SOUND SYNTHESIS 音频后期

通俗解答20个关于音箱的常见问题

发布于:2018-08-01 10:52:28 作者:点击:1060

音箱由哪几部分组成?


市面上的音箱形形色色,但无论哪一种,都是由喇叭单元(术语叫扬声器单元)和箱体这两大最基本的部分组成,另外,绝大多数音箱至少使用了两只或两只以上的喇叭单元实行所谓的多路分音重放,所以分频器也是必不可少的一个组成部分。当然,音箱内还可能有吸音棉、倒相管、折叠的“迷宫管道”、加强筋/加强隔板等别的部件,但这些部件并非任何一只音箱都必不可少。


音箱最基本的组成元素只有三部分:喇叭单元、箱体和分频器


为什么有些音箱用两只喇叭单元,而有的要用三只,还有用四只、五只的,用一只行吗?


喇叭单元是做电声能量变换的作用,将功放送来的电信号转换为声音输出,是音箱最关键的部分,音箱的性能指标和音质表现,极大程度上取决于喇叭单元的性能,因此,制造好音箱的先决条件是选用性能优异的喇叭单元。


对喇叭单元的性能要求概括起来主要有承载功率大,失真低、频响宽、瞬态响应好、灵敏度高几个方面,但要在20Hz-20kHz这么宽的全频带范围内同时很好兼顾失真、瞬态、功率等性能却非常困难,正如道路警察,如果管得太宽肯定会顾此失彼,而各管一段就容易得多,喇叭单元也是这个道理,最有效地解决方案就是分频段重放。


为此喇叭厂生产了不同类型的单元,有的只负责播放低音,称为低音单元,播放中音的叫中音单元,高音单元只负责播放高音,这样便可采取针对性的设计,将每种单元的性能都做得比较好。  

所以,尽管可以采用一只全频段喇叭来设计音箱,不过出于上述考虑,用多个单元的组合来覆盖整个音频频段的设计方式还是占了绝大多数。


具体用几只单元,取决于音频范围的频率划分方式,如果是简单地分成高音和低音(或中低)两段的二分频音箱,选用一高一低(或中低)两只喇叭就够了;如果是分高、中、低三段的三分频音箱,那么最少也得用三只单元,现在两只低音单元并联工作的设计方式也很流行,这样总的单元数便可能达到四只;有些大型音箱的频段划分得更细,如果再采用单元并联工作的设计,总的喇叭单元数就会更多。


在音箱的资料或说明书上通常有“X路X单元”这样的文字,就是对音箱的分频路数和所用单元总数的具体说明,例如“三路四单元”,表示这是三分频设计的音箱,总共用了四只喇叭单元,其余依此类推。 


分频器是做什么用的?


由于现在的音箱几乎都采用多单元分频段重放的设计方式,所以必须有一种装置,能够将功放送来的全频段音乐信号按需要划分为高音、低音输出或者高音、中音、低音输出,才能跟相应的喇叭单元连接,分频器就是这样的装置。如果把全频段信号不加分配地直接送入高、中、低音单元中去,在单元频响范围之外的那部分“多余信号”会对正常频带内的信号还原产生不利影响,甚至可能使高音、中音单元损坏。 


从电路结构来看,分频器本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络,高音通道是高通滤波器,它只让高频信号通过而阻止低频信号;低音通道正好相反,它只让低音通过而阻止高频信号;中音通道则是一个带通滤波器,除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过,高频成分和低频成分都将被阻止。在实际的分频器中,有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异,还要加入衰减电阻;另外,有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络,其目的是使音箱的阻抗曲线尽量平坦一些,以便于功放驱动。


喇叭单元有哪些种类?


喇叭单元的种类很多,分类方法也各不相同。如果电-声转换的原理来分,有电磁式、电动式、静电式、压电式等不同类型的单元,最常用的是电动式单元;按照单元振膜的形状来分,有锥盆单元、平板单元、球顶单元、带式单元等类型,其中锥盆单元和平板单元比较适合做低音和中音,而球顶单元和带式单元比较适合做高音,也有部分中音单元采用球顶式设计;从所覆盖的频带来看,喇叭单元又可分为低音单元、中音单元、高音单元和全频带单元。


目前最常见的低音单元和中音单元从换能原理上讲都属于电动式扬声器,它们多采用锥盆状的振膜,因为这形状的振膜设计成熟、性能良好。振膜材料则多种多样,有传统的纸质振膜,也有高分子合成材料(如聚丙烯)制作的振膜,还有铝、镁等金属材料制作的振膜。


对振膜的要求是刚性好(不易产生分割振动)、重量轻(瞬态响应好)、具有适当的内阻尼特性(抑制谐振),但这些要求并不容易同时满足,纸质振膜的重量和阻尼特性都能达到要求,但刚性不够强;金属振膜的刚性很好,但阻尼又欠佳;聚丙烯振膜比较好地兼顾了各个方面,近年来获得较多的应用。此外,还有些厂家采用很复杂的工艺制造振膜,“三明治”复合结构就是其中之一,它的上下两个表面之间夹着蜂巢结构的中间层,整体上具有很高的刚性,同时又有重量轻、阻尼好的特点,很有发展前途。     


高音单元最常用的是球顶式高音,从工作原理上讲也属于电动式单元。球顶高音的振膜可以用金属材料制造(如铝、钛、铍等),称为硬球顶,也可以用软质的织物制造(如蚕丝、化纤),称为软球顶,通常,硬球顶的高频响应比较好,而软球顶的声音比较柔和。近年来,带式高音和静电高音也得到一定的应用,它们共同的优点是振膜特别轻盈,因而高频响应出色,声音纤细透明,不过,这两种高音的生产还不如球顶高音那么容易,应用不太普及。还有一种号角高音,由球顶式的驱动部分加一个喇叭状的号角构成,它的特点是声音指向性强,而且效率高,因而在专业扩音领域的音箱中应用很普遍。     


还有一种同轴单元,实际上是低音和高音单元的组合。


喇叭单元为什么要装在箱子里?不装箱行吗,比如用个支架来固定它们?


不行,准确地说是低音单元必须要装箱,高音则可装可不装


有两个原因使得低音单元必须装在箱子里:一是为了消除“声短路”现象;二是为了抑制喇叭单元的低频谐振峰。


先说第一个原因。低音单元的振膜在前后运动时,除了有向前方辐射的声波,也有向后方辐射的声波,两个方向的声辐射相位正好相反,即相差180度。由于低频声波的波长很长,其绕射能力是很强的,也就是说低频声波的方向性很弱,如果喇叭单元不装箱的话,后向辐射的声波就会绕到前面来与前方的辐射异相相消,总体上的前向声波辐射能量就被大大削弱,这种现象称为“声短路”。


“声短路”现象必须设法消除,否则低频根本无法有效地辐射。如果把喇叭单元装在箱子里,振膜后方的辐射被箱子阻隔,也就不会形成“声短路”了。


第二个原因,每一只电动式低频单元都有一个低频谐振点,在此谐振点上的输出达到一个峰值,但失真也很高,瞬态响应非常差,如果对此谐振峰不加以抑制,势必严重影响重放的音质。如果将单元装箱,箱内空气的劲度就会对振膜的运动产生抑制作用,这样就达到了压低谐振峰、改善性能的目的。另外,通过合理选择箱体的结构和参数,可以达到拓宽低频响应的目的,设计良好的倒相箱、无源辐射器音箱、传输线音箱都能获得这样的效果。


高音单元为什么可以不装箱呢?因为高音的波长短,绕射能力弱,不存在“声短路” 现象,也不像低音单元那样需要抑制低频谐振峰,所以,对于高音单元,音箱的作用只是一个支撑。


箱体一般用什么材料制造?


箱体一般用木质材料制作,因为木材容易加工,表面处理之后能得到和家具一样的质感,容易跟居室环境协调一致。目前最常用的材料是人造中密度纤维(MDF)板,这种材料强度高,而且不易变形,不开裂,表面还非常平整,无须打磨就可以直接粘贴木皮或PVC装饰。有些音箱也采用刨花板制作箱体,刨花板也有不易变形开裂、表面平整的特点,强度也可以,不过一但受潮后就容易损坏,所以通常只用于廉价的低档音箱。还有用天然实木板制作箱体的,不过天然实木成本比较高,而且处理不当容易开裂变形,所以近年来的应用越来越少,一般只用于高档音箱,主要是取实木的质感比较高级(特别是名贵木材)这一优点。当然,箱体不一定非得用木材来做,用塑料、用金属甚至用石板都可以,但这些材料制作的音箱并不普遍。  


实木音箱的声音比人造板音箱好吗?


不能这么说。理论上讲,箱体只要足够坚固不发生振动,用什么材料都没有区别。音箱的声音主要是由喇叭单元、箱体结构设计、分频器这三大要素决定,而跟箱体材料用实木还是人造板,甚至用塑料、用金属都没有关系。  


音箱是如何分类的?


音箱的分类有不同的角度与标准,按音箱的声学结构来分,有密闭箱、倒相箱(又叫低频反射箱)、无源辐射器音箱、传输线音箱之分,它们各自的特点详见相关问答。倒相箱是目前市场的主流;从音箱的大小和放置方式来看,有落地箱和书架箱之分,前者体积比较大,一般直接放在地上,有时也在音箱下安装避震用的脚钉。


落地箱由于箱体容积大,而且便于使用更大、更多的低音单元,其低频通常比较好,而且输出声压级较高、功率承载能力强,因而适合听音面积较大或者要求较全面的场合使用。


书架箱体积较小,通常放在脚架上,特点是摆放灵活,不占空间,不过受箱体容积以及低音单元口径和数量的限制,其低频通常不及落地箱,承载功率和输出声压级也小一些,适合在较小的听音环境中使用;按重放的频带宽窄来分,有宽频带音箱和窄频带音箱之分,大多数音箱其设计目标都是要覆盖尽量宽的频带,属于宽频带音箱。窄频带音箱最常见的就是随家庭影院而兴起的超低音音箱(低音炮),仅用于还原超低频到低频很窄的一个频段;按有无内置的功率放大器,可分为无源音箱和有源音箱,前者没有内置功放而后者有,目前大多数家用音箱都是无源的,不过超低音音箱通常为有源式。  


密闭箱的特点是什么?


密闭音箱的喇叭单元装在一个完全密闭的箱体内,这样,振膜向后辐射的反相声波就被箱体完全阻隔,不会跑到箱外去和振膜前方的正相声波相抵消,解决了“声短路”问题,使低音能够有效地辐射。密闭箱的低频衰减特性比较其他类型的音箱都平缓,形同一个二阶低通滤波器的衰减曲线,这意味着它具有各类音箱中最好的瞬态响应。


同时,密闭在箱内的空气形成一个强劲的“空气弹簧”,能有效抑制振膜在谐振频率处的位移量,减少非线性失真。不过,空气的劲度也使喇叭单元的低频谐振频率上升,使音箱总体的低频下限比单元在自由空间的条件下有所上升,与倒相箱、传输线音箱这些设计相比,密闭箱的低频下限相对要差一些。还有,振膜后向的辐射得不到利用,致使其效率也要低一些。  


气垫式音箱和密闭式音箱是一回事吗?


气垫式音箱最早由美国的H.Olson和他的伙伴J.Preston提出后获得专利,1950年代被AR公司推广,代表性产品是当时名扬四方的AR-3(港台的发烧友称之为“阿三哥”)。气垫音箱是密闭箱的一种,它的特点是使用高顺性的喇叭单元并将箱体设计得足够小,使箱内空气的劲度大大高于单元振动系统的劲度(一般要超过3倍以上),对单元的振动系统而言,箱内的空气对它的作用仿佛一个弹性强劲的气垫一般,这种音箱因此而得名。气垫音箱的失真低,瞬态表现相当好,曾一度深受欢迎,不过,这种音箱由于采用高顺性的单元,灵敏度一般比较低。 


倒相箱的特点是什么?


倒相箱是目前应用最为普遍的音箱,它在密闭箱的基础上增加了一截导管(倒相管),导管一端跟箱内的空气连通,另一端通过箱壁上的开口(倒相口)通往箱外。当喇叭单元的振膜运动时,一方面直接对外辐射声波,箱体系统可以刚好将振膜后向辐射的声波倒相180度(倒相箱因此而得名),这样从开口处辐射出去的声波就与振膜前方辐射的声波同相了,而同相的辐射使声能得到叠加,于是加强并延伸了音箱总体上的低频响应。倒相箱和密闭箱比较,同样的箱体容积能获得更低的低频延伸,而且由于巧妙利用了振膜的后向辐射能量,因而效率比较高。不过,倒相箱也并非十全十美,除了设计调试比密闭箱困难以外,开口处急速流动的空气容易造成气流噪声。另外,倒相作用本质上是利用声学谐振来达成的,因而由开口辐射的声波瞬态响应比较差。


无源辐射器音箱又有何特点?


无源辐射器音箱又叫空纸盆音箱,其实是倒相箱的一种变体,它的工作原理与倒相箱十分相似,只不过用无源辐射器代替了倒相管。无源辐射器的结构跟喇叭单元类似,有折环和辐射声波的振膜,但没有音圈和磁路系统,振膜的运动完全受箱内空气的控制。无源辐射音箱的特点跟倒相箱差不多,即用较小的箱体就可以获得较好的低频响应,效率也比较高,但它也有区别于倒相箱的特点。优于倒相箱之处是克服了倒相口容易产生气流噪音的问题,不过无源辐射器音箱具有比倒相箱更陡峭的低频衰减特性,意味着瞬态响应比倒相箱还差。美国PolkAudio公司是生产无源辐射器音箱最具代表性的厂家。  


传输线音箱有什么特别之处?


传输线音箱与密闭箱或倒相箱的设计思路完全不同,它利用了1/4波长的传输线来达到吸收单元谐振、抑制振膜位移、拓展低频下限这些目的。


传输线音箱有以下一些基本特征:低音单元后面接有一跟长长的导管(传输线),导管的长度取单元低频谐振频率(或稍高一点的频率)的1/4波长,为了实用化,导管通常折叠于箱体内部,看上去像一个迷宫;连接喇叭单元那端的传输线截面积至少比单元的辐射面积大25%,然后逐渐变小,到传输线的出口处刚好等于单元振膜的辐射面积;传输线内敷设羊毛或玻璃棉等阻尼物质。


传输线音箱与密闭箱和倒相箱等设计相比,具有更为深沉的低音,但以英国著名音箱专家MartinColloms为代表的一些人则认为传输线音箱较难避免因传输线谐振所造成的音染。


什么是同轴音箱?


一般的音箱,高音单元和低音单元由于平面地排列在音箱的面板上,所以它们的发声中心不可能重合为一个点,这样,高音和低音到达聆听者的距离就有差异,这种差异会导致相位偏差从而影响声像的正确还原。


同轴音箱用的是同轴单元,这种单元实际上是高音单元和低音单元的组合体,高音巧妙地放置在低音振膜的中心处,因此能保证高、低音的声学中心是同一个点,从而解决了相位偏差的问题。最著名的两种商品化同轴音箱都是英国的产品,一个是使用“郁金香”同轴单元的Tannoy(天朗),另一个是使用Uni-Q同轴单元的KEF。




什么叫哑铃式的单元排列?


就是高音单元紧夹在一上一下两只完全相同的中/低音单元中间,形式上有点象两头大中间小的哑铃。哑铃式排列可以获得近似于点声源的发声效果,对立体声的声像定位有好处,所以近来这种设计比较流行。  


什么叫双线分音?


常规的音箱只有一组输入接线柱,从功放出来的全频带信号用一组喇叭线送到音箱,在音箱内部才通过分频器将高、低音分开。双线分音(Bi-wiring)则用两组喇叭线来连接功放和音箱,让高、低音分道扬镳各走各的道,大家互不牵扯。


双线分音需要把分频器的高音通道和低音通道的输入端分开,因此音箱必须提供两组接线柱。当然,能双线分音的音箱也可以采用常规的单线接法,只要用随箱附送的金属短路片将两组接线柱并接为一组就行了。     
 
类似双线分音,如果用三组喇叭线分别传输高音、中音和低音,这样的连接方式就叫三线分音(Tri-wiring)。不过,三线分音不如双线分音普遍。  


双线分音一定比常规连接好吗?


双线分音主要理由是有的喇叭线适合传输低频,有些适合传输高频,如果分开传输就能按照不同的需要选择相应的线材,达到最理想的效果。不过,这种观点也只是一家之言,也有人认为双线分音弊大于利的,例如著名的音箱厂Dynaudio和Thiel就坚持不用双线分音,他们认为不同线材的传输特性不一致,会破坏高、低音相位的一致性,如果用相同的线,那又何必多此一举呢?  


为什么通常较大的音箱低音也比较好?


音箱的低频下限和两个因素密切相关,一个是喇叭单元的谐振频率,一个是箱体的容积。在不装箱的情况下,低音单元的低频谐振频率通常被认为是单元的有效频响下限,口径越大的单元,谐振频率一般也越低,所以用大喇叭有利于还原更低的低频。此外,较大的振膜面积在同等振幅的前提下可以推动更多的空气,容易获得更多的低频量感。当喇叭单元装箱以后,其谐振频率受箱内空气劲度的作用会上升,箱体容积越大,空气对单元的作用就越小,谐振频率上升也就越小,有利于获得更低的综合低频响应。大音箱一方面便于使用大口径的低音单元,另一方面又有更大的箱体容积,所以低频通常比较好。 


音箱的主要性能指标有哪些?


客观衡量音箱性能的技术指标有很多,我们在产品目录或音箱的说明书上经常看到的有:频率响应、阻抗、灵敏度、最大承载功率以及最大输出声压级。


频率响应表示音箱输出声压级随频率变化的关系,如果画成图,就是一条以频率为横坐标、以输出声压(或者声压的分贝数)为纵坐标的函数曲线。这条曲线在中频段的总体趋势是水平的,当然中间可能有很多因为系统不够完美造成的小波动。


在低频端和高频端,曲线出现下跌的趋势,音箱的输出会减少,通常把低频端和高频端的输出相对于中间水平段下跌3dB的那两点成为低频截止点和高频截止点,这两点之间的频带就是该音箱的频响范围。


显然,频响范围越宽越好,这样就能还原音乐信号更宽广的音域。对于目前的音箱来说,高频端不是问题,早已达到音频的上限20kHz,有的产品还远远超出,困难在于低频端,一般书架箱达到50-60Hz左右、落地箱达到30-40Hz左右就很不错了。另外,频响范围内的曲线越平坦、波动越小越好,这表示该音箱对频带内的所有频率信号都能一视同仁地重现,不会出现平衡度的扭曲。     


阻抗通俗地说,就是对输入电流信号阻力的大小,单位为欧姆(Ω)。音箱最常见的阻抗值有8Ω、4Ω和6Ω三种,当然还有3Ω、5Ω、10Ω等其他值,但不常见。需要特别说明一点:音箱的阻抗只是一个标称值,音箱的实际阻抗大小是随频率变化的,譬如标称8Ω的音箱,只有在某些频率点上阻抗才为8Ω,在其他频率可能为10Ω、20Ω,另一些频率又可能低至6Ω或4Ω。阻抗随频率变化的特性,在音箱的阻抗曲线图上可以看得很清楚,这种变化增加了放大器驱动的难度。


灵敏度是衡量音箱电-声转换效率的指标,单位是dB/W/m,含义为输入1W的功率时,距音箱轴向1m远处能获得的声压级大小,比如灵敏度90dB/W/m的音箱,表示输入1W的功率,在音箱正前方1m远处就能够得到90dB的声压级。灵敏度高的音箱比较节省放大器的功率,应该算优点。不过,有时灵敏度和其他性能指标不易兼顾,权衡之下,往往宁可牺牲一点灵敏度来换取更好的其他性能,这是因为目前大功率的放大器很普遍,价格也不算太高,灵敏度低一些不算很大的问题。     


最大承载功率是音箱的安全指标,表示该音箱能够长期承受的输入功率大小,低于此值的输入显然是安全的,如果长时间都超过这个极限,就容易使音圈过热烧毁。最大承载功率这一指标为我们安全使用音箱提供了参考,但也应该注意到“长时间”这个前提,短时间超过最大承载功率是允许的,例如音乐信号中有许多短暂的峰值,其功率强度超过平均功率的数倍甚至数十倍,但持续时间都非常短暂,也就是转瞬即逝,播放这样的信号,只要平均功率不超过音箱的最大承载值,则完全没有问题。    


最大输出声压级表示在失真不超过某一标准的情况下音箱最大的输出能力,通俗的说法就是这只音箱最大能够放多响。通常,家用音箱的最大输出声压级在100dB~110dB左右,少数高输出音箱可达120dB左右。显然最大输出声压级越高越好,如果这一指标过低,就容易出现动态压缩。


评价音箱好坏的标准是什么?


一款真正优秀的音箱,应该同时兼具优秀的客观性能指标和良好的主观聆听评价。优秀的性能指标包括宽阔而平坦的频率响应、很少的失真、快速的瞬态反应、高声压输出能力、高功率承载能力、合适的阻抗特性以及合理的灵敏度。而什么是良好的主观聆听评价,则是一门“艺术”了,每个人的标准不尽相同。


理论上讲,既然音箱是还音系统的一个环节(而且是对还音质量影响最明显的最终环节),那么就应该绝对忠实地还原,音箱本身不带任何个性,不能对原音乐信号进行任何扭曲或修饰美化,如果达到或接近这样的标准,就是一款好音箱,这就是所谓“唯真派”的观点。


然而也有人认为,既然音箱是用来再生音乐的,那么声音好不好听就是检验音箱好坏的标准,这就是所谓“唯美派”的观点。


“唯美派”容许音箱对音乐信号进行合理的修饰润色,也不太在乎技术指标是否完美,只要放出来的声音“好听”就行了。


“唯美派”的观点更适合我们这些把听音乐作为娱乐的爱好者,不过,对于什么叫“好听”并无统一标准,而且不顾性能盲目追求好听或者个性很容易陷入误区。因此客观地讲,即使“唯美派”认可的好音箱,也应该建立在保证基本性能指标的前提下。


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