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小型喇叭与驱动电路的设计，介绍扬声器有关知识
资料介绍
需要选择扬声器，在翻了很久才找到一个适合小白的的帖子。非常简单，浅显，为进一步理解扬声器给出很好的前提知识。感谢作者的无私奉献。
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| 【Maker電子學】小型喇叭與驅動電路的設計_|_Building_Maker_Economy：自造達人社群:媒體:平台.pdf | 7M |
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【Maker電⼦學】⼩型喇叭與驅動電路的設計
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Arduino
【Maker電⼦學】⼩型喇叭與驅動電路的設計
Arduino, 教學⽂ | 5 ⽉ 29, 2019
作者：Bird
喇叭，或稱揚聲器，是我們在各種專案中要讓產品發出聲⾳時，不可或缺的零件，就算你做的不是 Hi-Fi ⾼傳真⾳響，
⽽只是要讓 Arduino 發出簡單的嗶嗶聲，還是會需要喇叭，它也許很⼩、很不起眼，但少了喇叭你就是沒辦法讓你的設
計發出聲⾳。
喇叭的規格
要了解喇叭，就要先看懂它的規格。我們隨便上 Digi-Key 找⼀個很普通的⼩喇叭來當作範例，來看看它的規格。
喇叭規格範例（圖片來源：Bird 提供）
這是⼀個 8 Ω、1 W 的⼩型喇叭。⼀般來說選擇喇叭時，最重要的規格就是這兩個參數：阻抗和耐受功率。
讓我們進⼀步打開它的 datasheet，看看更詳細的規格。
範例喇叭規格（圖片來源：Bird 提供）
喇叭的 datasheet 通常很簡單，⼀⾴就能描述完它的電氣特性、物理特性與機械圖⾯。這種⼩喇叭是「電感性」的元
件，加在它上⾯的訊號會流經⼀個線圈，這個線圈圍繞在⼀個磁鐵上，訊號在線圈上產⽣的磁場會與磁鐵的磁場交互作
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2019/12/16 下午6:52
【Maker電⼦學】⼩型喇叭與驅動電路的設計 | Building ...
https://makerpro.cc/2019/05/small-speaker-and-the-design-of-...
⽤，兩者之間會產⽣振動的⼒量。如果我們固定磁鐵、讓線圈移動並與振膜相連，就是屬於「動圈式」喇叭（因為線圈
可以動嘛！）。
那有沒有固定線圈、磁鐵可動的喇叭呢？其實這在歷史上曾經出現過，但因為磁鐵的質量遠⼤於線圈，使得驅動磁鐵振
動的效果遠不如驅動線圈振動，因此現在的喇叭都是做成「線圈可動」的形式。
對電路⽽⾔，驅動喇叭就是在驅動⼀個會與磁鐵交互作⽤的線圈，因此最重要的特性就是它的特性阻抗，也就是寫在
datasheet 上的第⼀個規格。
電感的特性阻抗是這麼表⽰的：
X
= ⍵⍵ L = 2ꢀfL
L
這邊我們先忽略複數分析的部分（應該還有⼀個 j），我沒有忘記它，只是不想在這裡把事情搞得太複雜。⍵ 是⾓頻率，
但這是物理學家比較喜歡的單位，我們在做電路設計時還是習慣⽤單位為 Hz 的頻率（f）來計算；兩者之間的比率是
2ꢀ；阻抗是⼀個很像電阻但⼜不完全是電阻的特性，它的單位也是歐姆。
從這個式⼦看起來，電感的特性阻抗跟加在它上⾯的頻率有關。頻率越⾼，阻抗越⼤，因此標⽰⼀個電感的阻抗時，⼀
定要記得標⽰這個阻抗測量時的頻率，否則就是個不完整的定義。
以例⼦中這顆喇叭來說，它的特性阻抗是 8 Ω，測量的頻率是 1000 Hz。如果我們加在它上⾯的訊號頻率比 1000 Hz
⾼，阻抗就會比 8 Ω ⼤；如果我們加在上⾯的訊號頻率比 1000 Hz 低，阻抗就會⼩於 8 Ω。⽽且根據上⾯的感抗公式，
當頻率為 0 時，感抗為 0，也就是說對於直流電來說，電感是⼀個可以暢⾏無阻的零件。
不過除了喇叭線圈的電感所造成的感抗，線圈本⾝的繞線其實也有電阻，只是在這種低阻抗的⼩喇叭上，線圈的圈數不
會太多，直流電阻相對來說都很⼩，加上這也不是我們設計時考慮的主要因素，因此 datasheet 上多半不會標註（直流
電阻可以透過三⽤電錶的電阻檔直接測量喇叭兩端得知，通常直流電阻都會⼩於喇叭的特性阻抗）。
功率
這個喇叭的額定功率是 1 W。我們來算算看要如何驅動它才能讓它發出 1 W 的功率。
根據歐姆定律衍⽣出來的功率公式：
2
P = V /R
2
1 = V /8
2
V
= 8，所以 V = 2.828（V）
也就是說，如果我們在它上⾯加⼀個 RMS 是 2.828 V 的 1 KHz 正弦波，就能輸送 1 W 的功率到這個喇叭上，⽽此時
流過喇叭的交流電流是：
I = V / R
I = 2.828 / 8 = 0.353（A）
⾄於這個喇叭在收到 1 W 的驅動功率時，會發出多⼤的聲⾳呢？規格書上告訴我們：Output S.P.L. 是 output sound
pressure level 的意思，也就是它輸出的聲壓；規格書上說，在 1 KHz、1.2 KHz、1.5 KHz、2 KHz 的頻率下，距離喇
叭 0.1 公尺時，⽤ 1 W 的驅動功率得到的聲壓是 102 、dB，⽽同樣的訊號在 1 公尺的距離時，聲壓則是 83 dB。
分⾙與壓⼒
這裡描述的聲壓，單位是 dB，也就是分⾙。我們在⼩學⾃然課都學過這個測量聲⾳⼤⼩的單位，⽽且課本上還會告訴
我們樹葉的摩擦聲是 20 分⾙、⼈們正常交談的⾳量是 50 分⾙、公⾞旁的噪⾳⼤概有 80 分⾙等。
但是我們在電⼦學中計算訊號⼤⼩時，分⾙並不是個物理量的單位，它只是個對數比值的單位，像我們常⽤來測量 RF
訊號強度的單位 dBm，事實上是 dbmW 的縮寫（我也覺得這個簡寫莫名其妙，四個字⺟少掉⼀個字⺟算哪⾨⼦的簡
寫），也就是說它的物理單位是 mW，dB 表⽰的是以 10 為底的對數比值，再乘以 10。
舉例來說，如果有個 RF 系統的發射功率是 1 W，也就是 1000 mW，若要⽤ dBm 來表⽰，就是
10 * log（1000） = 10 * 3= 30（dBm）
衛星在太空中發射的訊號經長途旅程到達地球表⾯後，強度⼤為減弱（圖片來源：yukle.mobi）
因為有⼀些物理量的⼤⼩範圍非常⼤，如果不⽤ dB 的⽅式來表達會很⿇煩。比如說 GPS 的衛星在天線上的等效發射
功率⼤概是 500 W，這個訊號經過兩萬⼀千公⾥的旅⾏來到地球表⾯後，它的強度只剩下 0.0000000000001 mW，這
樣數字直接⽤⼩數點來表⽰真的非常⿇煩⽽且容易出錯；但如果⽤ dBm 來表⽰，就是 -130 dBm，遠比直接寫出來要容
易辨認（不信的讀者可以試試看，你能否⼀眼看出 0.0000000000001 mW 比 0.00000000000001 mW ⼤ 10 倍
呢？）。
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