【導(dǎo)讀】 之前有文章講述了一些影響聲音的因素和客觀指標以及電聲產(chǎn)品設(shè)計、工藝之間的關(guān)系。現(xiàn)在給大家分享一下電聲器件影響聲音的一些技術(shù)指標。
之前有文章講述了一些影響聲音的因素和客觀指標以及電聲產(chǎn)品設(shè)計、工藝之間的關(guān)系。現(xiàn)在給大家分享一下電聲器件影響聲音的一些技術(shù)指標。
我們?nèi)匀灰該P聲器為例來說明這個問題。這里我們把電聲器件的“檔次”提升一下，我們
來研究Hi-Fi音響用的揚聲器的技術(shù)指標。
朋友們對Hi-Fi音響用的揚聲器自然不陌生。當我們選擇一款揚聲器時，揚聲器廠家自然會
提供一些參數(shù)和測試數(shù)據(jù)。負責(zé)任的廠家一般會提供：
阻抗、功率
靈敏度、頻響曲線
F0、阻抗曲線
一些常見的T/S參數(shù)如Qts及Xmax，BL等數(shù)據(jù)。
實際上，很多廠家提供的諸如頻響曲線、阻抗曲線、T/S參數(shù)等，都存在一定的“美化”和“失真”的情況。即便是較資深的發(fā)燒友，自行搭建一套音頻測試系統(tǒng)如LMS，也基本上限于將以上參數(shù)測試準確而已。然而，越來越多的實踐證明，僅僅關(guān)注以上指標，還不足以判定一個揚聲器單體的好壞。也就是說，只關(guān)注以上指標，其實是不夠的。可是遺憾的是，目前的絕大多數(shù)電聲設(shè)計者和發(fā)燒友，都是在基于以上有限的性能指標來進行設(shè)計，不能不說是一種遺憾。
下面，老虎180就一些大家一般不會關(guān)注到、但對設(shè)計非常有用的一些參數(shù)和數(shù)據(jù)，逐一描述一下：
一、THD
THD是英文“Total Harmanic Distrotion”的縮寫。和頻響曲線類似，在不同的頻點，揚聲器的THD也不同。因此THD會生成一條曲線。而一般的揚聲器的規(guī)格中，均對THD曲線沒有相應(yīng)的描述。但實際上，THD對聽感影響極大。簡要來說，THD總體偏高的揚聲器，其聲音一定不如THD總體偏低的揚聲器來的自然。
下圖是典型的揚聲器的一條頻響和THD曲線。從圖中我們可以看出，THD曲線在低頻部分，特別是低于諧振頻率的時候，會有一個較大幅度的抬升。在高于諧振頻率的時候一路下降。在某些頻點，伴隨著頻響曲線的起伏，THD 曲線也產(chǎn)生起伏。
THD曲線在低頻F0附近的抬升的內(nèi)因主要來自于揚聲器的振幅。主要是由 于揚聲器在諧振頻率附近，振幅加大，導(dǎo)致音膜的折環(huán)和定心支片等引發(fā)的失真。引發(fā)此失真的來源還有一個因素，那就是磁路和音圈的配合。如果音圈在磁路中的位移導(dǎo)致了音圈所處的磁通量有較大變化的話，也會引發(fā)較大的低頻的失真。
THD曲線在高頻段的“峰值”和振膜的形狀、內(nèi)阻尼等密切相關(guān)。往往在這個頻點上，由于高頻聲波在振膜上的傳播，導(dǎo)致了振膜上面產(chǎn)生“駐波”，進而使得在某些頻點，振膜的某些部位變形明顯，體現(xiàn)在指標上，就是THD的峰值。于此對應(yīng)，往往會在頻響曲線上也表現(xiàn)為峰谷，進而影響聽感。
進一步分析失真，還可以按照階數(shù)對失真做細分。如下圖，對2階和3階失真分別顯示。
需要注意的是，THD指標是和揚聲器工作的頻率以及承受的功率都密切相關(guān)的。脫離了指定的頻率或者功率，談THD都是空談。上圖中藍色曲線為2W時的THD曲線，而黃色曲線為0.5W時的THD曲線。市面上銷售的揚聲器，有很多給不出THD的數(shù)據(jù)，那是因為傳統(tǒng)的大型揚聲器生產(chǎn)商，對THD不夠重視，很多廠商的測試設(shè)備甚至不能準確測量出THD曲線！而伴隨著手機等消費類產(chǎn)品音頻設(shè)計的提升，B&K、Soundcheck等音頻測試系統(tǒng)的導(dǎo)入，THD得到了一些廠家的重視。需要指出的是，揚聲器功率越低，THD越小；在1-2K頻段，揚聲器的THD也是相對比較低的。一些廠家聲稱自己的揚聲器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頻點的話，基本上是沒有意義的。那種號稱自己的THD可以做到1%甚至0.5%以下的，基本上和江湖郎中無異了...如果需要關(guān)注THD，建議關(guān)注額定功率下的THD曲線，這樣會更客觀一些。
二、T/S參數(shù)
T/S參數(shù)是由THIELE和SMALL先生首先提出的揚聲器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本參數(shù)。T/S參數(shù)是由THIELE和SMALL先生首先提出的揚聲器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本參數(shù)。T/S參數(shù)由四個小信號參數(shù)和2個大信號參數(shù)組成。
小信號參數(shù)包括四個基本參數(shù)：
Fs為揚聲器單元的諧振頻率。
Vas為揚聲器單元的等效容積。
Qes為揚聲器單元的電Q值。
Qms為揚聲器單元的機械Q值。
在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到Qts參數(shù)，它表征揚聲器在低頻段的諧振峰的大小。Qts為Qes和Qms的并聯(lián)。
大信號參數(shù)包括兩個基本參數(shù)：
Pe（max）為揚聲器單元的散熱能力所確定的最大功率額定值。
Vd為揚聲器單元振膜在最大振幅時所推動的體積。
T/S參數(shù)在電聲系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要根據(jù)實際情況來靈活判斷。我們經(jīng)常遇到的應(yīng)用場景無外乎兩種。第一種場景：我們手頭正好有一個喇叭單體，我們希望用它來設(shè)計出一個可用于低音重放的音箱。第二種場景：我們根據(jù)使用場景的需要，計劃做一款長寬高比較確定的箱體，甚至我們已經(jīng)想好了箱體的設(shè)計圖紙，決定了箱體的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，我們希望選擇一款合適的喇叭單體來配合我們的箱體。不管是那種情況，我們心目中都有一個“理想的”效果，我們的設(shè)計要盡量去接近這個“理想的”效果。此時，T/S參數(shù)就可以幫助我們做出一定的判斷。使我們獲得一個低頻響應(yīng)接近我們的“理想效果”的系統(tǒng)。
試以2為例，簡述這個過程如下：
假設(shè)我們需要制作一個密閉箱體的音箱，揚聲器口徑4寸，希望音質(zhì)好，低頻量感盡可能突出，應(yīng)如何設(shè)計？
根據(jù)Q值的物理含義，假設(shè)Qts為Qes和Qms并聯(lián)，Qts越高低頻諧振峰越大，低頻量感突出的話，我們應(yīng)該首選Qts高的喇叭？其實設(shè)計時往往不是這樣的。設(shè)計時第一步往往會先考慮諧振頻率Fs，因為諧振頻率Fs是位移振幅獲得平坦頻率響應(yīng)和加速度振幅獲得平坦頻率響應(yīng)的轉(zhuǎn)折點。Fs越低，意味著平坦頻率響應(yīng)曲線向低頻段延伸越多。相反，F(xiàn)s越高，意味著在低于Fs的頻段，聲壓將按照指數(shù)規(guī)律下降，不易獲得良好的低頻響應(yīng)。對于4寸揚聲器來說，F(xiàn)s的常見范圍在60-90Hz之間，低的Fs有助于低頻的提升。
選取好恰當?shù)腇s的揚聲器后，我們才需要去考慮其它參數(shù)和箱體的匹配。在此時，我們需要考慮的因素有：1、密閉音箱體積在后腔形成的壓縮空氣“彈簧”，會對揚聲器振膜產(chǎn)生“阻尼”。此阻尼會導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率升高，揚聲器低頻段振幅減小...2、考慮這個阻尼的作用，需要揚聲器單體在障板測試模式工作在“欠阻尼”的狀態(tài)，裝腔后利用空氣阻尼從而達到正確的“阻尼響應(yīng)”...3、揚聲器“速度”問題。在本設(shè)計中，首先需要確保聽感，也就是空間感和速度感，確保聲音鮮活，不遲鈍，也不拖沓。其次再追求平直的頻率響應(yīng)。此時，揚聲器的QMs參數(shù)就派上用場了。一個足夠大的Qms的設(shè)計（如Qms>2）是取得上述聲音表現(xiàn)的關(guān)鍵...4、頻響曲線的平直。傳統(tǒng)的音箱設(shè)計理論，都是按照這個思路來設(shè)計的，可以代入檢驗。如果需要調(diào)整，在確保Fs、速度的前提下，可以通過BL和膜片設(shè)計的調(diào)整來進一步優(yōu)化。一般規(guī)律是：加大BL，Qms提升，Qes和Qts下降。
三、時域和瞬態(tài)響應(yīng)
在前面章節(jié)提到，揚聲器“速度”的問題，這其實就是揚聲器的時域和瞬態(tài)響應(yīng)問題。也是決定聽感的一個非常重要的因素。揚聲器的時域和瞬態(tài)響應(yīng)，在傳統(tǒng)的揚聲器和音響制作領(lǐng)域談?wù)撋跎伲墒侨绻魂P(guān)注深挖此類指標的設(shè)計，要想獲得好的聽感只能是“碰運氣”的成份更大一些。
揚聲器的時域和瞬態(tài)響應(yīng)，有很多電聲測試系統(tǒng)都是可以完成測試的。比較常見的電聲測量軟件Soundcheck，其中的第2006號模塊---Time Selective Response，就可以完成相應(yīng)的測量。再如免費的聲學(xué)測量軟件REW（Room Eq Wizard）,也是可以測量諸如TimeDomain響應(yīng)的。
在揚聲器時域和瞬態(tài)響應(yīng)中，三維頻譜累計圖是我們比較常見的一種圖形。更多時候，他有一個更為形象通俗的名稱：瀑布圖。
瀑布圖有三個維度構(gòu)成，分別是頻率、聲壓級和時間。在時間=0的平面內(nèi)，被測揚聲器的穩(wěn)態(tài)頻響會被作為第一條曲線。而經(jīng)過一段時間間隔后，被測揚聲器的剩余頻響曲線又會生成第二條曲線。重復(fù)這一過程，在不同的時間坐標上就會得到許多條曲線。此時，揚聲器的殘余頻響特性就一覽無余了。
理想的衰減特性當然是全頻段均勻衰減，而且衰減極快。但事實上，揚聲器在驅(qū)動消失后運動不會馬上停止，所以我們只能退而求其次，從揚聲器的衰減時間和衰減均勻度兩個維度來要求。
四、相位特性
在一個理想的線性系統(tǒng)中，如果我們定義輸出對輸入信號沒有發(fā)生任何形變及時間的延時，則這個系統(tǒng)的幅頻和相頻曲線都是平直的。而實際上，揚聲器的輸出信號對輸入信號是存在形變和延時的。其中，由于距離帶來的延遲，是一個固定值。而消除這個固定值影響后，我們還可以得到一個相對的相移曲線。
揚聲器的相對相移曲線中的相位波動，往往和幅頻曲線的波動是一一對應(yīng)的。揚聲器單元作為一個最小相位系統(tǒng)，其不帶群延時的相頻特性可以由其幅頻經(jīng)希伯特轉(zhuǎn)換而得到。這些波動，往往會成為揚聲器音色改變的一個標志。例如上圖中，群延遲曲線、幅度曲線、相位曲線中表征的5-6KHz之間的波動。
值得注意的是，在分頻設(shè)計中，也需要較為系統(tǒng)的考慮揚聲器的相位的銜接。如果銜接出現(xiàn)問題，對應(yīng)的頻響曲線也會出現(xiàn)波動，而聲音的質(zhì)量也會受到影響。
此外，揚聲器還有諸如指向性等指標需要關(guān)注。這些指標有興趣的朋友可以自行查閱相關(guān)資料。
（作者：葛虎）
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