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[size=6]扬声器的参数是指采用专用的扬声器测试系统所测试出来的扬声器具体的各种性能参数值.其常用的参数主要包括:Z,Fo,η0, SPL,Qts,Qms,Qes,Vas,Mms,Cms,Sd,BL,Xmax,Gap gauss.以下分别是这几种参数其物理意义.
1.1 Z:是指扬声器的电阻值,包括有:额定阻抗和直流阻抗.(单位:欧姆/ohm),通常指额定阻
抗.扬声器的额定阻抗Z:即为阻抗曲线第一个极大值后面的最小阻抗模值,即图1中点B所对应的阻抗值.它是计算扬声器电功率的基准.直流阻抗DCR:是指在音圈线圈静止的情况下,通以直流信号,而测试出的阻抗值.我们通常所说的4欧或者8欧是指额定阻抗.
1.2 Fo(最低共振频率)是指扬声器阻抗曲线第一个极大值对应的频率.单位:赫兹(Hz).扬声器的阻抗曲线图是扬声器在正常工作条件下,用恒流法或恒压法测得的扬声器阻抗模值随频率变化的曲线.
1.3 η0(扬声器的效率):是指扬声器输出声功率与输入电功率的比率.
1.4 SPL(声压级):是指喇叭在通以额定阻抗1W的电功率的电压时,在参考轴上与喇叭相距1m点上产生的声压.单位:分贝(dB).
1.5 Qts :扬声器的总品质因数值.
1.6 Qms:扬声器的机械品质因数值.
1.7 Qes:扬声器的电品质因数值.
1.8 Vas(喇叭的有效容积):是指密闭在刚性容器中空气的声顺与扬声器单元的声顺相等时的容积.单位:升(L).
1.9 Mms(振动质量):是指扬声器在运动过程中参与振动各部件的质量总和,包括鼓纸部分,音圈,弹波以及参与振动的空气质量等.单位:克(gram).
1.10 Cms(力顺):是指扬声器振动系统的支撑部件的柔顺度.其值越大,扬声器的整个振动系统越软.单位:毫米/牛顿(mm/N).
1.11 Sd(振动面积):是指在扬声器的振动过程中,鼓纸/振膜的有效振动面积.单位:平方米(m2).
1.12 BL(磁力):间隙磁感应强度与有效音圈线长的乘积.单位T*M).
1.13 Xmax:音圈在振动过程中运动的线性行程.单位:毫米(mm).
1.14 Gap Gauss:间隙磁感应强度值.单位:特斯拉(Tesla).
1\Xmax是量出来的,不是测量出来的,需要知道上板厚度PL和音圈圈幅VC,
则Xmax=|PL-VC|/2
3\1.11 Sd(振动面积):是指在扬声器的振动过程中,鼓纸/振膜的有效振动面积.单位:平方米(m2).
这个量的时候要注意,一般规定为鼓纸的直径加上1/3的悬边的长度,也有文献说是1/2的边的长度,根据经验来确定
首先,我们来谈谈如何认识一个喇叭单元,这是我们每个生产厂家、每个扬声器系统设计人员要面对的一个最基本而又是最重要的问题。根据我国目前的生产和工程设计的实际情况来看,可以从以下六个方面的客观物理特性来认识喇叭单元。(注:主观听感是认识喇叭单元的另一种重要方法,随着科学技术的进步,客观物理特性的描述与主观听感愈来愈趋于一致。也就是说,随着科学技术的发展,我们将能够用客观物理特性的描述来表达主观听音的心理感受。)
一、T/S参数
T/S参数是由THIELE和SMALL先生首先提出的扬声器系统数学模型的基本参数。T/S参数在扬声器系统设计的指导作用已经被生产厂家、工程设计人员所普遍接受,在几乎所有常见的电声测试系统、扬声器系统设计软件上得到支持。T/S参数由小信号参数和大信号参数组成。
小信号参数包括四个基本参数:
Fs为扬声器单元的谐振频率。
Vas为扬声器单元的等效容积。
Qes为扬声器单元的电Q值。
Qms为扬声器单元的机械Q值。
大信号参数包括两个基本参数:
Pe(max)为扬声器单元的散热能力所确定的最大功率额定值。
Vd为扬声器单元振膜在最大振幅时所推动的体积。
上述参数主要是向我们提供了模拟和设计喇叭单元在谐振频率附近的频率响应特性的依据,通过合理地优化箱体结构参数,从而达到我们所期望的扬声器系统频率响应,用以满足不同的使用场合和不同的使用要求。从某种意义上讲,T/S参数没有更好,只有更合理和更合适。例如Fs/Qts的比值在那个范围适合那一类声箱系统,Vas如何取值更为合理等。T/S参数最重要的是它们如何搭配和优化。在这里需要指出的是,T/S参数的实际测量误差应引起足够的重视。T/S参数误差过大,会导致在系统设计的过程中的理论值与实际值偏离过大,甚至失去T/S参数的指导意义。在实际工作中有以下几个方面皆会引起测量误差。不同的测试方法引起的误差。如定压法与定流法的误差,容积法和加载法的误差。在加载法中选取加载量引起的误差。根据经验,定压法比定流法对加载量的大小更为敏感,引起的误差更大。
不同的测试电平引起的误差。定压法和定流法均存在同样的问题。测量运算中给定值引起的误差。如“振动面积”、“直流阻抗”等参数,尤其是“振动面积”对测量结果影响很大。其他因素引起的误差。如测试环境、被测喇叭单元放置的方向、测试电缆的阻抗大小等。
下图是ROGERS旗下的LS系列LS33音箱中低单元(型号为:DU-160-LS2a/2)的T/S参数,该参数由LAUD系统给出,是采用定流法测试的.
二、频域特性
频域特性由幅频特性和相频特性组成。这一客观物理特性描述了喇叭单元在频率轴上,随着频率的变化其响应幅值和相位的变化情况。过去人们都比较重视幅频特性对音乐重放的影响,现在人们也越来越重视喇叭单元的相频特性对音乐重放的影响,尤其是对扬声器系统音乐重放的影响。
下述两点应引起注意:
幅频特性中的低端部分。这一部分的响应(尤其是100Hz以下)与测试环境和测试条件相关很大。如是否消音室、是否近场、使用障板的大小、使用箱体容积的大小等,这些都会使低端响应产生很大的差别。一般地说,在非消音室和非近场的条件下,100Hz以下的幅频特性曲线数据是不可靠的。因此,在观察喇叭单元的幅频特性时,应注意其测试环境和测试条件。
幅频特性中的高端部分。特别要注意的是1.5--4.5k的这段响应,不应有过大的峰谷。首先此处是人耳最为敏感的频段,对音乐(尤其是人声、弦乐)的重放效果影响很大。其次这也是二分频系统的分频点频段,过大的峰谷,其相频特性也比较差,导致高低单元对接不好,造成此频段的相位失真过大而影响重放效果。
相频特性中3K-6KHz段部分。低音单元在此段的相频特性都比较差,相移比较大。从系统的角度来看,应尽量避免选择相移比较大的频段作为分频点。
下图同样是ROGERS旗下LS33音箱6.5&中低单元的频域特性曲线,使用的是LAUD系统测试(非消音室下近场)。上半图给出的是真实相频曲线,下半图给出的是幅频曲线。从相频曲线可以看出6k-8k处相位变化过大,应避免使用该频段,并提示该单元的分频点应为2k附近较为合理。
下图是SEAS的黄金系列excel-w17ex 6.5&单元的幅频曲线。从该曲线来看,该单元有不错的中频特性,但在曲线的高段(3.5k-6k)处有10dB的峰。看来这个价格不菲的单元也有不尽人意之处。该特性曲线是由LMS系统给出(非消音室下近场)。LMS系统不能给出真实相频特性曲线。
三、时域特性
时域特性这一客观物理特性描述了喇叭单元在时间轴上,随着时间的变化其频域特性的变化情况。时域特性不仅在频率的变化过程中描述了喇叭单元的响应状态,而且还在时间的变化过程中描述了喇叭单元的响应状态,也就是从三维的角度全面地描述了喇叭单元的响应特性。这点很重要,但往往被人们所忽视!应该注意到,很多主观听感的评述,如声低是否干净,背景是否清晰,层次是否分明,音场的深浅等均与喇叭单元的时域特性有密切关系。由于喇叭单元不同的时域特性才赋予扬声器系统千姿百态的个性。依个人观点,喇叭单元的时域特性是客观评价喇叭单元性能优劣的一个不可缺或而且很重要的方面。作为扬声器系统的设计人员来说很有必要对喇叭单元的时域特性作更深入的研究分析。后沿累积频谱图(俗称瀑布图)和阶跃脉冲响应就是喇叭单元时域特性的一些比较直观形象的表达方法。后沿累积频谱图不仅适用于对喇叭单元特性的测试分析,而且对扬声器系统的特性分析(包括声箱内部驻波情况)更有帮助。同时需要强调的是,时域特性的测试对环境因素的影响很敏感。一般情况下,要尽可能选择消音室的环境下测试,否则,测试的结果将是不可靠的。
下图是一只德国产的1”球顶丝膜高音的阶跃脉冲响应图。从图中可以看到脉冲的上升沿只用了0.03ms,整个脉冲响应宽度也只有0.18ms,不难看出该单元的瞬态特性还是不错的。
下图也是1”球顶丝膜高音的后沿积累频谱图。图中500Hz左右的“余波”很可能是测试环境影响所致。
下图是一只8”碳纤维锥盆低音单元的后沿积累频谱图。可以看出在800Hz附近有一些遗憾,将在清晰度和层次感上受到一些影响。
下图是Vifa的3/4”高音单元(型号为:D19TD-0508)的频域特性曲线。从下图看来它的主要不足之处是低端延伸不足,其
相频特性还满不错的(非消音室下近场测试)
四、电阻抗特性
这是喇叭单元的基本特性,为人们所熟悉。它描述了喇叭单元的电阻抗模的大小随频率变化而变化的情况。下图是Vifa5&(c13wg-08-08)单元的阻抗特性,是由来自欧洲的电声测试系统CLIO所给出的。
我们可以通过阻抗特性了解到喇叭单元的直流阻抗、谐振频率、谐振阻抗峰的大小、额定阻抗以及音圈感抗的大小等情况。在这里有两点应该引起人们的注意:
1、音圈感抗的大小
通常低音单元f&200Hz时,阻抗特性将呈单调上升,上升的速率反映了音圈感抗的大小。过大的感抗将对喇叭单元的工作产生不良影响(尤其是对频率特性的影响)以及对分频器的设计带来困难。为了减少喇叭单元音圈感抗的影响,往往可以采用磁路和电路补偿的办法来以予解决。
2、谐振阻抗峰的大小
谐振峰过大也会给喇叭单元在该段频率附近工作产生不良影响,这在高音单元尤为突出,在生产中应给予适当的控制和处理。下图是1&单元的阻抗特性,可以看出,高音单元的谐振峰是出现在人们听觉最为敏感的1K-2K频段,也是二分频系统的高低分频的结合部,处理不当,将会产生主观听感该频段发硬、不圆润等不良感觉。
五、失真特性
& && & 我们常说的失真应包括谐波失真、互调失真、瞬态失真、相位失真、分谐波失真等多种线性和非线性、稳态和非稳态失真。在这里我们主要地讨论几种影响较大而又能够被常用的电声测试系统所描述出来的失真形式,以进一步加深对喇叭单元的客观认识。
& & 1、谐波失真
& && & 谐波失真是喇叭单元的最常见的非线性失真。引起谐波失真的主要原因是喇叭单元的振动系统和磁路系统的非线性。在工作实践中,可以通过改善喇叭单元的材料(振膜、定位支片、折环等)的特性和改善磁路系统的线性来改善喇叭单元的谐波失真。下图是JBL公司的产品(型号为:JBL806G-1 S/N-1645)的谐波失真曲线图,由LAUD系统给出。从图中可以看到,该单元的谐波失真特性还是不错的,除了极低频以外,二次谐波失真在2%以下,而三次谐波失真更在0.2%以下。
根据有关资料和实际听音的经验,一般地说,谐波失真在1%以下时,就有良好的主观听感;谐波失真在3%就容易被人们所察觉;谐波失真达到5%时,主观听感就令人烦躁;如果谐波失真超过10%,主观听感就令人难以忍受。同时,人们对奇次谐波失真更为敏感。通常三次谐波失真应远小于二次谐波失真(在不同的数量级上)才会有良好的主观听感。在实际工作中,我们会常常见到这种情况,喇叭单元的三次谐波失真与二次谐波失真是同在一个数量级上,甚至三次谐波失真的分量比二次谐波失真的分量更大。这样的喇叭单元应该说是有很多方面需要改进的,其主观听感也是令人担忧的。因此,奇次谐波失真的大小,不能不引起我们更多的关注。若想取得较好的主观听感,我们还必须在改善喇叭单元的奇次谐波失真作出更大的努力。
& & 2、瞬态失真
& && &瞬态失真是由于喇叭单元的振动系统跟不上电信号的变化而引起的失真。这种失真通常可以通过测试喇叭单元的阶跃响应的上升沿特性和下降沿特性来表达。上升沿特性反映了喇叭单元的声响应起始瞬间速度的情况,而下降沿特性反映了喇叭单元的声响应消失中止的阻尼情况。人们都知道,喇叭单元对电信号响应的“速度”和“阻尼”在主观听音评价上产生很大的影响。还有一种能够更形象地表达下降沿特性的方法是喇叭单元的后沿累积频谱图。从上面的两幅后沿累积频谱图图中不难看出,后沿累积频谱图从整个频段形象地描述了喇叭单元在电信号消失后的阻尼情况,不同的频段具有不同的下降沿特性,也就是说喇叭单元在不同的频率下具有不同的瞬态响应(也是瞬态失真)。因此,反映在主观听音上就是我们听到了千万种具有个性的喇叭单元和扬声器系统(这点在本文的时域特性中已有叙述)。
& &3、相位失真
& && &电信号通过喇叭单元后,电相位与声相位发生了变化而形成的失真。正如前面所说的一样,声相位失真对主观听音评价的影响越来越被人们所重视,尤其是扬声器系统,声相位的失真对声场、定位等主观听音评价产生不容忽视的影响。有资料说明人们的听觉对高频部分的相位失真比低频部分要敏感得多。
& && &相位失真除了可以用相频特性来表达以外,还可以用群时延特性来表达。一般地说,在中高频段,群时延&3ms时,& & 对扬声器系统的重放效果就会产生可闻的影响。下图是一个二分频扬声器系统的群时延特性的事例。我们可以看到上半图所显示的群时延特性在4K附近,群时延&4ms,不难判断,该处是分频点的相位没有对接好的缘故,将会给主观听音评价带来不良影响。& &产生相位失真的原因除了喇叭单元本身以外,主要有分频器设计不合理和各频段的喇叭单元的安装平面布置不合理等原因。
六、指向性
& && & 指向特性是喇叭单元在空间各个方向的频率响应。它是从空间的角度描述了喇叭单元在参考轴上以外的空间的频率响应情况。前面我们提到了喇叭单元的频域特性、时域特性,那么在这里的指向特性可以说是喇叭单元的空间特性,也是喇叭单元的重要特性之一。
& && &根据声学原理,在低频段,喇叭单元所辐射声波的波长远大于喇叭单元振膜的边长,此时的声辐射没有明显的指向性。但是随着频率的上升,当喇叭单元所辐射声波的波长等于或小于喇叭单元振膜的边长时,声辐射就会沿着参考轴方向产生聚焦现象辐射声压产生明显的方向性,在听音空间产生不均匀现象,使得主观听音效果受到严重的影响。因此,不难知道,每一个喇叭单元都会受到自身尺寸所规定的实用边界频率的限制。喇叭单元的振膜面积越大,其实用边界频率就越低。例如8”低音单元的实用边界频率约为1.8K。下图就是一个8”低音单元指向特性频率响应曲线的实测情况,从图中可以看出,在参考轴上的频率响应高端可达5.5KHz,当偏转30度时,其频率响应的高端只能达到2.2KHz。
指向特性通常不仅可以用指向特性频率响应曲线来表达,还可以用指向性图的方法来表达。如下图所示,是由CLIO系统测试的vifa 1”高音单元(型号为:d25TG-85)的指向性图,该指向性图呈指向性较好的心型状,说明该高音单元在10KHz时仍有良好的指向性。良好的指向特性是获得良好的主观听音评价的起码要求之一。
&&以上我们从六个方面谈了如何认识喇叭单元,都是一些基本的客观物理特性。但从全面认识喇叭单元的角度来说,是很不够的,也是很肤浅的。喇叭单元还有很多客观物理特性需要我们去研究和认识,特别是喇叭单元的时间域和空间域方面的特性,仍未被我们所全面认识和理解。可以相信,随着科学技术的进步和同行们的不懈努力,完全有可能揭开喇叭单元(包括扬声器系统)的客观物理特性与主观听音评价之间的神秘面纱。
是音箱DIY友的需知内容
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关于分频器& && &&&
& && && & 分频器的作用:&&在一个扬声器系统里,人们把箱体、分频电路、扬声器单元称为扬声器系统的三大件,而分频电路对扬声器系统能否高质量地还原电声信号起着极其重要的作用。尤其在中、高频部分,分频电路所起到的作用就更为明显。其作用如下:
合理地分割各单元的工作频段;
合理地进行各单元功率分配;
使各单元之间具有恰当的相位关系以减少各单元在工作中出现的声干涉失真;
利用分频电路的特性以弥补单元在某频段里的声缺陷;
将各频段圆滑平顺地对接起来。
& && &显然,分频电路的这些作用已被人们所认识和接受。
& && && &&&分频点的选择:
考虑中低单元指向性实用边界频率f=345/d(d=单元振膜有效直径)。通常8”单元的边界频率为2k,6.5”单元的边界频率为2.7k,5”单元为3.4k,4”单元为4.3k。也就是说使用上述单元,其分频点不能大于各单元所对应的实用边界频率。
从高音单元谐振频率考虑,分频点应大于三倍的谐振频率。也就是说从高音单元的角度出发,通常分频点应大于2.5k。
考虑中低音单元高端响应Fh,通常分频点不应大于1/2 Fh。 实际上,二分频音箱上述条件很难得到同时满足。这时设计者应在这三者中有一个比较好的折中选择。但必须强调的是,第一个条件即实用边界频率应该优先满足。
三分频的情况下,通常应将两个分频点隔得愈远(应在三个倍频程以上),组合后的系统响应会变得愈好。否则,将会出现复杂的干扰辐射现象。
低音与中音的分频点应考虑人声声像定位的问题。应使人声的重放尽可能由中音单元来承担,以避免人声的声像定位音色发生过大的变化。这一点往往容易被设计者所忽视。通常这一分频点应为200-300Hz。
关于评价& &
& &&&人类的听觉器官比现今最精密的测试设备还要灵敏。
& && &基本价值信条:
& &&&1、增添不良信号的罪行,远比减少信号的罪行还要大。
& &&&2、即使音乐表现品质上只有小小差异但仍是相当重要的。
& &&&3、测量时看得到的小小改进,能对耳朵听觉造成极大影响。
& && &假如经过长时间欣赏后,你会觉得振奋和满足。那就能认为这器材有能力表现音乐的内涵和意义。事实上,这是 音响器材品质的最重要指标。
& && &怎么样的音响器材是好的呢?简单地说,就是播放你所熟悉和喜爱的音乐,你可以长时间地去聆听欣赏,从而得到满足和享受。那么这套音响器材对于你来说就是一套好器材。
& && &hifi音响即音乐美的再现,而音乐美的再现最终要看其是否具有音乐味,而构成音乐味的基本要素包括音质纯正,音色自然,音场深阔,定位精确,空气感强,动态大,瞬态好,密度高,结像力强,解析力强,平衡感佳,透明度高,个性鲜明。
& && &评价音响的基本要件:
& && &1、音色:音响因高次谐波不同的构成而引起的声音差异。
& && &2、音场:音响产生不同声音及其状态所形成的空间关系的总和。
& && &3、定位:音响空间中所呈现三维分布的发音器件的固定位置。
& && &4、动态:音响的强弱变化之比。
& && &5、瞬态:音响表现瞬间爆发声音的控制力。
& && &6、空气感:音响重放中各种发声的振动程度。
& && &7、结像力:音响重放对音像的聚焦能力。
& && &8、解析力:音响表现对象细节的能力。
& && &9、平衡感:音响在全频段重放的量感是否自然的程度。
& && &10、透明度:音响形态是否鲜明易懂的程度。
& && &&&常用于评价的“发烧语”:
& && &1、干,甜,涩,软,硬,冷,暖,湿,润,亮,暗,肥,瘦,厚,薄,虚,实,空,脆,闷,飘,散,毛,哄,尖。
& && &2、单薄,暗淡,粗糙,光泽,丰满,圆润,浑厚,灿烂,涩耳,毛刺,明亮,细腻,透明,通透,干涩,空洞,柔和,清晰,干净,活跃,灰暗,模糊,浑浊。
& && &&&如果你是一位非专业人员,如何去选择一套比较好的系统呢?在这里,向您推荐一种简单易行的方法。& && &请注意,这里说的是音响系统,并非指音箱,因为在一套音响系统中包括四个主要部分:录音载体(如录音磁带,光盘等),录音播放机(如录放机,CD机等),功放机,音箱。在这四个部分中,任何一个环节的素质都会影响到整套系统的重放效果。当录音载体,录音播放机,功放机的素质比较高时,你就可以用以下的方法来选择一套音箱了。
& && &&&1、你不会嫌音乐的声音大,也不会嫌吵。
& && &&&播放你自己熟悉、素质较好的音乐,把功放机的音量旋钮转动到时钟10-11点的位置上(这时的音量会比通常欣赏音乐的音量大),你可以静静地欣赏,不嫌音量过大,更不会嫌吵,甚至你会有把音量再调大的冲动,因为这时的声压远比不上音乐厅演奏现场的声压大。这样,意味着你听到的将是失真小、控制力强、动态大的音乐重放,那么,你面前的这套系统很可能就是你所选择的系统。
& && &&&2、你不会感觉到音箱的存在。
& && & 继续播放你熟悉、素质较高的音乐,把功放机的音量旋钮适当调小到时钟9点的位置上,这时,你可以把双目闭上,静静地欣赏你所喜爱的音乐,你会惊喜地发现,左右摆置的两个音箱在你的面前消失掉了,你感觉到的是有一定宽度和深度的乐队展现在你的面前,你能够估计出歌唱演员与你的距离和演员口型的大小。甚至你可以调整听音位置左右移动(偏离最佳位置)到音箱的一侧,仍感觉不到音箱的存在。这样,意味着你听到的将是定位、音场表现能力较强,指向性较好的音乐重放。那么,你面前的这套系统很值得你去选择。
& && & 上述两点,是一般非专业人员,非发烧人士都能够做得到和感觉得到的。你不妨试试看。
& && &&&怎样选择一对好音箱
& && & 1、能够听到定位的是好音箱
如果您不知道什么样的音箱才是好的,那么最简单的方法是先听定位。也就是说,您要试着用自己的耳朵听出是什么乐器在演奏,在什么地方演奏,左还是右,前还是后。如果歌手是在中间演唱,左右音箱都会同时发声,但给您的感觉是人站在音箱的中间的—个恰当的位置里唱歌。越高级的音箱,人物形象形体感就越强,可以听到歌声似乎从一个与人同高的点发音的,其唱歌的口型与真实人物的口型很相似。这种情况就是音响书上称之为“结像力良好”,“歌手有血有肉,能听得到口型”。
另外,好的音箱是有层次的,唱歌的声音和伴奏的声音绝不相混,除了能听到左右上下的平面感外,还能听到前后的纵深空间感。即使您不是发烧友,您也不难听到这—切。
& &&&2、能听到细微声音的是好音箱
   试听时不需要太大的声音,音箱对细节的表现程度而不是声音的大小决定了它的好坏。很显然,对细节表现越多越准确,对声音的还原才越真实,也就是说,一只好的音箱可以让您听到更多的东西(而不是更响的声音),尤其是低电平的细节。好的音箱根据信号的不同可以惊天动地,也可以细腻如丝。试听时如果只用具有强烈动态的信号如一些劲曝的电影场面,大型的打击乐,固然容易给人留下很深的印象,但也会掩盖掉器材的真正弱点。所以,在试听时大部分精力用来听音箱的细微表现,只须带着听一下大动态的效果来检查音箱大动态的表现。
& && & 3、感觉不吵人的是好音箱
  品质优良的音箱失真小,重播声音时听起来“松松的”、“甜甜的”,让您很愿意多听一会。好音箱无论音量大小,声音都不会吵人,更不会听起来不舒服。在一些大动态的场面如地震,爆炸时,强烈的低音可能会让您坐着的沙发震动,但绝对不会使您的耳朵不舒服,您只会感到强烈的震撼力。理论上讲失真大(尤其是三次谐波失真大),其音箱的表现为声音“薄”、“硬”、“吵”,不耐听,当然也就不好。而失真小,其音箱的表现为声音“厚实”、“甜暖”、“圆润”,自然就有更好的音乐感,更能够让您投入地欣赏。
[原创]关于单元的瞬态响应的一二
世界上喇叭万万千千,涉及制作的厂家也有上万家,但真正拥有一定的技术实力,自己设计开发喇叭单元、乃至进行原材料开发应用的厂家却是凤毛麟角。扬声器设计是一门综合性的学科,他的覆盖面非常的广泛,从声学、人体解剖、材料学等多方面都有涉及,芦苇在这里就单元的瞬态响应小议一二,希望能够抛砖引玉,让更多的同行们都能够参与进来,共同讨论。
众所周知,不同的振膜材料会产生不同的音色,但是每一种振膜都会有自己的特点和不足,如何发扬优势补足劣势也是每一个顶级Hi-End厂商所追求的。但归根结底产生这样的差别,都是因为振膜材料的各种物理参数不同造成的,振膜最重要的几个物理参数是:密度、杨式模量、内部音速以及内部损耗。通俗的讲就是振膜材料的单位重量、硬度、声音在材料内的传播速度以及对振动的阻尼程度。
在很多扬声器介绍的书中都在强调振膜材料的密度越小越好,但根据现代符合边扬声器设计理念,笔者认为振膜材料的密度适当才是最主要的,因为单元的fo取决于悬挂系统的劲度和振膜的质量,较轻的质量可以得到更好的瞬态响应以及更高的效率,但却有着比较差的低频表现,另外过于轻薄的振膜在实际设计当中还会遇到与音箱内部的驻波进行耦合而产生不必要的失真和频率曲线上的异常峰谷;较厚重的振膜则相反,在得到更多的低频的同时瞬态相应也打了折扣,而且效率的下降也伴随着放大器功率需求的提高。不过在实际应用当中可以通过箱体设计来改良,并且箱体内的多余的声音也不容易传递到箱体外面来。因此,笔者认为扬声器振膜的密度是一个必须反复斟酌的参数,需要根据实际的使用需求选择密度合适的振膜来担纲。
振膜材料的杨式模量反映了振膜的硬度,越是坚硬的振膜越能够抵御单体推进系统(磁钢+音圈)以及悬挂系统(折环和定心支片)带来的影响,加大活塞振动区的范围,降低失真。并能够“完美的”将信号转变为声音辐射出去。但是不幸的是,目前所有高刚性物体都只拥有一点点可怜的自阻尼,尽管在中低频段通过电磁阻尼和悬挂系统可以得到完美的活塞振动,并产生清晰、透明、生动的音色,但是在中高频因为坚硬的物体往往会发生“崩裂”现象,从而产生大量的谐振染色,而不恰巧的是即使对于一些顶级的单元,这个高Q的谐振峰都正好落在了2——6KHz的范围内,(见图1)如果不用分频器去加以校正,这些声染色会造成听感上的前冲、声音细碎、不耐厅等诸多弊端,虽然有些设计师喜好用高倍率的分频器来修正这种问题,但斜率过于大的分频器如果处理不好也会造成声音跳动、音色变化过于明显等弊端。对于这样的问题,厂家只有通过配套自阻尼非常好的厚重的悬挂系统来解决一小部分问题,而且还伴随着效率的降低和瞬态响应的裂化。因此,很多厂家目前都在研究复合材料,通过结合不同材料的特性来达到所需要的特性。
材料的内部音速,也是决定扬声器音色和瞬态相应的重要参数之一,更高的音速可以更快的释放能量,让扬声器听上去瞬态优秀、声音开洋并且细节繁富,但是,同样的高超的声音传导速度,也会因为在装入音箱后跟箱体内的振动耦合,很快地反映出来,即便是一点点也会让人察觉到这些不快的声音。而消除这种声音的办法,除去进行优良的箱体设计以外,还需要靠单元的自阻尼来进行衰减。
*注:这是来自seas的execl-w17ex 6.5黄金系列6.5寸单元的lms在非消声室内实测的幅频曲线,从中我们可以看到在在频率的高端有一个近10db的峰值。这将给2路分音设计的设计师们带来严酷的考验。
在业余条件下,往往diyer因为不具有齐全的测控手段,因此在设计制作上也具有普遍的随意性,不过好在我们拥有[lsap cad]和[speaker workshop]这样一大批低廉价格甚至免费的扬声器测量软件,通过简单的安装和一段时间的学习,我们都可以得到不亚于一些传统Hi-Fi厂家测试数据,通过这些数据我们可以更加完善的设计、制作我们自己的产品。
笔者在这里就测量我们自己二次开发的一款五寸纸盆防磁中低音单元的前后对比来逐步展开、介绍一下如何得到、分析有关瞬态响应的相关数据。
首先我们先来看看[时域特性]的介绍:
时域特性这一客观物理特性描述了喇叭单元在时间轴上,随着时间的变化其频域特性的变化情况。时域特性不仅在频率的变化过程中描述了喇叭单元的响应状态,而且还在时间的变化过程中描述了喇叭单元的响应状态,也就是从三维的角度全面地描述了喇叭单元的响应特性。这点很重要,但往往被人们所忽视!应该注意到,很多主观听感的评述,如声低是否干净,背景是否清晰,层次是否分明,音场的深浅等均与喇叭单元的时域特性有密切关系。由于喇叭单元不同的时域特性才赋予扬声器系统千姿百态的个性。依个人观点,喇叭单元的时域特性是客观评价喇叭单元性能优劣的一个不可缺或而且很重要的方面。作为扬声器系统的设计人员来说很有必要对喇叭单元的时域特性作更深入的研究分析。后沿累积频谱图(俗称瀑布图)和阶跃脉冲响应就是喇叭单元时域特性的一些比较直观形象的表达方法。后沿累积频谱图不仅适用于对喇叭单元特性的测试分析,而且对扬声器系统的特性分析(包括声箱内部驻波情况)更有帮助。同时需要强调的是,时域特性的测试对环境因素的影响很敏感。一般情况下,要尽可能选择消音室的环境下测试,否则,测试的结果将是不可靠的。
*转载自[hifi room]制作论坛,网站站长也是我的启蒙恩师。在此,再一次拜谢恩师教诲。
一般而言,笔者个人在[lspcad]这样的简单而高效的软件使用中,都是通过看阶越响应来初步判断一款扬声器单元的瞬态响应的。我们可以看一下图2。这是一个在近场100厘米处测量的低音单元的时域特性图(为了方便我将两张测量结果叠加到了一起)房间尺寸3*5*2.8米,单元在房间的几何中心位置,面对房间一个边角,话筒则在单元轴向前100厘米处,单元几何中心离地面高度90厘米。&&
& && && && && &
& && &&&*注:只有极少数的单元能够精确的跟随信号的重放,大部分单元都会产生能量的短时间寄存、振荡从而影响到听感上的透明度和丰润度。适当的、可以控制的失真可以给听感温润、厚重的听感。而没有多余脂肪的声音则会给人以冰清玉洁的美妙体验,犹如一颗刚刚退去外皮的新鲜荔枝一样,香甜幼滑。
从给出的数据中我们可以计算出,最近的反射声应该在3.02毫秒后到达测试话筒(声音打到地上反射至测试话筒的时间),而笔者在此设定的时间长度为2.08毫秒,超过这个时间以后的数据都不将被接受。因此,图中所有的接收到的数据都是单元振膜发出的声音。我们可以近似的认为这次测量获得了接近消声室的测量结果。
接下来我们看图2中位于下面一条蓝色的折线,这个信号是[lspcad]系统给出的测量信号,而位于上面2条黑色和红色的折线则是话筒接收到的信号,通过对比两者的差别我们可以大致看出单元的瞬态特性以及失真特性(虽然不能够定量的分析,但也足够进行定性的研究了)。通过测量单位长度我们计算出改进后的单元在脉冲上升前沿用了0.14毫秒,而整个脉冲宽度也仅有0.35毫秒(顶级的scan speak 8545整个脉冲宽度只有0.26毫秒),作为对比,我们给出的改进前的单元,虽然总体上脉冲宽度并没有太大的变动,但仍然能够看出很大的变化,首先是前沿特性,虽然两者启动速度相当,不过改进前的单元上升高度更高更保真,改进后的单元在这里有一定的失真不过带来的好处是听感上比较软,对于一些D版录音和网络音乐格式有相当好的修饰作用。两者的后沿特性明显是改进后的单元明显胜出,收尾速度相当的快,脉冲过后只有一点点的震荡,在大约0.84毫秒出的较大震荡,估计是由悬挂系统存储的能量释放引起的。这样的改进好处是在获得较软,较甜润的声音的同时避免了声音模糊不清,细节不够丰富的弊端。同时反观改进前的单元,在脉冲过后还在持续震荡,大约维持了1.29毫秒才完全制止了震荡,是典型的阻尼不够的问题引起的,这种现象在听感上也会给人噪杂,声音细碎但却又没有细节的印象,透明度、声场表现力以及定位感均大打折扣。
这里引出了一个非常有意思的问题:能量的吸收、存储和释放。理想的单元应该是能够尽快的跟随音乐信号并尽可能快的释放它们。但是几乎所有的扬声器都存在着能量的存储,他们通过振膜、悬挂系统来吸收并存储能量然后在音乐信号过后不久重新释放出来,扰乱原来的信号。这种问题尤其存在于现代高科技振膜当中,如果说中低频还可以通过悬挂系统来进行吸收阻尼,那么在中高频段这种特性完全需要振动材料自身的阻尼特性来解决。但是高刚性振膜那可怜的自阻尼特性让单元无法消化任何震荡,一旦外界激励它们振动后就很难再让他们停止下来。因此我更欣赏那些将大口径的高刚性振膜负责低频的重放,而把中音部分交给更擅长这一领域的其他材料单元来胜任。
判断扬声器瞬态响应的最佳办法是通过后沿累积频谱图(瀑布图)来了解,通过瀑布图可以非常直观的、清晰地看到单元在整个有效频带内的瞬态响应情况。并且良好的可视效果也有助于我们一点点地去分析系统上的问题并解决他们。见图3,图4。
*注:图3、图4给出的是一支高音和一只低音的后沿累积频谱图,从中可以非常直观地看出在不同的频率下单元的瞬态特性是不一样的,比如下面的一只低音单元的后沿累计频谱图在800Hz有一个超过8毫秒的延迟,这个特性将在清晰度和层次感上造成一些影响。因此如何判读后沿累计频谱图并找出其中的规律,对于现代优秀的扬声器设计师这是一门必修的课程。
瀑布图显示出扬声器单元在信号消失后的阻尼状况,较短的后沿累积频谱反映出单元具有很好的自阻尼特性,这类扬声器系统往往经过很少的调教和恰当的设计就能够给出真实、透明的声音,并且具有大量丰富的细节。但需要注意的是市面上有很大一部分扬声器系统,甚至一些中低档的监听音箱。并不都是通过优秀的单元和精密的设计来获得这种听感的。他们往往通过提升中高频的输出能量,甚至刚性单元自身大量的分割振动来获得听感上的单薄、轻快,往往这类系统初听都会给人细节丰富、透明的感觉,但是有经验的听众可以分辨得出这种声音,是一种很容易让人感觉到疲劳、厌倦的声音,它们的表现太具有侵犯性、和过渡的解析性。往往当我们关闭这样的扬声器系统的时候,我们会舒一口气——这可不是好的现象。
而在设计中群延迟状况也是非常需要注意的一个课题(非常幸运[lspcad]也提供这一令人心动的性能)。笔者认为在扬声器设计当中,群延迟是与瀑布图相互联系但又涉及、覆盖了不同范围的两个极其重要的特性。就像瀑布图反映了单元在信号消失后的阻尼状况一样,群延迟也反映了类似的问题,但群延迟更多的是在反映同一时间状态下各个频率相对于时间轴的变化规律(超前或者滞后)。根据[哈斯效应]的研究,我们可以学习一些有关人类听觉特性的知识,并在扬声器设计当中去注意这样的问题。一般而言,中高频的群延迟特性需要单元自身的各部分零件良好的配合来得到控制,尤其是分频点附近,需要仔细地进行设计,以保证群延迟不会有大的波动,从而保证扬声器系统拥有精确的信号跟随重放能力。见图5。
& && & *注:图中的上半部分给出的是该扬声器系统的群延迟曲线,可以看到该区现在4kHz的地方有一4毫秒的突起,可以判断出该处是分频点的相位没有对接好的缘故,将会给主观听音评价带来不良影响。
从目前研究的结果来看,一般扬声器设计在中高频段都应当力求群延迟特性小于2毫秒,因为现代声学的研究结果表明在群延迟特性大于3毫秒的时候就将对整个扬声器系统系统重放效果产生可闻的影响。而低频段的群延迟特性则应该由正确的箱体设计和精密的调谐频率来保证。需要注意的是过于高的群延迟特性会给系统带来听感上拖沓、沉闷、拖曳的特性,低频段的群延迟应当力求小于20毫秒,而对于一些高档的Hi-Fi音箱,则应当在低频段保持有小于15毫秒的群延迟特性,方可以提供精准的步调速度和节奏。图6是一个笔者设计制作的音箱实测群延迟特性。
*注:可以看到在在整个200——20000kHz的范围内,群延迟特性都保持在+/-0.5毫秒的一个很低的范围内,从听感上此音箱也能够提供更为精准的节奏和正确的步调。
往往很多中档Hi-Fi音箱不能够提供良好的群延迟曲线,表现为更多的、难以控制的低频,使得听感上低频膨胀、肥大。而更低档的箱子往往会让低频失控,造成某些频率上的“轰鸣”声。一个仔细的设计师应该认真地去分析测量结果,区分问题的原因是群延迟波动过大、相位的对准出了问题还是因为箱体内的驻波、共鸣造成的失真。
以上我们从瞬态失真很小的一个角度谈了有关扬声器的一些物理特性以及他们的表现形式,虽然有助于我们分析扬声器系统的一些毛病和问题,但作为一个扬声器系统设计师,这些知识还是很不够的、狭隘的。瞬态和相位响应是近年来世界扬声器设计范围内流行的一个新的课题,很多研究也仅仅在于测量和分析上,尚不能够建立起一套标准的物理模型,相信随着有限元分析、扬声器测量系统的进步和科学理论进一步的完善,再加上全世界众多的扬声器设计师们的不懈努力,相信在不久的将来扬声器系统一定可以发展到一个全新的高度。
后记:扬声器系统设计一直是笔者多年来的爱好,总是想写一些东西,长期以来一直困于如何下手;终于最近解甲归田,赋闲在家(下岗),也有了一些时间来总结回忆这几年来的坎坷历程,希望朋友们能够支持和喜欢,也希望从事和爱好这个行业的朋友们能够都来交流。之后笔者还打算就扬声器功率、频率响应以及人类听觉特性写一些东西,希望有相关资料的朋友们能够提供给我参考。
嗯。我的表达能力比较差。不过芦苇兄上面的结论及所说是相当赞同的。不过在瞬态上我还这么认为。后沿的频普确实能分析很多东西。但看的时候一定要结合前沿来看。首先一点,扬声器在接收信号时是一个来回振动的过程。前沿代表了着由信号传入触发到振膜振动向相产生声波的延迟情况。那么如果前沿相对来说较差。后沿好,同样在信号播放时总体还是出现一定延迟。比如加有磁液的高音同没有磁液的高音。在高音中加入磁液。因磁液的阻力作用。后沿衰减得很快。但同时也由于磁液的阻力会让前沿启动变得更慢。这让在振动系统中总会存在着阻力。再从前沿部份说。如前沿延时过大,意味着受触发的信号反映更慢。而当弦波信号加入单元时。由于单元自身的前沿反映相对的慢了些。那么当单元的振副还没有相应的太到信号加入单中应该振动到的副度时,电信号已经下降。而这样是否又会产生把振膜往回收的磁力?如是,那单元的振动副度就会被限制住。那么在单元的动态上就开始打折扣了。呵呵。以上个人理解不对的请指教。
后延累计频谱图,主要表达的是:当馈给信号停止后,扬声器单元自由振荡衰减的三维坐标图,基本上主要用来检验扬声器内部阻尼能力和控制能力,并用来分析扬声器振动系统设计好坏的。
前后延特性则是通过馈给扬声器一个脉冲信号,并用话筒实时接受来观察输出波形,一般要求前沿上升速度尽可能得快,比如欧洲的一些同行的高音产品可以做到0.003毫秒的上升速率,而后延特性则要求衰减迅速,并且在信号停止后不产生多余振荡,这样方可称得上是良好的前后延响应。
动态范围涉及方面还有很多,这个信号压缩的问题不仅仅是由于前沿阻尼过大的问题,还有其他许多相关的问题。这个我最近也在想如何下手解释,如果维卡亚兄有不错的资料,可以拿来参考一下。
转载自《国际电声商情》2006年3月期
& & 纵论扬声器的锥体振膜材料
& && && && && && && && && && && && && && && && && && && && && && && && && & 深圳东原电子有限公司& &王富裕& &
问:扬声器的锥体振膜使用什么材料最好?
答:(简短) 没有最好的材料。
 (详细)购买扬声器的人肯定都知道,扬声器的振膜材料多种多样,厂商都声称其采用的振膜材料具有某些优点,而且较其它所有的都好。尽管宣传的人都是设法让你相信他用的材料是最好的,遗憾的是,在扬声器的应用上,没有唯一最好的振膜材料。不同的材料具有不同的机械和声特性,使其适合于不同的使用场合,表现得更好或更差。选用每一种材料几乎都意味着一定程度上的折衷。
影响振膜材料声性能的基本参数有:密度、刚性及内损耗(内阻尼)。不太严格地讲,材料越硬,越轻,频带就越宽;内损耗越大,响应越平滑。然而,以上参数是相互影响的,要同时实现三参数的最优化,非常困难。想知道原因何在,需要再了解一下产生音乐时振膜振动情况如何。
在低频段,锥体振膜基本上作整体的活塞运动,只有一个参数对扬声器影响重大:锥体振膜的质量(与材料密度与材料用量有关)。[如上所述,若不提及其它机械特性对锥体振膜低频特性有微妙影响的话,那也是欠妥的。不过,对于此话题,看法很多,而对这些看法的进一步研究和探索则较少。]若其它参数相同,锥体振膜质量越大,扬声器的谐振频率就越低、对谐振的阻尼越差(Qe大)、灵敏度越低。零部件其它参数如支撑系统的顺性及机械损耗也会影响扬声器的谐振、阻尼特性和灵敏度。在进行设计分析时,这些因素都要考虑。扬声器的低频特性的数学描述并不很复杂,因此,建立低频段的数学和物理模型相当简单。
在更高频段(当锥体振膜中传播的声波波长与振膜半径接近时开始),锥体振膜的运动不再作单一整体振动,低频模型不再适用。你最好能想象到声波从音圈开始,经过音圈骨架、锥体振膜颈部(即音圈骨架/振膜接合处)开始向锥体振膜外边沿传播,声波到达锥体振膜外边沿时,又反射回锥体振膜颈部(音圈骨架),而后撞到音圈骨架,又返回音盆边沿,依此重复。此过程类似于声波在一间房子里传播,碰到墙壁,反射回来,依此重复。两种情形,都会产生明显驻波,如没有采取一定的抵消措施,驻波会使声压响应产生很明显的峰谷。例如:一个良好的6.5寸扬声器,其首次驻波谐振就常发生在中频段上部,刚好在其工作范围内,对一个两路系统的的输出影响非常大。
幸好多数锥体振膜材料都不是完美的声音导体,都有一定的内损耗。声波传播过程中,一部分能量转换成热量,声波逐渐衰减。内损耗通过吸收反射波的能量来降低驻波强度,从而使响应趋于平滑。振膜材料不同,内损耗差异很大,金属材料几乎没有,塑胶材料非常大。
抑制驻波的另一方式为使用折环。扬声器锥体振膜的折环,常用的有类似橡胶的弹性体或泡沫,有时使用带褶的布或纸。折环的一个功能是允许锥体振膜在低频段能相对自由地来回移动时,提供气密性。折环在高频段可吸收某些驻波能量。声波经振膜颈部传出,碰到折环/振膜界面,部分能量实际上已传送给折环材料,余下能量立刻反射回振膜。传到折环的那一部分能量,可能会转化热能(实现有效抑制谐振),或者在折环内部回弹,而后反射回振膜(产生一系列更复杂的谐振),这取决于折环材料的内损耗程度。合成橡胶类的内损耗普遍非常高,也不排除有少数内损很低的。泡沫折环内损耗一般比橡胶折环低,不过我也相信有人会设计出内损耗高的泡沫折环。不论是橡胶折环还是泡沫折环(音盆也同样),其内损都有可能随频率而变化。
锥体振膜和折环的最佳阻尼程度(量)根据使用场合的要求而定。总体而言,除非所有的驻波谐振都产生在扬声器的有效工作频带之外,否则,你应该要求振膜胴体与折环组合部件有足够的内损耗,这样可以产生平滑、控制良好的高频响应。[另一个产生平滑响应的方案是,使用有源或无源均衡器进行谐振补偿。但这种办法并不好,因为对具体产品的实际谐振频率会受生产差异及环境条件的影响,位置会有偏差。某天适用于某扬声器的补偿电路,可能对另外一只扬声器很可能就不适用]
锥体振膜的有效带宽很大程度上取决于第一个驻波,锥体振膜内部声波传播越快,发生分割振动频率越高。决定声传播速度的主要机械性能有材料的刚性(扬氏模量)、密度及厚度。硬,轻,厚的振膜,其声速较快;反之,软、重、 薄的声速较慢。然而,不幸的是,总的趋势是材料越轻,越硬(能产生的频带越宽),内损耗通常会越小,也就是抑制驻波的能力愈低,频响越不平滑。此外,锥体振膜材料与折环材料差异性越大(声阻抗不匹配),如:硬金属音盆与软弹性体折环制成的系统,反射大,折环吸收的能量就越小,抑制驻波的效果就越差。以上这些特性使得振膜同时满足频带宽及响应平滑比较困难。还有更恼人的是:折环材料内损越大,其大冲程时线性越差,当重放低频大信号时就会发生(粘弹性体中的迟滞现象,恢复驰豫时间)。因此,在取得平滑的宽频带的同时你还要追求良好的低频性能,那你的工作会非常艰巨,但没有人会放弃追求两者兼顾的解决方案。
以上可能还没有毫无遗漏地描述到扬声器振膜特性的所有方面,但已覆盖了主要方面,关于这些话题如再深入的话,真可出几本书。
问:各种常用锥体振膜材料分别具有什么特性?
一、纸质材料
纸质材料是传统制造锥体振膜的材料,常被广泛地误认为是过时的技术,不适于高性能扬声器使用。纸质锥体振膜的优点是易加工成各种形状,且不需要复杂昂贵的模具,而且其机械性能可以在很宽的有用效范围内调节。遗憾的是:不经处理的纸质锥体振膜对环境(尤其是湿度)非常敏感。环境湿度变化时,纸质内水汽含量会随之改变,导致胴体质量和杨氏模量等参数的变化。另外,虽然有可能加工出刚性足够的锥体振膜,获得宽的频响响应范围,但纸质本身的内损耗还不足以获得平滑的滚降特性。还有,纸质生产时的偏差较大,不利于批量产品的一致性。
应用包括上乳化胶或PVA基(聚乙烯醇)涂层和含浸等多种表面处理方法可以大大缓解上述两个不足,这些涂层有利于将音盆与周围环境隔绝,同时又增加了传输损耗,因此,能平滑单元高频段的频率响应。纸浆中加入碳纤维等别的纤维还能改善振膜的声学特性。同时通过严格的过程控制及选料,纸质生产的不一致性会有改善。请注意,有的制造商为了美观的需要,在一些纸质振膜的表面喷涂了某些天知道的材料(God-only-knows),却故弄玄虚地宣称对扬声器声性能的改善有特别效果,只有天知道的效果(God-only-knows,也许还有损害)。请相信科学,不要迷信。至于产品的离散性的改善可以通过严格控制生产流程和源头材料质量的控制。
相同的纸浆,内部构造也因抄纸方法、脱水、干燥方法等完全不同,物理常数随之变化。抄纸方式的自然落下式与强制吸收式,即使胴体的质量相同,厚度和密度也不同,前法的厚度大而密度小,杨氏模量小,内部损耗增加;后者的倾向则相反。纸浆锥体沿用半世纪以上的理由在于纤维种类丰富与可自由控制的内部结构,其他塑料片材或金属箔没有自由度,只有改变形状。
尽管纸质材料表面看来像是低技术材料,可是经过适当加工的纸质锥体振膜,却能同时获得良好的带宽及平滑的响应,完全可与高科技材料媲美。专家在不断研究新型纸质锥体振膜的配方,加工及表面处理方法。因此不要奇怪,基于便宜、老式纸质材料的锥体振膜技术会有最新突破,重焕生机。
二、聚丙烯类材料(俗称PP)
1976年BBC开发了这种材料用来替代BEXTENE。因为它具有很强的内阻尼,设计恰当的聚丙烯单元无须作任何均衡,就可以在工作区获得平坦的响应,效率也较高。
聚丙烯类材料大概是扬声器锥体振膜应用最为常见的材料了。大多宣称为聚丙烯材料所制的锥体振膜,实际上还会掺杂矿物质或其它填充料(例如:碳纤维和Kevlar&)。填充料可控制成本,还能改变材料的机械特性。聚丙烯锥体振膜固有阻尼好,因此只要频带要求不是很宽,实现平滑响应就没问题。另外其不受环境湿度的影响,容易实现材料本身及其加工工艺误差的严格控制。事实上,因为其稳定可靠的特性,聚丙烯类材料是许多研究者进行扬声器单元有限元分析(FEA)的首选材料。
由于聚丙烯类材料不易粘合,因此早期并不得以认可。现代粘合剂著技术(80年代初)的发展已完全解决了这难题。
现在,从廉价的组合音响到一流的ProAC Response 3和Hales System 2签名版的各种扬声器都使用聚丙烯单元,此类单元的最终品质主要取决于锥盆的形状以及聚丙烯配方中的添加材料。
优点:如果设计正确,可以获得平坦的响应,很低的声染色,良好的脉冲响应,分频器可以很简单,效率高,分割振动出现缓慢。优质产品可以做到与最好的纸盆相当的透明度。
但这并不是说使用聚丙烯类材料就没有问题。虽然定量研究的论文没有发表过(起码我不知道),可有很多人认为可以听得出聚丙烯锥体振膜制成的单元的粘滞现象或类似粘滞的表现(Hysteresis,粘滞为一非线性现象,体现为系统参数会依系统最近历史而持续地变化。)最普遍的认为粘滞是由塑胶材料的黏弹性蠕变引起的(Viscoelastic creep,黏弹性蠕变是指塑胶材料在压力下慢速扩张的趋势。该过程可能为线性,也可能为非线性,取决于材料内损耗)。有人认为粘滞是由音圈骨架与振膜的接著处引起的,音圈产生热量,经音圈架扩散,会软化塑料音盆或接著处的粘合剂,软化程度取决于音圈散逸的热量。因此很多聚丙烯中低音的解析力不能与流行的金属球顶高音很好的匹配。
尽管实际上存在着或是想象出的问题,聚丙烯类锥体振膜材料凭其良好的高频响应及一致性的性能,在高性能的扬声器系统应用中仍然很受欢迎。
三、其它塑胶材料
除聚丙烯(PP)外,近年来出现过大量塑胶及塑胶类材料,包括TPX、HD-A、HD-I(以上由Audax生产),Neoflex(Focal生产),Bextrene(一种由木浆纸浆合成的塑料,BBC1967年开发,作为具有更好的一致性和可预测性的材料来代替纸,现已由PP取代)。
新材料的出现表明专家在致力寻求适于特定场合下刚性、内阻尼、密度及声速的最佳组合的材料。这些材料的优点与潜在的缺陷大致类似于聚丙烯。
四、树脂粘合的高强度编织纤维
多数碳纤,玻纤和防弹纤维(Kevlar&)锥体振膜属此类。该类锥体振膜由纤维织布与环氧或类似树脂粘结而成。纤维本身有极高的抗拉强度,含浸合适的树脂,材料刚性就会相当大。无疑,编织盆的频带扩展了。然而,代价是频响的不太平滑,因为树脂粘结材料的内损耗很低。有人认为,纤维的无规则取向有利于破坏锥体内的驻波模式,从而使频响平滑。凭经验,这种现象最多对单元的高频响应有微小的影响,我们测试过的编织盆扬声器单元,高频响应都不平滑。
即使最好的KEVLAR、碳纤维也至少在工作区的上段出现一个高Q峰值,一般在人耳最敏感的3-5KHZ。其他刚性单元如金属音盆也是如此,这将导致长时间聆听的疲劳和声场透视的压缩感(隐蔽效应)。
许多扬声器生产厂家一直在尝试改善简单编织纤维锥体振膜的基本结构。一厂家采用上下两层防弹(Kevlar)纤维片、中间是树脂和小硅球的结合体贴合在一起而成的复合体。该层状结构据说硬性非常好,夹芯材料能够控制阻尼量。另一个扬声器单元厂家采用一种类似三文治的结构,带Nomex蜂巢夹芯。这些技术都非常振奋人心,然而,造价却极其昂贵,但和其家族其他简单材料表现类似,高频响应也不平滑,只是程度不同而已。
编织纤维盆不太可能有粘滞特性(折环与定心支片,甚至磁路系统可能仍会有,但这属另外的话题。)对于宽频带应用场合,编织纤维盆可能不是首选材料,但其固有的刚性及不易产生迟滞的特性,很适合于低频应用。此外,编织纤维对环境不敏感,热稳定性也好,受直射光/热(如太阳)影响较小。因此,特别适合于汽车音响和户外场合应用。
五、金属类材料
金属材料为近年兴起的一种锥体振膜材料。到目前为止所讨论过的材料中,金属类的阻尼最小,因此高频区峰值极大,6.5寸扬声器在5kHz峰值达12dB也很常见。然而,在首次分割振动以下,金属音盆性能很好,这是其受欢迎的主要之处。
最常见的金属锥体振膜是铝(及其合金)和镁。若有可能应用多种成形及表面处理技术对金属材料进行加工,高性能金属锥体振膜扬声器的出现并不难以想像。然而,即使采用了最好的分频器设计,当前金属盆的高频段也很不理想,因此选择金属盆作为宽频带系统应用的并不多。
六、其它材料
许多扬声器生产厂家在不断进行变更基本材料及结构的试验,试图寻求到适于某种应用的更佳振膜材料方案(或只是适合较大市场需求的产品)。各种层状结构类、纸质复合物、Kevlar&、以及塑胶复合物为最近制造的此类材料,由于是采用一些新技术,对这些材料的所有赞成或是反对的宣传一定要非常谨慎考虑。
关于锥体材料的概要
希望到此为止,大家已清楚用于高性能音响的最好锥体振膜材料取决于实际需要,应根据需要折衷选取。另外,各位还得牢记的是:扬声器的设计,远不只是锥体振膜音盆材料的选用。振膜的轮廓形状、材料的厚度分布、折环与定心支片在不同频率的特性、音圈的尺寸[1]及其材料、磁路结构等等都对扬声器的最终性能起很大的作用。亲爱的读者,我的意思是你绝不能单凭振膜材料来断定某一扬声器性能的好坏。
主要参考Biro Technology公司网站&/DIV&
但是不幸的是,目前所有高刚性物体都只拥有一点点可怜的自阻尼,尽管在中低频段通过电磁阻尼和悬挂系统可以得到完美的活塞振动,并产生清晰、透明、生动的音色,但是在中高频因为坚硬的物体往往会发生“崩裂”现象,从而产生大量的谐振染色,而不恰巧的是即使对于一些顶级的单元,这个高Q的谐振峰都正好落在了2——6KHz的范围内,
是的,分割振动是扬声器设计师不愿意碰到又不能避免的问题
目前主要的方向在合成材料,比如在聚丙烯(PP)材料内加入云母、碳、玻璃粉、通过多种材料胶合、涂覆特殊阻尼物等方法制作复合材料,来避免单一材质上的弊端。
(美)LYNN OLSEN 原著
& & 你喜欢什么样的声音?答案应该因人而异,每个人都有不同的爱好、侧重点。某些人认为音色最重要,某些人喜欢整体的感觉,另外一些人则喜欢强大的三维空间感或强烈的透明感、声像等等......
& & “完美无暇的声音”往往是广告用语,你应该知道什么对你是最重要的,目前的扬声器都不能满足所有人的要求。
& & 设计者只能根据自己的主观因素来进行设计,不能简单的说某一方法是正确或另一方法是错误的。如果有人说某种方法才是正确的,其他都有问题,那可能他正沉醉于自己发明的某一方法或信奉于某一设计流派之下。
& & 我自己的立场?我当然不是某流派的教徒,我注意平坦的响应,小的能量残存,小的互调失真、并令人能产生非常逼真的感觉。下面介绍几种不同的方法,看看是怎样采用这几种方法达到他们认为完美的结果的。
注重脉冲响应(三维声像)的流派
& &&&Duntech、Thiel、Spica和Vandersteen 的产品属于这一类,设计者不惜高昂的代价来控制有害的反射,并达至单元相位的连贯性,通常使用一阶(6dB/Oct)的分频器,个别如Spica可能采用三阶(18dB/Oct)或四阶(24dB/Oct)的的高斯或贝塞尔分频器。
& & 这是唯一能提供准确的脉冲响应的流派,有时比静电式、铝带式的响应还要好。可是相位变化、脉冲响应的可知性在音响工程中备受争议。而另外的一些工程师则认为,过分注意正确的脉冲响应根本是浪费时间和金钱。
& & 典型的相位连贯设计中,单元要求很高,其频宽要超过实际需要的两倍以上,因此单元非常昂贵,并在分频器中进行精确的修正。实际上要控制声音的辐射图和控制单元的谐振在一阶的分频器中是非常困难的事情。
& & 衡量该设计是否成功就要看他是否有十分精确的声像和空间感,如果达不到的话,该设计不成功--因为这正是该流派的最重要的目标。
平坦响应(客观设计)流派
& & 多数的英国、加拿大的音箱属于该流派,它们拥有非常平坦的频率响应,英国的产品侧重1米或2米的轴向频率响应而加拿大侧重于半球辐射角度内的离轴响应要好。
& & 他们采用由BBC、NRC根据多次盲听的结果分析而提出了测试的方法。这一派的设计者往往具有著名大学的学位,信奉客观的测试结果,补品线材、电阻电容、直热真空管等如果经不起盲听测试的“神秘效果”,他们都不相信。
& & BBC在60年代初最先精确测量和识别了喇叭单元、箱体的谐振、响应问题。许多英国音箱仍然在该领域占优势。实际上,可听的谐振往往比用正弦波测试的结果要低20DB以上,BBC首先认识到该问题, 于是采用特殊的方法来测试声染色、谐振的现象,该方法成为现在测量系统如FFT、TDS、MLSSA的标准部分。
& & 客观设计往往采用三阶(18dB/Oct)巴氏或四阶(24dB/Oct)林氏滤波器。提供最平坦精确的带内响应和最小的带外互调失真,但代价是脉冲响应出现严重的过冲。KEF的Laurie Fincham在70年代就用计算机进行优化,设计出具有精确声学衰减特性并带谐振修正的分频器。现在在任何的486、586计算机上都可以采用XOPT、LEAP等软件来实现分频器的优化,现今对设计者的要求是不管其设计流派、哲学如何,应能设计出具有精确声学衰减特性的分频器。
& & 近来英国的设计者非常注意高质量的音箱支架。客观设计者往往不注意脉冲响应,也不注意单靠主观听音而区别出的电容、电感和线材,反而,他们重点是研究如何提高单元的质量、控制箱体谐振和精确的配对。
设计简单而主观的流派
& & 某些意大利、斯堪的纳维亚人、英国、美国的音箱属于该流派。其分频器非常简单,有时只有一个保护高音单元的电容(甚至意大利的Sonus Faber连这个电容也取消了,我搞不清怎样保护高音单元),它们使用的单元是最优质的,使用的线材和箱体材料也很高级。
& & 这一流派往往不注重测量指标,这种哲学概念指导下,单元的谐振没有任何的修正,简单的分频器带来的频率、相位、脉冲的偏差也认为可以接受。其表现依赖系统中的其他器材。他们尽管具有一定的声染色,但实际上能营造出令人激动的效果和投入感。
号角和高效率流派
& & 许多日本的HI-END音箱和少数法国、意大利、英国、美国的音箱属于该流派。该类哲学起源于西电的影院扬声器,Paul Voigt的抛物线号角和其他混血产品,具有很高的效率。最好使用小功率的直热三极管单端甲类功放来推动,以达到最佳效果。如果使用晶体管放大器,就算是甲类,常常会非常乏味。
& & 号角通常具有非常低的谐波失真、调制失真和非常平坦的频率响应,但频率范围狭窄,在频率范围的两端有非常快速的衰减。而且脉冲响应、衍射、辐射范围非常难搞好,因此西方的HI-END系统很小采用,而将其留到专业、音响工程的范畴内使用。
& & 然而,在过去的十年,美国的Bruce Edgar和日本的一些人却使号角的设计有重大的进展。得到了一些杂志的肯定,并开始向HI-END、ULTRA-HI的领域迈进。
& & 我自己的意见?我也完全地可能喜欢新类型的号角,但现在我还不能说什么,因为我正准备将 Edgar的中音号角加入整个系统。
(按:以下介绍非电动式的喇叭单元)
静电平面式
& &&&少数的英国、美国、日本的公司制造这种产品,设计良好的静电扬声器具有最好的线性和保持活塞运动,同时具有低失真、脉冲响应非常好的优点,QUAD首先生产的静电扬声器非常著名而且超越同时代其他产品十年。
& & 当然也有缺点:例如低效率、阻抗低以至令放大器非常难推动、有限的动态的范围、易损坏、缺乏低音等,而且偶极辐射图形使其高音特性对房间非常敏感,这些都很难解决,特别是其大面积振膜发声,对声像定位非常不利。
& & 老式的QUAD采用最普遍的方法,“面对面”的3路系统,使用逐渐减少的振膜平面来产生高频,新型的就采用复杂的相位阵列系统达到接近球形的辐射图。而Martin-Logan的设计采用圆柱形的面板,但仍然存在同样的问题。所有的静电扬声器在200HZ下和8KHZ上某点有谐振。
& & 简而言之,静电扬声器有很好的中音、深度,频率两端延伸、声像还可以,动态有限。
铝带和电磁平板式
& & 小数美国厂家生产,如Apogee、Magnepan、Eminent Technology等,又分两类,铝带式使用非常薄的、波纹状的铝带(音圈)放在磁场中左右运动;电磁平板式使用Kapton或聚脂薄膜,音圈印刷或粘贴在振膜上。
& & 电磁平板式通常使用磁铁阵列在振膜的后方或振膜的前后方都有磁铁(按推挽方式工作),但磁场分布不太均匀所以比静电扬声器失真大、但输出声压也大得多。
& & 电磁平板式的磁隙比动圈式的要大、磁场中导线长度要短,因此电磁耦合要差。在动圈式中高BL积意味着有强烈的磁场和有较多的音圈放置在磁场中,产生的反电动势较大,要求功放要有高的阻尼和低的连线电阻;但在电磁平板式中阻尼主要由振膜的弹性和空气阻力产生,功放的影响相对较小。而且阻抗和效率很低,如果企图通过加长“导线”来提高性能,又会导致相位的响应变差。
& & 它们有统一的驱动,接近线性声源,但阻抗、效率太低了,因此不能用在低音单元中,许多实际的铝带单元通常使用阻抗变换器来匹配其低达0.5欧姆的阻抗。
& & 电磁平板式的声音介于动圈、静电式之间。中、高频染色少,辐射图类似静电式,因此其低音、声像的问题也相似,也很难用功放阻尼去改变声音。这一类型的音箱对房间最敏感,在某些房间里需要对平滑的低音和声像定位中取舍,因此我不喜欢,但我知道许多人喜欢其自然、开放的声音,而且铝带高音比动圈、静电的都要好,仅仅次于“无质量”的高音单元。
神奇的“无质量”喇叭
& & 其原理是使用音乐脉冲电离气体来发出声音(电离的是氦气,不能为空气,否则会产生臭氧危害健康),因此直到100KHZ或以上都无谐振、相位精确、频响平坦、几乎没有失真。
& & 我记得听 Plasmatronics是在1979年的冬季CES上,可以说从来没有听到如此的高音单元---在黑暗的房间看起来像电子管般发出蓝紫色的光,它们发出最美妙的声音,测量结果也最好,其“振膜”有质量,但跟空气的质量一样,因此声耦合是1:1的。其效率就很难去描述,用电子管的屏极电压可以直接去控制。 这大概是扬声器发展的终点。
我们时常看到评论员这样的描述:“……由厂方提供的测试结果看来,这款喇叭的频率响应曲线平直得像用尺画上去似的……”当然,这是在强调该喇叭的频率响应是水平的直线,各频段并没有巨大的凸起或凹陷。也许多数的音响同好都认为,喇叭的频率响应测试图愈是接近平直,愈是有好声的机会。而且,不但音响迷是如此解读频率响应图,就连很多所谓的“音响评论员”也是看图说故事。于是乎,某些喇叭设计者和生产制造厂商,就干脆在扬声器出厂前动手脚,想尽办法把频率响应图尽量修改到平直,以利推出上市后获得较高的评价。然而,在喇叭的测试结果中,频率响应曲线的完美度就是声音品质的保证吗?频率响应测试图平直(Flatness),就表示您会听到一款好声的扬声器吗?
频率响应与线性失真
& & 一般来说,频率响应(Frequency Response)又可称为音量响应(Magnitude Response),其定义为:使用仿真方式来测量的音量响应。而“仿真”的意义就是线性音量,原则上是指任何的频率产生(在人的听感范围内,20Hz-20KHz)都有一定的音量(或者称为『音压』),一般的测量的方法是在扬声器前障板上取一个点来作测量参考点。如果是二音路扬声器,测量参考点就取在高音和中低音的中点,而三音路的扬声器则是对准中音单体。接着利用信号产生器送入全频的讯号,经由仪器辅助测量不同频率的输出音压状况为何。由此结果所画出的线性图,也就是我们常看到的“频率响应图”。
& & 无论在正常的测试条件下,或是处于360o(4π)的无响室中,都很难得到像尺画出来一般平直的响应图(除非特意的将音压坐标压缩),大部分的结果或多或少会存在些许的小隆起或凹陷,这种响应频率上的不平整称之为“线性失真”。而线性失真的多寡,则受到单体的分音斜率和谐振所影响。统合说来,喇叭的响应曲线若能落在100Hz-10KHz之间,且误差在正负1.5dB以内,就可说是非常的平整了。因为100Hz以下所测得的数据通常仅供参考,10KHz以上的频段对收音麦克风而言又会存有本身的误差。
频率响应测试上的盲点
& & 然而,市面上很多扬声器的测量值看起来都相当平直,偏偏其中有些产品听起来却总是不太对劲,或是高频太过于吵杂?其实决定扬声器音质的变因很多,单是音量响应测量时的可能变量就不少,例如:测试用的麦克风是否标准?本身的误差是否已修正(在计算机加权中作等化)?测试的环境是否合乎无响室标准(由于有些厂商认为扬声器并非用于无响室中,所以测试常常在一般的聆听空间中进行)?甚至于是否处在4π或2π的环境下实行测试,都会直接地影响到最后的结果。此外,在轴线30 o夹角环境下所得到的频率响应是否平直,也是相当重要的参考依据;频率响应曲线是上扬或向下,中频到高频的曲线是否平顺(中低音单体非常容易产生『叶型效应』,通常设计者会为了避免这个问题产生,而调降了分频点,却又加重了高音单体的负担,间接地引起分频点附近的谐振)?除此之外,还必须考量水平的散射是否平均(又是『叶型效应』或『心型效应』的问题。通常频率愈高,扩散范围就愈小;如果分频点设定不正确的话,就很容易造成分频点附近的散射不平均)?因此,一般我们在家居中听音乐,听到的不只是扬声器所发出的声音,我们也同时会听到反射音。而散射不均匀的扬声器所发出的声音,某些频率就会加倍。例如:有一支扬声器在声轴上所测得的音量响应是平直的,但是在30o轴线夹角的范围内,这支扬声器的扩散理应不平均。倘若在2KHz-3KHz之间有一个大隆起,那幺在实际聆听上,这2KHz-3KHz的隆起与反射音混和后,能量就增加了几倍,甚至可能远远地超过其它的频率。如此一来,这只扬声器的高频能不吵吗?
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& & 我的看法是:一对好的扬声器,在音量响应测试之下,应该在声轴上拥有平直的中高频音量响应,同时没有谐振及音染,并有着控制良好的高频扩散。各位读者们日后要解读扬声器的规格时请记得:拥有基本的平直音量响应是必要的,但不是绝对的。
扬声器单元品质特性面面观
L T Olson 著 顾 涛 译
扬声器单元决定了整个扬声器的终极潜力,而且在整个HIFI系统的声音表现中扮演主角。在现时技术条件下仍然制作不出完美的单元,那个目标尚在几十年之后,因为它要求单元具有与空气相同的密度,在所有频率完全均匀地运动,没有任何种类的失真。
我们面前是漫漫长路,但也应充满信心。此时此刻在材料科学领域正在发生重大进展,过去十年内已经出现了很多成果。我确信将在两三年后又会取得新的突破。
我们受益于计算机模拟力学行为研究的重大进步,以及航空、汽车和运动-休闲工业为采用轻质量的高性能材料替代昂贵而沉重的传统材料所进行的大量研究。我们现在已经有了KEVLAR、碳纤维复合材料和铝振膜,不远的未来还会拥有人造金刚石、超低密度硅玻璃、新型金属单晶体和碳单晶体以及新的复合材料。
为什么扬声器单元有它们各自不同的声音?
设计者面临的最大挑战就是如何既保证运动的均匀性,又消除在中高频的共振。这是在各种扬声器系统中都不得不作出的妥协(无质量扬声器除外)。其他问题还有空腔共振和磁场的非线性。
刚性意味着来自音圈的加速度被精确地转化为在锥盆或球顶整个表面的加速度;这样就可以获得平直的频率响应,迅速的脉冲上升,低的互调失真以及声音的透明感。
发烧友通常把这种类型的声音描述为“速度快”,这一点令那些以客观测量为本的工程师们感到惊谔,“中低音单元怎么可能快?因为分频器限制了脉冲上升时间,相当于高音单元的1/5甚至1/10,这正如外交官常说的一句辞令“全面而坦诚地交换观点”,或者说相互交换误会。
可以说双方都是对的,也都是错的。他们实际上谈论的内容不同。发烧友所听到的是均匀的锥盆运动;这个现象在测试中表现在:没有互调失真,频率响应平坦,干净利落的脉冲响应。
太好了,那么何不把锥盆或球顶的刚度尽可能地做大一些?象青铜这种金属怎么样。它的强度不错,又几乎能加工成任何形状。钟就是用青铜制造的。但问题在于谐振,它们的回声长达几万周。
答案有两点,第一,金属刚度大;第二,钟释放机械能的唯一途径是经过空气,由于空气与青铜的密度相差悬殊,导致耦合不佳,空气负载阻尼微小,因此必然需要很长的时间。所以我们期望着扬声器单元的另一个性能:
我们也希望音圈能及时地制止振膜,不让它们发出自身的音调。不幸的是,大多数刚性材料(例如金属)几乎没有自阻尼,导致其长时间振动。控制此问题的一个办法是把沉重的橡胶折环伸展到锥盆下面,并十分注意定心支片与折环材料的阻尼行为。
然而现在的情况是,即使最好的KEVLAR,碳纤维或铝振膜也至少在工作区的上段出现一个高Q值峰,必须用分频器或滤波器加以校正。糟糕的是,这个峰一般落在3~5kHz之间,这恰恰是人耳对音染最敏感的频率。
自阻尼可以消除染色,并且获得放松的,自然的,不易疲劳的声音特点。许多发烧友甚至一些评论员对于单元材料谐振的特别声音全然不知,却归咎于放大器或房间的敏感性。
有些杂志推荐的2路扬声器采用7"KEVLAR和金属球顶高音。从技术角度看,该扬声器在单元各自的工作区内均匀运动,但实际上要消除KEVLAR 3~5 kHz分割振动区域的能量,对分频器而言是勉为其难。
有关此类型2路扬声器的评论文章以大量篇幅介绍,通过反复试验去选择一种能够完全发挥该扬声器质素的放大器。事实上,音响评论员被迫去选择一种恰好在KEVLAR单元发生分割振动的频率段上失真极低的放大器。因为大多数发烧友和评论员对于扬声器单元的直接声音非常不熟悉,他们不能评价究竟有多少“KEVLAR声”或“铝膜声”被保留在最后设计的系统中。
还有一个问题困扰着所有的2路KEVLAR,金属和碳纤维扬声器。在目前的技术工艺水平下,6.5"或7"单元不得不播放到其工作范围的边缘,以便在失真不太大的频率上与高音单元接合。
如果你降低分频点,高音单元互调失真将激增,导致在中等以及大音量下听音时高频劣化。如果你提升分频点,又出现KEVLAR的分割振动,导致在较低音量时声音前冲,大声压时则完全发破了。
这样使得设计者面临困难的选择:或者在整个高音区粗声;或者典型的KEVLAR前冲性,并有可能给扬声器系统带来狂野的声音。现在最好的办法是利用4阶(24dB/Oct)分频器来纠正KEVLAR的谐振。
顺便指出,我是很喜欢KEVLAR和碳纤维单元的。但是它们都很难对付,必须采用声学和电学的手段控制住它们强烈的谐振。
如前所述,刚性锥盆有一些优点,但阻尼非常困难。另一个途径是采用高损耗材料,传统上是塑胶涂层纸盆,但在现代扬声器中它们逐渐由聚丙烯所取代。这类锥盆可以靠自身阻尼,来自音圈的脉冲在振膜表面扩散时逐渐地损失能量。因而对定心支片和折环的要求也不是很严格。
此类材料在测试时频率响应相当平坦,允许使用简单的6dB/Oct分频器。我本人对多数聚&&你丙烯单元兴趣不大,它们在中低音量下声音有些模糊。虽然没有使用B&K互调失真分析仪,但我推测它们由于很软而具有相当大的互调失真。此外,要制造一种具有完美的线性机械衰减能力的材料是极其困难的。实际上在衰减过程中总是不可避免地伴随着失真。
我认为所有类似现象也出现在软球顶高音单元上;锥盆实际上在整个频带分割振动,仪器测不出来是因为有强烈的阻尼掩盖着,但人耳却能够分辨出来。为了克服这种主观效应,最好的单元(Dynaudio, Scan-Speak, Vifa,Seas,Audax,Morel)都是做成复合材料,在塑料中加入二氧化硅,云母或金属粉末,既能显著提高刚度又能保持聚丙烯柔顺的声音特性。
中低音单元的防尘帽或高音单元的球顶尽管从表面上看毫无害处,但是防尘帽与磁铁极块之间的空间却形成一个小共振腔。这方面典型的例子之一就是70年代初开发的KEF B110 Bextrene中低音单元(被用于BBC LS3/5a)。
这款单元可能是最早的一种商品化高质素中音单元,但它也存在好多问题,例如效率低,功率承受力不足,以1.5kHz为中心宽达一个倍频程的响应峰(由分频器纠正),以4.5kHz为中心的3 个高Q值峰(BBC设计的3 阶分频器只能将其略加衰减)。音响评论员把这些峰值错误地归因于高音单元,它们具有很强的指向性,理应是由防尘帽共振造成的。
70年代流行的一些高音单元,包括Audax和Peerless 1&软球顶,也在9~16kHz之间具有类似的共振峰,通过在球顶和极块之间充填毡垫可以部分地阻尼掉。因为软球顶的内耗要比B110的防尘帽强得多,因此共振也宽得多,而且幅度也只有1~3dB,但还是存在的,敏感的听音者会察觉那种令人疲劳的特性。
不难想象,当年大路货扬声器中所使用的苯酚塑料,玻璃纤维和硬纸球顶的问题是非常糟糕的。(哎,有谁还记得BIC Venturis? Cerwin-Vega? Rectilinear? JBL L100? 我年轻时曾销售过这些可怕的产品,等着顾客用它们试听平克弗洛伊德的“月之暗面”。)
返回现在,优质的中低音和高音单元以两种方法来躲避这个难题:北欧厂商Dynaudio, Scan-Speak, Vifa和seas采用开口式极块组件;法国厂商Audax和Focal采用子弹头式的极块扩展,完全取代了防尘帽。
采用开口式极块在传输线中阻尼球顶的背面波的最著名的产品包括:Dynaudio Esotec D-260, Esotec T-330D, Scan-Speak D高音单元。它们在Sonus Faber(世霸)的Extrema 以及ProAc(贵族)Response 3扬声器上的运用证明这一技术是很成功的。
相反,Focal T120 和T120K则在未加阻尼的空腔上使用刚性的玻璃纤维或KEVLAR内凹球顶,其工作范围的高频端呈现一系列高Q值峰,这是由共振腔与刚性球顶的第一次分割振动相互耦合生成的。我对于这些单元开始供应时受到的普遍称赞感到困惑,我不喜欢它们的音色,测试数据也没有特别之处。
然而从各个方面看,新型Focal钛球顶T120Ti和氧化钛球顶T120Ti-O2都十分出色,最近我在试听采用该单元的扬声器时感觉很好。
磁场的非线性
多数发烧友都知道扬声器单元是电感性负载,而音圈恰恰是缠绕在铁磁性极块上的。但却没有多少人了解因此而产生的众多问题。
假如电感值保持恒定,象空气芯电感一样,就不会有问题。只要用R-C网络调整分频器就行了。不幸的是,它是一个铁芯电感,而且电感值还随着音圈位置的改变而变化。
变化的电感值引起严重的后果,因为电感值是决定单元上端频率落降以及声延迟的一个重要因素。改变电感值,频率落降和声延迟也随之变动。每当单元移动达到音圈线性冲程的相当比例时就会发生。以优秀的8&单元Vifa P21W0-12-08为例,线性冲程只有8mm(+-4mm)。大多数8&单元的线性冲程一般为6mm,中音单元一般为1~3mm.
播放一些超低频就会让电感调制的作用显现出来,即在整个频谱上产生互调和FM失真。这对于2路及中音分频较低的3路系统而言是一个大问题。也就是说每当你看见单元的运动时,就已经出现了大量互调和FM失真。这种声音的听感是怎样的?你会发现低频解析度有损失,但这却可能被放大器所存在的问题遮盖(例如输出变压器饱和,电源供应不足)。
解决的措施呢?Scan-Speak的SD系统和 Dynaudio的 DTL 系统用铜包敷极块将音圈感生的涡流短路掉。仔细分析音圈电感参数可以发现这个秘密。
作为全世界最好的8&单元之一的Scan-Speak 21W/8555,其电感值为0.1mH,远低于Vifa P21W0-20-08 的0.9mH。这两款单元都很优秀,但如果要同时发出中频和低频,Scan-Speak当然能够给出更加透明的声音。
电感值还有一层含义,单元的高端频率落降是由音圈的自感和机械落降共同决定的。如果你用音圈电感值和直流电阻来计算落降频率,其值在某些单元上往往比测得的声学落降高很多。而其他多种单元则是计算值低于测量值。原因在于音圈的自感遮盖了机械系统的峰值。这不是一个好现象,机械系统或电系统的任何改变都将强烈地影响到频率响应以及瞬态响应。
顺便提一下,同样的问题也出现在老式动磁唱头上。毫不奇怪,此类唱头在透明度上要比高级动圈唱头差得多。
以下将说明发烧友如何去寻找所喜爱的扬声器,得出自己的结论,甚至猜测出厂商、评论员和你朋友们的音响喜好。
单元的类型
熟悉并掌握单元的基本特性对于听音和对比是颇有帮助的,你可以断定它是否属于同类单元中的好东西。通过仔细聆听和研究所有相关的参数,你能够发现设计师们在解决问题时做得究竟好不好。
1 纸盆单元
最早出现在20年代末赖斯和科洛格的专利申请文件中。纸的质素可谓有天壤之别,最差的可以在廉价收音机里找到,优秀的如Scan-Speak 5&中音用于Thiel的音箱,SEAS 6.5&中低音用于Wilson WATT。这种古老的材料实际上是一种复合结构,当使用合适的塑料涂层时性能会发生显著的改变(涂层的选择是单元生产厂商的商业秘密)。因为纸的特性随着湿度和时间而发生显著变化,涂层是不可或缺的,既稳定了材料,又可改善自阻尼。
良好甚至于优秀的自阻尼,优秀的解析力和细节,平坦的响应,逐渐开始分割振动。比较容易配合低阶线性相位分频器。纸振膜的声音要比它的测量数据所预示的好一些。
刚度不如KEVLAR,碳纤维和金属膜,因此缺乏静电式的细节。声压级也不如其他材料。
纸的一致性没有合成物质好,所以配对不是很精确,这就可能影响结象力,当然还取决于生产的精度和质素。即便经过了涂层处理,随着时间的推移,性能仍可能改变。
优质产品:
Scan-Speak 8640 5&锥盆/球顶中音,线性响应上到13kHz,失真很小,脉冲响应优秀,细节丰富。
SEAS 6.5&中低音(用于Wilson 的WATT,但可能已经过改良)。
Audax PR170M0 6.5&高效率(100dB/m)中音。
据说库特缪勒生产的纸盆和折环质量最好,被Scan-Speak, SEAS, Vifa等厂商采用。
2 BEXTENE锥盆
这是一种由木材纸浆合成的塑料,总是要用涂层阻尼材料来控制其在15kHz的第一次谐振。它最早是由BBC于1967年开发的,作为具有更好的一致性和可预测性的材料来代替纸,以适应监听用途。在70年代初期得到广泛使用,当时的典型发烧音箱往往是一只8" KEF或Audax的BEXTENE中低音配合Audax 1"软球顶高音。
来源于BBC的设计总是利用均衡使BEXTENE单元在中频段保持平坦,最有名的单元大概就是用于LS3/5a监听箱的KEF B110。
现在BEXTENE已经被BBC首先开发的聚丙烯取代了,聚丙烯单元频率响应更平坦,不再需要涂层,而且由于质量减轻,效率提高了3~4dB。BEXTENE已经退出历史舞台。
良好的结象,解析力比多数纸盆好。
缺点:效率很低(85dB/m),强烈的染色,在不太大的声压突发分割振动。
优质产品:
3 软球顶高音
70年代初Peerless 1"软球顶出现后,逐渐开始普及。随后,Audax 1"高音在70年代和80年代初被英美两国的许多设计师采用。
当80年代中期钛、铝球顶和Focal玻璃纤维内凹球顶出现后,这些设计就失宠了,Audax软球顶单元被挤出发烧级市场。
过去几年里,以Dynaudio和Scan-Speak为代表的软球顶高音再度回潮,它们采用了新的球顶成型,新的涂敷材料以及新的设计,其表现堪与任何金属球顶媲美。声音的解析力和细节与最好的金属球顶不相上下,却没有金属球顶那种典型的22kHz~27kHz谐振。
固有的自阻尼和极其平坦的响应,一流的脉冲响应。自然,开放,毫无疲劳感的声音,聆听数字录音时这无疑是最有价值的品质。
老式的软球顶声音晦暗。功率承受力相当有限,需要18dB/Oct分频器来减低互调失真。与金属球顶相比,高频发散性更差。
除了发散性这一方面,最新的设计已没有其他上述缺陷。
优质产品:
Dynaudio Esotec D-260,Esotec T-330D, Scan-Speak D。
4 软球顶中音单元
试听过AR-3,AR LST,ADS,Audax 2″,Dynaudio D-52软球顶中音之后,发现它们把扬声器系统搞得一塌糊涂。测量时很平坦,但听起来声音不透明,严重染色,令人疲劳。
问题之一是软球顶中音单元的线性位移很有限(一般为1~2 mm),导致带宽也有限,而且连500Hz分频都不能很好地配合,只是在800~3200 Hz之间的范围工作最佳。
第二个问题是它们容易产生侧向偏移,因为没有定心支片来协助折环使之保持线性的前后运动。
第三个问题是丝膜球顶的刚度不足以完成中频带的很强的功率转换任务。
新一代的锥盆-球顶,例如5&的Scan-Speak 13M/40, Dynaudio 15W-75则是完全不同。这三种单元实际上是高精密的锥盆,而非中音球顶。它们与软球顶唯一类似的地方是都有一个大的防尘帽,在高频时也可起到球顶的作用。
它们明显地具有更大的冲程,更低的失真,宽得多的频率响应。此类单元能够获得真实而透明的声音。因为它们分别采用KEVLAR、纸以及聚丙烯,以下将详细介绍。
另一个特例是专业级的ATC 3& 球顶(带有短号筒)。它使用了双重定心支片,显著降低了互调失真。其表现可谓最佳,但十分昂贵(约300美圆一只),而且需要手工挑选以便使左右声道谐振频率匹配。
无。也许金属球顶中音尚有潜力,但它们对分频器的要求很苛刻。注意:ATC单元以及锥盆-球顶不在此列。
失真大,声音令人疲劳,分频点高,频带和功率承受力都有限。只有激光全息测量才能发现它们的缺陷。
优质产品:
ATC 3& 专业系列,与一般软球顶截然不同,但价格却大约贵4倍。有人认为Dynaudio的D54是最好的中音。
5 聚丙烯单元
1976年BBC开发了这种材料用来替代BEXTRENE。因为它具有很强的自阻尼,设计恰当的聚丙烯单元无须作任何均衡,就可以在工作区获得平坦的响应。此外,其效率一般达到88~91dB,也是一大进步。
聚丙烯已经成为世界通用的材料,因为在组装扬声器时它对手工处理的要求最低----唯一的困难是要找到合适的黏合剂,这个问题在80年代初就解决了。
现在,从廉价的组合音响到一流的ProAc Response 3和Hales System 2 签名版的各种扬声器都使用聚丙烯单元。此类单元的最终品质主要取决于锥盆的形状以及聚丙烯配方中的添加材料。
如果设计正确,可以获得平坦的响应,很低的声染色,良好的脉冲响应,分频器可以很简单,效率高,分割振动出现缓慢。优质产品可以做到与最好的纸盆相当的透明度。
还达不到由刚性锥盆单元和静电单元所设定的透明度标准。由于解析力的差异,许多聚丙烯中低音不能与流行的金属球顶高音很好地匹配。不适合做10英寸或更大的低音单元,这方面碳纤维应当会更胜任。
优质产品:
Scan-Speak 18W/8543 7″中低音(用于ProAc Response 3),可能是全世界最好的聚丙烯单元。
Dynaudio 17W-75 EXT 7″中低音(用于Hales System 2 签名版)。
Vifa P13WH-00-08 5.5"单元是另一个优胜者,特别适合做中音或mini监听箱用。它极其平坦的中频与平滑的2阶落降是独一无二的。
6 金属球顶高音
80年代中期德国在冶金技术上的进展(ELAC 和MB公司)使得薄型钛,铝球顶诞生,现在德国,挪威和法国有多家厂商可以供应此类单元。它们的声音可以做到非常透明,假如设计得当其表现与静电式扬声器不相上下。
其缺点在于欠缺自阻尼,但铝膜在超声波频段的性能要比钛膜略胜一筹。在现阶段,所有的金属球顶高音单元都具有显著的超声波段峰值,其幅度从3dB(优秀的)到12dB(一般的)不等。
然而这些峰值的影响似乎并不大,因为“足智多谋”的SONY/PHILIPS早已在CD红皮书标准中就确保了CD唱片绝不会包含任何20kHz以上的音乐信息。也许当以HI-FI为理念的超级CD实现商品化之时,我们才能获得频率上限至少到32kHz,解析力真正达到20~24比特的录音。
均匀的活塞运动,设计恰当就可以产生极高解析力的透明的声音。发散性非常好,因为金属球顶的曲率半径比软球顶的大。
可能由于超高频的峰值与可闻频带内的声音的交互调制而产生“金属”的染色。一些早期产品功率承受力有限。当强烈过载时,在整个频带上出现明显的分割振动失真。
优质产品:
Vifa D25AG-35-06 1″铝球顶,采用开口式极块,功率承受力很强,即使拿掉相位器,超高频的峰值也只}

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