扬声器系统|音箱设计入门

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所属分类:音箱设计

一、扬声器系统简介:

完整的扬声器系统(loud—speaker,又称喇叭、音箱)由一个或多个下述部件组成,它们分别是电声换能器——扬声器单元(speaker、driver,又称驱动器、喇叭)、支撑及辅助发声物一一箱体(box、Enclosure,又称音箱)、分频器(crossover、network,又称分频网络,有些情况下不存在)及其他附件组成。需要说明的这并非一定是标准的称谓,但为了避免导致理解上的混乱(可以看到英文称谓也比较混乱),下文仅使用上面粗体的定义词。
扬声器系统的设计,一般来说涉及到电学、力学、信号与系统分析理论、声学、声心理(生理)学等方面,当然也有人说有艺术的成份在里面。无论如何,合格的设计者必须首先保证他设计的系统满足技术上的要求一一能达到某一个标准,而对系统的主观评价也是比较重要的一环。本系列文章着重前两点的讨论。
从技术角度看,要研究一个扬声器单元或系统的特性,通常会进行一系列的测量和考察。这些考察通常包括阻抗特性、灵敏度(或效率)、频率特性、瞬态特性、失真特性和指向特性、承受功率等等。实际上其中某些特性是非线性的,因此通常会用某种条件下测量到的直观的图表来反映。下面一一介绍它们的测量和表示方法。
二、常见扬声器单元或系统考察内容:
1、阻抗特性:
阻抗特性是加在某器件两端的信号(交流)电压和产生的电流的比例及相位关系。对于理想电阻,无论信号的频率如何变化,只要端电压恒定则产生的电流不变,而且它们之间的相位差为0,我们称之为阻性负载。对于理想电感,产生的电流会比端电压在相位上滞后90度,而且随着频率的增加,同样的端电压产生的电流越来越小,我们称之为感性负载。理想电容的情况跟电感刚好相反,产生的电流比端电压超前90度,随频率增加而电流越来越大,我们称之为容性负载。
现实中的电阻、电感、电容都是一些复合负载,在使用的时候要注意工作状态其是否导致偏离理想器件太多,否则要等效为复合负载。
对于扬声器单元或系统这样的负载来说,原始的方法是用标称阻抗(或称之额定阻抗)来标识其阻抗特性,实际上由于振动系统谐振、音圈电感的存在,因此它的阻抗特性呈复杂的形态,甚至不可以用理想器件的组合来完全等效。这样也造成部分厂家标识额定阻抗的随意性,而阻抗曲线图可以直观地表示阻抗特性。图1是某一低音扬声器单元在自由场下测试的阻抗曲线(该扬声器单元标称阻抗为8欧姆,我们可以看到,扬声器单元只在某一段频率范围内接近标称阻抗)。

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图1.某一低音扬声器单元在自由场下测试的阻抗曲线

图中,横坐标是频率轴,左纵坐标是阻抗模值,右纵坐标是阻抗相位角。可以看到,在整个音频频带内(20—20kHz),其阻抗模值(黑色线)都是随信号频率变化而变化的,同时相位角(灰色线)也在变化。
留意频率低端到F1处的阻抗模值,它是随频率上升而上升的,因此这段频率范围内阻抗呈感性,观察该段的阻抗相位角,均在0度以上。而F1一F2范围内呈阻抗模呈单调下降状态,相位角在0度以下,表明此范围内阻抗呈容性。F2至频率高端则阻抗又呈感性。如此复杂变化的阻抗变化,会给前端的放大器带来很高的要求,往往放大器在此种负载下不能稳定地工作在理想状态。

需要说明的是,由于扬声器单元悬挂系统的物理非线性,导致在不同的测量条件下,会反映出不同的阻抗特性(主要表现在谐振频率附近)。例如恒流法和恒压法的偏差、测试信号大小引起的偏差,但在一般情况下不是专门考察这些偏差的时候可以忽略不计。
2、灵敏度(或效率):
灵敏度和效率都是反映扬声器(及系统)电声转换能力的参数,由于非线性等原因的影响,他们又不是完全相同或等效的。《扬声器及其系统》(曹水轩、沙家正著)中写到,扬声器单元在某一频带内的效率,是该单元在该频带内辐射的声功率与馈给扬声器的电功率之比。即:
η=Pa/Pe×100%
其中,Pa为声功率,Pe为馈给的电功率。
而Pe=U^2/Z
其中U为加到扬声器两端的交变电压,而Z为扬声器单元在该频带内在阻抗模值。
但正如上面所提到的阻抗变化问题,该扬声器单元在这频带内的阻抗并非恒定的,因此在测量其效率的时候,我们要注意计算馈给功率时不要采用标称阻抗。而实际上由于阻抗特性的影响效率也是随输入信号的频率改变而改变,通常在扬声器单元的谐振频率附近效率最高,达到百分之几的幅度(但此时并非一定会产生最大的声压输出——这里要特别说明,因为有些文章将其混淆了)。由于扬声器单元(或系统)在中高频的集束现象(参看下面介绍的指向特性),我们很难去量度实际辐射的声功率。因此便引入了灵敏度这一概念。
最初定义的灵敏度是这样的:在扬声器单元(或系统)的有效频带内,馈给其以相当于在标称阻抗上消耗1W电功率的电压时,在参考轴上距离1米处测量到的声压级(注意这里的声压级用dB表示),因此灵敏度单位为dB/W/m。也正如上提到的阻抗变化问题,实际上馈给扬声器单元(或系统)的电功率并非恒定是1W,而是馈参考其标称阻抗换算过来的恒定电压。例如标称阻抗为8Ω则馈入2.83V,标称阻抗为4Ω则馈入2V。既然如此,灵敏度单位dB/W/m里的功率单位w(瓦特)就名不符实了。由于我们使用的放大器大部分的输出电压与负载阻抗几乎无关(除了一些电子管放大器,或者负载低至1~2Ω甚至以下),鉴于此,笔者建议以后在标称灵敏度时一律以电压灵敏度为准,即灵敏度单位为dB/2.83V/m(结合大部分扬声器标称阻抗为8Ω的情况),测量时则一律输人2.83V的电压(除非特别情况应加特别说明)。
总的来说,灵敏度与效率的不同之处,部分是因为二者针对的物理量不同(一个为声压而另一个为声功率)而造成的,更因为在有效频带内扬声器单元指向从无变狭窄而造成计辐射声功率、轴向声漫压的不统一造成。
3、频率特性:
频率特性指馈给扬声器单元(或系统)的电压为恒定时,在参考轴上某一点测量到的直达声压随频率变化的特征,在这里声压也是以dB来表示的。通常测量频率特性要在消声室里进行,测量距离通常为1米(对于大型系统可能为2米甚至更远),现在也出现了可以在普通房间里测量频率特性的方法(如用MLS结合FHT、TDS/TSR等),馈人的电压通常为2.83V或者为额定噪声功率的1/10对应标称阻抗转换得到的电压。最近也看见在横向对比测试中按单元在某频率点输出声压级相等的情况下进行,例如针对A单元,输入2V时在400Hz可产生的声压级为90dB,则采用2V恒压进行频率特性的测量,而针对B单元要输入2.5V才能在400Hz产生90dB的声压,因此在测量B单元频率特性时采用2.5V恒压进行。这些在提供频率特性时都需要注明,以方便检查和横向对比。
由于系统产生的瞬时声压的与输入信号的相位有差异,因此实际意义上的频率特性不但包括系统的幅频特性,还包括了系统的相频特性。故频率特性要由幅频曲线和相频曲线一并表达,图2a是频率曲线的例子,这是一个假想的扬声器单元测量结果,该单元低端-3dB点为60Hz,在此之下以-12dB/oct滚降,高端-3dB点为40kHz,在此以上以-12dB/oct滚降。为更好观察谐振的情况,还假定此单元的声压在500Hz有幅度达4dB的谐振,谐振Q值为3。

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图2a.假定无非线性失真的扬声器单元的频率响应及相位曲线

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图2b.减去延时后得到的结果

图中灰色线为相频曲线,可以看到在2000Hz以上反复振荡在-180度到180度之间。这是由于测量距离引起的线性相位移(在此例中测量距离为90mm,因此时间延时约为90/344≈0.2616ms,参见图3的冲激响应),也因此称之为绝对相位曲线。通常为了更方便的观测,我们可以减去这段时间引起的相位影响,减去延时影响后图2b较清晰地反映了相对相位变化的程度。

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图3.对假定扬声器进行测试得到的冲激响应

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