第5章 扬声器及扬声器系统.ppt

第5章 扬声器及扬声器系统,5.1 扬声器(系统)的分类和技术指标 5.2 扬声器电力声类比方法 5.3 扬声器系统(音箱)的设计原理,5.1 扬声器(系统)的分类及技术指标,5.1.1 扬声器的分类 扬声器俗称喇叭，是一种把电能转换为声音的换能器件，它是人们较为熟悉的器件之一。在人们的日常生活中，扬声器发挥着较为重要的作用，如在电影院、歌舞厅等场合，还有收音机、电视机、录放机等电器中都离不开扬声器(系统)。为了区分不同种类的扬声器，首先对它们进行分类。,1.按换能方式分 按换能方式的不同，扬声器可分为电动式扬声器、电磁式扬声器、压电式扬声器、离子式扬声器、气流调制式扬声器及电容式(静电式)扬声器等。2.按结构形式分 扬声器按其结构形式的不同可分为单纸盆扬声器、复合纸盆扬声器、号筒扬声器、复合号筒扬声器、同轴扬声器等。,3.按振膜形式分 扬声器按其振膜形式的不同可分为锥形扬声器(振膜为圆锥形或椭圆锥形)、平板形扬声器、带形扬声器、球顶形扬声器、平膜形扬声器(指音圈和振膜一体并形成平膜)等。4.按工作频段分 扬声器按其工作频段的不同可分为低频、中频、高频和全频段扬声器。,5.按用途分 扬声器按其使用的场合不同可分为高保真用扬声器、扩音用扬声器、监听用扬声器、乐器用扬声器、彩电用扬声器、汽车用扬声器、建筑场房吸顶用扬声器以及防水、防火、防爆等用途的扬声器等。6.按外形分 扬声器的外形各异，常见的有圆形、椭圆形、薄形、球形扬声器等。7.按振膜材料分 用不同振膜材料构成的扬声器有纸盆式扬声器、碳纤维扬声器、PP盆扬声器、钛膜扬声器、玻纤扬声器等。,5.1.2 扬声器的结构、工作原理及技术要求 1.扬声器的结构 现以电动式扬声器为例加以说明。电动式扬声器包括普通纸盆扬声器、橡皮边(或尼龙、泡沫边)纸盆扬声器、号筒式扬声器、球顶形扬声器及双纸盆扬声器等。电动式扬声器的原理结构大致是相同的，现以纸盆扬声器为研究对象。纸盆扬声器的纸盆就是振膜，但并非一定是纸质做成。传统的振膜是用纸桨做成纸质的。近年来常用各种合成纤维作纸盆，其中有聚丙烯、碳纤维、玻璃丝等。纸盆扬声器的结构图如图5-1所示。,图51 纸盆扬声器结构,中音单元,低音单元,分频网络,电动式扬声器的结构由三部分组成：磁路系统、振动系统和支撑辅助件。(1)磁路系统。扬声器的性能与磁路系统有密切关系，设计合理的磁路可得到较高效率的能量转换，在环形磁隙中应有足够大和均匀的磁通密度，这些与导磁材料的选择、磁铁的质量和磁路形式的选择等有关。磁路系统包括永磁体、极靴和工作气隙。永磁体在气隙中提供的磁能被音圈利用。,(2)振动系统。扬声器的振动系统包括策动元件音圈、辐射元件振膜和保证音圈在磁隙中处于正确位置的定心支片。这是纸盆扬声器的关键零部件。(3)支撑及辅助件。它包括盆架、压边、防尘罩、引出线等，是扬声器必不可少的辅助件。,2.扬声器的工作原理 纸盆扬声器 扬声器的音圈与纸盆联成一体，音圈处于磁场中，通电音圈在磁场中受到力的作用而运动时，就会切割磁隙中的磁力线，从而在音圈内产生感应电动势，纸盆扬声器工作的过程就是在这种电效应和力效应的作用下而完成电能到声能的转换的。即当音圈中输入由放大器输出的电流时，在线圈和磁铁之间产生磁场，随着音圈中流过的电流大小不同，音圈带动扬声器的振膜在磁场中作不同垂直方向的运动，这样就会使扬声器发出声音。,球顶形扬声器 这是一种在高保真立体声系统中广泛采用的扬声器，一般用来放中、高音。这是一个作中音放音用的球顶型扬声器。作为高音放音扬声器时，图中后腔及吸声材料是没有的。从图中可以看出，这种球顶型扬声器的工作原理与前述纸盆扬声器相同，所不同的是其振膜为近似的半球形球面。为了改善声压频响特性和指向特性，一般在振膜前面还装有喉塞或扩散器。根据振膜软硬程度不同，可以分为软球顶型扬声,器和硬球顶型扬声器两种。这两种球顶型扬声器在设计时要求是不一样的。对于硬球顶型扬声器而言，必须做到在相当高的音频段发声振动时其振膜不能产生分割振动，而对软球顶型扬声器而言，其振膜在产生分割振动时不应出现单一共振，而应出现分布的多共振。必须选用适当的粘弹性材料和吸声材料来作为振膜的阻尼材料，以获得平滑的频响特性。这种扬声器的效率较低，但它的重放频带很宽，达400Hz12kHz，而且指向特性均匀，瞬态特性良好。,球顶形扬声器的特点是高频特性很好，指向性较宽，工作时失真小，所以在高保真扬声器系统中获得了广泛的应用。铝带式扬声器 铝带式扬声器的工作原理与电动式扬声器相同，但用铝带来代替音圈和振动膜片。因为铝带极薄，其质量极轻，故不需要作用力传递，它自己可以直接振动发声，而且没有空气共振。所以这种扬声器的最高频率响应可高达200kHz，其低频端的频率响应约为2kHz左右，可见这是一种理想的高音发声单元。,平膜扬声器 这种扬声器又叫全驱动式平膜扬声器，它的结构比较新颖。它的音圈的制作不采用常规的方法将导线在骨架上绕制，而是在绝缘的振动膜片上采用真空镀膜的方法先镀上一层很薄的铝膜，然后再用光刻的方法将其腐蚀成一个附在振膜上的平面线圈，这样音圈和膜片是一个整体。再将这种振膜置于一个均匀的磁场中，就可构成一个完整的平膜扬声器。这种结构的扬声器由于其振膜的尺寸很小，重量也很轻，而且达到同相位驱动，所以它的高频响应非常平滑，而且可以展宽至40kHz以上。,3.扬声器的技术要求 扬声器作为一种电声换能器，是整个音响系统的终端，它的性能将直接影响整个音响系统的放声质量。为了保证放声质量，必须对扬声器提出一定的技术要求。（1）功率 有最大额定功率和最小推荐功率。最大额定功率：是指扬声器在引起严重损坏前所能接受的最大功率。使用时要注意不应超过该值的2/3，以保证扬声器的安全。,最小推荐功率：是指为产生合适的声级所需要的输入电功率。当小于该功率时，扬声器则无法正常工作。（2）频率响应 频率响应是指扬声器发出声功率的频率范围。频率范围越宽，发出来的声音就越好。,（3）指向性 扬声器的指向性主要是针对扬声器的高频重放能力而言的，它是表征扬声器在不同方向上辐射声波的能力。扬声器的指向性与频率有关，在低频情况下，信号波长较长，扬声器辐射面的有效长度比辐射的声波波长小得多，此时扬声器可看作一个点源，其辐射的声波是无指向性的；频率越高，声波辐射区域越窄长，指向性越明显。,（4）标称阻抗 扬声器的阻抗是用从功率放大器取出的音频电功率的大小来度量的，在数值上大致为音圈直流阻值的1.21.5倍。常见的有16W，8W，6W和4W。（5）效率 扬声器的效率是扬声器输入电功率与总输出声功率之比。效率的含义表示有多少电功率转换成了声功率。电动式扬声器的效率一般很低，仅有百分之几，而号筒式扬声器的效率较高，可达百分之十几。,（6）灵敏度 扬声器的灵敏度是指在扬声器输入端加上额定功率为1W的电信号时，在参考轴上1m处产生的声压值，单位用dB表示。灵敏度是扬声器的一项重要指标，在相同的输入信号下，灵敏度高的扬声器听起来声音较大。,（7）非线性失真 扬声器的失真是指扬声器的重放声和原声相比有较大的差异，不能完全重放出原来的声音。扬声器的失真主要是由于扬声器的非线性失真造成的。扬声器的非线性失真是指在放声过程中，出现了输入信号中没有的频率成分。非线性失真包括谐波失真、互调失真和分谐波失真等。,(1)谐波失真。当扬声器输入某一频率的正弦信号时，在它的输出信号中，除了输入信号的基波成分外，又出现了二次、三次谐波成分，这种现象称为谐波失真。(2)互调失真。当扬声器同时重放使音圈作大振幅振动的低频信号fL和音圈作小振幅振动的高频信号fH时，重放声中除了有fL、fH及其谐波成分外，还会有fHnfL的新的频率成分，n=1,2,3,，这种失真称为互调失真。,(3)分谐波失真。当加给扬声器强纯音时，由于振膜的非线性会在中低声频段产生频率为信号频率1/2或1/3等的模糊声音，这种现象称为分谐波失真。对扬声器来说，非线性失真越小其性能就越好。,（8)瞬态失真 瞬态失真是由于扬声器的振动系统跟不上快速变化的电信号而引起的输出波形与输入波形之间的差别，这种现象就称为瞬态失真。它与频响曲线上的峰谷有关，在振膜的谐振点处瞬态失真较为严重。如果给扬声器加上一个矩形信号，若输出的声信号仍为一个规整的矩形波，即信号的前、后沿都陡直，则说明扬声器的瞬态响应好，失真少。实际上，由于扬声器的结构、振膜材料特性等不利因素，信号的前、后沿不可。,可能陡直。一般情况下，前沿是逐渐上升的，后沿是逐渐衰减拖尾的，这就表明扬声器的瞬态失真大，不能逼真地重放急剧变化的信号。为了改善扬声器的瞬态失真，通常把扬声器的频响扩展至超声频段，以改善前沿特性，而拖尾时间的缩短则主要靠控制扬声器的阻尼来实现。,9)纯音 纯音是一个主观指标，它反映扬声器工作中纯音信号的质量。纯音合格是指在额定频率范围内，馈给扬声器额定功率的某一频率的正弦信号，扬声器应无机械杂声、碰圈声、垃圾声、调制声等。使用寿命和可靠性也是衡量扬声器的技术指标。扬声器能够连续工作的时间越长，说明其使用寿命越好，长时间工作而不出现故障则表明其可靠性好。总之，扬声器的技术指标很多，对其技术要求也很细，在使用扬声器的过程中，要根据具体情况选择不同技术指标的扬声器，以达到良好的效果。,5.1.3 扬声器系统的分类 扬声器系统就是扬声器箱，也称音箱，它是选用高、低音或高、中、低音扬声器装在专门设计的箱体内，并用分频网络把输入信号分频以后分别送给相应的扬声器的一种扬声器系统。这是因为单个扬声器由于受结构和材料的限制，要想不失真地重放整个音频范围内的音乐信号几乎是不可能的。为了使扬声器能在较宽的频带内工作，就要用较复杂的结构来替代单个扬声器，即将不同类型、不同频率范围的扬声器组合起来，使其中每一个扬声器只负担一个较窄频带的重放，形成多频带扬声器系统。扬声器系统一般由扬声器单元、分频器及衰减器、箱体三部分组成。,喇叭单元为什么要装在箱子里？不装箱行吗，比如用个支架来固定它们？不行，准确地说是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。先说第一个原因。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。,第二个原因，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。,高音单元为什么可以不装箱呢？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。,扬声器系统按分频方式常分为：单分频音箱、二分频音箱、三分频音箱、四分频音箱、多分频音箱和超低音音箱。按用途分为：书架式、落地式、监听式、电影立体声、大功率扩声、有线广播、防水、迷你型、返送式、带角架型、对讲型、拐角式、球型无指向式、高音半固定式、调相式等音箱。按基本结构分为：有限大障板型、背面敝开型、封闭式、倒相式、对称驱动型、空纸盆型、克尔顿型、声迷宫型、前向号筒型、背向号筒型、组合号筒型等多种结构音箱。其基本结构图及对应的特性曲线如图55所示。,图55 几种典型的扬声器结构及特性曲线,图55 几种典型的扬声器结构及特性曲线,1.有限大障板型音箱 当我们不给低音扬声器安装“障板”，处于自由辐射状的扬声器会出现“声音短路”。避免声短路的最简单方法，是把扬声器装在障板上，障板的形状可以是各种各样，障板越大，低音就越丰富。若是我们手头有一个“无限大障板”，那么就可以获得没有声短路现象的理想的低频辐射。但是实际使用中我们只能得到“有限尺寸的障板”，不过这不要紧，只要尺寸足够大，大于我们所关心的频率的半个波长，就可以认为它是无限大的。,如果我们采用的障板是圆形的，并且扬声器安装在障板的中央，则在某一个频率开始，它以下的频率就会产生声音短路现象，这个频率就称为截止频率。由于存在截止频率，所以为了重放低音就需要很大的音箱。,2.背向敝开式音箱 这种形式的音箱是前一种音箱的变形。将有限大障板弯曲向后折叠成箱体形，将扬声器装在前障板上就构成了背向敝开式音箱。不足之处是音箱容易在某一频率上产生共振，所以对箱体的尺寸、形状、扬声器的安装位置都必须仔细考虑，以防共振。这种音箱广泛用于收音机、电视机、录音机中。,3.封闭式音箱 将背向敝开式音箱的敝开部分封闭起来就构成了封闭式音箱了。封闭式音箱的目的是要把扬声器背面所辐射的声波完全隔绝，从而避免低频时反相声波的互相干涉，使低频性能更加完美。为了防止箱体内驻波的产生，常常在箱体内壁填加吸声材料。,4.倒相式音箱 倒相音箱也叫低音反射音箱。它在封闭音箱的障板上和扬声器安装孔那一面开一个或几个排气孔。大多数是孔内还装有声导管。倒相音箱的着眼点在利用扬声器的背向辐射声音。倒相式音箱利用倒相管将装在箱子上扬声器背面的声辐射相位改变180，从而使扬声器振膜前后的辐射声波得到加强，提高了低音单元的辐射效率，改善了低频性能。倒相型音箱是目前应用最广泛的一种类型，很受大家欢迎。,5.对称驱动型音箱 对称驱动型音箱是封闭式音箱不能做到小型化时而采用的一种改进型音箱，主要改善空气的劲度。具体做法是：将两个扬声器重叠装在一起，使两者以同相方式振动，因而两个单元间的空气(容积)劲度看上去显得非常小，前面的单元虽然处在小型音箱内，但其低音重放效果却同大容积音箱一样好。,6.空纸盆音箱 空纸盆音箱是倒相音箱的变形，又称无辐射源式音箱。它是利用空纸盆代替倒相管所构成的。适当加以控制可使空纸盆振动所产生的辐射声与扬声器前向辐射声同相，从而改善了音箱的低频特性，提高了低频频响。,7.克尔顿型音箱 这种音箱是1953年美国人亥纳瑞林发明的，对低音扬声器来说，其功用相当于一个声带通滤波器。这种音箱的工作频段选择在障板上所装扬声器的低频下限频率附近，能展宽低频重放频段的范围。这种音箱可用小口径扬声器进行失真不大的低音重放。,8.声迷宫型音箱 声迷宫型音箱是将扬声器背面的箱体做成声学导管，并在板壁上做吸声处理，导管的长度正好等于需要重放的低频声波波长的一半，这时开口的声辐射正好与扬声器前向辐射声同相叠加，从而使低频辐射增强。但是当导管的长度L=/4时，会产生逆共振现象。因此，在实际应用中要设法将这个低频下限值选为扬声器的最低共振频率为宜。,9.前向号筒型音箱 前向号筒型音箱的低音重放效果相当于一种超大型音响重放系统，主要用于剧场主扩音系统和效果扩音系统上。10.背向号筒型音箱 背向号筒型音箱又叫做反射号筒音箱，号筒的方向与前向的相反，它作为家用高保真低音重放系统，吸引着音频爱好者。11.组合号筒型音箱 组合号筒音箱是将前向号筒音箱与背向号筒音箱组合起来而构成的一种号筒音箱。其特性曲线体现了前后向两种号筒型的特性。,5.1.4 扬声器系统的一般特性 评价扬声器系统的优劣，也有一组参数，其名称与扬声器的参数基本相同，但意义有所不同。这是因为扬声器系统是由箱体、扬声器、分频器等组成的，它已不单单是一个扬声器，而是一个较大的系统，变化因素比较多。读者在学习的过程中应注意其区别。,1 声压频率特性 一个性能优越的扬声器系统，它的重放频带范围，理想情况下应该在人耳能听到的16-20kHz频率范围。结合较大声压级的超低音重放、尽量减少失真的要求，一般都把重放频率范围设定为30-20kHz，而且希望系统在各个听音点的响应特性尽量均匀。通俗地讲就是，在整个听音环境里，每个地方听到的声音大小都是一样的。,2 指向性和指向频率特性 在扬声器系统正面轴向水平30度和60度方向上测得的频率特性叫做该系统的指向频率特性，指向性指的是扬声器系统输出的声压级随声音辐射方向变化的特性。它受分频点频率、音箱结构形式、扬声器配置方法和分频网络元件值等因素的影响。所用的扬声器种类不同时，低音、中音和高音辐射到空间的指向性、声平衡性等特性都不相同。,3 最大输出声压级 扬声器系统的输出声压级与扬声器一样，是指在输入1W噪声电压信号的条件下，将标准测量传声器放在扬声器正面1m处测得的声压级的算术平均值。使用扬声器系统时，在某个距离上系统的声压量是否满足要求，都是用最大输出声压级这个参数来衡量的。,4 阻抗特性 扬声器系统的电气阻抗特性由所用扬声器单元的种类、性能以及分频网络元件等许多因素决定。针对不同的频率点，阻抗会不相同，一般用阻抗频率特性曲线来表示系统的阻抗特性。扬声器系统结构形式不同，阻抗特性也有明显变化。,1 5 谐波失真特性 扬声器系统的谐波失真特性与单个扬声器单元的谐波失真特性不同，它是由各个低音、高音等单元的失真特性综合而成的，而且还和音箱箱体、分频元件等有直接关系。这就要求在设计、使用扬声器系统时，应该根据实际情况，在重放频带内尽量使失真减小到最低值。否则，扬声器系统的失真特性会不理想。,1 6 耐输入能力 加到扬声器系统上的输入信号是通过分频器将低音、高音分开后，分别供给各个扬声器单元的，所以加在每个单元上的输入信号的大小是不同的。从系统整体性能考虑，主要是要限制集中于高频段的连续信号，防止高音扬声器单元过载损坏；低音、中音扬声器单元应该考虑能输入功率比较大的信号。,7.等效顺性（Cmy）等效顺性也称力顺或声顺，表示扬声器悬置系统的松紧度（即折环和定位支片的柔软程度）或说是其受力后位移的顺从性。高顺性的扬声器，说明其折环和定位支片相对柔软，振膜受力后的位移较大，在相同振膜质量的情况下，其谐振频率也就较低。顺性的单位是米/牛顿（m/N）。,8.主观试听 主观试听在国际上还没有统一标准。但主观试听可对一个产品作出初步判断。通过主观试听可以定性地判断一个音箱的音质，比如低音是否有力、丰满，中高音是否清晰明亮，低、中、高音是否平衡、柔和等。通过主观试听可以判断一个扬声器系统的最终放声效果，初步制定保真度、可懂度、平衡度、信噪比、动态范围等达到的程度。,9.外观 扬声器系统的外观虽然在国际标准中没有明确的规定，但它同主观试听一样是一项不可忽视的潜在技术指标，已成为人们选购时的首要技术指标。扬声器系统的外观总的原则应是：庄重、大方、美观，给人以明快、舒畅的感觉。,5.3 扬声器系统(音箱)的设计原理,5.3.1 开口扬声器系统(音箱)的设计原理 有限大障板和背面敝开型就属于开口扬声器音箱。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。,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。由于存在截止频率，所以为了重放低音就需要很大的音箱。,开口扬声器系统被广泛用于收音机、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。,5.3.2 封闭式扬声器系统(音箱)的设计原理 封闭式扬声器系统在设计过程中应注意解决两个问题：一是声短路问题；二是低频性能问题。第一个问题比较容易解决。由图521可知，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，以利改善低频效果，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。,图 521,扬声器装入封闭式箱内，会引起谐振频率上升，这意味着封闭式扬声器系统的低频响应上移，对低频性能不利。因此，封闭式扬声器系统的设计既要使扬声器的低频性能好，又要把箱体做得小，就成为封闭式扬声器系统设计中的一对矛盾。这就是要讨论的低频性能控制问题。通常，我们解决这类问题采用以下几种方法。,1.采用小口径扬声器 但扬声器的口径和箱体体积也不是越小越好，扬声器的谐振频率也不能做得过低。因为扬声器要辐射一定的声功率，小振膜比大振膜需要更大的振幅，谐振频率的降低也使振幅加大。当辐射声功率较大时，小口径扬声器将由于大振幅的振动而产生严重的非线性失真，并且，扬声器振膜振动所引起的箱内空气容积的变化比较大时，则箱内空气的声顺在声波的压缩相和稀疏相的值是有差别的，从而也会产生失真。,2.采用高顺性扬声器 高顺性扬声器的谐振频率f0一般很低。因此，选择这样的扬声器装入封闭箱后系统的谐振频率fc虽有所上升，但仍能落在我们所需要的低频范围内，从而能解决封闭扬声器系统的低频性能问题。3.增加大振幅时的线性工作区 主要是采用长音圈，使音圈在大振幅时不致跳出磁路，同时放大中心盘尺寸，选择能耐受大振幅的材料和形状做轭环，以此来保证和扩大扬声器在低频时的线性工作区。,4.设计具有较好刚性的纸盆 其主要目的是为了防止箱体内空气压力过大而使纸盆变形而产生不该有的失真。5.采用密封度高且坚固的箱体 这主要是为了防止箱内压力增加，箱体不坚固而在某些频率上发生箱板共振，影响扬声器系统的特性曲线，严重时出现机械声。所以箱体越小，越要注意加固，以防止不必要振动的发生。同时，扬声器周围音箱的结合部要防止漏气，以免产生声干涉，影响频率性能。,封闭式扬声器系统的尺寸也是较为重要的因素。一般多采用长方形箱体，但这种系统易在箱体中产生驻波。,5.3.3倒相式扬声器系统(音箱)的设计原理 前面论述的封闭式扬声器系统使用高顺性、小口径的扬声器以及体积小的箱体来提高系统的谐振频率，虽然谐振频率提高了，但扬声器的效率降低了。因此，封闭式扬声器系统只能用于对灵敏度要求较低的场合。对于要求灵敏度高、低频能量大的场合，倒相式扬声器系统就是一个较为理想的选择。,倒相式扬声器系统的设计方法是在封闭式扬声器系统的前面板上加装一个能够使扬声器背面声波倒相的导声管，从而使扬声器背面所辐射的声音中的一部分通过导声管与扬声器前面所辐射的声波同相相加，增强了低频声的能量，低频灵敏度提高45dB。倒相式扬声器的结构如图522所示。,图522 倒相式扬声器系统基本结构,倒相式扬声器系统另一个优点是：在谐振频率附近给予纸盆的声负载为最大阻抗。这时，一方面在这个频率上主要由倒相管辐射较高的低频声压；另一方面纸盆的振幅却最小，这与封闭式扬声器系统在f0时纸盆振幅最大形成了鲜明的对比。因此，倒相式扬声器系统避免了扬声器大振幅所引起的低频失真。,倒相式扬声器系统与封闭式扬声器系统相比较还有一个优点，就是该系统可以设计使系统谐振频率fc和扬声器谐振频率f0相同，不像封闭式扬声器系统那样为了保证系统的fc较低而必须使用高顺性的扬声器。倒相式扬声器系统可以使用谐振频率较高、灵敏度也高的低频扬声器，从而最大限度地挖掘低频扬声器的潜力。,5.3.4 组合扬声器系统(音箱)的设计原理 我们知道，使用一只扬声器要完成2020000Hz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。,在低频声音段，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。,在中、高频声音段，应能采用中、高音扬声器单元。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。中、高频扬声器以纸盆式，球顶形和号筒式为多。,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。分频网络也称分频器，它的作用主要有两个：一是把音频信号中的高、中、低频率成分分开，分别供给高音扬声器、中音扬声器和低音扬声器放音；二是可以保护中、高音扬声器单元不受损坏且不产生严重失真。,下面简要介绍一下不同用途的组合扬声器系统的设计原则：(1)电影系统中应用的组合扬声器系统。电影系统用组合扬声器箱的设计要求是：灵敏度高、功率大、失真小、指向性宽，而频率响应高频端只要到15000Hz即可。电影系统扩声用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8001000Hz;380mm的低音扬声器分频点一般选为600900Hz;460mm的低音扬声器分频点一般选为500800Hz。,现代立体声影剧院用的组合扬声器系统，额定功率在100150W，箱体大多为号筒加倒相式。低音单元常由一个高效低音或两只400mm左右的低音扬声器组成，中、高频单元常用双径向号筒扬声器，频率范围为3615000Hz。小型电影院扩声用的组合扬声器设计要求是：体积小、频响宽、灵敏度高、失真小、指向性好。对于制片录音监听用的专业组合扬声器箱的要求基本上与上述要求相同，但对失真的要求更高，对组合扬声器对称性的要求也高。,(2)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回授现象，这种回授主要出现在指向性很小的低频部分。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。,对高频的要求则要宽一些，一般在1500020000Hz。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350800Hz之间，中、高频段一般在35005000Hz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。(3)广播录音监听组合扬声器系统。这种组合扬声器系统是供广播电台或电影制片厂监听和录音时使用的组合扬声器，对这种组合扬声器系统的设计要求是很高的。,具体要求是：功率大、灵敏度高、动态范围大、指向性宽、频率范围宽约为3620000Hz、失真要求2%以下；当用于立体声监听时，则要求两只配对的组合扬声器要求性能应尽可能一致，其幅度频响差别不得大于1dB。所以，对这种专业场合使用的组合扬声器，从单元到组合都要精心设计。其分频点的选取与厅堂组合扬声器相同。,(4)家用组合扬声器系统。家用组合扬声器有高、中、低三种档次，设计要求也不尽相同。家用组合扬声器的用途也很广，可用于广播、收音、电视伴音、录音(放)机等场合。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，56.5英寸的气垫扬声器用得较多，一般设计成二分频，高频由于要求在12000Hz以上，所以使用球顶型高音扬声器比较多。,高级唱机、专业录音机用的组合扬声器是高级立体声组合扬声器，落地式较多见，要求其功率大、频响宽、灵敏度高、失真小、指向性宽和对称性好。低频单元选用812英寸的低音扬声器，可以采用封闭式音箱或倒相式音箱，以三分频为最好，也可以设计成二分频，中频单元和高频单元宜用球顶扬声器，中频单元有些情况下也采用纸盆扬声器，这种立体声组合扬声器一般都具有4018000Hz的频响，最好为4020000Hz，两个分频点可以在300500Hz和30005000Hz之间选取。,5.3.5 分频器的简单设计 1.分频器的作用和类型 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，互不交叉，并且平衡高、中、低音的输出声压，从而最大限度地发挥各个扬声器的优势，避免了它们的缺陷，使整个组合扬声器系统处在最佳工作状态，音质更加完美，效果更佳。同时，它还起到了保护高音扬声器的作用。,分频器有两种类型：一是功率分频方式，二是前级分频方式。(1)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，如图5-23所示。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，是经常采用的分频器。(2)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，如图524所示。,图523 功率分频方式,图524 前级分频方式,前级分频器可以用小功率的阻容或有源网络来实现。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。但在一些高质量的放声系统中，人们常采用这种分频方式。前级分频器能有效地降低功率放大器的互调失真，这是它的一大优点，同时调整非常方便。,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。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。,分频按其衰减率一般可分为每倍频程-6dB、-12dB及-18dB三种，对应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。衰减越大，分频得越彻底，从而音质也较好。但由于元件数越多，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。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。,3.衰减器 组合扬声器系统中由于高、中、低音三个单元的灵敏度不一样，一般要在中、高频通路中接入衰减器，以实现功率匹配，衰减器一般都可手动调整。常见的衰减器有三种：连续式、步进式和复合式，如图531所示。这三种衰减器元件值的计算基本利用简单的分压计算法，这里不再详述。由于衰减器中的阻值很小，而功率消耗较大，一般应采用线电阻及线绕电位器，否则易烧坏器件。,5.3.6 扬声器单元的选择 在组合扬声器系统中，根据不同的用途就要选取不同类型的扬声器单元，如果扬声器单元选择不好，就会影响音响效果。下面根据不同用途分述组合扬声器单元的选择问题。1.电影用组合扬声器单元的选择 电影胶片上的声音信号的特点是频带不太宽，一般在4012000Hz。对立体声用的组合扬声器则要求其频带要宽一些，一般在4016000Hz；功率要大一些，在100150W；灵敏度要高，失真要小，指向性要好。,为了提高低音效率，要求低音扬声器单元的口径要大，一般选380460mm的且功率大、失真小的复合边纸盆扬声器比较多见；为了提高高音的效率和指向性，高音扬声器一般选用大功率号筒扬声器。当然，在选取扬声器单元的过程中，不但要根据不同用途来限定扬声器单元，而且更重要的是要兼顾考虑扬声器单元本身的参数情况，使二者很好地成为矛盾的统一体，既发挥了扬声器的效能，又满足了不同用途的需求，达到最佳效果。,2.厅堂、剧场组合扬声器单元的选择 厅堂、剧场组合扬声器单元属于专业用的扬声器单元。这种用途的组合扬声器的特点是：功率一般为200400W，有的甚至达600800W；频率范围在3620000Hz；失真小；方向性好，且方向性规格要多。对低音单元来说，要求功率一般在200400W；灵敏度一般在97101dB；失真小于5%；谐振频率为2060Hz；品质因数为0.20.7；口径一般在300500mm。,扬声器一般都使用大功率号筒扬声器，而且要根据指向性的要求，选择不同型号的大功率号筒扬声器。中音扬声器可以用纸盆扬声器，对要求指向性严格的产品应选用中音号筒扬声器。,3.广播、录音监听组合扬声器单元的选择 这种用途的扬声器单元的选择与上一个用途的情况要求很类似，但低音扬声器的口径在250400mm之间，且要求扬声器的一致性非常好，即幅频差应在1dB之内。另外要求灵敏度要高，至少在97dB以上。4.家用电器中扬声器单元的选择 1)电视机用扬声器 电视机用扬声器有3种情况：(1)单声道开口箱放声用扬声器。如77130mm的纸盆扬声器，40mm的纸盆高音扬声器。,(2)多种规格的椭圆扬声器。(3)3D系统用的重低音扬声器，与140mm和100mm的中、高音扬声器配对。要求这种扬声器的功率大、失真小、灵敏度高。电视机用扬声器都要求有磁屏蔽，所以应以内磁、双磁路，以及屏蔽式扬声器为主，且要求可靠性高。对于分体式电视机用的立体声音箱，低音以120mm、130mm、140mm的高顺性扬声器为主，要求功率小、失真小、频响好；高音以球顶扬声器和65mm以下的纸盆高音扬声器为主。,电视机的放声频带宽度一般为12012000Hz，而分体式立体声组合音箱频带宽度为7016000Hz，所以分体式组合扬声器对扬声器的要求较高。2)收音机用扬声器的选择 收音机一般选用小口径扬声器，以165mm以下口径的扬声器为主，而且要求灵敏度高，高频不能太高，一般到4000Hz就可以了，纸盆最好选用硬度较高的硫酸盐或亚硫酸盐纸盆。对于体积较大的各式收音机可以用130mm以上的复合边扬声器以展宽低频响应。扬声器一般是开口箱式组合扬声器，品质因数在2左右。低频扬声器的谐振频率f0为150250Hz，其中250Hz适用于袖珍式收音机。,3)收录机用扬声器的选择 收录机用组合扬声器有的做成开口箱、有的做成封闭式小音箱。开口箱用的扬声器要有较宽频响，高频可达12000Hz；封闭式小音箱用的扬声器，则为小型高顺性扬声器，一般为160mm以下口径的扬声器，扬声器的特性灵敏度一般在8590dB之间。收录机用扬声器要求有磁屏蔽，所以，对于立体声收录机还要求扬声器的一致性要好。,4)高级唱机、高档录音机用扬声器 用于高级唱机、高档录音机的扬声器单元都是与相应的立体声组合扬声器配套的。所以对这类扬声器单元的要求都比较高。对低音扬声器，要求功率大、灵敏度高、失真小、品质因数适中、频率响应平坦、美观大方、可靠性好。口径一般为200300mm。对中音扬声器，要求功率大、灵敏度高、失真小、方向性好、频率响应平坦、美观大方、后封闭式。口径一般为100200mm。,对高音扬声器，要求