浅谈电声器件和电声系统的设计(三)

winniewei 提交于 周一, 02/18/2019
浅谈电声器件和电声系统的设计(三)

下面,我们谈一谈音箱设计。

谈到音箱设计,大家马上就会浮现出一大堆音箱设计的理论,例如常见的音箱类型:障板、倒相式音箱、传输线式、密闭式...以及喇叭T/S参数测量,计算,设定尺寸,加工制作,分频器,调试,试听...如此种种。在此不想赘述。感兴趣的同学可以自行查阅相关资料。在这里,仅想就一些要点做简单阐述。

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一、低音扬声器的尺寸和扬声器选择

这个问题看似简单,实则内有玄机。扬声器选择失误,一个好的设计就会功亏一溃,任凭如何用心也不能达到理想的效果。这里面,常见的误区有:

1、迷信小尺寸的扬声器也能发出震撼的低音。现在很多厂家都在吹嘘自己的小口径的扬声器能够发出多么多么震撼的低音,低音效果能够力压某某大尺寸的扬声器。还真有一帮兄弟深信不疑,前赴后继的跳进去。那么就让老虎从理论上来阐述这种宣传有多荒谬吧...

扬声器技术中把音盆的有效投影面积Sd与Xmax(最大线性位移Xmax是指扬声器单元工作时锥盆单向位移的限度,单位是MM。当扬声器锥盆的单向振幅超过这个限度时,切割磁场的音圈匝数减小,导致音圈的驱动力下降,扬声器的输出声压进入非线性状态,失真明显增大)的乘积用Vd表示(见前述T/S参数中的大动态参数),在同等的Xmax情况下口径大(Sd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,需要的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。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。

接下来,我们以6.5寸和5.5寸为例,简述此问题。6.5寸喇叭的Sd是5.5寸的1.4倍,这意味着要得到同样的低频下限重放,5.5寸的扬声器Xmax也要是6.5寸扬声器的1.4倍。这意味着磁路的线性范围也要增加为6.5寸的1.4倍。振幅加大也意味着失真的急剧增加,可以参考前面的0.5W和2W的THD对比曲线...

仅仅如此还不够, 5.5寸扬声器的F0也要和6.5寸F0相当才可以(口径越大,谐振频率越低)。这就意味着5.5寸的扬声器必须在加大振膜的顺性和增加振动系统质量上下功夫,如此带来的后果就是扬声器灵敏度降低和失真加大...

以上两点叠加,你还相信5.5寸的喇叭会有比6.5寸喇叭更好的低音重放效果么?能做到相同就太不容易了,对吧?当然,我们不排除一个非常非常优秀的5.5寸的设计,不惜工本的采用了长冲程的音圈和大磁路,采用了顶级材料和设计的振膜来弥补F0和THD的恶化,又采用了大体积的磁钢弥补灵敏度的损失...然后效果超越了某一款6.5寸的入门级产品的可能。但显然这并不是一个性价比高的,理性的选择。当然,如果你非要用一款低音5.5寸扬声器和一个6.5寸中低音扬声器去比较低音,那我也没办法:(。换个角度思考,同样的设计,如果用在6.5寸扬声器上,那效果又如何呢?在低频重放是我们的目标的时候,在选择扬声器时,口径能大还是大一些的好,这样选择范围可以宽很多。

二、关于扬声器T/S参数

这个问题貌似是只要做音箱的人都会关注的问题。但实际上经常会由于理解不到位,导致做出来的成品和心中所想差距甚远。在前面,T/S参数这一节也举过例子简述了老虎的设计理念。这里仍然需要总结如下:

1、关注Sd和F0,它们决定了扬声器的低频重放能力,也是音箱设计的重点。

2、要关注扬声器的速度感。速度感是一个扬声器是否能满足最基本的听音需求的重要指标。需要重点关注Qms。Qms过低的扬声器,无论在任何场合,采用任何声学结构配合,都不能出好声音。口径越大的扬声器越会有这样的风险。

3、考虑扬声器速度感、阻尼和箱体的匹配。无限大障板由于后方是接近开放的空间,没有额外的空气阻尼施加给扬声器,此时扬声器处在自由振动状态。如果希望获得平直的低频响应和良好的速度感,对扬声器的T/S 参数的要求就非常严苛了。在障板应用的场合,为了获得平直的低频响应,Qts应该取值在0.707附近,而与此同时,为了获得良好的速度感,Qms也需要维持恰当的数值,不能过低...换句话讲,对于一个口径基本确定,用于障板听音的扬声器而言,取得音效最佳状态的扬声器T/S参数的取值范围是很窄的。如果是密闭音箱,由于有箱体容积的空气作为阻尼,对闭箱扬声器的要求和障板扬声器就完全不同了。闭箱扬声器的F0应该尽量低一些,而振膜应该工作在“欠阻尼”的状态。只有这样,在装入箱体后,整体的F0和阻尼才能回到我们要求的范围内。

在实践中,我们经常可以听到一些音箱产品,声音浑浊,粘,这就是典型的速度感不足的扬声器的代表声音。如果遇到此类扬声器,千万不要幻想能够通过腔体设计来优化改善声音,直接放弃才是王道。一些大口径的扬声器,如果振膜比较厚重,但磁铁很小的话,往往非常容易犯这个毛病,这又一次论证了驱动不足带来的危害,也证明了扬声器的减少磁间隙的追求不是空穴来风(靠忽悠生活的山寨小厂除外)。另一种声音取向是低频发紧,发闷,这是典型的扬声器过阻尼的声音,此时,如果是密闭箱,可以尝试加大腔体容积来改善。如果低频过于松,甚至有些拖泥带水,往往是扬声器欠阻尼,此时如果是密闭箱,可以尝试减少腔体容积来改善。

三、关于频响曲线

提到这个问题,很多人都会觉得,尽可能平直就可以了呗。从设计角度看这话说的没错。然而实际上,许多大厂的做法确不一定是这样的。

1、关于低频。几乎所有的音箱制作教课书都是按照低频段响应平直来设计和调试。然而我们在关注低频段频率响应的同时,也需要重点关注一下低频段的THD。特别是正常听音功率时的THD。因为太多太多情况下,低频段的THD会“惨不忍睹”,这也是除了速度和阻尼之外,低频段声音恶化的另一个重要原因。改善低频段THD的方法有:改善扬声器振膜、增加扬声器驱动、增大扬声器Xmax和线性范围、采用“带阻尼”的腔体结构(如密闭箱体)...

2、关于中高频。中高频段需要特别留意频响曲线上的小的峰和谷。这种峰和谷,往往同THD的增加,相位曲线的峰谷联系在一起,形成“声染色”的现象。这一般是要杜绝的。改善方法是通过振膜优化设计来改善。中频处有一个较大的谷点,是和扬声器的口径和悬边相关的,被称为“中频谷”,这个谷点较难优化掉,可以暂时保留。

3、关于分频点。分频点的选择可以按照单元特性和个人经验来确定。但需要注意的是,不要一味的按照教科书上的公式来计算和设计分频器。以2分频音箱的二阶分频器为例,分频点往往取在2-4K之间为多。而这个频段,是人耳听觉最为敏感的频段,也是最容易感受到声音嘈杂不动听的频段。按照二阶分频公式来计算设计分频器,会导致这个频段频响特性上有“凸起”,声音嘈杂刺耳。往往将低频分频点向低频方向移动,同时将高频分频点向高频移动,会减轻这样的感受。有时,甚至在这个频段略微有些凹陷,声音也不会觉得难听,反而会比较悦耳。

4、关于相位。相位和频响特性是可以互相转换的,分频点处的高音和低音单元的相位,是需要对齐的。此时频响曲线最为平滑,而且听感上,高低频衔接更为顺畅。

四、关于音箱和放大器的匹配

这个问题也困扰过很多人。在此,简单论述如下:

1、功率和阻抗。这个问题看似浅显易懂,实则很多烧友经常在这个问题上犯错误。常见的错误有:

小功率放大器推高阻音箱。所谓小功率放大器,顾名思义,功率输出低。这意味着其输出电压的能力比较差。扬声器的阻抗其实只是阻抗曲线中的一个低点。整条阻抗曲线,很多频率下的阻抗是较高的。如果要做到全频无失真,功率放大器的储备功率就不能太低,否则会引发失真。

低电流输出能力的放大器驱动低阻音箱。所谓低电流输出能力,是指功率放大器的输出端,在大电流输出时,由于末级功率管驱动不足或电流输出能力不足,导致的内阻升高的现象。此时,放大器和扬声器失真均严重增加,声音急剧恶化。

2、易推和难推。接上述论述,往往有音箱采用的扬声器单元,为了降低失真,采用了低灵敏度设计,同时Qms较低处于临界位置。这样的音箱,在推动时,往往需要更加注意放大器的功率和电流输出能力。一旦功率和电流输出能力二者有其一存在短板,都会导致声音不同程度的恶化。常见的表现是声音缺乏鲜活感。观察一个放大器是否适合推动音箱,只需要关注该放大器的两个指标即可:第一个指标是输出功率,要有足够的功率储备。第二个指标是驱动低阻抗负载的能力和内阻,8欧100W的放大器,在2欧负载时能否输出400W功率?如果能做到这一点,这个功放可谓“百搭型”的。否则就会受到制约。

3、速度和阻尼。好的速度感往往能营造出一个“鲜活”的声场,良好的阻尼能使得声音收放自如。给人整体的感觉真实而又舒服。

(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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