音箱单元与分频技术

心月沉雨 · 发表于 2008-9-13 10:29:51

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音箱单元与分频技术
尽管不同的音箱在内部吸音棉、倒相管、加强盘/加强隔板等部件的设计中可能有所不同，但从基本组成元素角度看，至少如下三部分在任何音箱中都是必需存在的：喇叭单元(或称扬声器单元)、箱体和分频器。
音箱的喇叭单元
　　喇叭单元将功放送来的电信号转换为声音输出，在音箱电-声转换中起最关键的作用。音箱的性能指标和音质表现，极大程度上取决于喇叭单元的性能，因此，制造好音箱的先决条件是选用性能优异的喇叭单元。
　　对喇叭单元的性能要求概括起来主要有承载功率大，失真低、频响宽、瞬态响应好、灵敏度高几个方面，但要在20Hz-20KHZ这么宽的全频带范围内同时很好兼顾失真、瞬态、功率等性能却非常困难，所谓的全能选手尽管能够获得整体上的一定平衡，但往往在单独细节上均嫌平庸，因此，在音箱设计中最简单的思路便是让喇叭单元各司其职，使用分频段重放。
　　为此喇叭厂商生产不同类型的单元，有的只负责播放低音，称为低音单元，播放中音的叫中音单元，高音单元只负责播放高音，这样例可采取针对性的设计，将每种单元的性能都做得比较好。

　　因此，尽管理论上可以采用一只全频带喇叭来设计音箱，不过出于上述考虑，用多个单元的组合来覆盖整个音频频段的设计方式还是占了绝大多数。具体用几只单元，取决于音频范围的频率划分方式，如果是简单地分面高音和低音(或中低)两只喇叭就够了；如果是分高、中、低三段的三分频音箱，那么最少也得用三只单元，现在两只低频单元并联工作的设计方式也很流行，这样总的单元数便可能达到四只；有些大型音箱的频段划分得更细，如果再采用单元并联工作的设计，总的喇叭单元数就会更多。在音箱的资料或说明书上通常有“X 路X单元”这样的方案，就是对音箱的分频路数和所用单元总数的具体说明，例如“三路四单元”，表示这是三分频设计的音箱，总共用了四只喇叭单元，其余依此类推。
分频器与音箱单元
　　由于现在的音箱几乎都采用多单元分频段重放的设计方式，所以必须有一种装置，能够将功放送来的全频带音乐信号按需要划分为高音、低音输出或者高音、中音、低音输出，才能跟相应的喇叭单元连接，分频器就是这样的装置。如果把全频带信号不加分配地直接送入高、中、低音单元中去，在单元频响范围之外的那部分“多余信号”会对正常频带内的信号还原产生不利影响，甚至可能使高音、中音单元损坏。
　　从电路结构来看，分频器本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络，高音通道是高通滤波器，它只让高频信号通过而阻此低频信号；低音通道正好想反，它只让低音通过而阻此高频信号；中音通道则是一个带通滤波器，除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过，高频成份和低频成份都将被阻止。在实际的分频器中，有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异，还要加入衰减电阻；另外，有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络，其目的是使音箱的阻抗曲线心理平坦一些，以便于功放驱动。音箱分频方式的更详细讨论，可参考PC多媒体音箱的电子分频技术一文。
喇叭单元的种类
　　喇叭单元的种类很多，分类方法也各不相同。如果按电-声转换的原理来分，有锥盆单元、平板单元、球顶单元、带式单元等类型，其中锥盆单元和平板单元比较适合做高音，也有部分中音单元采用球顶式设计；从所覆盖的频带来看，也有部分中音单元采用球顶式设计；从所覆盖的频带来看，喇叭单元又可分为低音单元、中音单元、高音单元和全频带单元。
　　目前最常见的低音单元和中音单元从转换的原理上讲都属于电动式扬声器，它们多采用锥盆状的振膜，因为这形状的振膜设计成熟、性能良好。振膜材料则多种多持，有传统的纸质振膜，也有高分子合成材料(如聚两烯)制作的振膜，还有铝、镁等金属材料制作的振膜。对振膜的要求是刚性好(不易产生分割振动)、重量轻(瞬态响应好)、具有适当的内阻尼特性(抑制谐振)，但这些要求并不容易同时满足，但刚性不够强；金属振膜的刚性很好，但阻尼又欠佳；聚两烯振膜比较好地廉顾了各个方面，近年来获得较多的应用。此外，还有些厂家采用很复杂的工艺制造振膜，“三明治”复合结构就是其中之一，它的上下两个表面之间夹着蜂巢结构的中间层，整体上具有很高的刚性，同时又有重量轻、阻尼好的特点，很有发烧前途。

　　高音单元最常用的是球顶式高音，从工作原理上讲也属于电动式单元。球顶高音的振膜可以用金属材料制造(如铝、钛、铍等)，称为硬球顶，也可以用软质的织物制造(如蚕丝、化纤)，称为软球顶，通常，硬球顶的高频响应比较好，而软球顶的声音比较柔和。近年来，带式高音和静电高音也得到一定的应用，它们共同的优点是振膜特别轻盈，因而高频响应出色，声音纤细透明，不过，这两种高音的生产如球顶高音那么容易，应用不太普及。还有一种号角高音，由球顶式的驱动部分加一个喇叭状的号角构成，它的特点是声音指向性强，而且效率高，因而在专业扩音领域的音箱中应用很普遍。还有一种同轴单元，实际上是低音和高音单元的组合，具体特点详见相关问答。
低音单元与高音单元的安装要求
　　一般说来，低音单元必须要装箱，高音则可装可不装。有两个原因使得低音单元必须装在箱子里：一是为了消除“声短路”现象；二是为了抑制喇叭单元的低频谐振峰。
　　低音单元的振膜在前后运动时，除了有向前方辐射的声波，两个方向的声辐射相位正好相反，即相差180度。由于低频声波的波长很长，其绕射能力是很强的，也就是说低频声波的方向性很弱，如果喇叭单元不装箱的话，后向辐射的声波就会绕到前面来与前方的辐射异相相消，总体上的前向声波辐射能量就被大大削弱，这种现象称为“声短路”。“声短路”现象必须设法消除，否则低频根本无法有效地辐射。如果把喇叭单元装在箱子里，振膜后方的辐射被箱子阻隔，也就不会形成“声短路”了。
　　而每一只电动式低频单元都有一个低频谐振点，在此谐振点上的输出达到一个峰值，但失真也很高，瞬态响应非常差，如果对此谐振峰不加以抑制，势必严重影响重放的音质。如果将单元装箱，箱内空气的劲度就会对振膜的运动产生抑制作用，这样就达到了压低谐振峰、改善性能的目的。另外，通过含理选择箱体的结构和参数，可以达到拓宽低频响应的目的，设计良好的倒相箱、无源辐射器音箱、传输线音箱都能获得这样的效果。
　　对高音单元而言，情况则完全不同，因为高音的波长短，绕射能力弱，不存在“声短路”现象，也不象低音单元那样需要抑制低频谐振峰，所以，对于高音单元，音箱的作用只是一个支撑。

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