扬声器系统

七、扬声器系统

通常，如果单独将一个扬声器放置在声场中，无法得到优良的重放音质。所以，即使是全频带用单纸盆扬声器或同轴组合扬声器等，都需要使用能将振膜前后辐射的反相声波进行分离的扬声器箱。目前有以高保真重放为目的，将可听频带分成几段，分别以专用扬声器借助分频网络组合起来装在扬声器箱中的系统，通常称为扬声器系统。使用这种扬声器系统，能够立即重放优质音质节目声。

(一)使用组合扬声器的目的

如果一个单纸盆扬声器能对必要的频带信号具有平直的频率特性以及希望的指向特性，并且能够重放出足够的音量，那将十分方便，而且价格也比较便宜。但是，近来高保真用扬声器系统几乎全部使用组合扬声器。这主要有以下原因：

1.高保真扬声器的性能

高保真扬声器所具备的性能，可以归结为以下四点：

(1)能发出充分的声压级。效率高，容许输入功率大，最大输出声压级为110dB。

(2)重放频带宽，频率特性平滑。最低频共振频率低，高声频共振频率高。

(3)失真小。谐波失真、振幅互调失真及频率互调失真都小。

(4)指向性宽。相对于正面方向，30°时下降不超过-3dB，60°时下降不超过-10dB。

2.单纸盆扬声器存在的问题

如果要满足以上四个条件，单纸盆扬声器的情况如下：

为了提高效率，单纸盆扬声器必须加大振膜半径，减小等效质量。但是单纸盆扬声器口径加大后，指向性优良的频带将变窄；减小等效质量，则最低共振频率将提高，低声频重放频带将变窄。

影响扬声器容许输入功率的因素有纸盆折环振动总幅度的大小，输出声压的失真，以及音圈的耐热能力。首先，一定输出声压所需的振幅与频率平方成反比，所以降低低声频重放下限，则振幅增大，容许输入功率就不能大。由于耐热能力是由音圈的耐热性能与音圈周围的散热能力决定，所以音圈周围的构造和材料必须很好。其中最重要的是音圈导线的直径，如果过粗或过重，虽然容许输入功率增大，但效率降低，高声频共振频率也将降低。

为了使重放频带加宽，最低共振频率要低，并且高声频共振频率要高。为了降低最低共振频率，对一定的振动系统来说，等效质量必须大，但会降低效率。另外，为了提高高声频共振频率，音圈质量和纸盆质量必须小。这样虽然使等效质量减小，效率上升，但是最低共振频率上升，意味着低声频重放频带变窄。

高保真扬声器在整个宽的频带内要求指向性宽，因此发出某一声压级所必需的振幅将非常大，导致失真增加，并不实用。

根据以上的论述可知，由一个单纸盆扬声器承担约10个倍频程的宽频带高保真重放非常困难。

3.组合扬声器的优点

虽然也有纸盆的有效振动半径随频率升高而逐渐减小的扬声器(例如带皱褶的纸盆扬声器)，但它未必完全满足以上四个条件。因此可以将可闻声频带分成两段或三段，分别使用专门为各频段设计的扬声器，将它们组合在一起使用这种方法构成的扬声器，称为组合扬声器。

组合扬声器能够比较容易地满足上面提到的四个条件，并且有以下几个优点：

(1)当输入高低两个频率的信号时，互调失真小，容易减少声场中的调制失真。

(2)可以使用分频网络、衰减器等，对频率特性进行调整。

但是同时，它也有以下缺点：

(1)通常，由于各频段使用的扬声器所形成的声场是在某一范围内分布的(平面排列时)，在分频频率附近指向性混乱。

(2)由于各频段使用的扬声器组合在一起，使频率特性、阻抗特性等的调整变得复杂。

(3)组成元件多，因而价格高。

(二)扬声器系统的组合方法

组合扬声器系统的设计要点有频段的划分法，各频段使用扬声器的设计，以及将这些扬声器组合在一起的方法。

1.频段的划分法

(1)着眼于指向性的划分法

为了使扬声器系统的功率相应平直，不仅轴线上的输出声压频率特性应平直，还必须使用指向性均匀的频段。通常作为活塞振动的圆板所造成的声场，其指向性随频率升高而变得尖锐，所以必须使用指向性不太尖锐的声频段——低声频段。实际应用时，相对于轴上声压级来说，30°方向在-3dB以内、60°方向在-10dB以内的频段都可以看成无指向性的频段。

(2)着眼于频率互调失真的划分法

将低声频信号与高声频信号同时加于扬声器时，将产生频率互调失真。这种失真是由于振膜运动引起的多普勒效应产生的，所以振膜的振动速度越快，两个信号的频率比越大时，这种失真也越大。因此，为了减小互调失真，应在相当窄的频段内使用扬声器，即增加频段划分数，并使频段宽度之比相等。为使振动速度不快，应当使用大口径扬声器。

(3)着眼于振膜振幅的划分法

首先，应当考虑实际使用中能够得到的最大振幅。如果扬声器的口径小，但支持振动系统的折环宽度不大，则折环共振的影响将十分明显，通常得到的最大振幅也要减小。另外，也要考虑驱动力的非线性。振动系统的线性与要求的最大输出声压级之间的关系，决定了低声频重放下限频率。

根据扬声器的大小和构造，可以决定最佳使用的频段。这一频段有3oct—5oct，因此为了覆盖可听频带(20Hz—20k Hz，约有10oct)，就至少需要划分为2—3个频段。但如果要求20Hz时也能辐射与其他频段相同的能量，则需要非常大的振幅或大口径的扬声器。另外，从节目信号的频谱分析来看，100Hz以下频段的能量是减小的。因此，最大振幅大多稳定在100Hz左右，如果每隔3oct作三分频时，则分频频率为800Hz和6400Hz；如果每隔4个倍频程作两分频时，则分频频率为1600Hz。这就是现在三分频和两分频扬声器系统的标准分频频率。

2.低音扬声器必须具备的性能

低音扬声器决定扬声器系统的低声频重放下限，因此应当首先着眼于重放的最低声频段的性能。根据使用箱体的大小、低声频重放下限频率，以及在该频率时的最大声压级等，决定使用扬声器的口径、效率或灵敏度、最低共振频率、最大容许输入功率，以及最大振幅等主要参数。此外，与中高音用扬声器相组合时，还存在高声频特性问题。

对于低音扬声器的高声频特性，有两种考虑方法。一种方法是使分频频率以上的特性很快衰减；另一种方法是一直到相当高的频率都能平直地重放，只需滤波器(网络)从其中取出能量均匀的频段使用。

使分频频率以上的特性很快衰减时，能省去低音扬声器的网络，因而构造简单，并且低声频段的瞬态特性好。此外，在分频频率以上可以不发生与中频扬声器的干涉，易于使用。但是在使用频段的上限会产生振膜的机械共振，当对它进行处理时，会损坏音质，使高声频段很快衰减。

低音扬声器与组合在一起的箱体关系密切，所以随着箱体种类的不同，对扬声器的性能要求也不同。

3.中高音扬声器必须具备的性能

低音扬声器大多是纸盆扬声器，而中高音扬声器却富有变化。

(1)指向性

扬声器的指向性基本上取决于它的口径。但进入波长短的高声频段，利用声透镜或号筒的形状，其指向性易于控制。由扬声器所得到的声象的性质大多取决于中高声频段的指向性，因此为了得到明确的声象定位，间接声应少，指向性应尖锐。但是要得到宽阔感和临场感，指向性应宽。因此，指向性要适应于对音质方面的选择。

指向性宽的扬声器可以选球顶扬声器为代表。另一方面，多格号筒、扇形号筒和附有声透镜的号筒等，可以在任何频率做一定角度的均匀辐射。纸盆扬声器或圆形号筒，随着频率的升高，指向性会急剧变尖，从而使各声频段的指向性差别变大。

几个扬声器以不同的方向排列，可以改变扬声器的指向性，但声源位置扩展时，只能得到相当于一个大的扬声器的指向性；如果情况相反，则指向性将变尖锐。另外，深度大时，会产生相位差，指向性也将变坏。

扇形号筒或带式扬声器垂直方向指向性尖锐，水平方向指向性宽，能兼顾临场感和清晰度两方面。

(2)对低音扬声器的背压采取的措施

当中高音扬声器与低音扬声器安装在同一箱体时，由于低音扬声器的背压，将使中高音扬声器被低声频大幅度驱动，所以必须将中高音扬声器的后部完全封闭。如果是纸盆扬声器，则应将扬声器加上罩子，全部包围起来。另外，如果球顶扬声器在中心磁极内设有穿通孔，则磁极后部应加罩。

(3)中高音扬声器的耐热输入能力

由于中高音扬声器音圈小、热容量小，因此不能连续地加给大的输入功率。由于节目信号中的高声频平均能量少，所以中高音扬声器的耐输入能力理论上可以较小，但从节目分析得到的结论来看，峰值几乎均匀地分布在全频段范围内，因此耐输入能力仍需留有余量。采取的对策之一是使用像号筒扬声器那样的高灵敏度扬声器，并使用衰减器使扬声器的实际输入功率减小。但是纸盆扬声器或球顶扬声器很难得到高的灵敏度，必须使用耐热型音圈，并且音圈的散热要好。良好的散热可以防止音圈温度上升，并且可以改善线性。

(4)最低共振频率的选定

中高音扬声器的最低共振频率大多设定为使用频段的下限。这种情况下，最低共振频率附近失真增大、瞬态特性变坏，并且振动系统容易产生横向振动等异常振动，使工作不稳定。但是中高频扬声器的振幅小，由于后腔容积很大，高力顺的支持系统保持了低的最低共振频率，因而能得到自然的重放声。特别是号筒扬声器在号筒截止频率以下，号筒没有负载，振膜的振幅和失真增大，并且因为号筒开口部反射的影响，所以分频频率应设定在号筒截止频率的两倍以上。另外，号筒扬声器在号筒截止频率时声压急剧上升，在很多情况下，声音彼此间的关系变坏。也有将截止频率低的号筒由中部截断形成短号筒，使特性缓慢上升。这时在号筒截止频率附近会出现强烈的由开口端反射的影响，所以使用频段大约应为号筒截止频率的三倍以上。

4.各频段扬声器的组合方法

每个扬声器都有不同的音色，因此在组成扬声器系统时，最重要的问题是使各扬声器彼此的特点要融合。原则上应当是音色统一、声音彼此间关系和谐，使各个扬声器音色的组成因素一致。

(1)指向性的连续性

将指向性宽的高音扬声器与指向性尖的低音扬声器配合使用时，高音扬声器容易突出，使指向性的连续性不好，并使声音彼此之间的关系变坏。因此，在选定分频频率的同时，应使三分频系统中高音扬声器的类型统一，从而得到良好的效果。例如，使用球顶中音扬声器时，应同时使用球顶高音扬声器。另外，也可以使用纸盆低音扬声器、球顶中音扬声器以及无指向性高音扬声器，使指向性依次增宽。

(2)失真成分的平衡

使用失真小的扬声器当然好，但是奇次谐波失真与偶次谐波失真对音色的影响不同，所以应当将所剩无几的失真的种类统一起来，以求音色的融和。

(3)带外性能的保证

在使用频段自然不必说，在使用频段以外如有缺点，则无论如何使用分频网络进行衰减，缺点仍会很突出，因而损害了声音间的彼此关系。低音扬声器应当具有没有缺点的平直的高声频特性；高频扬声器应当具有充分余量，并有较低的最低共振频率或截止频率。

(4)瞬态特性的一致

瞬态特性也是决定音色的重要因素。例如，一般号筒扬声器振动系统体形小、质量轻，并且具有强的磁路，由于号筒起到有效负载的作用，所以瞬态特性良好。但当与具有重的振动系统的书架式声箱所使用的低音扬声器配合使用时，通常也得不到十分平直的音质。

5.各频段扬声器的排列方法

各频段扬声器的排列方法不同，可以使综合指向特性、相位特性及相互干涉情况等有很大变化，也会给音质以很大影响。下面，对各种排列方法的特点进行说明。

(1)同轴排列

主要是指作为全频带的组合扬声器单元来说，具有以下特点：

①由于声源集中在一处，所以声象定位好。

②高音扬声器的声音被低音扬声器振膜反射，使特性变坏，并容易产生互调失真等。

图3-42a是在低音扬声器振膜内使用悬臂安装高音扬声器的例子。为了使低音扬声器的干涉不集中出现在特定频率上，高音扬声器应偏离中心安装。图3-42b是在低音扬声器音圈内侧嵌进高音扬声器的例子，由于低音扬声器与高音扬声器的声源完全一致，所以不易产生干涉。

图3-42c是在低音扬声器的磁路后部设有高音扬声器的振膜，穿通低音扬声器磁路的声道与低音扬声器振膜共同组成高音号筒扬声器。以上是两分频扬声器，也有将图3-42a与图3-42c组合在一起的三分频扬声器。

图3-42　同轴排列复合扬声器

(2)平面排列

在一张障板上平面排列的方法，与同轴排列的方法性质相反。随着重放频率不同，声源会产生移动，因而定位不好，声象也会扩展。但相互干涉小，可以得到平直的频率特性，同时也可以防止产生互调失真。各频段用扬声器如何排列，对于三分频以上的扬声器系统是个重要的问题。在收听立体声时，是以良好的声象定位为目标。图3-43a所示的纵向排列是一种较好的排列方式，可以形成左右对称不混乱的指向性。另一方面，如果在近距离听音时，应该使扬声器尽量集中，图3-43b所示的排列方式可以得到较好的效果。这时，虽然左右指向性不对称，但是扬声器排列可以做成左边适用和右边适用的两种扬声器系统，收听立体声时，也可以得到良好的声象定位。

图3-43　组合扬声器的平面排列

(3)关于声源的深度

重放声的相位随声音在空气中传播的距离而变化。距扬声器i点处，相位将滞后2πfl/c[弧度]。像纸盆低频扬声器或号筒扬声器之类深度较大的扬声器，它们的相位滞后就较大，与其他扬声器之间会产生相位干涉，从而影响声波传播。扬声器排列可以不像图3-44所示简单地将开口面取齐，而是像图3-45所示在深度方向将声源位置(振膜位置)取齐，以得到良好的相位特性。

图3-44　按扬声器开口面取齐的扬声器平面排列

图3-45　按声源位置取齐的扬声器平面排列

由于纸盆低音扬声器在分频频率附近的高频声音是由纸盆颈部强烈辐射，因此这一位置可以看做是声源的位置。

6.组合扬声器系统的分类

前面已经讲述了组合扬声器的组成方法，下面将其归类，可以得出组合扬声器系统的种类(如图3-46所示)。

图3-46　组合扬声器系统的分类