扬声器发展历程及应用全解析

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扬声器又称“喇叭”。是一种十分常用的电声换能器件，在发声的电子电气设备中都能见到它。扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件，而对于音响效果而言，它又是一个最重要的部件。尽管是如此简单的一个器件，它的发展也不是一蹴而就的，而是经过了漫长的研究和无数人的心血，逐步走向成熟和进步。发明扬声器是为了能够让“原音重现”，不过尽管经过了无数科学家的努力，这个目标至今仍未完全达成，反而是不同的发声方式，不同的制造方法与材料运用，使得喇叭百花齐放，成为音响世界中最辉煌灿烂的一块园地。扬声器分为内置扬声器和外置扬声器。外置扬声器即一般所指的音箱，内置扬声器是指MP4播放器具有内置的喇叭。扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式（即动圈式）、静电式（即电容式）、电磁式（即舌簧式）、压电式（即晶体式）等几种。

    电动式扬声器
    电动式扬声器是Ernst W. Siemens (Siemens & Halske公司创始人)于1874年1月20日申请的扬声器原型专利。此种扬声器是让带支撑系统的音圈处于磁场中，以便使振动系统保持轴向运动。当时主要用于继电器而不是扬声器领域。1877年12月14日， Siemens申请了号筒专利，在一个移动的音圈上面附着一个羊皮纸作为声音辐射器，羊皮纸可以制成指数型锥体形状，这是第一个留声机时代的号筒实型。



　　1898年，英国Oliver Lodge爵士进一步依照电话传声筒的原理发明了锥盆喇叭，与我们所熟悉的现代喇叭十分类似，这个发明决定了现在99%的现代动圈扬声器的结构Lodge爵士称为“咆哮的电话”。不过这个发明却无法运用，因为直到1906年Lee De Forest才发明了三极真空管，而制成可用的扩大机又是好几年以后的事，所以锥盆喇叭要到1930年代才逐渐普及起来。



　　又过了整整25年，20世纪20年代，无线电广播出现。C. W. Rice 和E. W. Kellogg发表了划时代的论文“新型非号筒式单元”，详细介绍了直接辐射式扬声器，利用这个理论设计的Radiola 104音箱风靡美国。



　　在过去的几十年间，电动式扬声器的基本原理没有变化，只是改进了设计细节及零件。频响范围动态范围等方面较老产品有了长足的发展。电动式扬声器以结构简单，音质优秀，成本低，动态大已经成为目前市场主流。

　　静电式扬声器
　　静电扬声器是利用加到电容器极板上的静电力而工作的扬声器，就其结构看，因正负极相向而成电容器状，所以又称为电容扬声器。扬声器作为一个电声换能器件，我们就不得不从人类懂得电与声的转换关系开始说起。早在1837 Page就开始应用电磁体发声。但人类真正知道电与声转换的神奇是在1876年2月14日，Alexander Graham Bell提出了历史上最重要的一份专利“电话”之后，该项发明让人类的声音从此可以传到比叫喊更远的地方。电与声的转换关系从此后深入人心，研究的人也就越来越多。

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　　为了更好的回放记录被记录下的声音，1910年，S. G. Brown将驱动力和振膜分离，发明了armature'电枢耳机。而在1910年，Baldwin 又发明了balanced armature平衡电枢耳机。电枢式耳机是在一个U型的磁铁的中间架设可移动铁片(电枢)，当电流流经线圈时电枢会受磁化与磁铁产生吸斥现象，并同时带动振膜运动。1917年，Wente 和Thuras设计了电容式麦克风。到了20世纪30年代中期，根据电容式麦克风原理，静电扬声器面世。

　　1927年3月，Lee首先获得静电扬声器的美国专利。1928年，Toulon公开过一款圆型铝振膜和双圆型固定电极的静电扬声器；1929年，Danman在《关于扬声器及其发展》的论文中，开始静电扬声器的学术讨论；同年，《无线电和无线电评论》对静电扬声器的结构作出分析；1930年，Hanna提出静电扬声器的理论模型，认为：由于稳定静电场的作用，静电扬声器振膜在每单位电压作用下所受的静电力，是电容和负电容的相似函数；1931年，Vogt提出一种用铝锰合金制作静电扬声器振膜的结构；同时，Meyer报告了当时在谐振状况下的测量结果：电磁式扬声器的效率为7~8％，电动式扬声器的效率为l％，静电式扬声器的效率为2％； Gesell分析了静电扬声器等扬声器的生产成本。1963年，英国声学制造公司（现名Quad声电公司）研制出全频带的ESL-63型静电扬声器。

　　近几十年，静电扬声器也取得了长足的发展。荷兰飞利浦公司的“光电耦合器阻抗匹配电路”，解决了静电扬声器与低阻输出放大器的匹配问题。 德国EWD公司采用“压电聚合物的带状振膜”，该膜在使用中，采取沿螺旋型绕制在圆筒表面，可以构成声波导或声传输线。 日本SONY公司的“复合叠层高声压静电扬声器”采取“固定电极——振膜——固定电极——振膜”技术方案，解决了静电扬声器面积较大的缺点。“苯胺、噻吩等高分子材料单体合成表面高阻抗振膜”主要解决防潮问题。 我国SHT公司的“圈式振膜”是周围为低阻，中间为高阻的新型振膜；耐压超过10KV的“塑封式固定电极”；大幅度提高声压级的“网状连接点式固定电极”；厚度2~12μm，以“聚脂——合金——苯胺”形式构成的“复合式振膜”；以及高效非金属化的“全塑静电扬声器”等。

　　静电单体由于质量轻且振动分散小，所以静电扬声器工作于中高频段，音质轻盈细致，富有特色，很容易得到清澈透明的中高音。但是它的效率不高，声压输出低，动态小，成本较为昂贵也是其弱项。

　　带式扬声器
　　在电动式扬声器、电磁式扬声器技术逐渐成型期间，人们开始明白了理想的换能器应当使用可以通过电流的薄片振动膜，大家开始构思带式扬声器。



　　1923年1月，Siemens Halske的Schottky和Gerlach申请了第一个带式扬声器专利。

　　1940年末，一位年轻的加拿大发明家Gilbert Hobrough使用扩大机时，一时大意在音乐播出中拆下喇叭线，并让发热的导线靠近电线的接地端。这是很危险的动作，但Hobrough惊讶的发现电线开始拌动，并发出音乐声，这个“具有增益的金属线”不久后才明白是静电效果。Hobrough进一步研究，才知道1910年左右已经有人提出这个问题，1925年在磁场内使用导电金属片的喇叭已经于德国取得专利，当时人说这是带状喇叭。1920年与1930年代分别有两种带状喇叭上市，不过昙花一现很快就沉寂了。



　　带状喇叭的原理是在两块磁铁中装设一条可以震动的金属带膜，当金属带通过电流，就会产生磁场变化而震动发声。在Hobrough重新发现带状喇叭时，Quad创办人Peter Walker也在英国推销一种号角负载的带状高音，这个高音并不成功，反而是1960年左右英国Decca推出很成功的带状高音。另一种类似的带状喇叭Kelly Ribbon由Irving Fried引进美国，他将Kelly高音配上传输线式低音而产生不错的效果。1970年代，Dick Sequerra为金字塔（Pyramid）发展的带状喇叭，首次扬弃号角的设计。Hobrough发现带状喇叭后的三十年中，他以经营空中绘图和靠着自动机械的专利贴补，持续进行研究，终于在1978年发展成功频率响应低至400Hz仍然平直的带状单体（当时产品只能到600Hz），并且不会融化、破碎或变形，失真则只有1％。Hobrough与他的儿子Theodore Hobrough还获得一项专利：与带状高音搭配的多丙烯低音所使用的无谐振特殊音箱。

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另外，加拿大HiVi惠威在促进带式扬声器的发展上更是功不可没。1997年，HiVi惠威用钕铁硼磁体组成平面矩阵磁场推挽驱动，彻底改进了传统纯铝带式扬声器的振膜强度低，需配备阻抗变压器，输入功率低，寿命短等先天性缺点。2001年，惠威开发了灵敏度高达103dB的专业扩声用带式扬声器R2pro!并且推出了世界上第一款宽辐射角多单元专业系统Pro1808!正式将带式扬声器引入到专业扩声领域。



　　带式扬声器主要应用于中高频段，由于其频响曲线平直，高频上限极高，有着非常好的瞬态效果，因此可以方便的形成线性声源。

　　海尔式扬声器
　　海尔式扬声器是1973年美国海尔博士研究和提出的第四种辐射方式。它是很高雅的带状喇叭变形物。它是在两张塑料薄膜之间，上下往复地印刷铝薄膜导体。有如手风琴式的曲折皱褶，放置在与振膜垂直的强磁场中，不使振膜全体同相的作前后振动，而是作与声波辐射方向垂直的横方向振动，并与相邻导体作反方向的振动 对一个皱褶的振动进行研究，就可以知道在最初的半周进入皱褶之间的空气按菲格（Fresnel，又译菲涅耳）原理被放出，下半周皱褶变宽，使空气进入其中，这就像将乒乓球放在手中按动时球就不会飞到远处，但将球夹在手指中间，上下挤动使之弹出，就可以飞得很远一样。与这一原理相同，力阻抗低的（轻的）空气，在振膜处被前后推动，按菲格原理，能被很好的吹跑。振膜小时可以有很高的效率，但对低音频重放困难，低频下限约为100Hz。



　　海尔扬声器制作工艺复杂，价格高昂，难以普及，只在国外少数著名的大品牌公司的高端产品中看到，如德国ELAC(意力）的Jet气动式高音，ADAM(亚当）的ART气动式高音，Burmester(柏林之声)，丹麦GRYPHONG(贵丰），美国Mark Daniel(马克丹尼)。

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