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DIY回音壁多媒体音箱

作者:互联网

前言

这一切都是源于《DIY LDAC蓝牙接收器》系列文章。蓝牙接收器的DIY当时因为材料未准备好等各种原因搁置了。后来想了想,先做一个音频输出设备吧,反正光有接收器也是不行的,总要有地方输出吧。
于是乎又觉得一两个喇叭声场不够大,喇叭多了组家庭影院又嫌多个分离的音箱难搞,也不好看,接线也复杂。很久以前就对回音壁情有独钟,虽然音质肯定不如一主多从式的多声道家庭影院好,但家庭听听也是绰绰有余了。结合实际情况来说,节省空间、便于移动和携带和简单的连接方式更符合我的实际需求。

电气结构

回音壁电气简要结构说明

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基于何功放芯片不重要,市面上所能见到的、音质上乘功放芯片所制成的功放板,只要电路设计合理,店铺有技术实力,大多都可以使用。

扬声器的数量可随意。但数量建议为偶数个。

通过提供DC002规格的电源母座接口,使用外部音源输入的方式,来为回音壁提供音源以供播放。

电子元件选购指南

主要电子元件/电子器件列表

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要点说明

功率放大器主板

概述

全称为音频功率放大器。功放把来自信号源的微弱电信号进行放大驱动扬声器发出声音。

选择功放板需考虑的几个要素

若有计划将设备做得足够小,甚至有意向做成可移动设备系列,那么主板尺寸就不能过大(甚至板上元件大多都要采用贴片式)。否则不必考虑此项。

功放板的工作电压及电流,决定了AC电源变压器模块能提供的电压和电流输出大小。

功放板的输出阻抗,建议要和扬声器的阻抗或扬声器组的总阻抗一致。

功放板一般有单声道输入和立体声输入两种音源的声道输入方式。需要根据实际音源来选择单声道输入还是立体声输入。

例如:以下两种功放板,音源输入的声道数就有所不同。左侧功放板要求立体声音源输入,右侧功放板则要求单声道音源输入。
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音质上乘的功放板,除了优秀的电路设计和布线外,还需要一颗发烧级的音频功放芯片。
关于功放芯片的分类,请参考“音频功放芯片的主要分类”一栏。

音频功放芯片的主要分类

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扬声器

工作原理

喇叭其实是一种电能转换成声音的一种转换设备,当不同的电子能量传至线圈时,线圈产生一种能量与磁铁的磁场互动,这种互动造成纸盘振动,因为电子能量随时变化,喇叭的线圈会往前或往后运动,因此喇叭的纸盘就会跟着运动,这此动作使空气的疏密程度产生变化而产生声音。

扬声器阻抗大小的区别

扬声器的阻抗同样遵循欧姆定律,即在相同电压下,阻抗愈高将流过愈少的电流,阻抗愈低会流过愈多的电流。
扬声器阻抗越小,其输出功率就越高;扬声器阻抗越大,其输出功率就越低

那么相同功率的两个扬声器,其阻抗分别为4Ω和8Ω:

功放板和扬声器的功率匹配

遵循原则

扬声器的功率/扬声器组的总功率 >= 功放板的输出功率。

这样匹配可以避免因扬声器功率/扬声器组总功率过小,而功放板输出功率过大,而导致扬声器电流过大,过载而烧毁单元。顶多就是功放最大功率下,没法达到扬声器单元的最大音量罢了,但起码不会烧坏。
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功放板和扬声器的阻抗匹配

遵循原则

扬声器的阻抗/扬声器组的总阻抗 功放板的输出阻抗。

音箱倒向管

概述

倒相管,也叫做反射管。是一种播放设备。
普通倒相式音箱把扬声器振膜露在外面来发声,而扬声器的后方也会有振动。如果把扬声器向后方的振动也利用起来,就会使声波加强,重低音加强。
安装倒相管之后,由于倒相管的直径比扬声器直径小,所以就会有比较强的声波从倒相管冲出。
这样一来,扬声器向前方和向后方的声波都得到了利用,使音箱音质提高。

详细了解

参见文章《倒相式音箱的倒相管放前面、后面、下面有什么区别和优缺点?》。

电容

在电路中的主要作用

高频电容和低频电容

理想的电容器是没有低频和高频之分的,但实际上由于各个厂家制作电容的工艺以及介质的不同,所以在不同频率就会产生不同的损耗,因此也就有了高频贴片电容或低频电容。确切的说并不是该电容产生了高频或低频,而是电容器所适合的高频或低频电路。

高频电容和低频电容适用场合

电源滤波之滤波电容

概述

在直流电源和地之间并接的电容,可称为滤波电容

作用

实际用法之电容的选择
  • 作用:滤除电源的杂波和交流成分。
  • 容值取值范围:100μF ~ 4700μF。
  • 电容类型:有极性电容,如铝电解电容
  • 作用:滤除电路中的高频杂波,来避免自激和稳定电路状态。
  • 容值取值范围:0.1μF ~ 10μF。
  • 电容类型:无极性电容/无感电容,如瓷片电容独石电容

使用0.1uF无极性电容10uF电解电容``并联,是因为电解电容寄生电感比较大,消除高频纹波能力较差。而无极性电容``寄生电感小,滤除高频纹波能力较好。
但若根据低频的要求选择容量,则无极性电容体积太大,成本也高。电解电容体积小,同样容量价格较便宜。故采用两种电容并联。

实际用法之电容的连接原则

电容滤波

概述

但实际上超过1μF的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频率高后反而阻抗会增大
有时会看到有一个电容值较大电解电容并联了一个小电容,这时,大电容滤低频,小电容滤高频。

电容值大小与过滤高低频率的特性

小容值的电容通常等效电感较小,因此自谐振频率较大,所以适合用于滤除高频干扰噪声。

滤低频波``用大电容主要是为了负载的电流足够和纹波足够小。如果不管这些,滤低频波也可以用小电容。

电容材质与过滤高低频率的特性

独石电容、纸介电容、电解电容、低频瓷介(也称为铁电电容)、涤纶电容(一般是容量较大,体积较小),因介质损耗大,不适用于高、中频电路,可用于低频、电源滤波等电路中。
云母电容、聚苯乙烯电容、高频瓷介、空气介质电容等(一般是容量较小,相对体积较大),介质损耗小,适合在高频、中频电路中使用。

电位器

音频电路中电位器类型的选择

音频电路中电位器阻值的选择

音频信号阻抗高,即为信号的电压高,电流小。若使用低阻值的电位器,信号的电压会被拉低很多,从而导致信号失真。

音频信号阻抗低,即为信号的电压低,电流大。若使用高阻值的电位器,电压本来就很低的信号,通过一个大电阻,会导致信号失真。

电位器在音频放大电路中的位置

应在原始音源输出后、功放的音源输入前。不应置于功放输出后、扬声器输出前。

电磁屏蔽罩

概述

电磁屏蔽罩材料就是用金属板(网)、金属盒(箱)等等阻止减小电磁能量的传播,从而实现电磁屏蔽的材料。

功放电路受到电磁干扰的几个主要来源

电磁屏蔽罩屏蔽电磁干扰的原理

电磁屏蔽罩材料的选择

电磁屏蔽的方法

电磁屏蔽技术就是防止电子设备或者电子元器件之间产生电磁场感应干扰的一种技术。
主要有三种方法:

若空腔导体接地,则为全屏蔽,即既可以屏蔽外电场对于空腔以内的元器件的影响,也可以屏蔽空腔以内的电场对于外界的影响。因为这时空腔以内的电场强度总是为0,则即使有电荷存在,使得空腔的内、外表面都有感生电荷,但其外表面的感生电荷通过地线而与大地中和了,相应地内表面的感生电荷及其影响也就消除了。

把电子仪器的金属外壳接地,在某些连接导线或者通讯电缆的外面包覆一层金属网(即成为屏蔽线),在电源变压器的初级绕组和次级绕组之间放置一不闭合的金属薄片,在高压变压器外面加设金属网等,这些方法都是为了达到静电屏蔽的目的。

静磁屏蔽是为了排除静磁场干扰的一种电磁屏蔽技术,这可以采用磁导率很大的铁磁材料制作而成的空壳(屏蔽罩)来实现。

因为当把铁磁空壳放置在外磁场中时,外磁场的磁感应线将要发生畸变,即磁感应线会聚集在壳层中(这是由于磁场在壳层中诱导出的磁化电流所产生的附加磁场与外磁场相叠加的结果),而空壳内部的磁场却很弱。从而利用铁磁空壳即可屏蔽外磁场的影响。这种方法对于低频磁场也具有良好的屏蔽作用。

为了提高静磁屏蔽的效果,就应该增大磁性材料的磁导率和增大屏蔽罩的厚度,或者采用多层屏蔽罩。

在电磁场(电磁波)中,导体表面将要吸收、损耗电磁场的能量,使得电磁场的传播从导体表面往里面是指数式衰减的(即电场和磁场的振幅是指数式衰减),这种现象就是趋肤效应。利用趋肤效应即可阻止高频电磁波进入导体内部,以实现电磁屏蔽,因此可采用适当厚度的金属来制作电磁屏蔽罩。由于趋肤电流是一种涡流,所以电磁屏蔽又称为涡流屏蔽。

为了获得有效的电磁屏蔽效果,导体屏蔽层的厚度必须接近于电磁场的趋肤深度。电导率越高的材料,趋肤深度就越小。对于500kHz的广播频率,Cu和Al的趋肤深度分别约为0.094mm和0.12mm,因此较薄的铜片或铝片就能够实现较好的屏蔽了;对于更高频率的电磁场,还可以处于更薄的材料。

对于高频电磁场,一般不采用铁磁材料的磁屏蔽,因为铁磁材料有较大的磁滞损耗和涡流损失,会造成谐振回路品质因素(Q值)下降,故较多的是采用高电导率材料的电磁屏蔽。

对于工频(50Hz)的电磁场,因为Cu和Al的趋肤深度分别增大为9.45mm和11.67mm,故采用Cu和Al的电磁屏蔽就不再合适了。如果采用Fe来制作屏蔽罩的话,由于电磁场在Fe中的衰减远快于Cu和Al,所以只需要较薄的铁片即可;实际上,这时已经转化为了静磁屏蔽。

可见,电磁屏蔽与静电屏蔽有一定的共同点,即都是采用高电导率的金属来制作屏蔽罩。但也有不同点,即静电屏蔽只能消除电容耦合,防止静电感应的影响,而且屏蔽罩必须接地;而电磁屏蔽是利用涡流来阻止电磁场的透入,并消除电磁场的干扰,屏蔽罩可不必接地。不过,因为电磁屏蔽的屏蔽罩增加了静电耦合,所以为了避免这种不良影响,把屏蔽罩还是接地为好,这时实际上在电磁屏蔽的同时也起到了静电屏蔽的作用。

电磁屏蔽罩一定要接地吗?

许多人不了解电磁屏蔽的原理,认为只要用金属做一个箱子,然后将箱子接地,就能够起到电磁屏蔽的作用。在这种概念指导下结果是失败。因为电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系。
真正影响屏蔽体屏蔽效能的只有两个因素:一个是整个屏蔽体表面必须是导电连续的,另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。
屏蔽体上有很多导电不连续点,最主要的一类是屏蔽体不同部分结合处形成的不导电缝隙。这些不导电的缝隙就产生了电磁泄漏,如同流体会从容器上的缝隙上泄漏一样。
解决这种泄漏的一个方法是在缝隙处填充导电弹性材料,消除不导电点。这就像在流体容器的缝隙处填充橡胶的道理一样。这种弹性导电填充材料就是电磁密封衬垫。
在许多文献中将电磁屏蔽体比喻成液体密封容器,似乎只有当用导电弹性材料将缝隙密封到滴水不漏的程度才能够防止电磁波泄漏,实际上这是不确切的。
因为缝隙或孔洞是否会泄漏电磁波,取决于缝隙或孔洞相对于电磁波波长的尺寸。当波长远大于开口尺寸时,并不会产生明显的泄漏。

准备

  • 若电烙铁不能调节温度,也不能恒温,是几十块钱的那种电烙铁,建议再购买一根2孔或3孔的带开关的电源延长线,感觉加热到够温度焊接了,就控制开关断开电烙铁的电源连接,省得总是插拔插头了。这是为了避免电烙铁长时间在高温加热下过度氧化造成的寿命缩短以及焊头坏掉的麻烦。
  • 焊接时,焊锡难免会掉落到焊接区域的桌子上,冷却后很难处理。建议铺个厚一点的广告纸或四层报纸,避免焊锡滴溅到桌面上。
  • 焊锡在受到高温时会挥发出烟雾,短期内接触虽无毒无害,但为了健康着想,建议佩戴口罩,且要打开窗户,保持通风环境。

开始之前

在“准备”一栏中列出的物品清单列表,可根据实际情况自由增添(如功放主板所用芯片以及扬声器规格),不强制统一。

步骤一:回音壁外壳制作

3D模型展示

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4个扬声器单元,使用螺母套件或铝丝/铁丝等固定件,将其穿过扬声器上的固定孔,与此面的面板水平固定。

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回音壁的所有接口及按钮都分布在此面上。
从左到右依次是:AC电源线过孔、电源总开关过孔、主音量调节电位器过孔、单声道音频输入母座接口过孔。

在底面留有低音倒相管,加强低音效果。

实际制作过程展示

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蓝色辅助线中间的矩形仍然需要使用美工勾刀雕刻掏空。

步骤二:固定扬声器到外壳上

步骤三:扬声器音频线焊接

由于当时没有买到音频屏蔽线,就是用了普通的28AWG漆包铜导线做为连接线来焊接了。实际也没有影响音质。当然有条件还是建议使用带屏蔽的音频线,在某些特殊环境下,设备整体上来说会有更好的抗干扰能力。

步骤四:周边配件制作

  • 一定注意,给变压器模块通电后,手不要触碰电源模块的任何电子元件和焊点,以免被高压电击。
  • 220V插头与电源模块相连接的触点和导线,要认真焊接,不能虚焊,焊点不能过大过小。同时要特别注意绝缘处理,如必要时包裹电工胶布和灌封胶灌封,避免因外力因素导致导线脱落或移位导致意外发生。
  • 3脚一档AC船型开关接线方式:

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  • 因为种种原因,并没有使用ALPS这种高端电位器,而是采用了普通的指数型单联电位器。实际应用到电路中时,当音量调到最小时,扬声器发出的高频电流声非常严重。期间尝试过电位器外壳接地、使用3插插头线连接电源模块接地等多种方法仍不奏效。只有手摸在MP3设备的金属外壳、3.5mm耳机孔金属外壳、电路中的任意地线等任何GND位置时,噪声才减少很多。那么问题显而易见,就是没有良好接地。于是还是去掉了电位器,直接导线连接了。后期会进行单独改造,毕竟软音量调节的话,有时还是挺吓人的。

步骤五:联调测试能否正常发声

步骤六:电路调优

初次联调成功后,从播放的听感、音质音色等方面进行深度试验。
如有杂音,就要考虑是否有无用的高低频信号干扰、电源模块磁感线圈是否漏磁、是否良好接地、元器件或导线等是否产生了寄生电感等诸多因素了。需要一个个排除。

步骤七:为集成式元件定制主板座

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步骤八:为集成式元件定制金属屏蔽罩

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在无底盒子的左侧和右侧分别留了很浅的线缆过孔,不做面上的中空过孔,来尽可能保证屏蔽罩的屏蔽性能。

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使用电工胶带密封固定前,要确保模块上各个所需的IO接口都已引出线,避免粘接好后没有引出线无法连接。

步骤九:将集成式元件放入外壳中固定

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步骤十:将周边接口放入外壳中固定

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步骤十一:外观美化,收尾工作

成品展示

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心得

文章/内容参考引用

标签:功放,电容,音箱,屏蔽,DIY,扬声器,回音壁,电磁,功放板
来源: https://blog.csdn.net/u010737252/article/details/121225888