图解振膜的振动方式
gundem 于 2012.02.07 11:36:15 | 源自:www.soomal.com | 版权:编译 | 平均/总评分:10.00/110

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数码多有一系列讲述振膜振动的文章,而本文则是对这部分内容进行的补充和完整,着重介绍在各种频率下,扬声器振膜的振动情况。资料自行翻译自德国Klippel公司提供的论文《Measurement and Visualization of Loudspeaker Cone Vibration》。

  • 一、摘要

    扬声器的振膜振动可以归结成以下几种运动模式:径向振动、圆周振动、活塞运动、环共鸣、环绕共鸣、过渡区振动。

    二、基础知识:测量振膜振动、振幅着色图、剖面图

  • 1、测量振膜振动

    运用激光扫描技术,可以记录振膜上微小的振动。由于激光扫描以“点”为单位,通过测量单元上不同的“点”的振动,可以串联出一个振膜的3D几何形态,可以预见,几何图的形态精度与采样点的数量成正比。

  • 2、振幅着色图(Amplitude Coloration )

    为了更加直观地展示振膜的振动方式,除了运用3D几何图之外,还在其表面进行着色。

    振幅着色依据振膜振动的方向与幅度着色,对朝前方运动(图解为向上运动)的振膜部分用蓝色上色;对朝后方运动的振膜部分(图解为向下运动)用红色着色;没有变化的区域依然为白色,颜色越浓表示振膜向运动的幅度越大。注意,由于激光扫面精度的限制,一些区域可能无法精确地测量,该区域会用灰色着色。

    图解为某振膜在2kHz信号的振幅着色图,当振膜部分在朝前方或朝后方的振幅最大时,振膜呈现强烈的蓝色或者红色;当振膜表面出现轻微形变的时候,振膜会出现少许蓝色或红色的痕迹。对于某些简化图会直接用黑白程度来标注振幅程度。

  • 3、剖面图(Cross- Section View)

    剖面图非常容易理解,用于观察振膜直径剖面上的振动。黑色线为振膜的正常形态,红色线为振膜的振动形态。

    三、基础振动:径向振动与圆周振动

    为了详细的观察振膜的机械振动情况,把振动分为径向振动(Radial)和圆周振动(Circular),这两种运动有助于分析各种振膜运动模式的形成。

  • 简单理解径向振动(Radial Vibrations),就是以振膜中心为圆心(假设振膜为圆形),以围绕着圆心的振膜部分振动,是主要的发声振动。如图所示,就是一圈涂有蓝色的振膜振动。显然,这种振动是对称的。

  • 相对的,圆周振动(Circular Vibrations)就是振膜的非对称运动。如图所示,在外围的振膜,一部分振膜朝上运动(涂蓝),一部分振膜下运动(涂红)。这两种振动相互独立的机械振动,两者互不干扰。

    理论上,振膜应该不会发生圆周振动,因为圆周振动不会在完全对称的振膜上激发。但是实践上振膜一些很小的瑕疵(比如是振膜或线圈的质量不均)就会引发圆周振动。根据Frankort(1979)发表的论文显示,圆周振动会带来失真,但是的影响甚微,为了更加直观地显示振膜振动,一些示意图甚至会忽略掉圆周圆周振动的影响,尽管如此,圆周运动依然可以激发多极点(双极、四极等等)的非正常振动(译注:可能是分割振动)。

    四、图解振膜振动方式

  • 1、活塞运动(Piston Mode)

    活塞运动是指振膜整体沿着轴线同步运动,振膜没有发生其他形变,就像活塞运动一样。此时振膜几乎没有发生任何形变。一般在回放极低频(580Hz)的时候会发生这种振动,这时虽然会发生圆周振动,但是不会对带来太大影响。

  • 2、环共鸣(Ring Resonance)

    当信号频率提升至更高的频率的时候,振膜的环状边缘会发生振动,称为环共鸣。如图所示就是某振膜在796Hz处的振幅图。可以看见,振膜中央几乎没有发生形变,但是振膜边缘发生了较大的形变。环共鸣和活塞运动非常相似,只有向上的振动,它们发出的声压水平基本相当(译注:所以一般的振膜在低于1000Hz的频率容易保持一条平直的频响曲线)。

  • 3、环绕共鸣(Surround Resonance)

    频率再稍微提高一点(984Hz),振膜边缘开始出现向内的皱褶,称为环绕共鸣。与之前的振动方式相比,除了出现了向上的振幅之外,还出现了向下的振幅(译注,此时开始出现分割振动)。由于向下的振幅会抵消正向的声压,此时的声压比之前的水平稍弱。

  • 4、过渡区域振动(Transitional Region)

    当频率进一步提高时(3046Hz),振膜边缘与振膜中央之间的过渡区振膜越来越来不能保持原本的形态,发生更多的褶皱,此时,内部的振膜依然可以保持刚性。由于过度区域发生大量的正-负向振动,声音相互抵消,这时只有中央的振膜部分产生声音。

  • 当频率再提高的的时候(7640Hz),整个振膜出项大量的褶皱,这时只有穹顶内少量的环形部分可以有效产生声音。

    五、总结

    振膜的形变(分割振动)其实是由外到内的振动过程,随着频率的提升,振膜越难保持形态,发生向内折或向外折的振动,这两种振动会相互抵消声压,只有向外振动幅度比向内振动的幅度要大,才会发出正向的声音。由于分割振动的影响,使得随着频率的提高,振膜的有效发音的部分越来越小,产生的声压越来越低,这就是为什么动圈振膜的频响曲线在高音为一条向下的曲线。

    对照AKG振膜专利看,可以理解为什么要一个坚硬的穹顶来减少振膜的形变,保持高频的质量。

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