扬声器发展历程及应用全解析

扬声器又称“喇叭”。是一种十分常用的电声换能器件,在发声的电子电气设备中都能见到它。扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件,而对于音响效果而言,它又是一个最重要的部件。尽管是如此简单的一个器件,它的发展也不是一蹴而就的,而是经过了漫长的研究和无数人的心血,逐步走向成熟和进步。发明扬声器是为了能够让“原音重现”,不过尽管经过了无数科学家的努力,这个目标至今仍未完全达成,反而是不同的发声方式,不同的制造方法与材料运用,使得喇叭百花齐放,成为音响世界中最辉煌灿烂的一块园地。扬声器分为内置扬声器和外置扬声器。外置扬声器即一般所指的音箱,内置扬声器是指MP4播放器具有内置的喇叭。扬声器的种类很多,按其换能原理可分为电动式(即动圈式)、静电式(即电容式)、电磁式(即舌簧式)、压电式(即晶体式)等几种。

电动式扬声器
    电动式扬声器是Ernst W. Siemens (Siemens & Halske公司创始人)于1874年1月20日申请的扬声器原型专利。此种扬声器是让带支撑系统的音圈处于磁场中,以便使振动系统保持轴向运动。当时主要用于继电器而不是扬声器领域。1877年12月14日, Siemens申请了号筒专利,在一个移动的音圈上面附着一个羊皮纸作为声音辐射器,羊皮纸可以制成指数型锥体形状,这是第一个留声机时代的号筒实型。




  1898年,英国Oliver Lodge爵士进一步依照电话传声筒的原理发明了锥盆喇叭,与我们所熟悉的现代喇叭十分类似,这个发明决定了现在99%的现代动圈扬声器的结构Lodge爵士称为“咆哮的电话”。不过这个发明却无法运用,因为直到1906年Lee De Forest才发明了三极真空管,而制成可用的扩大机又是好几年以后的事,所以锥盆喇叭要到1930年代才逐渐普及起来。



  又过了整整25年,20世纪20年代,无线电广播出现。C. W. Rice 和E. W. Kellogg发表了划时代的论文“新型非号筒式单元”,详细介绍了直接辐射式扬声器,利用这个理论设计的Radiola 104音箱风靡美国。



  在过去的几十年间,电动式扬声器的基本原理没有变化,只是改进了设计细节及零件。频响范围动态范围等方面较老产品有了长足的发展。电动式扬声器以结构简单,音质优秀,成本低,动态大已经成为目前市场主流。

静电式扬声器
  静电扬声器是利用加到电容器极板上的静电力而工作的扬声器,就其结构看,因正负极相向而成电容器状,所以又称为电容扬声器。扬声器作为一个电声换能器件,我们就不得不从人类懂得电与声的转换关系开始说起。早在1837 Page就开始应用电磁体发声。但人类真正知道电与声转换的神奇是在1876年2月14日,Alexander Graham Bell提出了历史上最重要的一份专利“电话”之后,该项发明让人类的声音从此可以传到比叫喊更远的地方。电与声的转换关系从此后深入人心,研究的人也就越来越多。


贝尔




  为了更好的回放记录被记录下的声音,1910年,S. G. Brown将驱动力和振膜分离,发明了armature'电枢耳机。而在1910年,Baldwin 又发明了balanced armature平衡电枢耳机。电枢式耳机是在一个U型的磁铁的中间架设可移动铁片(电枢),当电流流经线圈时电枢会受磁化与磁铁产生吸斥现象,并同时带动振膜运动。1917年,Wente 和Thuras设计了电容式麦克风。到了20世纪30年代中期,根据电容式麦克风原理,静电扬声器面世。

  1927年3月,Lee首先获得静电扬声器的美国专利。1928年,Toulon公开过一款圆型铝振膜和双圆型固定电极的静电扬声器;1929年,Danman在《关于扬声器及其发展》的论文中,开始静电扬声器的学术讨论;同年,《无线电和无线电评论》对静电扬声器的结构作出分析;1930年,Hanna提出静电扬声器的理论模型,认为:由于稳定静电场的作用,静电扬声器振膜在每单位电压作用下所受的静电力,是电容和负电容的相似函数;1931年,Vogt提出一种用铝锰合金制作静电扬声器振膜的结构;同时,Meyer报告了当时在谐振状况下的测量结果:电磁式扬声器的效率为7~8%,电动式扬声器的效率为l%,静电式扬声器的效率为2%; Gesell分析了静电扬声器等扬声器的生产成本。1963年,英国声学制造公司(现名Quad声电公司)研制出全频带的ESL-63型静电扬声器。

  近几十年,静电扬声器也取得了长足的发展。荷兰飞利浦公司的“光电耦合器阻抗匹配电路”,解决了静电扬声器与低阻输出放大器的匹配问题。 德国EWD公司采用“压电聚合物的带状振膜”,该膜在使用中,采取沿螺旋型绕制在圆筒表面,可以构成声波导或声传输线。 日本SONY公司的“复合叠层高声压静电扬声器”采取“固定电极——振膜——固定电极——振膜”技术方案,解决了静电扬声器面积较大的缺点。“苯胺、噻吩等高分子材料单体合成表面高阻抗振膜”主要解决防潮问题。 我国SHT公司的“圈式振膜”是周围为低阻,中间为高阻的新型振膜;耐压超过10KV的“塑封式固定电极”;大幅度提高声压级的“网状连接点式固定电极”;厚度2~12μm,以“聚脂——合金——苯胺”形式构成的“复合式振膜”;以及高效非金属化的“全塑静电扬声器”等。

  静电单体由于质量轻且振动分散小,所以静电扬声器工作于中高频段,音质轻盈细致,富有特色,很容易得到清澈透明的中高音。但是它的效率不高,声压输出低,动态小,成本较为昂贵也是其弱项。

带式扬声器
  在电动式扬声器、电磁式扬声器技术逐渐成型期间,人们开始明白了理想的换能器应当使用可以通过电流的薄片振动膜,大家开始构思带式扬声器。





  1923年1月,Siemens Halske的Schottky和Gerlach申请了第一个带式扬声器专利。

  1940年末,一位年轻的加拿大发明家Gilbert Hobrough使用扩大机时,一时大意在音乐播出中拆下喇叭线,并让发热的导线靠近电线的接地端。这是很危险的动作,但Hobrough惊讶的发现电线开始拌动,并发出音乐声,这个“具有增益的金属线”不久后才明白是静电效果。Hobrough进一步研究,才知道1910年左右已经有人提出这个问题,1925年在磁场内使用导电金属片的喇叭已经于德国取得专利,当时人说这是带状喇叭。1920年与1930年代分别有两种带状喇叭上市,不过昙花一现很快就沉寂了。

  带状喇叭的原理是在两块磁铁中装设一条可以震动的金属带膜,当金属带通过电流,就会产生磁场变化而震动发声。在Hobrough重新发现带状喇叭时,Quad创办人Peter Walker也在英国推销一种号角负载的带状高音,这个高音并不成功,反而是1960年左右英国Decca推出很成功的带状高音。另一种类似的带状喇叭Kelly Ribbon由Irving Fried引进美国,他将Kelly高音配上传输线式低音而产生不错的效果。1970年代,Dick Sequerra为金字塔(Pyramid)发展的带状喇叭,首次扬弃号角的设计。Hobrough发现带状喇叭后的三十年中,他以经营空中绘图和靠着自动机械的专利贴补,持续进行研究,终于在1978年发展成功频率响应低至400Hz仍然平直的带状单体(当时产品只能到600Hz),并且不会融化、破碎或变形,失真则只有1%。Hobrough与他的儿子Theodore Hobrough还获得一项专利:与带状高音搭配的多丙烯低音所使用的无谐振特殊音箱。

  另外,加拿大HiVi惠威在促进带式扬声器的发展上更是功不可没。1997年,HiVi惠威用钕铁硼磁体组成平面矩阵磁场推挽驱动,彻底改进了传统纯铝带式扬声器的振膜强度低,需配备阻抗变压器,输入功率低,寿命短等先天性缺点。2001年,惠威开发了灵敏度高达103dB的专业扩声用带式扬声器R2pro!并且推出了世界上第一款宽辐射角多单元专业系统Pro1808!正式将带式扬声器引入到专业扩声领域。



  带式扬声器主要应用于中高频段,由于其频响曲线平直,高频上限极高,有着非常好的瞬态效果,因此可以方便的形成线性声源。

 海尔式扬声器
  海尔式扬声器是1973年美国海尔博士研究和提出的第四种辐射方式。它是很高雅的带状喇叭变形物。它是在两张塑料薄膜之间,上下往复地印刷铝薄膜导体。有如手风琴式的曲折皱褶,放置在与振膜垂直的强磁场中,不使振膜全体同相的作前后振动,而是作与声波辐射方向垂直的横方向振动,并与相邻导体作反方向的振动 对一个皱褶的振动进行研究,就可以知道在最初的半周进入皱褶之间的空气按菲格(Fresnel,又译菲涅耳)原理被放出,下半周皱褶变宽,使空气进入其中,这就像将乒乓球放在手中按动时球就不会飞到远处,但将球夹在手指中间,上下挤动使之弹出,就可以飞得很远一样。与这一原理相同,力阻抗低的(轻的)空气,在振膜处被前后推动,按菲格原理,能被很好的吹跑。振膜小时可以有很高的效率,但对低音频重放困难,低频下限约为100Hz。



  海尔扬声器制作工艺复杂,价格高昂,难以普及,只在国外少数著名的大品牌公司的高端产品中看到,如德国ELAC(意力)的Jet气动式高音,ADAM(亚当)的ART气动式高音,Burmester(柏林之声),丹麦GRYPHONG(贵丰),美国Mark Daniel(马克丹尼)。



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