智能音箱的精髓（高级音箱内涵五）

扬声器的电功能必须通过电导体才能实现。电导体也就是通常所说的线材。

扬声器电功能既有普通电功能的一般性，又有自身应用的特殊性。它的特殊性在于：首先是多频率载流，承载20Hz~20KHz电流，与普通工民电仅仅限于50Hz或60Hz等单一载流频率有着巨大差异；其次是载流电压较普通110V、220V、380V低很多，而且并非相应的稳压或定压；第三是通常扬声器系统在配置功率分频条件下，因不同分频器件造成不同的有功功率；第四，电功能应用于音圈电磁做功，与扬声器振膜及其音圈的性能相互独立又相互影响；第五，又与电导体材质、粗细、形状、分频以及分频器件的电性等细节相关。

迄今，研究普通电导的文献很多，而研究电声电导的文献很少。如何从电声电性角度研究电导问题，对高级音箱的定义意义极大。

因为，如果上述问题不解决好，是做不出高级音箱的。

1. 电功能一般性

电功能，即电功与电能的总和。电作用时才具备电功能，电不作用时则不具备电功能。电功能是在电功发挥电能作用前提下的电物质现象。电功能的计量，要看其功率。电功能可分为有功功率、无功功率和视在功率（也称表现功率）三个角度来认识。

1.1. 有功、无功与视在功率

有功功率（P，单位W）：即电能作用对象的功率。如电能转换为机械能（声能）或化学能（热能）部分的功率。

无功功率（Q，单位乏Var）：即电能作用对象过程中因做功需要耗散的功率。如电生磁：有电必有磁，磁产生所消耗的功率。在非做功时，因电生磁要消耗功率，同时因电子旋转运动离开原子的电离能都可视为无功功率；又如支持需要耗费的其他能量，即支持电能转换为做功过程中耗散功率为无功功率。无功功率不是“无用功率”，是换能过程中必须提供或消耗的功率，只是这部分功率未加载到转换功率上，而是消耗在转换功率的路程上。它包括电生磁消耗的功率、电离能消耗的功率、储存在电抗器或者电容器中的功率以及耗散在电介质中的功率等等。

做功做功，要做才有功。“做”需要能量，因“做”所耗的功率为无功功率，“做”成的功率为有功功率。

视在功率（S，单位V/A）：无功功率 有功功率。

从电功率的成分看，由电压、电流、电阻组成电功率：

1、电压=电流×电阻，电压=功率/电流；

2、电流=电压/电阻，电流=功率/电压；

3、电阻=电压/电流，电阻=电压的平方/功率；

4、功率=电压的平方/电阻或功率=电流的平方×电阻、或者功率=电压×电流。

1.2. 功率与频率

普通电功率与载流频率的关系：通常频率越大无功功率越大；频率越小则无功功率越小。就犹如手举哑铃：动作频率越快（高），体能消耗越大；动作频率越慢（低），体能消耗越小。

但是，在电感性负荷消耗的无功功率和频率成反比：无功功率越大即频率越小，无功功率越小即频率越大。其中，电容性负荷消耗的无功功率和频率成正比：无功功率越大，频率越大，无功功率越小即频率越小。

1.3. 材质与电功能1.3.1. 电导材质与电阻

不同电导材质作为介质时，存在电阻不同的现象。常见扬声器电导体的电阻率如下：

电导体材质20℃时的电阻率（电导率）： 银1.586（63%）、 铜 1.678（59%）、 金2.40（41%） 、 铝 2.6548（37%）。

以线径φ0.5mm为例，载流量为：

铝4.5A；铜7.0A；银7.45A；金5.74A。

承载功率计算：功放输出分两类：一类定阻一类定压。民用（非工程用）功放普通定阻电压12~24V，高保真定阻功放额定电压（标称电压）偏高为48V以上，更高的达到500V以上。保守计算，可按照48V电压计算。即：铝功率216W；铜336W；银357W；金275W。

设计时，要考虑1.5倍的余量。因为音乐电流动态较普通电流要大。减去1.5倍余量，安全功率为：铝144W；铜224W；银238W；金183W。

根据电导率判断，扬声器电生磁有功功率依次为银＞铜＞金＞铝。也可以理解为银的扬声器电生磁无功功率37%、铜的扬声器电生磁无功功率41%、金的扬声器生电磁无功功率59%、铝的扬声器电生磁无功功率74%等，这些功率都消耗在电导材料介质上了。

这只是对一般金属电导体材质的判断。

1.3.2. 电导材质与理化机制

材质不同则理化机制不同，理化机制不同则电导性能不同。见下表：

表 1常用音频电导材质理化结构表

表1内容的理解：

1、原子序数越多，自旋电子越多：电子围绕原子作自旋转运动，电子犹如电流的“搬运工”，自旋电子越多意味着“搬运工”越多，人多力量大，同样的电流，电子搬运就越轻松，电子运动方式就越稳定。以此排序：金、银、铜、铝；

2、电子层排布越多，电子自旋转轨道越多：电子运动是分层的。其排布的轨道越多，电子“交通”就越发达，电流“搬运”的效率就越高。依次排序：金、银、铜、铝；

3、原子半径越大，电离能越小：电离能就是电子离开原子远动耗费的能量，也是电导体无功功率耗费的能量。依次排序：银、铜、铝、金；

4、电子构型越大，电离能越小：以此排序为金、银、铜、铝；

5、电导率越小，电阻率越高：电导率与电阻率为倒数。电导率越小，即通过电流越小，电流通过阻碍越大，已电导率排序：银、铜、金、铝；

6、热导率越高，即散热越快，电子分布越稳定：以此排序为银、铜、金、铝；

7、电离能越大，原子越难失去电子。影响电离能大小的因素是:有效核电荷、原子半径、和原子的电子构型：以此排序为银、铜、铝、金。

从表1内容比较看，综合各项选择，电导材质最好的还是银。其在电导率为先前提下，其他综合项也是优秀的。

其中，电离能是基态的气态原子失去电子变为气态阳离子(即电离)，必须克服核电荷对电子的引力而所需要的能量。这一能量，可以作为无功功率主要原因理解。也就说，可以作为电离能越大，无功功率越大的粗浅理解。

1.3.3. 材质对有功的影响

90年代开始了一种单晶导体制造，被称为单晶银或单晶铜。之前的制造工艺只能完成多晶体，单晶体的制造赋予了导体性能的提高。单晶体的导电，由于减少了晶界，也就减少了导电过程中的晶界穿越与反射，获得了更高的电导率，降低了电阻率，使电导率提高了10%。

目前，电导线材的制造只限于单晶银和单晶铜两种。也就说单晶银的电导率可以达到69.3%，单晶铜的电导率可以达到64.9%。

晶体制造工艺可以提高或减少电导率，材质的纯度也可以提高或减少电导率。通常，高纯度材质以4N为起点，也就是银或铜含量99.99%为4N，99.9998为5N，余类推......8N以上就很少了。导体材料纯度含量与电导率成正比。

不要小看电导率的作用。

比如银铜之间看起来仅有4%的电导率差异，似乎差异并不大。但在实际应用中，银线圈获得的声转换效率却＞铜66%，即2dB。

如高音单元实验中，将银线圈铜包铝线圈比较。结果，银线圈的平均频率特性要＞铜包铝2个dB。见下图1、图2：

图 1银线圈频响曲线图

图 2铜包铝线圈频响图

图1、图2说明：电导率与扬声器生磁有功功率成正比：电导率越高磁力越大。电导率＞4%时，扬声器在生磁有功功率可能提高60%以上。

在实验中，什么条件都一样，只是银线圈和铜包铝线圈的不同。如果仅仅从振动系统质量看，银比铜包铝大了2.8倍，但是声转换效率却提高66%，这是磁力差异造成的结果，也就是电生磁有功功率的作用。

2. 形状与电功能

不仅导体材质对有功功率有影响，导体形状（长、短、大、小、方、圆）对其也有影响。通常用的电导体形状（截面积）主要有圆、扁、管、矩形。

2.1. 形状大小与功率

如从截面积形状大小看：线径的粗细不同，视在功率不同。线径越细电阻值越高，电流通过量越小，发热更多，功率越小，反之越大。铜线功率=电流I×电压V。其中电流取值为10A。

常见扬声器音圈线径承载功率如下表2：

表 2漆包铜线截面规格与功率表

2表中表示线径越细功率越小，反之越大。

线径承载功率≠扬声器功率。

扬声器承载功率受限条件较多，一般以客观测试为准。但在理论上可以进行探讨和分析：

扬声器功率理论额定正弦功率以及纯音检听功率，基本上由低频最大振幅ξo决定。一般低频最大振幅是在共振频率Fo处。扬声器的低频最大振幅主要取决于磁路结构和音圈卷宽，当然与振动系统也有很大的关系。扬声器正常工作时，音圈不能跳出磁间隙，即有ξo≤ Xmax，否则会产生很大的非线性失真( 表现为振幅异常音：如打底) 、甚至会导致音圈损坏 ( 卡死或烧毁 ) 。

Fo 处最大振幅ξo 可由公式计算：o = 1.414×BL×I×Cms×Qts。

式中 I 为馈给扬声器的电流，I=SQR(Pe/Re)。

用于音乐重放的扬声器处在电流电压实时波动条件下，波动幅度可达到10~30倍。如果功放输出电压越高，扬声器承载功率越大，反之越小。

通常视在功率越高，有功功率越大。但线径越细阻值越大，消耗在电阻上的无功功率就越大。

当然，形状影响中，最突出的便是趋肤效应。

2.2. 趋肤效应

在长直导体（如线材），恒定电流均匀分布。但对于交流电，导体出现自感电动势抵抗电流的通过。该电动势大小与导体切割的磁通量成正比。越是靠近导体截面中心自感电动势越大，越是靠近导体截面外表自感电动势越小，这导致趋于导体截面外表电流密度越大。而自感电动势与频率成正比：频率越高自感电动势越大，电流也就在导体表面很薄一层流过，也就等于有效载流面积越小。这就是趋肤效应。

电导体形状也包括了截面积方形和矩形。圆形、方形、矩形的电阻率都不同。尤其是高频电流传输，圆形、方形、矩形的趋肤效应深度不同，其高频电阻率有所不同，从而电生磁的扬声器有功功率也就不同。其之所以不同，还在于交变电传输中产生的趋肤效应作用。

趋肤效应见下图3：

图 3趋肤效应示意图

当导体通过高频电流时，交变电流在导体内外产生交变磁场（图3中1-2-3与4-5-6）垂直于电流方向。根据电磁感应定律，磁场在导体内延长度方向的两个平面L与N产生感应电动势。此感应电动势在导体内延长度方向产生的涡流（a-b-c-a与d-e-f-d）阻止磁通的变化。涡流的a-b与e-f边与主电流O-A方向一致，而b-c边和d-e边与O-A方向相反。这样，主电流与涡流之和在导体表面加强，越向导线中心越弱，电流趋向于导体表面，形成趋肤效应。

也就说，趋肤效应表现出交变电流通过的载流面积减小。趋肤效应下的等效电阻，使得频率电流负载产生变化：交流电阻越大，载流面积越小，较高频率容易通过，反之较低频率容易通过。

2.3. 趋肤深度

不同的导体材质趋肤深度不同。工程上定义从导体表面到电流密度下降到导体表面电流密度的0.368(即1/e)的厚度为趋肤深度或穿透深度。趋肤效应穿透材质的深度（厚度）越高，实效载流面积越小。而趋肤深度取决于导体材质的绝对磁导率、电阻率以及交变电频率。材质趋肤深度计算公式为：

式中：

δ=趋肤深度，p=电阻率，f=频率，μ=绝对导磁率；

绝对导磁率=μo×μr，其中μo= 4π x 10-7 H/m）。

从计算结果看下表4：

表 3导材趋肤深度

趋肤深度一种简易近似算法：

式中：D=趋肤深度，66.1=铜线系数，f=频率。

表3中告诉我们两个导材信息：一是电阻率与趋肤深度成正比；二是频率与趋肤深度成反比。后者意味着载流频率由低到高从里到外分布。

趋肤深度×周长=频率载流面积。

在实际应用中，银线高频传输最好，听感上高频更饱满密实。

为什么频率载流面积越小、电阻率越小，反而高频传输效果越好。这只能一个解释：电阻率越小，电流所需“通道”（载流面积）就越小；电阻率越高，电流所需“通道”就越大。如果这个角度能解释通，那么，在相同截面积下，“通道”越小，导材载流资源耗费就越少，频率“通道”分布就可以越多，有功功率就越大。也就说，银导体频率所需“通道”最小，可节省导材载流频率资源越多，其相同面积可分布的“通道”就越多，频率载流能力就越强，频域延伸就越宽。

2.4. 截面形状

银是一种稀有金属，成本较高。所以绝大多数音频导线采用铜材。而为了解决趋肤效应带来的材质电导缺陷，通常以导材截面形状设计加以解决。见下图4：

图 4线材截面形状

多股圆线替代单股圆线：即将同一截面积导体分成多股，也就是用多个截面积去等同某功率需要的单个截面积。这时，多股截面积表面增大，等于增大了高频载流面积。但这种方案在增大高频率通过面积同时，也会产生另一不良效果：即涡流增大。更多因感应电动势产生的磁波互扰加大，每一股低频传输能量减少，最终形成低频传输缺陷；

空心线：即将同一截面积实心线，换做空心线。即管状。使实心线的一个表面积变成里外两个截面积，以增大高频载流面积，只适合高频传输。这与多股线一样：以牺牲低频传输为代价强调高频传输；

这两种方案都适合高频传输，而不适合音乐信号即低频与高频兼具的传输。

扁线：即将圆形截面换做近似矩形的截面。

在相同截面积条件下，扁线的高频载流面积比圆线的高频频率载流面积大了许多。见下表4：

表 4圆铜线与扁铜线电导与损耗比较表

从表4中灰色数据比较栏中看出：相同截面积（17mm²）条件下，扁线较圆线：20KHz时实效载流面积＞2倍，直流电阻＜50%，趋肤效应电阻＜50%~76%，载流密度在20KHz时＜52%，铜损＜3倍，散热面积＞6.7倍。扁线形状较圆形具有绝对优势。

无论是音频信号线、需要磁力利用的音圈导线、或是音频功率线，到目前为止扁线都是导线形状最佳选择之一。

但是，扁线形状有个原则：因为设定趋肤深度条件为＜圆线半径或扁线窄边高度的0.5时，计算趋肤效应电阻是没有意义的。换言之，趋肤深度必须＞圆线半径或扁线窄边的½。

用于音乐频率的导体高频传输到20KHz为限，高于20KHz没有任何实际意义。不同材质20KHz趋肤深度参考见下表6：

表 5材质20KHz趋肤深度

在扁线设计时，一是要考虑承载功率，二是要考虑窄边a的高度＞趋肤深度。

以上（如果不考虑成本问题，就不要太刻意），三是要考虑扁线的用途（如高音音圈绕线或是功率传输线），四是要考虑高宽比（3:1~50:1；截面积越大载流功率越大）等。

如果用于高音单元音圈，扁线a的确定尚要考虑卷幅高度限制、磁隙宽度限制和承载功率的优化等中和条件。

2.5. 扁线形状应用

理论上讲：扁线形状的优化原则为：宽/窄比应＞1.4:1，＜8:1。

但用于音圈扁漆包线的制造稍有不同。通常业内制造扁线规则如下表6：

表 6扁线制造规格

业内实际制造的规格如下表7：

表 7扁漆包线实际制造规格表

扁线与带状线的性能接近。所不同的是带状线趋肤效应较扁线减少¼。所以，尤其针对功率线，建议最好采用带状，或矩形截面。

（下节专门讨论依据上述理论如何进行功率传输线设计、音圈导线设计、电感器绕线设计等应用问题）。

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