田軍

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

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一種礦用音箱設(shè)計(jì)方法

田軍

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

介紹了一種礦用音箱設(shè)計(jì)方法。首先，從頻率特性、失真度、阻抗3個(gè)參數(shù)角度介紹了礦用音箱揚(yáng)聲器的選擇方法；然后，以均衡的頻響為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)礦用音箱的腔體容積進(jìn)行了計(jì)算；最后，對(duì)礦用音箱的尺寸、材料等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

礦用音箱； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 揚(yáng)聲器選擇

0 引言

礦用音箱在煤礦井下被廣泛應(yīng)用。目前市場(chǎng)上的礦用音箱在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成了聲信號(hào)，并未在音腔設(shè)計(jì)上有所考究，導(dǎo)致音箱發(fā)出的聲音比較沉悶，有雜音，尤其是播放廣播音樂(lè)時(shí)，音質(zhì)效果差。針對(duì)該問(wèn)題，本文介紹了一種礦用音箱設(shè)計(jì)方法，旨在開(kāi)發(fā)一款既能保證煤礦安全生產(chǎn)，又能保證音質(zhì)的礦用音箱。

1 揚(yáng)聲器選擇

揚(yáng)聲器的選擇是音箱設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。揚(yáng)聲器的頻率特性、失真度、阻抗這3個(gè)特性參數(shù)對(duì)音箱的音質(zhì)影響較大。

1.1 頻率特性

揚(yáng)聲器的頻率特性是一條輸出聲壓隨頻率變化的頻率響應(yīng)(簡(jiǎn)稱頻響)曲線。揚(yáng)聲器的頻響曲線在某頻段越平坦，說(shuō)明頻率失真越小，有效頻率范圍越寬，揚(yáng)聲器音質(zhì)越好。一般揚(yáng)聲器的頻率范圍為20～20 000 Hz。人耳聽(tīng)感最敏感的頻率范圍為300～1 200 Hz。因此，選擇一款300～1 200 Hz頻段頻響曲線平坦的揚(yáng)聲器，是音箱設(shè)計(jì)的一個(gè)要點(diǎn)。如圖1所示，該揚(yáng)聲器在200～5 000 Hz頻段頻響曲線平坦，對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)波動(dòng)范圍為70～90 dB，說(shuō)明該頻段的音質(zhì)較其他頻段好。

圖1 某揚(yáng)聲器頻響曲線

頻響下限稱為揚(yáng)聲器的諧振頻率[1]，是決定揚(yáng)聲器低頻特性的重要參數(shù)。

1.2 失真度

失真度通常以百分?jǐn)?shù)表示，其隨頻率的增大而減小。百分?jǐn)?shù)值越小，表示失真度越小，揚(yáng)聲器品質(zhì)越高。人耳一般對(duì)5%以內(nèi)聲波失真不敏感。如圖2所示，該揚(yáng)聲器頻率大于200 Hz時(shí)，失真度均小于5%，且失真度曲線比較平坦，說(shuō)明在該頻率范圍內(nèi)，揚(yáng)聲器的音質(zhì)較好。

圖2 某揚(yáng)聲器失真度曲線

1.3 阻抗

阻抗表示揚(yáng)聲器輸入信號(hào)的電壓和電流的比值。在功放和輸出功率完全相同的情況下，使用低阻抗的音箱一般能獲得很大的輸出功率?？蛇x擇阻抗較低的揚(yáng)聲器進(jìn)行音箱設(shè)計(jì)。但太低的阻抗值可能造成欠阻尼甚至低音劣化等問(wèn)題。因此，選擇常用值8 Ω阻抗來(lái)設(shè)計(jì)礦用音箱。

根據(jù)以上分析，可選擇一款阻抗低、頻響曲線平坦、失真度曲線平坦的揚(yáng)聲器作為礦用音箱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2 音箱腔體容積計(jì)算

煤礦井下復(fù)雜多變，灰塵及水汽多，因此，礦用音箱一般設(shè)計(jì)為封閉式結(jié)構(gòu)[2]。

設(shè)計(jì)封閉式礦用音箱首先需知揚(yáng)聲器的諧振頻率f0、總品質(zhì)因數(shù)[3]Qts、等效容積Veq等參數(shù)。根據(jù)傳統(tǒng)音箱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)f0與Qts的比值為40～80時(shí)，能夠制作出音質(zhì)較好的封閉式音箱。傳統(tǒng)封閉式音箱均采用低品質(zhì)因數(shù)的平直頻響設(shè)計(jì)，封閉式音箱總品質(zhì)因數(shù)QB常取0.7甚至0.5。若以音箱達(dá)到均衡的頻響為設(shè)計(jì)目標(biāo)，QB值應(yīng)不小于0.7，因此建議QB取0.7～1.3，這樣既能保證充沛的低音，又可得到均衡的頻響。

封閉式音箱的頻響主要由音箱諧振頻率fB與QB決定，而fB與QB取決于揚(yáng)聲器參數(shù)和箱體容積。設(shè)音箱的聲順比為α，箱體凈容積為VB，根據(jù)傳統(tǒng)音箱設(shè)計(jì)方法，有

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)音箱的設(shè)計(jì)目標(biāo)，選定QB，即可得到α，VB，fB。

根據(jù)以上分析，選用一款阻抗為8 Ω、口徑為133 mm的揚(yáng)聲器作為礦用音箱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其參數(shù)：揚(yáng)聲器外徑為116 mm，高度為67 mm，揚(yáng)聲器磁鐵直徑為78 mm，f0=55 Hz,Qts=0.68,Veq=5.5 L,f0/Qts=80,適合制作封閉式音箱。

采用不同的QB值，由式(2)—式(4)分別得到α，VB，fB，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同QB計(jì)算得到的音箱參數(shù)

由表1可知，當(dāng)QB=0.7時(shí)，VB=91.7 L，不符合礦用音箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸要求；當(dāng)QB=1時(shí)，VB=4.7 L，fB=80 Hz，滿足封閉式音箱設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)音箱總?cè)莘e時(shí)，除VB外，還需考慮其他零件占容的影響，如揚(yáng)聲器體積等。根據(jù)揚(yáng)聲器尺寸參數(shù)(約為0.5 L)，計(jì)算得音箱的總?cè)莘eV=5.2 L。

3 音箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

確定音箱的總?cè)莘e后，即可計(jì)算出音箱的結(jié)構(gòu)尺寸。計(jì)算時(shí)需保證音箱面板寬度足以安裝揚(yáng)聲器的口徑，同時(shí)使音箱形狀符合修長(zhǎng)的體形[4-5]。由于是礦用產(chǎn)品，還需考慮電路板的安裝結(jié)構(gòu)、電纜引入結(jié)構(gòu)等。綜合以上因素，將音箱腔體設(shè)計(jì)為寬210 mm、高180 mm、深140 mm的封閉式結(jié)構(gòu)，加上電路板的安裝結(jié)構(gòu)尺寸，整個(gè)礦用音箱的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為寬210 mm、高290 mm、深165 mm，如圖3所示。

圖3 礦用音箱結(jié)構(gòu)尺寸示意

由于礦用產(chǎn)品的特殊使用環(huán)境，為避免發(fā)生煤礦事故，采用2 mm厚的冷軋鋼板(Q235A)作為礦用音箱制作材料。

為減小封閉式音箱內(nèi)聲波的能量及駐波的影響，音箱內(nèi)需填充一定的吸音材料。吸音材料的厚度需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)方可確定，一般不少于10 mm。本文設(shè)計(jì)的礦用音箱的吸音材料為10 mm厚玻璃棉。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前礦用音箱在設(shè)計(jì)時(shí)未考究音腔大小而導(dǎo)致音質(zhì)不佳等問(wèn)題，以音箱達(dá)到均衡的頻響為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)選取合理的音箱總品質(zhì)因數(shù)QB對(duì)音箱容積進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)出了音質(zhì)較好的音箱結(jié)構(gòu)，改善了井下廣播系統(tǒng)的品質(zhì)。

[1] 張學(xué)斌.一種二分頻封閉音箱的設(shè)計(jì)[J].商洛師范專科學(xué)校學(xué)報(bào),1994,9(2):71-73.

[2] 張榮輝.一種適用于教學(xué)的封閉式音箱的設(shè)計(jì)原理[J].昭烏達(dá)蒙族師專學(xué)報(bào),2003,24(5):31-32.

[3] 王以真，沈偉星.音箱研討[J].電聲技術(shù),2006(12):22-26.

[4] 黃倩，黃友勝.嵌入式礦用廣播終端的設(shè)計(jì)[J].煤礦安全,2012(2):79-81.

[5] 徐直.礦用本安產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求[J].煤礦機(jī)械,2013,34(11):16-18.

A design method of mine-used sound box

TIAN Jun

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

A design method of mine-used sound box was introduced. A selection method of loudspeaker in mine-used sound box was introduced firstly from aspects of three parameters of frequency characteristics, distortion degree and impedance. Then cavity volume of mine-used sound box was calculated by taking balanced frequency response as a design goal. Finally, structures of size and material of mine-used sound box were designed.

mine-used sound box; structure design; loudspeaker selection

1671-251X(2016)11-0071-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.017

田軍.一種礦用音箱設(shè)計(jì)方法[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(11)：71-73.

2016-06-30；

2016-09-25；責(zé)任編輯：李明。

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自立重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2015ZDXM01)。

田軍(1984-)，男，貴州黃平人，工程師，碩士，主要從事煤礦監(jiān)控技術(shù)及儀器儀表研究工作，E-mail：tj2436645@163.com。

TD67

A

時(shí)間：2016-10-28 16:32

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1632.017.html