在低頻段，揚聲器的驅(qū)動與機械系統(tǒng)可利用集總參數(shù)的等效電路加以模擬，信號在一維路徑中通過電信號（如電壓）和機械信號（如速度）進行轉(zhuǎn)換。在高頻段，為了描述振膜和懸掛系統(tǒng)的振動情況，則需要一個包含許多參數(shù)和狀態(tài)變量的分布參數(shù)模型。

現(xiàn)代激光掃描技術(shù)能夠高精確測量機械振動和振膜的幾何結(jié)構(gòu)。這些機械分布參數(shù)對評估機械行為、預(yù)估輻射聲壓輸出等非常重要。

最佳掃描網(wǎng)格

Klippel SCN激光掃描系統(tǒng)提供多種掃描網(wǎng)格。

Explore Scan探討掃描已經(jīng)有足夠高精度來預(yù)估聲壓輸出；Detailed Scan詳細掃描則可用高精度來分析振膜各處位移情況以及一些不規(guī)則振動行為；Profile Scan概要掃描所花時間最少，但是只能用來檢測完全軸對稱的振動，不能精確預(yù)估聲壓輸出（如下圖3.8kHz處有較大偏差）；Rectangular Scan矩形掃描一般應(yīng)用于TV喇叭和微型揚聲器的掃描。

SCN激光掃描分析后可以獲取揚聲器的機械和聲學(xué)特性，幫助特定應(yīng)用選擇最佳換能單元，并有助于改進結(jié)構(gòu)和提供備選設(shè)計方案。

累計加速度級

SCN分析軟件中最重要的一個參數(shù)就是累計加速度級AAL（Accumulated Acceleration Level）。它定義為：

其中Paa(ra)為聲壓勢能：

上式中振膜上加速度的絕對值由所有點rc在輻射面積Sc上積分得到，而其他常數(shù)和在遠場參考點ra處計算聲壓（忽略相位信息）類似。由此看來，AAL其實描述了振膜的整體機械振動（整體能量，通過絕對值計算把負向的運動能量也計入其中）；它可比于聲壓級，但是絕不會小于聲壓級（聲壓級考慮了相位信息，會產(chǎn)生抵消效應(yīng)）；在低頻段，振膜做活塞運動，所有點處的相位一致，此時ALL和SPL相等，高頻段后，振膜開始分割振動，各處有的點向上振動，有點向下振動，出現(xiàn)相位不一致情況，因而產(chǎn)生抵消cancellation，聲壓級會小于AAL。如下圖：

模態(tài)分析

AAL響應(yīng)曲線的峰值類似于集總參數(shù)模型中的基波共振，它們的共振頻率（固有頻率）相互正交，因此振膜上rc處的加速度可以構(gòu)造函數(shù)來級數(shù)展開：

這樣加速度為各個正交模式的總和，Ψ(rc)為各個模式特性圖（即各個“去除共振能量”的共振模式圖）：

H(jw)為每個振動模式的頻率響應(yīng)，ωi為每個振動的固有頻率，ηi是每個振動模式的模態(tài)損耗因子，描述了每個振動的“能量”：ηi越大，模式共振幅值越小，反之亦然，因此反映出了所用振膜材料本身的性能。除了與頻率相關(guān)，還與溫度相關(guān)。一般我們用3dB帶寬來確定它：

軸對稱分解

大部分情況下?lián)P聲器振膜形狀是圓形的，我們可以把總體振動分解成徑向和周向兩部分。

其中，徑向上的模式傳播可通過將振動(v)對角度(φ)平均得出徑向速度來計算，而周向模式則為總振動量與徑向振動量的差值。兩個分量的SPL和AAL都能進行定量評估并在SCN軟件中進行動畫演示。

一般而言周向的AAL會隨著頻率的增加而提高，具有高振幅的周向模式將會導(dǎo)致顯著的非線性失真，同時也會降低徑向的聲壓級輸出。另外，周向模式會產(chǎn)生顯著的旁瓣，使得指向性指數(shù)降低。最低的周向分量發(fā)生在搖擺模式處，導(dǎo)致音圈擦圈。

診斷

輻射器表面有足夠的振動？

分析振動得從計算累計加速度級AAL開始，低頻處，AAL值和軸上SPL響應(yīng)相等，這是因為此時輻射面的振動猶如剛性體，沒有聲抵消出現(xiàn)；高頻處，AAL響應(yīng)上會出現(xiàn)一些峰值，位于機械模式的固有頻率處。

中高頻對聲壓輸出有益的高階模式是彎曲波模式，此頻段有足夠彎曲振動（即足夠AAL）并且彎曲模式密集，假若每個模式都有最佳的損耗因子，這樣就能得到平滑的SPL響應(yīng)。增加彎曲模式的數(shù)目，可以使用低楊氏模量的材料，可以減少錐體音盆的厚度，或者輻射器外部區(qū)域的曲率。

什么導(dǎo)致了頻響中的峰值？

高累計加速度級AAL同時對應(yīng)于SPL響應(yīng)中的高峰值，這些峰值是因為其模態(tài)諧振沒有足夠的阻尼引起的。如Part 1中所講，特定固有頻率處的模態(tài)損耗因子ηi可以用AAL響應(yīng)的3dB帶寬來計算。

上圖是一個使用鎂制振膜材料的例子，第一個分割模式發(fā)生在8kHz附近，如果是作為低音單元使用是不受影響的；更高階模態(tài)處由于材料的低阻尼使其機械振動的幅值很高，如果想要使用該喇叭單元的全頻域，則需要額外的阻尼。上圖中首個固有頻率8kHz處的損耗因子小于0.01，如果想要抑制SPL響應(yīng)上的峰值，那么損耗因子就必須增大數(shù)十倍。可以通過更換輻射體材料或者對輻射面采用粘滯性材料作局部被覆處理來增大阻尼。為了增加個別模式的阻尼而對輻射面進行全面被覆處理通常是不需要的，而且也是不希望的，因為額外的質(zhì)量會降低單元的靈敏度。

不希望的材料特性？

SCN對振膜掃描分析后可以動畫演示其各個振動模式圖，它們能揭示輻射器所用材料的各向異性、不均勻性和其他特殊特性。

上圖顯示了使用凱夫拉Kevlar材料制作音盆的中音驅(qū)動單元的振動模式，包括振動時的相位分布圖及幅值模式圖。可以看出，凱夫拉材料音盆的編制結(jié)構(gòu)抑制了揚聲器對角線方向上的振動。

搖擺模式是否太嚴(yán)重？

出現(xiàn)在折環(huán)上的首個圓周模態(tài)將導(dǎo)致音盆錐體和音圈產(chǎn)生搖擺運動。這有可能會導(dǎo)致音圈在磁隙中出現(xiàn)碰擦現(xiàn)象，產(chǎn)生可聞的失真，甚至導(dǎo)致?lián)P聲器的永久性損壞。搖擺模式對于總的聲壓輸出沒有明顯的貢獻。偵測搖擺模式可以檢查周向分量的AAL響應(yīng)，如果和總AAL響應(yīng)相差小于10dB，則說明出現(xiàn)了嚴(yán)重的搖擺模式。

一般像耳機或微型揚聲器都沒有設(shè)計定心支片來進行穩(wěn)定，這類單元更易于出現(xiàn)搖擺模式。來自折環(huán)角度方向上的任何剛性的變化、附加引線的慣性都會激發(fā)并促使搖擺模式的產(chǎn)生，其在AAL幅值響應(yīng)上有明顯的變化，但是在輻射的聲壓輸出中卻很難偵測到。KLIPPEL提供的RMA模組能幫助偵測并解決此類問題。

什么導(dǎo)致非線性失真？

除了軸對稱和圓周振動之外，振膜上還可能會有其它的不規(guī)則的振動，而這些振動是有限元分析法不可能預(yù)測到的。比如，質(zhì)量分布的不平衡、材質(zhì)密度不均勻、或在輻射體成形過程中無意導(dǎo)致的折痕等，都可能會產(chǎn)生不規(guī)則的振動。

大多數(shù)不規(guī)則振動對于總SPL和AAL的貢獻都相對很小，但是這些振動在某些特殊點可能會有很大的位移，從而導(dǎo)致大量的非線性失真。不規(guī)則振動會在圓周分量的AAL響應(yīng)上產(chǎn)生明顯的峰，這一特征有益于我們偵測不規(guī)則振動。

參考：

• KLIPPEL線上培訓(xùn)?- 訓(xùn)練2：
  

  https://klippel.net.cn/training/attachments/training2/Training_2_Vibration_and_Radiation_Behavior_of_Loudspeakers_Membrane_cn.pdf

• KLIPPEL SCN模組介紹：

  https://klippel.net.cn/products/rd-system/modules/scn-scanning-vibrometer-system.html

• 論文：描述揚聲器驅(qū)動單元振動和輻射行為的分布機械參數(shù)

  https://klippel.net.cn/fileadmin/_migrated/content_uploads/Klippel__Schlechter__Distributed_parameter.pdf