實例綜合分析

以（圖5.45）的揚聲器來做各式各樣的實驗，並探討振幅公式的 準確性、失真與振幅關係、線性預測振幅公式與振幅功率關係。

（圖5.27）是碳纖三明治振動板上測量位移失真之點及其第一彎

曲模態之振形。（圖5.28）是 LDV所量測各點位移失真率。由此可看

出500Hz之前，振動板呈現剛體運動的狀態。500Hz 至1000Hz之間，

振動板無法承受前後劇烈的加速度，使得第三諧波開始增加。2000Hz 以上則是因為有共振模態的出現，而使主要訊號 H1也開始出現變化；

而第三點因為靠近節線位置，振動幅度較小，使得基本頻率振幅H1 較低，而失真率是 H3與H1的比值，所以其失真率才較大。而此模態 剛好是發生中音谷的頻率位置，所以如果能改善中音谷問題也能改善 中高頻的失真問題，或增加板子剛性將中音谷移到 5000Hz以上，會使 失真頻率大於15000Hz，也能改善此問題。

此揚聲器的Fo 為170Hz，音圈卷幅為4mm，導磁片厚度為3mm。

根據Gander線性振幅預測公式（3.26）式（諧波失真率到達3%時之

振幅），此揚聲器的允許振幅為 0.95mm，即振幅小於0.95mm 時失真 率會在3%以下。而其支承的勁度（圖 5.17），在1.5mm的範圍內，向 內勁度與向外勁度相同而且成線性關係，因此在1.5mm的振幅範圍內 主要的失真來源是Bl值的非線性造成的；又 1W的功率之下，振幅最

大值在120Hz，其振幅為0.75mm，根據5.3.3節 振幅與功率的關係可

推得懸邊所限制的線性功率為4W。而Gander線性振幅預測公式並未 考慮懸邊的勁度影響，其只考慮音圈卷幅與導磁片高度，也就是Bl值 而已，因此以此預測振幅與實驗比較。

實際量測其振幅並且以LDV 量測3點位移失真(圖5.46)，發現在

120Hz ~220Hz之間(Fo附近)，振幅愈大，失真愈大。但是小於 120Hz

時，雖然振幅變小，失真率卻沒變低，反而振幅愈小失真率愈大，可 能愈低頻時慣性作用愈明顯，使得振動板跟不上音圈的施力所致；另 一原因是小於120Hz時雖然第三諧波失真 H3變化不大，但由於聲壓 值變小，使基頻H1也變小，而失真率是H1與 H3的比值，因此使得 失真率變高。在 1W的功率之下，振幅最大值在 120Hz，其振幅為0.75 mm，失真率為4.5%，由此可以推得，在失真率3%之下，其實際振幅

會小於0.75mm，與預測值0.95mm 有落差。造成原因可能是板子厚度

在熱壓時產生改變以及表面不平整，使軸向的定位不準，造成音圈卷 幅並未對準導磁片，使線性振幅減少。也有可能是量測時的安裝夾持 不穩使得所量測的失真率較實際值大所造成。實際所量測失真率3%所 對應的頻率是140Hz，振幅是0.7mm，也比預測的線性振幅 0.95mm 小。

以所量的聲壓值反推的振幅值較實際測量值為低，可能是低頻時 障板相對其波長大小，使部份聲波從背面跑到前面，與前面聲波產生 干涉，使聲壓值較無限障板下量得的聲壓值低，所以以振幅公式算的 振幅值較小；另外也可能是障板的剛性不夠所造成。

第六章 結論與未來研究方向

之前認為聲壓曲線越平滑，所表現出來的聲音也會越完美，但是 聲壓曲線平坦只是音質的眾多特性之一，從其中並不能判斷輸出的信 號有無遭到扭曲。非線性失真是另外一個重要的特性，尤其是總諧波 失真，它是輸出信號與輸入信號相似程度的指標，其值愈低代表所聽 到聲音愈接近原始信號。其造成的原因主要是由於揚聲器元件的非線 性特性所致，如磁通密度沿軸向分佈的非線性、懸邊與彈波之勁度非 線性、線圈電感值非線性等所致。磁通密度非線性的影響可以藉由

Gander線性振幅公式來估算其線性振幅，又由振幅與功率的關係可以

得到允許的功率輸入。懸邊與彈波的勁度非線性可以藉由有限分析軟 體的大變形分析及實際量測力與位移關係來進一步探究。

在低頻時振動板主要是呈現剛體前後運動，高於第一共振頻率時 振幅愈大失真愈大，但在第一共振頻率之前雖然振幅隨頻率遞減，失 真率卻遞增。在中高頻時則主要是由於振動板分割振動所致，即共振 模態附近的諧波失真會較高，因為其聲壓值下降，使基頻H1訊號值 降低，雖然第三諧波值H3變化不大，也會使失真率上升。因此要減 少中高頻失真，可加強振動板剛性使其模態頻率大於5000Hz；或是採 用內阻尼大的振動板材料，使分割振動振幅減小。高音圈卷幅之失真 小於低音圈卷幅。

由於沒有理想的測試環境，反射波的影響過大使諧波失真量測的 值過大。未來可考慮採用免用無響室的儀器測試系統或專門的失真儀 器，才能進行多點頻率量測，才能量測出失真的準確值，並且能有一 個校正值。或者可以雷射測位儀在振動板上取數點量測在做平均可較 接近實際的值。而目前實驗所使用的障板並非標準障板，障板的尺寸

為120cmX120cm，洞口在中間，如此易使前面音波與背面音波產生建 設性干涉及破壞性干涉使聲壓曲線特性產生起伏情形。之後應照IEC

60268-5國際標準的標準障板製造，以避免此情形發生。

目前實驗中所製作的揚聲器在各頻率下已有很好的音質表現。惟 在連續低頻訊號下如鼓聲，會有振動幅度過大，瞬態表現不良情形，

但在碳纖支承以泡綿包覆其阻尼會增加使其低頻響應更平穩，對於阻 尼應落在什麼範圍可得到較佳的效果可再深入探究。未來可嘗試其他 不同心層材料，試試看會不會因為內阻尼增加而使分割振動的振幅降 低使中高頻諧波失真減低。

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頻率 聲壓 電阻 單自由度振幅 文獻振幅

2.76 4.58 0.2183406 121.1 1623.903865 2.83 表3.2 計算單自由度振幅各常數項

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 89.1% 79.4% 70.8% 63.1% 56.2% 50.1% 44.7% 39.8% 35.5% 31.6%

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

28.2% 25.1% 22.4% 20.0% 17.8% 15.8% 14.1% 12.6% 11.2% 10.0%

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

8.9% 7.9% 7.1% 6.3% 5.6% 5.0% 4.5% 4.0% 3.5% 3.2%

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

2.8% 2.5% 2.2% 2.0% 1.8% 1.6% 1.4% 1.3% 1.1% 1.0%

41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

0.9% 0.8% 0.7% 0.6% 0.6% 0.5% 0.4% 0.4% 0.4% 0.3%

51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

0.3% 0.3% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.1% 0.1% 0.1% 0.1%

表5.1 諧波訊號與基本波訊號的分貝差值與失真率轉換對照表

100 200 500 1000 2000 5000

0.5W(H2) 1.1 1.1 1.4 2.5 1.1 2.2

0.5W(H3) 3.5 5 10 28.2 5.6 1.3

1W(H2) 1.3 1.1 1.4 2.8 1.1 2.8

1W(H3) 3.5 14.1 28.2 20 20 15.8

2W(H2) 1.3 1 1 2.2 0.9 2.5

2W(H3) 5 20 35.5 28.2 28.2 28.2

Hz 失

真 功 率 %

表5.2無響室量測傳統喇叭 H2與H3失真率

碳纖複合材料 巴沙木

頻率（Hz） 80 120 170 220 400

1w 量測振幅 0.45 0.75 0.51 0.3 0.13

10cm 量測 1m 等效聲壓

(dB) 64.2 77.2 82 80.5 78.6

聲壓值反算之振幅(mm) 0.273 0.541 0.469 0.235 0.057

線性允許振幅 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85

表 5.7 各頻率下的振幅

頻率（Hz） 80 120 170 220 400

第一點失真 13.5% 4.1% 1.0% 0.5% 1.5%

第二點失真 13.2% 4.0% 1.3% 0.7% 2.9%

第三點失真 15.1% 4.9% 1.3% 0.7% 1.2%

三點平均失真 13.9% 4.3% 1.2% 0.6% 1.9%

表 5.8 各頻率下之失真

圖 2.1 內磁式激震器

K C

F

⁰

s i n w t m

圖2.2 單一自由度振動響應模型

ri

r

S

Δ

ⁱ

r

P

圖2.3 聲壓距離示意圖

圖 3.1 具二次非線性項輸入與輸出關係圖

線性與非線性反應比較

圖 3.4 具三次非線性項輸入與輸出關係圖

線性與非線性反應比較

-1.5-2-1 -0.50.51.5012

-2 0 2 4 6 8 10 12 14

wt(radians)

Ro(t)

Linear Quadratic Cubic

圖3.5 純線性、二次非線性和三次非線性之輸出反應比較（ε＝0.25）

不同振幅公式振幅比較

0 0.5 1 1.5

50 70 90 110 130 150

Hz

振幅(mm)

SDOF振幅 振幅公式

圖3.6 單自由度振幅公式與文獻振幅公式比較

圖4.1 揚聲器主要結構

圖 4.2 三明治板製作及輔助材料疊層順序

圖 4.3 熱壓機

溫度(C)

分鐘(min)

30 60 140 180

80

一大氣壓

300psi 0.5hour

2hour

140

圖 4.4 複合材料積層板之加熱加壓硬化成型製程圖

圖 4.5 複合材料三明治板完成圖

圖4.6 音圈的結構

圖4.7 場磁鐵的結構

圖 4.8 平面揚聲器製作流程(1)

圖 4.9 平面揚聲器製作流程(2)

圖4.10 平面揚聲器製作流程(3)

圖 4.11 平面揚聲器製作流程(4)

圖4.12 平面揚聲器製作流程(5)

圖4.13 平面揚聲器製作流程(6)

圖4.14 平面揚聲器製作流程(7)

圖4.15 平面揚聲器製作流程(8)

圖4.16 平面揚聲器製作流程(9)

圖4.17 平面揚聲器製作流程(10)

圖4.18 平面揚聲器製作流程(11)

圖4.19 平面揚聲器製作流程(12)

圖4.20 平面揚聲器製作流程(13)

圖4.21 平面揚聲器製作流程(14)

圖4.22 平面揚聲器製作流程(15)

圖4.23 平面揚聲器製作流程(16)

圖 4.24 平面揚聲器製作流程(17)

圖4.25 MLSSA 聲壓頻譜儀

圖 4.26 聲壓實驗架設

圖 5.1 失真量測實驗設備架設圖

圖 5.2 傳統錐形喇叭失真量測圖

小木障板桌上30cm處量測不同功率第二諧波 (h2)失真率

0 2 4 6 8 10 12 14 16

100 200 500 1000 2000 5000 (Hz)

(%)

0.5W 1W 2W

圖5.3 傳統喇叭實驗桌上量測 H2 的失真率(1W 平均值 3.6%)

小木障板無響室30cm處量測不同功率第二諧波 (h2)失真率

100 200 500 1000 2000 5000

(Hz)

100 200 500 1000 2000 5000 (Hz)

(%)

0.5W 1W 2W

圖5.5 傳統喇叭實驗桌上量測 H3 的失真率(1W 平均值 20%)

不同的音圈卷幅對失真的影響

0 20 40 60 80 100

100 200 500 1000 2000 5000 Hz

失真率％

2mm1W 3mm1W

圖5.6 不同的音圈卷幅與失真的關係(1)

井字加勁板（C)不同音圈卷幅比較

0%

50%

100%

100 1000 10000

Hz

2mm卷幅 4mm卷幅

圖5.7 不同的音圈卷幅與失真的關係(2)

100Hz 1W (13%) 3W (18%)

200Hz 1W (14%) 3W (22%)

500Hz 1W (9%) 3W (14%)

1000Hz 1W (40%) 3W (56%)

2000Hz 1W (79%) 3W (112%)

5000Hz 1W (5.6%) 3W (8.9%)

圖 5.8 4 號喇叭 3mm 卷幅音圈之失真波形

100Hz 1W(16%) 3W(28%)

200Hz 1W(18%) 3W(28%)

500Hz 1W(5.6%) 3W(7%)

1000Hz 1W(56%) 3W(89%)

2000Hz 1W(36%) 3W(56%)

5000Hz 1W(13%) 3W(20%)

圖 5.9 4 號喇叭 2mm 卷幅音圈之失真波形

井字加勁板不同瓦數聲壓趨勢圖

20 40 60 80 100

10 100 1000 10000 100000

Hz

dB

1W 3W

圖 5.10 不同的功率下之聲壓趨勢變化

20 30 40 50 60 70 80 90 100

10 100 1000 10000 100000

Hz

dB

B20cm B100cm

圖 5.11 不同距離下之聲壓趨勢變化

0%

100 200 500 1000 2000 5000 Hz

11號喇叭0.5W時H1與H3訊號差值

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0 1 2 3 mm 4

N

碳纖...往內 碳纖...往外

圖 5.16 泡綿加碳纖支承之勁度與位移關係

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 mm 4

N

泡綿加碳纖...往內 泡綿加碳纖...往外

圖 5.17 泡綿加碳纖支承之勁度與位移關係

圖 5.18 量測振幅及勁度與位移關係實驗設備架設

各頻率電壓與振幅關係

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

0 1 2 3 4 5 6

V

mm

80Hz 120Hz 170Hz 220HZ 400HZ

圖 5.19 各頻率電壓與振幅關係

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0 100 200 300 Hz 400

振幅（mm）

SDOF振幅 文獻振幅 量測值

圖 5.20 碳纖三明治板 1W 振幅比較

板子尺寸 96mm*36mm*2mm

純巴沙木 兩側碳纖加勁 井字碳纖加勁

786 Hz 843 Hz 1333 Hz

891 Hz 1336 Hz 1599 Hz

1372 Hz 2135 Hz 2295 Hz

3617 Hz 4342Hz 4862 Hz

3617 Hz 4342Hz 4862 Hz

在文檔中 平板揚聲器之設計與失真研究 (頁 44-100)