一種礦用音箱設計方法

田軍

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

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一種礦用音箱設計方法

田軍

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

介紹了一種礦用音箱設計方法。首先，從頻率特性、失真度、阻抗3個參數(shù)角度介紹了礦用音箱揚聲器的選擇方法；然后，以均衡的頻響為設計目標，對礦用音箱的腔體容積進行了計算；最后，對礦用音箱的尺寸、材料等進行了結構設計。

礦用音箱； 結構設計； 揚聲器選擇

0 引言

礦用音箱在煤礦井下被廣泛應用。目前市場上的礦用音箱在進行設計時，只是將電信號轉(zhuǎn)換成了聲信號，并未在音腔設計上有所考究，導致音箱發(fā)出的聲音比較沉悶，有雜音，尤其是播放廣播音樂時，音質(zhì)效果差。針對該問題，本文介紹了一種礦用音箱設計方法，旨在開發(fā)一款既能保證煤礦安全生產(chǎn)，又能保證音質(zhì)的礦用音箱。

1 揚聲器選擇

揚聲器的選擇是音箱設計成功與否的關鍵。揚聲器的頻率特性、失真度、阻抗這3個特性參數(shù)對音箱的音質(zhì)影響較大。

1.1 頻率特性

揚聲器的頻率特性是一條輸出聲壓隨頻率變化的頻率響應(簡稱頻響)曲線。揚聲器的頻響曲線在某頻段越平坦，說明頻率失真越小，有效頻率范圍越寬，揚聲器音質(zhì)越好。一般揚聲器的頻率范圍為20～20 000 Hz。人耳聽感最敏感的頻率范圍為300～1 200 Hz。因此，選擇一款300～1 200 Hz頻段頻響曲線平坦的揚聲器，是音箱設計的一個要點。如圖1所示，該揚聲器在200～5 000 Hz頻段頻響曲線平坦，對應聲壓級波動范圍為70～90 dB，說明該頻段的音質(zhì)較其他頻段好。

圖1 某揚聲器頻響曲線

頻響下限稱為揚聲器的諧振頻率[1]，是決定揚聲器低頻特性的重要參數(shù)。

1.2 失真度

失真度通常以百分數(shù)表示，其隨頻率的增大而減小。百分數(shù)值越小，表示失真度越小，揚聲器品質(zhì)越高。人耳一般對5%以內(nèi)聲波失真不敏感。如圖2所示，該揚聲器頻率大于200 Hz時，失真度均小于5%，且失真度曲線比較平坦，說明在該頻率范圍內(nèi)，揚聲器的音質(zhì)較好。

圖2 某揚聲器失真度曲線

1.3 阻抗

阻抗表示揚聲器輸入信號的電壓和電流的比值。在功放和輸出功率完全相同的情況下，使用低阻抗的音箱一般能獲得很大的輸出功率。可選擇阻抗較低的揚聲器進行音箱設計。但太低的阻抗值可能造成欠阻尼甚至低音劣化等問題。因此，選擇常用值8 Ω阻抗來設計礦用音箱。

根據(jù)以上分析，可選擇一款阻抗低、頻響曲線平坦、失真度曲線平坦的揚聲器作為礦用音箱設計的基礎。

2 音箱腔體容積計算

煤礦井下復雜多變，灰塵及水汽多，因此，礦用音箱一般設計為封閉式結構[2]。

設計封閉式礦用音箱首先需知揚聲器的諧振頻率f0、總品質(zhì)因數(shù)[3]Qts、等效容積Veq等參數(shù)。根據(jù)傳統(tǒng)音箱設計經(jīng)驗，當f0與Qts的比值為40～80時，能夠制作出音質(zhì)較好的封閉式音箱。傳統(tǒng)封閉式音箱均采用低品質(zhì)因數(shù)的平直頻響設計，封閉式音箱總品質(zhì)因數(shù)QB常取0.7甚至0.5。若以音箱達到均衡的頻響為設計目標，QB值應不小于0.7，因此建議QB取0.7～1.3，這樣既能保證充沛的低音，又可得到均衡的頻響。

封閉式音箱的頻響主要由音箱諧振頻率fB與QB決定，而fB與QB取決于揚聲器參數(shù)和箱體容積。設音箱的聲順比為α，箱體凈容積為VB，根據(jù)傳統(tǒng)音箱設計方法，有

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)音箱的設計目標，選定QB，即可得到α，VB，fB。

根據(jù)以上分析，選用一款阻抗為8 Ω、口徑為133 mm的揚聲器作為礦用音箱設計的基礎，其參數(shù)：揚聲器外徑為116 mm，高度為67 mm，揚聲器磁鐵直徑為78 mm，f0=55 Hz,Qts=0.68,Veq=5.5 L,f0/Qts=80,適合制作封閉式音箱。

采用不同的QB值，由式(2)—式(4)分別得到α，VB，fB，結果見表1。

表1 不同QB計算得到的音箱參數(shù)

由表1可知，當QB=0.7時，VB=91.7 L，不符合礦用音箱的結構設計尺寸要求；當QB=1時，VB=4.7 L，fB=80 Hz，滿足封閉式音箱設計要求。設計音箱總容積時，除VB外，還需考慮其他零件占容的影響，如揚聲器體積等。根據(jù)揚聲器尺寸參數(shù)(約為0.5 L)，計算得音箱的總容積V=5.2 L。

3 音箱結構設計

確定音箱的總容積后，即可計算出音箱的結構尺寸。計算時需保證音箱面板寬度足以安裝揚聲器的口徑，同時使音箱形狀符合修長的體形[4-5]。由于是礦用產(chǎn)品，還需考慮電路板的安裝結構、電纜引入結構等。綜合以上因素，將音箱腔體設計為寬210 mm、高180 mm、深140 mm的封閉式結構，加上電路板的安裝結構尺寸，整個礦用音箱的結構尺寸設計為寬210 mm、高290 mm、深165 mm，如圖3所示。

圖3 礦用音箱結構尺寸示意

由于礦用產(chǎn)品的特殊使用環(huán)境，為避免發(fā)生煤礦事故，采用2 mm厚的冷軋鋼板(Q235A)作為礦用音箱制作材料。

為減小封閉式音箱內(nèi)聲波的能量及駐波的影響，音箱內(nèi)需填充一定的吸音材料。吸音材料的厚度需經(jīng)過試驗方可確定，一般不少于10 mm。本文設計的礦用音箱的吸音材料為10 mm厚玻璃棉。

4 結語

針對目前礦用音箱在設計時未考究音腔大小而導致音質(zhì)不佳等問題，以音箱達到均衡的頻響為設計目標，通過選取合理的音箱總品質(zhì)因數(shù)QB對音箱容積進行計算，設計出了音質(zhì)較好的音箱結構，改善了井下廣播系統(tǒng)的品質(zhì)。

[1] 張學斌.一種二分頻封閉音箱的設計[J].商洛師范專科學校學報,1994,9(2):71-73.

[2] 張榮輝.一種適用于教學的封閉式音箱的設計原理[J].昭烏達蒙族師專學報,2003,24(5):31-32.

[3] 王以真，沈偉星.音箱研討[J].電聲技術,2006(12):22-26.

[4] 黃倩，黃友勝.嵌入式礦用廣播終端的設計[J].煤礦安全,2012(2):79-81.

[5] 徐直.礦用本安產(chǎn)品結構設計要求[J].煤礦機械,2013,34(11):16-18.

A design method of mine-used sound box

TIAN Jun

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

A design method of mine-used sound box was introduced. A selection method of loudspeaker in mine-used sound box was introduced firstly from aspects of three parameters of frequency characteristics, distortion degree and impedance. Then cavity volume of mine-used sound box was calculated by taking balanced frequency response as a design goal. Finally, structures of size and material of mine-used sound box were designed.

mine-used sound box; structure design; loudspeaker selection

1671-251X(2016)11-0071-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.017

田軍.一種礦用音箱設計方法[J].工礦自動化，2016,42(11)：71-73.

2016-06-30；

2016-09-25；責任編輯：李明。

中煤科工集團重慶研究院有限公司自立重點科研項目(2015ZDXM01)。

田軍(1984-)，男，貴州黃平人，工程師，碩士，主要從事煤礦監(jiān)控技術及儀器儀表研究工作，E-mail：tj2436645@163.com。

TD67

A

時間：2016-10-28 16:32

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1632.017.html