2024年4月27日发(作者:夕凯风)
细解扬声器的Q值
在扬声器的Thiele-Small参数中,其品质因素Q值作为评价低频性能和低音箱
体设计的关键参数,经常被大家提起和引用;但作为一个数学模型的辅助参量,
Q值的概念是非常抽象的,远远不如Fs(谐振频率)、Vas(等效容积)等参数
容易得到感性的认识。下面,本文将通过不同的角度,来分析、阐释Q值的意
义,希望能够加深大家对Q值的理解。
基本概念
根据T-S参数的定义,Q(quality factor)是描述扬声器阻尼系数(damping
factor)的一组参数。在T-S参数中,Q值分为Qms,Qes和Qts。
Qms为机械系统的阻尼,体现了扬声器支片、边等支撑系统对能量的消耗、吸收
和音盆、音圈、防尘帽等质量系统对能量的内在消耗;
Qes为电力系统的阻尼,主要体现在音圈直流电阻对电能的消耗;
Qts为总阻尼,为上述两者的并联。即Qts=Qms*Qes/(Qms+Qes)。
扬声器Qts对低频声压特性的影响如图(1)所示,这在很多参考书上都有描述,
这儿不再讨论。
图(1)Qts对扬声器低频声压特性的影响
阻抗曲线的数学模型
考虑到扬声器Q值与阻抗Ze密不可分的关系,在具体分析Q值前,我们简单了
解一下扬声器阻抗曲线。
在阻抗型电声类比中,扬声器的等效阻抗为:
其中,Re为扬声器的直流阻抗,L为音圈线圈的感抗;
Res为振动系统的力学等效阻抗,Res=(BL)²/(Rms+2Rmr),Rms振动系统的
力阻,Rmr为扬声器振膜单面的辐射力阻;
Cmes为质量抗,Cmes=Mms/(BL)²;
Lces为弹性抗,Lces=Cms*(BL)²。
当频率在Fs的时候,动生阻抗达到最大值;同时由于在低频阶段,音圈感抗相
当小,基本上可以忽略,所以我们有:
Zmax=Re+|Res|
参考下面Mlssa对某款扬声器的测试结果,我们可以对其进行直观地理解。
图(2)扬声器的阻抗曲线
Q值与阻抗Ze的关系
根据Qms的定义,有Qms=ωMms/(Rms+2Rmr)。
由ω=2πFs以及
我们不难得到:
同样,对于Qes和Qts有:
对于上述的BL、Cms和Mms,一般的测试软件都可以通过附加已知质量法测得或
者通过Fs推算得到,具体的方法及推算过程由于不是本文的内容,这儿就不做
介绍。
感性认识Qms
在T-S参数的三项Q值中,大部分人对Qts与Qes非常敏感,而对Qms都不会
太过注重。的确,作为描述低频份量的参数,从图(1)中我们就可以看出Qts
的重要性;更何况在低音箱体设计时,作为判断使用何种箱体以及计算箱体尺
寸的重要依据,Qts一直被音箱开发者频繁使用;而对于扬声器单体的开发者,
Qts也是经常被客户要求的参数之一。对于Qes,由于其值比Qms一般都小很多,
根据Qms=Qms*Qes/(Qms+Qes),Qes基本上决定了Qts,甚至很多参考书上都直
接将Qes当作Qts使用。所以相对而言,大部分扬声器开发者对Qes和Qts的
设计和调整都比较轻车熟路。而对于Qms,由于使用的频率不高,大部分参考书
上也甚少介绍,相当多的人对其本质意义以及控制办法都没有太深的理解。
下面,我们就重点分析一下Qms。
根据前面的分析结果,Qms反映了阻抗曲线上的峰值,即动生阻抗的最大值Res
的大小。从另一方面说,Res越大,其阻抗峰越尖锐,Qms也就越大。
而对于动生阻抗,顾名思义,其阻抗因动而生。其产生的根本原因就是音圈在
磁场中运动时切割磁力线而产生了感应电动势,而感应电动势对音圈输入电流
反向作用的效果,就相当于在音圈中产生了变化的阻抗;感应电动势的大小为:
e=BLv;
其中v为音圈的磁场中的运动速度。
显然,v越大,扬声器的感应电动势越强,动生阻抗也就越大;而在振动最快的
Fs这一点,动生阻抗也就达到了最大值。
所以间接看来,Qms越高,就表示扬声器振动系统的振动速度越快。
根据扬声器的辐射功率P=v²*2Rmr,我们可以知道Qms越高,扬声器在Fs附近的
效率也就越高。
另一方面,v越大,同时意味着扬声器振动系统越容易起动,而一旦振动起来后,
却更加难以控制了。这句话从换个角度理解,就意味着Qms越高,扬声器瞬态
的前沿特性就越好,而后沿特性就会比较差;反之,则前沿特性差,而后沿特
性比较好。这点我们可以简单的根据下图理解:
图(4)扬声器的瞬态特性
一些发烧友音质评价术语中,有个词汇叫做“速度快”,从瞬态的角度理解,
所谓的“速度快”就是扬声器前沿特性比较好,对信号的反映比较及时,也就
是说,Qms比较高。一般来说,前沿特性的提高必然导致后沿特性的恶化,而后
沿特性比较差的扬声器,听起来就会拖尾较长,声音浑浊不清。
按照个人设计经验,由于材料特性的关系,往往Qms都相对比较高;而对个人
而言,本人则更倾向于后沿特性好一点的扬声器。
2024年4月27日发(作者:夕凯风)
细解扬声器的Q值
在扬声器的Thiele-Small参数中,其品质因素Q值作为评价低频性能和低音箱
体设计的关键参数,经常被大家提起和引用;但作为一个数学模型的辅助参量,
Q值的概念是非常抽象的,远远不如Fs(谐振频率)、Vas(等效容积)等参数
容易得到感性的认识。下面,本文将通过不同的角度,来分析、阐释Q值的意
义,希望能够加深大家对Q值的理解。
基本概念
根据T-S参数的定义,Q(quality factor)是描述扬声器阻尼系数(damping
factor)的一组参数。在T-S参数中,Q值分为Qms,Qes和Qts。
Qms为机械系统的阻尼,体现了扬声器支片、边等支撑系统对能量的消耗、吸收
和音盆、音圈、防尘帽等质量系统对能量的内在消耗;
Qes为电力系统的阻尼,主要体现在音圈直流电阻对电能的消耗;
Qts为总阻尼,为上述两者的并联。即Qts=Qms*Qes/(Qms+Qes)。
扬声器Qts对低频声压特性的影响如图(1)所示,这在很多参考书上都有描述,
这儿不再讨论。
图(1)Qts对扬声器低频声压特性的影响
阻抗曲线的数学模型
考虑到扬声器Q值与阻抗Ze密不可分的关系,在具体分析Q值前,我们简单了
解一下扬声器阻抗曲线。
在阻抗型电声类比中,扬声器的等效阻抗为:
其中,Re为扬声器的直流阻抗,L为音圈线圈的感抗;
Res为振动系统的力学等效阻抗,Res=(BL)²/(Rms+2Rmr),Rms振动系统的
力阻,Rmr为扬声器振膜单面的辐射力阻;
Cmes为质量抗,Cmes=Mms/(BL)²;
Lces为弹性抗,Lces=Cms*(BL)²。
当频率在Fs的时候,动生阻抗达到最大值;同时由于在低频阶段,音圈感抗相
当小,基本上可以忽略,所以我们有:
Zmax=Re+|Res|
参考下面Mlssa对某款扬声器的测试结果,我们可以对其进行直观地理解。
图(2)扬声器的阻抗曲线
Q值与阻抗Ze的关系
根据Qms的定义,有Qms=ωMms/(Rms+2Rmr)。
由ω=2πFs以及
我们不难得到:
同样,对于Qes和Qts有:
对于上述的BL、Cms和Mms,一般的测试软件都可以通过附加已知质量法测得或
者通过Fs推算得到,具体的方法及推算过程由于不是本文的内容,这儿就不做
介绍。
感性认识Qms
在T-S参数的三项Q值中,大部分人对Qts与Qes非常敏感,而对Qms都不会
太过注重。的确,作为描述低频份量的参数,从图(1)中我们就可以看出Qts
的重要性;更何况在低音箱体设计时,作为判断使用何种箱体以及计算箱体尺
寸的重要依据,Qts一直被音箱开发者频繁使用;而对于扬声器单体的开发者,
Qts也是经常被客户要求的参数之一。对于Qes,由于其值比Qms一般都小很多,
根据Qms=Qms*Qes/(Qms+Qes),Qes基本上决定了Qts,甚至很多参考书上都直
接将Qes当作Qts使用。所以相对而言,大部分扬声器开发者对Qes和Qts的
设计和调整都比较轻车熟路。而对于Qms,由于使用的频率不高,大部分参考书
上也甚少介绍,相当多的人对其本质意义以及控制办法都没有太深的理解。
下面,我们就重点分析一下Qms。
根据前面的分析结果,Qms反映了阻抗曲线上的峰值,即动生阻抗的最大值Res
的大小。从另一方面说,Res越大,其阻抗峰越尖锐,Qms也就越大。
而对于动生阻抗,顾名思义,其阻抗因动而生。其产生的根本原因就是音圈在
磁场中运动时切割磁力线而产生了感应电动势,而感应电动势对音圈输入电流
反向作用的效果,就相当于在音圈中产生了变化的阻抗;感应电动势的大小为:
e=BLv;
其中v为音圈的磁场中的运动速度。
显然,v越大,扬声器的感应电动势越强,动生阻抗也就越大;而在振动最快的
Fs这一点,动生阻抗也就达到了最大值。
所以间接看来,Qms越高,就表示扬声器振动系统的振动速度越快。
根据扬声器的辐射功率P=v²*2Rmr,我们可以知道Qms越高,扬声器在Fs附近的
效率也就越高。
另一方面,v越大,同时意味着扬声器振动系统越容易起动,而一旦振动起来后,
却更加难以控制了。这句话从换个角度理解,就意味着Qms越高,扬声器瞬态
的前沿特性就越好,而后沿特性就会比较差;反之,则前沿特性差,而后沿特
性比较好。这点我们可以简单的根据下图理解:
图(4)扬声器的瞬态特性
一些发烧友音质评价术语中,有个词汇叫做“速度快”,从瞬态的角度理解,
所谓的“速度快”就是扬声器前沿特性比较好,对信号的反映比较及时,也就
是说,Qms比较高。一般来说,前沿特性的提高必然导致后沿特性的恶化,而后
沿特性比较差的扬声器,听起来就会拖尾较长,声音浑浊不清。
按照个人设计经验,由于材料特性的关系,往往Qms都相对比较高;而对个人
而言,本人则更倾向于后沿特性好一点的扬声器。