浅谈电声器件和电声系统的设计(二)

winniewei 提交于 周五, 02/15/2019
浅谈电声器件和电声系统的设计(二)

前面讲述了一些影响声音的因素和客观指标以及电声产品设计、工艺之间的关系。这里要和大家分享一下电声器件影响声音的一些技术指标。

我们仍然以扬声器为例来说明这个问题。这里我们把电声器件的“档次”提升一下,我们来研究Hi-Fi音响用的扬声器的技术指标。

朋友们对Hi-Fi音响用的扬声器自然不陌生。当我们选择一款扬声器时,扬声器厂家自然会提供一些参数和测试数据。负责任的厂家一般会提供:

  1. 阻抗、功率
  2. 灵敏度、频响曲线
  3. F0、阻抗曲线
  4. 一些常见的T/S参数如Qts及Xmax,BL等数据。

实际上,很多厂家提供的诸如频响曲线、阻抗曲线、T/S参数等,都存在一定的“美化”和“失真”的情况。即便是较资深的发烧友,自行搭建一套音频测试系统如LMS,也基本上限于将以上参数测试准确而已。然而,越来越多的实践证明,仅仅关注以上指标,还不足以判定一个扬声器单体的好坏。也就是说,只关注以上指标,其实是不够的。可是遗憾的是,目前的绝大多数电声设计者和发烧友,都是在基于以上有限的性能指标来进行设计,不能不说是一种遗憾。

下面,老虎180就一些大家一般不会关注到、但对设计非常有用的一些参数和数据,逐一描述一下:

一、THD

THD是英文“Total Harmanic Distrotion”的缩写。和频响曲线类似,在不同的频点,扬声器的THD也不同。因此THD会生成一条曲线。而一般的扬声器的规格中,均对THD曲线没有相应的描述。但实际上,THD对听感影响极大。简要来说,THD总体偏高的扬声器,其声音一定不如THD总体偏低的扬声器来的自然。
下图是典型的扬声器的一条频响和THD曲线。从图中我们可以看出,THD曲线在低频部分,特别是低于谐振频率的时候,会有一个较大幅度的抬升。在高于谐振频率的时候一路下降。在某些频点,伴随着频响曲线的起伏,THD 曲线也产生起伏。

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THD曲线在低频F0附近的抬升的内因主要来自于扬声器的振幅。主要是由 于扬声器在谐振频率附近,振幅加大,导致音膜的折环和定心支片等引发的失真。引发此失真的来源还有一个因素,那就是磁路和音圈的配合。如果音圈在磁路中的位移导致了音圈所处的磁通量有较大变化的话,也会引发较大的低频的失真。

THD曲线在高频段的“峰值”和振膜的形状、内阻尼等密切相关。往往在这个频点上,由于高频声波在振膜上的传播,导致了振膜上面产生“驻波”,进而使得在某些频点,振膜的某些部位变形明显,体现在指标上,就是THD的峰值。于此对应,往往会在频响曲线上也表现为峰谷,进而影响听感。

进一步分析失真,还可以按照阶数对失真做细分。如下图,对2阶和3阶失真分别显示。

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需要注意的是,THD指标是和扬声器工作的频率以及承受的功率都密切相关的。脱离了指定的频率或者功率,谈THD都是空谈。上图中蓝色曲线为2W时的THD曲线,而黄色曲线为0.5W时的THD曲线。市面上销售的扬声器,有很多给不出THD的数据,那是因为传统的大型扬声器生产商,对THD不够重视,很多厂商的测试设备甚至不能准确测量出THD曲线!而伴随着手机等消费类产品音频设计的提升,B&K、Soundcheck等音频测试系统的导入,THD得到了一些厂家的重视。需要指出的是,扬声器功率越低,THD越小;在1-2K频段,扬声器的THD也是相对比较低的。一些厂家声称自己的扬声器THD可以做到<5%甚至<3%,看上去貌似很低,但如果不指定功率和指定频点的话,基本上是没有意义的。那种号称自己的THD可以做到1%甚至0.5%以下的,基本上和江湖郎中无异了...如果需要关注THD,建议关注额定功率下的THD曲线,这样会更客观一些。

二、T/S参数

T/S参数是由THIELE和SMALL先生首先提出的扬声器系统数学模型的基本参数。T/S参数是由THIELE和SMALL先生首先提出的扬声器系统数学模型的基本参数。T/S参数由四个小信号参数和2个大信号参数组成。

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。

在实际应用中,经常会遇到Qts参数,它表征扬声器在低频段的谐振峰的大小。Qts为Qes和Qms的并联。

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。

T/S参数在电声系统设计过程中,需要根据实际情况来灵活判断。我们经常遇到的应用场景无外乎两种。第一种场景:我们手头正好有一个喇叭单体,我们希望用它来设计出一个可用于低音重放的音箱。第二种场景:我们根据使用场景的需要,计划做一款长宽高比较确定的箱体,甚至我们已经想好了箱体的设计图纸,决定了箱体的声学结构,我们希望选择一款合适的喇叭单体来配合我们的箱体。不管是那种情况,我们心目中都有一个“理想的”效果,我们的设计要尽量去接近这个“理想的”效果。此时,T/S参数就可以帮助我们做出一定的判断。使我们获得一个低频响应接近我们的“理想效果”的系统。

试以2为例,简述这个过程如下:

假设我们需要制作一个密闭箱体的音箱,扬声器口径4寸,希望音质好,低频量感尽可能突出,应如何设计?

根据Q值的物理含义,假设Qts为Qes和Qms并联,Qts越高低频谐振峰越大,低频量感突出的话,我们应该首选Qts高的喇叭?其实设计时往往不是这样的。设计时第一步往往会先考虑谐振频率Fs,因为谐振频率Fs是位移振幅获得平坦频率响应和加速度振幅获得平坦频率响应的转折点。Fs越低,意味着平坦频率响应曲线向低频段延伸越多。相反,Fs越高,意味着在低于Fs的频段,声压将按照指数规律下降,不易获得良好的低频响应。对于4寸扬声器来说,Fs的常见范围在60-90Hz之间,低的Fs有助于低频的提升。

选取好恰当的Fs的扬声器后,我们才需要去考虑其它参数和箱体的匹配。在此时,我们需要考虑的因素有:1、密闭音箱体积在后腔形成的压缩空气“弹簧”,会对扬声器振膜产生“阻尼”。此阻尼会导致系统谐振频率升高,扬声器低频段振幅减小...2、考虑这个阻尼的作用,需要扬声器单体在障板测试模式工作在“欠阻尼”的状态,装腔后利用空气阻尼从而达到正确的“阻尼响应”...3、扬声器“速度”问题。在本设计中,首先需要确保听感,也就是空间感和速度感,确保声音鲜活,不迟钝,也不拖沓。其次再追求平直的频率响应。此时,扬声器的QMs参数就派上用场了。一个足够大的Qms的设计(如Qms>2)是取得上述声音表现的关键...4、频响曲线的平直。传统的音箱设计理论,都是按照这个思路来设计的,可以代入检验。如果需要调整,在确保Fs、速度的前提下,可以通过BL和膜片设计的调整来进一步优化。一般规律是:加大BL,Qms提升,Qes和Qts下降。

三、时域和瞬态响应

在前面章节提到,扬声器“速度”的问题,这其实就是扬声器的时域和瞬态响应问题。也是决定听感的一个非常重要的因素。扬声器的时域和瞬态响应,在传统的扬声器和音响制作领域谈论甚少,可是如果不关注深挖此类指标的设计,要想获得好的听感只能是“碰运气”的成份更大一些。

扬声器的时域和瞬态响应,有很多电声测试系统都是可以完成测试的。比较常见的电声测量软件Soundcheck,其中的第2006号模块---Time Selective Response,就可以完成相应的测量。再如免费的声学测量软件REW(Room Eq Wizard),也是可以测量诸如Time Domain响应的。

在扬声器时域和瞬态响应中,三维频谱累计图是我们比较常见的一种图形。更多时候,他有一个更为形象通俗的名称:瀑布图。

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瀑布图有三个维度构成,分别是频率、声压级和时间。在时间=0的平面内,被测扬声器的稳态频响会被作为第一条曲线。而经过一段时间间隔后,被测扬声器的剩余频响曲线又会生成第二条曲线。重复这一过程,在不同的时间坐标上就会得到许多条曲线。此时,扬声器的残余频响特性就一览无余了。

理想的衰减特性当然是全频段均匀衰减,而且衰减极快。但事实上,扬声器在驱动消失后运动不会马上停止,所以我们只能退而求其次,从扬声器的衰减时间和衰减均匀度两个维度来要求。

四、相位特性

在一个理想的线性系统中,如果我们定义输出对输入信号没有发生任何形变及时间的延时,则这个系统的幅频和相频曲线都是平直的。而实际上,扬声器的输出信号对输入信号是存在形变和延时的。其中,由于距离带来的延迟,是一个固定值。而消除这个固定值影响后,我们还可以得到一个相对的相移曲线。

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扬声器的相对相移曲线中的相位波动,往往和幅频曲线的波动是一一对应的。扬声器单元作为一个最小相位系统,其不带群延时的相频特性可以由其幅频经希伯特转换而得到。这些波动,往往会成为扬声器音色改变的一个标志。例如上图中,群延迟曲线、幅度曲线、相位曲线中表征的5-6KHz之间的波动。

值得注意的是,在分频设计中,也需要较为系统的考虑扬声器的相位的衔接。如果衔接出现问题,对应的频响曲线也会出现波动,而声音的质量也会受到影响。

此外,扬声器还有诸如指向性等指标需要关注。这些指标有兴趣的朋友可以自行查阅相关资料。(未完待续)

作者:上海易和声学科技董事长 葛虎,更多信息请登录易和声学官网 http://www.yeahoo.com.cn/

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