关于迷你音箱设计的讨论

扬 声 器 与 传 声 器 ⑥凹 @圃 @ 囿响 呦6@0，⑨ 响⑥闶@ 文章编号 ：1002—8684(2010)12—0028—05 关于迷你音箱设计的讨论 吴宗汉 ，何 鸿钧 (1．东南大学 物理 系，江苏 南京 210096；美律 电子 (深圳)有限公 司，广 东 深圳 518109； 2．逢甲大学机械暨航空研究所，台湾 台中 407；美律电子(深圳)有限公司，广东 深圳 518109) ·产品设计· 【摘 要】从迷你音箱的部件功能分析开始，对迷你音箱产品设计提出了“能”、“形”、“神”三方面的设计原则。这 对迷你 音箱产 品设计是有 意义 的。 【关键词】迷你音箱；产品设计；扬声器 【中图分类号】TN643 【文献标识码】A Discussion on the Design of Miniature Loudspeaker Enclosure WU Zonghan ．HER Hongching (1．Physics Department，Southeast University，Nanjing 210096，China；Merry Electronics(Shenzhen)Co．，Ltd．， Shenzhen Guangdong 518109，China； 2．Institute of Mechanical and Aeronautical Engineering，Feng Chia University，Taiwan Taichung 407，China； Merry Electronics(Shenzhen)Co．，Ltd，Shenzhen Guangdong 518109，China) 【Abstract】In this paper，the function of components in the miniature loudspeaker is discussed，and the design of miniature loudspeaker enclosure focuses Oil three aspects：performance，appearance，and charm．It S significant to the design of loudspeaker along with enclosures． 【Key words】miniature loudspeaker enclosure；product design；loudspeaker 1 引言 产品设计对于一个企业而言是非常重要的，在电 声行业也不例外，纵观 目前电声音响行业的情况，不少 公司尚未走出仿制的阶段。实际上 ，当设计的力量融入 整个企业的战略决策层面时，设计可以在企业的战略 制定和品牌建设方面发挥巨大的作用。处于战略层次 的设计是一个复杂的过程，它的成功实现不仅需要理 念引导、企业决策者的支持 ，更需要组织架构的配合、 运营系统的支持等。它的成功还必须倾听行业以外的 声音 ，探索新想法、新视角 ，了解市场需求，捕捉当前及 未来的潮流 ，不断进行创新思维，并推动新想法变成现 实。下面就结合这些理念对迷你音箱设计中的相关问 题进行讨论【 -2]。 2 迷你音箱设计中几个组件的分析 迷你音箱属于音箱设计中的闭箱设计，由3部分 构成：扬声器、箱体和线路部分(有源音箱)。电子元器 件随着科技发展而逐步微型化、集成化 、功能化 ，但有 国堕塞丝堂 Q生蔓 鲞蔓】2塑 些技术指标仍是不会变的，只不过要求更加严格了。 2．1 扬声器 2．1．1 额定阻抗 扬声器额定阻抗为 z=v P 式中：P为扬声器输入功率， 为扬声器音圈两端电压。 扬声器阻抗是标称阻抗，是扬声器的输入端阻抗 ， 对纸盆扬声器而言，它是阻抗曲线上低频共振频率以 上的第一个阻抗最小值。在额定频率范围内，阻抗模值 的最低值不应小于额定阻抗的80％。阻抗曲线是随频 率变化的阻抗模值 ，如图 1所示，其中口为直流阻抗 ，b 为电感阻抗贡献，C为反电动势。 2．1．2 共振频率 扬声器在低频段某一频率下其阻抗值最大，该频 率为共振频率． ，共振频率与扬声器的振动系统质量 及顺性有关。共振频率公式为 = 、／ (2) 式中：m。为振动系统质量 ，c。为振动系统顺性 ，纸盆折 环、定心支片越柔软，c。越大。％ 增大 ，c。增大，则 减 小。但在振动板折环(边缘)重量、厚度 、形状、宽度不 变的情况下，不能以一味增加 m。来降低fo。m。增大时， ． 减小，但输出声压减小。 c。增大 减小，而振动系统振幅增大，振动系统强 度减弱，失真增大。 是扬声器低频重放的下限 以下 扬声器的输出功率随着频率平方的增加而下降。 2．1-3 品质 因数 品质因数 (Q )是扬声器共振曲线尖锐程度的一 种量度指标，可以理解为是抑制阻尼共振的重要参 数。品质因数公式为 去矗＼／ (3) 式中： 为共振频率 ，r。为 处扬声器阻抗极大值 与扬声器直流阻抗 R 的比值。 ro (4) 式中：J I为 处阻抗模值， 为当J J=J J且 · L=f 时的2个频率值。 是2个可变的频率数。 当r。=V( +1)／2时 寺 ㈣ 当 1时，r0=、／2r】。 若先以下降 3 dB来确定 ，则求得厂2， 是 v'T 时的频率)，这样就可以得到在 范围内 ⑨凹 s @囿 @0， 囿响 呦6@ ⑨ 响⑨响 扬 声器 与传 声器 的Q。值。 J 2 J 】 一 max (6) 当扬声器 减小时，Q。减小 ，当 B增加时，Q。减小 ， 如式(7)所示 Qo、／ ／( ) 1 (7) 式中：B为磁通密度 ，Z为音圈长度 ，c 为振动系统等效 顺性，m 为振动系统等效质量。 当 Q。>0．4时，适合闭箱；当地 Q0<0．4时，适合开箱。 另外，R．Small建议在设计音箱前 ，采用一个评估 值——效率带宽积(Efficiency Bandwidth Product，EBP) 来判定该单元适合做闭箱还是开口箱。 EBP- fo =器 (8) QE=古Qm=者 当 EBP<~50时 ，适合做闭箱 ；当 EBP在 100左右 时，适合做开口箱；当EBP为 60—80时，两者皆可。 2．1．4 等效容积 若有一容积 ，其中的空气声顺与扬声器声顺相等 ， 则称此容积为扬声器的等效容积。 = [Wfo)一1】 (10) 式 中： 为箱体内容积减去扬声器单元所 占体积 为 装箱后扬声器的共振频率。 设计音箱必须考虑的 3个因素分别为 ：共振频率 (即最低谐振频率)、品质因数和等效容积。对扬声器而 言 ，还有功率特性、频率响应 、指向特性 、有效辐射面 积、低温最大线性位移、低温位移体积等与音箱设计有 关的参量，这里不作详细介绍 。 2．2 音箱体 迷你音箱常采用闭箱的形式，在设计时首先必须 搞清扬声器的参数 ，该参数是会有一定误差范围的，这 在音箱设计中应予顾及。接着就是设计音箱必须考虑 的 3个因素 ，最后是有关扬声器的相关参数。 根据 Small理论最初编成图标，后来又编成计算机 软件。在国内外市场曾出现过多种软件，其中影响最大的 是 LEAP4．1(Loudspeaker Enclosure Analysis Program) 扬声器箱分析程序 ，是由美国 Audio Technology公司开 发的。现在已推出LEAP 5CD，可用于 Windows界面。 用来设计闭箱只是它一部分功能。只要已知扬声器的 参数，根据对音箱的期望，输人计算机启动程序 ，就可 电声技《2010年第34卷第12期I29I 扬 声 器 与 传 声 器 ⑥凹 岛 @囿 @ 囿嗡 呦6@D，⑨ 晌⑥闶@ 以方便地设计出扬声器的体积、长、宽、高参数，画出图 形，并可以得到预期的频率响应曲线 ，若不满意可马上 另换方案。 初步确定箱体外型后，还有箱体造型、工艺设计等 深加工设计。 2．3 音箱线路设计 对于一般闭箱设计而言，尚有功放部分的设计(或 选用)以及分频器设计等工作要做。对迷你音箱而言 ， 分频器的设计常常不用，只是将其设计成全频的。为 此 ，分频器设计的讨论就略去了。 无线音箱的设计中则需要增加相应于主机发射部 分的接收部分。一般有以下几种： 利用蓝牙技术。通过“滚频”方式和主机对接完成 接收，这种蓝牙技术有现成的技术可选用，但稳定性差。 一 般的发射一接收技术。在这个技术中，必须要考 虑音箱供电电源的问题。若能做到每个音箱由一个独 立电源供电，则多余的接线就会消除，但独立电源要做 到体积小、容量大。 迷你音箱由于扬声器小，低频响应会有先天性的 缺陷。尽管人们设法改善小口径扬声器的低音重放功 能，但终难有更大的提高。而虚拟声学却是从某种程度 上弥补 了这一缺陷 。在这一领域 内值得介绍 的是 MaxxBass技术，利用这一技术 ，当听到某 2个频率 的 信号时，就会感到另有一个更低频率的音箱效果。这是 一 种主观响应，是虚拟声学的效果，也是一种心理声学 的效果。 迷你音箱由于体积小了，相应的线路板中的 EMI、 EMC的问题也应考虑 。 3 迷你音箱设计中的“能”“形”“神” 迷你音箱的设计 ，隶属工业设计(Industrial design) 的范畴，应从技术与艺术相结合的角度来思考这一问 题。从 20世纪开始 ，国外就有不少设计师涉猎了这一 领域，值得一提的是德国建筑师、设计师 W．Gropius筹 建了包豪斯学校(Bauhouse)，他在该校中将设计理念 上升总结成设计理论 ，提出了包豪斯的三个基本观点。 (1)技术与艺术的新统一。 (2)设计的目的是人而非产品本身。产品应从功 能和审美两个方面去满足人的物质和精神的需要。 (3)设计必须遵循自然与客观的法则进行。 这表明工业产品造型设计极好地体现了技术和艺 术、技术与美学的结合。产品外观设计的确定和发展是 巨 童熊堂趔Q生差 鲞苤! 塑 由当代科学技术与大工业体系日趋成熟 ，国际市场 日 趋完善决定的翻。 迷你音箱的设计理念也不能脱离上述基本理论的 规定。总结起来 ，迷你音箱的设计应有 3大特征要考 虑，即“能”、“形”、“神”。 3．1 迷你音箱中“能”的设计 前文介绍过关于迷你音箱中的声学功能、电学功 能的相关知识的内容，总结起来应有不同特点的种类 ： 有源型(功率放大)，无线发射型(蓝牙型、一般发射一接 收型等)，虚拟声学(心理声学)的利用，声、光、电技术 结合型(激光的应用、莫尔条纹的应用、凹面镜技术应 用等)，内部结构声学设计，如使用蓝牙技术将随身听 作为提供信号输出的无线音箱或无线耳机接线 (见图 2)，使用蓝牙技术将手机作为提供信号输出的免提通 话或无线音箱的接线(见图 3)，蓝牙技术也可用在一 般的大音量控制的音箱系统中昀。 (N 随 W A 听 800 $700F／$600 + 囝 孥 一／； - t { ．t． j，●—一 系列) WLA—NWB1 遥控 声频 传送器 + {》》》 传送器等 《 器 无线音箱或耳机 (({l 无线音箱或耳机 《{lI ～ 图2 使用蓝牙技术将随身听作为提供信号输出的无 线音箱或无线耳机接线图 机 》善I{l 机 图3 使用蓝牙技术将手机作为提供信号输出的免提 通话或无线音箱的接 线图 还有几种用于特种场合的音箱 ，如桑拿浴室的音 箱(见图4)，其他场合的防滴水、耐热音箱(见图 5)。 3．2 迷你音箱设计中“形”的设计 讨论了一个产品的功能设计后 ，构成产品的“形” 的设计也很重要。这些技术要素中有结构 、材料、色彩 等诸多方面的因素。 3．2．1 从结构上来考虑 从结构上来考虑则有外部结构和内部结构之分。 包括 以下几种 ： 几何结构组合型。作为迷你音箱的外形结构，不少 是由规则的几何单元(线、面体)组合而成的。以体而 言，有方、圆、球(球的部分)等规则的体积单元，也有不 规则形状的体积；以面而言，有规则的平面、曲面、不规 则的多角面、椭圆面(或部分)，也有线条的组合。 图 6中这些几何单元的组合 ，实际上是由‘‘揍 合” 到“结合”再发展到“融合”的过程 ，初级的设计，往往只 是“凑合”而已，一旦能使之“结合”而不落“凑合”的痕 迹就是一个上升 ，这个阶段就是“结合”了，若进一步发 展就可向“融合”阶段前进了。 如 AnySound电脑音箱配 MP3／MP4的一款 ，如图 7所示，是一个下小上大的圆柱体，上面斜截面是一个 椭圆面。这也是一个别致的设计。 卡通结构型设计。为了活跃生活，人们常对迷你音 箱采用卡通人物结构设计 (包括拟物化拟人化设计 )， 如图 8所示。 这些结构中也有的采用 了拟物化的设计 (见 图 重墅 堡重 ⑥ s @囿 @ 囿闶 6@0，⑥ ⑥响 9)，如漫步者 MO ipod相配合的老式双铃马蹄钟的设 计 。在设计 中不少迷你音箱采用了紧凑型设计 ，或可 分可合 ，或是伸缩型 ，如 Sony SRS-M55的设计 即是 如 此 。 不对称结构、不对称图案设计。若改为不对称结构 型就体现了“动感”、“活力”、“朝气”。迷你音箱的设计体 现了这一特点 ，有的更采用了非黄金分割比例的设计。 前卫理念设计。 现在的设计有不少是将音箱设 计成了工艺品，构件也就很别致了。如 Apple的一款设 计就是如此 ，现在也有利用拓扑结构的“克莱茵瓶”来 设计的，如图 10所示。 不同材质的外形设计。人们对某一产品使用不同 的材料则会有不同的视觉感受和触觉感受 ，对迷你音 堕妻鲢 型 圭蔓塾鲞蔓 园 扬声器 与传 声器 ⑨凹 @囿 @0，囿响 咖6@ ⑥ 响⑥响@ 箱而言 ，用得最多的是塑料(ABS、PP等)，也有的是使 用木质材料。不同材料加工成型的方法也各有不同。这 样对设计而言，不同材质的选用 ，也是权衡性价比后进 行设计的重要问题。 色彩设计。色彩是构成产品外观的重要因素，色彩 感觉是人们对色彩的生理和心理上的反应，但色彩表 现，特别是产品外观色彩的表现是与技术分不开的。产 品是要靠有色材料组合成不同涂料来表现产品的内涵 和设计思想 ，即使是同一种颜色 ，由于材料性能或喷涂 技术的差异 ，表现的质感也大不相同。这里，又要分纸 盆色彩、音箱体色彩等。若用喷涂法喷涂上蓝漆 ，在喷 涂时所给的压力小 ，漆的颗粒大，就会有磨砂质感的 蓝 ；给的喷涂压力大，漆的颗粒小 ，就会有较光亮的质 感。不同的地域、人群和消费群体 ，则对色彩的喜好也 不同。 一 个产品不管被设计成什么样的造型，都必须符 合一定的结构要求才能实现。一个完整的产品外观设 计还必须要顾及其内部结构和外部结构。尽管迷你音 箱的结构并不复杂，但对于一个设计师而言，应该具有 一 定的机械和模具方面的知识。有些设计师甚至把对 产品结构的改进设计当成了产品外观设计的切入点 ， 设计出了很好的产品。许多产品也往往因为配合外观 设计而有着巧妙的结构设计而受到青睐。如收纳箱式 的音箱结构、仿古式的结构(如奥运会开幕式上的“缶” 的设计创意)。当然，如何仿古、拟人、拟物，这些都是设 计中值得深入的。 而且箱体 的“形”对整体音箱的“能”还能产生影 响，美国声频工程协会曾报道过箱体形状对其频响影 响的实例 ，图 11就是不同箱体形状对音箱最终频响的 影响。 3．3 迷你音箱设计中传“神”设计 “神”意味着音箱作为一个艺术品，它带给人们意 境、联想和韵味，它具有本身的艺术特征及魅力。同时 音箱又作为工业产品，应在符合“包豪斯”三原则的条 件下 ，体现出技术与艺术的统一。 这时，陷于矛盾之中的是 ，一方面要用纯艺术的眼 光缅怀古典的传统形式 ，主张以自然界动植物的具象 纹样为素材和弯曲的线条来装饰工艺产品，实际上是 给工业产品穿上工业的、手工艺的外衣。另一方面工业 技术以其强大的生产力生产着新的技术产品，充斥整 个社会物质生活领域，冲击着传统艺术观念的桎梏。走 出“凑合”的阶段 ，进入“结合”的阶段 ，也就是要把新技 国堕妻熊查 生蔓 鲞蔓】 塑 图 11 箱体形状对音箱最终频响的影响 术 、新材料、新工艺以其 自身的规律开辟相应的合乎 能的“形态美”，一方面是建立新的审美，同时也要 艺术家们对产品功能和形式的关系进行重新的思考。 4 小结 笔者讨论了一些迷你音箱设计问题。但是若要倒 出好音箱 ，必须要认清：只有与好的扬声器相配才能倒 出好音箱，否则只能是空想 ；虽有好的扬声器 ，若无望 体设计理念 ，并不能做出好音箱。为此 ，作了以上的一 些讨论和建议。在成文过程中，曾与豪恩声学股份有 公司的副总经理徐世和高级工程师反复讨论 ，并对厉 稿进行多次修改 ，特此致谢。 参考文献 【lJ1 黄蔚．设计成就战略【EB／OL]．(2010-02--01)[2010-03-01： http：／／www．waydu．com／Blog／ViewArticle／％E5％B0％8F$ E7％ 8C％ AB％E4％ B8％ 8D％E6％B4％97％ E8％84％B8 3458． [2]许康．美感——科技活动中的激励因素 ．北京：科学出J}5 社 ，2000． 『3] 王以真．实用扬声器工艺手册[n1．北京：国防工业出版社 2006． 【4] 俞锦元．扬声器设计与制作 ．广州 ：广东科技出版社 2007． f51 谢菠荪．虚拟 听觉在虚拟现实、通信及信息系统的应用 电声技术 ，2008，32(1)：70-75． 【责任 编辑】丁 雪 【收稿 日期】2010—03—11