扬声器技术

lubingwu · 发表于 2005-10-8 04:55:00

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扬声器技术

扬声器实际上是一种把可范围内的音频电功率信号通过换能器（扬声器单元），把它转变为具有足够声压级的可听声音。为能正确选择好扬声器，必须首先了解声音信号的属性，然后要求扬声器能“原汁原味”地把音频电信号还原成逼真自然的声音。

人声和各种乐声是一种随机信号，其波形十分复杂。可听声音的频率范围一般可达20Hz-20kHz；其中语言的频谱范围约在150Hz-4kHz左右；而各种音乐的频谱范围可达40Hz-18kHz左右。其平均频谱的能量分布为：低音和中低音部分最大，中高音部分次之，高音部分最小（约为中、低音部分能量的1/10）；人声的能量主要集中在200Hz-3.5kHz频率范围。这些可听声随机信号幅度的峰值比它的平均值约大10-15dB（甚至更高一点）。因此扬声器要能正确地重放出这些随机信号，保证重放的音质优美动听，扬声器必须具有宽广的频率响应特性，足够的声压级和大的信号动态范围。

我们希望能用相对较小的信号功率输入获得足够大的声压级，即要求扬声器具有高效率的电功率转换成声压的灵敏度。还要求扬声器系统在输入信号适量过载的情况下，不会受到损坏，即要有较高的可靠性。

扬声器系统主要技术特性的应用：

扬声器系统有许多与音色效果和使用场合直接有关的技术特性，为了用好用活这些技术特性，用户必须对它们有所了解。 1）二路（二分频）和三路（三分频）扬声器系统

音频信号的频谱范围很宽，把20Hz-20kHz的信号要用一种扬声器单元是无法满足整段频响的；一般的12寸以上大口径扬声器单元，低音特性很好，失真不大，但超过1.5kHz的信号，它的表现就很差了；1-2寸的高音扬声器单元（高音压缩驱动器）重放3kHz以上的信号性能很好，但无法重放中音和低音信号。于是就有了由各种频响特性单元组成的扬声器系统，由低音（含中低音）和高音（含中高音）两种单元组成的称为二路扬声器系统，由低音、中音和高音三种单元组成的称为三路系统。二路扬声器系统结构简单，造价相对较低，为了解决缺少这段中音频率，于是有些厂家用了一种折衰的方法，即在分频网络上把低音单元的频响特性向上移动，把高音单元拭目以待频率特性向下移动。另外一个问题是，分频交叉点频率只能设定在500Hz-2kHz之间，而此区域正是人声和乐声频谱的重要部分。因此在听觉上人留下“空洞”感和听到的失真。亦因为如此，三路扬声器对喇叭单元的要求相对较高，假若单元的性能不佳，整个扬声器系统的声音就不够平滑，或有严重的相位失真。

三路扬声器系统各单元的特性可不作折衷，充分发挥它们各自的长处，两个分频交叉点可选在中音人声和乐声频谱重要部份上、下边缘处，对音质没有任何影响，故三路扬声器系统减小了声音的失真，提高了声音的清晰度，改善了低高和高音间交叉频段的性能，增加了扬声器系统的功率处理能力，因此是文艺演出、音乐厅和歌剧院扩声系统的最佳选择。 2）灵敏度和最大声压级（SPL max）

扬声器单元是一种电信号与声音之间的换能器，要求它能以相对较小的输入功率转达换成很宏亮的声音，这就要求扬声器有较高的声压灵敏度，[灵敏度]实质上是一种[转换效率]的体现，各类扬亏损顺系统由于采用的设计技术，选用的材料和生产工艺等多方面的差异，灵敏度的差异也很大。灵敏度是指输入扬声器单元1瓦的电功率，在扬声器轴线方向离开1米远的地方测得的声压级大小，如果两种扬声器的灵敏度相差3dB要达到同样大的声压级输出，需要增加电输入功率一倍，因此灵敏度较高的扬声器能发出较大的声音。

扬声器系统的输入功率能力一般都远远大于1瓦（一般都在100瓦-2000瓦之间）因此实际使用时都可输入这个最大允许的电功率，以额定最大功率，输入扬声器，在扬声器轴向1米处产生的声压级称为最大声压级SPL max例，灵敏度=100dB，1w/1m扬声器，若具最大功率承受能力为1000W，则SPL max=100dB+30dB=130dB，1m。

3）失真和音质

音箱工厂都没有标称他们产品的失真率，其实它是一个非常重要的技术参数，音质是一个比较抽象的评价，亦没有可能在文件上标称，只能采取主观的听音比试，通常，灵敏度与音质是有矛盾的，生产商需要在两者中作适当的平衡，一般来说，中低价的产品，均以灵敏度作主导，追求性能价格比，而高价位产品偏重音质，而最高层次者是两者兼备。

4）[个性]与[共性]

在此又再引伸出另一个相对抽象和主观的性能评价，扩声用的音响，有别于家中的Hi-Fi音响器材，必须兼容性非常高，因为每个场地都可能演出不同类型的节目，从歌剧到摇滚音乐会，亦可能只是以语言信号为主的报告会，故其音响系统必须要兼容不同的节目源，做到[平均性]的优异即不能偏重于某一个用途，而家里的Hi-Fi音响器材，只需要照顾一个人或一小撮人的口味，其产品的[个性]是容许存在，但作为专业扩声系统器材，则这种[个性]将会变成[局限性]或[缺陷]。

专业扩声器材需要为一大群公众服务，节目内容经常变换，[共性]是基本要求，兼容性要强，不同性质的节目都要有[平均]的表现，除此之外，专业扩声器材必须是“无渲染”，“不夸张”，“忠实”地将音源还原，就是[共性]或[共用性]。

5）扬声器系统的指向特性

扬声器发出的声音通常在低频段（低于200Hz）的声音是无方向性的，在各方向均匀传播，但在高频段时，声音的传播呈现较强的方向性，这个指向特性（各类音箱均不相同）正是我们在系统设计中要加以应用，优良的恒定指向特性可在现场布置时把声波的能量集中到观众区，避开声波的强烈反射面和声场互相干扰。

扬声器的指向特性使偏离轴向的声压级随偏角的增大而声压级逐渐减小，同时声压级又随声波传播距离的增加按距离的平方成反比而衰减，在距扬声器远近和方位不同的听众区，若将这两种衰减选择得当，就可使两种衰减互相补偿，从而使声场更为均匀，大型工程需要盖相对比较阔的区域，单只音箱通常不足以应付，需要将多只音箱拼合成音箱群（陈列），而在陈列扬声器系统中，恒指向特性可使音箱之间的中、高频段的声波在音箱间不产生相互干扰，用具有上述指向特性的一对扬声器组成八字形摆放，可以覆盖单个音箱的一倍，否则，声音在音箱前方已经互相干扰，严重影响声场的均匀度和声音的清晰度。 6）扬声器系统的功率处理能力

扬声器的功率处理能力（或称扬声器的额定功率）是一项重要技术参数，它代表扬声器承受长期连续安全工作的功率输入能力，了解扬声器的功率处理能力，首先必须懂得扬声器驱动器是如何损坏的，驱动器的损坏模式有两种：

一种是音圈过热损坏（音圈烧毁，过热变形，圈间击穿等），另一种是驱动器的振膜位移量超过极限值，使扬声器的锥形振膜/或其周围的弹性部件损坏，通常发生在含有很多大振幅的低频信号。

声音信号不是一种正弦波信号，而是一种随机的，这些随机信号可用三个能数来表示，有效值（RMS）又称均方根值，是以信号峰值等幅的正弦信号的一种测量结果，接近于平均值，基本上代表信号的发热能量。

峰值（Peak）是信号达到的最大电平，对于正弦波来说，峰值电平大于有效值电平3dB，对于音乐信号来说，峰值电平超过有效值可达10-15dB在评定一种扬声器的位移能力时，峰值是重要的，峰值因子，用来说明峰值电平与有效值电平的比率，对于按AES2-1984的粉红色噪声源来说，峰值因子为6dB，即峰值电压是有效值电压的4倍。

扬声器的功率处理能力是按（AES2-11984）处理后的粉红色噪声信号连续加2小时工作后其电性能和机械性能的永久性变化不大于10%的情况下测得的技术参数。

7）加载（受热）后的声压级下降（又称功率压缩）

所有产品说明书上标称功率都是各厂家自定的，是音箱在厂方选定的测试信号和条件下的最佳值，当音箱进入工作状态（譬如等于或大于满功率20秒之后），音圈和磁体受热温升后、由于它们性能下降改变了受热前单元的原有特性，这时，实际的声压输出就会减少，常规音箱，如音圈温升60度-80度，常见额定声压级下降3dB为容限，如音圈散热优异，耐温达100度以上，实际的声压下降可达6至8dB，这是相当惊人的下降，如前文题及，增加一倍的音箱只提升声压级3dB若音箱声压级下降达6dB，要弥补这么大的声压级下降必须由原来一只音箱增加至四只，非常遗憾，音响工业界没有标称这种声压级下降，必须要好的改善扬声器单元的散热设计。

8）扬声器单元的阻抗

扬声器单元的阻抗包括，电感量，电容量和电阻值，电感和电容是随频率而变化的，虽然在扬声器系统中标称一个阻抗变化太大，将会影响整个音响系统的稳定性，JBL最新DCD 双线圈差驱动设计是将阻抗变为[纯电阻]性，不受频率变化而影响，让整个音响系统稳定工作。

三如何提高扬声器系统的可靠性

日常生活中，即使是在功放和扬声器系统的功率匹配相当的情况下也会发生扬亏损顺单元变损的事件，其原因有：

1．操作不当，功放输出功率过大

2．演出达到高潮时，场内气氛热烈，需要提升声压，在加大信号时，话筒输入信号过大引功放过载削波，失真波形产生大量谐波，损坏高音单元 3．话筒产生强烈声反馈啸叫，功放强烈过载，损坏扬声器系统为此，现代新型扬声器系统采取了多种保护性措施，这些措施可分为两类：

1．提高扬声器单元的散热力使其在过载时不发生过热损坏

2．在扬声器箱中安装限幅保护装置，当驱动功率和峰值电平超过扬声器的额定值时，限幅器把超过的功率电平用非线性电阻（灯泡）对音圈进行阻止。

这些措施，提高了扬声器抗过载的能力，但也影响了声音的动态范围，使音域不够宽广，音色感觉模糊和暗淡。

因此，最好的办法还是在功放上采取措施，使它的输出不产生削波和功率过载等问题。

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