長度過長，可能會產生只有一個背腔+洩漏的效果(遠方的背腔沒有作用)。我手邊沒有完整的數據可以告訴你設計的準則，但是我的設計經驗是盡量避免。除非遠方的背腔是在一牆之隔而已，否則我寧可放棄遠方的背腔。

gaoxuewei

后腔是手机设计里面让人头疼的部分，有时很难找到足够大的后腔。要么就是距离SPK有一段距离的地方才能有合适的空间。

那么这种分离的后腔如何设计后腔与SPK之间连接的道路呢？

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看了此文后感觉楼主应该是专业人士，不知楼主是否有相关的资料可以分享一下？[em01]