音响系统关键部件详谈(一)：扬声器

Strymon · 发表于 2009-12-17 10:32:46

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？快速注册

x

扬声器，也就是大喇叭，可谓是音响系统的喉舌,直接影响还音的音质,是音响系统最关健的部份。它如像歌星的嗓子,有了好的歌喉,才能唱出优美动听的歌曲。因此,如何选择好声音宏亮、音质优美、失真极微、工作可靠的扬声器是广大用户共同关心和追求的目标。JBL作为专业扬声器生产商的先驱者,我们有责任向大家介绍。

一)如何选择扬声器?
　　扬声器实际上是一种把可听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10/1); 人声的能量主要集中在200HZ-35KHZ频率范围。这些可听随机信号幅度的峰值比它的平均值均大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的灵敏度。此外我们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。还有一点是用户希望能买到“物美价廉”的好产品,即性能价格比高的产品,最后还要考虑产品的配套方式,外形结构和吊装方法等条件。

二)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;因为一般的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1.5HZ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衷的方法,即在分频网上把低音单元的频响特性向上移动,把高音单元的频率特性向下移动。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。因此在听觉上会留下“空洞”感和可闻的失真(当然分频器的斜率特性大些,例如,18DB/倍频程,此缺陷可得到一些补偿)。亦因为如此,二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的上、下边缘处,对音质没有任何影响,故三路扬声器系统小了声音的失真,提高了声音的清晰度,改善了低音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换成很宏亮的声音,这就求扬声器有较高的声压灵敏度。「灵敏度」实质是一种「转换效率」的体现。各类扬声器系统由于设计技术、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米处生产的声压级称为最大声压级 SPL MAX。例,灵敏度=100DB,1W/1M的扬声器,若具最大功率承受能力为1000W, 则SPLMAX=100DB+30DB=130DB,1M。另外大家关心的间题是两个相同声压级的扬声器箱放在一起的合成声压级到底增加多少? --------- “回答是：在室内混响声场两倍半径以外的地方约增加3DB。”
　　这里就引出了一个性能/价格比的经济核算问题。例如，一个SPL1=90DB的音箱,单价为5000元,另一种音箱的SPL2=99DB,单价为2万元,如果系统要求达到99DB的声压级,那么声压级低的音箱要用8个(8×5000=4万元),另一种高声压级的音箱只要用1个(2万元)就足够了,此外8个音箱还需用8倍的功率推动,更增加了投资成本。
3) 失真和音质
　　非常遗憾,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,灵敏度和音质是有矛盾的,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“无渲染”,“不夸张”,“忠实”地将音源还原。这就是「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(各类音箱均不相崐同)正是我们在系统设计中要加以应用的。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。试举一个比较容易相差明白的例子,市面上的手电筒。一支普通的手电筒与一支有聚光功能的手电筒,价格可以相差数拾倍。一般的手电筒就算其功率与聚光手电筒相同,但光线无法投射很远,而且无法控制投射区域。音箱的高音部分与手电筒的光线相当类似。若只需要有声音,什么档次的音箱都能办得到,就等于任何一支普通手电筒也能照明一样了。但作为大型工程,必须有效地控制声场分布及考虑可投射的距离。指向性的优劣,足以影响工程的成败,必须选择有优良指向性的音箱。扬声器的指向特性使偏离轴向的声压级随偏角的增大而压级逐渐减小;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。大型工程需要覆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(阵列)。而在阵列扬声器系统中,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干扰。用具有上述恒指向特性的一对扬声器组成八字型摆放,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
　　扬声器系统的功率处理能力(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,过热变型,圈间击穿等), 另一种是驱动器的振膜位移量超过极限值,使扬声器的锥型振膜和/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。声音信号不是一种纯正弦波信号,而是一种随机的,这些随机信号可用三个参数来表式: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(AES2-1984)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℃-80℃,常见额定声压级下降3DB为容限,如音圈散热优异,而温达100℃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,必须由原来的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的习惯,用户只能自行比试各种品牌择优选用。若要改善这种声压级的下降,必须更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含,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,例如8欧姆,4欧姆,但这个数值会跟随频率变化而改变。假若阻抗变化太大,将会影响整个音响系统的稳定性。JBL最新的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声器单元受损的事件。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,引起功放过载削波,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。
四)JBL 扬声器系统采取了哪些新技术措施?
　　美国JBL公司近年来为不断提高扬声器系统的各种性能,在设计和生产中采取了许多行之有效的新技术措施。
高音单元:
　　采用轻如薄纸,比钢还硬,厚度仅为0.001寸的三维钻石花纹压边的钛合金振膜专利技术, 这种技术不仅使高音更为清晰明亮,而且还能够承受更大的冲击力。
音圈导线采用特制的方形截面铝合金导线,加上特别配方的绝缘漆皮,使音圈既轻又密, 提高了功率容量,也提高了声压灵敏度。
　　采用磁液(MAGNETIC FLUID)改善了音圈散热条件,增强了抗过载能力。
　　采用新颖的KAPTON 材料作为音圈支架,这种材料的导热系数比常规材料大2倍,而且能承受更高的温度,确保音圈在高温时仍能正常工作。
　　 "SONICGUARD"声音的保镖"是JBL一项突破性的发明,它防止了突如其来的大功率的峰值信号或长时间过荷所造成的高音单元损坏。SONICGUARD与一般的限幅保护技术的不同点,在于它能让音乐中许多动态非常大而其能量又不足以烧毁音圈的信号照样通过;会对过荷能量和具有破坏性的峰值信崐号自动分流衰减至安全水平。这个过程是在无声无息的状态下自动进行的, 达到了既保护了音箱单元又不会牺牲音质(乐感和清晰度)两全齐美的目的。
中音/ 中高音单元:
　　为配合新型号筒,JBL专门开发了2447等超大型压缩驱动器,高频响应平坦至18KHZ, 并改善了中音音质,令整个中高段的声音更清晰明快而又不刺耳,用这种单元组成的二路扬声器系统,其性能可与三路系统媲美。
低音单元:
　　SVG和VGC散热设计的换能器,低音扬声器单元经常要连续承受很大的功率,只将一小部分电影能量转换为声能,大部份变为有害的热能,音圈发热后,开始时输出声压级缩小,然后声音失真加大, 最后会把音圈烧毁。为有效地提高输出,必须改善音圈的散热条件。JBL的SVG和VGC专利设计上在驱动器的喉口上做了多条空气槽,利用振膜的振动形成空气对流,能有效地驱散热量。
　　特大型4寸音圈和大振膜不仅提高了功率容量,而且还延伸了频响,改善了失真。
　　采用高性能磁钢材料 - 磁钢。它的磁场强度比传统的磁性材料高10倍以上,高效磁钢提高了扬声器的声压灵敏度,改善了动态范围,还减轻了重量。
　　大功率、低损耗的优质分频器
　　大功率的优质分频器也是直接影响音色的关键部件。分频器必须与扬声器单元特性准确配合,才能获得平坦的特性,正确的分频点和小的非线性失真,才能获得好的音质,JBL成功地把原先的分频斜率 12DB/倍频程提高到18DB/倍频程,使音色更清晰,令单元间的相互干扰降至最低。用于JBL扬声器上的分频器的设计,选料和制做都是下了很大功夫的,采用了特制的四引线电阻,超低电阻的电感器和精密的低损耗苯乙稀电容器等等。
全新概念的高科技产品-EON系列有源音箱:
　　EON(依安)系列有源音箱采用全新概念设计和先进的生产工艺技术,使它成为最受欢崐迎的物美价廉、多用途的便携式产品。
　　EON系列音箱采用了高性能磁性材料磁钢、以铝代钢的盆架和以塑代木的箱体,特殊又坚固的一体化箱体侣板结构,使其重量大大减轻, 便于携带,也便于固定安装。
　　EON的高、低音单元全部采用上述各项新技术措施外,还首次采用了反向串连的差动式双音圈技术, 使扬声器的阻抗呈现“纯电阻”性质,因此频响特别宽广平坦,音色极为清晰优美。
　　EON的内置功放散热巧妙地利用了音箱回音孔在振膜振动时产生的空气流,把热量带到箱体外,因此他能在恶劣的室外环境中长期连续使用。300小时满功率负载的考验---JBL对你的质量保证。
　　按照美国电工的标准AES2-1984的规定,扬声器单元只要通过2小时满功率负荷的考验就算合格,JBL将这个考验标准自动提高到300小时,这是JBL对用户质量的保证。
五)扬声器系统需配置多大输出功率的功放?
　　扬声器系统要高质量的重放出各种音乐节目,那么根据音乐信号的属性,其峰值因子约为10-15DB,从保证音质这个角度来说功放应在此动态范围内不发生任何限幅情况,即功放的最大输出功率应是扬声器额定功率的5-8倍,这样的功率配置音质虽然很好,但他的投资会很大,因此一般都会把这个功率配比定在1-2倍扬声器单元的额定功率。
　　1-2倍的这个范围也许太空泛了,我们可以给大家一个较具体的经验。
　　1. 在一些要求较低而投资有限的工程,功放的功率起码相当于音箱的额定功率。但要非常注意保持声音不失真。过小的功率配置看起来不会损坏扬声器单元,其实不然。过小的功率极易发生过载削波,产生大量谐波,烧毁高音单元。
　　2. 一般工程建议功放的功率是1.5倍。而低音部份最好超过1.5倍,这样才能获得足够的力量感。
　　3. 要求极高的场地,例如录音室监听,音乐厅等,最理想是音箱功率的两倍匹。(这与国际电工委员会IEC制定的配接标准推荐值中的一种方案一致)。
　　设计功放功率是没有硬性标准的,完全视乎投资预算和对音质的要求而定。

yuliang · 发表于 2009-12-17 15:05:08

:victory:

Strymon · 发表于 2009-12-18 10:54:10

感谢你的支持啊

帐号		自动登录	找回密码
密码			快速注册

[全频箱] 音响系统关键部件详谈(一)：扬声器

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

浏览过的版块