音频导波管---转帖

BG0APD

1984年，ACOUSTIC WAVE"音频导波管"技术诞生。这是一种全新的低音重放方式，BOSE设计出"音频导波管"技术可将扬声器从体积不大的管子中产生完整丰富的低音效果。"音频导波管"技术这个词听上去好象很专业，实际上，它就存在于我们日常生活当中，象单簧管和笛子就是工程师们所说的"音频导波管"中的一个很好例子，他们都有一个很明显的特点，就是在“推动端”用很小的能量，便能产生很大的声音，也就是说"音频导波管"产生声音的效率是很高的。声波现象的基础理论影响了声学波导的设计和分析，在这方面，波导系统的原理上不同于传统,波导设计使用的声学部件的尺寸与它们发生的波长相同，或者大于这个尺寸。在BOSE卓越的声学工程师们尝试实验波导喇叭的想法的时候，成功地找到解决问题的关键，他们找出一种在扬声器和波导本身之间的匹配关系。

BG0APD

BOSE把一组控制“音频导波管”中的声学波方程式和一组控制喇叭的机电方程式组合起来。 　　"音频导波管"的扬声器是被完全封闭的，所有到达听音者的声音是用两个空气柱发射到空间中，而不是用扬声器振膜的振动去辐射声音。在"音频导波管"中存在与波长尺寸相关的空气柱，两个不同长度的圆柱各有一组谐振，使它有可以比传统开孔系统在大得多的频率范围中限制扬声器振膜的运动幅度，结果就是减低了失真，而宽频带意味着只用一个扬声器就可以用来复盖一定的频率范围。"音频导波管"的两个特性包括：第一，两个波导声学负载着推动器，限制扬声器振膜的运动，从而减少了过量运动引起的失真。第二，推动器把能量辐射到管道而不是直接辐射到环境中。管道象一个有选择性的声学滤波器，在能量波释放到房间之前，推动器产生的任何失真被进一步地减少了。 

BG0APD

为发展这一技术，BOSE公司经历14年研究和耗资15000000美元。工程上最直接的事例就是BOSE ACOUSTIC WAVE CANNON SYSTEM，国内将之称为“低音炮”或称为“AWCS”。实际上是一个30cm的扬声器被固定在两个不同长度的管子中，它的带宽是25Hz-125Hz，它能在输入150W时产生124dB的声压级。1987年年度发明者奖中，"音频导波管"技术在科学界引起轰动，带给了AMAR博士和威廉博士“年度发明者奖”的荣誉 

BG0APD

音箱的倒相管怎么计算尺寸
​​

如果箱体已经定了，扬声器已经定了，倒相箱设计的重点在于改变泄放阻尼
的大小，来控制对应的谐振频率。定性来说就是，面积小，长度小，面积大，长度大.倒像管有木板做的方型和家庭常用的PVC管做的:
方型 S=L*W（长乘以宽） R=（S/3.14)1/2 S：导管的面积 R：半径 圆管 LV=（1.463*107R的平方）/（FB2VB）-1.463R
其中：LV为导管长度，单位为英寸 FB为调谐频率，单位为HZ
         VB是音响体积，单位为立方英寸
         R=导管开孔半径，单位为英寸
      实际上在音箱谐振频率FB的音响功率都是由开孔辐射出来的，为防止输入的功率压缩音箱内空气，需要最小的空气体积移动量。因此开孔直径至少必须大于如下公式：DV>42(FBVD)1/2其中，DV是最小的开孔尺寸，单位为英寸；FB为调谐频率，单位为HZ；VD是最大音盆位移量，单位为立方英尺。

BG0APD

倒相管的计算：
    取倒相管截面积S＝0.1~0.4倍低音喇叭有效振动面积即可，面积越大低频辐射效率越高，但管长度会越长；倒相管长度L＝c×c×S/（4×圆周率×圆周率×f×f×V）－0.82根号S（单位都是用厘米计算）其中c＝34400cm/s（声速），f是低音喇叭的谐振频率，V是关于箱体有效容积取外径40mm
倒相式音箱的简单调试：（我看书总结的，没有实践过）
    箱体体积越大，低频下潜就越深，Q值随之下降；但过了低频就有气无力，此时应该往音箱里扔沙包；
    箱体体积越小，低频力度越好，Q值随之上升，但相对的音箱的谐振频率就要上升，此时可以再加多点海绵以扩充内积；
    倒相管越长，音箱的瞬态特性就越好，同时低频下潜也越深（不过量感会变小）但是过长了声音要拖尾，导致瞬态特性又变差，如果倒相管过长与箱体内板面靠的太近，还会产生气流声，这个要不得；
    倒相管越短，瞬态特性就越差，谐振频率也要上升（但量感会增加）。
相关原理：亥姆霍兹（H·von·Haimuhuozi），是德国19世纪伟大的物理学家和生理学家，我们大学所学的力学三大基本守恒定律之首的“能量守恒定律”就是他最大的科学成就。而亥姆霍兹共振原理，则是亥姆霍兹在声学领域的著名成就之一。

BG0APD

首先，建立一个由理想刚体构成的密闭空腔，这个空腔就叫做“亥姆霍兹共振腔”，在空腔的表面开一个面积相对于空腔表面积很小的孔，在孔上插入一根空心刚体管道，组成的结构就称为“亥姆霍兹共鸣器”。
    对于一个亥姆霍兹共鸣器而言，当其内部空气受到外界波动的强制压缩时（无论强制力施加于空腔内的空气还是管道内的空气，施加的外力是来自声波还是腔体振动），管道内的空气会发生振动性的运动，而空腔内的空气对之产生恢复力（换句话说，共振腔内的空气是一个“空气弹簧”）。在声波波长远大于共鸣器几何尺度的情形下，可以认为共鸣器内空气振动的动能集中于管道内空气的运动，势能仅与腔体内空气的弹性形变有关。这样，这个共鸣器是由管道内空气有效质量和腔体内空气弹性组成的一维振动系统，因而对施加作用的波动有共振现象，其固有频率是：（见图）。公式中f0是亥姆霍兹共鸣器的最低共振频率，c是声速，S是管道的截面积,d是管道的直径，l是管道的长度,V是空腔的容积。在强度为一定的振动作用下,在这个频率时，管道内空气的振动速度达到最大。
    这，就是所谓的“亥姆霍兹共振原理”。

BG0APD

大家都是音响爱好者，倒相箱可以说是目前市场占有率最大的箱体了，这种箱子结构简单，声学指标不错，易于加工，所以很受厂家的欢迎。

但对于倒相箱的原理，很多初级爱好者可能还是一头雾水，包括我在内，如果不能很好的理解倒相管的原理，那么就很难设计好倒相箱，因为看似简单的这种箱子，其实是很难设计的。

废话不多说了，现在进入正题。因为只是帮助大家了解原理，所以本文只做原理的分析，不做量化的计算在开始之前，我现给大家讲一种现象。

BG0APD

就是如果你手拿一个注射器，医院打针的那种，那么你就会发现一种现象，针头开孔大的那种，你在打针的时候，手很容易就能够把液体推出去。如果开口和针管一样粗，那么是最容易的，开口越小，哪么推起来就越费力。这一点是直观可以体会的。

我要说的是，扬声器在倒相箱里的情况，和你打针是类似的，只不过打针是液体，压缩率小，而箱体中是空气，压缩率高。那么我们来分析扬声器在箱体中的情况。可以说当扬声器振膜向后移动的时候，（向后指的是向箱内）我们知道，箱内的空气被压缩，试想，这时速度是很快的，箱内空气的压缩，是扬声器背面的先被压缩，然后再向其他地方传导。这就会产生一个问题，扬声器带来的空气压缩，在箱体内导致了箱内空气压强的不均衡，而我们知道倒相箱的空气泄放，只有倒相孔这条通路，因为我们就可以得知，压强的传导是向倒相孔附近传递的，而且箱内在这一时刻，是扬声器附近压强高，倒相孔压强低，空气向倒相孔移动。

BG0APD

要命的问题来了，在扬声器向后位移到最大的时候，这个不听话的家伙，又向前移动了。而空气向倒相孔传导是有惯性的，实际上地球上任何运动的物体都有惯性，也就是说，空气在扬声器向前运动的时候，他还是继续在向导相孔移动，这就产生了一个问题，扬声器此刻背后的空气的压强又突然变小，产生了一个把空气拉回来的拉力。然后这个可怜的空气没办法，当惯性不足以抵抗拉力的时候，他又被从倒相孔往回拉。周而复始，一次次的折腾。

    这里面最重要的问题是，我们可以看到，扬声器的运动总是快于空气的运动，也就是说空气的运动总是滞后于扬声器的运动。说到这里我们先打住，你只要理解了空气运动滞后于扬声器的运动就可以了。

BG0APD

再来说一下声波，物理我们大家都学过。声波在在空气中的传播有一个重要的理论就是，如果两个声波，在空气中叠加，如果相位一致，那么会使得波峰和波峰叠加，那么振幅会使叠加后的振幅，如果相位相差180度，那么会导致波峰和波谷叠加，会抵消，甚至为0。了解了这个原理，我们来看扬声器。

为什么裸露在空气中自由震动的扬声器，不会感觉到低音，那就是因为，扬声器前面震动的声波的相位正好和背面震动声波的相位相反，那么，相互抵消了，所以感觉不到声音。

BG0APD

了解了这个，我们就知道了原来，箱体内扬声器震动的声波的相位是和振膜正面震动的声波的相位是反的，那么我们倒相管的任务就来了，它需要把这个相位扭转过来。刚才我们知道，由于箱体内空气压强的不均衡，导致了空气的移动，空气的移动有惯性，这个惯性导致了空气的移动总是滞后于扬声器的移动，现在我们把焦点转向倒相孔这个地方，当扬声器向后震动时，倒相孔的空气是排出的，按理说应该是这样，我们想象的也是这样，但关键事实不是这样。当扬声器振膜向后移动，附近空气先被压缩，然后向导向管传递，这个传递需要时间，你上街买包烟也需要时间呀，当压强传递到到相管时，已经滞后了扬声器的，这时可能扬声器振膜已经开始向前移动了，又在扬声器背面导致了一个负压，这个负压又要把空气向回吸，这时倒相管的压强大于扬声器背面，空气又往回走，又需要一定的时间才能回来，而那时扬声器可能已经又反向移动了，这样就导致了一个现象，就是总有一定频率的声波，他的延迟时间刚好是扬声器向外运动时，倒相孔哪个部位的压强最大，所以倒相孔也是向外辐射声波，扬声器向里移动时，倒相孔附近压强最小，倒相孔由外向箱内吸汽，这是一个有趣的现象，你会发现，这时候倒相孔的空气运动方向和扬声器是完全一致的，也就是倒相孔把箱内扬声器背面辐射的声波相位到了个相位，成为了第二个低音扬声器，声波相位相同，相互叠加，振幅增大。

BG0APD

但要注意的是，只有一定频率的声波是这样的，这个频率以上、以下的频率相位都会不是180度，因此叠加的效果不同。说到这里，我们总结一下。

1、由于扬声器震动导致的压强差，造成了声波向唯一的泄放孔——倒相管移动。

2、可怜的空气是有惯性的，它开跑了，想让他收住往回跑是需要时间的，因此，箱内空气的运动与扬声器的运动有明显的滞后。

3、总有一个频率的声波他的滞后时间刚好能够达到扬声器振膜反向振幅最大了，但是空气才刚刚在倒相孔附近达到压强最大或最小。   

4、于是倒相孔就将声波反向了。原理就是这样了，那么，倒相孔参数对功能有什么影响呢。

BG0APD

这个问题，实在是很复杂，涉及到多个学科。我也不是很明白，只是粗略的分析一下吧。我们知道，在制作倒相箱时，倒相孔面积和长度是重要的设计指标。倒相孔面积大，要求长度要越长。反之亦然。

为什么会是这样呢？我们分析，如果音箱是不密闭的，我们知道，箱内不均衡的压强，很快会泄放，也就是很快被传递到外面，反之，也会很快吸进音箱，这就是说，空气泄放快，惯性小，滞后时间短，时间短意味着频率高。

随着开孔变小，箱内的压强被“聚集”，形成了憋着的气流垫，能量要从小孔泄放，就会慢一些，而扬声器反向拉力要抵消这个气垫的能量，时间会长些，也就是滞后的时间就长，时间长，对应着频率就低，这就是如果开口越大（先不考虑倒相管长度），那么反相的频率点越高，反之亦然。

BG0APD

倒相孔的长度与截面积两个的乘积，决定了倒相系统有一定的体积，一定的体积内的空气就有一定的质量。而箱内的空气需要泄放，必须要推动这部分质量的空气，这就让我们能够理解另外一个概念。

我们可以理解，当倒相孔大的时候（为了避免倒相孔面积太小而造成气流声），泄放的速度太快，为了减慢泄放，我们是不是要增大倒相系统的空气质量，从而增大箱内空气的推动阻力，才能减慢泄放，延长箱内空气的滞后时间，降低谐振频率，因此，我们必须将倒相孔长度做长一些，就能够达到与小面积倒相孔相同的谐振频率。这就是倒相孔面积越小，长度越短，面积越大，长度越长的道理。

我们可以这样理解，扬声器是个动力源，产生的压缩空气要泄放，泄放的速度快慢，决定了系统的滞后时间和谐振频率。

倒相孔是个负载，为压缩空气体提供一定的阻尼或者说是负载，这个阻尼的大小，决定于开孔的面积和孔深（长度），孔越小，阻尼大，泄放慢，箱内空气滞后时间长，谐振频率越低，反之亦然。

另外，倒相孔的构造决定了它是一个共振腔，共振腔内有一定质量的空气，共振腔的频率是可以通过声学的知识，定量计算出来的。

BG0APD

现在我们总结：

1、 扬声器和箱体和倒相孔构成了一个系统，这个系统扬声器是动力源。

2、箱体中产生不均衡压强，这个压强要传导和泄放要通过倒相孔

3、倒相孔系统其实是扬声器动力源的负载系统，它能够提供箱体不均衡压强的泄放阻尼，调整这个阻尼的大小，可以改变压缩空气垫的泄放速度，通过改变泄放速度，可以调整箱内空气的180度相位滞后时间，对应的是谐振频率点。

4、 因此，既然箱体已经定了，扬声器已经定了，倒相箱设计的重点在于改变泄放阻尼的大小，来控制对应的谐振频率。定性来说就是，面积小，长度小，面积大，长度大。

BG0APD

为什么倒相系统的谐振频率要与扬声器谐振频率相同。这个很好理解，是由扬声器的特性决定的。扬声器在谐振频率附近的振幅最大，而倒相系统刚刚说过，在谐振频率的地方，如果扬声器是向外运动，那么倒相孔的气流也是向外运动，那么我们来看，扬声器向外运动，它的背后是负压，把气流向扬声器拉，倒相孔气流也向外运动，它的背后也是负压，把气流向倒相孔拉，这两个气流产生的力，使相互制约和抵抗的。所以说，在谐振频率处，倒相孔的压强与扬声器的压强性质相同，但方向相反，可以有效的制约扬声器振幅的过分加大，从而改善谐振频率处的扬声器特性，使频率特性平坦，而且，倒相孔在谐振频率处与扬声器同相叠加增大，从而可以提高谐振频率处的声压，拓展低频特性。

BG0APD

我们还可以知道，在谐振频率以下或者以上，扬声器振幅快速下降，但是倒相孔系统虽然这些频率的相位不是同相，但也至少是叠加增大的，因此谐振频率附近的频率点，也可以增强声压，尤其是谐振频率以下，可以说是拓展了低频特性。

BG0APD

再说说箱体，箱体的容积大家都知道是音箱的一个重要指标。我们来分析，箱体是产生不均衡压强的场所，扬声器产生压缩动力后，这个压强的大小，与箱体有直接的关系，从道理上讲（实际不是这样，还要看扬声器参数等等），箱体越小，产生的压强越大，气垫的能量越大，那么配合一定的倒相孔阻尼后，可以产生更低的谐振频率。而相同的条件，如果箱体越大，那么压强越小，气垫能量小，在相同的导向系统下，谐振频率越高。

BG0APD

    这就是一个小扬声器，如果配备了很大的箱子，那么低音不会好的原因。具体的设计不能仅仅凭这一点，要综合很多因素，特别是扬声器的参数等等。总之，倒相箱决不是有些人认为的通过音箱后板的反射来改变相位的，它是一个复杂的不均衡压强气垫传导延时系统，有独特的声学特性，这也是倒相箱倒相孔开孔并不一定在前面板的道理，这里的分析还很肤浅，请各位大虾批评指正！

hljwsq

加强学习很重要