决定扬声器音质的主要因素
更新时间:2021-08-05
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扬声器(俗称喇叭)是电声转换的核心单元,也是声音还原的重要核心部分,对重放声音的质量有着重要的影响。扬声器主要是由振膜,磁铁、音圈、盆架、箱体等组成。它们的形状、材质等都对扬声器发声的好坏起着重要的作用。

一般来说,主要有八个主要因素决定了我们从扬声器中听到的声音,每个因素都由广泛且互相影响的电气和机械参数决定。其中包括:

•用于构造锥体和振膜的材料(纸,铝,钛,碳纤维,复合材料等)。

•低频和中频锥体的几何形状。

•驱动器(铝镍钴合金,陶瓷,钕)的功率、线性、磁路类型,以及音圈导线(铜,铝,圆形,六角形,单层,双层等),音圈材料,线性和类型以前的材料,盆架的声音反射;高频驱动器相位插以及音圈在磁隙中的同心度。

•箱体材料和结构质量,以及箱体的体积,低频出口面积、长度和端口材料(提示:木制或PVC的端口要比硬纸板和软塑料好)。

•内部减震材料的成分。

•箱体形状的边缘衍射;分频电路的设计。

•驱动器保护电路(如果有)。

……

扬声器是以上各种部件的综合体。为了使扬声器系统提供出色的音质,必须让协同工作的部件之间的复杂的影响尽量减小。

决定扬声器声音的8个因素


1
频率响应

频率响应有两个方面。首先是响应范围的整体带宽。40 Hz – 19 kHz的宽频谱响应可提供“高保真度”的感觉。相反,狭窄的响应范围(例如200 Hz – 6 kHz)听起来则是“低保真度”,尽管在这个范围内,其他性能确实不错,例如三分频系统中的中频系统,本就不是来还原整个频谱的,所以听起来就不够“真”。

第二方面是响应在预期频率范围内的均匀度。均匀的响应通常是一件好事。如果响应不均匀,则说明扬声器不够平坦,因此无法依靠它来进行重要的判断,例如平衡输入通道和设置EQ。但不均匀的响应(如果幅度不大)通常可以通过精确的参数均衡进行校正,这需要用到高分辨率频谱分析仪。


2
相位响应

参照频率响应,通过使用FFT(快速傅立叶变换)分析仪来快速识别相位响应并表征扬声器。频域中的每个偏差都会体现在相位上。

尽管我们无法像频率响应那样靠耳朵去听相位响应偏差,但是实际上所有扬声器中都存在这种偏差。通过精心的设计工作优化其他参数后,相位响应的偏差就可以听到了。

如果不同扬声器的声学中心在整个分频器中没有完全对齐,并且它们都提供相同的能量,则一个声源将滞后或领先于另一个声源。增加延时可以部分纠正此问题。

除了与其他扬声器之间的偏差,每个独立驱动器的响应范围通常都表现出与平坦相位响应的偏差。幸运的是,借助现代DSP技术,可以使用相位滤波器和/或全通滤波器来最小化相位与频率的偏差。

时间延迟和相位延迟有什么区别?尽管基本机制相同,但是当我们谈到时间延迟时,我们通常指的是较长的时间,例如主阵列和延时塔之间的时间差。


3
谐波失真

这一点非常重要,因为它决定了我们喜欢一个扬声器而不是另一个扬声器时所感知的大部分内容。所有扬声器都会产生失真,大多数失真比信号路径中的任何其他设备(包括功率放大器)产生的失真要高得多。问题是失真的程度,以及随着功率水平的变化而变化的程度,以及失真的性质。

如何使用FFT测量谐波失真?通常,将正弦波给到扬声器。然后,使用测试麦克风捕获声学响应,并在FFT上进行查看。理想情况下,驱动器应仅产生所施加正弦波的基频。

但是,在现实世界中,驱动器将不可避免地产生第二,第三,第四(及更高次)谐波,这些谐波很容易在FFT上看到。所有谐波的总和称为THD或总谐波失真。

不止如此,为了充分了解扬声器的失真特性,我们改变正弦波的频率,并在很大的频率和功率范围内查看谐波,你会看到,大多数LF和HF驱动器的失真产物会随着频率降低而增加。

而且随着电平的提高,失真产物也会增加。在高级驱动器中,这应该是线性函数,即,基波幅度大10 dB等于谐波幅度大10 dB。

但是,在某个时刻,当驱动器被推得足够厉害时,谐波将不再与基波保持线性关系。实际上,可以测出比基波更高的二次谐波或三次谐波失真。在这种情况下,驱动器会产生超过100%的失真,并且声音效果确实很糟糕。

在确定低频出口对齐以及确定最佳分频点时,了解失真开始急剧增加的频率范围和电平将大有帮助。


4
非谐波失真

它比谐波失真糟糕得多。当优质驱动器在其功率极限运行时,它们产生的失真与基波成谐波相关。向锥体驱动器施加100 Hz的正弦波,失真“产物”将由200 Hz分量(二次谐波),300 Hz分量(三次谐波)和400 Hz分量(第四谐波)组成,诸如此类。

尽管我们不喜欢失真,但谐波失真至少与音乐有关。精美钢琴的纯净美感可能会受到影响,但至少它听起来仍会像钢琴一样。但非谐波失真并非如此。

当扬声器的失真产物与谐波无关时,其效果就是音调的完全改变。如果非谐波失真产物足够高,则钢琴听起来几乎不像钢琴。通常(但并非总是如此),非谐波失真是机械问题而不是设计问题的结果,因此是可以解决的。

顺便说一句,当我们说失真是“产物”时,我们指的是谐波和非谐波能量的贡献,这是有缺陷的电能传递函数被错误地转换为声能的产物。

我们不希望所有这些多余的能量都来自我们的驱动器,但是无论如何它都会存在。驱动器设计人员可以通过选择最佳材料来最大程度地减少失真,而混音工程师可以利用远低于其峰值输出功率的系统来将失真保持在非常低的水平。


5
线性

这个线性并不是严格意义上的与频率响应相关。一家制造商宣传的“线性”可能与另一家制造商的“线性”意义完全不同。

我将线性定义为扬声器在一系列操作水平上保持其性能特征的能力。每次输入功率从100W跳到1,000W时,例如在小军鼓或底鼓敲击期间,如果扬声器增加其失真,改变其频率和相位响应,或者无法以正好10 dB的更大声音输出响应, 那么它将表现出一个或多个非线性特征。相反,如果除了输出电平的增加以外,其响应参数都没有改变,则扬声器呈现线性。

没有扬声器在整个功率和频率范围内是真正线性的,尽管有些已经尽可能接近线性。大多数锥体驱动器和压缩驱动器在接近其功率处理的上限时或改变输入信号时,都表现出明显的非线性。

例如,给定的扬声器可能擅长准确地还原具有低失真的单个100 Hz正弦波,但在尝试还原所有同时出现的多种复杂音乐音调时,可能会“崩溃”。因此,仅用单个正弦波激励驱动器来检测失真并不能说明全部情况。

一些声学分析仪能够提供用于失真测量,频率扫描和自动功率电平增量的多种音源。它们都是出色的工具。


6
瞬态响应

这是扬声器对输入刺激做出响应所花费的时间,以及刺激停止后它停止产生能量的速度。与本文中的其他参数一样,它将始终是刺激频率的函数。

一些分析仪可以显示3D瀑布图,该图描绘了激励开始和停止后扬声器已建立的稳态周期的幅度与频率之间的关系。

显然,给定扬声器的响应速度越快,它发出的声音越准确。但是,非常快的扬声器可能听起来不那么“温暖”,或者听起来不够精确。那是因为我们一辈子都在听那些表现出相对较慢的瞬态响应的扬声器,尤其是超低频率的扬声器。

在听觉测试中,许多人都喜欢慢速超低频而不是快速超低频,因为它听起来好像只是在“填满”低频。而且,大多数乐器没有表现出统一的瞬态响应。三角钢琴的9英尺低音弦的启动和停止速度与上风琴的6英寸弦的启动和停止速度要差几个数量级。鼓音也不会表现出与镲相同的瞬态响应。

因此,这是人类普遍的反应,希望在低频具有较慢的瞬态响应,而在高频下则希望具有较快的瞬态响应,尤其是对于自然发生的声音而言。之所以能做到这一点,是因为笨重的21英寸低频扬声器盆体永远不会表现出与1英寸软球顶高音扬声器相同的瞬态响应。

如果您希望以极低的失真,高度均匀和精确的瞬态响应以及接近完美的相位/频率响应来再现音乐,请用STAX静电耳机。隔膜只有3微米厚(3微米= 0.000118英寸),几乎没有重量,因此静电耳机是训练您的听力技能的好方法。

由于PA扬声器必须提供更大的输出功率才能有用,因此PA扬声器响应的清晰度和均匀性就可能永远无法与之相比。这将我们带到了最后两个因素。

7.8
功率输出和覆盖角度

这两个是密切相关的。大功率系统通常在一个或两个轴上显示出狭窄的或至少可控制的角度。例如线阵列和长号角。

当声能集中时,它的强度会增加,但通常会产生更高的失真和更低的响应均匀度。将其设计为功率强劲而不是均匀且线性的驱动器,会降低音质。

相反,较小的扬声器可能在所有其他类别中表现出近乎完美的响应,但仅能够提供足够的功率以用作没有角度控制的近场监听器,而它无法用于较大的混响空间的扩声。

功率输出能力和角度控制在扬声器的实用性中扮演着重要的角色-因此,许多扬声器的第一个规格参数通常是系统功率,或在特定位置(通常是FOH位置)的SPL。尽管两者都无法提供有关系统实际声音的提示,以及系统是否正确覆盖了座位区域,但仍然是产品经理和音频工程师的主要要求。

结论

当扬声器在这些因素中的一个或多个方面未能达到合理的性能时,会发生什么?


•听起来浑浊不清。
•它可能会只偏爱某一种音乐。
•过度失真可能会伤及耳朵。
•它在低电平时可能表现不错,但在高电平时表现很差。
•它可能无法很好地覆盖观众区,尤其是边缘位置。
•它可能会超过观众区,投射向两侧墙壁,天花板和后壁,让过多的能量反射作用,从而导致空间混响过度。
•声音可能根本不够大,无法满足扩声要求。
•而且,它可能会同时出现多种情况……甚至综合以上所有缺点!

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