之前有文章講述了一些影響聲音的因素和客觀指標(biāo)以及電聲產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝之間的關(guān)系。現(xiàn)在給大家分享一下電聲器件影響聲音的一些技術(shù)指標(biāo)。
我們?nèi)匀灰?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >揚(yáng)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(yáng)聲器的技術(shù)指標(biāo)。
朋友們對(duì)Hi-Fi音響用的揚(yáng)聲器自然不陌生。當(dāng)我們選擇一款揚(yáng)聲器時(shí),揚(yáng)聲器廠家自然會(huì)
提供一些參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)。負(fù)責(zé)任的廠家一般會(huì)提供:
阻抗、功率
靈敏度、頻響曲線
F0、阻抗曲線
一些常見(jiàn)的T/S參數(shù)如Qts及Xmax,BL等數(shù)據(jù)。
實(shí)際上,很多廠家提供的諸如頻響曲線、阻抗曲線、T/S參數(shù)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(cè)試系統(tǒng)如LMS,也基本上限于將以上參數(shù)測(cè)試準(zhǔn)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(biāo),還不足以判定一個(gè)揚(yáng)聲器單體的好壞。也就是說(shuō),只關(guān)注以上指標(biāo),其實(shí)是不夠的。可是遺憾的是,目前的絕大多數(shù)電聲設(shè)計(jì)者和發(fā)燒友,都是在基于以上有限的性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),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(duì)設(shè)計(jì)非常有用的一些參數(shù)和數(shù)據(jù),逐一描述一下:
一、THD
THD是英文“Total Harmanic Distrotion”的縮寫。和頻響曲線類似,在不同的頻點(diǎn),揚(yáng)聲器的THD也不同。因此THD會(huì)生成一條曲線。而一般的揚(yáng)聲器的規(guī)格中,均對(duì)THD曲線沒(méi)有相應(yīng)的描述。但實(shí)際上,THD對(duì)聽(tīng)感影響極大。簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō),THD總體偏高的揚(yáng)聲器,其聲音一定不如THD總體偏低的揚(yáng)聲器來(lái)的自然。
下圖是典型的揚(yáng)聲器的一條頻響和THD曲線。從圖中我們可以看出,THD曲線在低頻部分,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),伴隨著頻響曲線的起伏,THD 曲線也產(chǎn)生起伏。
THD曲線在低頻F0附近的抬升的內(nèi)因主要來(lái)自于揚(yáng)聲器的振幅。主要是由 于揚(yáng)聲器在諧振頻率附近,振幅加大,導(dǎo)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(dǎo)致了音圈所處的磁通量有較大變化的話,也會(huì)引發(fā)較大的低頻的失真。
THD曲線在高頻段的“峰值”和振膜的形狀、內(nèi)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(dǎo)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(xiàn)在指標(biāo)上,就是THD的峰值。于此對(duì)應(yīng),往往會(huì)在頻響曲線上也表現(xiàn)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(shù)對(duì)失真做細(xì)分。如下圖,對(duì)2階和3階失真分別顯示。
需要注意的是,THD指標(biāo)是和揚(yáng)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(lán)色曲線為2W時(shí)的THD曲線,而黃色曲線為0.5W時(shí)的THD曲線。市面上銷售的揚(yáng)聲器,有很多給不出THD的數(shù)據(jù),那是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的大型揚(yáng)聲器生產(chǎn)商,對(duì)THD不夠重視,很多廠商的測(cè)試設(shè)備甚至不能準(zhǔn)確測(cè)量出THD曲線!而伴隨著手機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品音頻設(shè)計(jì)的提升,B&K、Soundcheck等音頻測(cè)試系統(tǒng)的導(dǎo)入,THD得到了一些廠家的重視。需要指出的是,揚(yáng)聲器功率越低,THD越??;在1-2K頻段,揚(yáng)聲器的THD也是相對(duì)比較低的。一些廠家聲稱自己的揚(yáng)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,基本上是沒(méi)有意義的。那種號(hào)稱自己的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,這樣會(huì)更客觀一些。
二、T/S參數(shù)
T/S參數(shù)是由THIELE和SMALL先生首先提出的揚(yáng)聲器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本參數(shù)。T/S參數(shù)是由THIELE和SMALL先生首先提出的揚(yáng)聲器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本參數(shù)。T/S參數(shù)由四個(gè)小信號(hào)參數(shù)和2個(gè)大信號(hào)參數(shù)組成。
小信號(hào)參數(shù)包括四個(gè)基本參數(shù):
Fs為揚(yáng)聲器單元的諧振頻率。
Vas為揚(yáng)聲器單元的等效容積。
Qes為揚(yáng)聲器單元的電Q值。
Qms為揚(yáng)聲器單元的機(jī)械Q值。
在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)遇到Qts參數(shù),它表征揚(yáng)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(hào)參數(shù)包括兩個(gè)基本參數(shù):
Pe(max)為揚(yáng)聲器單元的散熱能力所確定的最大功率額定值。
Vd為揚(yáng)聲器單元振膜在最大振幅時(shí)所推動(dòng)的體積。
T/S參數(shù)在電聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)靈活判斷。我們經(jīng)常遇到的應(yīng)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(shè)計(jì)出一個(gè)可用于低音重放的音箱。第二種場(chǎng)景:我們根據(jù)使用場(chǎng)景的需要,計(jì)劃做一款長(zhǎng)寬高比較確定的箱體,甚至我們已經(jīng)想好了箱體的設(shè)計(jì)圖紙,決定了箱體的聲學(xué)結(jié)構(gòu),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(shè)計(jì)要盡量去接近這個(gè)“理想的”效果。此時(shí),T/S參數(shù)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(yīng)接近我們的“理想效果”的系統(tǒng)。
試以2為例,簡(jiǎn)述這個(gè)過(guò)程如下:
假設(shè)我們需要制作一個(gè)密閉箱體的音箱,揚(yáng)聲器口徑4寸,希望音質(zhì)好,低頻量感盡可能突出,應(yīng)如何設(shè)計(jì)?
根據(jù)Q值的物理含義,假設(shè)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,我們應(yīng)該首選Qts高的喇叭?其實(shí)設(shè)計(jì)時(shí)往往不是這樣的。設(shè)計(jì)時(shí)第一步往往會(huì)先考慮諧振頻率Fs,因?yàn)橹C振頻率Fs是位移振幅獲得平坦頻率響應(yīng)和加速度振幅獲得平坦頻率響應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Fs越低,意味著平坦頻率響應(yīng)曲線向低頻段延伸越多。相反,F(xiàn)s越高,意味著在低于Fs的頻段,聲壓將按照指數(shù)規(guī)律下降,不易獲得良好的低頻響應(yīng)。對(duì)于4寸揚(yáng)聲器來(lái)說(shuō),F(xiàn)s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(dāng)?shù)腇s的揚(yáng)聲器后,我們才需要去考慮其它參數(shù)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(duì)揚(yáng)聲器振膜產(chǎn)生“阻尼”。此阻尼會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率升高,揚(yáng)聲器低頻段振幅減小...2、考慮這個(gè)阻尼的作用,需要揚(yáng)聲器單體在障板測(cè)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(dá)到正確的“阻尼響應(yīng)”...3、揚(yáng)聲器“速度”問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)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(yīng)。此時(shí),揚(yáng)聲器的QMs參數(shù)就派上用場(chǎng)了。一個(gè)足夠大的Qms的設(shè)計(jì)(如Qms>2)是取得上述聲音表現(xiàn)的關(guān)鍵...4、頻響曲線的平直。傳統(tǒng)的音箱設(shè)計(jì)理論,都是按照這個(gè)思路來(lái)設(shè)計(jì)的,可以代入檢驗(yàn)。如果需要調(diào)整,在確保Fs、速度的前提下,可以通過(guò)BL和膜片設(shè)計(jì)的調(diào)整來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。一般規(guī)律是:加大BL,Qms提升,Qes和Qts下降。
三、時(shí)域和瞬態(tài)響應(yīng)
在前面章節(jié)提到,揚(yáng)聲器“速度”的問(wèn)題,這其實(shí)就是揚(yáng)聲器的時(shí)域和瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題。也是決定聽(tīng)感的一個(gè)非常重要的因素。揚(yáng)聲器的時(shí)域和瞬態(tài)響應(yīng),在傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器和音響制作領(lǐng)域談?wù)撋跎?,可是如果不關(guān)注深挖此類指標(biāo)的設(shè)計(jì),要想獲得好的聽(tīng)感只能是“碰運(yùn)氣”的成份更大一些。
揚(yáng)聲器的時(shí)域和瞬態(tài)響應(yīng),有很多電聲測(cè)試系統(tǒng)都是可以完成測(cè)試的。比較常見(jiàn)的電聲測(cè)量軟件Soundcheck,其中的第2006號(hào)模塊---Time Selective Response,就可以完成相應(yīng)的測(cè)量。再如免費(fèi)的聲學(xué)測(cè)量軟件REW(Room Eq Wizard),也是可以測(cè)量諸如TimeDomain響應(yīng)的。
在揚(yáng)聲器時(shí)域和瞬態(tài)響應(yīng)中,三維頻譜累計(jì)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:瀑布圖。
瀑布圖有三個(gè)維度構(gòu)成,分別是頻率、聲壓級(jí)和時(shí)間。在時(shí)間=0的平面內(nèi),被測(cè)揚(yáng)聲器的穩(wěn)態(tài)頻響會(huì)被作為第一條曲線。而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔后,被測(cè)揚(yáng)聲器的剩余頻響曲線又會(huì)生成第二條曲線。重復(fù)這一過(guò)程,在不同的時(shí)間坐標(biāo)上就會(huì)得到許多條曲線。此時(shí),揚(yáng)聲器的殘余頻響特性就一覽無(wú)余了。
理想的衰減特性當(dāng)然是全頻段均勻衰減,而且衰減極快。但事實(shí)上,揚(yáng)聲器在驅(qū)動(dòng)消失后運(yùn)動(dòng)不會(huì)馬上停止,所以我們只能退而求其次,從揚(yáng)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)理想的線性系統(tǒng)中,如果我們定義輸出對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有發(fā)生任何形變及時(shí)間的延時(shí),則這個(gè)系統(tǒng)的幅頻和相頻曲線都是平直的。而實(shí)際上,揚(yáng)聲器的輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)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(duì)的相移曲線。
揚(yáng)聲器的相對(duì)相移曲線中的相位波動(dòng),往往和幅頻曲線的波動(dòng)是一一對(duì)應(yīng)的。揚(yáng)聲器單元作為一個(gè)最小相位系統(tǒng),其不帶群延時(shí)的相頻特性可以由其幅頻經(jīng)希伯特轉(zhuǎn)換而得到。這些波動(dòng),往往會(huì)成為揚(yáng)聲器音色改變的一個(gè)標(biāo)志。例如上圖中,群延遲曲線、幅度曲線、相位曲線中表征的5-6KHz之間的波動(dòng)。
值得注意的是,在分頻設(shè)計(jì)中,也需要較為系統(tǒng)的考慮揚(yáng)聲器的相位的銜接。如果銜接出現(xiàn)問(wèn)題,對(duì)應(yīng)的頻響曲線也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),而聲音的質(zhì)量也會(huì)受到影響。
此外,揚(yáng)聲器還有諸如指向性等指標(biāo)需要關(guān)注。這些指標(biāo)有興趣的朋友可以自行查閱相關(guān)資料。
(作者:葛虎)