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关于扬声器和分频器

音频杂谈 小众声学 382浏览 0评论

首先,我们来谈谈如何认识一个喇叭单元,这是我们每个生产厂家、每个扬声器系统设计人员要面对的一个最基本而又是最重要的问题。根据我国目前的生产和工程设计的实际情况来看,可以从以下六个方面的客观物理特性来认识喇叭单元。(注:主观听感是认识喇叭单元的另一种重要方法,随着科学技术的进步,客观物理特性的描述与主观听感愈来愈趋于一致。也就是说,随着科学技术的发展,我们将能够用客观物理特性的描述来表达主观听音的心理感受。)

一、T/S参数

       T/S参数是由THIELESMALL先生首先提出的扬声器系统数学模型的基本参数。

       T/S参数在扬声器系统设计的指导作用已经被生产厂家、工程设计人员所普遍接受,在几乎所有常见的电声测试系统、扬声器系统设计软件上得到支持。T/S参数由小信号参数和大信号参数组成。

    小信号参数包括四个基本参数:

  1. Fs为扬声器单元的谐振频率。
  2. Vas为扬声器单元的等效容积。
  3. Qes为扬声器单元的电Q值。
  4. Qms为扬声器单元的机械Q值。

    大信号参数包括两个基本参数:

  1. Pe(max)为扬声器单元的散热能力所确定的最大功率额定值。
  2. Vd为扬声器单元振膜在最大振幅时所推动的体积。

      上述参数主要是向我们提供了模拟和设计喇叭单元在谐振频率附近的频率响应特性的依据,通过合理地优化箱体结构参数,从而达到我们所期望的扬声器系统频率响应,用以满足不同的使用场合和不同的使用要求。从某种意义上讲,T/S参数没有更好,只有更合理和更合适。例如Fs/Qts的比值在那个范围适合那一类声箱系统,Vas如何取值更为合理等。T/S参数最重要的是它们如何搭配和优化。

      在这里需要指出的是,T/S参数的实际测量误差应引起足够的重视。T/S参数误差过大,会导致在系统设计的过程中的理论值与实际值偏离过大,甚至失去T/S参数的指导意义。在实际工作中有以下几个方面皆会引起测量误差。

  1. 不同的测试方法引起的误差。如定压法与定流法的误差,容积法和加载法的误差。
  2. 在加载法中选取加载量引起的误差。根据经验,定压法比定流法对加载量的大小更为敏感,引起的误差更大。
  3. 不同的测试电平引起的误差。定压法和定流法均存在同样的问题。
  4. 测量运算中给定值引起的误差。如“振动面积”、“直流阻抗”等参数,尤其是“振动面积”对测量结果影响很大。
  5. 其他因素引起的误差。如测试环境、被测喇叭单元放置的方向、测试电缆的阻抗大小等。

    下图是ROGERS旗下的LS系列LS33音箱中低单元(型号为:DU-160-LS2a/2)的T/S参数,该参数由LAUD系统给出,是采用定流法测试的。

         ts-r16.gif (14874 bytes)

二、频域特性

      频域特性由幅频特性和相频特性组成。这一客观物理特性描述了喇叭单元在频率轴上,随着频率的变化其响应幅值和相位的变化情况。过去人们都比较重视幅频特性对音乐重放的影响,现在人们也越来越重视喇叭单元的相频特性对音乐重放的影响,尤其是对扬声器系统音乐重放的影响。

       下述两点应引起注意:

  1. 幅频特性中的低端部分。这一部分的响应(尤其是100Hz以下)与测试环境和测试条件相关很大。如是否消音室、是否近场、使用障板的大小、使用箱体容积的大小等,这些都会使低端响应产生很大的差别。一般地说,在非消音室和非近场的条件下,100Hz以下的幅频特性曲线数据是不可靠的。因此,在观察喇叭单元的幅频特性时,应注意其测试环境和测试条件。
  2. 幅频特性中的高端部分。特别要注意的是1.5–4.5k的这段响应,不应有过大的峰谷。首先此处是人耳最为敏感的频段,对音乐(尤其是人声、弦乐)的重放效果影响很大。其次这也是二分频系统的分频点频段,过大的峰谷,其相频特性也比较差,导致高低单元对接不好,造成此频段的相位失真过大而影响重放效果。
  3. 相频特性中3K-6KHz段部分。低音单元在此段的相频特性都比较差,相移比较大。从系统的角度来看,应尽量避免选择相移比较大的频段作为分频点。

    下图同样是ROGERS旗下LS33音箱6.5″中低单元的频域特性曲线,使用的是LAUD系统测试(非消音室下近场)。上半图给出的是真实相频曲线,下半图给出的是幅频曲线。从相频曲线可以看出6k-8k处相位变化过大,应避免使用该频段,并提示该单元的分频点应为2k附近较为合理。

        rogers16.gif (18055 bytes)

    下图是SEAS的黄金系列excel-w17ex 6.5″单元的幅频曲线。从该曲线来看,该单元有不错的中频特性,但在曲线的高段(3.5k-6k)处有10dB的峰。看来这个价格不菲的单元也有不尽人意之处。该特性曲线是由LMS系统给出(非消音室下近场)。LMS系统不能给出真实相频特性曲线。

       seasw17ex.gif (21173 bytes)

    下图是Vifa的3/4”高音单元(型号为:D19TD-0508)的频域特性曲线。从下图看来它的主要不足之处是低端延伸不足,其相频特性还满不错的(非消音室下近场测试)。

        vifad19.gif (17927 bytes)

三、时域特性

       时域特性这一客观物理特性描述了喇叭单元在时间轴上,随着时间的变化其频域特性的变化情况。时域特性不仅在频率的变化过程中描述了喇叭单元的响应状态,而且还在时间的变化过程中描述了喇叭单元的响应状态,也就是从三维的角度全面地描述了喇叭单元的响应特性。这点很重要,但往往被人们所忽视!应该注意到,很多主观听感的评述,如声低是否干净,背景是否清晰,层次是否分明,音场的深浅等均与喇叭单元的时域特性有密切关系。由于喇叭单元不同的时域特性才赋予扬声器系统千姿百态的个性。依个人观点,喇叭单元的时域特性是客观评价喇叭单元性能优劣的一个不可缺或而且很重要的方面。作为扬声器系统的设计人员来说很有必要对喇叭单元的时域特性作更深入的研究分析。后沿累积频谱图(俗称瀑布图)和阶跃脉冲响应就是喇叭单元时域特性的一些比较直观形象的表达方法。后沿累积频谱图不仅适用于对喇叭单元特性的测试分析,而且对扬声器系统的特性分析(包括声箱内部驻波情况)更有帮助。同时需要强调的是,时域特性的测试对环境因素的影响很敏感。一般情况下,要尽可能选择消音室的环境下测试,否则,测试的结果将是不可靠的。

   下图是一只德国产的1”球顶丝膜高音的阶跃脉冲响应图。从图中可以看到脉冲的上升沿只用了0.03ms,整个脉冲响应宽度也只有0.18ms,不难看出该单元的瞬态特性还是不错的。

    bl301ste.gif (8817 bytes)

    下图也是1”球顶丝膜高音的后沿积累频谱图。图中500Hz左右的“余波”很可能是测试环境影响所致。

    bl301wa.gif (20113 bytes)

    下图是一只8”碳纤维锥盆低音单元的后沿积累频谱图。可以看出在800Hz附近有一些遗憾,将在清晰度和层次感上受到一些影响。

    cjq801.gif (19920 bytes)

四、电阻抗特性

       这是喇叭单元的基本特性,为人们所熟悉。它描述了喇叭单元的电阻抗模的大小随频率变化而变化的情况。下图是Vifa5″(c13wg-08-08)单元的阻抗特性,是由来自欧洲的电声测试系统CLIO所给出的。

     clioc13r.gif (19420 bytes)

    我们可以通过阻抗特性了解到喇叭单元的直流阻抗、谐振频率、谐振阻抗峰的大小、额定阻抗以及音圈感抗的大小等情况。在这里有两点应该引起人们的注意:

   1、音圈感抗的大小

      通常低音单元f>200Hz时,阻抗特性将呈单调上升,上升的速率反映了音圈感抗的大小。过大的感抗将对喇叭单元的工作产生不良影响(尤其是对频率特性的影响)以及对分频器的设计带来困难。为了减少喇叭单元音圈感抗的影响,往往可以采用磁路和电路补偿的办法来以予解决。

   2、谐振阻抗峰的大小

      谐振峰过大也会给喇叭单元在该段频率附近工作产生不良影响,这在高音单元尤为突出,在生产中应给予适当的控制和处理。下图是1″单元的阻抗特性,可以看出,高音单元的谐振峰是出现在人们听觉最为敏感的1K-2K频段,也是二分频系统的高低分频的结合部,处理不当,将会产生主观听感该频段发硬、不圆润等不良感觉。

    cliog-001r.gif (17805 bytes)

五、失真特性

       我们常说的失真应包括谐波失真、互调失真、瞬态失真、相位失真、分谐波失真等多种线性和非线性、稳态和非稳态失真。在这里我们主要地讨论几种影响较大而又能够被常用的电声测试系统所描述出来的失真形式,以进一步加深对喇叭单元的客观认识。

    1、谐波失真

       谐波失真是喇叭单元的最常见的非线性失真。引起谐波失真的主要原因是喇叭单元的振动系统和磁路系统的非线性。在工作实践中,可以通过改善喇叭单元的材料(振膜、定位支片、折环等)的特性和改善磁路系统的线性来改善喇叭单元的谐波失真。下图是JBL公司的产品(型号为:JBL806G-1 S/N-1645)的谐波失真曲线图,由LAUD系统给出。从图中可以看到,该单元的谐波失真特性还是不错的,除了极低频以外,二次谐波失真在2%以下,而三次谐波失真更在0.2%以下。

     dist-jbl.gif (17952 bytes)

      根据有关资料和实际听音的经验,一般地说,谐波失真在1%以下时,就有良好的主观听感;谐波失真在3%就容易被人们所察觉;谐波失真达到5%时,主观听感就令人烦躁;如果谐波失真超过10%,主观听感就令人难以忍受。同时,人们对奇次谐波失真更为敏感。通常三次谐波失真应远小于二次谐波失真(在不同的数量级上)才会有良好的主观听感。在实际工作中,我们会常常见到这种情况,喇叭单元的三次谐波失真与二次谐波失真是同在一个数量级上,甚至三次谐波失真的分量比二次谐波失真的分量更大。这样的喇叭单元应该说是有很多方面需要改进的,其主观听感也是令人担忧的。因此,奇次谐波失真的大小,不能不引起我们更多的关注。若想取得较好的主观听感,我们还必须在改善喇叭单元的奇次谐波失真作出更大的努力。

    2、瞬态失真

      瞬态失真是由于喇叭单元的振动系统跟不上电信号的变化而引起的失真。这种失真通常可以通过测试喇叭单元的阶跃响应的上升沿特性和下降沿特性来表达。上升沿特性反映了喇叭单元的声响应起始瞬间速度的情况,而下降沿特性反映了喇叭单元的声响应消失中止的阻尼情况。人们都知道,喇叭单元对电信号响应的“速度”和“阻尼”在主观听音评价上产生很大的影响。还有一种能够更形象地表达下降沿特性的方法是喇叭单元的后沿累积频谱图。从上面的两幅后沿累积频谱图图中不难看出,后沿累积频谱图从整个频段形象地描述了喇叭单元在电信号消失后的阻尼情况,不同的频段具有不同的下降沿特性,也就是说喇叭单元在不同的频率下具有不同的瞬态响应(也是瞬态失真)。因此,反映在主观听音上就是我们听到了千万种具有个性的喇叭单元和扬声器系统(这点在本文的时域特性中已有叙述)。

   3、相位失真

      电信号通过喇叭单元后,电相位与声相位发生了变化而形成的失真。正如前面所说的一样,声相位失真对主观听音评价的影响越来越被人们所重视,尤其是扬声器系统,声相位的失真对声场、定位等主观听音评价产生不容忽视的影响。有资料说明人们的听觉对高频部分的相位失真比低频部分要敏感得多。

      相位失真除了可以用相频特性来表达以外,还可以用群时延特性来表达。一般地说,在中高频段,群时延>3ms时,对扬声器系统的重放效果就会产生可闻的影响。下图是一个二分频扬声器系统的群时延特性的事例。我们可以看到上半图所显示的群时延特性在4K附近,群时延>4ms,不难判断,该处是分频点的相位没有对接好的缘故,将会给主观听音评价带来不良影响。

     rogls33.gif (18530 bytes)

       产生相位失真的原因除了喇叭单元本身以外,主要有分频器设计不合理和各频段的喇叭单元的安装平面布置不合理等原因。

六、指向性

       指向特性是喇叭单元在空间各个方向的频率响应。它是从空间的角度描述了喇叭单元在参考轴上以外的空间的频率响应情况。前面我们提到了喇叭单元的频域特性、时域特性,那么在这里的指向特性可以说是喇叭单元的空间特性,也是喇叭单元的重要特性之一。

      根据声学原理,在低频段,喇叭单元所辐射声波的波长远大于喇叭单元振膜的边长,此时的声辐射没有明显的指向性。但是随着频率的上升,当喇叭单元所辐射声波的波长等于或小于喇叭单元振膜的边长时,声辐射就会沿着参考轴方向产生聚焦现象辐射声压产生明显的方向性,在听音空间产生不均匀现象,使得主观听音效果受到严重的影响。因此,不难知道,每一个喇叭单元都会受到自身尺寸所规定的实用边界频率的限制。喇叭单元的振膜面积越大,其实用边界频率就越低。例如8”低音单元的实用边界频率约为1.8K。下图就是一个8低音单元指向特性频率响应曲线的实测情况,从图中可以看出,在参考轴上的频率响应高端可达5.5KHz,当偏转30度时,其频率响应的高端只能达到2.2KHz。

     cliow801d0d3.gif (21946 bytes)

       指向特性通常不仅可以用指向特性频率响应曲线来表达,还可以用指向性图的方法来表达。如下图所示,是由CLIO系统测试的vifa 1高音单元(型号为:d25TG-85)的指向性图,该指向性图呈指向性较好的心型状,说明该高音单元在10KHz时仍有良好的指向性。良好的指向特性是获得良好的主观听音评价的起码要求之一。

     clio-vifa25d10k.gif (18170 bytes)

      以上我们从六个方面谈了如何认识喇叭单元,都是一些基本的客观物理特性。但从全面认识喇叭单元的角度来说,是很不够的,也是很肤浅的。喇叭单元还有很多客观物理特性需要我们去研究和认识,特别是喇叭单元的时间域和空间域方面的特性,仍未被我们所全面认识和理解。可以相信,随着科学技术的进步和同行们的不懈努力,完全有可能揭开喇叭单元(包括扬声器系统)的客观物理特性与主观听音评价之间的神秘面纱。

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