前面講述了一些影響聲音的因素和客觀(guān)指標以及電聲產(chǎn)品設計、工藝之間的關(guān)系。這里要和大家分享一下電聲器件影響聲音的一些技術(shù)指標。
我們仍然以揚聲器為例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。這里我們把電聲器件的“檔次”提升一下，我們來(lái)研究Hi-Fi音響用的揚聲器的技術(shù)指標。
朋友們對Hi-Fi音響用的揚聲器自然不陌生。當我們選擇一款揚聲器時(shí)，揚聲器廠(chǎng)家自然會(huì )提供一些參數和測試數據。負責任的廠(chǎng)家一般會(huì )提供：
1、阻抗、功率
2、靈敏度、頻響曲線(xiàn)
3、F0、阻抗曲線(xiàn)
4、一些常見(jiàn)的T/S參數如Qts及Xmax，BL等數據。
實(shí)際上，很多廠(chǎng)家提供的諸如頻響曲線(xiàn)、阻抗曲線(xiàn)、T/S參數等，都存在一定的“美化”和“失真”的情況。即便是較資深的發(fā)燒友，自行搭建一套音頻測試系統如LMS，也基本上限于將以上參數測試準確而已。然而，越來(lái)越多的實(shí)踐證明，僅僅關(guān)注以上指標，還不足以判定一個(gè)揚聲器單體的好壞。也就是說(shuō)，只關(guān)注以上指標，其實(shí)是不夠的�？墒沁z憾的是，目前的絕大多數電聲設計者和發(fā)燒友，都是在基于以上有限的性能指標來(lái)進(jìn)行設計，不能不說(shuō)是一種遺憾。
下面，老虎180就一些大家一般不會(huì )關(guān)注到、但對設計非常有用的一些參數和數據，逐一描述一下：
一、THD
THD是英文“Total Harmanic Distrotion”的縮寫(xiě)。和頻響曲線(xiàn)類(lèi)似，在不同的頻點(diǎn)，揚聲器的THD也不同。因此THD會(huì )生成一條曲線(xiàn)。而一般的揚聲器的規格中，均對THD曲線(xiàn)沒(méi)有相應的描述。但實(shí)際上，THD對聽(tīng)感影響極大。簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，THD總體偏高的揚聲器，其聲音一定不如THD總體偏低的揚聲器來(lái)的自然。
下圖是典型的揚聲器的一條頻響和THD曲線(xiàn)。從圖中我們可以看出，THD曲線(xiàn)在低頻部分，特別是低于諧振頻率的時(shí)候，會(huì )有一個(gè)較大幅度的抬升。在高于諧振頻率的時(shí)候一路下降。在某些頻點(diǎn)，伴隨著(zhù)頻響曲線(xiàn)的起伏，THD 曲線(xiàn)也產(chǎn)生起伏。
THD曲線(xiàn)在低頻F0附近的抬升的內因主要來(lái)自于揚聲器的振幅。主要是由于揚聲器在諧振頻率附近，振幅加大，導致音膜的折環(huán)和定心支片等引發(fā)的失真。引發(fā)此失真的來(lái)源還有一個(gè)因素，那就是磁路和音圈的配合。如果音圈在磁路中的位移導致了音圈所處的磁通量有較大變化的話(huà)，也會(huì )引發(fā)較大的低頻的失真。
THD曲線(xiàn)在高頻段的“峰值”和振膜的形狀、內阻尼等密切相關(guān)。往往在這個(gè)頻點(diǎn)上，由于高頻聲波在振膜上的傳播，導致了振膜上面產(chǎn)生“駐波”，進(jìn)而使得在某些頻點(diǎn)，振膜的某些部位變形明顯，體現在指標上，就是THD的峰值。于此對應，往往會(huì )在頻響曲線(xiàn)上也表現為峰谷，進(jìn)而影響聽(tīng)感。
進(jìn)一步分析失真，還可以按照階數對失真做細分。如下圖，對2階和3階失真分別顯示。
需要注意的是，THD指標是和揚聲器工作的頻率以及承受的功率都密切相關(guān)的。脫離了指定的頻率或者功率，談THD都是空談。上圖中藍色曲線(xiàn)為2W時(shí)的THD曲線(xiàn)，而黃色曲線(xiàn)為0.5W時(shí)的THD曲線(xiàn)。市面上銷(xiāo)售的揚聲器，有很多給不出THD的數據，那是因為傳統的大型揚聲器生產(chǎn)商，對THD不夠重視，很多廠(chǎng)商的測試設備甚至不能準確測量出THD曲線(xiàn)！而伴隨著(zhù)手機等消費類(lèi)產(chǎn)品音頻設計的提升，B&K、Soundcheck等音頻測試系統的導入，THD得到了一些廠(chǎng)家的重視。需要指出的是，揚聲器功率越低，THD越��；在1-2K頻段，揚聲器的THD也是相對比較低的。一些廠(chǎng)家聲稱(chēng)自己的揚聲器THD可以做到<5%甚至<3%，看上去貌似很低，但如果不指定功率和指定頻點(diǎn)的話(huà)，基本上是沒(méi)有意義的。那種號稱(chēng)自己的THD可以做到1%甚至0.5%以下的，基本上和江湖郎中無(wú)異了...如果需要關(guān)注THD，建議關(guān)注額定功率下的THD曲線(xiàn)，這樣會(huì )更客觀(guān)一些。
二、T/S參數
T/S參數是由THIELE和SMALL先生首先提出的揚聲器系統數學(xué)模型的基本參數。T/S參數是由THIELE和SMALL先生首先提出的揚聲器系統數學(xué)模型的基本參數。T/S參數由四個(gè)小信號參數和2個(gè)大信號參數組成。
小信號參數包括四個(gè)基本參數：
1.Fs為揚聲器單元的諧振頻率。
2.Vas為揚聲器單元的等效容積。
3.Qes為揚聲器單元的電Q值。
4.Qms為揚聲器單元的機械Q值。
在實(shí)際應用中，經(jīng)常會(huì )遇到Qts參數，它表征揚聲器在低頻段的諧振峰的大小。Qts為Qes和Qms的并聯(lián)。
大信號參數包括兩個(gè)基本參數：
1.Pe（max）為揚聲器單元的散熱能力所確定的最大功率額定值。
2.Vd為揚聲器單元振膜在最大振幅時(shí)所推動(dòng)的體積。
T/S參數在電聲系統設計過(guò)程中，需要根據實(shí)際情況來(lái)靈活判斷。我們經(jīng)常遇到的應用場(chǎng)景無(wú)外乎兩種。第一種場(chǎng)景：我們手頭正好有一個(gè)喇叭單體，我們希望用它來(lái)設計出一個(gè)可用于低音重放的音箱。第二種場(chǎng)景：我們根據使用場(chǎng)景的需要，計劃做一款長(cháng)寬高比較確定的箱體，甚至我們已經(jīng)想好了箱體的設計圖紙，決定了箱體的聲學(xué)結構，我們希望選擇一款合適的喇叭單體來(lái)配合我們的箱體。不管是那種情況，我們心目中都有一個(gè)“理想的”效果，我們的設計要盡量去接近這個(gè)“理想的”效果。此時(shí)，T/S參數就可以幫助我們做出一定的判斷。使我們獲得一個(gè)低頻響應接近我們的“理想效果”的系統。
試以2為例，簡(jiǎn)述這個(gè)過(guò)程如下：
假設我們需要制作一個(gè)密閉箱體的音箱，揚聲器口徑4寸，希望音質(zhì)好，低頻量感盡可能突出，應如何設計？
根據Q值的物理含義，假設Qts為Qes和Qms并聯(lián)，Qts越高低頻諧振峰越大，低頻量感突出的話(huà)，我們應該首選Qts高的喇叭？其實(shí)設計時(shí)往往不是這樣的。設計時(shí)第一步往往會(huì )先考慮諧振頻率Fs，因為諧振頻率Fs是位移振幅獲得平坦頻率響應和加速度振幅獲得平坦頻率響應的轉折點(diǎn)。Fs越低，意味著(zhù)平坦頻率響應曲線(xiàn)向低頻段延伸越多。相反，Fs越高，意味著(zhù)在低于Fs的頻段，聲壓將按照指數規律下降，不易獲得良好的低頻響應。對于4寸揚聲器來(lái)說(shuō)，Fs的常見(jiàn)范圍在60-90Hz之間，低的Fs有助于低頻的提升。
選取好恰當的Fs的揚聲器后，我們才需要去考慮其它參數和箱體的匹配。在此時(shí)，我們需要考慮的因素有：1、密閉音箱體積在后腔形成的壓縮空氣“彈簧”，會(huì )對揚聲器振膜產(chǎn)生“阻尼”。此阻尼會(huì )導致系統諧振頻率升高，揚聲器低頻段振幅減小...2、考慮這個(gè)阻尼的作用，需要揚聲器單體在障板測試模式工作在“欠阻尼”的狀態(tài)，裝腔后利用空氣阻尼從而達到正確的“阻尼響應”...3、揚聲器“速度”問(wèn)題。在本設計中，首先需要確保聽(tīng)感，也就是空間感和速度感，確保聲音鮮活，不遲鈍，也不拖沓。其次再追求平直的頻率響應。此時(shí)，揚聲器的QMs參數就派上用場(chǎng)了。一個(gè)足夠大的Qms的設計（如Qms>2）是取得上述聲音表現的關(guān)鍵...4、頻響曲線(xiàn)的平直。傳統的音箱設計理論，都是按照這個(gè)思路來(lái)設計的，可以代入檢驗。如果需要調整，在確保Fs、速度的前提下，可以通過(guò)BL和膜片設計的調整來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。一般規律是：加大BL，Qms提升，Qes和Qts下降。
三、時(shí)域和瞬態(tài)響應
在前面章節提到，揚聲器“速度”的問(wèn)題，這其實(shí)就是揚聲器的時(shí)域和瞬態(tài)響應問(wèn)題。也是決定聽(tīng)感的一個(gè)非常重要的因素。揚聲器的時(shí)域和瞬態(tài)響應，在傳統的揚聲器和音響制作領(lǐng)域談?wù)撋跎�，可是如果不關(guān)注深挖此類(lèi)指標的設計，要想獲得好的聽(tīng)感只能是“碰運氣”的成份更大一些。
揚聲器的時(shí)域和瞬態(tài)響應，有很多電聲測試系統都是可以完成測試的。比較常見(jiàn)的電聲測量軟件Soundcheck，其中的第2006號模塊---Time Selective Response，就可以完成相應的測量。再如免費的聲學(xué)測量軟件REW（Room Eq Wizard）,也是可以測量諸如Time Domain響應的。
在揚聲器時(shí)域和瞬態(tài)響應中，三維頻譜累計圖是我們比較常見(jiàn)的一種圖形。更多時(shí)候，他有一個(gè)更為形象通俗的名稱(chēng)：瀑布圖。
瀑布圖有三個(gè)維度構成，分別是頻率、聲壓級和時(shí)間。在時(shí)間=0的平面內，被測揚聲器的穩態(tài)頻響會(huì )被作為第一條曲線(xiàn)。而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔后，被測揚聲器的剩余頻響曲線(xiàn)又會(huì )生成第二條曲線(xiàn)。重復這一過(guò)程，在不同的時(shí)間坐標上就會(huì )得到許多條曲線(xiàn)。此時(shí)，揚聲器的殘余頻響特性就一覽無(wú)余了。
理想的衰減特性當然是全頻段均勻衰減，而且衰減極快。但事實(shí)上，揚聲器在驅動(dòng)消失后運動(dòng)不會(huì )馬上停止，所以我們只能退而求其次，從揚聲器的衰減時(shí)間和衰減均勻度兩個(gè)維度來(lái)要求。
四、相位特性
在一個(gè)理想的線(xiàn)性系統中，如果我們定義輸出對輸入信號沒(méi)有發(fā)生任何形變及時(shí)間的延時(shí)，則這個(gè)系統的幅頻和相頻曲線(xiàn)都是平直的。而實(shí)際上，揚聲器的輸出信號對輸入信號是存在形變和延時(shí)的。其中，由于距離帶來(lái)的延遲，是一個(gè)固定值。而消除這個(gè)固定值影響后，我們還可以得到一個(gè)相對的相移曲線(xiàn)。
揚聲器的相對相移曲線(xiàn)中的相位波動(dòng)，往往和幅頻曲線(xiàn)的波動(dòng)是一一對應的。揚聲器單元作為一個(gè)最小相位系統，其不帶群延時(shí)的相頻特性可以由其幅頻經(jīng)希伯特轉換而得到。這些波動(dòng)，往往會(huì )成為揚聲器音色改變的一個(gè)標志。例如上圖中，群延遲曲線(xiàn)、幅度曲線(xiàn)、相位曲線(xiàn)中表征的5-6KHz之間的波動(dòng)。
值得注意的是，在分頻設計中，也需要較為系統的考慮揚聲器的相位的銜接。如果銜接出現問(wèn)題，對應的頻響曲線(xiàn)也會(huì )出現波動(dòng)，而聲音的質(zhì)量也會(huì )受到影響。
此外，揚聲器還有諸如指向性等指標需要關(guān)注。這些指標有興趣的朋友可以自行查閱相關(guān)資料。 |
