声音大小与振幅的关系

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声音大小与振幅的关系

2024-07-16 17:43| 来源: 网络整理| 查看: 265

大家在听音乐的时候,如果摘掉音箱防尘面罩的话,经常可以看到低音扬声器在大音量的时候纸盆会“突突”的跳动,而此时处于同样音量的中高音扬声器确没什么动静。

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同时,为了保证低音扬声器纸盆能够大范围的跳动,其大都采用橡皮边折环,为了保证其在这么大范围跳动的时候具有比较低的失真特性,还必须在音圈与磁隙处留有比较长的线性空间,也就是所谓的长冲程。

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那么,为什么只有低频扬声器需要这么大的振幅呢?中高音扬声器产生同样的声压为何就不需要这么“卖力气”的振动呢?

追根溯源,还是要从音频的特性说起,大家知道,人类能听到的声音范围大约从20Hz到20000Hz,从最低频到最高频相差了1000倍之多。因此几乎没有一种扬声器可以平坦的发出这么宽范围的声音,这也就是音箱往往采用不同大小的扬声器组合的方案的原因。有人说低音扬声器振幅大是因为驱动低频扬声器的功率大,这种说法不够严谨,因为音频功率放大器驱动音箱的时候,高频与低频是等量驱动的,并没有厚此薄彼,而如果你测量音箱的输出声压的时候,高低频声压也基本是平直的,并不存在低频声压远高于高频声压的情况。说明导致高低频扬声器振幅相差这么大是另有原因的。

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事实上,导致振幅相差这么悬殊的根本原因就是因为震动频率本身。大家可以跟我一起做一个思想实验,如果扬声器打算以一瓦的声功率输向空气输出声音能量,而此时它输出的频率是20Hz,换句话说,这个扬声器每秒钟只能对空气做功20次,而如果它要输出的频率是20000Hz的话,它每秒可以对空气做功20000次,做功次数相差1000倍,因此,扬声器在输出20Hz低频的时候,必须增加振幅,才能在有限的20次的做功机会里将1瓦秒的能量送出去。相反,如果输出的是20000Hz的声音的话,扬声器即便用比较小的振幅,也能在一秒钟的时间里以做功20000次的效率,将声音能量送出去。而这两种频率驱动下的振幅差异也是1000倍级别的差异。由于实际扬声器线圈构造差异比较大,这里用1000倍的振幅差异只是粗略的比较,大约就是这个3个数量级的差别,大家试想一下,如果低频扬声器发出20Hz频率的振动幅度是10毫米的话,此时发出同样声压20000Hz的高频扬声器的振幅才0.01毫米,大家看不到高频扬声器的振动也就正常了。

需要说明的是,我在此用人耳听力范围两个极端举例是为了让大家更容易了解其中的道理,并非严格意义上的科学计算,实际的扬声器结构与驱动系统要比我们上述的模型复杂得多,但是并不影响我们得出正确的结论。

事实上,这个通过提高单位时间做功次数从而使振幅(也就是做功冲程长度)降低的道理,同样在汽车发动机上也获得了应用,小排量高转速发动机同样可以输出很大的功率的原理也是如此,大家可以举一反三,类推到其他领域。



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