现代音响与调音技术课件第8次课.ppt

1 5 3扬声器系统 音箱 的设计原理 一个全频带的声音 低频声音的能量将占据整个频带的大部分 但它的音乐内容却仅为乐音的低音区 由于人的听觉特性对低音的灵敏度低 所以对音箱的设计来说 其基本能完成的就是低频响应和分频器的设计 它需要一定的理论知识 就技术而言 理想的重放声系统应能完全再现其输入的时域波形 换句话讲 它是一个线性系统 具有平坦的频率响应和纯时延的线性相移 但目前实际上这是不可能的 2 2 2 5扬声器系统 音箱 的设计原理 1开口扬声器系统 音箱 的设计原理 主要目的 克服声短路 当低音扬声器不加障板让其自由辐射时 则扬声器的较低频段的声音就会在振膜两面的空气压缩和稀疏过程中互相抵消 因而没有低频声辐射 这种现象称为声短路 有限大障板和背面敝开型都属于开口扬声器音箱 3 2 2 5扬声器系统 音箱 的设计原理 把扬声器装在障板上是避免声短路的最简单的方法 障板的形状可异 障板越大 声短路的频率就越低 低音就越丰富 因而 使用无限大障板就可以获得没有声短路现象的理想低频辐射 实际上 障板不可能做成无限大 只能使用有限尺寸的障板 当采用圆形障板且扬声器对称安装时 则在某一频率开始以下就会产生声短路现象 该频率称为截止频率fc 一般来说 前后两面所辐射的声波到达接收点所产生的声程差小于声波的半波长时 发生声短路 4 假设声程差就等于圆障板的直径d 半径为r 声波波长为 根据分析 而 所以 即 频率小于85 r时产生声短路 所以这是开口扬声器的下限频率 5 开口扬声器系统 有限大障板和背面敞开型音箱 被广泛用于收音机 收录机 电视机中 这种系统是由障板向后弯折而形成了小障板和声管组合 有时为了重放低频声音就需要大的箱体 但要特别避免出现振动 另外 在设计中为避免箱内部产生驻波而引起共振 应尽量使侧板互相不平行 箱体尺寸比例彼此间不能为整数倍 并在箱内贴玻璃棉或其它吸声材料控制共振 1开口扬声器系统 音箱 的设计原理 6 2封闭式扬声器系统 音箱 的设计原理 主要目的 一是声短路问题 二是低频性能问题 在此系统中 扬声器装在完全封闭的箱体内 把扬声器背面所辐射的声波完全隔绝 从而避免了低频时扬声器背面声波的干涉 改善低频效果 免除了声短路现象 它的作用相当于一个无限大障板 对于避免声短路现象 封闭式扬声器系统是一个理想的结构 7 但是由于箱体密封 纸盆振动会使箱内空气反复的压缩和膨胀 所以这种箱体的各部分必须具有足够的强度 否则容易因箱板产生振动而影响性能 由于封闭式音箱的共振频率与扬声器的共振频率成正比 因此 要想获得较低的系统低频下限 必须采用共振频率低的扬声器 例如 有的扬声器的共振频率可达30Hz以下 采用这种扬声器时 音箱能得到较低的重放频率 8 为了使频率响应不出现明显的峰谷值 在制作过程中 常常在音箱中充满吸音材料 如玻璃纤维等 此时 扬声器向后辐射的声能基本上都被箱内的吸声材料所吸收 封闭式音箱的优点 音箱结构简单 易于设计制作音箱音色柔和 适用于高保真音乐欣赏 但它的不足也是显而易见的 音箱效率低 扬声器向后辐射的声能基本上都被箱内的吸声材料所吸收 体积较大 9 3倒相式扬声器系统 音箱 的设计原理 倒相式音箱是国内较为流行的样式 其特点是效率高 箱体相对较小 但设计比封闭式复杂 在封闭式音箱的前面板上开一个或几个出声孔 并在出声孔后面安装硬质材料做成的倒相管 导声管 就构成了倒相式音箱 倒相管内的空气起着与纸盆类似的作用 形成一个附加的声辐射器 通过合理设计倒相孔 当箱内发生共振时 将声波相位倒转180度 从而实现了声波的反相 扬声器背后辐射的声波可从倒相孔传出 以补充扬声器发出的声功率 10 这样 当音箱的共振频率等于或稍低于扬声器的共振频率时 倒相孔辐射的声波与纸盆前面辐射的声波呈同相叠加 从而加强了低频声的辐射 这就是设计的关键之处 这样使低频段的声音得到了加强 理论上可使声功率加倍 实际上倒相式音箱的性能与许多因素有关 如开孔的位置 开孔的尺寸 音箱的体积与长宽比例等 因此倒相式音箱的箱体设计很复杂 11 与封闭式音箱相比 倒相式音箱具有以下优点 1 效率高在封闭式音箱中 纸盆向后辐射的声波被完全吸收 消耗在音箱内部 因此有1 2的辐射功率被白白浪费 而倒相式音箱则充分利用了扬声器的后辐射声波 因而提高了低频辐射声压级 12 与封闭式音箱相比 倒相式音箱具有以下优点 2 失真小封闭式音箱在其共振频率附近纸盆振幅最大 故由定心支片等非线性移位所造成的失真也大 但在倒相式音箱中 在共振频率附近纸盆的振幅却最小 此时 音箱的辐射声压仍很高 这主要是由倒相孔辐射的 从而使非线性失真也减至最小 13 3 低音好与同体积的封闭式音箱相比 低频重放的下限频率得到了更好的扩展 此时由于倒相孔的声辐射作用 声压非常高 与封闭式音箱相比 倒相式音箱具有以下优点 14 4 箱体小在相同的低频重放下限频率的条件下 倒相式音箱的体积大约是封闭式的百分之六十 与封闭式音箱相比 倒相式音箱具有以下优点 倒相式音箱的不足之处是 音箱的设计比较复杂 容易产生声干涉现象 所以目前倒相式音箱品种很多 但鱼龙混杂 基于这个原因 选购理想的倒相式音箱不是一件容易的事情 倒相式音箱在日本和东南亚地区比较流行 约占音箱总数的百分之五十左右 我国的专业音响系统中普遍采用倒相式音箱 15 人声和各种乐音是一种随机信号 其波形十分复杂 可听声音的频率范围一般在20 20KHz 其中语言的频谱范围约在150Hz 4KHz左右 而各种乐音的频谱范围可达40Hz 18KHz 人声的能量主要集中在200Hz 3 5KHz频率范围 而扬声器是一种把可听范围内的音频电功率信号转变成具有足够声压级的可听声音 因此对它的要求主要就是 要求扬声器能 原汁原味 的把音频电信号还原成逼真自然的声音 使用一只扬声器要完成20 20000Hz的声音辐射是不可能的 为了实现宽频带的声音辐射 必须把两个或两个以上不同功能的扬声器组合起来 使各扬声器单元发挥各自的优势 扬长避短 使辐射的音质达到最佳 4组合扬声器系统 音箱 的设计原理 16 5 3 4组合扬声器系统 音箱 的设计原理 低频段 为了使低音扬声器的低频效果好 就要把低频扬声器的谐振频率设计得很低 为了达到此目的 对口径较大的低音扬声器 需要把振动系统的质量增加到几kg 这样就会使低频扬声器在高频时的力阻很高 因而效率极低 也就是说 让低音扬声器仅在低频段发挥其作用 不要参与中高频的放音效果 中高频段 在中 高频策动下 中 高音扬声器因整个振动系统很轻 因此只有很小的阻抗 因而声辐射的效率很高 中 高频单元膜片做成较小的面积 目的有两个 一是可减轻振动系统质量 二是可以改善高频指向性 这样的扬声器谐振频率都设计在几百Hz以上 可在中 高频获得一定的灵敏度 完全不适用于低频段工作 17 组合扬声器系统除了具有频响宽 指向性好和整个范围辐射效率高以外 还有以下优点 1 组合扬声器系统可分频段组合 扬长避短 最大限度地发挥各自的优势 减小非线性失真 2 组合扬声器系统的互调失真比单个扬声器的小 3 组合扬声器系统的瞬态失真比单个扬声器的小 组合扬声器系统要实现的目标是按频段分别由低 中 高扬声器单元来重放 并在辐射声场中使之合并 同时调整出均衡的 有层次的 能够重放较宽频带声音的放声终端 要达到这一目标 就需要在信号源与扬声器单元之间加接分频网络 以便把整个音频信号分配到各个单元中去 18 分频器有多种分类 二分频 三分频和超低音分频等等 在电影系统扩声用的组合扬声器箱一般只用到二分频方式 而分频点的选取一般与所用的低音扬声器的口径有关 300mm的低音扬声器分频点一般选为800 1000Hz 380mm的低音扬声器分频点一般选为600 900Hz 460mm的低音扬声器分频点一般选为500 800Hz 口径越大 低音效果越好 19 厅堂 剧场扩声用组合扬声器系统 厅堂 剧场扩声用组合扬声器要求有更大的功率 更宽的频率响应 灵敏度高 失真小和较宽的指向性 一般采用倒相式和号筒式中 高频的组合 在厅堂 剧场中常用话筒作为系统的信号源 因而常会出现较严重的声反馈现象 这种反馈主要出现在指向性很小的低频部分 因为低频部分是全指向性的 因而 低频性能就成了主要问题 一般低频设计在45Hz就可以了 再小就容易引起声反馈 传声器拾音后 经调音台 周边设备 功率放大器 音箱扩出声音 这种声音又通过直接辐射方式或声反射方式进入传声器 使整个扩声系统产生正反馈 引起震荡 出现啸叫声 这种现象称为声反馈 声反馈 20 对高频的要求则要宽一些 一般在15000 20000Hz 为了达到宽频带范围的要求 常采用三分频的组合扬声器 而分频点的设置在低频段一般在350 800Hz之间 中 高频段一般在3500 5000Hz之间 中音单元常用纸盆式扬声器 要求效率高的组合扬声器系统在中 高音范围时都要用号筒式扬声器 厅堂 剧场扩声用组合扬声器系统 21 家用组合扬声器系统 用作电视伴音或调频广播的组合扬声器一般都有立体声 故要求较高 具体要求是 体积小 频响宽 失真小 灵敏度高 指向性宽 对称性好 成本不能太高 这种组合扬声器一般也要设计成倒相式 低音单元一般用小型高性能扬声器 5 6 5英寸的气垫扬声器用得较多 一般设计成二分频 高频一般要求在12000Hz以上 可用于广播 收音 电视伴音 录音 放 机等场合 22 5分频器的简单设计 分频器的作用就是把频率范围较宽的音频信号分解为低频 中频和高频信号 也就是说 允许输入的音频信号中的低频信号仅通过低音扬声器 中频信号仅通过中音扬声器 高频信号仅通过高音扬声器 1分频器的作用 由于如果低音扬声器送入了高频信号成分 这时高频率声音表现不好 如果高音扬声器送入了低频信号 会因低音的功率较大而烧毁高音头音圈 所以分频器还起到了保护扬声器的作用 23 1分频器的类型 功率分频方式 它是把分频器接在功率放大器和扬声器单元之间的一种分频方式 功率分频器的参数与扬声器阻抗有密切的关系 而扬声器阻抗又是频率的函数 根据阻抗值来调整分频点 功率分频器的优点是成本较低 且可以和组合扬声器组装在一起 使用较为方便 24 1分频器的类型 前级分频方式 它是把分频器接在前级放大器与功率放大器之间的一种分频方式 前级分频方式的互调失真较小 但由于它必须用两上或三个独立的功率放大器分别推动各频段的扬声器单元 因而增加了放声系统的成本 所以一般不采用 只在高质量的放声系统中采用 25 2 几种分频器的简单设计 分频器的设计主要是确定分频点和衰减率 分频点是指分频器高通 带通和低通滤波器之间的分界点 常用频率来表示 单位为赫兹 高低音两分频音箱只有一个分频点 高 中 低三分频音箱有两个分频点 分频点应根据各频段扬声器单元或音箱的频率特性和功率分配来具体确定 分频器一般由三种滤波器组成 即高通滤波器 HPF 只让某一频率以上的电信号通过 低通滤波器 LPF 只让某一频率以下的电信号通过 带通滤波器 BPF 只让介于某两个频率之间的电信号通过 26 高低音两分频音箱只有一个分频点fc也称为截止频率 一般把从特性曲线的平坦区向降落区过渡时 下降到3dB的点对应的频率fc称为截止频率 衰减率是指分频点以下曲线下降的斜率 一般以每倍频程下降多少dB来表示 dB oct 分频器按其衰减率一般可分为每倍频程 6dB 12dB及 18dB三种 27 一般来说衰减越大 分频得越彻底 从而音质也较好 对应每倍频程 6dB 12dB及 18dB三种的每频段元件数为一个 二个及三个L C元件 分别称作一单元 二单元和三单元分频器 而由于元件数越多 结构越复杂 调整就越困难 且插入损耗较大 所以 18dB衰减率的分频器用得较少 常用的分频器是 6dB oct和 12dB oct分频器 28 6dB oct的分频器 12dB oct的分频器 29 分频器按频段可分为二分频和三分频两种 按连接方式可分为串联式与并联式两种 6dB oct的分频器 这是实际使用中最简单的一种分频器 其二分频的低通部分