扬声器知识自编.ppt

嘉善星龍電訊產品有限公司,揚聲器知識培訓資料 注：以下資料均編自同行及聲學研究機構，本公司僅作內部培訓使用 編制：向陽 二零零八年六月,聲 音,一: 声音的形成,物体围绕平衡位置做来回往复的运动叫做振动.振动物体将它的振动传给周围的弹性物质,弹性物质又将振动传到人的耳朵.听觉系统感受到振动,并对其中的20HZ20000HZ的频率成分做出反应,就形成了声音. 形成声音的三个要素 :发出振动的物体叫做振源(声源),传播振动的物体叫做媒介以及人的听觉系统,二: 声音的传播 声音在真空中是不能传播的.除了气体外,液体及固体都是传播声音的媒介. 声音在各种媒体中传播的速度是不一样的.它与媒体弹性的平方根成正比,与密度成反比. 声音在空气中的传播速度还和大气的条件有关,随绝对温度的升高而加快.0时,声音在空气中的传播速度为331m/s(米/秒).20时为344m/s,这是由于温度低时空气的密度大,温度高时,密度小,声音在空气中传播的速度随密度的减小而增大.同理,空气在高山上传播的速度就要高于地面.以此类推,声音在钢铁中的传播速度可能要因为它的密度比空气大而变小,但声速不仅与介质的密度有关,而且与介质的弹性系数有关,由于钢铁的弹性系数要比空气大得多,所以声音在钢铁中的传播速度还是要比空气中大,空气中声速与温度之间的关系可用下式表示 与空气中声速随密度的增大而减小相反,当空气中的湿度增大时,声音的传播速度不是减小 ,而是增大.这是因为空气中水蒸汽会影响空气的密度.由于水蒸气的密度只有干燥空气密度的62%,所以湿空气的密度要比干燥空气小,因此空气的湿度增加后,声速加快了. 声音在空气中传播的距离则与自身的频率及外部条件有关.低音传得远,高音在空气中衰减得快.研究发现,声波在介质中的传播,除了在传播方向上,单位面积通过的声能与距离的平方成反比外(即反平方定律),声能还会发生其他衰减.这是因为空气在波动中,质点相互之间存在作用力,即有黏滞性,而且相互之间还有摩擦力,有部分能量变成热能而损耗掉,即介质吸收了声能. 空气的湿度对声音的传播距离也有影响,与空气的湿度增加并不减小声速而是增加声速一样,湿度的增加也不减小声音传播距离,而是增大了传播距离.,换句话说,干燥的空气对声音的衰减量更大,潮湿的空气对声音的衰减则减小,声音的传播方式 声辐射 声源振动时，将一部分能量通过与其接触的弹性媒质（如水，空气）以声波的形式向四周传导的过程叫声辐射.空气会对扬声器（声源）起反作用 声音的反射 声音的反射如同一个球碰到墙壁弹回来一样.精确地说是“波振面内由两种媒质之间的表面返回的过程.类似光线，声音的反射也有入射角等于反射角的性质.我们在房间（只要不是消声室）听扬声器.音箱发声时，除了听到扬声器的直达声以外，还听到来自地面，墙壁，顶棚，室内家具等的反射声，共同构成我们对声音的感受.在声波的传播过程中，如果物体大小比波长小，我们就不考虑它的反射影响.物体比较大时就不能不考虑反射的影响了 声音的折射 一根筷子插入水中，看起来筷子变成两段，这就是光线的折射.声音也一样具有折射现象，即“因媒质中声速的变化引起传播方向改变的过程.在扬声器辐射过程，大家对折射似乎不注意.其实扬声器放在音箱箱体内，如果箱体比较薄，会产生振动，这是大家都关注的.另外声波也会经箱体折射出来，尽管这部分能量比较小，一种严格的分析也不是无益的. 知道了折射的原理，就可以用它来改变声音的方向.方法之一是利用障碍物，障碍物的数量和几何形状都会影响声音传播的速度而产生相应的折射.使声波折射的另一个方法，就是将声波的路程拉长，等效于降低了速度，从而改变声传播的方向. 声音的衍射 衍射有时亦称绕射.当声波从一个孔隙穿过时，就会发生变化，这种“由于媒质中有障碍物或其他不连续性引起的波阵面畸变“称做衍射.,驻波 由于频率相同的同类自由行波互相干涉而形成了空间分布固定的周期波.驻波的标志不是有固定于空间的波腹和波节.振幅最大点称为波腹.最小点称为波节.由于声波的进一步，使得一些地方振动强烈，另一些地方振动较弱.对于扬声器的箱体，在设计时要避免长宽高成整数比从而产生驻波.因此，我们平时看到许多箱体边角的弧度，并不完全是为了美观. 声波的吸收与透射 在音箱箱体内经常装有一些泡沫塑料，绒，毛等吸声材料，在室内也常用地毯，窗帘等吸声.“当声波通过媒质或射到媒质表面时声能减少的过程“称做吸收. 当声波传到一个界面时，一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分声波会透射过去，即“声波在多媒质中传播时，经过多媒质分界面的多次反射，仍可能有部分声波通过中间各介质达到最后一种媒质的现象“叫做透射. 横波 质点的运动方向与波的传播的方向是垂直的，这种波称为横波 纵波 在空气中质点的运动方向与波的传播方向是平行的，这种波称为纵波 波长 声波在传播过程中，相邻的同相位的两点之间的距离称为波长.波长与频率f和声速c之间的关系为： cf 在空气中的声波为非色散波，即不同频率的声波传播速度相同，因此频率与波长成反比，频率越低，声波波长越长.,声波在管中的传播 在截面积均匀的管中传播的声波不同于自由空间传播的声波，它的波阵面因为受到壁面的限制， 不向四周扩散，而是始终保持不变，因此在管中传播的波是一种平面波.在管中传播的波，能量不容易 分散，因此传播的距离远.如用管子通到各房间的中央空调，如果管壁不做吸声处理，则送去冷风的同 时将噪声也一起带进了房间 对于有限长的管子，当声波传播到管口时，面积有一个突变，声阻抗发生变化，声波一部分向外 辐射，一部分被反射回去.为了使声波更多地向外辐射，我们常常将管口的面积做成逐渐增大的喇叭形 辐射口，这主要是使声波传播到管口时的声阻抗能有一个比较缓慢的变化，逐渐接近自由空间传播的 声阻抗，有利于声波的辐射. 我们在设计扬声器箱时，常常会用一小段管子作为倒相管，所用的管子的长度一般比声波的波长 小得多，所以管中的空气可以看作像活塞一样作整体运动，这时管口附近有一部分空气可以与管内的 空气一起运动，这部分空气的质量称为同振质量，它的存在好像使管子的长度增加了. 当管子的长度与波长可比较时，理论分析发现，当管子的长度正好等于四分之一波长的整数倍时， 管子的辐射功率可以得到很大的提高.管乐中的笛子就是利用手指按孔，改变管子的长度来得到不同频 率的声波辐射产生乐意的. 声波在房间内的传播 声波在房间内的传播，不同于自由空间，它受到墙壁的制约.就是说，在房间里听一个声源发出来 的声音，除了直接从声源传来的声音外，还有很多经墙壁反射的声音.前者称为直达声，后者称为反射 声.所以我们听到是这两种声音叠加的效果，显然比在室外听到的要响（同一条件）室内与室外的差别 取决于反射声的强弱.假如在墙壁上装了很多吸声尖劈，把反射声全吸掉，这样的空间就与室外的自由 空间一样.这种房间称为消声室. 假如将墙壁做得很光滑，使入射到墙壁的声波吸收得很少，尽量反射出去，声波在室内经多次反射 后，再逐渐消失，结果房间内各点的密度比较均匀，从各方向到某一点的声能流的概率相同，而且各方 向到达某一点的声波的相位是无规的，这样的声场称为扩散声场.这种实验室叫混响室.在混响室讲话， 声音的拖尾比较长，讲快了不容易听清楚.墙壁吸声太强，主观上听音就感到“太干”，墙壁吸声太少 则声音听起来就“发浑”. 反映室内吸声特性的一个重要指标是混响时间.它的定义是：室内声场达到稳态后，切断声源，室内 声压级衰减dB所需要的时间.它与房间的大小，室内的吸声特性有关.,三: 声压 声音的传播,实际上声源振动发出的能量通过介质由近及远的传播.扬声器的发声,其过程是电能通过音圈变成振动板的机械能,机械能通过空气的振动向外传播国.声源发出的能量用E表示,单位为焦耳(J). 在音响技术中,人们关心的是声能到过某一特定位置时的强度,即声强或声力.声强用I表示,其定义是单位时间里通过垂直于声传播方向上单位面积声能的大小,单位为瓦/平方米 声音在传播过程中,会对周围的空气产生压力,这一压力是在原来大气静态压力的基础上新增加的,称为声压,用P表示.它代表垂直于声传播方向上,单位面积所受到的声音压力的大小,单位为帕斯卡(Pascal),简称帕(Pa).在国际单位制中,一帕等于一平方米面积上承受一牛顿的力,但至今仍有许多书采用厘米克秒制表示.单位为微巴(bar), 1Pa=10bar. 声学家发现,当声音的强度成10倍,100倍,1000倍地增大时,人耳感觉到的声音的大小只是1倍,2倍,3倍地增长.同样,当声音的频率升高时,人们感觉到音调的提高 ,但音调提高的数值与频率的增加也不成正比,而是与频率增加比较值的对数成正比,这就是有名的韦伯(Web)定律,即人对外界刺激大小的反应是遵从对数定律的.,度量扬声器的效率,人们采用计权声压级SPL表示: 人对3000HZ左右的声音最敏感,而对低频较迟钝,30HZ以下的声音,即使声压高达60dB,人一样充耳不闻,四: 声调 音调表示人对声音振动频率高低的心理感受量,单位是美(mei),所谓美,是将频率为1000HZ,声压级为40BB的纯音的音调定为1000美.音调与声源振动频率正相关.声源每秒钟钟振动的次数少,发出的音调就低,振动的次数多,音调就高.人耳对音调的感觉,不仅和频率有关系,而且还和声音的强度有关.保持频率不变,改变声压级,听觉上会感到音调发生了变化.对于低频,提高声压让人觉得音调变低了.对于1000HZ以上的中高频,提高声压,则会感到音调提高了. 音调的高低除了和声源的振动频率有关外,还和声源移动的方向及速度有关:当声源迎着听者而来,音调加快,而且随移动速度增加而升高,反之,声源离听者而去,音调则降低,且速度越快,声调越低.后人称这一现象称为”多普勒效应. 扬声器在低频大功率时,振动板的冲程大,由于多普勒效应,这时低频就会对高频产生调制,不仅影响了高音的音调,也会使扬声器产生互调失真,五: 音色 乐队演奏时,每一个相同的音符,各个乐器发出的音调(频率)都是一样的,但人们还是分得清不同乐器发出的声音,原因就在于各个乐器发出的乐音的音色不一样.音色顾名思义就是声音的特色. 乐声是一种复合声,不同的乐器演奏同一种音符时,发出的基音是相同的,因此调子相同.但泛音的个数,频率和幅度却各有差别,这就构成了不同乐器的不同音色.一般地说,谐泛音越多音色越圆润,越好听 将一个声音分解成基音与泛音,这些基音与泛音就称为被分解音的频谱.以下,我们对若干声音及其频谱作个注释: 纯音: 声音中只含有一个频率成分,人们称其为纯音,纯音的波形是正弦波,是单一波形 基音: 声音分解后,其中频率最低,幅度最大的纯音就叫做基音 谐音: 声音分解后那些频率比基音高,而且是基音频率的若干整数倍的声音就叫谐音,也叫 做谐泛音.谐音的频率成分很多.它的幅度一般都比基音小 泛音: 声音分解后,那些频率比基音大声音统称为泛音.泛音的频率可以是基音频率的整数倍,也可 以不是.泛音的幅度也都比基音小 单音: 由基音与其谐泛音组成的声音叫做单音 复音: 由基音与其泛音组成的声音叫复音 乐音: 能使人愉悦的声音称为乐音.乐音的频谱是分立谱 噪声: 能使人烦躁或不受人欢迎的声音统称噪声.它具有共同性又具有各异性,共同性如调频收音机收不到信号时的背景声音就是噪声.这种噪声是随机发出的,波形非常杂乱,频谱是十分广泛的连续谱.各异和性如,当某些人在特定的环境里伴随着某些声音受到了极大的惊吓,以后当这一声音重现时,对当事人无疑是不受欢迎的噪声. 正常情况下,环境噪声不应大于60dB 国际上规定最高环境噪声不应大于8590dB,在这种环境里每天工作h8,30年后耳不聋,吸声与人耳的听觉特性,一: 吸声 人们总是希望声音在空气中的传播接近于无损耗的传播,但在某些情况下,为了改变声学效果,却需要削弱乃至阻止声音的传播.如微型扬声器为了改变频率响应曲线,需要在透气孔上贴上调音布. 吸声材料需要一般需要满足两方面的要求,一是材料的特性阻抗要和空气尽可能相同,以使空气中的声能尽可能的透到材料中去(在电子线路中,当功放的输出阻抗与扬声器的阻抗相同时,功放与扬声器之间的传输最好).二是吸声材料对传入的声能要尽可能大的吸收.要满足上述两点要求,首推内有密密麻麻的毛细管的多孔材料了. 吸声材料又叫声阻材料,因为声音在毛细管中很难传播,或者说毛细管对声音具有很大的阻力. 可以看出毛细管的管长越长,尤其是半径r越小,则其声阻就越大,这和电学上的的电阻一样.同理,也和电阻并联一样,当吸音材料上的毛细管越多,声阻越小.当吸音材料越厚,或多层叠在一起,声阻就越大. 常用的声阻材料有海绵,棉布,羊毛,无纺布等.其内部可以看成许许多多的毛细管组成.,二: 人耳的听觉特性 人耳可听的频率范围为20Hz-20000Hz,相当于10个八度音. 人及乐器的基音频率范围约在30Hz-4000Hz 人耳分为外耳,中耳,内耳3部分.外耳包括耳廓,耳道及鼓膜.耳廓的作用是削弱或挡住后方传来的声波,收集正前方的信号. 对自然界而言,声音的传播仅仅是一个物理过程,但对人,却是一个物理生理-心理过程,因为作为声音的受体,人的听觉不仅具有很强的心理特点,而且由于各人的年龄,经历,修养及爱好的差别,对声音的感受不同,因而具有很强的心理色彩. 振幅相同而频率不同的声音,在近距离用声压计测量,其声压级是相同的.但频率不同的声音,人听后觉得其响度是不一样的.由于人耳对中音的放大作用,听了以后觉得它的响度最大,而对于低音或高音则不那么敏感,而且随着频率向两边延伸,敏感度会逐渐下降,听起来会觉得声音越来越小. 正因为人的听觉有这一特性,而扬声器的设计又很难根据需要予太大的补偿,尤其是低频的过分提升,容易使曲线曲折,还会使低音显得干瘪,所以音响设计师一般在功率放大器上做文章,在机器上增加了高低音提升功能,听者可以将放大器的增益调试,以对听觉进行补偿. 声学家发现,不同频率的声音,给人的心理感受是各不相同的. 30Hz-80Hz的声音给人一种深沉,震撼和地动山摇的感觉,这段频率理论上在人的听觉范围之内,但人耳对它们很不敏感,更多的是身体,皮肤,五脏六腑受压迫来感觉到. 50Hz-120Hz的声音,是人耳能听到的最壮丽的低音,它给人以雄壮有力,而又宽广宏大的感觉 100Hz-500Hz的声音,听起来敦厚,扎实 不管是放大器还是扬声器,低音重现不足,声音必然单薄乏力,反之,如过分提升,又容易使声音显得浑浊不清.,从300Hz的中低音往上延伸,声音逐渐进入中频段,力底感逐步消失,开始变得清楚,明亮,透明,越接近4000Hz声音变得越来越锐利. 不管是语言还是乐器的声音,中频段所包含的信息,都是最丰富的,因为许许多多声源的基音及大部分泛音,都落在这一区间,这部分表现不好,声音就失去特色,因此不管是扬声器或扬声器系统,中频设计不好,便是败笔.一般地讲,中频过强,声音会因为失去高低音的陪伴而显得生硬,但如果压得过低,又会使语言含混不清,在过强的高低音的干扰下而飘忽不定. 从3000Hz往上至10000Hz,声音迅速接近高音区,声音开始由清楚明亮,变得清脆纤细,边界分明.高音严重不足,声音则会显得暗淡,失去色彩,但高音过度提升则会使人感到尖刺,烦躁. 10000Hz以上的高音,听得清楚的人并不多,但如果成分足,细如游丝的声音才会有挑动心弦的感觉. 人对不同频率的声音敏感程度因性别,年龄而有很大的差异.随年龄的增加,听力在逐渐地下降,尤其是50岁以后下降加快. 年轻人对高音比老年人敏感 女性对高音比男性敏感. 三：音乐频率与听感 80Hz 80Hz以下主要是重放音乐中以低频为主的打击乐器，例如大鼓、定音鼓，还有钢琴、大提琴、大号等少数存在极低频率的乐器，这一部分如果有则好，没有对音乐欣赏的影响也不是很大。这一部分要重放好是不容易的，对器材的要求也较高。许多高级的器材，为了表现好80（或80左右）Hz以上的频段的音乐，宁愿将80（或80左右）Hz以下的频率干脆切除掉，以免重放不好，反而影响主要频段的效果。极低频20Hz为人耳听觉下限，可测试您的器材低频重放下限，低频中的25Hz、31.5Hz、Hz、40Hz、50Hz和63Hz是许多音箱的重放下限，如果您的音箱在这些频率中某处声音急剧下降，则表明这个频率就是您的音箱低频重放下限。,80160Hz 在80160Hz频段的声音主要表现音乐的厚实感，音响在这部分重放效果好的话，会感到音乐厚实、有底气。这部分表现得好的话，在80Hz以下缺乏时，甚至不会感到缺乏低音。如果表现不好，音乐会有沉闷感，甚至是有气无力。是许多低音炮音箱的重放上限，具此可判断您的低音炮音箱频率上限。 300500Hz 在300500Hz频段的声音主要是表现人声的（唱歌、朗诵），这个频段上可以表现人声的厚度和力度，好则人声明亮、清晰，否则单薄、混浊。 800Hz 800Hz这段一般设备都容易播好，但是要注意不要过多。这段要是过多的话会感到音响的频响变窄，高音缺乏层次，低频丰满度不够。 1000Hz 1 kHz是音响器材测试的标准参考频率，通常在音响器材中给出的参数是在1 kHz下测试。 1200Hz 1.2kHz可以适当多一点，但是不宜超过3dB，可以提高声音的明亮度，但是，过多会是声音发硬。 2000-4000Hz 24kHz对声音的亮度影响很大，这段声音一般不宜衰减。这段对音乐的层次影响较大，有适当的提升可以提高声音的明亮度和清晰度，但是在4kHz时不能有过多的突出，否则女声的齿音会过重。 8000-12000Hz 812kHz是音乐的高音区，对音响的高频表现感觉最为敏感。适当突出（5dB以下）对音响的的层次和色彩有较大帮助，也会让人感到高音丰富。但是，太多的话会增加背景噪声，例如：系统（声卡、音源）的噪声会被明显地表现出来，同时也会让人感到声音发尖、发毛。如果这段缺乏的话，声音将缺乏感染力和活力。,14000Hz 14kHz以上为音乐的泛音区，如果缺乏，声音将缺乏感染力和高贵感，例如小提琴将没有“松香味”。这一部分也不宜过多，基本平直或稍有衰减（不超过3dB）即可。 20000Hz 20 kHz 为人耳听觉上限，可测试您的器材高频重放上限。16 kHz20 kHz可能在一些器材中消失，此时有可能是您的器材无法重放此段频率，如果您是年纪较大者，也有可能是您的听觉衰减所至。 正弦波扫频信号 20Hz20kHz正弦波扫频信号是从20Hz到20kHz频率自动平滑改变播放，通过播放此段测试信息可快速判断何处频率存在问题。 如觉得某一频段特别刺耳或特别弱，则表明器材频率响应不直，可对器材中的每一环节进行分析，找出有问题的器材；如器材无问题，可能是该频带引起室内产生驻波，导致共振，您可通过移动音箱，调整音箱摆位看能否有所改善。 四： 掩蔽效应与哈斯效应 掩蔽效应 两个不同响度的声音同时进入人耳,当一个声音大于另一个声音许多倍(如10倍)时,人耳就听不到那个相对较弱的声音.也就是说强的声音将的声音给掩盖了.这就叫声音的掩蔽效应.相比较,低频的掩蔽能力要在些,而高频的掩蔽能力则小些,也就是说高音频更容易被低音频所掩盖. 一般地讲,要保证一个有用的声音不被无用声(噪声)盖过,有用声的声压级要比噪声大1520.所以有些电子线路的降噪电路,是用提升有用电信号的电平来达到降噪目的.,无论是放大器或扬声器,在制作过程中设计师都会发现,在保持输出基本不变的情况下,如果过分提升低音,不可能感到高音不足,如果过分提升高音,又会显得低音偏弱.对低音,高音的衰减也会出现同样的现象.这种一方的对强而导致另一方的削弱或一方的削弱而导致另一方的加强的现象就是听觉的相对性. 微型扬声器的设计,通常需要由一个扬声器承载全部可听音域的发声.曲线理想的不多,有时低音过强,高音不足,竭尽全力仍无法把高音提到要求的水准.则可利用削减低音的方法,以求发声的平衡.在电声学中,尤其是在电声换能器中,由于产品常常难于全频段做得很均衡,为了满足某方面的需要,对某一频段适当提升或衰减是必要的,但特别需要适量,过尤不足在此就体现得十分明显.基于这一原因,在扬声器的制作中,还要注意在频响曲线上,不宜出现过大的谐振峰. 哈斯效应 哈斯在实验中发现：当两个强度相等而其中一个经过延迟的声音同时到聆听者耳中时，如果延迟在30ms以内，听觉上将感到声音好像只来自未延迟的声源，并不感到经延迟的声源存在.当延迟时间超过 30ms 而未达到50ms时，则听觉上可以识别出已延迟的声源存在，但仍感到声音来自未经延迟的声源.只有当延迟时间超过 50ms以后，听觉上才感到延迟声成为一个清晰的回声.这种现象称为哈斯效应，有时也称为优先效应，该效应与延迟声源的位置无关. 在舞台设计中，为了得到好的音质，特别注意早期择期反射声的形成，在台口两侧设置大的反射面，加强30ms 内的反射声.增加直达声的效果.让声音更加宏亮与丰满. 在分区式的扩声系统中，为了防止相邻区域中扬声器的相互干扰，要求在听众区两扬声器到达同一位置的时间差在50ms以内，这样就避免了一个扬声器的声音成为另一个扬声器的回声.影响听音效果.所以在安装时，相邻区域的扬声器之间的距离应小于17M,电磁与磁路,一:磁场与磁力线 人们将能吸引铁粉的性质称为磁性,将具有磁性的矿石称为磁石.磁石周围的空间也会对铁粉产生作用,于是我们将磁石周围存在的空间称为磁场.人们将磁性物质指向南极的一端称为南极,用字母S表示,指向北方的一端称为北极,用N表示.磁极同性相斥,异性相吸. 表征磁场大小与方向的虚拟线称为磁力线.其具有以下特点: 1. 磁场中,磁力线永不相交. 2. 磁力线在磁体外总是从N极指向S极,在磁体内总是从S极指向N极,因此磁力线是封闭的,不存在起 点与终点 磁力线给我们提供如下的信息: 1. 磁力线密的地方,磁场就强,反之就弱. 2. 磁力线是曲线,任何一点上切线的方向就是该点磁场的方向 二: 磁感应强度B. 磁通量 通过与磁场方向垂直的某一面积上磁力线的总数叫做通过该面积的磁通，用字母表示，它的单位是韦伯（Wb),简称韦.工程上常用比韦小得多的单位麦克斯韦（MX)麦表示，简称麦，它们的关系是： 当面积一定时，如果通过该面积的磁通越多，那么磁场就越强，它能定量地描述某一面积内的磁场强弱,磁感应强度 垂直通过单位面积的磁力线数目叫做磁通密度.用B表示.在均匀磁场中B=/S. 在任意 磁场中，取一很小的面积S,通过该面积的磁通为.因S很小，在S内可看作均匀磁场.则 B=/S 当S趋向于零时就成了一个点.因此我们也将B叫做该点的磁感应强度，它描写的是某 点的磁场强弱. 当磁通的单位用韦，面积用平方米时，磁感应强度的单位为韦平方米，称为特斯拉. 简称特（T).如果磁通的单位用麦，面积的单位用平方厘米时，磁感应强度的单位为麦平 方厘米，称为高斯（GS),简称高.它们的关系是：特（T)10000高斯(GS) 电流的磁效应 1820年丹麦物理学家奥斯特用实验证明：不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场.电流 能产生磁场的现象叫做电流的磁效应. 我们在一根通电的直导体下面放置一个磁针，当导体中无电流时，下方的磁针不偏转， 当导体中有电流时，磁针即发生偏转，而且其偏转的方向和导体中电流的方向有关. 再在通电直导体周围散上铁屑，结果发现铁屑的分布是以导体为圆心的许多同心圆.这些 心圆磁力线的疏密是不一致的，距导体愈近磁力线就越密，距导体愈远磁力线越疏. 通电直导体周围磁力线的方向与电流方向间的关系，可以用安培定则（右手螺旋定则） 来确定：用右手握住导线，使伸直的姆指指向电流方向，则弯曲四指的指向就表示磁力线的 方向. 通电螺旋管磁场的分布情况与条形磁铁的磁场很相似，它的一端相当于N极，别一端相当 于S极.改变电流方向，它的极性就对调.其电流方向与磁力线之间的关系也可用安培定则来确 定：用右手握住螺旋管，让四个手指的方向和螺旋管的电流方向一致，则伸直的姆指所指的 方向就是磁力线的方向. 注意：当安培定则用于直导体与螺旋管时，其四指及姆指所表示的对象恰恰相反.,磁导率与磁场强度 磁导率 我们再来观察一个实验. 首先用一个通电空芯线圈去吸铁片，吸力很小，然后在线 圈中插入铜棒去吸铁片，吸力仍然很小.最后将铜棒换成铁棒再去吸铁片，吸力就大得多. 从实验中可知：线圈中的磁感应强度不仅与电流，线圈匝数有关，而且与磁场中的介质 有关.衡量介质导磁性能好坏的物理量称为磁导率.用字母表示.其单位为亨米（H/m). 由实验得测得真空的磁导率为： 我们把任一介质的磁导率与真空中的磁导率的比值叫做相对磁导率，用r表 示，即r 根据物质磁导率的大小，自然界中的物质可分为三类： 反磁物质 r的物质叫反磁物质.如铜，银，氢等.它们的磁导率比真空的稍小一点 顺磁物质 r的物质叫顺磁物质.如空气，锡，铝等.它们的磁导率比真空的稍大一点 铁磁物质 r的物质叫铁磁物质.如铁，铸铁，钢，钴，镍及其合金等.它们的磁导率大大 超过真空的，相对磁导率大到几千甚至上万 磁场强度 实验证明：通电线圈置于不同的介质中，将有不同的磁感应强度.我们把磁场中某点的 的磁感应强度B与介质磁导率的比值定义为磁场强度.用H表示.即： 或B=H=r0H 磁场强度的单位为安米（Am)，较大的单位是奥斯特（Oe),简称奥 奥安米,不同介质的相对磁导率,抗磁质的磁导率略小于，而趋近于. 顺磁质的磁导率略大于，也趋近于. 铁磁质的磁导率则远大于，从数百到数万不等.,磁场强度H及其与磁感应强度B的区别 分子是由原子组成的，组成原子的核外电子及带有正电荷的原子核自身都在高速地旋转，它们各自在自己 周围形成了磁场，原子核或核外电子云形成的磁场可能杂乱无章，相互抵消，所以平时，它们的周围没有磁场 出现.但当原子内部所形成的磁场出现趋同时，原子就在其外部形成了磁场，所以说磁离不开电，电子的运动是 产生磁的根源.磁场中的磁电相互作用，归根结底还是电的作用.,图,图2,在图中，电流流经螺旋管时，在螺旋管的内外产生了磁场，电流停止流动时，磁场也消失了，这也说明 是电子的运动产生了磁场，但管中的磁感应强度与管中的磁介质有关，当螺旋管中充满介质时，则管中的部 的磁感应强度Br为：Br= NI/L 式中， N-线圈的匝数 I-通过线圈的电流 L-线圈的长度 大多数情况下，上式写成: B=NI/L 指线圈中磁介质的相对磁导率. 将上式两边同时除以，则上式变为（B/)（NI)/L 令HB/ 则H代表通电线圈形成磁场的能力，与无关，此时的H称磁场强度，单位是A/m.H是磁场的成因，是内 在动力，而磁感应强度B是表示磁场中某点被磁化的状态，是结果. 人们在研究通电导体在其周围产生磁场的能力时，有如研究点电荷在其周围产生电场的能力时使用了电 场强度一样，引入了磁场强度H这一概念.据介绍，人们研究通电导体产生磁场能力在先，因而磁场强度H定 义也较早，而研究磁场强弱属性在后，因而真正表示磁场强弱的物理量只好使用磁感应强度B，正因为这一 历史原因，磁场强度与磁感应强度极易混淆. 顺磁物质的磁化曲线是条直线，而铁磁物质的磁化曲线则是条曲线.在图中，当含有铁磁物质的通电 螺旋管的磁感应强度B随流入的电流不断增强时，将其周围某点形成的磁感应强度逐点标出，我们发现B与H,并不呈线性关系.而是如下图所示，是一条弯曲的曲线，我们称之为初始磁化曲线.磁导率是介质自身 的属性，它可以由外加的磁场强度（H)，与产生的磁感应强度（B)通过式HB/推算出，这就如同通 电电路中的电阻，可以通过其两端的压降除以流经的电流求出一样，即RU/I.但与电阻不同的是，物 体的电阻是一个常数，而铁磁质的磁导率不是一个常数。由HB/可以推出，B/H 结合下图 可以看出，对于同一个铁磁物质，也不会是一个恒量，而是一个变量。它随外加磁场的强度H的变化 而变化，图为铁磁质的磁导率与外加磁场强度H的关系曲线图。,4,3,1,o,B,Bmax,H,o,H,max,铁磁物质磁导率，特别是电磁式扬声器设计中软件材料的初始磁导率与最大磁导率都是一个必须考虑 的因素。为了提高磁路的工作效率，必须使线圈中的铁磁物质的工作在最大值上。,图初始磁化曲线,图4与外加磁场强度H的关系曲线图,电路与磁路的区别,磁场对电流的作用力 我们再来做个实验，把一根自由悬挂的直导体放在磁铁两极间的磁场中，给导体通电流时，就 可以看到导体发生运动.当改变电流方向或改变磁场方向时，将会看到导体运动的方向也随着改变. 由些可见：.磁场对载流导体能产生作用力，这种作用力称为电磁力.电磁力的方向与电流的方向 和磁场的方向有关.电磁力，磁场，电流三者的方向关系可以用左手定则来确定： 伸开左手，使大姆指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁力线垂直进入手 心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在的平面跟磁力线和导线所在的平面垂直，姆指所指的方 向就是通电直导体在磁场中的受力方向. 实验证明:在均匀磁场中，载流导体在磁场中所受的力F与导体中的电流i，导体在磁场中的长度l ,磁感应强度B以及导体与磁场间的夹角的正弦值成正比.即F=BliSin 式中：当l单位为米，i单位为安培.B单位为韦平方米时，F的单位为牛顿. Bsin为B的电流 方向垂角分量.当导体与磁场方向垂直时， 则Bsin=B为最大，此时F=Bli为最大. 当导体与磁场方向平等时，则sin，无垂直分量，则导体不受电磁力的作用.通电导体在 磁场中受到电磁力，并且发生运动的现象，在电气工程中很有意义.电动机就是根据这一原理制成的， 所以左手定则也称为电动机定则. 铁磁物质的磁化 磁化 在一定数值的电流条件下，用一个载流空芯线圈不能吸住一块小铁片，用一根铁棒也不能将铁片 吸住，然而将铁棒插入刚才的载流线圈中，就能轻易将铁片吸住.可见将铁棒放入磁场中，磁场将显著 增强，铁棒呈现磁性. 使原来没有磁性的物质具有磁性的过程叫磁化.凡是铁磁物质都能被磁化 铁磁物质之所以能被磁化，是因为铁磁物质是由许多被称为磁畴的自发磁性小区所组成.每个磁畴 相当于一块小磁铁，在无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁性互相抵消，对外不呈现磁性.在有外 磁场作用时，这些磁畴将先后发生偏转，随着外磁场的增强，磁畴将逐渐转向与外磁场方向一致并有 规则地排列，铁磁物质呈现磁性，从而使磁场显著增强，形成一个附加磁场.,O,A,B,B(),H(IN),起始磁化曲线 为了具体地分析研究某种材料的导磁性能，可以用实验的方法测试其磁感应强度与磁场 强度之间的变化关系，把这种关系绘成曲线，叫磁化曲线,如图所示曲线是铁磁物质从完全无磁化状态进行磁化的过程中所测得的磁化曲线，称它为起始磁化曲线.从曲线可以看到，当磁场强度H较小时，如OA段，磁感应强度B随着H的增加而近似正比例地增加.这是因为在外磁场作用下磁畴大部分趋向H方向使B骤增.当H增大到一定值时，如A点以后，曲线上升比较缓慢，形成曲线的膝部.这是因为,此时大部分磁畴已经转向H的方向，随H增大只能是剩下的少数磁畴继续偏转,B增加缓慢，形成膝部.当曲线到达B点以后，磁畴绝大部分已排列整齐，再增大H值，几乎没有磁畴可以偏转了，曲线变得平坦，这种状态称为磁饱和. 磁滞回线,O,C,E,F,A,-Hmax,+Hmax,Bmax,Bmax,H,B,如图所示，当B随H沿起始磁化曲线达到饱和后的点A时， （HA=Hmax)将H减小，我们可以发现H减小时B不是沿起始曲线减小，而是沿曲线AB下降.当H减至零时，B值不等于零而保持一定的值0B,我们把OB表达的B值叫剩余磁感应强度，简称剩磁. 改变H的方向，当H反向增加到OC时，B才降到零，表示剩磁已完全消失.去掉磁所需加的反向磁场强度OC值叫做矫顽磁力.当反向磁场继续增大时，B从零值起改变方向，沿曲线CD变化，反向磁化达到饱和后的点D(HD=-Hmax).此时再使反向磁场减弱到零，B-H曲线将沿DE变化，在E点,B,D,H=0,再逐渐增大正向磁场，BH曲线将沿EFA变化，而完成一个循环.从整个过程来看B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象.经多次循环可以得到一条封闭的对称于原点的闭合曲线（ABCDEFA),我们叫它磁滞回线. 磁滞损耗 铁磁材料反复交变磁化，会损耗一定的能量.这是由于在交变磁化时，磁畴要不停地来回偏转，磁畴之间发生摩擦现象而发热，消耗能量.这种能量损耗称为磁滞损耗.磁滞回线的面积越大，磁滞损耗就越大.,矫顽磁力 带上磁性的磁体，加上反向磁场强度，使其自身剩磁为零，这时 的反向磁场强度就称为矫顽磁力，即图中B为零时的H值，用Hc表示 ，单位为A/m.当反向磁场强度消失时，磁体的磁感应强度仍可能因内 部磁畴的矢量和不为零而恢复部分剩磁，因此，只在Hc增加到一个较 大值时，才有可能使内部的磁畴在外加磁场强度撤消后，能彻底地消 磁，此时的Hc就称为磁体的内禀矫顽磁力，用Hcj表示，为区别于Hcj, 前面的Hc则表示为Hcb.,O,Hc,Br,B,A,H,磁能积 永磁体退磁曲线上任意一点的磁感应强度与磁场强度的乘积称为磁能积，单位为Kj/ .由于退磁曲线 是一条曲线，而且会随外加磁场强度的变化而变，因此，其乘积即对于同一块磁体也是一个变量. 永磁体充完磁后，有些工作点就设在退磁曲线上，经常是B-H曲线的第二象限，如上图中的Hr-Br部分 这段曲线用作图法可以求出一点，在这一点上BH相乘，其值最大，称BHmax就是最大磁能积，有时也简称 为磁能积. 对结构已定，磁隙已定的磁路，磁能积越大，磁隙的磁感应强度就越大，当磁体工作在BHmax点上， 则磁体所需的体积最小.在电动式与电磁式扬声器中，这是一个重要的参数，它表示磁体充磁后，能为磁 隙提供磁感应强度能力的大小.,磁阻 使用磁性材料时，人们也经常要了解磁导与磁导率，磁导是衡量特定磁介质导磁能力的物理量， 但有时为了分析磁路方便，人们一样也引入了磁导的倒数磁阻Rm这一概念 人们研究发现，如果设一均匀导磁体的长度为L，其截面积为A，则磁阻Rm与磁导率，导磁体的 长度L及截面积A有如下的关系：Rm=L/(A) 磁阻这一表达方式与电阻的表达方式R= L/A相似,电阻率 可视为一个常数，因外部环境变化而 引起的变化很少，但磁阻中的磁导率不是个常数，它会随着外加磁场强度H的变化而变化.所以导磁体 的磁阻在其几何形状确定后还不是一个恒定值，还会随工作条件的改变而改变，这一点在设计电磁式扬 声器时尤其要考虑.,以下两页为南大讲义,一、剩磁Br 磁性材料被磁化到饱和以后，当外磁场降为零时所剩的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁，用Br 表示。但是永磁体由于磁路中存在空隙，因此处于开路应用状态。在这种工作状态下，永磁体的工作点在退磁场作用下由Br 点移到D 点这时，永磁体具有的剩磁已不再等于Br，而是应该等于Bd。一般，Bd 称为表观剩磁。退磁曲线上，连结永磁体的工作点D 和坐标原点O 的连线OP 称为开路磁导线，OP 的斜率称为磁导系数，表示为： 式中， N 为退磁因子。由于N 与永磁体的形状有关，因此P 值也是一个由永磁体的形状所决定的一个量。例如，对于薄板磁体，沿厚度方向即使被磁化，由于N1，则P=0，Bd 也几乎等于零。尽管是磁体，却难以发挥永磁体的功能；但是，对于部分的微小面积磁化，只要保证磁化方向在相对较长的方向，由于N 较小，该微小部分依然可以发挥永磁体的功能。,二、矫顽力Hc 永磁材料的矫顽力Hc 有两种定义：一个是使磁感应强度B=0 所需的磁场值，常用BHc 表示：一个是使磁化强度等于M=0 所需的磁场值，常用MHc 表示。在比较不同永磁材料的磁性能或设计永磁磁路时不能混淆。根据退磁曲线特征和基本关系: 可知,爱磁滞回线的第二象限中,B-H 退磁曲线将位于0M-H 退磁曲线下方,即有: 两者之间的差别依赖于退磁曲线的特征.如果Br0HC,两者将极为接近;如果Br=0HC,则两者可以相差很大.另外,由式(6.9)可知,当B=0 时,BHC=-MMr,即BHCMr,或0BHCBr.这就是说,BHC 的最高值不可能超过材料的剩磁值。,三、最大磁能积(BH)max 下图表示退磁曲线及该曲线对应的Bd 和Hd 的乘积曲线.当Hd=0 时,BdHd=0,同样,在曲线与H 轴的交点,Bd=0,也有BdHd=0.在这两点之间BdHd 存在最大值，称其为最大磁能积(BH)max。如果永磁体的尺寸比取(BH)max 的形状，则能保证该涌磁体单位体积的磁场能为最大。这样，就可以根据(BH)max 确定各种永磁体的最佳形状。在最佳形状下，在根据能获得磁场的大小来比较不同永磁体的强度。(BH)max 越高的永磁体，产生同样的磁场所需的体积越小；在相同体积下，(BH)max 越高的永磁体获得的磁场越强。因此，(BH)max 是评价永磁体强度的最主要指标。,(a) 剩余磁化强度Mr=Ms,也就是说在永磁体内不能有空洞和其他非磁性相存在,而磁体的易磁化轴与所加外磁场方向完全一致; (b)内禀矫顽力MHCMS/2。由(6.11)式可知,一种永磁材料只有具备足够高的内禀矫顽里MHC 和尽可能高的饱和磁化强度MS,才能使(BH)max 最大程度地接近其理论值.,1四、稳定性 永磁体的稳定性是指它的有关磁性能在长时间使用过程中或受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变的能力.材料稳定性的好坏直接关系到永磁体工作的可靠性.设描述永磁体磁性能的某一参数为Z,则某稳定性可用他的变化率来表示: 式中,Z 是该参数的变化量.参数Z 可以代表永磁材料的剩磁Br,或者永磁体实际工作点所对应的表观剩磁Bd,还可以代表永磁材料的矫顽力Hc.,在矩形磁滞回线中，若矫顽力MHC 充分大，(BH)max 在数值上等于0MS 的1/2 与其对应的磁场强度的乘积，即 式(6.11)描述的是理想条件下的永磁体,必须满足下面两个条件:,铁磁材料的分类 根据铁磁材料的磁滞回线的形状及其在工程上的用途，大致可分为三类 .软磁材料 指磁滞回线很窄的铁磁材料，它的特点是磁导率很大，剩磁和矫顽力都很小，磁滞损耗小，容易磁 化，也容易去磁.常见的软磁材料如纯铁，铸铁，软磁铁氧体，坡莫合金等. .硬磁材料 指磁滞回线较宽的磁性材料.它的主要特点是：必须用较强的外磁场才能使它磁化，但一经磁化，取消 外磁场后磁性就不易消失，具有很强的剩磁，而且矫顽力很大. 常见的硬磁材料有：碳钢，钴钢，铝镍钴合金以及硬磁铁氧体等.主要用于制造各种形状的永久磁铁. .矩磁材料 指磁滞回线是矩形的铁磁材料.它的特点是只要在很小的外磁作用下就被磁化，且达到饱和，当撤消 外磁场后，磁性仍和饱和时一样. 常见的矩磁材料有：锰镁铁氧体. 锂锰铁氧体主要用于制造记忆原件,磁路 在电气设备中，为了获得较强的磁场，常常把铁磁物质按电气设备的要求制成一定的形状，形成磁 通的路径，使磁通的绝大部分通过这一路径闭合.这种磁通的路径称为磁路. 由于铁磁材料的磁导率远大于空气的磁导率 ，所以磁通主要沿铁芯闭合，只有很少部分磁通 经过空气或其它材料闭合.沿铁芯所限定的磁路（包括空气隙）中通过的所有磁力线决定的磁通叫做主磁 通，记作.穿出铁芯，经过空气（或其它介质）而闭合的所有磁通称为漏磁通，记作s，一般情况下 s,漏磁通很小，可以忽略不计. 在磁路中，内外圈的路径上B及H是有差异的. 电磁感应定律 电和磁在一定条件下可以相互转化，运动的电荷（电流）可以产生磁场，运动（变化）的磁场可以在 导体回路中产生电流，简称为动电生磁，动磁生电.磁转化为电的现象称为电磁感应现象.,直导体中的电磁感应 将一根直导体AB放在均匀磁场中，导体与一个检流计接成闭合回路，在导体静止不动时，检流计并 不偏转，说明闭合回路中没有电流.当导体在磁场中沿着与磁力线垂直方向移动时，我们可以看到检流计 指针发生偏转，这说明导体中产生了电动势，回路中产生了电流.如果导体保持不动，而磁场上下运动时 ，检流计也发生偏转，即这时回路中也产生电流，导体中存在电动势.但如果导体和磁场以相同速度一起 运动.或导体沿磁力线方向运动时，检流计指针并不偏转.说明回路中没有电流. 从实验可以得出一个结论：当导体和磁场之间有相对运动，且导体切割磁力线时，在导体中就会产 生电动势，如回路闭合就有电流产生.我们把导体中产生的电动势叫感应电动势.由感应电动势所引起的电 流叫感应电流或感生电流 进一步观察上述实验可以看到：如果导休由上向下移动时，检流计偏转方向为正，导体由下向上移动 时检流计偏转方向为负.说明回路中电流方向相反，也就是导体中产生的电动势相反.再改变磁场方向，重 作实验，结果正好与之相反. 由此可见，感应电动势的方向与磁场方向以及导体对磁场的相对运动的方向有关，并且具有一定的规 律.这个规律我们总结为右手定则：伸开右手，使大姆指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内， 让磁力线垂直进入手心，大姆指指向导体运动方向，这时四指所指的方向就是感应电动势的方向. 再仔细观察检流计指针偏转角的大小.我们发现：磁感应强度愈大，导体在一定速度下切割的磁力线越 多，导体中产生的感应电动势就越大.导体运动速度愈快，在一定磁场中，单位时间里切割的磁力线越多. 感应电动势越大.导体在磁场中的有效长度愈长，单位时间内切割的磁力线越多，感应电动势就越大. 实验证明，当导体在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，所产生的感应电动势的大小e与磁感应 强度B，导体的有效长度l以及相对运动速度v成正比.即eBlv 如果导体运动方向跟导体垂直，而跟磁力线方向成角，则eBlvsin 式中B的单位为特斯拉，l的单位为米，v的单位米秒时，e的单位为伏特.,线圈中的感应电动势 我们再来做个实验，将一个线圈经过检流计联成一个闭合回路.当把一个磁铁插入线圈或从线圈中拔出 时，我们看到检流计的指针发生了偏转.当磁铁停止在线圈中不动时，检流计的指针不发生偏转.这说明：只 要穿过线圈的磁通发生变化，线圈中就产生感应电动势，如回路闭合就产生感应电流. 进一步观察可以看到：.磁铁插入线圈与磁铁从线圈中拔出时，检流计的偏转方向相反. .调转磁铁 ，即改变N.S的方向，重做步实验，检流计的偏转方向正好与步实验结果相反. .改变线圈绕向重做 步实验，检流计的指针偏转方向也与步实验结果相反. 实验证明：当穿过线圈中的磁通发生变化时，感应电动势的方向总是企图使它的感应电流所产生的磁通 来阻止原来磁通的改变.这就是判定感应电动势方向的楞次定律. 运用楞次定律，用下面的方法较易掌握：当磁铁接近或离开线圈时.线圈中的感应电流产生的磁场要阻碍 磁铁运动.即当磁铁接近线圈