現(xiàn)代音響與調(diào)音技術(shù)(第四版) 課件 第2章 傳聲器與揚聲器

第2章傳聲器與揚聲器2.1傳聲器2.2揚聲器本章小結(jié)

2.1傳聲器

傳聲器(Microphone)簡寫為MIC,又稱話筒或“麥克風(fēng)”。它是音響系統(tǒng)中使用最為廣泛的電聲器件之一,它的作用是將話音信號轉(zhuǎn)換成電信號,再送往調(diào)音臺或放大器,最后從揚聲器中播放出來。也就是說,傳聲器在音響系統(tǒng)中是用來拾取聲音的,它是整個音響系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié),其性能質(zhì)量的好壞,對整個音響系統(tǒng)的影響很大。

2.1.1傳聲器的分類

1.按能量的來源分

傳聲器按能量的來源可分為有源類傳聲器和無源類傳聲器兩類。有源類傳聲器用外加直流電源作為其能量來源,使傳聲器振膜的電學(xué)參量在聲場作用下發(fā)生變化,從而將聲能轉(zhuǎn)化為電能。

無源類傳聲器可直接把振膜的振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?而不消耗其他能量。

2.按換能原理分

傳聲器本身就是一種換能器件,通常是將聲能轉(zhuǎn)換為電能的。

3.按聲場作用力分

聲場作用力是指具體某點聲壓和振膜面積的乘積。這里的聲壓是標(biāo)量,無方向性,與頻率無關(guān)。傳聲器按聲場作用力分為兩種形式,即壓強(qiáng)式和壓差式。壓強(qiáng)式傳聲器是對空間聲場某點的聲壓起響應(yīng)的,而壓差式傳聲器是對空間兩點或多點之間的聲壓差起響應(yīng)的。聲壓差是聲壓梯度的函數(shù),聲壓梯度是有方向性的,是矢量且與頻率有關(guān),所以壓差式傳聲器是具有方向性的。

4.按指向性分

指向性分類方法比較直觀且容易理解。當(dāng)聲波波長接近揚聲器的結(jié)構(gòu)尺寸時,都會發(fā)生衍射,產(chǎn)生相位損失、障板效應(yīng)等,因而不可避免地要在高頻區(qū)產(chǎn)生方向性。具體方向性有單向、雙向、全向、8字形、無指向和可變指向等6種。

2.1.2-傳聲器的原理結(jié)構(gòu)

1.動圈式傳聲器

動圈式傳聲器屬于無源類傳聲器,其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1動圈式傳聲器的結(jié)構(gòu)

2.電容式傳聲器

電容式傳聲器的原理結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2-電容式傳聲器的結(jié)構(gòu)

2.1.3傳聲器的技術(shù)指標(biāo)

傳聲器的技術(shù)指標(biāo)是指它的電聲性能和質(zhì)量指標(biāo),主要包括以下幾個方面。

1.靈敏度

靈敏度用于表示傳聲器的聲電轉(zhuǎn)換效率,其定義為:在自由聲場中,當(dāng)向傳聲器施加一個聲壓為1μbar的聲信號時,傳聲器的開路輸出電壓(mV)即為該傳聲器的靈敏度。

2.頻率范圍(帶寬)

頻率范圍是指傳聲器正常工作的頻帶寬度,通常以帶寬的下限和上限頻率來表示。

3.信號噪聲比(S/N)

信號噪聲比指的是傳聲器有電信號輸出時的信號電壓與傳聲器內(nèi)在噪聲電壓的比,通常用dB表示。例如,電動傳聲器的靈敏度為0.1mV/μbar,當(dāng)在1m距離講話時,到達(dá)振膜的聲壓約為1μbar,此時,傳聲器輸出電信號為0.1mV。而傳聲器的內(nèi)在噪聲電壓約為0.5μV,則信噪比為

一般優(yōu)質(zhì)電容式傳聲器的S/N值為55~57dB。

4.源阻抗及推薦的負(fù)荷阻抗

源阻抗簡稱阻抗,指傳聲器的交流內(nèi)阻,以Ω為單位,通常用1kHz信號測得。低阻抗傳聲器,源阻抗為200Ω左右;中阻抗傳聲器,源阻抗一般在500Ω到5kΩ之間;高阻抗傳聲器,源阻抗則在25kΩ到150kΩ之間。由于中阻抗及高阻抗傳聲器的導(dǎo)線容易感應(yīng)交流聲,所以專業(yè)用的高質(zhì)量傳聲器,一律采用低阻抗方式。

5.最大容許聲壓級

通常以傳聲器產(chǎn)生0.5%諧波畸變時的聲壓級作為最大容許聲壓級。高質(zhì)量傳聲器的最大容許聲壓級已達(dá)135dB聲壓級。

6.隔振能力

隔振能力包括傳聲器與其支架間的隔振能力,以及傳聲器外殼內(nèi)芯件與殼體間的隔振能力。

7.瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)就是傳聲器對脈沖型聲波的跟蹤能力。由于方波信號是一種典型的瞬態(tài)信號,所以常常用一個矩形波信號來激勵傳聲器,然后用示波器來觀測傳聲器輸出信號的波形,從而判斷它的瞬態(tài)跟蹤能力。通常,電容傳聲器的瞬態(tài)響應(yīng)要優(yōu)于動圈傳聲器。

8.指向特性

傳聲器的指向特性,又稱傳聲器的方向性,是表征傳聲器對不同入射方向的聲信號檢拾的靈敏度,是傳聲器十分重要的電聲指標(biāo)。

1)壓強(qiáng)式傳聲器———無方向指向特性

壓強(qiáng)式傳聲器的振膜是裸露在聲場中的,振膜后面是密封的,聲波無法入射。所以,這種傳聲器具有無方向指向特性,或者說它具有球形指向特性,如圖2-3所示。

圖2-3無方向指向特性

2)壓差式傳聲器———8字形指向特性

壓差式傳聲器的振膜后面不密閉,因此振膜的振動取決于前面和后面的瞬時聲壓差,即對聲壓梯度產(chǎn)生響應(yīng)。很顯然,從前面0°和后面180°入射的聲波,都可以產(chǎn)生很大的聲

壓梯度,所以接收能力最強(qiáng),具有較高的靈敏度。從側(cè)面90°和270°入射的聲波,到達(dá)振膜前后兩面的強(qiáng)度相等,因而聲壓梯度為零,傳聲器沒有輸出,靈敏度為零。因此,壓差式傳聲器具有8字形(或雙向)指向特性,如圖2-4所示。

圖2-48字形指向特性

3)多種指向特性圖形的組合

將一個無方向圖形與一個8字形圖形疊加起來,就能得到一個心形圖形,如圖2-5所示。圖2-5心形特性的合成

現(xiàn)在,我們可以以無方向、8字形和心形指向特性為基本圖形,通過適當(dāng)?shù)慕M合,就可以得到許多個合成指向特性圖形了。圖2-6給出了5種主要的合成指向特性圖形,可供選擇傳聲器時參考。圖2-6多種指向特性圖形的組合

2.1.4有線傳聲器

1.有線傳聲器的特點

有線傳聲器的特點如下:

(1)與無線傳聲器相比,有線傳聲器的價格低廉,常常是同檔次無線傳聲器價格的1/4,甚至更便宜,是家用音響的首選類型。

(2)有線傳聲器的操作使用比較簡單。

(3)信號失落現(xiàn)象少,甚至沒有。

(4)在信號傳輸中,有線傳聲器常采用平衡傳輸,這可有效減小其他電聲設(shè)備的干擾。

(5)有線傳聲器常受到電纜線長度的影響,其活動距離會受到限制。

2.有線傳聲器使用中應(yīng)注意的問題

1)必須使用專用電纜饋送傳聲器信號

2)使用平衡線傳輸可有效減小外來干擾

所謂平衡線傳輸,是指傳輸線有兩根導(dǎo)線,它們上面的聲音信號對參考點(機(jī)殼—大地)正好數(shù)值相等而極性相反。

3)傳聲器必須防振

4)注意傳聲器的極性

5)注意近區(qū)效應(yīng)

2.1.5無線傳聲器

無線傳聲器用超高頻或特高頻載波在近距離范圍內(nèi)將傳聲器輸出的電信號經(jīng)調(diào)制后再通過發(fā)射機(jī)以電磁波形式傳向接收機(jī),接收機(jī)再將高頻信號還原成聲音信號。

1.無線傳聲器的特點

1)優(yōu)點

(1)無線傳聲器不使用傳送電纜,因而錄音設(shè)施變得簡單、方便。

(2)特別適用于移動聲源,如演講、舞臺表演、現(xiàn)場指揮等拾音場合。

(3)在同期錄音的情況下,要求圖像和聲音同時出現(xiàn),如拍電視、電影,無線傳聲器就可很好地解決這個問題,只要把佩帶式傳聲器和小型發(fā)射機(jī)隱藏好即可。

(4)利用無線傳聲器拾音,可減少混響聲的拾音,因此清晰度很高。

2)缺點

(1)無線傳聲器屬于射頻傳輸,因而保密性差,抗干擾能力差,同時也對其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

(2)有信號失落現(xiàn)象,即當(dāng)傳聲器與接收機(jī)的相對位置改變時,有時會出現(xiàn)信號跌落、音質(zhì)變劣,甚至無法接收信號的現(xiàn)象。

(3)無線傳聲器在傳輸信號時因需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī),故技術(shù)實現(xiàn)上相對有線傳輸較復(fù)雜,成本較高。

2.典型無線傳聲器的技術(shù)指標(biāo)

表2-1列出了兩種專業(yè)級無線傳聲器的部分技術(shù)指標(biāo);表2-2列出了一種國產(chǎn)民用無線傳聲器的部分技術(shù)指標(biāo)。

3.無線傳聲器的組合使用

T系列無線傳聲器有三種形式的組合,適用于三種不同的場合和功能。

(1)電吉他手用的無線傳聲器:包括一臺夾于吉他手腰帶或背帶上的T1型無線發(fā)射機(jī),一條連接發(fā)射機(jī)“線路輸入”插孔與電吉他“線路輸出”插孔的電纜和一臺T3或T4型無線接收機(jī)。

(2)歌手用的無線傳聲器:包括一支T2-型手持式話筒兼發(fā)射機(jī)和一臺T3或T4型接收機(jī)。

(3)演出者用的無線傳聲器:包括一臺夾于腰帶的T1型發(fā)射機(jī),一個領(lǐng)帶夾話筒和一臺T3或T4型接收機(jī)。

2.1.6傳聲器的選擇和使用

1.正確選擇型號

選擇傳聲器時,應(yīng)考慮以下各種因素:使用場合、目的、要達(dá)到的音響效果、聲源情況,以及對傳聲器的特殊要求等。

2.傳聲器輸入和線路輸入

所謂線路輸入,指的是有的聲源(如電吉他、電貝司和鍵盤(電子琴和合成器))本身具有線路輸出(LINEOUT)插孔,它可以通過屏蔽線直接接入調(diào)音臺的線路輸入(LINEIN)插孔上,以達(dá)到拾音的目的;所謂傳聲器輸入,指的是直接用傳聲器拾音,并通過傳聲器線接入調(diào)音臺的話筒輸入(MICIN)插孔。

3.平衡輸入與不平衡輸入

在聲頻系統(tǒng)中,存在著平衡與不平衡兩種傳輸形式。

對各種不同樂器拾音時,傳聲器各有不同的最佳擺放位置,使用時要注意。對大鼓的拾音方法很講究,通常是把傳聲器插入大鼓背面的鼓皮的孔中,以便近距離拾取鼓聲。有的還用布袋或人造革袋把傳聲器包住,以衰減過強(qiáng)的聲壓,避免過載失真,并獲得一種較有彈性的鼓聲。

2.2

揚聲器

2.2.1揚聲器的分類揚聲器俗稱喇叭,是一種把電能轉(zhuǎn)換為聲音的換能器件,它是人們較為熟悉的器件之一。在人們的日常生活中,揚聲器發(fā)揮著較為重要的作用,如在電影院、歌舞廳等場合,還有收音機(jī)、電視機(jī)、錄放機(jī)等電器中都離不開揚聲器(系統(tǒng))。

1.按換能方式分

揚聲器按其換能方式的不同可分為電動式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、離子式揚聲器、氣流調(diào)制式揚聲器及電容式(靜電式)揚聲器等。

2.按結(jié)構(gòu)形式分

揚聲器按其結(jié)構(gòu)形式的不同可分為單紙盆揚聲器、復(fù)合紙盆揚聲器、號筒揚聲器、復(fù)合號筒揚聲器、同軸揚聲器等。

3.按振膜形式分

揚聲器按其振膜形式的不同可分為錐形揚聲器(振膜為圓錐形或橢圓錐形)、平板形揚聲器、帶形揚聲器、球頂形揚聲器、平膜形揚聲器(指音圈和振膜一體并形成平膜)等。

4.按工作頻段分

揚聲器按其工作頻段的不同可分為低頻、中頻、高頻和全頻段揚聲器。

5.按用途分

揚聲器按其使用的場合不同可分為高保真用揚聲器、擴(kuò)音用揚聲器、監(jiān)聽用揚聲器、樂器用揚聲器、彩電用揚聲器、汽車用揚聲器、建筑廠房吸頂用揚聲器以及防水、防火、防

爆等用的揚聲器。

6.按外形分

揚聲器的外形各異,常見的有圓形、橢圓形、薄形、球形揚聲器等。

7.按振膜材料分

用不同振膜材料構(gòu)成的揚聲器有紙盆式揚聲器、碳纖維揚聲器、PP盆揚聲器、鈦膜揚

聲器、玻纖揚聲器等。

還可以按揚聲器的輻射方式及磁路性質(zhì)的不同進(jìn)行分類。

2.2.2-揚聲器的結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)要求

1.揚聲器的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)以電動式揚聲器為例加以說明。電動式揚聲器包括普通紙盆揚聲器、橡皮邊(或尼龍、泡沫邊)紙盆揚聲器、號筒式揚聲器、球頂形揚聲器及雙紙盆揚聲器等。

電動式揚聲器的結(jié)構(gòu)原理大致是相同的,現(xiàn)以紙盆揚聲器為研究對象。紙盆揚聲器的紙盆就是振膜,但并非一定是紙質(zhì)做成。傳統(tǒng)的振膜是用紙漿做成紙質(zhì)的揚聲器。近年來

常用各種合成纖維作紙盆,其中有聚丙烯、碳纖維、玻璃絲等。紙盆揚聲器的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

圖2-7紙盆揚聲器的結(jié)構(gòu)

電動式揚聲器的結(jié)構(gòu)由三部分組成:

(1)磁路系統(tǒng)。揚聲器的性能與磁路系統(tǒng)有密切關(guān)系,設(shè)計合理的磁路可得到較高效率的能量轉(zhuǎn)換,在環(huán)形磁隙中應(yīng)有足夠大的均勻的磁通密度,這些與導(dǎo)磁材料的選擇、磁鐵的質(zhì)量和磁路形式的選擇等有關(guān)。

(2)振動系統(tǒng)。揚聲器的振動系統(tǒng)包括策動元件音圈、輻射元件振膜和保證音圈在磁隙中處于正確位置的定心支片。這些是紙盆揚聲器的關(guān)鍵零部件。

(3)支撐及輔助件。它包括盆架、壓邊、防塵罩、引出線等,是揚聲器必不可少的輔助件。

2.揚聲器的工作原理

揚聲器的音圈與紙盆連成一體,音圈處于磁場中,當(dāng)其內(nèi)部通過音頻電流i時,其受到的力為

式中:B——磁隙中的磁感應(yīng)密度(Wb/m2);

i——流經(jīng)音圈的電流(A);

l——音圈導(dǎo)線的長度(m);

F——磁場對音圈的作用力(N)。

通電音圈在磁場中受到力的作用而運動時,就會切割磁隙中的磁力線,從而在音圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,其感應(yīng)電動勢的大小為

式中:v——音圈的振動速度(m/s);

e——音圈中的感應(yīng)電動勢(V)。

3.揚聲器的技術(shù)要求

揚聲器作為一種電聲換能器,是整個音響系統(tǒng)的終端,它的性能將直接影響整個音響系統(tǒng)的放聲質(zhì)量。為了保證放聲質(zhì)量,必須對揚聲器提出一定的技術(shù)要求。

1)揚聲器的額定阻抗、阻抗曲線、品質(zhì)因數(shù)和共振頻率

阻抗曲線是揚聲器在正常工作條件下,用恒流法或恒壓法測得的揚聲器阻抗模值隨頻率變化的曲線,圖2-8所示為揚聲器的阻抗曲線。圖2-8揚聲器阻抗曲線

當(dāng)揚聲器工作頻率遠(yuǎn)小于f0時,揚聲器的阻抗接近于直流電阻RDC。RDC略低于ZC,當(dāng)不知額定阻抗ZC時,通?？捎萌f用表測出其直流電阻值,乘以1.1左右的系數(shù),再調(diào)整成國

標(biāo)系列4、8、16、32等數(shù)值,即可得到揚聲器的額定阻抗(非標(biāo)準(zhǔn)的額定阻抗值除外)。

當(dāng)f0<f<fC時,阻抗呈容性,即阻抗隨頻率的升高而降低。當(dāng)工作頻率達(dá)到fC時,電路發(fā)生串聯(lián)諧振(電壓諧振),此時阻抗取極小值,在工程上稱為反共振。

當(dāng)f>fC時,阻抗又成為頻率的增函數(shù),呈感性,不過曲線上升速度變緩。

2)揚聲器的特性靈敏度、特性靈敏度級、最大輸出聲壓級

特性靈敏度表示將揚聲器放在消聲室的隔板上,在其輸入端加上額定功率為1W的粉紅噪聲信號的情況下,在輻射方向上距離該揚聲器1m處所測得的聲壓值,通常用μbar作單位。所謂特性靈敏度級,是指以dB為單位表示的特性靈敏度。dB與μbar的對應(yīng)關(guān)系如表2-3所示。

最大輸出聲壓級是指當(dāng)揚聲器工作在最大功率時,在與特性靈敏度同樣的測試條件下所產(chǎn)生的聲壓級,即

式中:Sk———揚聲器的特性靈敏度級(dB);

W

max———最大輸入功率(W);

SPLmax———最大輸出聲壓級(dB)。

3)額定頻率范圍和有效頻率范圍

額定頻率范圍是指制造廠家按國家、國際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對揚聲器所限定的頻率范圍;而有效頻率范圍是在聲壓-頻率響應(yīng)曲線的最高聲壓級區(qū)域取一個倍頻程的寬度,求該寬度內(nèi)的平均聲壓級,然后從這個聲壓級算起,下降10dB畫一條水平線,這個水平線與頻響曲線的交點對應(yīng)的頻率,稱為有效頻率范圍的上下限,而包含上下限在內(nèi)的頻率范圍稱為揚聲器的有效頻率范圍。

4)額定噪聲功率、最大噪聲功率

額定噪聲功率是指在揚聲器的額定頻率范圍內(nèi),用規(guī)定的噪聲信號測試后所確定的功率值。最大噪聲功率是指在額定頻率范圍內(nèi)饋給揚聲器以規(guī)定的模擬節(jié)目信號時,不產(chǎn)生

熱和機(jī)械損壞的最大功率。最大噪聲功率通常是額定噪聲功率的2~3倍。

揚聲器有時也用長期最大功率、短期最大功率和額定最大正弦功率等指標(biāo)來衡量。

5)效率

揚聲器的效率是指在某一頻帶內(nèi)所輻射的聲功率與該頻帶內(nèi)饋給揚聲器的電功率的比值。設(shè)PA表示輻射的聲功率,PE表示饋給揚聲器的電功率,則效率可表示為

6)非線性失真

揚聲器的非線性失真是指在放聲過程中,出現(xiàn)了輸入信號中沒有的頻率成分。非線性失真包括：

(1)諧波失真。

(2)互調(diào)失真。

(3)分諧波失真。

7)瞬態(tài)失真

瞬態(tài)失真是指由于揚聲器的振動系統(tǒng)跟不上快速變化的電信號而引起的輸出波形與輸入波形之間的差別。它與頻響曲線上的峰谷有關(guān),在振膜的諧振點處瞬態(tài)失真較為嚴(yán)重。

8)指向性

指向性是表征揚聲器在不同方向上輻射聲波的能力,通常與頻率有關(guān)。

表示揚聲器輻射方向性有兩種方法:一是指向性頻率響應(yīng)曲線,即在偏離參考軸指定范圍內(nèi)的不同角度上所測得的一組頻響曲線,如圖2-9所示;二是指向性圖,即指揚聲器輻射聲波(不同頻率)的聲壓級隨輻射方向變化的曲線,如圖2-10所示。

圖2-9揚聲器的指向性頻率響應(yīng)曲線圖2-10揚聲器的指向性圖

9)純音

純音是一個主觀指標(biāo),它反映揚聲器工作中純音信號的質(zhì)量。純音合格是指在額定頻率范圍內(nèi),饋給揚聲器額定功率的某一頻率的正弦信號,揚聲器應(yīng)無機(jī)械雜聲、碰圈聲、

垃圾聲、調(diào)制聲等。

2.2.3揚聲器系統(tǒng)的分類

揚聲器系統(tǒng)就是揚聲器箱,也稱音箱,它是選用高、低音或高、中、低音揚聲器裝在專門設(shè)計的箱體內(nèi),并用分頻網(wǎng)絡(luò)把輸入信號分頻以后分別送給相應(yīng)的揚聲器的一種揚聲器

系統(tǒng)。

揚聲器系統(tǒng)按分頻方式常分為:單分頻音箱、二分頻音箱、三分頻音箱、四分頻音箱、多分頻音箱和超低音音箱。

按基本結(jié)構(gòu)分為:有限大障板型、背面敞開型、封閉式、倒相式、對稱驅(qū)動型、空紙盆型、克爾頓型、聲迷宮型、前向號筒型、背向號筒型、組合號筒型等多種結(jié)構(gòu)音箱。其基本結(jié)構(gòu)圖及對應(yīng)的特性曲線示于表2-4中。

1.有限大障板型音箱

為了反映和豐富音樂的低頻效果,常需要將揚聲器裝在無限大障板上,最大限度地發(fā)揮揚聲器的潛能,這是最理想的情況。但實際上是不可能做到的。實際應(yīng)用中都采用有限

大障板。障板尺寸大小與聲速及聲頻的關(guān)系為

式中:L——正方形障板的邊長(m);

f——低頻下限頻率(Hz);

V——空氣中聲速(m/s)。

2.背向敞開型音箱

這種形式的音箱是前一種音箱的變形。將有限大障板彎曲向后折疊成箱體形,將揚聲器裝在前障板上就構(gòu)成了背向敞開型音箱。

3.封閉式音箱

將背向敞開式音箱的敞開部分封閉起來就構(gòu)成了封閉式音箱了。封閉式音箱的目的是要把揚聲器背面所輻射的聲波完全隔絕,從而避免低頻時反相聲波的互相干涉,使低頻性能更加完美。

4.倒相式音箱

倒相式音箱利用倒相管將裝在箱子上揚聲器背面的聲輻射相位改變180°,從而使揚聲器振膜前后的輻射聲波得到加強(qiáng),提高了低音單元的輻射效率,改善了低頻性能。

5.對稱驅(qū)動型音箱

對稱驅(qū)動型音箱是針對封閉式音箱不能小型化的問題而制作的一種改進(jìn)型音箱,主要改善空氣的勁度。

6.空紙盆型音箱

空紙盆型音箱是倒相型音箱的變形,又稱無輻射源式音箱。它是利用空紙盆代替倒相管所構(gòu)成的。

7.克爾頓型音箱

克爾頓型音箱于1953年由美國人發(fā)明,其結(jié)構(gòu)比較特殊,它能夠展寬低頻重放頻段的范圍,可用于小口徑揚聲器進(jìn)行失真較小的低音重放。

8.聲迷宮型音箱

聲迷宮型音箱是將揚聲器背面的箱體做成聲學(xué)導(dǎo)管,并在板壁上做吸聲處理,導(dǎo)管的長度正好等于需要重放的低頻聲波波長的一半,這時開口的聲輻射正好與揚聲器前向輻射

聲同相疊加,從而使低頻輻射增強(qiáng)。但是當(dāng)導(dǎo)管的長度L=λ/4時,會產(chǎn)生逆共振現(xiàn)象。

9.前向號筒型音箱

前向號筒型音箱的低音重放效果相當(dāng)于一種超大型音響重放系統(tǒng),主要用于劇場主擴(kuò)音系統(tǒng)和效果擴(kuò)音系統(tǒng)上。

10.背向號筒型音箱

背向號筒型音箱又叫做反射號筒音箱,號筒的方向與前向的相反,它作為家用高保真低音重放系統(tǒng),吸引著許多音頻愛好者。

11.組合號筒型音箱

組合號筒音箱是將前向號筒音箱與背向號筒音箱組合起來而構(gòu)成的一種號筒音箱,其特性曲線體現(xiàn)了前后向兩種號筒型音箱的特性。

2.2.4揚聲器系統(tǒng)的一般特性

1.額定阻抗與阻抗特性

揚聲器系統(tǒng)的額定阻抗一般由其采用的揚聲器單元的額定阻抗來決定。這與前面所討論揚聲器額定阻抗是相同的。

圖2-11是封閉式音箱的典型阻抗特性曲線。

圖2-12-是幾種不良的阻抗特性曲線圖。

圖2-11封閉式音箱的典型阻抗特性曲線

圖2-12-幾種不良的阻抗特性曲線

2.失真

揚聲器系統(tǒng)的失真,比揚聲器單元復(fù)雜得多,它是由組成揚聲器系統(tǒng)的各個部分的失真合成而得到的,包括組成系統(tǒng)的每個揚聲器的失真、箱體內(nèi)駐波及壁板振動引起的失真、分頻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的失真等。

3.額定頻率范圍與有效頻率范圍

揚聲器系統(tǒng)重放的額定頻率范圍由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)給定,揚聲器系統(tǒng)實際能達(dá)到的頻率范圍稱為有效頻率范圍。

4.特性靈敏度級與最大輸出聲壓級

揚聲器系統(tǒng)的特性靈敏度級與最大輸出聲壓級的定義和測試計算方法與揚聲器單元的兩個參量的定義和測試計算方法基本相同。

5.純音

揚聲器系統(tǒng)的純音與揚聲器單元純音的定義、測試方法類似。

6.指向性

揚聲器系統(tǒng)的指向性可用指向頻率響應(yīng)來描述。

7.主觀試聽

主觀試聽在國際上還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。但主觀試聽可對一個產(chǎn)品做出初步判斷。

8.外觀

揚聲器系統(tǒng)的外觀雖然在國際標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確的規(guī)定,但它同主觀試聽一樣是一項不可忽視的潛在技術(shù)指標(biāo),已成為人們選購時的首要技術(shù)指標(biāo)。

2.2.5揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計原理

1.開口揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計原理

有限大障板和背面敞開型就屬于開口揚聲器音箱。當(dāng)?shù)鸵魮P聲器不加障板讓其自由輻射時,則揚聲器的較低頻段的聲音就會在振膜兩面的空氣壓縮和稀疏過程中互相抵消,因

而沒有低頻聲輻射,這種現(xiàn)象稱為聲短路。

2.封閉式揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計原理

封閉式揚聲器系統(tǒng)在設(shè)計過程中應(yīng)注意解決兩個問題:一是聲短路問題;二是低頻性能問題。第一個問題比較容易解決。由圖2-13可知,在此系統(tǒng)中,揚聲器裝在完全

封閉的箱體內(nèi),把揚聲器背面所輻射的聲波完全隔絕,從而避免了低頻時揚聲器背面聲波的干涉,以利改善低頻效果,避免了聲短路現(xiàn)象。它的作用相當(dāng)于一個無限大障板,對于避免聲短路現(xiàn)象,封閉式揚聲器系統(tǒng)是一個理想的結(jié)構(gòu)。圖2-13封閉式揚聲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

封閉式揚聲器系統(tǒng)的諧振頻率fc與揚聲器單元本身的諧振頻率f0之比可表示為

式中:CA、CAB——振膜支撐系統(tǒng)聲順和箱內(nèi)空氣的聲順(m

2/N);

Veq、VAB——揚聲器的等效容積(m3)和箱內(nèi)空氣的凈容積(m3)。

一般CA都比CAB大,所以,揚聲器裝入封閉式箱內(nèi),其諧振頻率必然上升,而且空氣的凈容體積越小,頻率上升得就越高。這意味著封閉式揚聲器系統(tǒng)的低頻響應(yīng)上移,對低頻性能不利。因此,封閉式揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計既要使揚聲器的低頻性能好,又要把箱體做得小,就成為封閉式揚聲器系統(tǒng)設(shè)計中的一對矛盾。這就是要討論的低頻性能控制問題。通常,我們解決這類問題采用以下幾種方法。

1)采用小口徑揚聲器

由式(2-10)可得

式中,SD為揚聲器的有效輻射面積。

2)采用高順性揚聲器

高順性揚聲器的諧振頻率f0一般很低。因此,選擇這樣的揚聲器裝入封閉箱后系統(tǒng)的諧振頻率fc雖有所上升,但仍能落在我們所需要的低頻范圍內(nèi),從而能解決封閉揚聲器系統(tǒng)的低頻性能問題。

3)增加大振幅時的線性工作區(qū)

主要是采用長音圈,使音圈在大振幅時不致跳出磁路,同時放大中心盤尺寸,選擇能耐受大振幅的材料和形狀做軛環(huán),以此來保證和擴(kuò)大揚聲器在低頻時的線性工作區(qū)。

4)設(shè)計具有較好剛性的紙盆

其主要目的是為了防止箱體內(nèi)空氣壓力過大使紙盆變形而產(chǎn)生不該有的失真。

5)采用密封度高且堅固的箱體

這主要是為了防止箱內(nèi)壓力增加,箱體不堅固而在某些頻率上發(fā)生箱板共振,影響揚聲器系統(tǒng)的特性曲線,嚴(yán)重時出現(xiàn)機(jī)械聲。所以箱體越小,越要注意加固,以防止不必要的振動發(fā)生。

封閉式揚聲器系統(tǒng)的尺寸也是較為重要的因素。一般多采用長方形箱體,但這種系統(tǒng)易在箱體中產(chǎn)生駐波。對于高為H、寬為W、深為D的揚聲器系統(tǒng),在三維方向上,在長

度分別為1/2波長的L倍、M倍、N倍的情況下,產(chǎn)生的駐波頻率為

式中C為聲速。

3.倒相式揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計原理

倒相式揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計方法是在封閉式揚聲器系統(tǒng)

前面的板上加裝一個能夠使揚聲器背面聲波倒相的導(dǎo)聲管,從而使揚聲器背面所輻射的聲音中的一部分通過導(dǎo)聲管與揚聲器前面所輻射的聲波同相相加,增強(qiáng)了低頻聲的能量,低頻靈敏度提高4~5dB。倒相式揚聲器的結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。

圖2-14倒相式揚聲器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

倒相式揚聲器系統(tǒng)另一個優(yōu)點是:在諧振頻率附近給予紙盆的聲負(fù)載為最大阻抗。這時,一方面在這個頻率上主要由倒相管輻射較高的低頻聲壓;另一方面紙盆的振幅卻最

小,這與封閉式揚聲器系統(tǒng)在f0時紙盆振幅最大形成了鮮明的對比。因此,倒相式揚聲器系統(tǒng)避免了揚聲器大振幅所引起的低頻失真。

倒相式揚聲器系統(tǒng)與封閉式揚聲器系統(tǒng)相比較還有一個優(yōu)點,就是該系統(tǒng)可以設(shè)計使系統(tǒng)諧振頻率fc和揚聲器諧振頻率f0相同,不像封閉式揚聲器系統(tǒng)那樣為了保證系統(tǒng)的

fc較低而必須使用高順性的揚聲器。倒相式揚聲器系統(tǒng)可以使用諧振頻率較高、靈敏度也高的低頻揚聲器,從而最大限度地挖掘低頻揚聲器的潛力。

4.組合揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計原理

組合揚聲器系統(tǒng)除了頻響寬、指向性好和整個范圍輻射效率高以外,還有以下優(yōu)點:

(1)組合揚聲器系統(tǒng)可分頻段組合,揚長避短,最大限度地發(fā)揮各自的優(yōu)勢,減小非線性失真;

(2)組合揚聲器系統(tǒng)的互調(diào)失真比單個揚聲器的小;

(3)組合揚聲器系統(tǒng)的瞬態(tài)失真比單個揚聲器的小;

下面簡要介紹一下不同用途的組合揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計原則:

(1)電影系統(tǒng)中應(yīng)用的組合揚聲器系統(tǒng)。

(2)廳堂、劇場擴(kuò)聲用組合揚聲器系統(tǒng)。

(3)廣播錄音監(jiān)聽組合揚聲器系統(tǒng)。

(4)家用組合揚聲器系統(tǒng)。家用組合揚聲器有高、中、低三種檔次,設(shè)計要求也不盡相同。

5.分頻器的簡單設(shè)計

1)分頻器的作用和類型

分頻器的作用就是把頻率范圍較寬的音頻信號分解為低頻、中頻和高頻信號,也就是說,允許輸入的音頻信號中的低頻信號僅通過低音揚聲器,中頻信號僅通過中音揚聲器,高頻信號僅通過高音揚聲器,互不交叉,并且平衡高、中、低音的輸出聲壓,從而最大限度地發(fā)揮各個揚聲器的優(yōu)勢,彌補(bǔ)它們的缺陷,使整個組合揚聲器系統(tǒng)處在最佳工作狀態(tài),音質(zhì)更加完美,效果更佳。

分頻器有兩種類型:

(1)功率分頻方式。它是把分頻器接在功率放大器和揚聲器單元之間的一種分頻方式,如圖2-15所示。圖2-15功率分頻方式

(2)前級分頻方式。它是把分頻器接在前級放大器與功率放大器之間的一種分頻方式,如圖2-16所示。圖2-16前級分頻方式

2)幾種分頻器的簡單設(shè)計

分頻器的設(shè)計主要是確定分頻點和衰減率。衰減率是指分頻點以下曲線下降的斜率,一般以每倍頻程下降多少dB來表示(dB/oct)。

分頻器一般由三種濾波器組成:高通濾波器(HPF)只讓某一頻率以上的電信號通過;低通濾波器(LPF)只讓某一頻率以下的電信號通過;帶通濾波器(BPF)只讓介于某兩個頻率之間的電信號通過。

分頻器按頻段可分為二分頻和三分頻兩種,按連接方式可分為串聯(lián)式與并聯(lián)式兩種。

(1)-6dB/oct的分頻器。這是實際使用中最簡單的一種分頻器,其二分頻的低通部分只有一個電感,高通部分只有一個電容,有串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式,如圖2-17(a)、(b)所示。圖2-17二分頻-6dB/oct的分頻器

分頻器的衰減率為每倍頻程-6dB,電感和電容的計算公式對于串聯(lián)和并聯(lián)方式均相同,即

式中:Zc———揚聲器額定阻抗;

fc———濾波器的截止頻率。

二分頻-6dB/oct的分頻器頻率特性如圖2-18所示。圖中低通和高通的截止頻率都為fc,所以,從fc開始下降6dB所對應(yīng)的倍頻程分別為fc/2和2fc。圖2-18二分頻-6dB/oct分頻器頻率特性

同樣,可給出三分頻-6dB/oct的串聯(lián)和并聯(lián)形式的分頻器電路圖,如圖2-19所示。圖2-19三分頻-6dB/oct分頻器電路

圖中由L組成LPF電路;C、L1組成BPF電路;C1組成HPF電路。L、C的值仍按式(2-13)計算,而L1、C1則可按下式計算:

(2)-12dB/oct的分頻器。-12dB/oct的分頻器是應(yīng)用最廣泛的一種分頻器,它的衰減率比較大,所以使用的效果也比較好。它的二分頻分頻器電路的LPF和HPF均由一個電感和一個電容組成,且LPF和HPF所用的電感、電容相同。圖2-20是二分頻-12dB/oct的分頻器電路,有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。圖2-20二分頻-12dB/oct分頻器電路

并聯(lián)電路中各元件值計算如下:

串聯(lián)電路中各元件值計算如下:

二分頻-12dB/oct分頻器的典型頻率特性如圖2-21所示。與-6dB/oct分頻器的頻率特性相比較,顯然衰減速率加快。圖2-21二分頻-12dB/oct分頻器的頻率特性

同樣,可得到三分頻-12dB/oct串聯(lián)和并聯(lián)形式的電路圖,如圖2-22-所示。圖2-22-三分頻-12dB/oct分頻器電路

三分頻并聯(lián)式電路各元件值可按下式計算:

三分頻并聯(lián)式電路各元件值的計算公式如下:

3)衰減器

組合揚聲器系統(tǒng)中由于高、中、低音三個單元的靈敏度不一樣,一般要在中、高頻通路中接入衰減器,以實現(xiàn)功率匹配,衰減器一般都可手動調(diào)整。常見的衰減器有三種:連續(xù)式、步進(jìn)式和復(fù)合式,如圖2-23所示。

圖2-23三種形式的衰減器

4)設(shè)計分頻器時的注意事項

(1)相位糾正。

通常情況下,由安裝位置造成的相移為

-6dB/oct分頻器在分頻點fc時的相移為90°;

-12dB/oct分頻器在分頻點fc時的相移為180°;

-18dB/oct分頻器在分頻點fc時的相移為270°。

(2)阻抗補(bǔ)償。

通過補(bǔ)償將低頻的峰值壓下來,同時將中、高頻段也壓下來成為一個與頻率無關(guān)且恒等于額定阻抗的阻抗特性,這樣才能保證分頻器的良好特性。這種方法稱為阻抗補(bǔ)償。

為了抑制低頻揚聲器在諧振頻率f0處的阻抗上升,可以在低音揚聲器上并聯(lián)一個RLC串聯(lián)諧振電路,使之固有諧振頻率和揚聲器的諧振頻率f0相同。其電路連接圖和阻抗特性如圖2-24所示。圖2-24低頻共振頻率的阻抗補(bǔ)償

諧振頻率f0和帶寬B