扬声器如何工作

尽管 Hi-Fi 扬声器已经存在了 70 多年，但对于音响界的许多新手来说，这些带有各种组件和开口的木箱可能看起来很神秘。这就是为什么我们为那些刚刚开始进入高品质声音世界的人编写这篇文章的原因。

重要的是要了解，尽管设计和制造方面的技术取得了数十年的进步，但自爱德华·凯洛格 (Edward Kellogg) 和切斯特·赖斯 (Chester Rice) 于 1925 年首次提出扬声器（或声学换能器）工作原理以来，其工作原理几乎没有改变。智能手机中的微型扬声器、电视下的条形音箱或音乐会上的大型扬声器，它们都具有相同的基本设计。

Hi-Fi 系统的发展为我们带来了令人难以置信的音质，但了解扬声器技术背后的基本原理将帮助您在构建自己的音频系统时做出更明智的决策。

扬声器如何工作？

在深入了解扬声器组件如何工作的细节之前，让我们花点时间了解扬声器一般如何产生声音。放大的音频信号被发送到由电线制成的金属线圈。当电流流过线圈时，它与扬声器内部的磁铁相互作用，导致隔膜振动。

这些振动使空气移动，产生与原始音频信号完全相同的声波。就这样，您听到了声音——无论是音乐还是某人的声音。当然，这是一个简化的解释，但现在我们有了基本的了解，让我们进一步分解。

扬声器或声音传感器是任何扬声器系统的关键组件，使我们能够听到音频。它的工作是将放大器发出的电信号转换为声波，通过空气传播并到达我们的耳朵。

为了连接到放大器，扬声器有两个端子连接到隐藏在扬声器内的音圈。该线圈位于扬声器背面的永磁体磁极之间的狭窄间隙中。当交流电（电音频信号）流过线圈时，线圈会前后移动——遵循我们在学校学到的电磁原理。

由于线圈连接到振膜（您可以在扬声器前面看到的部分），因此振膜（或锥体）也会前后移动。这些运动产生我们感知为声音的声波。为了让隔膜能够自由移动，它安装在一个灵活的周围。振膜运动的幅度越大，我们听到的声音就越大。

扬声器里面有什么？

让我们看一下扬声器的内部结构，并详细了解每个部件如何在产生声音方面发挥作用。

扬声器

扬声器的主要工作是将电信号转换为声波。它本质上是驱动声音产生的“引擎”。

扬声器的关键部件包括：

• 极;
• 背板；
• 磁铁;
• 顶板；
• 音圈；
• 篮子;
• 蜘蛛;
• 锥体和环绕；
• 防尘帽。

杆、背板和顶板

磁极就像导体一样，协调扬声器的整个磁系统。它位于中心并引导磁场。背板位于杆后面，而顶板位于杆的正上方。

磁铁

磁铁为扬声器提供恒定的磁能源，周围环绕着磁极和板，有助于聚焦磁场。它固定在扬声器的篮子上，被称为永磁体，因为它可以无限期地保留其磁性。另一方面，与磁铁相互作用的音圈只有在电流通过时才具有磁性。

音圈

音圈是一根紧紧缠绕在小圆柱体上的电线，有时也称为线轴。把它想象成一个溜溜球。当电信号通过线圈时，它变成电磁体，与扬声器中的永磁体相互作用。如果您还记得物理课，您就会知道同种电荷相斥，异种电荷相吸。这种磁相互作用导致线圈来回移动，最终产生声波。

蜘蛛和环绕

星形轮是一种波纹材料，用于支撑音圈，将其保持在适当的位置，同时允许其严格地向前和向后移动。虽然这看起来可能违反直觉，但星形轮可确保线圈不会侧向移动，从而保持稳定的运动。

环绕件对于锥体具有类似的作用。它将锥体固定在扬声器篮顶部的适当位置，使其能够在发出声音的同时平稳移动。

锥体

锥体也称为振膜，是扬声器中为数不多的可见部件之一。它响应来自音圈的磁脉冲来回移动。这种运动在周围空气中产生压力波，从而产生我们听到的声音。

防尘帽

防尘盖是一个小部件，可保护扬声器内部部件免受灰尘和碎屑的侵害，防止潜在的损坏。

篮子

篮子是将所有扬声器组件固定在一起的框架。顾名思义，它就像一个篮子，将所有部件收集到一个统一的结构中。

这就是扬声器的工作原理。然而，当我们谈论“扬声器”时，我们通常指的是整个系统，而不仅仅是内部组件。但要确保扬声器有效工作还需要什么？

电气元件

为了让音圈产生声音，它需要电信号。这就是扬声器端子和编织线发挥作用的地方。端子是音频线连接到扬声器的金属连接点或端口。

这些端子连接到为音圈供电的编织线，为其提供必要的“燃料”。该电线负责传输转换为声音的电信号。

外壳

外壳或扬声器“箱体”在扬声器的功能中起着至关重要的作用。首先，它提供了一个密封的外壳，可以保护内部组件免受灰尘、污垢和宠物毛发等外部元素的影响。

其次，外壳有助于减少相位失真。当扬声器的振膜移动时，会产生两个方向的声波。如果没有外壳，这些波可能会相互抵消，从而导致音质不佳。

最后，外壳会影响声音方向和低音调音。精心设计的箱体可以帮助将声音引导到需要的地方，并增强低频的感知。

外壳通常由致密、刚性的材料制成，以防止不必要的共振和振动。最常见的材料是木材或 MDF（中密度纤维板），但有时也使用塑料。

扬声器如何再现不同的频率？

我们已经介绍了扬声器如何将电能转换为声波。然而，并非所有声音频率都相同，如果单个扬声器试图处理整个声音频谱，质量就会受到影响。

这就是为什么在音乐会上，您经常会看到大量的音频系统。每个扬声器都设计用于处理特定的频率范围：低音炮和低音扬声器管理低频，中音驱动器覆盖中频，小型高音扬声器负责高频。这些扬声器的构造不同，可以处理这些不同的范围。

当然，大多数人不希望他们的工作室或客厅充满大量扬声器和每个频率的单独驱动器。这就是多驱动扬声器的用武之地。

多驱动扬声器

多驱动器扬声器使用两个、三个甚至四个不同尺寸的驱动器来处理各种频率。最常见的类型是双驱动器扬声器，通常称为两路系统。

在双向扬声器内部，有一个分频器——一种特殊的组件，可以将音频信号分成不同的频率范围。高频被发送到高音扬声器，而中频和低频被引导到低音扬声器，使用滤波器适当地划分频率。

通过使用分频器，扬声器可以再现全音域的声音，其质量水平是仅使用单个驱动器不可能实现的。

高音扬声器和低音扬声器

如果您注意到，大多数 Hi-Fi 扬声器的前面板上都有多个不同尺寸的驱动器。但这是为什么呢？虽然从理论上讲，单个驱动器可以再现全范围的音频，但这种方法存在实际限制。

高音扬声器和低音扬声器

小驱动器无法移动足够的空气以产生足够音量的低频。另一方面，较大的驱动器虽然可以很好地处理低音，但存在机械限制，无法有效地再现高频。驱动器的另一个重要特征是方向性，它是指声音适当平衡的角度。驱动器的方向性取决于其尺寸：较大的驱动器在高频下具有较窄的方向性，而较小的驱动器则在低频下表现不佳。

高频扬声器

为了在所有频率上实现高质量、平衡的声音，扬声器使用多个不同尺寸的驱动器。每个驱动器都专门设计用于处理特定的频率范围（低、中或高）。为了确保每个驱动器仅接收其设计的频率，使用了一种称为分频器的特殊组件，它将音频信号分成不同的频段。但我们下次再讨论这个问题。

什么是扬声器阻抗？

扬声器阻抗是指扬声器中电流流动的总阻力。它以欧姆为单位测量，包括音圈导线的电阻和由缠绕成线圈的导线产生的电感。与标准电阻不同，电感随信号频率变化，这种现象称为感抗。

由于这个变量，阻抗不同于“常规”电阻，并且是使用复杂的公式计算的，除非您是工程师，否则您不需要记住这些公式。重要的是要记住，匹配扬声器和放大器的阻抗对于获得最佳性能至关重要。阻抗不匹配会导致音质下降、过热，甚至设备损坏。

因此，请始终确保您的扬声器与放大器兼容，以避免出现问题并享受高品质的声音，而不会危及您的设备！

扬声器功率与扬声器灵敏度

“越大越好”，对吗？

并非总是如此。许多人认为扬声器的瓦数越高，声音就越大。但实际上，你能充分利用所有的力量吗？

比较扬声器的更好方法是查看它们的灵敏度。灵敏度以分贝 (dB) 为单位测量，可告诉您扬声器将电能转换为声音的效率。灵敏度等级越高，扬声器在给定功率下发出的声音就越大。换句话说，它能更好地将电转化为声波。

在比较扬声器性能和功率时，灵敏度等级可以提供公平的竞争环境。但是，如果您使用外部放大器，您仍然需要考虑扬声器可以处理多少功率。功率承受能力表示扬声器在不损坏的情况下可以承受多少电力，因此将放大器的输出与扬声器的额定功率相匹配非常重要。

选择高或低灵敏度取决于您的系统需求。如果能源效率很重要（例如便携式扬声器或汽车音响系统），您将需要具有更高灵敏度的扬声器。另一方面，在专业音频设置中，您可能需要具有更高功率容量的扬声器。

频率响应

当我们谈论扬声器的频率响应时，我们讨论的是它在不同频率范围内再现声音的能力。由于没有完美的扬声器，频率响应图有助于揭示扬声器可能过分强调或表现不佳的频率。

频率响应很重要有几个原因。首先，在设计多驱动器系统和设置分频器（在不同驱动器之间划分频率）时这一点至关重要。其次，它可以帮助您选择适合您特定音频需求的扬声器，无论是专业工作室工作还是家庭音乐聆听。

许多消费级扬声器的频率响应都特意调整为轻微的“微笑”曲线，以增强声音体验。但是，如果您从事音乐制作，则需要具有平坦频率响应的扬声器。这确保了没有仪器或样本被频率范围的下降所掩盖或被峰值人为地增强。

从本质上讲，具有平坦频率响应的扬声器可提供准确、干净的声音，密切反映原始音频源，这对于精确混音和母带处理至关重要。

耳机呢？

耳机使用与扬声器驱动器相同的技术，但规模较小。从本质上讲，它们是位于您耳朵上或耳朵内的微型扬声器，可提供个性化的声音。

立体声扬声器如何工作？

单个扬声器通常以单声道播放声音。为了实现完整的立体声声场，您需要两个扬声器，每个扬声器传输左右音频信号，并定位以创建宽敞的声音环境。

但是条形音箱呢？他们如何创造立体声效果？

专为立体声输出而设计的条形音箱在箱体上排列有多个驱动器。立体声信号被分成左声道和右声道，每个驱动器接收其部分以创建更宽的立体声图像。这些系统通常配备一个额外的低音炮，可提供深沉的低音，非常适合再现低频或蝙蝠侠沙哑的声音。

扬声器是谁发明的？

与 20 世纪初的许多其他发明一样，很难将扬声器的发明归功于一个人。随着科学家和工程师对声波和电流有了更好的了解，这项技术不断发展。

著名电话发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔 (Alexander Graham Bell) 对音频技术做出了重大贡献，在 19 世纪末开发了最早版本的扬声器之一。不久之后，奥利弗·洛奇发明了第一个动圈扬声器。 1915 年，丹麦工程师 Peter L. Jensen 和 Edwin Pridham 获得了电动扬声器的专利，其中将连接到隔膜的线圈放置在磁场中。

1925 年，爱德华·W·凯洛格 (Edward W. Kellogg) 和切斯特·W·赖斯 (Chester W. Rice) 在大西洋彼岸开发了带有振膜的动圈扬声器，后来获得了 RCA 的许可。他们的设计包含了构成现代扬声器技术基础的许多元素。

因此，可以肯定地说，许多人为这项技术的发展做出了贡献，使您能够以高品质的声音欣赏音乐和电影。与许多伟大的发明一样，现代扬声器的诞生确实需要一个村庄的努力！

声学系统的未来

技术变得越来越小、越来越便宜——这是事实。但就扬声器而言，其核心技术自发明以来几乎没有变化。

事实上，扬声器是我们当今使用的效率最低的技术之一。进入扬声器的能量中有超过 99% 没有转化为声音。大部分都作为热量被浪费掉了。令人惊讶的是，美国环境保护局 (EPA) 尚未因扬声器能效较差而禁止其使用。

然而，由于 2004 年发现的一种新材料——石墨烯，扬声器的未来可能会发生改变。这种材料非常轻，这意味着它来回移动产生声波所需的能量要少得多。这是个好消息，特别是对于高音扬声器来说，它们需要这种轻质材料才能在高频下高效工作。

如果科学家能够成功扩大石墨烯生产规模并将其整合到商业产品中，未来的扬声器可能会更轻、更节能。

在那之前，我们将不得不使用现有的东西——将电信号转换成气压变化的小型空间加热器，也称为扬声器。