高保真扬声器的特性

二、高保真扬声器的特性

什么是判断高保真重放的标准呢?荷兰飞利浦公司的斯罗特在他的著作中提出，“所谓高保真重放，是指能够听到与现场演奏同样感受的声音”。

但是，高保真重放的标准又因人而异。可以认为至少应该满足高保真重放的必要条件，再加以提高，使之能发出满足个人要求的细微音质。高保真重放扬声器应具备的条件是与扬声器的物理特性相对应的：

(1)应有充分的重放声压级；

(2)重放频带宽；

(3)频率特性平滑；

(4)具有适当的指向性；

(5)失真小；

(6)瞬态特性良好。

(一)输出声压级

1.输出声压级和效率

为了进行高保真重放，首先要求重放时应有与原演奏现场相同程度的音量。这是由于当声压级不同时，人们感觉到的声音响度也会改变。重放的声压级与声音响度频率特性的关系，可以用人耳的等响曲线加以解释。如重放时的音量比现场演奏时的音量小时，则会感到低声频不足。那么，在现场演奏时能达到多大的声压级呢?交响乐约为110dB，流行的舞蹈音乐可达120dB。

但是，如果按照这样大的音量重放时，就会令四邻不安。因此，在不改变人耳特性的范围内，音量可取平均值为80dB、峰值为100dB。尽管这样，如果一般公寓相邻房间的隔声能力约为50dB，还会有平均值为30dB、峰值为50dB的声音传出去，这勉强符合住宅区允许的环境噪声标准应为40方(A加权)的规定。

为了从扬声器获得大的声压，扬声器每单位输入功率产生的输出声压级要高，并且要能经受较大的功率。当扬声器输入功率为1W时，相当的电压为

E=Z^1/2

式中，Z为标称阻抗(Ω)。

这时距正面轴上1m处产生的声压，在某一频率范围内的平均声压级以2×10-5 N/ m²为标准(0dB)，用dB表示的数值称为输出声压级。这里的某一频率范围，在各种标准中有些不同。

一般的扬声器系统的输出声压级，因为有球顶扬声器，所以较低，约为88dB，平均为92dB。目前功率放大器的输出比较大，对输出声压级低的扬声器也能充分驱动，输出声压级至少可达92dB以上。

由扬声器辐射出去的全部声能与加到扬声器音圈的输入电能之比，称为扬声器的效率。纸盆扬声器由于振膜与空气负载之间的阻抗匹配不好，所以效率相当低，一般只有百分之一至百分之几，但扩声用扬声器的效率则可达20%。为了求出扬声器的效率，必须知道扬声器所辐射的全部声能。将扬声器在所有方向辐射的声压求平方后加以积分，就可以得出辐射的声能。然而，确切地求出它的数值是相当困难的。由于在低声频段，扬声器在所有方向辐射的声压基本相同，如果只考虑低声频段，则这一积分可以由圆的表面积的计算归一求得，因而简单得多。由计算结果可以看出，输出声压级为92dB的扬声器，其效率为1%，一般扬声器的输出声压级S(dB)与效率η之间有如下关系：

S=92+10lgη

因此，效率提高一倍，则声压级提高3dB。

2.额定输入功率和最大输入功率

如上所述，扬声器的效率只有百分之几，这样低的原因是由于输入的电能几乎都在音圈中转换为热能，还有一部分能量在纸盆内消耗掉，所以长时间保持大的输入功率状态，音圈的温度可上升到100°C以上。在这种状态下长时间持续使用，会使黏合剂软化、音圈散架、音圈架烧毁。

因此，需要有一个能保证扬声器长时间正常工作的输入电功率，称为扬声器的额定输入功率或容许输入功率。实际测量时，用与节目声频频谱相近似的白噪声，通过特殊的滤波器处理后，作为输入信号，求出长时间(96小时)加给扬声器而不出现异常声，并且工作正常的这一范围的输入功率，即为额定输入功率。

另一方面，对扬声器突然加给大输入功率，会使音圈受到机械损坏，使音圈接线断线。如果突然加给的大输入功率时间极短，而不会使扬声器受到损坏，那么这时的输入功率称为最大输入功率或最大容许输入功率。通常，最大输入功率约为额定输入功率的2-4倍。

扬声器的容许输入功率，会随着音圈所用线径的不同而不同，所以低频扬声器的容许输入功率较大，必须使用细线的高频扬声器的容许输入功率较小。家庭用扬声器系统的容许输入功率应为50w，扩声用的扬声器为200w左右。

驱动扬声器的功率放大器的输出与扬声器容许输入功率之间的关系，是一个值得注意的问题。增加输入功率，放大器的失真将急剧增大，但扬声器的失真却逐渐增大，所以放大器的输出必须保持一定的余量才能获得高保真的声音重放。

在重放音乐节目时，功率放大器的VU表在一分钟内指示出数次峰值时所相当的输入功率，应与扬声器的容许输入功率相符合。这时，节目信号的真实峰值与扬声器最大输入功率几乎一致。采用这种调整方法，就不必担心扬声器的音圈断线。

3.最大输出声压级

对于扬声器的性能，只要给出输出声压级和额定输入功率，就可以求出扬声器正面轴线1米处的最大声压级。这个值称为最大声压级，它表示扬声器音量的综合性能。一般扬声器口径越大，最大输出声压级也越大。另外，由于高保真扬声器比扩声用扬声器更重视音质，所以输出声压级低，最大输出声压级也低。

(二)失真

1.谐波失真

声音的音色是由其泛音的数目，以及泛音与基音间的相互关系决定的。由于扬声器的振动系统或磁路系统的非线性，导致其产生谐波失真和互调失真，使声音频谱改变，从而导致声音音色发生变化。但是，由失真产生的谐波成分，如能被基波或原来声级较大的谐波所掩蔽，则这些失真成分就不会被觉察。这样，失真的辨别阈可用掩蔽效应加以说明，理论上得出的谐波失真的辨别阈为0.6%。

2.互调失真

当加给扬声器两个高低不同频率(f₁，f₂)的信号时，由于扬声器的非线性，除了产生这两个信号的谐波外，还会产生这两个频率的和频信号、差频信号(f₁+f₂，f₁-f₂，f₁+2f₂，f₁-2f₂，…)。

由非线性原因产生的扬声器互调失真比较小，即使没有非线性扬声器也会产生调制失真。其原因可以简单归结为：当振膜受到高低两个频率信号的驱动时，由于多普勒效应产生的调制失真；高频率时由于指向性产生的调制失真；由高低两个扬声器互相干涉产生的调制失真。当调制失真时，声音听起来浑浊，特别是在重放合唱时尤其明显。研究结果表明，互调失真应在2%以下。

3.异常声

当加给扬声器强纯音时，在中低声频段会产生频率为信号频率1/2或1/3等的模糊声音，该现象称为分谐波失真，是由振膜的非线性引起的。

另外，当加给扬声器纯音时，在某一频率会听到与谐波无关的模糊噪声。它的产生原因有振膜与引线或音圈与振膜的连接不好、磁极缝隙中有灰尘、盆架振动、音圈打底等，这些噪声称为异常声。

(三)输出声压频率特性

1.重放频带

当输入电压一定(IEC标准为相当额定输入1/10的电压)，改变频率时，在正面轴线上1m的输出声压级随频率变化的特性，称为输出声压频率特性。它表示对输入信号能以怎样的高低音平衡重放的特性，即输入信号的频谱变化到什么程度的特性，它是扬声器诸多特性中最重要的特性之一。

图3-2　纸盆扬声器的输出声压频率特性与有效频带

图3-2所示为纸盆扬声器的输出声压频率特性。从图中可以看出，扬声器的输出声压频率特性表示扬声器重放的频率范围，即重放频带(也称有效频带)，以及在频率范围内将特性的偏差幅度(小的峰谷)忽略后的平均特性所表示的大致趋向。

对于有效频带，IEC规定为比特性峰值附近1oct的平均声压级降低10dB的频率范围。

在理想的情况下，扬声器必须具有的有效频率范围应能完全覆盖全部乐器的音域范围。因此，扬声器必须具有30Hz-20000Hz的频率范围，至少也应有50Hz—16000Hz的频率范围。

2.输出声压频率特性

对于扬声器的输出频率特性，其低声频段特性受障板形状、最低共振频率、最低共振频率时振动系统Q值等影响，中声频段和高声频段特性受振膜形状、材料等影响。通常，扬声器输出声压频率特性为在平均的特性上叠加有小的连续峰谷。这些小的峰谷可以忽略不计，而得到平均的特性。

但是这一平均特性应如何才能认为是理想的，还不明确。过去，一般认为如果在消声室中测得扬声器轴线1m处的特性平滑，就可以认为是理想的。这对于在一个“静”房间(混响时间短的房间)内相距1m听音可能是正确的，但在一般家庭的生活房间听音时，这样的特性是否良好，还存有疑问。在比较“静”的小调音室，对于经常在与扬声器相距1m—2m处听音的监听扬声器来说，消声室中的输出声压频率特性平滑就认为是良好的。

作为高保真扬声器的特性，应该将听音房间的特性考虑在内，此外还应考虑声压级频率特性要平滑，响度级的频率特性也要平滑。但听声房间的特性随房间而不同，如果不考虑这一特性，对高保真扬声器所要求的输出声压频率特性应与人耳的等响曲线具有大致相同的形状。

3.功率响应

前面我们讲述了扬声器正面轴线上一定距离的点上的声压级频率特性，但对扩声用扬声器在离开相当远距离进行扩声时，应该具有什么特性，尚无定论。这时，重要的是在扩声大厅内应辐射多少声能。所以，不是要求重放出与原声相同的声压，而是重放出与原声相同的能量频谱的声音，扬声器辐射的全能量频率特性(称为功率响应)以平滑为宜。另外，测量结果表明，在家庭房间中放置的扬声器的传输频率特性要比消声室内的声压频率特性更接近功率响应，所以有必要重视功率响应。

可以在消声室内测得向各方向辐射的声压后，对整个球面进行积分求出功率；也可以用混响室测量的方法求出功率，测量信号通常用频带噪声。

图3-3　高保真扬声器的功率响应

图3-3及图3-4所示为高保真扬声器及扩声用扬声器的功率响应曲线。从图中可以看出，两条特性曲线在高频差别较大，这是由于扩声用扬声器与家庭中近距离使用的高保真扬声器相比，高频能量容易衰减，如果不提升高频，声音就不能达到远距离。

图3-4　扩声用扬声器的功率响应

(四)指向性

1.高保真扬声器的指向性

扬声器辐射的声压因方向而有不同的特性，称为指向性。指向性有以扬声器的位置为原点，用极坐标表示的方法，有以正面以外的某一方向(通常为30°及60°方向)的输出声压频率特性表示的方法。前者也称为指向性图形，它具有指向性直观的优点，但很难看出指向性随频率变化的情况；后者能很好地表示全频带的指向性。

扬声器在某一房间重放声音时，即使不在扬声器的正面，也能判断扬声器的指向性是宽广的还是尖锐的。如图3-5所示，如果指向性宽广，由墙面、地板、天花板等反射的散射声成分就多，混响感就丰富；相反，如果指向性尖锐，则散射声成分就少，就缺少混响感。

图3-5　散射成分不同的扬声器指向性

高保真扬声器的指向性达到什么程度最好呢?在完全没有指向性时，散射声成分过多，使混响过多，听起来感到不自然，而大口径纸盆扬声器的高频段过于尖锐也不好，所以应该有适当的指向性。在考虑立体声重放扬声器的布置时，指向性最好是在与正面成30°方向的特性与正面方向的特性大致相同；60°方向的特性除了特别高声频外，也应大致近似；90°方向的特性要比正面特性低10dB以上。图3-6所示为一种三分频高保真扬声器指向频率特性的例子。

图3-6　高保真扬声器的指向性

2.扩声用扬声器的指向性

高保真扬声器的指向性对重放音质的优劣稍有影响，但扩声用扬声器的指向性如果不适当，则很容易引起啸叫。所以，指向性对扩声用扬声器是很重要的性能。图3-7所示为一扩声用扬声器在2000Hz的指向性图，如果在与扬声器主轴方向成60°方向放置传声器，则在2000Hz就很容易引起啸叫，以致不能提高扩声用放大器的音量，达不到扩声的目的。也就是说，扩声用扬声器的指向性图，除去正面方向外，不应如图3-6那样，在其他方向有大的声压输出。

图3-7　扩声用扬声器的指向性

图3-8　扩声用扬声器的指向性(容易产生啸叫的例子)

对于扩声用扬声器，为了减少散射声、提高清晰度，最好具有图3-8所示的指向性图。即尽可能只向座位方向辐射声音，而不向其他方向辐射声音。为了得到这样的指向性图，只有使用扇形号筒或多格号筒扬声器，这就是扩声用扬声器大多使用号筒扬声器的原因。

(五)电阻抗特性

从扬声器输入端馈入的电阻抗绝对值随频率变化的关系，称为扬声器的电阻抗特性。图3-9所示为一放入封闭箱的全频带扬声器的电阻抗特性。如图所示，在振动系统的基本共振频率处，由于动生阻抗的影响，电阻抗出现一个大的峰值，这个频率称为最低共振频率。将比最低共振频率高时的电阻抗特性上最初出现的极小值，即图3-9中A点的阻抗作为标称阻抗。通常，扬声器的标称阻抗是4Ω、8Ω、16Ω数值中的一个，并目标称阻抗不能与这一数值有20%的偏差。标称阻抗是确定放大器供给功率时的基准值。

图3-9　纸盆扬声器的电阻抗特性

对于组合扬声器，由于中音或高音扬声器的阻抗，或者分频网络的共振等因素的影响，会出现电阻抗比标称阻抗低的频率。由于晶体管放大器在负载阻抗过低时容易超负载，所以规定在任何频率时，电阻抗都不能低于标称阻抗20%以上。

在功率放大器输出阻抗比较大，或者在放大器与扬声器连线的电阻大时，电阻抗特性呈现峰值的频率，输出声压频率特性曲线也会隆起，使重放音质变差。因此，高保真扬声器的电阻抗应尽可能平滑。但也不能一味追求平滑，而牺牲其他特性。

(六)瞬态特性

节目声是经常变化的信号，扬声器的振动系统必须忠实地跟随这一节目声。例如，必须能够重放打击乐器急促的敲击声。对这种急促变化的信号能够忠实重放的程度，称为瞬态特性。

(七)相位特性

人耳是否能够感知声音的相位是个老问题，也是个新问题。声音的相位或者相位差，一般是指节目声各成分音之间的相位差，也指重放立体声时进入左右耳的信号间的相位差。对于后者，如在左右耳之间有相位差，则可以感到定位的偏离和声象广度感的变化；对于前者，由于人耳是对信号分析感受的器官，普遍认为人耳不能感受到相位差。虽然有实验报告指出，复音各成分音之间相位关系的变化会引起波形完全变化，导致音色变化，因此得出人耳能够感受到相位差的结论。但是也有人提出相反的论证，认为仅仅对于人工产生的复音，人耳能够根据音色的变化感受到各成分音的相位差，而对于语声和音乐等实际节目，人耳无法感受到传送系统的相位特性差。