音箱驻波改善方法探究

蔡 苗，谢守华

（1.国光电器股份有限公司，广东 广州 510800;2.广东省电声电子技术研发与应用企业重点实验室，广东 广州 510800）

0 引 言

入射波与反射波相互干扰而形成的波形不再推进的波，被称为驻波。驻波的产生使音箱的响应变差，一般表现为频响曲线上的峰谷。音箱腔体内的驻波影响声学曲线的平坦度。零部件公差会导致该峰谷的左右漂移，峰谷对应区域失真异常会在一定程度上影响听感以及智能语音产品的回音消除效果等。在实际的工作中，大部分声学工程师经常面临音箱驻波改善的问题。基于此现状，本文针对封闭箱及倒相箱的驻波产生原因及解决方案做了全面的分析，以期为声学从业者的工作提供一定参考。

1 封闭箱驻波改善方法

1.1 问题分析

在封闭式扬声器箱体中，扬声器振膜前后辐射声波。箱体内部声波经壁面反射后，振幅相同，振动方向一致。传播方向相反的入射波与反射波叠加之后会形成驻波。该声波穿过振膜与前面的辐射叠加，表现为扬声器箱响应的不平坦。

图1 所示为一款常见封闭式扬声器箱体，背腔容积约250 ml。产品在实际测试过程当中，在 1.25 kHz 处出现一明显峰谷，人耳对该频率声音较为敏感，所以此处性能需要优化。同步测试单元性能，如图2 所示为单元及箱体频响测试结果对比。从测试结果图2 来看，可以排除单元原始性能缺陷，初步判断为箱体内部驻波造成。

图1 封闭箱结构图

图2 单元及封闭箱频响测试结果

针对此问题，为缩短验证及优化时间，本文采用有限元仿真方法进行探讨。如图3 所示为箱体仿真及测试频响曲线对比，曲线趋势基本吻合，在1.25 kHz 处亦存在一明显谷值。通过图4 的声压云图可以看到，箱体背腔存在明显的声压反向，此现象为驻波的明显标志，说明频响曲线的峰谷由此带来。

图3 封闭箱频响仿真及测试对比

图4 1.25 kHz 声压云图

对于箱体驻波改善，常见的改善措施为增加吸音棉、利用电子陷波器等，实际使用中各有优劣。本文结合前人经验及理论分析，从箱体结构、吸音棉、赫姆霍兹共鸣器以及反射体4 个方向出发，用仿真手段验证其对音箱驻波的改善效果。

1.2 箱体形状影响

驻波产生的本质因素是箱体结构尺寸。从本例结构上分析，出现峰谷频率f=1.25 kHz，该频率波长λ=272 mm，箱体为圆柱形，底面圆弧直径与圆柱体直径均为68 mm，等于四分之一波长。首先验证调整背腔结构对驻波带来的影响。原始结构如图5 所示，绘制图6—图8 三种结构，分别将底部设计为楔形、凹面、平板三种形状。

图5 原始（original）结构

图6 楔形（Wedge）结构

图7 凹面（Concavity）结构

图8 平板（Flat）结构

仿真结果如图9 所示。

图9 不同结构的仿真结果对比

仿真结果显示，不同的底面形状对此处峰谷有很好的抑制效果，但新设计结构在4 kHz 附近出现新的谷值。该方法一定程度上改善了1.25 kHz峰谷，效果明显。但设计改变了产品外观，实际项目中可能无法接受。另外带来了新的高频峰谷问题，也需要关注。

1.3 吸音棉改善法

背腔增加吸音棉是最常见的驻波抑制方法，实际产品性能优化中经常可见。吸声材料一般为多孔介质，声波通过小孔孔隙时，由于摩擦阻碍，声能转化为热能，声音被吸收。封闭箱内填充的吸声材料可以改变声顺、声阻及效率等。正确的吸声材料及填充量、填充位置，可提升效率高达15%。但吸声材料填充得太多、太紧，会减小箱体的有效容积，Q 值降得过多，亦会导致低音箱模糊而不够刚 劲有力[1]。

在箱体底部增加不同体积大小的吸音棉，如图10 所示，验证不同位置吸音棉的改善效果。吸音棉仿真基于多孔介质JCA 声学模型[2-4]，仿真结果对比如图11 所示。

图10 吸音棉位置

图11 吸音棉改善法结果对比

结果显示，增加吸音棉对1.25 kHz 峰谷有很好的改善效果，添加不同体积大小的吸声棉，效果差别不大。但吸音材料在将无效频带的声音吸收的同时也对整个有效频带的声音产生了衰减，从而造成声压下降，影响音箱灵敏度。另外在产品制造过程中，增加吸声棉会增加物料及人工成本，实际使用时，可提前通过仿真手段探寻最佳吸声材料的用量及位置。

需要指出的是，本例中吸音棉的位置对性能影响不大，但对于其他不同结构的产品，吸音棉的位置不同可能会产生不同的影响。另外，吸音棉材料不同，对性能亦会有不同的影响。

1.4 赫姆霍兹共鸣器吸声改善法

赫姆霍兹共鸣器（Helmholtz Resonator，HR）是常见的共振吸声结构，一般由一个短管+腔体组成，常见结构如图12 所示。

图12 赫姆霍兹共鸣器结构图

共鸣器前段短管内的空气犹如活塞一样做整体振动，空气柱Ma做整体振动时，受到管壁摩擦，力阻为Ra。短管内空气柱质量为：

式中：ρ0代表空气密度，ρ0=1.293 kg·m-3，L0代表短管长度，S0代表短管截面积。另外考虑到短管的辐射声波，需要对短管长度进行修正[2-3]， 如下：

当短管未插入到共鸣器里面时，ΔL=0.73d0；当短管插入到共鸣器里面时，ΔL=0.61d0；没有短管只有开孔时，，其中d0是短管的直径。

细管内的声质量元件还具有声阻特性[5-6]，其声阻由两方面原因引起。一是媒质运动时，管内发生内摩擦；二是由于媒质运动向管外辐射声波。细管中的声阻可由如下公式计算得出：

式中：η是媒质的粘滞系数，常温空气中，η=1.83×10-5kg/(m·s-1)。从式（3）可以看出，细管的声阻与管长、管径、声波频率有关，管越长，直径越小，频率越大，声阻越大。

另外，腔体里的空气犹如“空气弹簧”，受短管内空气运动影响。其弹性系数为：

弹性系数与短管的截面积成正比，与共鸣器的体积成反比。截面积越大，体积越小，其值越大。共鸣腔内空气声容可用式（5）表示：

赫姆霍兹共鸣器的等效电路如图13 所示。

图13 等效电路图

通过上述公式及等效电路图，可以获取赫姆霍兹共鸣器的声阻曲线，针对1.25 kHz 驻波问题，设计不同结构的赫姆霍兹共鸣器（HR），验证HR对驻波的改善效果。设计的HR 结构尺寸如表1所示。

表1 不同HR 设计尺寸表

以上两款不同尺寸HR 的特征频率均为 1.25 kHz，其声阻尼曲线不同，具体如图14 所示。

图14 不同结构HR 的声阻尼曲线

可以看到，腔体尺寸越大，最大声阻抗值越大，对声波的吸收越明显。如下将以上两款HR 放置在封闭箱内不同位置，并行探索相同HR 在不同位置的影响及在HR 出口处增加mesh 调节阻尼的影响。设计的3 款HR 如图15 所示。

图15 设计的3 款HR 结构图

HR1 与HR3 结构相同，位置不同；HR2 与HR3 位置相同，结构不同；HR1 与HR1+mesh 结构相同，位置一致，但HR1+mesh 结构在圆孔处增贴mesh 调节阻尼。以上不同情况的仿真结果对比如图16、图17 所示。

图16 不同HR 影响对比

图17 HR 增加mesh 前后影响对比

可以看到，对比HR1 和HR3，不同位置的HR对声波的吸收有影响；对比HR2 和HR3，相同位置、不同HR，对声波的吸收量不同，HR 尺寸越大，声阻尼曲线越尖锐，对声波吸收越明显。HR 出口增加mesh 可降低吸收峰值。

利用HR 物理结构调整声学模组的声学频率响应特性，不仅仅在于内部的驻波处理，也可以破坏中高频辐射结构的空气谐振模态。其对驻波的改善有比较明显的效果。实际产品可将其与背腔设计为一体，降低物料成本。但是针对不同的模组结构，需要设计不同尺寸的HR；HR 放置的位置也要经过提前验证，寻找最优。

1.5 反射体影响

在室内声学设计中，凹曲面的顶棚会产生声聚焦现象，使反射声分布不均。常见的避免声聚焦的方法是在凹面做全频域吸声或悬挂扩散反射体，使声聚焦不能形成[7]。本文借鉴此方法，验证其在封闭箱体内的改善效果。分别绘制两种结构，第一种结构中反射体均匀分布于Box 底部，如图18 所示；第二种结构中随机设置反射板，结构如图19 所示。

图18 反射体均匀分布于Box 底部

图19 反射板随机设置

仿真结果如图20 所示。

图20 不同反射体仿真结果

从以上仿真结果可以看到，反射体对1.25 kHz处峰谷并无改善，小空间Box 驻波改善应慎用该种方法。但需要说明的是，文章只做了初步的随机验证，针对不同结构，不同的反射体设计对驻波的改善是否有正向效果需具体问题具体分析。

2 倒相箱驻波改善方法

2.1 问题分析

倒相式扬声器系统设计是为了将振膜背面辐射的声波相位倒转，提高该结构特征频带内声能量的利用率。该设计在实际产品中很常见。倒相式箱体中，驻波造成性能曲线峰谷的问题亦普遍存在。

倒相式系统的波源在一个开口端发生振动产生入射波，入射波传播到另一个开口端时发生反射，入射波和反射波叠加形成驻波。文章以如下产品为例，探索倒相式扬声器箱体驻波改善方法，箱体结构如图21 所示。该产品在700～800 Hz 处存在明显峰谷，箱体测试及仿真曲线对比如图22所示。可以看到，仿真和测试均在700～800 Hz 处出现明显峰谷。

图21 倒相箱结构图

图22 倒相式箱体仿真及测试曲线

仿真声压云图如图23、图24 所示，图中显示倒相管内声压与箱体内声压反向。

图23 710 Hz 声压云图

图24 800 Hz 声压云图

基于此，文章验证封闭倒相管出口、取消倒相式设计，该处峰谷是否消失。为简化计算，仅仿真200 Hz～5 kHz 频带。仿真结果如图25 所示。

图25 有无倒相管仿真对比

上述结果显示，对比倒相式结构，封闭式箱体峰谷略小，但依然存在。仿真声压云图结果如图26、图27 所示，腔内存在明显声压正反向，说明此处峰谷由驻波带来。

图26 710 Hz 声压云图

图27 800 Hz 声压云图

2.2 改善方法

针对倒相式系统，本文仅从吸音棉及赫姆霍兹共鸣器两个方向探究其驻波改善效果。该产品实际改善使用吸音棉，可以达到很好的效果，测试对比曲线如图28 所示。

图28 有无吸音棉测试曲线对比

倒相箱部分，文章对吸音棉改善方法不再赘述。主要介绍赫姆霍兹共鸣器改善法，根据箱体所能放置的体积，分别设计两款HR，尺寸如表2 所示。

表2 HR 设计尺寸表

HR 位置结构如图29 所示，仿真结果如图30所示。

图29 HR 位置图

图30 有无HR 仿真结果对比

由于腔体内部空间结构限制，本文未做过多尝试，仅设计两款用以对比。仿真时，将HR 放置于喇叭单元背部。仿真结果显示，HR 对该处峰谷起到了明显的抑制作用，声压云图如图31 显示， 710 Hz 频率波被HR 有效吸收。另外，与封闭箱效果类似，HR 的尺寸越大，吸收效果越好。但对于赫姆霍兹共鸣器来说并不是越大越好，首先要评估背腔结构是否有足够余量，另外，过大的HR，吸收太过明显，可能导致出现额外峰谷。所以使用该方法时，需要根据实际产品进行优化设计。

图31 增加HR 后仿真声压云图

最后，为验证HR 的实际效果，笔者对HR2 做了实际打样测试分析。如图32、图33 所示为HR2实际打样的测试效果。从测试数据对比来看，本次打样的HR2 对声压级的峰谷有一定抑制，但没有吸音棉的效果显著。从失真曲线上来看，对失真约有2%的降低，比较明显，说明HR 的基本吸收工作频率准确。不过限于本次样品结构限制，笔者未做进一步的HR 优化，但可以给出的方向是，设计更大声阻抗值的HR，对此处驻波抑制会更加有利。

图32 不同改善方法的频响测试结果对比

图33 不同改善方法的失真测试结果对比

3 结 语

本文系统探讨了封闭箱、倒相箱的驻波抑制方法。对于封闭箱，探讨了结构、吸音棉、赫姆霍兹共鸣器以及反射体四种方法。结构调整可以达到很好的驻波抑制效果，但在实际产品设计过程中，外观更改可能不会被接受；吸音棉是比较常见的抑制驻波的方法，但吸音材料吸水性、耐候的时效性会影响产品的品质，而且该方法需额外增加人力物料成本；赫姆霍兹共鸣器可以达到很好的效果，后续项目可以尝试；对于反射体，虽本文尝试的两种反射体结构对驻波抑制效果不佳，但反射体的尺度、结构对该频率的峰谷有明显影响，其他产品改善中也可再作尝试。对于倒相箱，吸音棉依然可以起到较佳的效果，赫姆霍兹共鸣器亦能够在一定程度上起到改善作用。

对于不同方法的优缺点，例如吸收效果、耐候性、频率选择性，成本等方面是否可以提前量化，赫姆霍兹共鸣器吸收效果与驻波强度是否存在量化关系等问题，笔者后续会持续关注。

总的来说，在实际扬声器箱体驻波改善中，声学工程师需要根据实际情况选取最优的办法，综合考虑实现的可行性、人工物料成本及效果是否最优等。另外，通过仿真手段提前探索，可大大减少这一优化过程的时间成本。