過(guò)去十年來(lái)，具有微型揚聲器的行動(dòng)設備正呈現爆炸性成長(cháng)──如手機、MP3、GPS系統、筆記型電腦、平板電腦、遊戲機與玩具等等。由於消費者品位提升，對於這些設備必須能播放更高品質(zhì)音訊的需求也持續增加，並為產(chǎn)品製造商帶來(lái)更多的挑戰──他們必須能讓小型、輕量且低價(jià)的揚聲器發(fā)出更悅耳、更高品質(zhì)的聲音。本文將探討可攜式電子產(chǎn)品製造商所能採用達到這些目標的一些方法。 

等化作用 

無(wú)論任何尺寸大小，理想的揚聲器應該具有‘平坦’的頻率響應──也就是說(shuō)，揚聲器能夠在20Hz～20kHz的頻率範圍內以相同的音量傳播在周?chē)�空間中，而不至於在頻譜的振幅上產(chǎn)生峰值或低谷。但現實(shí)中，沒(méi)有揚聲器能夠做到這一點(diǎn)，而且越是努力要使揚聲器的響應變得平坦，所需的成本和複雜度也越高。由於可攜式設備中所使用的揚聲器通常成本低且結構簡(jiǎn)單，無(wú)法包含達到真正平坦響應所需的複雜結構，因而在整個(gè)音訊頻譜內呈現非常明顯的輸出水平變化──這在頻率低於數百赫茲(Hz)的情況下最為顯著(zhù)。 

圖1：手機揚聲器頻率響應。

為了補償不均衡性，可以測量揚聲器的頻譜響應並找出其特性，然後透過(guò)使用等化或濾波電路來(lái)加以補償，這些電路的頻率響應可以彌補揚聲器響應的不均衡性。也就是說(shuō)，在揚聲器音訊訊號減弱的某些頻段中，等化電路能夠等比例地增強訊號。相應地，在揚聲器響應的聲音峰值區域，等化電路能夠使訊號平坦化。其結果是揚聲器可感知的輸出能實(shí)現較佳的平坦度。 

但要實(shí)現等化至少會(huì )造成兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，它可能增加系統的複雜度。揚聲器響應越不均衡，所涉及的等化方案就越多。DSP能夠有效地用於實(shí)現等化曲線(xiàn)，但也會(huì )為晶片面積和功耗方面增加更多成本。 

其次，在整個(gè)音訊頻譜中，即使增加了等化電路，揚聲器的實(shí)體限制也會(huì )影響平坦度。單一元件換能器如手機揚聲器，其有效的驅動(dòng)單元直徑通常為1英吋或更小，無(wú)法在整個(gè)音訊頻段上提供有用或可辨識的音訊能量(這就是2路和3路揚聲器普遍用於家庭和汽車(chē)立體聲裝置以及公共廣播系統的原因)，這一點(diǎn)在低頻區域特別明顯。 

這樣小的膜片無(wú)法有效地將低頻能量傳送到空氣中，如果試圖透過(guò)增加低頻訊號的振幅以進(jìn)行補償，可能會(huì )導致?lián)P聲器超出其實(shí)體和散熱限制。因此，即使使用了等化電路，可攜式電子設備中的低頻或低音響應仍普遍不足。

合成低音增強 

如上所述，手持式設備中的微型揚聲器在傳送低頻訊號時(shí)的能力不足，因此音訊節目資料中的低音部份會(huì )遭遇損失。目前的做法只是在聲音中合成導入元素，使其看起來(lái)具備低頻部份。這種方法透過(guò)從小型揚聲器無(wú)法發(fā)出的低音訊率中產(chǎn)生泛音(泛音存在於揚聲器確實(shí)能夠提供的範圍內)，並將其插入音訊串流中而達到讓人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統產(chǎn)生錯覺(jué)的效果。至少有兩種人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)原理可實(shí)現這種作用──一種被稱(chēng)作‘基頻缺失’或‘殘留音調’，另一種被稱(chēng)作‘差音’(difference tone)。 

圖2：差音──Fo不存在而由2Fo和3Fo‘組合’而成。

至於差音，混合較目的音符更高一個(gè)八度的音調，以及高於該八度音調的5th音調，以模擬低音音符(參見(jiàn)圖2)。例如，如果需要合成一個(gè)比中音C低3個(gè)八度的C調，可將一個(gè)比中音C低2個(gè)八度的C調，以及僅高於後一個(gè)C調的G調進(jìn)行混合。這項使用差音的實(shí)際運作已納入管樂(lè )和電子琴許多年了，可避免需要使用很長(cháng)的管樂(lè )或很大的揚聲器系統。至於基頻缺失，從樂(lè )器音符中自然產(chǎn)生的一系列泛音能夠對人耳‘暗示’基音，即使基音丟失(參見(jiàn)圖3)。 

圖3. Fo丟失而由其諧波訊號合成。

此兩種方法中的任一種都可用於在小型揚聲器的通過(guò)頻帶內產(chǎn)生音調，以合成低於揚聲器實(shí)際能夠傳輸頻率範圍的音符，因而增強表面的低頻響應。為了達到這個(gè)目標，低段的音訊頻譜必須分離於主要訊號路徑之外，並且應用非線(xiàn)性處理來(lái)產(chǎn)生上述的泛音。所產(chǎn)生的合成低音被重新導入訊號路徑，並饋入揚聲器中。該方法的缺點(diǎn)包括不可預知的結果或聽(tīng)得見(jiàn)人工合成音，其來(lái)源是複雜的節目資料或高動(dòng)態(tài)音源(如脈衝聲)的非線(xiàn)性處理。

壓縮電路 

目前可攜式電子產(chǎn)品所使用的微型揚聲器不僅受限於頻率範圍，絕對響度(loudness)也有其限制。響度的限制不僅涉及將能量耦合發(fā)送到空中的振動(dòng)元件尺寸，也包括元件可允許的最大行動(dòng)或偏離程度；它不能突破實(shí)體限制或損壞懸吊裝置。提升聲音的平均感知響度而不過(guò)分擴展或損壞揚聲器的方法之一是使用壓縮技術(shù)，壓縮電路持續監控音訊訊號的瞬間響度，增加靜音通道的增益，同時(shí)或多或少地保留響度較高的音訊資料。這些處理程序必須以非�？斓乃俣韧瓿�，並根據節目素材的響度極限，以便使其具有相當平滑的壓縮特性。 

圖4. 動(dòng)態(tài)範圍壓縮。(輸入、輸出、壓縮輸出、未壓縮輸出、曲點(diǎn)、最大提升量)

圖4顯示在平滑通道的響度所提升的程度，而最大輸出則保持不變(壓縮和被壓縮曲線(xiàn)交點(diǎn))，防止系統可能產(chǎn)生的過(guò)度驅動(dòng)。壓縮後的平均表面響度實(shí)質(zhì)上高於未壓縮訊號。曲點(diǎn)上的壓縮比約為2:1(即輸入訊號中的2dB變化僅為壓縮後輸出訊號帶來(lái)1dB的變化)。低於曲點(diǎn)部份的壓縮比為1:1，並且設置了最大提升量，因此減小了壓縮電路的整體增益要求，同時(shí)對於較平坦的訊號仍提供明顯‘提升’量。 

聽(tīng)覺(jué)增強(高諧波增強) 

幾十年前，高效的錄音室設備可以‘刺激’音樂(lè )的聽(tīng)覺(jué)效果，目標是僅透過(guò)增加高段頻率的增益(放大高音)來(lái)為聲音特徵增色。正如合成低音增強部份的討論，原始資料某種失真可能使人類(lèi)聽(tīng)力系統在現實(shí)中感知愉悅，這種現象用於提升音調。特別地，我們可以導入非常柔和的偶次諧波，即在放大的音樂(lè )聲音中加入了許多的‘溫暖’(warmth)元素。真空管在這方面的作用眾所週知。 

至於聽(tīng)覺(jué)增強，僅有音訊頻譜的高段(如1kHz及以上)從訊號路徑分離，產(chǎn)生偶次諧波並包括在受控的總音量中，由此產(chǎn)生的修正訊號以可調節音量的方式再次合併於音訊串流中。取決於所收聽(tīng)的資料不同，此效應為許多令人愉悅的聲音增加了‘水晶’般清澈特色。並且因為此效應出現在中至高段頻率範圍，人耳在這個(gè)範圍中更為敏感，音樂(lè )節目的播放似乎也變得更響了。

柔性削音 

許多可攜式音訊設備包含可防止音訊放大器過(guò)驅動(dòng)或允許飽和削音的技術(shù)，過(guò)驅動(dòng)或飽和可能損壞揚聲器並且至少會(huì )產(chǎn)生令人厭惡的破裂聲。即使有此保護作用，仍然可能產(chǎn)生音訊水平超過(guò)放大器輸出範圍的情況。一種緩減聲音飽和後果的方法是使用柔性削音，該技術(shù)能在放大器的輸出電壓接近其極限時(shí)(在限值上下)予以感知，修剪波形以防止尖峰嚴重擊穿限值。此項技術(shù)降低了可能由平頂或急劇裁切的輸出波形所產(chǎn)生的高頻能量，減弱了令人討厭的爆裂聲效果，並減少了可能傳輸至揚聲器的過(guò)量高頻能量。 

圖5. 柔性削音。

揚聲器保護 

人們做出種種努力以期最大限度地提高可攜式設備揚聲器發(fā)出的感知響度，同時(shí)還必須小心避免揚聲器本身的損壞。這些小型換能器僅能承受這麼大的有限音量�，F有兩種主要的揚聲器保護方法──最大薄膜偏移和最高音圈溫度。 

圖6. 揚聲器剖面圖

圖6所示為典型的揚聲器剖面圖，可以清楚看到薄膜運動(dòng)的實(shí)體限制，尤其是向下行的方向。音訊訊號不允許過(guò)強，否則會(huì )導致振動(dòng)元件接觸到固定機架組件，或導致懸架材料(環(huán)形圈或彈架)過(guò)度拉緊。此外，音訊訊號的RMS值不允許太大，否則會(huì )導致音圈過(guò)熱。音圈過(guò)熱會(huì )使線(xiàn)圈管的圓形變形，引起與磁體或磁極片邊緣的摩擦。而且，音圈中的高溫也會(huì )導致其電氣絕緣性能劣化，最後致使音圈的線(xiàn)匝短路，從而降低音圈阻抗而使放大器過(guò)載。音圈溫度過(guò)高也會(huì )使永磁體受熱，可能導致其退磁。 

用於防止揚聲器損壞的技術(shù)包括：針對輸入訊號振幅和/或電源電壓進(jìn)行自動(dòng)增益控制(AGC)、動(dòng)態(tài)範圍壓縮、硬限幅、柔性削音，以及放大器輸出過(guò)流感測。缺點(diǎn)在於這些技術(shù)的都採用了前饋式方法，無(wú)法感測實(shí)際的揚聲器音訊偏移、音圈溫度或揚聲器阻抗(隨溫度按比例改變)。未來(lái)可望能夠實(shí)現熱反饋等更複雜的保護機制，但目前通常使用的方法是上述所提及的一種或多種保護機制。