揚(yáng)聲器的Q值

xuan

在揚(yáng)聲器的Thiele-Small參數(shù)中，其品質(zhì)因素Q值作為評(píng)價(jià)低頻性能和低音箱體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)常被大家提起和引用；但作為一個(gè)數(shù)學(xué)模型的輔助參量，Q值的概念是非常抽象的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如Fs（諧振頻率）、Vas（等效容積）等參數(shù)容易得到感性的認(rèn)識(shí)。下面，本文將通過(guò)不同的角度，來(lái)分析、闡釋Q值的意義，希望能夠加深大家對(duì)Q值的理解。

      基本概念
      根據(jù)T-S參數(shù)的定義，Q(quality factor)是描述揚(yáng)聲器阻尼系數(shù)（damping
      factor）的一組參數(shù)。在T-S參數(shù)中，Q值分為Qms，Qes和Qts。
      Qms為機(jī)械系統(tǒng)的阻尼，體現(xiàn)了揚(yáng)聲器支片、邊等支撐系統(tǒng)對(duì)能量的消耗、吸收和音盆、音圈、防塵帽等質(zhì)量系統(tǒng)對(duì)能量的內(nèi)在消耗；
      Qes為電力系統(tǒng)的阻尼，主要體現(xiàn)在音圈直流電阻對(duì)電能的消耗；
      Qts為總阻尼，為上述兩者的并聯(lián)。即Qts=Qms*Qes/(Qms+Qes)。
      揚(yáng)聲器Qts對(duì)低頻聲壓特性的影響如圖（1）所示，這在很多參考書上都有描述，這兒不再討論。

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2008-5-31 09:45


      圖（1）Qts對(duì)揚(yáng)聲器低頻聲壓特性的影響

      阻抗曲線的數(shù)學(xué)模型
      考慮到揚(yáng)聲器Q值與阻抗Ze密不可分的關(guān)系，在具體分析Q值前，我們簡(jiǎn)單了解一下?lián)P聲器阻抗曲線。
      在阻抗型電聲類比中，揚(yáng)聲器的等效阻抗為：

      其中，Re為揚(yáng)聲器的直流阻抗，L為音圈線圈的感抗；
      Res為振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)等效阻抗，Res=（BL）²/（Rms+2Rmr），Rms振動(dòng)系統(tǒng)的力阻，Rmr為揚(yáng)聲器振膜單面的輻射力阻；
      Cmes為質(zhì)量抗，Cmes=Mms/（BL）²；
      Lces為彈性抗，Lces=Cms*（BL）²。
      當(dāng)頻率在Fs的時(shí)候，動(dòng)生阻抗達(dá)到最大值；同時(shí)由于在低頻階段，音圈感抗相當(dāng)小，基本上可以忽略，所以我們有：
      Zmax=Re+|Res|
      參考下面Mlssa對(duì)某款揚(yáng)聲器的測(cè)試結(jié)果，我們可以對(duì)其進(jìn)行直觀地理解。

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2008-5-31 09:45


      圖（2）揚(yáng)聲器的阻抗曲線

      Q值與阻抗Ze的關(guān)系
      根據(jù)Qms的定義，有Qms=ωMms/(Rms+2Rmr)。
      由ω=2πFs以及

      我們不難得到：

      同樣，對(duì)于Qes和Qts有：



      對(duì)于上述的BL、Cms和Mms，一般的測(cè)試軟件都可以通過(guò)附加已知質(zhì)量法測(cè)得或者通過(guò)Fs推算得到，具體的方法及推算過(guò)程由于不是本文的內(nèi)容，這兒就不做介紹。

      感性認(rèn)識(shí)Qms
      在T-S參數(shù)的三項(xiàng)Q值中，大部分人對(duì)Qts與Qes非常敏感，而對(duì)Qms都不會(huì)太過(guò)注重。的確，作為描述低頻份量的參數(shù)，從圖（1）中我們就可以看出Qts的重要性；更何況在低音箱體設(shè)計(jì)時(shí)，作為判斷使用何種箱體以及計(jì)算箱體尺寸的重要依據(jù)，Qts一直被音箱開發(fā)者頻繁使用；而對(duì)于揚(yáng)聲器單體的開發(fā)者，Qts也是經(jīng)常被客戶要求的參數(shù)之一。對(duì)于Qes，由于其值比Qms一般都小很多，根據(jù)Qms=Qms*Qes/(Qms+Qes)，Qes基本上決定了Qts，甚至很多參考書上都直接將Qes當(dāng)作Qts使用。所以相對(duì)而言，大部分揚(yáng)聲器開發(fā)者對(duì)Qes和Qts的設(shè)計(jì)和調(diào)整都比較輕車熟路。而對(duì)于Qms，由于使用的頻率不高，大部分參考書上也甚少介紹，相當(dāng)多的人對(duì)其本質(zhì)意義以及控制辦法都沒有太深的理解。
      下面，我們就重點(diǎn)分析一下Qms。

      根據(jù)前面的分析結(jié)果，Qms反映了阻抗曲線上的峰值，即動(dòng)生阻抗的最大值Res的大小。從另一方面說(shuō)，Res越大，其阻抗峰越尖銳，Qms也就越大。
      而對(duì)于動(dòng)生阻抗，顧名思義，其阻抗因動(dòng)而生。其產(chǎn)生的根本原因就是音圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線而產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)音圈輸入電流反向作用的效果，就相當(dāng)于在音圈中產(chǎn)生了變化的阻抗；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為：
      e=BLv；
      其中v為音圈的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度。
      顯然，v越大，揚(yáng)聲器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越強(qiáng)，動(dòng)生阻抗也就越大；而在振動(dòng)最快的Fs這一點(diǎn)，動(dòng)生阻抗也就達(dá)到了最大值。
      所以間接看來(lái)，Qms越高，就表示揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)速度越快。
      根據(jù)揚(yáng)聲器的輻射功率P=v²*2Rmr,我們可以知道Qms越高，揚(yáng)聲器在Fs附近的效率也就越高。
      另一方面，v越大，同時(shí)意味著揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)越容易起動(dòng)，而一旦振動(dòng)起來(lái)后，卻更加難以控制了。這句話從換個(gè)角度理解，就意味著Qms越高，揚(yáng)聲器瞬態(tài)的前沿特性就越好，而后沿特性就會(huì)比較差；反之，則前沿特性差，而后沿特性比較好。這點(diǎn)我們可以簡(jiǎn)單的根據(jù)下圖理解：

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2008-5-31 09:45


      圖（4）揚(yáng)聲器的瞬態(tài)特性
      一些發(fā)燒友音質(zhì)評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)中，有個(gè)詞匯叫做“速度快”，從瞬態(tài)的角度理解，所謂的“速度快”就是揚(yáng)聲器前沿特性比較好，對(duì)信號(hào)的反映比較及時(shí)，也就是說(shuō)，Qms比較高。一般來(lái)說(shuō)，前沿特性的提高必然導(dǎo)致后沿特性的惡化，而后沿特性比較差的揚(yáng)聲器，聽起來(lái)就會(huì)拖尾較長(zhǎng)，聲音渾濁不清。
      

      影響Qms和Res的因素
      根據(jù)我們前面對(duì)Qms的計(jì)算公式，我們知道與Qms相關(guān)共有四個(gè)參數(shù)：Res，BL、Mms和Cms，其中BL、Cms和Mms的概念比較簡(jiǎn)單，開發(fā)過(guò)程中調(diào)整起來(lái)也相對(duì)比較容易，在這兒就不重點(diǎn)討論了。
      對(duì)于Res，從前面的介紹中我們已經(jīng)知道：
      Res=（BL）²/（Rms+2Rmr）
      在低頻段，揚(yáng)聲器振膜做活塞振動(dòng)，其輻射力阻抗Rmr比較簡(jiǎn)單，有:
      Rmr=ρω²SD²/(2πc)
      式中ρ為空氣密度，SD為揚(yáng)聲器的有效振動(dòng)面積，c為空氣中的聲速。
      所以Rmr基本上是僅與振動(dòng)面積相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，在揚(yáng)聲器開發(fā)過(guò)程中，一旦揚(yáng)聲器的尺寸確定，Rmr基本上就已經(jīng)確定。
      對(duì)于Rms，其基本定義為揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械力阻。由于揚(yáng)聲器參與振動(dòng)的因素較多，各個(gè)部分對(duì)其作用也各不相同，為了方便理解，我們先來(lái)看看揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。


      圖（5）揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)
      上圖中，1為揚(yáng)聲器的折環(huán)，2為音盆，3為支片，4為音圈，5為防塵帽。
      在上述各個(gè)部件中，折環(huán)和支片作為支撐系統(tǒng)，對(duì)Rms的作用主要體現(xiàn)在自身的內(nèi)部阻尼消耗能量上，從而抑制振動(dòng)，所以其材料內(nèi)部阻尼就特別重要。限于篇幅，對(duì)于材料的內(nèi)部阻尼我們就不做具體介紹了。不過(guò)對(duì)于支片的阻尼，有兩點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，可以給大家分享。


      支片的直徑越大，相同順性的情況下，阻尼越高；這點(diǎn)應(yīng)該比較容易想象，一方面為了保持順性，直徑大的支片必然需要更多的膠水（酚醛樹脂）來(lái)定型，另一方面，直徑大的支片在振動(dòng)傳遞過(guò)程中，需要更長(zhǎng)的距離，其能量消耗自然也就比較大；

      部分人的經(jīng)驗(yàn)，降低支片的順性可以降低Qms；從前面的分析來(lái)看，顯然是不對(duì)的。但降低支片的順性，必然需要更多的膠水定型，其內(nèi)部阻尼也就更大；所以在某些情況下，內(nèi)部阻尼的作用大于由順性帶來(lái)的影響時(shí)，Qms確實(shí)是會(huì)降低的。

      音盆和防塵帽對(duì)Rms的作用則有下面幾個(gè)方面：

      利用了空氣形成的阻力抑制振動(dòng)；相對(duì)來(lái)說(shuō)，比彈性率E/ρ（彈性模量/密度）大的材料，即剛性好，密度低的材料，對(duì)Rms的貢獻(xiàn)就比較大；
      音盆內(nèi)部阻尼在傳遞音圈引發(fā)的振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量消耗；這一點(diǎn)對(duì)中高頻來(lái)說(shuō)，是影響分割振動(dòng)的一個(gè)重要因素，而對(duì)于低頻，這種作用則與折環(huán)和支片類似；
      利用表面阻尼在與空氣摩擦產(chǎn)生的損耗。我們經(jīng)常看到在一些低音揚(yáng)聲器紙盆的表面涂一層阻尼膠，很大一部分的作用就在于此。

      從以上分析可以看出，揚(yáng)聲器品質(zhì)因素Q作為描述振動(dòng)系統(tǒng)所受阻尼的參數(shù)，與揚(yáng)聲器大部分部件的材料、性能以及結(jié)構(gòu)都相關(guān)；實(shí)際上，揚(yáng)聲器的很多參數(shù)都是互相影響甚至互相矛盾的，揚(yáng)聲器的開發(fā)過(guò)程就是一個(gè)平衡其中各項(xiàng)矛盾的系統(tǒng)工程。本文通過(guò)對(duì)Q值的詳細(xì)分析，希望能夠加深大家對(duì)各項(xiàng)相關(guān)因素的理解，從而在開發(fā)過(guò)程中能夠更輕松的做出相應(yīng)調(diào)整，找到一個(gè)符合自己意愿的平衡點(diǎn)。

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原帖由 原尾蚴 于 2010-1-20 8:14:00 發(fā)表
MS圖不全？Q值不是指向性的控制能力嗎？

你說(shuō)的是指向性因子Q值！跟這個(gè)應(yīng)該不是同一個(gè)參數(shù)　

xuan

Q值反映的應(yīng)該是諧振峰阻尼特性

原尾蚴

MS圖不全？Q值不是指向性的控制能力嗎？