一种矿用音箱设计方法

摘要：介绍了一种矿用音箱设计方法。首先，从频率特性、失真度、阻抗3个参数角度介绍了矿用音箱扬声器的选择方法；然后，以均衡的频响为设计目标，对矿用音箱的腔体容积进行了计算；最后，对矿用音箱的尺寸、材料等进行了结构设计。

0 引言

矿用音箱在煤矿井下被广泛应用。目前市场上的矿用音箱在进行设计时，只是将电信号转换成了声信号，并未在音腔设计上有所考究，导致音箱发出的声音比较沉闷，有杂音，尤其是播放广播音乐时，音质效果差。针对该问题，本文介绍了一种矿用音箱设计方法，旨在开发一款既能保证煤矿安全生产，又能保证音质的矿用音箱。

1 扬声器选择

扬声器的选择是音箱设计成功与否的关键。扬声器的频率特性、失真度、阻抗这3个特性参数对音箱的音质影响较大。

扬声器的频率特性是一条输出声压随频率变化的频率响应(简称频响)曲线。扬声器的频响曲线在某频段越平坦，说明频率失真越小，有效频率范围越宽，扬声器音质越好。一般扬声器的频率范围为20～20 000 Hz。人耳听感最敏感的频率范围为300～1 200 Hz。因此，选择一款300～1 200 Hz频段频响曲线平坦的扬声器，是音箱设计的一个要点。如图1所示，该扬声器在200～5 000 Hz频段频响曲线平坦，对应声压级波动范围为70～90 dB，说明该频段的音质较其他频段好。

图1 某扬声器频响曲线

频响下限称为扬声器的谐振频率[1]，是决定扬声器低频特性的重要参数。

失真度通常以百分数表示，其随频率的增大而减小。百分数值越小，表示失真度越小，扬声器品质越高。人耳一般对5%以内声波失真不敏感。如图2所示，该扬声器频率大于200 Hz时，失真度均小于5%，且失真度曲线比较平坦，说明在该频率范围内，扬声器的音质较好。

图2 某扬声器失真度曲线

阻抗表示扬声器输入信号的电压和电流的比值。在功放和输出功率完全相同的情况下，使用低阻抗的音箱一般能获得很大的输出功率。可选择阻抗较低的扬声器进行音箱设计。但太低的阻抗值可能造成欠阻尼甚至低音劣化等问题。因此，选择常用值8 Ω阻抗来设计矿用音箱。

根据以上分析，可选择一款阻抗低、频响曲线平坦、失真度曲线平坦的扬声器作为矿用音箱设计的基础。

2 音箱腔体容积计算

煤矿井下复杂多变，灰尘及水汽多，因此，矿用音箱一般设计为封闭式结构[2]。

设计封闭式矿用音箱首先需知扬声器的谐振频率f0、总品质因数[3]Qts、等效容积Veq等参数。根据传统音箱设计经验，当f0与Qts的比值为40～80时，能够制作出音质较好的封闭式音箱。传统封闭式音箱均采用低品质因数的平直频响设计，封闭式音箱总品质因数QB常取0.7甚至0.5。若以音箱达到均衡的频响为设计目标，QB值应不小于0.7，因此建议QB取0.7～1.3，这样既能保证充沛的低音，又可得到均衡的频响。

封闭式音箱的频响主要由音箱谐振频率fB与QB决定，而fB与QB取决于扬声器参数和箱体容积。设音箱的声顺比为α，箱体净容积为VB，根据传统音箱设计方法，有

根据以上分析，选用一款阻抗为8 Ω、口径为133 mm的扬声器作为矿用音箱设计的基础，其参数：扬声器外径为116 mm，高度为67 mm，扬声器磁铁直径为78 mm，f0=55 Hz, Qts=0.68, Veq=5.5 L, f0/Qts=80,适合制作封闭式音箱。

采用不同的QB值，由式(2)—式(4)分别得到α，VB，fB，结果见表1。

表1 不同QB计算得到的音箱参数

由表1可知，当QB=0.7时，VB=91.7 L，不符合矿用音箱的结构设计尺寸要求；当QB=1时，VB=4.7 L，fB=80 Hz，满足封闭式音箱设计要求。设计音箱总容积时，除VB外，还需考虑其他零件占容的影响，如扬声器体积等。根据扬声器尺寸参数(约为0.5 L)，计算得音箱的总容积V=5.2 L。

3 音箱结构设计

确定音箱的总容积后，即可计算出音箱的结构尺寸。计算时需保证音箱面板宽度足以安装扬声器的口径，同时使音箱形状符合修长的体形[4-5]。由于是矿用产品，还需考虑电路板的安装结构、电缆引入结构等。综合以上因素，将音箱腔体设计为宽210 mm、高180 mm、深140 mm的封闭式结构，加上电路板的安装结构尺寸，整个矿用音箱的结构尺寸设计为宽210 mm、高290 mm、深165 mm，如图3所示。

由于矿用产品的特殊使用环境，为避免发生煤矿事故，采用2 mm厚的冷轧钢板(Q235A)作为矿用音箱制作材料。

为减小封闭式音箱内声波的能量及驻波的影响，音箱内需填充一定的吸音材料。吸音材料的厚度需经过试验方可确定，一般不少于10 mm。本文设计的矿用音箱的吸音材料为10 mm厚玻璃棉。

4 结语

针对目前矿用音箱在设计时未考究音腔大小而导致音质不佳等问题，以音箱达到均衡的频响为设计目标，通过选取合理的音箱总品质因数QB对音箱容积进行计算，设计出了音质较好的音箱结构，改善了井下广播系统的品质。

[1] 张学斌.一种二分频封闭音箱的设计[J].商洛师范专科学校学报,1994,9(2):71-73.

[2] 张荣辉.一种适用于教学的封闭式音箱的设计原理[J].昭乌达蒙族师专学报,2003,24(5):31-32.

[4] 黄倩，黄友胜.嵌入式矿用广播终端的设计[J].煤矿安全,2012(2):79-81.

[5] 徐直.矿用本安产品结构设计要求[J].煤矿机械,2013,34(11):16-18.

A design method of mine-used sound box

Abstract：A design method of mine-used sound box was introduced. A selection method of loudspeaker in mine-used sound box was introduced firstly from aspects of three parameters of frequency characteristics, distortion degree and impedance. Then cavity volume of mine-used sound box was calculated by taking balanced frequency response as a design goal. Finally, structures of size and material of mine-used sound box were designed.

基金项目：中煤科工集团重庆研究院有限公司自立重点科研项目(2015ZDXM01)。

作者简介：田军(1984-)，男，贵州黄平人，工程师，硕士，主要从事煤矿监控技术及仪器仪表研究工作，E-mail：tj2436645@163.com。

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1632.017.html