聲壓相關實驗

首先使用MLSSA聲壓頻譜儀如(圖4.25)測量揚聲器系統之系統參

數，其原理為先量測原本揚聲器的阻抗與頻率關係，將近似於揚聲器 的質量的物體另外附加於振動板中央，量測另一組阻抗與頻率，利用 兩組數據比較而得到系統的各項相關參數。

聲壓量測實驗則是使用 LMS 聲壓測試系統(內含寬頻雜訊產生 器、聲壓頻譜分析)，搭配訊號放大器(Amplifier)、個人電腦以及麥克 風來進行量測，實驗架設如(圖4.26)所示，其程序如下：

（1） 將平面揚聲器固定於障板上。

（2） 麥克風放置於距離揚聲器中心一公尺之同一高度腳架上。

（3） 校正 LMS聲壓測試系統並設定好測量相關參數。

（4） 啟動電腦發出訊號，由麥克風接收聲壓訊號，傳回電腦。即 可得出頻率響應之聲壓分貝圖。

第五章 實驗結果與討論

因為失真的種類以及產生的來源相當的多，實驗儀器的功能也不 太完善。無法以連續掃頻的方式，量測諧波失真與頻率的關係。因此 我們主要量測的頻率選定為100Hz、200Hz、500Hz、1kHz、2kH和 5kHz。並只量測第二諧波失真（H2）與第三諧波失真（H3）。而因為 第二諧波失真很低，又剛好是基本波頻率的偶數倍，使人耳對第二諧 波失真的容忍值較大，所以不加以深入探討；而失真的最大分量為第 三諧波失真，所以以其值來代表整體的失真率，本文中未特別註明時，

失真率即指第三諧波失真（H3）。失真量測實驗設備架設如（圖5.1）

5.1 傳統錐形喇叭之失真量測結果

本實驗所使用之喇叭為 6歐姆，口徑 5in之喇叭，架設圖如(圖 5.2)。(圖5.3)與(圖5.4)分別為無響室外與無響室內不同功率下之H2 失真情形。從（圖5.3）我們可以發現，除了1kHz 的失真率在10%以 上，其餘頻率均在 5%以下。而在不同的功率下，第二諧波失真H2幾 乎相同，因此我們推斷H2與功率沒有關係。無響室內與無響室外所 量測的結果只有在1kHz有較大差異外，其餘頻率大致相同，為了實驗 的一致性與方便性，其餘實驗均在無響室外的實驗桌上進行量測。（圖 5.5）為無響室外第三諧波失真情形，從圖中可發現失真率大概與功率 成正比。且跟第二諧波相同，最大的失真率均落在1kHz，其餘頻率均 在20%以下。

5.2 音圈卷幅高度的影響

5.2.1 不同的音圈卷幅對失真的影響

5.6 200Hz 3mm

真比2mm卷幅的揚聲器之失真來得低，這是因為在低頻時，振動板為 大幅度之剛體往復運動，其主要的失真來源為驅動力的非直線性。即 BL值未能保持恆定，而高卷幅音圈運動時，其線圈較不易跑出磁場 外，BL值變化也較小，因此失真也較小。在高頻部份則看不出有任何 趨勢。(圖5.7)中，4mm的音圈卷幅在各頻率下的諧波失真幾乎都比 2mm音圈卷幅還要低。所以高卷幅的音圈其線性特性較好，線性振幅 也較大，但是在磁隙內的線圈部份較少，所以其效率也較低。所以還 是要根據實際應用的需求來決定選取高卷幅音圈或是低卷幅音圈。

5.2.2 由量測波形來判斷失真程度

在(圖 5.8)及(圖5.9)中我們將量測到的時間域上的波形抓取下來，

越接近正弦波波形的表示失真率越小。我們可發現失真率在 10%以下 的波形都相當地接近正弦波，如(圖 5.8)中 500Hz1W 及(圖 5.9)中

500Hz1W 的波形就相當地接近正弦波。而失真率在20%以下的波形也

大致上接近正弦波，波形變形程度不會太多。如(圖 5.8)中的100Hz1W

及(圖5.9)中的 200Hz1W。而失真率在20%至40%的波形，雖然可以清

楚辨別其非正弦波，但仍可清楚辨別波峰波谷的所在及有幾個完整的 波形。如(圖 5.8)中之200Hz3W 及(圖5.9)中 100Hz3W的部份。而失真 率在 40%以上的波形，則多了幾個小了山峰起伏，比起原始訊號正弦 波已經走樣甚多。基於以上的理由，我們根據失真率的程度，將揚聲 器在該頻率之下的表現分成下列幾個等級。

（1） 良：失真率10%以下

（2） 普通：失真率10%至20%之間

（3） 差：失真率20%至40%之間

（4） 劣：失真率40%之上

5.2.3 其他參數對失真的影響 處則較低。這可能是因為實驗用的障板是 120cmX120cm的正方形且洞 口開在中間所致，這會使背面波與前面波在某些頻率產生干涉而呈現

而在所量測的失真(圖5.13)上，失真30dB處為97Hz，而其該頻率下

之勁度與位移關係，大約1.3mm為兩個方向對稱之線性振幅範圍。(圖

5.17)為泡綿加碳纖支承之勁度與位移關係，線性振幅範圍約為

2.3mm。未來可以設計各種不同的支承，以有限分析軟體中的大變形

分析以及實驗來求出其線性範圍，並配合專門量測失真的儀器，來找 出較佳的支承設計，並求出線性功率。

5.3.3 振幅與功率關係

（圖5.18）是用來量測振動板振幅的實驗裝置，儀器包括掃頻儀 及MTS 拉伸試驗機。量測步驟首先是以微小的電壓0.1V給揚聲器，

將偵測頭降至剛好碰到振動板發出聲音時，將座標值歸零，將偵測頭 升至適當位置，再施加要測試的電壓，將偵測頭降至剛好碰到振動板 發出聲音，紀錄其座標值，此即該電壓下振動板產生的振幅。從（圖 5.19）可看出電壓與振幅成正比，而電壓的平方與功率成正比，因此 功率與振幅的平方成正比，即振幅增為2倍功率增為4倍。而功率每 增加為2倍，聲壓值增加 3dB；因此振幅增為 2倍時，聲壓值增加6dB。

（圖5.20）為碳纖三明治板1W 時，單自由度振幅、文獻振幅與量測 值之比較。文獻振幅與量測值的趨勢較像，兩者皆是經由實驗程序得 到。文獻振幅是經由量測聲壓值代入文獻振幅公式間接得到，量測值 是直接測量得到。量測值在80Hz與120Hz部份較大的原因是，該頻 率振幅較大，在量測時須將框壓住，由於框是塑膠材質較軟，產生些 微變形所致。

所以我們可利用3 .2 節的Gander線性振幅公式，以及量測支承的 線性振幅，來判斷究竟是Bl(x)或是 k(x)才是主要限制其線性振幅的主 要因素。藉由更準確的失真量測儀器量測以及測出 Bl(x)及k(x)，再設 定一個可接受的失真率，譬如10%，假設Bl(x^Bl)=aBl(0)及k(x^k)=bk(0)

時會超出此失真率，量測多組數據決定待求係數a、b。a、b值決定之

後，量測Bl(x)及k(x)就可估計其線性範圍。

5.4 共振頻率及中音谷與失真率之關係

(圖 5.22)～(圖 5.25)中為各種不同的平面振動板及標準喇叭，在

最大中音谷附近的聲壓值與諧波失真對照圖。首先我們先量測揚聲器 的整個聲壓曲線圖，再針對聲壓落差最大的中音谷附近頻率取數點量 測其諧波失真，並加以比較。純巴沙木振動板方面，從(圖 5.21)中可看 出其長邊方向的第一個彎曲模態頻率為 891Hz；剛好其中音谷就落在

900Hz 附近，其最大失真率頻率也落在 950Hz 附近。井字加勁振動板

方面，從(圖 5.21)中可看出其長邊方向的第一個彎曲模態頻率為

1333Hz；而實驗結果剛好其中音谷就落在 1170Hz 附近，其最大失真

率頻率也落在1250Hz 附近。碳纖三明治振動板方面，從(圖 5.21)中可 看出其長邊方向的第一個彎曲模態頻率為2210Hz，而實驗結果其中音

谷落在2380Hz 附近，其最大失真率頻率並不明顯但也落在2380Hz附

近。在傳統錐形喇叭身上也發現相同的情形。所以我們可以做出一個 結論：最大的諧波失真會在最大的中音谷頻率產生，而最大的中音谷 是由於振動板在長邊方向的第一個彎曲模態所產生，所以若我們可以 把該模態頻率往後移至5000Hz 之後，則其第三諧波分量的頻率就會超

過15000Hz，落在人們聽不到的範圍。

5.5 雷射測位儀測得之位移失真

因為麥克風所量測的訊號誤差過大，因此再以雷射測位儀（Laser Doppler Velocimeter,LDV）量測作比較及驗證。（圖5.26）是LDV量測 位移失真之儀器架設。（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。（圖 5.29）是 LDV 所測得碳纖三明治振動板上各點位移之時域 及頻域圖。由（圖5.28～29）可看出在200Hz以下，基頻 H1以及第 三諧波H3的強度，三點大致相同；500Hz與1000Hz時H1大致相同，

H3最大與最小的強度差10dB以上；2000Hz以上則是 H1與H3的差 異均變得較大。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。100Hz至5000Hz 的六點諧波失真平均值，中心點為

5.11%、角落點為 3.82%、第三點為6.51%，仍然是靠近第一彎曲模態

節線位置的失真最大。

麥克風與雷射測位儀（LDV）所測得的失真率差異在於：麥克風 所量到的是整個振動板所造成聲壓的變形率，此所測得的是整個揚聲 器系統的諧波失真，但是由於量測環境的反射波過多使得所量到的值 比實際值大了數倍。雷射測位儀所測得的是單點位移的失真率，而位 移的失真率就相對於壓力的失真率，也沒有反射波的問題所以較為準 確，因此只要在振動板上取的點數多，再將各點測得之失真率取平均 值，即可接近實際的諧波失真。另外500Hz之前屬於剛體運動，因此 量測一點之失真即可代表整體失真。

（表5.4）中是障板與麥克風於不同位置所測得之失真，比較第一 列與第二列，發現第二列的H1與 H3都因為牆壁的反射聲波形成同相 位的相加效應，而H3增加量又較多因此使量得的失真率較實際值大 的多。第三列則是與揚聲器正面與背面等距的地方測得，因為正面與 背面聲波到達麥克風時剛好形成逆相位，使H1大幅降低，使得失真

率增加;第四列因為無障板阻隔正反面聲波也使得H1同樣大幅降低失

率增加;第四列因為無障板阻隔正反面聲波也使得H1同樣大幅降低失