逍遥学能 2017-12-06 15:16
音箱中的物理学知识 由物理网资料整理
“从生活走向物理，从物理走向生活”作为新课程的基本理念之一，体现了物理课程学习的方法和目标，在物理课程学习中具有重要意义。就本质而言，物理学本来就来自于生活和生产的实际，只不过将生活和生产实践中的物理现象和物理规律进行了系统化和理论化的归纳和总结，使之更加趋于理性和成熟上升到理论化的高度。“从生活走向物理，从物理走向生活”就笔者理解包含两层含义：其一，让物理学理论指导生产和生活的实际，解决现实问题;其二，就教育本身而言，使学生将所学物理知识运用于解释生产和生活中的现象，从而使所学知识在实践中得以检验，以加深对物理现象和规律的理解，这也正好与新课改的宗旨相吻合，体现了新课程改革的目标和要求。
声学是物理学的一个重要分支，从远古开始人类就已经开始对声现象给予了高度的重视，发展到现代，声学已成为一门独立的科学，并逐渐形成了一整套完善的声学理论体系，并在社会生活中发挥了重要作用。
随着社会的发展，人们的生活质量大幅度提高，对于文化生活的要求也愈来愈高，就音响技术而言，从最初的电唱机，录放音机发展到今天以激光技术为核心的CD、VCD、DVD，标志着音响技术从模拟信号向数字信号的革命性的飞跃，但无论传统的模拟信号音响设备还是数字信号音响设备都离不开最终的重放单元──音箱。因此，笔者粗浅地谈一谈与日常生活密切相关的音箱的物理知识。
音箱又称扬声器箱，主要由扬声器、箱体、分频网络等组成，是以改善音质为目的的扬声器系统。扬声器是利用振膜(纸盆)的振动去推动空气振动而发生的，声波是纵波，在振膜向前推动的瞬间，振膜前的空气由于被压缩而变得密集，即产生所谓密部，振膜后面的空气则变得稀疏，即产生疏部;在振膜向后振动的瞬间，前后空气的疏密状况正好相反。从物理专业术语的角度来讲，从扬声器振膜前面和后面所发出来的声音，正好相位相反。在声波低频范围内，其衍射能力很强，后面的声波可能衍射到振膜前方，由于相位相反，在前面某点会产生反相干涉现象而使声波相互抵消而听不到声音的现象，称之为声短路。而高音区即高频声波由于波长较短的缘故，很难发生衍射现象，因此，声短路一般只发生在300HZ以下的低频范围内。而音箱的箱体具有分割前后声波不致使之抵消的作用，而且如果箱体设计适当，还可能发出超过扬声器单元本身的性能。
音箱的结构和形式很多，但最常见的有两种类型，即封闭式音箱和倒相式音箱。
一、封闭式音箱
这种音箱除扬声器口外，其余全部封闭。于是，扬声器纸盆前后被分成两个互不通气的空间。因为这种音箱具有良好的密封性能，因而扬声器后产生的声波很难发生衍射，从而有效消除了由于声波的干涉所引起的声短路现象。但这种音箱也存在明显的缺点──由于箱体密闭，纸盆的振动会引起箱内空气反复压缩和膨胀，因此箱体的材料必须具有足够的强度，否则会产生板的振动而影响性能。
另外，封闭式音箱的纸盆后面是一个不大的密闭空间，这一空间的空气会对纸盆的振动产生驱动力，类似于纸盆后串接一根弹簧，从而使扬声器共振频率提高，此弹力变化较复杂，所以增加了设计的难度。
二、倒相式音箱
在封闭箱的前面板上开一个附加的出音孔(又叫倒相孔)，并在倒相孔后安装一个导声管(倒相管)，便构成了倒相式音箱。倒相管内的空气的作用与纸盆类似，形成一个附加的声辐射器，通过合理设计倒相孔的大小，使箱内空气和倒相孔内空气发生共振，将声波的相位倒转180°，这样从纸盆后面反射的声波与通过倒相孔辐射出来的声波与前面的声波发生叠加。当音箱的共振频率等于或稍低于扬声器的共振频率时，倒相孔辐射的声波与纸盆前面辐射的声波呈同相叠加，即同相干涉，从而加强了低频辐射。
倒相式音箱与封闭式音箱相比，具有明显的优点：
1.在封闭式音箱中，纸盆向后辐射的声波被完全吸收，因而有近二分之一的辐射功率被白白损耗。而倒相式音箱则充分利用了扬声器的后辐射声波，因而大大提高了低频辐射的声压级，扩展了低频重放的下限频率。
2.封闭式音箱在其共振频率附近音盆振幅最大，故由定心支片等的非线性位移也最大。但倒相式音箱由于倒相孔空气质量的声阻，在共振频率附近音盆的振幅却最小，使非线性失真也减至最小。
3.倒相式音箱的容积可以比封闭式音箱小，在相同的低频重放下限频率的条件下，倒相式音箱由于其原理上的优势使得其体积大约为封闭式音箱的60～70%。
由于上述原因，倒相式音箱被广泛应用于剧场、影院、专业监听音箱中，也广泛用于高质量的组合音响中。但倒相式音箱的缺点也不容忽视，例如它在音箱谐振频率以下的低频带的辐射声压级比封闭式音箱衰减快，容易产生低频“轰隆”声，设计和结构比较复杂。
高保真放声的频率范围要求40～16000HZ，使用单只扬声器重放整个频率范围的声音是十分困难的，在技术实践上几乎不可能做到。因此，高保真音箱通常不只是单只扬声器音箱，而是组合音箱，即采用几只扬声器单元的组合方式，每只单元工作在不同频率范围以给出均匀的频率特性和指向特性。将扬声器系统的整个频率范围划分成几个频带就是依靠分频网络(分频器)来完成的。
分频器是利用一般是利用电阻R、电感L、电容C组成。我们知道电感线圈低频阻抗小，故低频信号容易通过，而高频信号难以通过，即具有所谓“通低频阻高频”的特性;而电容器则相反，频率低时阻抗大，故低频信号难以通过，高频信号容易通过，即具有所谓“通高频阻低频”的特性。故在输入信号过程中，选用不同自感系数和电容的电感线圈和电容器串联或并联在功率放大器之前或之后组成分频网络，将高、中、低频信号从混合音频信号中进行筛选和分离，输入不同的扬声器中，便能实现频率的分离和重放，从而重放出不同频率成分的声音，成为高质量的放声系统。
由于音箱的设计和制作不但是一门技术，更是一门艺术，它综合运用了力学、电学、电子技术、声学以及美学、生理学等各个领域的知识，非笔者能力所能及，故仅就音箱中所包含的一些简单的物理知识，介绍给大家，望同行赐教。