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动态范围与扬声器的最大输出
听音的动态范围上限最终是要由扬声器的最大输出声压级(SPLmax)来保证的,且SPLmax值必须是指明工作频率范围条件下给出谐波失真系数限制的测量值。
现代的音频功率放大器的总谐波失真(THD)及互调失真可小于千分之一,并且是在满功率输出和全频带情况下。但是,倘若你以为扬声器在工作频率范围内失真也很小的话那就大错特错了!即使制造精良的扬声器系统(音箱)96Db/1m(指定声压用于测量额定失真)输出时中音频段的谐波失真也会在0.5%~1%,低频工作频率范围下限附过还会更大些,有些所谓的“发烧”扬声器尚还做不到此项指标。
设计制造正确的扬声器系统通常在其工作频率范围的下限附近谐波失真最大,随输入功率增大,音盆运动幅度的上升,工作频率范围下限附近的谐波失真明显上升且上升值大于中高频段。谐波失真成分还会因互调失真产生更进一步的失真,音盆振幅的上升也会促使互调失真上升。这些情况在小型扬声器在最为严重,并且小型扬声器因低频下限频率多数较高,因此同样为2%失真,听觉上会更差。
目前SPLmax的谐波失真限制值并未成为统一的规范提供给消费者,一些公司如JBL、EV等通常把扬声器系统工作频率范围内低频下限附近谐波失真3% 作为标准确定SPLmax,中高频段的谐波失真还更低。但也有一些公司的产品在标示SPLmax值时并不考虑3%谐波失真限制,谐波失真可以高达7%甚至10%。相当多的中小型公司根本无法提供SPLmax和期限对应的失真系数,原因是SPLmax和相关的谐波失真系数测试需要昂贵的设备和复杂的技术。
扬声器工作频率范围内低频限附近的谐波失真是 SPLmax不可能任意提高的原因之一,如何控制谐波失真、提高 SPLmax是制造技术的难点所在。从一个设计制造良好的扬声器系统3次谐波失真与频率分布图来看,常会看到低频下限附近3次谐波失真为最大。在扬声器的谐波失真中以3次谐波失真对音质损害的最大。
一个简单的实验
做一个简单的实验会有助于我们理解其中的的原理。找一张录制电平标准,含有20Hz到500Hz以上简谐信号的CD唱片,将唱机、放大器及扬声器连接妥当,在扬声器输入端子上接入交流电压表。在播唱片500Hz左右信号时调整音量使8Ω阻抗的扬声器上的电压为2.83V(4Ω的为2V),然后播放20Hz至500Hz的纯音时电压应基本不变。在此过程中通过观察扬声器工作情况你会看到：虽然输入扬声器的电压不变,但随信号频率的变化,低音扬声器音盆振动的幅度却是不同的,即使在5KHz以上,中、高音扬声器的振膜也无明显振动,音盆振动幅度最大通常出现在100Hz以下,只有低音扬声器工作频率在代音区频段才能明显看出,当频率升至100Hz或200Hz 以上,音盆振幅显著减少。
所以,如想在听觉上得到较好的动态感,扬声器应具有低于50Hz/03db和 SPLmax≥110dB/1m的性能。尽管软球顶的高音扬声器在高声压级输出时也会有动态压缩现象,而金属硬球顶的表现则可更好一些。中、高音扬声器方面在动态范围上比起低音扬声器的问题要少得多。所以在 SPLmax问题中着重谈低音扬声器方面。
值得注意的是：在观察实验过程中若看得不清楚可适度调大音量,但切勿过大,以防损坏扬声器!尤其不可将500Hz以上纯音或其它连续波信号以较大功率输入扬声器,否则立刻烧毁中、高音单元!扬声器标称的承受功率足以模拟节目的嗓音信号作量度的,与纯音连续波大功率不同!至此,我们可明白两点：1。扬声器在相同工作条件下,音盆频率越低,所需排开空气的体积越大。2。信号频率越低,扬声器更需较高的SPLmax 才能满足听觉上的动态感。
最大输出音压与排大气体积
扬声器制造技术中指单元本身在失真度限制条件下的振动系统(音盆音圈)的振动范围称作线性峰值位移(又称冲程),以Xmax表示,口径同等条件下Xmax越大排开空气的体积也越大,相同频率条件下可输出的声功率也越大,但技术难度也越大,成本也越高。Xmax并非可随意提高,受到许多限制。
扬声器技术中把音盆的有效投影面积SD与Xmax的乘积用VD表示,在同等的Xmax情况下口径大的扬声器VD也大!这个VD就是扬声器单元排开空气的体积,随着频率范围下限向低频延伸,同等的SPLmax条件下VD将会迅速上升,需排开更大体积的空气才能达到所需的SPLmax。
扬声器的冲程Xmax是十分有限的,6”~8”口径单元多为3~6mm,口径越小 Xmax越难以提高,原因是折环和定心支片支撑系统更容易受到尺寸上的限制,线性活动范围很小,从而VD急剧下降。适合于家庭Hi-Fi重放用的10”~12”中等和中大口径的扬声器,其 Xmax多为4~6mm,制造优良的可在5~8mm,由于SD是小口径单元的数倍,所以VD值将大得多。
低音口径与音盆振动速度
扬声器口径与音盆振动时引起的气流体积速度Vd是音盆的有效投影面积SD与音盆的振动速度Vs的乘积。相同条件下随工作频率下降,同一声压级输出时Vd将上升。而Vs受到扬声器性能的限制及空气对音盆的反作用力的限制等不可能随意提高。因此在一定的 SPLmax 要求下,随着频率降低而需求较大的Vd时必须增大口径以增大SD。
以恒定电压的纯音信号输入扬声器时,500Hz时音盆每秒振动500次,而50Hz时每秒振动50次。在声压频率特性基本平坦的条件下,相同情况下的Vd相同时,大口径扬声器在相同的单位时间内Vs要比小口径扬声器低许多。举例而言,假设一个6”扬声器音盆需以每秒60次作单向4mm,全向前后为8mm振动时,一个12”单元相同时间内仅需完成单向1mm,全向2mm的行程,各种不良反应可因VS减少而明显降低。
