扬声器是我们听觉体验中不可或缺的组成部分，它将电信号转换成我们感知到的充满活力的声音。扬声器普遍使用于各种会发出声音的电子设备，是常见且不可或缺的产品。不过，看似简单的扬声器，仍需要去了解一下扬声器如何运作，以及其如何影响声音产生的复杂性，必须深入研究其底层机制和关键元器件。本文将全面概述扬声器在音频设计中的使用，包括其基本操作、关键规格、设计注意事项、锥体和磁铁类型等等，以及Same Sky所推出的扬声器产品特性。

扬声器的运作原理与技术规格

    扬声器的声音产生涉及电磁和机械运动之间的精确相互作用。它始于电信号，电信号是我们想要听到的音频的表现方式。该信号可以来自各种来源，例如智能手机、笔记本电脑或任何其他能够产生音频的设备。
    在扬声器内部，关键元器件开始发挥作用。核心元器件是音圈和永磁体。音圈由线制成，连接到柔性锥体或振膜。该音圈环绕着坚固的永磁体，为声音产生奠定了基础。当电信号流过扬声器的电线时，它会给音圈通电，启动一系列受电磁控制的动作。这种电能在线圈周围产生磁场，其极性与电信号的变化相一致。
    扬声器操作的本质在于这些磁场之间的相互作用，随着磁场的波动，它们交替排斥和吸引，推动音圈及其连接的锥体快速振荡。振荡运动与周围的空气分子相互作用，使它们与锥体的运动同步振动。这些振动的空气分子产生压力波，通过空气传播，最终以声音的形式到达我们的耳朵。
    在介绍扬声器操作和结构的基础知识之前，我们需要先了解设计选择扬声器时，需要考虑的各种关键规格和性能标准。
    首先，声压级（SPL）的测量单位是分贝（dB），用于测量空气中声波的强度，即声音的响度。声压级受声源距离和环境条件等因素的影响。声压级也是评估各种环境中噪声水平的重要参数，从工业环境到住宅区，为噪声控制和调节提供了宝贵的信息。
    最大输入的测量单位是瓦（W），是可在极短时间内使用而不会永久损坏扬声器的最大功率。标称输入功率的测量单位也是瓦（W），是扬声器在长期使用期间可以安全处理的功率。
    阻抗的测量单位是欧姆（Ohm），阻抗是放大器电流流动的阻力。较低的阻抗标称值代表着扬声器消耗的功率越大。将扬声器阻抗与放大器兼容的阻抗相匹配很重要，以确保最佳性能并防止设备受到潜在损坏。匹配阻抗还有助于实现有效的功率传输，并保持音频再现的保真度。
    共振频率指的是扬声器振动最有效的频率，其测量单位是赫兹（Hz），共振频率规格提供了一种大致比较不同扬声器低频响应的方法。此外，频率范围由扬声器的尺寸决定，较小的扬声器在较高频率下运行最佳，而较大的扬声器在较低频率范围内运行更佳。低频用于重低音，而中频用于语音再现。
    总Q值是指Theile-Small值，可作为确定理想箱体类型的广泛参考。总Q值为0.4或更低表明扬声器最适合通风箱体。如果总Q值介于0.4和0.7之间，则建议使用密封箱体。总Q值为0.7或更高表明扬声器适合自由空气、半开放式或无限挡板设置。然而，这些准则也有例外，评估所有相关参数非常重要。

扬声器尺寸、形状、安装与测试注意事项
    一般来说，表面积较大的扬声器在相同驱动信号下会产生更大的声级，并且低频响应也更好。使用DSP预失真可以大大增强小型扬声器的性能，这种技术通常用于手机和笔记本电脑设计中。通过设计扬声器背面的外壳，可以实现少量的性能增强。
    扬声器锥体的形状通常由可用的安装空间决定，椭圆形扬声器锥体允许将更大的扬声器锥体表面积放入非方形空间。应检查扬声器的频率响应图，以确定扬声器的尺寸或形状是否对扬声器的预期性能产生不利影响。
    至于连接配置，扬声器有多种选择，具体取决于应用需求，包括导线、通孔、焊盘等。此外，扬声器可以配备各种防护等级（IP），用于处理恶劣环境中的湿气和污染物。另一方面，扬声器没有使用寿命等级，因为它们在额定规格内使用时可提供多年的可靠性能。
    在使用上述关键规格选择扬声器之后，可以进行几项额外的扬声器测量和测试，以确保扬声器正确集成到设计中并符合规格。
    首先可以测试频率响应，这是音频元器件再现可听声音范围的视觉表现方式。步进频率扫描则类似于频率响应，但专门针对混叠频率以获得更全面的频率响应。
    另一方面，测试电平与增益也相当重要，电平是确定设备可以输出多少能量的关键，增益是设备的输出电平除以设备的输入电平的测量值。此外，也需测量总谐波失真加噪声（THD+N），谐波失真是音频信号中不必要的新音调的添加。THD+N是一个方便且有说服力的单一数字性能，被广泛理解和接受。
    相位测量则用于描述从参考波形测量的周期波形，在一个周期中的正或负时间偏移。两种最常见的测量是设备输入／输出相位和通道间相位（针对系统中的多个扬声器）。摩擦与嗡嗡声则用于测试扬声器，可以检测响应低频刺激而产生的高频谐波产物的存在。
    Thiele-Small值则用于捕获被测扬声器的复数阻抗，并提供计算出的机电参数，这些参数定义扬声器驱动器的低频性能。Thiele-Small结果（包括总Q值）准确描述了扬声器和外壳之间的相互作用，对扬声器系统设计和生产测试都至关重要。扬声器阻抗是扬声器对交流（AC）信号（例如来自放大器的音频）流动的阻力的量度。它以欧姆为单位，表示扬声器对电信号的阻力。
    频率响应曲线对于扬声器相当重要，“响应”一词表示扬声器重现输入频率的能力。绘制这些数据时，它会形成一个频率响应图，以直观的方式表示扬声器产生的振幅与频率的关系。纵轴标记为声音的级别，单位为分贝（dB），横轴标记为频率，单位为赫兹（Hz）。

选择理想的扬声器锥体与磁铁材料
    扬声器锥体所用的材料类型以及其他因素都会影响音质。通过聆听和实验来评估这一点比仅仅依靠数字和数据更为准确。常见锥体材料的耐用性也是需要考虑的重要因素。通常，塑料最耐用，其次是纸和布，然后是发泡材料。然而，扬声器的实际寿命取决于湿度、环境和应用细节等因素。
    用塑料制成的扬声器锥体因其耐用性，以及对灰尘和水等环境因素的抵抗力而广受欢迎。它们还易于制造且具有精确的公差，从而在减少失真和音质方面具有更好的性能。塑料振膜可快速吸收和消散机械能，表现出类似于传统纸锥的良好阻尼特性。虽然通常被称为塑料，但这些材料包含各种复合材料，成本因厚度、压制技术、尺寸和耐温性等因素而异。
    纸和布锥体以出色的音质和自阻尼而闻名，但可能会受到湿度的影响。它们由各种木纤维和棉花和羊毛等添加剂制成，混合以达到特定的声音特性。这种混合物增强了强度并弥补了弱点，从而产生了不同的声音。由于重量轻，它们主要用于大型扬声器。
    发泡材料很少用作振膜的唯一材料，通常与金属、塑料或纸等其他材料混合使用。在复合振膜中，发泡材料被加入夹层中。其主要功能是增强内部损耗，这是扬声器的关键物理特性。
    高内部损耗有助于最大限度地减少原材料固有的声音特性。例如，金属振膜的内部损耗较低，容易产生金属声。相反，纸锥具有更高的内部损耗，从而产生更自然的声音，原材料音色的影响最小。
    扬声器整体结构和性能的另一个关键组成部分是磁铁类型。首先，铁氧体磁铁，也称为陶瓷磁铁，是一种低成本磁铁，可以很好地保持其磁强度。它们很重，通常不用于需要便携性的应用。装有铁氧体磁铁的扬声器在接近最大处理能力时音质会更好。铁氧体磁铁还非常适合潮湿环境下的应用，因为它们具有天然的耐腐蚀性。
    铝镍钴（AlNiCo）磁铁是扬声器中使用的第一种磁铁，它有助于使扬声器产生平滑的经典音调。采用铝镍钴磁铁的扬声器比基于铁氧体的扬声器更昂贵，但它们不易破裂。这些磁铁在当今肯定不如钕磁铁（NdFeB）常见，但它们仍可用于需要精确调谐的高端应用。
    钕磁铁也称为稀土磁铁，可提供已知的所有永磁体中最高的磁场强度。用钕磁铁制成的扬声器具有良好的频率响应，重量轻，并且比采用铁氧体或铝镍钴磁铁的扬声器小得多。这使它们成为需要输出高声压级的小型扬声器的理想磁铁，钕磁铁的主要缺点是它们更容易破碎。
    钐钴（SmCo）磁铁由于成本较高，因此使用频率低于其他类型的磁铁。它们的主要优势是耐腐蚀，并且在极端温度变化时输出稳定，非常适合恶劣环境。它们容易破碎，强度不如钕磁铁。然而，成本仍然是它们最大的缺点。

多种规格的完整扬声器系列产品
    Same Sky的扬声器产品可提供具有10毫米至205毫米的框架尺寸和72至135分贝的声压级，可提供满足客户声音要求的质量和便利性。Same Sky的扬声器选择包括各种框架形状、磁铁类型和安装方式，可快速配合客户的设计。Same Sky还可以透过一些机械和电气修改来客制化适合客户的扬声器。
    Same Sky推出的扬声器类型包括微型扬声器与标准扬声器。为了顺应小型化趋势，Same Sky提供了一系列微型扬声器，其紧凑封装尺寸小至10毫米，深度低至2毫米。Same Sky的微型扬声器的声压级为72至135 dB，阻抗额定值为4、6、8、16、20、25、32或50欧姆，谐振频率高达1700 Hz。
    作为业界的主力，Same Sky的标准扬声器专为高功率输出和可靠的性能而设计，封装尺寸范围为41至205毫米。Same Sky的标准扬声器具有78至107 dB的声压级、50至3000 Hz的谐振频率，以及4、6、8、16或32欧姆的额定阻抗。
    Same Sky提供各种锥体类型、磁铁类型、框架形状和安装方式，可让客户轻松找到适合设计需求的扬声器。另提供多种高音扬声器型号，以及专为满足IEC 60601-1-8监管标准，可配合医疗警报讯号要求而设计的医用扬声器。Same Sky还提供音频设计服务，可帮助工程师进行关键的扬声器测量和测试。欢迎到以下网址搜寻适合自己需求的扬声器：https://www.arrow.com/zh-cn/manufacturers/cui-devices/audio-components/speakers 。

结语
    了解扬声器的机制可以让工程师打造身临其境的听觉体验，本文中介绍了多种元器件和规格，可以协助客户选择合适的扬声器。然而，即使对关键扬声器参数有了更深入的了解，还需要搭配在最终设计中对所选扬声器的正确测试和测量。Same Sky推出的全系列微型扬声器和标准扬声器可满足客户多样性的需求，同时Same Sky的音频设计服务也可以为客户提供额外的帮助！