音箱中的物理學知識 由物理網(wǎng)資料整理
“從生活走向物理，從物理走向生活”作為新課程的基本理念之一，體現(xiàn)了物理課程學習的方法和目標，在物理課程學習中具有重要意義。就本質而言，物理學本來就來自于生活和生產(chǎn)的實際，只不過將生活和生產(chǎn)實踐中的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律進行了系統(tǒng)化和理論化的歸納和總結，使之更加趨于理性和成熟上升到理論化的高度。“從生活走向物理，從物理走向生活”就筆者理解包含兩層含義：其一，讓物理學理論指導生產(chǎn)和生活的實際，解決現(xiàn)實問題;其二，就教育本身而言，使學生將所學物理知識運用于解釋生產(chǎn)和生活中的現(xiàn)象，從而使所學知識在實踐中得以檢驗，以加深對物理現(xiàn)象和規(guī)律的理解，這也正好與新課改的宗旨相吻合，體現(xiàn)了新課程改革的目標和要求。
聲學是物理學的一個重要分支，從遠古開始人類就已經(jīng)開始對聲現(xiàn)象給予了高度的重視，發(fā)展到現(xiàn)代，聲學已成為一門獨立的科學，并逐漸形成了一整套完善的聲學理論體系，并在社會生活中發(fā)揮了重要作用。
隨著社會的發(fā)展，人們的生活質量大幅度提高，對于文化生活的要求也愈來愈高，就音響技術而言，從最初的電唱機，錄放音機發(fā)展到今天以激光技術為核心的CD、VCD、DVD，標志著音響技術從模擬信號向數(shù)字信號的革命性的飛躍，但無論傳統(tǒng)的模擬信號音響設備還是數(shù)字信號音響設備都離不開最終的重放單元──音箱。因此，筆者粗淺地談一談與日常生活密切相關的音箱的物理知識。
音箱又稱揚聲器箱，主要由揚聲器、箱體、分頻網(wǎng)絡等組成，是以改善音質為目的的揚聲器系統(tǒng)。揚聲器是利用振膜(紙盆)的振動去推動空氣振動而發(fā)生的，聲波是縱波，在振膜向前推動的瞬間，振膜前的空氣由于被壓縮而變得密集，即產(chǎn)生所謂密部，振膜后面的空氣則變得稀疏，即產(chǎn)生疏部;在振膜向后振動的瞬間，前后空氣的疏密狀況正好相反。從物理專業(yè)術語的角度來講，從揚聲器振膜前面和后面所發(fā)出來的聲音，正好相位相反。在聲波低頻范圍內，其衍射能力很強，后面的聲波可能衍射到振膜前方，由于相位相反，在前面某點會產(chǎn)生反相干涉現(xiàn)象而使聲波相互抵消而聽不到聲音的現(xiàn)象，稱之為聲短路。而高音區(qū)即高頻聲波由于波長較短的緣故，很難發(fā)生衍射現(xiàn)象，因此，聲短路一般只發(fā)生在300HZ以下的低頻范圍內。而音箱的箱體具有分割前后聲波不致使之抵消的作用，而且如果箱體設計適當，還可能發(fā)出超過揚聲器單元本身的性能。
音箱的結構和形式很多，但最常見的有兩種類型，即封閉式音箱和倒相式音箱。
一、封閉式音箱
這種音箱除揚聲器口外，其余全部封閉。于是，揚聲器紙盆前后被分成兩個互不通氣的空間。因為這種音箱具有良好的密封性能，因而揚聲器后產(chǎn)生的聲波很難發(fā)生衍射，從而有效消除了由于聲波的干涉所引起的聲短路現(xiàn)象。但這種音箱也存在明顯的缺點──由于箱體密閉，紙盆的振動會引起箱內空氣反復壓縮和膨脹，因此箱體的材料必須具有足夠的強度，否則會產(chǎn)生板的振動而影響性能。
另外，封閉式音箱的紙盆后面是一個不大的密閉空間，這一空間的空氣會對紙盆的振動產(chǎn)生驅動力，類似于紙盆后串接一根彈簧，從而使揚聲器共振頻率提高，此彈力變化較復雜，所以增加了設計的難度。
二、倒相式音箱
在封閉箱的前面板上開一個附加的出音孔(又叫倒相孔)，并在倒相孔后安裝一個導聲管(倒相管)，便構成了倒相式音箱。倒相管內的空氣的作用與紙盆類似，形成一個附加的聲輻射器，通過合理設計倒相孔的大小，使箱內空氣和倒相孔內空氣發(fā)生共振，將聲波的相位倒轉180°，這樣從紙盆后面反射的聲波與通過倒相孔輻射出來的聲波與前面的聲波發(fā)生疊加。當音箱的共振頻率等于或稍低于揚聲器的共振頻率時，倒相孔輻射的聲波與紙盆前面輻射的聲波呈同相疊加，即同相干涉，從而加強了低頻輻射。
倒相式音箱與封閉式音箱相比，具有明顯的優(yōu)點：
1.在封閉式音箱中，紙盆向后輻射的聲波被完全吸收，因而有近二分之一的輻射功率被白白損耗。而倒相式音箱則充分利用了揚聲器的后輻射聲波，因而大大提高了低頻輻射的聲壓級，擴展了低頻重放的下限頻率。
2.封閉式音箱在其共振頻率附近音盆振幅最大，故由定心支片等的非線性位移也最大。但倒相式音箱由于倒相孔空氣質量的聲阻，在共振頻率附近音盆的振幅卻最小，使非線性失真也減至最小。
3.倒相式音箱的容積可以比封閉式音箱小，在相同的低頻重放下限頻率的條件下，倒相式音箱由于其原理上的優(yōu)勢使得其體積大約為封閉式音箱的60～70%。
由于上述原因，倒相式音箱被廣泛應用于劇場、影院、專業(yè)監(jiān)聽音箱中，也廣泛用于高質量的組合音響中。但倒相式音箱的缺點也不容忽視，例如它在音箱諧振頻率以下的低頻帶的輻射聲壓級比封閉式音箱衰減快，容易產(chǎn)生低頻“轟隆”聲，設計和結構比較復雜。
高保真放聲的頻率范圍要求40～16000HZ，使用單只揚聲器重放整個頻率范圍的聲音是十分困難的，在技術實踐上幾乎不可能做到。因此，高保真音箱通常不只是單只揚聲器音箱，而是組合音箱，即采用幾只揚聲器單元的組合方式，每只單元工作在不同頻率范圍以給出均勻的頻率特性和指向特性。將揚聲器系統(tǒng)的整個頻率范圍劃分成幾個頻帶就是依靠分頻網(wǎng)絡(分頻器)來完成的。
分頻器是利用一般是利用電阻R、電感L、電容C組成。我們知道電感線圈低頻阻抗小，故低頻信號容易通過，而高頻信號難以通過，即具有所謂“通低頻阻高頻”的特性;而電容器則相反，頻率低時阻抗大，故低頻信號難以通過，高頻信號容易通過，即具有所謂“通高頻阻低頻”的特性。故在輸入信號過程中，選用不同自感系數(shù)和電容的電感線圈和電容器串聯(lián)或并聯(lián)在功率放大器之前或之后組成分頻網(wǎng)絡，將高、中、低頻信號從混合音頻信號中進行篩選和分離，輸入不同的揚聲器中，便能實現(xiàn)頻率的分離和重放，從而重放出不同頻率成分的聲音，成為高質量的放聲系統(tǒng)。
由于音箱的設計和制作不但是一門技術，更是一門藝術，它綜合運用了力學、電學、電子技術、聲學以及美學、生理學等各個領域的知識，非筆者能力所能及，故僅就音箱中所包含的一些簡單的物理知識，介紹給大家，望同行賜教。
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