扬声器(喇叭)的频率特性

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所属分类:音箱设计

我们知道,扬声器的锥盆具有一定的刚性,它在低频段可以看作是一个刚体,但当扬声器的工作频率增高时,扬声器锥盆就不再是一个刚体,锥盆将会出现分割振动。此外,扬声器锥盆和折环在振动时还会出现相互干扰现象。由于这些原因,当我们将不同频率的音频信号输给扬声器单元时,虽然音频信号电压保持不变,扬声器单元辐射出的声压却随着信号频率的不同而变化。扬声器的频率特性就是指当输入扬声器的信号电压恒定不变时扬声器在参考轴上的输出声压随输入信号的频率而变化的规律。扬声器的频率特性揭示了扬声器单元对不同频率的声波的辐射能力,因此,它是扬声器的重要参数之一。扬声器的频率特性可以通过频率特性曲线、有效频率范围和不均匀度这三方面综合表示。

扬声器(喇叭)的频率特性

某全频扬声器(喇叭)单元的频率响应曲线

(1)扬声器的频响曲线
接触过扬声器的人大多看到过扬声器的频响曲线,它是一条记录在宽度为5cm或10cm记录纸上的连续不规则曲线。记录纸上的X轴表示输入扬声器单元的电信号频率;Y轴表示被测扬声器单元在不同频率的电信号时所产生的声压级,我们人耳可以听到的声压范围相当大,从耳朵刚能听到的声压到耳朵感到疼痛时的声压上下相差近一百万倍,如此宽大的声压变化范围直接用声压进行测量和比较会显得十分不便。人们在实验中发现,人耳的听觉特性具有指数特性,用指数形式来表示声压级大小从客观上也能符合人的听觉分辨能力。声压级的单位是分贝(dB),它在音响技术中是一个相当有用的度量单位。某一发声体的声压级可以用该发声体所产生的有效声压P与基准声压Pr比值的常用对数乘以20来表示。这里的基准声压Pr是指大多数听力正常的人刚能听到频率为1000Hz的声音时该声音的声压。我们通常将耳朵刚能听到的声压级为叫0dB,那么我们感觉震耳欲聋时的声压级只有140dB,由此可见用对数形式表示声压级的大小可以使声压级的测量和比较变得十分简单。扬声器的频响曲线目前大多在消声室中测得,具体测试方法如图1-7所示。被测扬声器单元通常固定在消声室内的标准障板上,测量话筒放置在被测扬声器单元的参考轴上。目前大多数扬声器的频响曲线在1m.1w的条件下测得,即输入被测扬声器单元的信号功率为1w,测量话筒沿被测扬声器单元的参考轴距离扬声器的发声面1m。信号发生器的输出信号经功率放大器放大后馈送到被测扬声器,被测扬声器辐射出的声信号被测量话筒接收后转变为电信号,经测量放大器处理后进至电平记录仪。当信号发生器的输出信号频率发生变化时,扬声器输出声压发生的相应变化便同步地被电平记录仪记录下来,这就是被测扬声器单元的频响曲线。
在缺乏专门测试设备的条件下,我们也可利用一些简易的音响器材:一台音频信号发生器、一只电子毫伏表、一台性能较好并具有话筒输入的功率放大器和一只录音话筒,对音箱的频响特性进行大致测试。测试时将录音话筒放置在距被测音箱发声面几何中心的正前方1m处,录音话筒拾取的微弱电信号经话筒输入端输入功率放大器,功率放大器的输出端接一只8Ω的线绕负载电阻,电子毫伏表并接在负载电阻的两端。用音频信号发生器向被测音箱输出一个1kHz的音频信号,调节功率放大器的音量电位器,使电子毫伏表上的电压为2v左右,将音频信号发生器输出信争的频率从20Hz缓慢上升到20000Hz,根据电子毫伏表上电压的起伏变化,即可大致了解被测音箱的频响特性。当然,这时电子毫伏表上反映出的频响特性,必然包括房间声学环境对音箱频响特性的影响以及所用功率放大器、录音话筒自身频率特性引起的测量误差。如果能借到声级计的话,可以直接将声级计放置在刚才的测量话筒位置,直接从声级计上读出音箱在某特定频率下的输出声压,从而判断出音箱在哪些频率点有明显的峰谷点。
(2)扬声器的有效频率范围
在被测扬声器单元频响曲线上声压级最高的区域内选取一个倍频程的带宽,计算出该带宽的平均声压级,然后将此平均声压级作为基准,在此平均声压级以下10dB处作一条与X轴平行的直线,该水平直线与扬声器的频响曲线有两个交点,这两个交点所对应的频率之间的频率范围就是我们常说的扬声器有效频率范围。倍频程是指两个频率比为2的频率同隔,例如250Hz到500Hz,或5000Hz到10000Hz,都是一个倍频程。我们在前面已经讲过,当输入电动式扬声器的信号频率低于它的谐振频率时,扬声器的输出声压以每倍颏程12dB的速度下降,因此国际电工委员会(IEC)规定将扬声器单元的谐振频率作为该扬声器的低频下限频率,而将扬声器单元频响曲线高频端的交点为该扬声器的高频上限频率,它们之问的频率范围称为该扬声器单元的有效频率范围。图1-18就是用B&K2012音频分析仪在非消声室条件下用TFSR方式测得的银笛某一低频扬声器单元的实测频响曲线,我们求出它的最高声压级区域内2500~5000Hz这个倍频程的平均声压级为87dB,然后在77dB处划一根水平线,这条水平直线与该频响曲线分别相交于40Hz和8000Hz两点,因此,该低频扬声器单元的有效频率范围为40和8000Hz两点,因此,该低频扬声器单元的有效频率范围为40~8000Hz。有时扬声器生产厂还提供一种称为扬声器额定频率范围的指标。扬声器单元的额定频率范围和有效频率范围是两个不同的概念。前者是扬声器生产厂根据扬声器单元的产品标准及用途而规定的扬声器单元最佳工作频率范围;后者是指扬声器单元能够有效地重放出满足一定声压级要求的信号的频率范围。由于两者定义不同,它们的频率范围也不同。
(3)扬声器的不均匀度
通常我们测得的扬声器频响曲线并非一条平坦的直线,它是一条具有许多峰谷点的不规则连续曲线,在被测扬声器单元的有效频率范围内,频响曲线上最大声压级与最小声压级之差,称为该扬声器单元的不均匀度。窄于1/9倍频程的峰和谷忽略不计。我们仍以图1-18中的频响曲线为例,在忽略不计小于1/9倍频程的情况下,该扬声器的最大声压级为92dB最小声压级为82dB,得出该低频扬声器的不均匀度为10dB,扬声器单元的频响曲线越平坦,扬声器单元的不均匀度越小。

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