[基础知识] 关于无源辐射盆的应用

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发表于 2018-9-4 14:55 | 显示全部楼层
包括我在内,好像现在搞辐射盆的朋友多起来了。当看到一些实践经验的分享与讨论,不禁也想说说,但内容有点长,开个贴讨论吧。

首先我们把使用倒相管与辐射盆的箱体在Fb(箱体系统的共振频率)相同的情况下做个对比。

先说使用倒相管的箱体:

使用倒相管的箱体,其Fb值是由箱体容积(空气顺性)与倒相管内的空气等效质量决定的。

由倒相管输出声能量,倒相管口径越大,空气耦合越好,声辐射效率越高(当然这受制于驱动单元的参数)。

频带内(Fb上下一个倍程)的效率主要由倒相式箱体Q值决定,Q值高效率高但频带窄(出峰),Q值低效率低但频带宽。

损耗主要来自于倒相管的空气摩擦及箱体内的声吸收。

失真主要来自箱体及倒相管内空气力顺(压缩与膨胀)的非线性、倒相管自身的共鸣及气流噪声。

再说使用辐射盆的箱体:

使用辐射盆的箱体,其Fb值是由箱体容积、辐射盆的质量、辐射盆面积的空气附加质量、盆边的顺性共同决定的。

由辐射盆面输出声能量,盆面积越大,空气耦合越好,声辐射效率越高(同样受制于驱动单元的参数)。

频带内的效率主要由箱体Q值、辐射盆Q值共同决定,Q值高效率高但频带窄,Q值低效率低但频带宽。

损耗主要来自于辐射盆边的阻尼及箱体内的声吸收。

失真主要来自于辐射盆边力顺的非线性(空气力顺的非线性退居次要)。

画了个图来说明,图中分别画出了在箱体上使用倒相管(图上部)与使用辐射盆(图下部)的类比结构。为了避免混淆,其驱动单元没有画出,因为它在此是个“策动源”,只视为能量提供者(虽然单元的Qts会很影响输出特性,但那属于另一件事儿)。

倒相管与辐射盆类比

倒相管与辐射盆类比

看得出,它们都属于利用箱体Fb的“反共振”来输出声能的霍姆兹共鸣器。它们的主要区别就是多了个辐射盆边的“弹簧”(请注意,这个“弹簧”是指辐射盆的自由状态下的)。

这种“双弹簧”系统,意味着其中存在两个力顺和两个Q值,无论是力顺的“和”还是Q值的“和”都像电阻并联那样,由更小的那一边“主导”。而更为重要的是,力顺与Q值之间却是“力顺主导Q值”,意思是说:谁的力顺越小(越硬),谁的Q值权重就越高!

由此看来,要想获得足够的声压就必须提高辐射盆的力顺,就是盆边要尽量的软,让箱体空气力顺来“主导”共振。

这种“双弹簧”系统还有一个很重要特点:与“单弹簧”(使用倒相管的箱体)相比,当输出频率低于截止频率后,声压呈-18dB/倍程减弱(对吗?我忘了),而“双弹簧”系统处于辐射盆的自由谐振频点(Fp)时(就是如果A弹簧不存在时),振幅会出现“断崖”式的衰减!(即斜率衰减与深谷的重叠)这一点必须注意到。所以……盆边要尽量的软,把其自由谐振频率充分降低。(那么,加重辐射盆的质量不也能降低自由谐振频率么?……别忙,往下看)

辐射盆的质量大小很重要,这个振动系统里的振动体“质量”就是以驱动单元的振动质量(Mms)为基础的,下面单独来说它。

对于系统里的这些振动体质量的理解,可把它们看做是能量守恒定律试验里的“小球弹性碰撞”(这个类比不完全合适,只是部分一致)。

驱动器振动质量

驱动器振动质量

使用倒相管的箱体可类比为两个弹性小球“1、2”。

“1”的质量是“驱动器的振动质量”,其弹性是单元的力顺;

“2”是“倒相管空气等效质量”,其弹性是箱体内空气力顺。

1撞2,重球能把轻球撞飞,但撞后“1”球还会继续前进,因而能量传递效率不高;轻球撞重球撞不太动,还会反弹,传递效率也不高;球的质量相等时,撞击后一个静止一个走人,最有效率(所以倒相箱体在Fb频点时振膜振幅最小而倒相管气流却很快)。

当然,在实际音箱中,考虑到驱动单元的参数特性及箱体损耗等因素,“1”与“2”不一定相同,但却在一定范围内。

使用辐射盆也可类比为上述那两个小球“1、2”的碰撞,道理也基本一样。唯一不同的是“2”球是由两种材料组成,其内部还存在一个不同弹力的核……(这个问题就复杂了,我都不知道该咋类比了)。其反映在音箱上的结果就是,当输入频率达到辐射盆的自由谐振频点时,会因相位反转造成输出声压出现深谷,进而形成“断崖”式的减弱!(又把前述的重复了一次)

至此,我们把使用辐射盆的系统要求总结一下:

1.辐射盆的边缘必须要软(力顺够大)。这样才能尽量让箱体空气力顺来“主导”谐振,同时也有利于降低自由谐振频率(Fp)。

2.辐射盆的Q值要高些才有利于效率。在常见盆边中,使用折环边Q值最大(但可能偏硬)、泡沫边其次、橡皮边Q值最小。

3.辐射盆的质量要轻。如果因此而达不到所需要的Fb值,那增大箱体容积或增大辐射盆面积要比增加配重更有效率。

4.驱动单元的Qts可略高于倒相管式箱体之驱动器。这至少是因为辐射盆的Q值(Qmp)的存在拉低了箱体Q值所致。

使用辐射盆的音箱比使用倒相管的音箱的优势在于:

1.失真可以更低。因为辐射盆面积远大于倒相管截面,所以同等声压下空气振动速度更低,非线性失真更小,且没有倒相管的空气挤压效应及气流干扰声。

2.箱体体积可以小一些。因为没有了倒相管占据的空间。

3.灵敏度略高于用倒相管(1、2dB),截止频率(-3dB处)可以比用倒相管的更低,但截止的更陡峭。

4.没有洞口,蟑螂就不能安家( 开个玩笑)。没有开口就没有局部的高速气流,这样就可以在箱内灵活的填充吸音棉来调整Q值或消除驻波,而不会像有倒相孔的箱体那样的精细敏感。

其它方面如瞬态特性与用倒相管基本一样(毕竟工作原理相同嘛),但明摆着,辐射盆越重瞬态就越差。

最后要说,以上论述(如果这也算论述的话)可能感觉和朋友们的实践经验有出入,这不奇怪,首先是我理解的也不一定都对,再者单元与辐射盆的参数性能及箱体形式五花八门,哪种“组合”为最佳自然多种多样。所以,这些论述只是个“战略方针”而非“战术指导”,只为厘清一些基本原理,免得因基于少量试验而形成“带病”理论,进而诱发玄学人士(如皇……)的兴趣……。

最最后要说,其实关于使用无源辐射器音箱的原理,前辈专家们早就研究个底朝天了,只是因工艺及成本等问题不太被商界采纳,所以其理论也不如倒相管式音箱那样普及。我们这代diy有福了,真要想干点啥,总有现成的理论支持。加油!

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发表于 2018-9-4 20:57 来自手机端 | 显示全部楼层
机缘巧合,今天辐射器在蓝牙音箱和智能音箱中大显身手。

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发表于 2018-9-4 21:25 | 显示全部楼层
007用纯理论为我们解释了辐射器音箱的工作原理,我也想补充一下。

加大辐射器的面积并不是为了空气耦合,而是为了减少辐射器的振幅,
当喇叭驱动辐射器做功时,驱动力不变的情况下,辐射器越大则其振幅就越小,
而振幅越小则其被推离线性工作区的可能性就越小,辐射器所能承受的功率就越大。

而说到空气耦合,我突然有点想通了一个问题,
在我的实践中发现,辐射器的顺性并不是越高越好,
在相同的音箱容积和音箱调谐频率fb下,当辐射器顺性大于喇叭顺性时(也可以说辐射器的等效容积大于喇叭的等效容积),
音箱的-3db点升高,我想应该就是由于空气弹簧耦合不匹配的原因。

怎么说呢,在《扬声器系统设计手册第七版》这本书中描述过一个概念,就是系统顺性比,也就是Vas/Vb,
这里我试着这么理解:借用007的图:
微信图片_20180904211554.png
这里A我换成了喇叭弹簧,
喇叭的弹簧对着音箱内空气质量+辐射器质量做功,然后空气质量+辐射器质量再对着辐射器弹簧做功,
从上图中我们可以看到,当两个弹簧的顺性相等时这个弹簧系统才能很好的传递能量吧?
当辐射器这边的弹簧过硬或过软,则这个系统将震不下去。
也就是说当辐射器的顺性与喇叭顺性不匹配,则系统能量转移将出现问题,导致-3db点上升,音箱性能降低。

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 楼主| 发表于 2018-9-5 03:22 | 显示全部楼层
加大辐射器的面积能减少辐射器的振幅。是的,很明显。

若让这两个弹簧相等,那就等于把整体顺性减半了,需要把箱体增大一倍才能获得应有的类似效果。
假如辐射盆的Fp也与喇叭Fs一致,那Fp处的深谷加上衰减斜率就会在此出现“断崖”截止,这就不如用倒相管。

把喇叭弹簧放在这里是不对的,真要在类比中引入喇叭的话,结构也是这样的:
辐射盆3.jpg
图中也标注出用倒相管的情况。简单地说,使用辐射盆也是倒相式,而辐射盆的顺性小对系统有负面影响。

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发表于 2018-9-7 08:01 | 显示全部楼层
辐射器顺性也要受有效行程,承受功率的制约,而且现代辐射器明显比老式的硬不少,有些问题还需探讨。

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发表于 2018-9-7 08:31 | 显示全部楼层
本帖最后由 csdmq 于 2018-9-7 08:32 编辑
扬帆远航 发表于 2018-9-7 08:01
辐射器顺性也要受有效行程,承受功率的制约,而且现代辐射器明显比老式的硬不少,有些问题还需探讨。


现代辐射器不但硬很多,而且配重也重很多,因为现在的钕磁单元可以做到驱动力特别强劲。

我在别的帖子里举了两个例子,大家也可以参考一下

参见18楼的回复。

http://bbs.hifidiy.net/forum.php ... &extra=page%3D1

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发表于 2018-9-7 08:50 来自手机端 | 显示全部楼层
首先为什么现在的辐射器都是偏硬的多,因为硬的辐射器意味着比较小的Vap值,而现在在做的辐射器低音炮也比较偏向小箱体,往小型化方向发展,其所选的喇叭也是Vas值偏小的,边比较硬的喇叭,所以与其配套的辐射器也是偏硬的辐射器。
从中我们也可以看出来,与喇叭配套的辐射器必然是选用等效容积相等的,这个才是选辐射器的一个必要条件。

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degame 发表于 2018-9-7 08:50
首先为什么现在的辐射器都是偏硬的多,因为硬的辐射器意味着比较小的Vap值,而现在在做的辐射器低音炮也比 ...


我这个辐射器就是b&o lab3上的,原来有弹波,有76克的配重,都被我拆了才能用。因为我的主动喇叭是皮亚力士3寸全频。以现在的配重低音很好。

原箱的是5寸主动单元驱动2个5寸这种辐射器,箱体容积几乎小到可以忽略不计了。
微信图片_20180907085402_副本.jpg
微信图片_20180907085427_副本.jpg
微信图片_20180907085431_副本.jpg
微信图片_20180907085435_副本.jpg

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发表于 2018-9-7 09:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 csdmq 于 2018-9-7 09:14 编辑

我这个辐射器,如果只拆配重不拆弹波都太硬,根本没法用,我用过木块代替过铜块,保留弹波。

楼主画的图确实不错,不过决定辐射器怎么工作的还是主动喇叭,国外成品箱的主动喇叭和辐射器都是配套设计的,那些主动喇叭的各项参数绝对和普通喇叭相差很大。

所以用普通单元去驱动特殊设计的辐射器是很难成功的,必须做大的改造,否则很难成功。

这些特殊的主动喇叭最大的特点就是拥有极强的驱动系统,比如磁路特别发达,5寸的喇叭起码配的是8-10寸喇叭的磁路和音圈。

它们能在箱体内产生极强压力去驱动被动单元,哪怕那些被动单元配重几十克。普通喇叭用上这样的被动单元,基本就纹丝不动,装上辐射器就和封闭式音箱没区别。

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发表于 2018-9-7 09:30 | 显示全部楼层
喇叭的驱动力的强弱决定了箱体内空气的压力,这才是问题的关键,希望楼主也把这个问题考虑进去。

我的所有观点都是实践得来,没有理论依据,但是很实用,因为我做了几对被动辐射箱,低音都很满意

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 楼主| 发表于 2018-9-7 14:48 | 显示全部楼层
csdmq 发表于 2018-9-7 09:07
我这个辐射器,如果只拆配重不拆弹波都太硬,根本没法用,我用过木块代替过铜块,保留弹波。

楼主画的图 ...

是啊,让小口径喇叭发出低音,冲程就必须很大。于是音圈加长变重、磁场强大、盆边及弹波结构也得加强,这样在不追很低的频率下限情况下,对辐射盘的高顺性要求就放宽了……

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楼主认识深刻,理论扎实。 本人补充一点,辐射盆的作用个人认为最大的作用是 阻隔 箱体内各种音染的外泄。 但是最大缺点就是不论是折环的回弹力,还是振膜的重量,都是降低低音质感的的阻碍。总是鱼与熊掌难以兼得啊。

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楼主有心了!关于低音反射式箱体(直译自bass reflex,我想倒相,辐射器,背号角,迷宫等等都可以归做这一类)低音的“音质”问题,结合楼主的形象的弹簧图,可以有一个直观的感性理解,就是无论音源的低音是个什么奇怪的波形,经过“弹簧-重锤”一过滤,基本就变成了正弦波了。理性点就是与“正弦波”差异的部分都是高频分量(傅里叶一展开就翻翻的往上走了),被这个低音反射结构的lowpass性能滤掉了,然后就看这个音箱高一点频率的部分输出情况,看能不能补上了,但是即便补,因为是“倒相180度”转过来的,相位也对不上了。

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好文,项一下。

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很好的文章,我也做了一对无源辐射器的超低音,效果很好。

小音量时因为辐射器减少了低音喇叭的振幅,低音清晰干净,然后大音量时辐射器又可以强化低音。

量感低于倒相箱,低音质量好于倒相箱。

封闭箱我也做了,量感更少,但是低音确实是干净而深沉,很舒服。

倒相箱是主力,量感非常充足,清晰度确实差了点。

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mufasa 发表于 2019-7-21 20:32
很好的文章,我也做了一对无源辐射器的超低音,效果很好。

小音量时因为辐射器减少了低音喇叭的振幅,低 ...

用什么边喇叭呢?

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degame 发表于 2018-9-4 21:25
007用纯理论为我们解释了辐射器音箱的工作原理,我也想补充一下。

加大辐射器的面积并不是为了空气耦合 ...

请教下 6寸大音圈中低音喇叭 14升箱体 配8寸硬橡皮辐射盆可以吗 还是箱体要更小一点
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