圖解振膜的振動方式
gundem 于 2012.02.07 11:36:15 | 源自:www.soomal.com | 版權:編譯 | 平均/總評分:10.00/110

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數碼多有一系列講述振膜振動的文章,而本文則是對這部分內容進行的補充和完整,著重介紹在各種頻率下,揚聲器振膜的振動情況。資料自行翻譯自德國Klippel公司提供的論文《Measurement and Visualization of Loudspeaker Cone Vibration》。

  • 一、摘要

    揚聲器的振膜振動可以歸結成以下幾種運動模式:徑向振動、圓周振動、活塞運動、環共鳴、環繞共鳴、過渡區振動。

    二、基礎知識:測量振膜振動、振幅著色圖、剖面圖

  • 1、測量振膜振動

    運用激光掃描技術,可以記錄振膜上微小的振動。由于激光掃描以“點”為單位,通過測量單元上不同的“點”的振動,可以串聯出一個振膜的3D幾何形態,可以預見,幾何圖的形態精度與采樣點的數量成正比。

  • 2、振幅著色圖(Amplitude Coloration )

    為了更加直觀地展示振膜的振動方式,除了運用3D幾何圖之外,還在其表面進行著色。

    振幅著色依據振膜振動的方向與幅度著色,對朝前方運動(圖解為向上運動)的振膜部分用藍色上色;對朝后方運動的振膜部分(圖解為向下運動)用紅色著色;沒有變化的區域依然為白色,顏色越濃表示振膜向運動的幅度越大。注意,由于激光掃面精度的限制,一些區域可能無法精確地測量,該區域會用灰色著色。

    圖解為某振膜在2kHz訊號的振幅著色圖,當振膜部分在朝前方或朝后方的振幅最大時,振膜呈現強烈的藍色或者紅色;當振膜表面出現輕微形變的時候,振膜會出現少許藍色或紅色的痕跡。對于某些簡化圖會直接用黑白程度來標注振幅程度。

  • 3、剖面圖(Cross- Section View)

    剖面圖非常容易理解,用于觀察振膜直徑剖面上的振動。黑色線為振膜的正常形態,紅色線為振膜的振動形態。

    三、基礎振動:徑向振動與圓周振動

    為了詳細的觀察振膜的機械振動情況,把振動分為徑向振動(Radial)和圓周振動(Circular),這兩種運動有助于分析各種振膜運動模式的形成。

  • 簡單理解徑向振動(Radial Vibrations),就是以振膜中心為圓心(假設振膜為圓形),以圍繞著圓心的振膜部分振動,是主要的發聲振動。如圖所示,就是一圈涂有藍色的振膜振動。顯然,這種振動是對稱的。

  • 相對的,圓周振動(Circular Vibrations)就是振膜的非對稱運動。如圖所示,在外圍的振膜,一部分振膜朝上運動(涂藍),一部分振膜下運動(涂紅)。這兩種振動相互獨立的機械振動,兩者互不干擾。

    理論上,振膜應該不會發生圓周振動,因為圓周振動不會在完全對稱的振膜上激發。但是實踐上振膜一些很小的瑕疵(比如是振膜或線圈的質量不均)就會引發圓周振動。根據Frankort(1979)發表的論文顯示,圓周振動會帶來失真,但是的影響甚微,為了更加直觀地顯示振膜振動,一些示意圖甚至會忽略掉圓周圓周振動的影響,盡管如此,圓周運動依然可以激發多極點(雙極、四極等等)的非正常振動(譯注:可能是分割振動)。

    四、圖解振膜振動方式

  • 1、活塞運動(Piston Mode)

    活塞運動是指振膜整體沿著軸線同步運動,振膜沒有發生其他形變,就像活塞運動一樣。此時振膜幾乎沒有發生任何形變。一般在回放極低頻(580Hz)的時候會發生這種振動,這時雖然會發生圓周振動,但是不會對帶來太大影響。

  • 2、環共鳴(Ring Resonance)

    當訊號頻率提升至更高的頻率的時候,振膜的環狀邊緣會發生振動,稱為環共鳴。如圖所示就是某振膜在796Hz處的振幅圖。可以看見,振膜中央幾乎沒有發生形變,但是振膜邊緣發生了較大的形變。環共鳴和活塞運動非常相似,只有向上的振動,它們發出的聲壓水準基本相當(譯注:所以一般的振膜在低于1000Hz的頻率容易保持一條平直的頻響曲線)。

  • 3、環繞共鳴(Surround Resonance)

    頻率再稍微提高一點(984Hz),振膜邊緣開始出現向內的皺褶,稱為環繞共鳴。與之前的振動方式相比,除了出現了向上的振幅之外,還出現了向下的振幅(譯注,此時開始出現分割振動)。由于向下的振幅會抵消正向的聲壓,此時的聲壓比之前的水準稍弱。

  • 4、過渡區域振動(Transitional Region)

    當頻率進一步提高時(3046Hz),振膜邊緣與振膜中央之間的過渡區振膜越來越來不能保持原本的形態,發生更多的褶皺,此時,內部的振膜依然可以保持剛性。由于過度區域發生大量的正-負向振動,聲音相互抵消,這時只有中央的振膜部分產生聲音。

  • 當頻率再提高的的時候(7640Hz),整個振膜出項大量的褶皺,這時只有穹頂內少量的環形部分可以有效產生聲音。

    五、總結

    振膜的形變(分割振動)其實是由外到內的振動過程,隨著頻率的提升,振膜越難保持形態,發生向內折或向外折的振動,這兩種振動會相互抵消聲壓,只有向外振動幅度比向內振動的幅度要大,才會發出正向的聲音。由于分割振動的影響,使得隨著頻率的提高,振膜的有效發音的部分越來越小,產生的聲壓越來越低,這就是為什么動圈振膜的頻響曲線在高音為一條向下的曲線。

    對照AKG振膜專利看,可以理解為什么要一個堅硬的穹頂來減少振膜的形變,保持高頻的質量。

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