音箱功放机产品基础知识

音箱、功放机产品基本知识培训教材

广州市迪声音响有限公司GUANGZHOU DESAM AUDIO CO.,LTD

第一章放大器

一、概述

放大器(Amplifier)是音響系統中最基本的設備,它的任務是把信號源的微弱電信號進行放大以驅動揚聲器發出聲音。由于放大器的輸入和輸出都是電信號,不牽涉到复雜的能量變換過程(如傳聲器把聲能變成電能,揚聲器把電能變成聲能等),所以它是音響系統中技朮比較成熟、各項電聲指標比較高的設備。在國產專業音響設備中,進步最快,最能替代進口設備的產品就是一批國產名牌專業功率放大器。

放大器按其在音響系統中所處的位置及其分工不同,可分為前置放大器(前級)和功率放大器(后級)兩大類。前置放大器的主要任務是把從各种信號源(如話筒、唱机、CD唱机等)輸入的信號進行選擇和放大,并提供各种控制功能如均衡控制、音量控制、響度控制、平衡控制、音調控制和帶寬控制等。前置放大器的輸出電平一般定為0dB(即0.775V)或略高一些,它只能驅動耳机放聲,必須經過功率放大器進一步放大才能驅動揚聲器放出宏亮的聲音。功率放大器的主要任務則是把來自前置放大器(在專業音響系統中則是來自調音台)的信號進行功率放大以驅動揚聲器發聲。

在民用音響中,前級和后級的組合有兩种方式,一种把前、后級裝在一起成為一個單元,稱為合并式放大器或稱為擴音机,這种結构較簡單,用得較普遍。另一种就把前級与后級分開裝成兩台設備,這時的功率放大器常稱為“純后級”,這种結构較复雜,成本較高,但搭配較靈活。專業音響系統中則几乎全部是前、后級分開,而且大多數情況下是由調音台代替了前置放大器。只有少數是例外,如中、小功率的背景音樂擴聲机、公共廣播机、卡拉OK机等仍然是采用合并式。

下面分別敘述前置放大器和功率放大器的結构、特性和應用。重點放在功率放大器,而前置放大器僅作扼要介紹。

1、前置放大器

圖1 - 1是典型的立体聲前置放大器(Pre Amplifier)。因為立体聲放大器的左、右通道

完全相同,所以只畫其中一路。

從圖中可,信號源有: 唱机、調諧器、錄音机和線路輸入(LINE IN)或輔助輸入(AUX IN)。

這個輔助輸入是為了增加靈活性,例如在需要時,可供連接CD机、影碟机、錄像机、電子琴、電吉它、電倍司(低音電吉它) 、合成器等高電平(100mV以上)信號或其他線路的輸出信號等。

图1-1前置放大器的组成

不同的信號源,不僅輸出電平和要求与之匹配的負載各不相同,而且它們各自的頻率特性也有很大的差

异。因此,前置放大器必須根据各信號源的特性而給予相應的放大和阻抗匹配、頻率均衡、甚至衰減,以保証不論選用何种信號源,都能達到所規定的輸出電平和獲得平坦寬闊的頻率特性。一般要求前置放大器輸出電壓能達到0dB,即0.775V 或1V 左右。表1 - 1為几种常見的信號源輸出電平和負載阻抗。從表中可見,信號源的輸出電平高至數百亳伏(如調諧器)甚至2V(如CD 机),低至1mV(如動圈式拾音頭),相差懸殊。但我們要求前置放大器的輸出無論對任何信號源都應達到1V 左右。因此,前置放大器對各信號的放大量就不應該一致。例如對1mV 的動圈式拾音頭的放大就要1000倍(60dB),而對200mV 輸出的調諧器則只需放大5倍(14dB)。 一般來說,前置放大器中主通道的放大量不用太大,只要滿足高電平輸入的信號源能獲得1V 輸出就可以了。當然,由于音調控制電路等有衰減作用,設計應留有一定余量。至于低電平的信號源(如唱頭、話筒)可通過各自獨立的均衡放大器,獲得足夠的放大量,再通過信號源選擇器加至主通道中。

表1-1 常見信號源輸出電平及負載阻抗

信號源選擇器的作用是使用戶隨心所欲地選擇各類信號源。信號源選擇器大多是旋鈕式或按鍵式,其中,輕触式的按鍵選擇器,內部多用微處理器管理。

大多數前置放大器都設有音調控制器和立体聲平衡調節器。典型的音調控制器特性見圖1 - 2。一般來

图1-2音调控制器特性

立体聲平衡的簡易控制,見圖1 - 3。 從圖可見,通過對電位器RP 的調整可以使L(左)和R(右)聲道的音量達到平衡。如果左右聲道不平衡,人的左右兩耳就會產生附加的聲級差,從而使聲像產生不必要的偏移,立体聲

的

图1-3平衡控制器

說,音調控制器都有高低音調整旋鈕,可以

通過它們的調整使高、低音得到适當提升

或衰減。通常,高低音的最大提升或衰減量

在±20dB 左右。進行音調提升的主要原因

是:人耳對聲音的頻率響應是不平直的,尤

其是響度較低時,對中頻(1kHz~3kHz)特別

敏感, 而對高頻与低頻則敏感性特別差。

所以,通過音調控制器提升高、低頻,以補

償人耳的不足。此外,聆听的的環境也可能對高頻或低頻有不同的損耗,音調控制器也可以補償這些環境之不足。

聲像還原就會失真。在工程調試時,該調

節器還便于人們獨立調試左、右聲道。

把該調節器滿調向左,便只有左聲道信

號;反之便只有右聲道信號。

前置放大器還有均衡控制、響度控

制、帶寬控制等功能,此處從略。

如前所述,由于在專業音響系統中多配置調音台而很少使用單獨的前置放大器,故對此不作深入講述。

2、功率放大器

功率放大器(Power Amplifier)的任務是放大來自前置放大器的信號,產生足夠的不失真

輸出功率,以驅動揚聲器正常工作。与前置放大器相比,功率放大器是處于大信號輸入和大信號輸出的工作狀態。功率放大器件的電壓電流動態范圍很大,所以容易引起非線性失真。另外由于整個音響系統的功率損耗絕大部分都在這里,因此還有電源效率的問題。

+聲頻功率放大器按工作狀態分有甲類(A類) 、甲乙類(AB類)和乙類(B類),還有所謂A

類和AA類等等。甲類放大在正弦信號輸入的整個周期內都有集電极電流流通,所以,輸出的波形失真最少,但是沒有輸入信號時,依然存在著相當大的靜態電流,所以效率很低;甲乙類放大在沒有信號時也會有小的靜態電流,效率較高,但失真較大;乙類放大器沒有輸入信號時,其靜態電流為0,效率最高,但失真也最大。一般來說,家庭和專業音響大部分功率放大器都采用甲乙類,也有采用甲類的。

按電路形式來區分,功率放大器有: 單管功率放大器和雙管推挽功率放大器,帶輸出變壓器和不帶輸出變壓器等。不帶輸出變壓器的功率放大器又分為OTL和OCL(既無輸出變壓器和無輸出電容器),絕大部分的專業音響都采用OCL電路,而背景音樂、緊急廣播用的放大器由于需要較高的電壓傳輸,故普遍采用帶輸出變壓器的放大器。

二、功率放大器的技朮指標

80、90年代頒布的兩項國家標准、行业標准──SJ/T10406-93聲頻功率放大器(擴音机)通用技朮條件, GB9001-88聲頻功率放大器(擴音机)測量方法──對聲頻功率放大器提出了整机頻率特性、諧波失真系數、功率帶寬、最大輸出功率、信號噪聲比和阻尼系數等十多項基本參數,并將功率放大器分為三個等級,分別提出不同的技朮指標要求。

下面參照上述兩項國家標准,對音響工程中最常用的一些主要指標分別作出說明。另外對某些外國標准中常見的指標也作一簡介。(另2000年又頒布了SJ/T11217-2000家庭影院用環繞聲放大器通用規范)

1、整机頻率特性

整机頻率響應(Frequency Response)又稱為頻率特性,簡稱“頻響”。是指整個通道(帶音調

控制的擴音机其音調控制器置于正常位置)在正常工作狀態下,在規定頻帶內相對參考頻率的振幅傳輸頻率響應,單位用分貝(dB)表示。它是衡量一台放大器對不同頻率音頻信號放大量的均勻度的重要指標,例如國標規定一級功率放大器的頻響為20Hz~20kHz, ≦±0.5dB;而三級功率放大器頻響則為80Hz~12.5kHz, ≦±2dB。目前优質高保真功率放大器的頻響可以達到20Hz~20kHz, ±0.1dB。此外,有些產品說明書還直接給出放大器的頻響特性曲線,更為直觀。

2、諧波失真系數

諧波失真系數,一般也稱作總諧波失真(Total Harmonic Distortion,縮寫為THD)是指在規定頻帶內,標稱額定輸出功率及標稱額定輸出功率以下,功率放大器輸出信號的最大諧波失真系數。其數值等于放大器輸出信號中由于失真而新增加的各諧波成份的均方根值与有用信號(基波)有效值之比的百分數。即:

2 2

THD = ( V +V +V ……/V 1*100% 式中: V 1 (基波)是有用信號的有效值;

V 2 、V 3、V 4 …… 是由非線性失真引起的各次諧波成份的有效值。

國標規定一級擴音机在標稱額定輸出功率時,在整個音頻頻段(20Hz~20kHz)的諧波失真系數不大于0.5%。目前优質擴音机的THD 值可達到0.05%以下。

3、互調失真系數

互調失真(Intermodulation Distortion,縮寫為IMD)是指多頻率信號通過非線性的功率放大

器時,各不同頻率之間互相調制所產生的新的頻率成分,它會造成聲音尖刺,重放層次不清IMD 的數值越小越好,其計算方法近似于THD,詳情從略。國際對互調失真系數僅提出“由產品技朮條件規定”, 沒有具体指標。目前优質功率放大器的IMD 通常小于0.05%。

4、功率帶寬

功率帶寬(Power Band Width)是指在二分之一額定輸出功率時,諧波失真系數不超過規定

值時的頻帶寬度。國標對三級功率放大器的功率帶寬不作規定,而對一、二級功率放大器則提出“由產品技朮條件規定”, 其諧波失真系數分別為1%(一級机)和3%(二級机)。

5、信號噪聲比

信號噪聲比(Signal to Noise Ratio)簡稱信噪比,縮寫為S ／N,是指功率放大器在送入標稱

輸入電壓的參考頻率簡諧信號(通常為1kHz 正弦信號),能在額定負載電阻上產生標稱額定輸出功率的狀態下,輸入端換接規定的等效信號源內阻抗(低阻傳聲器為200Ω,線路輸入為600Ω),抗音机在聲頻頻帶內輸出噪聲功率比標稱額定輸出功率降低的分貝數。計算式為:

S ／N = 20lg( U O ／ U n ) (dB)

式中: U O ── 為標稱額定輸出功率時的輸出電壓有效值（V ）;

U n ── 為輸出噪聲電壓有效值(V)。

國際規定一級擴音机在線路輸入時的 S ／ N ≧ 94dB 。目前优質擴音机的S ／ N

可達到105dB

或更高。

6 、等效輸入噪聲電平 等效輸入噪聲電平(Equivalent Input Noise Level),是按寬帶信號噪聲比的條件,但等效信號源內阻抗改為輸入阻抗同模數的電阻,輸出端聲頻帶內噪聲信號折算到輸入端時的功率平。單位為dBm(參考功率為1mW)。

國標規定一級功率放大器在低阻傳聲器輸入端的等效輸入噪聲功率電平不大于- 123dBm 。

7 、阻尼系數

阻尼系數(Damping Factor)又稱阻尼因數,簡稱DF,是指功率放大器額定負載電阻對功率放大器輸出阻

2 3

抗(內阻抗)模數的比值。其表達方式為:

DF =R L/R O

式中: R L ──功率放大器額定負載電阻, 通常指揚聲器的阻抗。

R O──功率放大器輸出阻抗, 其值等于功率放大器的內阻加上揚聲器与功率放大器之間接線的阻抗。

揚聲器在激勵信號停止時，其紙盆和音圈會因慣性而作逐漸衰減的振動,使聲音有拖尾感而失真。揚聲器的慣性振動可以部分地用電的方法來抑制,只要功率放大器的輸出阻抗足夠小(即阻尼系數足夠大), 就可以將揚聲器慣性振動時音圈切割磁力線產生的感應電勢短路,由此產生的短路電流能抑制揚聲器的慣性自由振動,即起了阻尼作用。阻尼系數的名稱即由此而來。阻尼系數越大則對揚聲器慣性振動的抑制能力越強。國標規定一級功率放大器的阻尼系數≧10。目前优質功率放大器的阻尼系數可達到100以上。

8 、輸入靈敏度

輸入靈敏度(Input Sensitivity)是指功率放大器達到額定輸出功率時所需輸入的信號電平。國標沒有此項指標。目前一般專業功率放大器的輸入靈敏度為 + 4dB(1V)或0dB(0.775V),

AV功放的輸入靈敏度一般在100mv~400mv。

9 、瞬態響應

瞬態響應(Transient Response)是衡量放大器對瞬變信號跟隨能力的一項動態指標,通常以方波信號或具有方形包絡的正弦信號(稱為猝發聲)送入功率放大器,觀察并比較輸入、輸出波形的差別來分析功率放大器的瞬態響應。瞬態響應不佳則輸出信號上升沿變緩,下降沿拖尾。在播放音樂時表現為層次感和透明度差,低音混濁,高音發毛。功率放大器的瞬態響應也可以用轉換速率(Slew Rate)來描述,單位為V／μs。國標沒有此項指標。目前优質功放的轉換速率一般為每微秒十几伏至每微秒几十伏。

10 、輸出功率

輸出功率(Power Output)是功率放大器最重要又是最容易混淆不清的一個指標。我國國家標准中提出了額定輸出功率和最大輸出功率兩個不同的參數,其他國家和國際組織還有各自的不同標准,加上某些厂家有意無意地標出一些浮夸不實的“功率”指標,更加造成混亂。

下面先講述國標對輸出功率的規定,再對某些常見的國外標准作一簡介。

<1>額定輸出功率(Rated Power Output)

國標規定其定義是“同時滿足諧波失真系數和整机頻率特性指標,功率放大器可能輸出

的連續最大諧功率”。以一級功率放大器為例,國標規定必須同時滿足諧波失真系數(≦0.5)和頻率響應特性(20Hz~20kHz, ≦±0.5dB)這兩個指標的前提下,測出的連續輸出功率,就稱為功率放大器的額定輸出功率。

<2>最大輸出功率(Maximum Power Output)

國標規定分兩种情況:

a>對于輸出端以負載阻抗標示的功率放大器,其最大輸出功率,是指“在額定負載電阻

上,能滿足基本參數表中相應級所規定的諧波失真系數時,參考頻率簡諧信號的連續最大輸出功率”。仍以一級功率放大器為例,國標規定其測量方法是將1kHz正弦波信號送至被測功率放大器輸入端,功率放大器的音量控制置于最大,音調控制置于正常位置,增大輸入信號電壓,使輸出電壓的諧波失真系數達到對應級別的規定值(一級机為1%),并能在連續信號下工作十分鐘時的輸出功率,即為最大輸出功率。

其計算式為: P o max=U2/R L

式中 U──為最大輸出電壓的有效值 (V);

R L──為額定負載電阻（Ω）。

從以上定義可見，由于額定輸出功率的測量條件要比最大輸出功率的測量條件更為“苛

刻”,所以同一台放大器,其額定輸出功率的數值必然小于其最大輸出功率的數值。一般的規律是,前者約比后者低10% ~ 15%左右。

在各种書刊或說明書中經常還會見到像正弦波輸出功率、有效輸出功率、連續輸出功率、

RMS(均為根值)輸出功率等等朮語。

b>對于輸出端以電壓標示的功率放大器(這种標示方式常見于各种高阻抗恒壓輸出的

廣播用功率放大器或廣播擴音机)中,其最大輸出功率的測量方法同前一段相似,但保持標稱額定輸出電壓不變,降低負載電阻值,使輸出電壓的諧波失真系數達到對應級別的規定值,并能在連續信號下工作十分鐘時的輸出功率,即為最大輸出功率。一些進口功放的技朮指標,還會用到EIA和FTC等功率標准,下面作一簡介。

<3>(美國)電子工業協會所EIA)標准: 輸入1kHz正弦信號,在總諧波失真≦0.05%的條件

下,功率放大器所能輸出的最大功率值。

<4>(美國)聯邦貿易委員會(FTC)標准: 輸入正弦信號,在20Hz ~ 20kHz頻段內,總諧波失

真≦0.1%的條件下,兩聲道同時驅動時功率放大器所能輸出的最大功率值。

上述兩個標准的功率數值相差約為百分之几至百分之十几。例如美國高峰牌FA601型

功率放大器,在8Ω立体聲模式下,標稱功率FTC為2 x 120W, EIA則為2 x 150W ; FA1201型功率放大器, 在8Ω立体聲模式下,標稱功率FTC 2 x 280W, EIA為 2 x 300W。

另外,在考慮放大器的輸出功率時,還必須注意輸出功率的數值會隨著放大器所接負載阻

抗的大小(8Ω、4Ω或2Ω)以及電路的連接方式(雙通道立体聲或單通道橋接)而有很大范圍的變化。如前述的高峰牌FA1201型功率放大器,在8Ω立体聲模式時標稱功率每通道為280／300W(FTC／EIA,下同); 4Ω立体聲時為450／475W; 2Ω立体聲時為525／680W; 8Ω橋接時為960／1000W; 4Ω橋接時則達到1050／1050W。對上述關系可作如下的近似估算: 負載阻抗每減小一半,輸出功率約增為1.6倍; 在相同負載阻抗下,橋式接法的輸出功率約為立体聲左右通道功率之和的1.6倍。

<5>動態功率、瞬時功率、音樂功率和峰值音樂功率

當功率放大器放大某一猝發脈沖信號時,由于電源電壓來不及下降,還處在空載電源電壓

狀態,這時功率放大器的輸出功率要比連續正弦信號時大得多,這個功率稱為動態功率(或瞬時功率,音樂功率)。美國高保真協會(IHF)制定的動態功率測試方法是以周期為20ms的脈沖信號輸入功率放大器,然后對功率放大器的輸出信號進行取樣,測出在規定的諧波失真系數(1%)時的輸出功率。其數值約比前述的最大輸出功率大30% ~ 40%左右。

至于峰值音樂輸出功率(Peak Music Power Output, 縮寫為P.M.P.O), 通常是指在不計失真的條件下,放大器在處理音樂信號時,在一個极短持續期內能夠輸出的峰值功率。常見于家用音響的廣告或說明書中,其標稱的數值往往達到額定輸出功率的5倍甚至更高,至今未見有統一的標准。P.M.P.O帶有濃厚的廣告宣傳色彩, 目前在工程設計中尚無多大實用意義。

功率放大器還有其他一些指標,不再一一列舉。

第一章音箱

一、概述

揚聲器(Loud Speaker或Speaker)与音箱(cabinet)、分頻器(Crossover network)三者合稱為

揚聲器系統(Speaker system)。由于揚聲器与分頻器大多都裝在音箱里面成為一個整体,所以通常就用“音箱”代表一個最簡單的揚聲器系統。而把其中的揚聲器稱為“單元”,如高音單元、低音單元等。

音箱是整個音響系統的終端,其作用是把音頻電能轉換成相應的聲能,并把它輻射到空間

去。它是音響系統极其重要的組成部分,因為它擔負著把電信號轉變成聲信號供人的耳朵直接聆听這么一個關鍵任務,它要直接与人的听覺打交道,而人的听覺是十分靈敏的,并且對复雜聲音的音色具有很強的辨別能力。由于人耳對聲音的主觀感受正是評价一個音響系統的放音音質量是起著關鍵作用。

另一方面,由于音箱的功能牽涉到把電能轉換成聲能這种不同性質能量的變換,使它又成

了音響系統中最薄弱的環節。所謂“薄弱”,一是指它容易損坏,特別是高頻揚聲器容易燒毀; 二是指它的各項技朮指標如頻率響應、失真度等都比其他音響設備要差些。

本節將分別講述揚聲器、音箱和分頻器的特性、選用和組合等問題。

1、揚聲器的結构

揚聲器(俗稱喇叭)按不同換能机理和結构,可分為電動式、電磁式、壓電式、靜電式、熱离子式和气動式等多种類型。如按其工作頻段划分,則分為低頻揚聲器(woofer) 、中頻揚聲器(squawker)和高頻揚聲器(Tweeter)**等。

下面講述專業音響普遍采用的電動式揚聲器的結构及工作原理。根据電工原理,當導体內有電流通過時,由于載流導体產生的磁場和永久磁場之間相互作用,載流導体將作垂直于電流方向的運動。當導体內電流數值及方向改變時,推動導体運動的力的大小和方向也隨之改變,也就是說,在磁隙的磁通密度和音圈導線長度不變的情況下, 只要改變音圈的輸入電流就會改變音圈和永久磁鐵之間的作用力。因為音圈是和紙盆粘結在一起的,因而隨著音頻電流的變化,音圈將帶動紙盆作相應的振動。

電動式紙盆揚聲器,主要由電振動系統(紙盆、音圈和支架)、磁路系統(永久磁鐵、導磁夾板和圓形芯柱)以及盆架等各种輔助性的零件組成。其結构見圖2 - 1。 图2-1 电动式纸盆扬声器 要有足夠的輸入功率,另外時間長了較容易老化損坏。中、高頻揚聲器的构造,除了一部分仍用上述紙盆 揚聲器的結构外,尚有球頂形和號筒式兩种基本方式。

图2-2 球顶型扬声器 寬, 瞬態特性好,失真小,

但效率較低。由于其音質好，所以廣泛用于家庭高保真揚聲器系統中作高音揚聲器近年發展起來的橡皮邊、泡沫邊和布邊

揚聲器,它的結构基本与圖2 - 1的電

動式紙盆揚聲器相同,其不同點是它的

紙盆邊緣部分的折環采用富有彈性的

橡皮或泡沫或特殊的布料等材料制成。

這种揚聲器的最大优點是自身的諧振

頻率較低,能重放較低的頻率,而且失

真也比較小。它的缺陷是效率低

球頂型高音揚聲器(Dome)的工作原理与紙

盆揚聲器相似,但振膜為近似半球形的球面,如

圖2 - 2所示。其振膜尺寸一般較小,通常只有

35mm ~ 70mm 。按振膜軟硬的程度,可以分為硬球

頂揚聲器和軟球頂揚聲器。硬球頂型振膜采用鋁

合金、鈦合金及鈹合金,軟球頂型振膜則用浸漬

酚醛樹脂的棉布、縜、化纖及橡膠類材料。通常,

軟球頂音質柔和,适合重放古典音樂;硬球頂音

質清脆,适合重放現代音樂。球頂型揚聲器的主要优點是重放頻帶較寬(高頻可達25kHz),指向

單元。但它的額定功率較小,專業音箱中偶見于某些100W 以下的小功率型號,而不适用于歌舞廳、迪斯科廳

等要求高聲壓級的場所。

图2-3磁流体球顶扬声器 同時,磁流体能夠把音圈的熱傳給周圍金屬而加速散熱,從而提高了揚聲器的的功率容量(達2.5倍).磁流体還可以起阻尼作用,使某些頻率的有害諧振減少,因而減少了重發聲音的失真,也能使頻率響應更加平直。

图2-4 号筒式扬声器 號筒式揚聲器包括驅動單元(簡稱音頭,英文Driver)

和號筒(Horn)兩部分。驅動單元与球頂揚聲器相似,其振 膜一般做成球頂形,用鋁合金、鈦合成,振膜的振動通過號筒与空气耦合輻射聲能。號筒的形狀有圓錐形、指數形、雙曲線函數形等各种形狀。當頻率增高時,振膜各部分副射聲波的相位不一致會引起干涉,使揚聲器頻響曲線出現峰谷起伏,為此加入喉塞(又稱相位等化器),以消除干涉。

与直射式電動揚聲器相比,號筒式揚聲器的最大优點是電聲轉換效率高,另外其非線性失真通常也小于紙盆揚聲器。新型的液磁(磁流体)式號筒更可承受較大功率。它的缺點是重放頻帶較窄,指向性也不很寬,但在某些場合這也是优點。號筒給人的听感是發音較“硬朗”,不如紙盆和球頂式揚聲器柔和。號筒揚聲器目前廣泛用于体育館、影劇院和歌舞廳等場所,作為高頻揚聲器單元。

此外,國內外某些牌子型號的專業音箱也有采用壓電陶瓷式高音揚聲器,多數人覺得其重放高音效果似乎比不上號筒式揚聲器,但其体積較小,价格較低廉。

2、揚聲器的組合

我們知道采用單只揚聲器是很難達到高保真重放的,因為采用大口徑的紙盆揚聲器,雖然可以取得較好的低音效果,但這种揚聲器的高頻重放效率很低。若用小型的高頻揚聲器,高頻得到照顧,但無法放出低音,而且它的指向性很尖銳,使稍偏离揚聲器軸向的听眾就感到高頻明量衰減。所以最好是選擇几個不同頻率特性的聲聲器裝在一個揚聲器箱內,整個音頻信號分成几段,由高、中、低頻揚聲器單元分別重放,這就是所謂揚聲器的組合系統。

几种揚聲器的組合是要用所謂分頻電路來連接的。分頻電路有兩种形式,一种是電子分頻方法,把分頻電路插入在前置放大器和功率放大器中間,然后由獨立的功率放大器分別推動高、低頻揚聲器單元,如圖2 - 5。

近年發展的磁流体(Magnetic Liguid)揚聲器受到音響

界的廣泛注意。磁流体是一种特殊的液態載体的和懸浮在其

中的极小磁性微粒組成的油墨狀液体(由四氧化三鐵和二元

酸脂油狀合成物混合研磨而成),把它注入普通電動揚聲器的

放置音圈的磁隙中。當紙盆和音圈來回運動的時候, 這种被

揚聲器磁路所產生的磁場“俘獲” 的粘稠流体就与音圈一起

運動。如圖2 - 3所示的磁流体揚聲器(液磁喇叭)具有許多

特點: 它能使音圈自動定位于磁隙中心, 簡化了揚聲器的結构。

當前在大功率專業音箱中用得最多的是號筒式

(Horn)高音揚聲器,這是取其輻射效率高(達到直射

式揚聲器的數十倍) 、可以制成恒定指向性和輻射距

离遠的优點。電動式號筒揚聲器又名號角喇叭,它在

工作原理上与電動式紙盆揚聲器一樣, 但聲音的輻

射方式不同。紙盆揚聲器是靠振膜 (即紙盆)將聲音

直接輻射出去。號筒式揚聲器則是振膜振動后,聲音

經過號筒再擴散出去。因此是屬于間接輻射方式揚聲

器,結构見圖2 - 4所示。

图2-5电子分频

這种分頻方式,高、低頻互相影響少,所以音質較好,但需要多個功率放大器,成本較高,只是在高質量的放音系統中采用。

另一种是功率分頻,也稱為后級分頻。雖然放音質量不如前者,但使用起來很方便,所以在家用音響及部分專業音響系統中仍得到廣泛采用。所謂功率分頻,是功率放大器的輸出通過分頻電路后,分別饋送到各揚聲器單元,如圖2 - 6。組成功率分頻電路的電感電容元件通常都与揚聲器一起裝在音箱內部。

图2-6功率分频

3、音箱

揚聲器箱也稱音箱(注意与第二章標題“音箱”含義的差別),它除了保護揚聲器,并有美觀、裝飾作有外,更主要是提高了揚聲器的聲學功能。

所有使用紙盆輻射的電動揚聲器,在有音頻信號電流通過時,因紙盆的振動使聲波朝著前后兩個方向傳播。當紙盆向前振動的瞬間,前面的空气被壓縮,形成密集的空气層,而后面則形成稀疏的空气層。紙盆向后運動時的情況与上述相反。

紙盆振動的每一瞬間,前后聲波的相位總是相反的,后面聲波繞過揚聲器周邊与前面的聲波相遇,而發生干涉,結果互相抵消,使放出的聲音變小,這种現象稱為“聲短路”效應。

為了消除聲短路,可把揚聲器安裝在一塊盡可能大的障板上,把前后的聲波隔開。但障板既占地方,又不美觀,因此,實際上是把障板彎折,制成箱子形狀,這就是音箱。通常音箱有多种形式。

<1>封閉式揚聲器箱(俗稱气墊音箱)

這种揚聲器箱除了揚聲器紙盆的向外輻射孔外,其他都是封閉的,揚聲器向內輻射的聲波基

本上被箱內的吸音材料吸收,不會造成聲波干涉。在家庭音響組合中較為流行,其最大的特點是占用体積較小,使居住環境狹窄的人們也能欣賞到好的音樂,但最大的缺點是發音效率低。

<2>倒相式揚聲器箱

前面講到封閉式揚聲器箱效率較低,主要原因是揚聲器向箱內輻射的聲波被吸音材料吸

收了,得不到充分利用。而倒相式揚聲器在箱体体面板上增加一個或兩個倒相孔,在倒相孔后面接一短管。這樣,可使原來揚聲器向內輻射的部分聲波反相,使倒相孔空气的振動与紙盆前空气振動相位一致,從而同相地向前輻射。因此,倒相式揚聲器箱具有效率高的优點,目前在專業音響系統中廣泛采用。

一些揚聲器厂家不研制出具有特殊結构的音箱,如博士(BOSE)公司的“音響气量流”和低

音大炮等,將在本文后面另行介紹。

二、音箱的技朮指標

音箱主要技朮指標的含義如下:

<1>阻抗: 揚聲器的阻抗雖然在商品中都有標示,例如: 4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等等,但揚

聲器的阻抗并非常數,它与頻率有關。

揚聲器在低頻段有一諧振曲線,其峰值對應的頻率f0揚聲器的低頻諧振頻率,頻率超過1kHz之后,阻抗隨

頻率直線上升,揚聲器商品標稱的阻抗其實是400Hz ~ 1kHz頻率范圍所對應的最小阻阬,它近似等于音圈直流電阻的1.2倍至1.5倍。

<2>頻率特性: 揚聲器的頻率特性不可能做到像放大器那樣平坦,一般規定不均勻度不超

過10dB。總的來說,揚聲器的頻率特性曲線越平坦越好,這樣就可以說明重放頻率失真少。

<3>靈敏度: 即向揚聲器輸入1W電功率,在揚聲器正面1m距离處所測得的聲壓級(SPL).

通常此聲壓級是指有效頻率范圍內各點平均值,所以也叫平均聲壓級,單位寫成dB／1W／1m.

<4>失真度: 主要是指諧波失真,一般的揚聲器失真度≦7%。

<5>指向性: 揚聲器在空間各個方向輻射的聲壓分布不同,形成揚聲器的指向特性,一般

來說,高頻揚聲器的指向性較尖銳。

<6>功率: 揚聲器的功率是一個很重要的指標,因為所使用功率放大器的輸出功率須与揚

聲器的功率匹配,才能安全而有效地運行。而目前各國厂家在揚聲器的銘牌上標出的功率值,依据各不相同,因而數值上往往有很大出入。下面是几個主要功率值的含義。

1>標稱功率:

過去很長一段時間我國各揚聲器制造厂家對輸入揚聲器的功率都采用“標稱功率”的數值,在這個功率上規定了諧波失真是在饋給揚聲器標稱功率的恒定電壓下測試的,所測得的非線性失真系數不應超過給定揚聲器的規定值。因為標稱功率是由失真值的大小确定的,失真值又不能超過一定的要求,所以標稱功率都定得比較小,通常是低于其他類型功率的。長期接触標稱功率的讀者難怪會覺得國產揚聲器在產品說明書上標明的承受功率往往比國外揚聲器低得多。

為了消除揚聲器的不同類型功率在定義上的混亂,國際電工委員會(IEC)和我國國標GB 9396有關揚聲器的標准中,一致規定采用下面几种揚聲器功率: 特性功率、最大噪聲功率(額定噪聲功率)、最大正弦功率、長期功率(額定長期最大功率)和短期功率等,現分別作簡要介紹。

2> 特性功率: 在自由場條件下,饋給揚聲器100Hz ~ 8000Hz頻率范圍的粉紅噪聲信號,在參考軸上距离1m處產生一個94dB特性聲壓級所對應的功率。例如某揚聲器在上述條件下,須輸入5W電功率才能產生94dB 的特性聲壓級,則該揚聲器的特性功率即為5W。該值決定了揚聲器的靈敏度。因為靈敏度以輸入1W電功率來定義。該例中的揚聲器經過換算,可求得其靈敏度為87dB。

3>額定噪聲功率(Rated Noise Power):

定義為: 連續向揚聲器輸入模擬噪聲信號(將粉紅噪聲* 經過帶通濾波和限幅后的信號),在100小時內沒有過熱和机械損傷,這個功率就稱為揚聲器的額定噪聲功率。該功率的大小与失真值無關,所以通常比前述

標稱功率大1.5 ~ 3倍左右。目前國內外厂家生產的揚聲器,銘牌上標志最常見的就是這個功率。本書后面講述音響系統設計以及揚聲器与放大器的匹配時也都采用這個功率。

額定噪聲功率還有其他名稱,如最大噪聲功率(Maximum Noise Power) 、連續粉紅噪聲功率(Continuous Pink Noise Power)或簡稱為連續功率、噪聲功率等,其含義是相同的。

4>最大正弦功率(Maximum Sinusoidal Power),亦稱為連續正弦波功率(Continuous Sine Wave Power)或均方根(RMS)功率: 這是一种在給定頻段內的連續正弦功率。在此功率工作一小時,揚聲器音圈振動不應產生打底聲,揚聲器沒有熱和机械損傷。由于該功率不受給定的非線性失真的限制,所以該項功率也是高于標稱功率的。

5>長期功率(Long-Term Power亦稱為額定長期最大功率): 這是一种在給定頻帶內用

專門規定的噪聲信號功率。揚聲器承受此功率在1分鐘內不會引起永久性的机械損傷,且需要每兩分鐘時間間隔試驗一次,重复10次。這項功率比前面提到的額定噪聲功率又要大許多。例如國光YD200-6型揚聲器的標稱功率為5W,而額定長期功率為30W。

6>短期功率:( Short-Term Power亦稱短期最大功率): 也是一种專門的噪聲功率(這种噪聲

信號的類型与确定最大噪聲功率相似),其定義為揚聲器在1s內承受此功率不會引起永久性的机械損傷,且需要每60s間隔試驗一次,重复60次。該項功率是所有命名功率中標值最大的。通常比標稱功率大8 ~ 10倍。有些厂家稱之為峰值功率(peak power)。

除上述IEC標准和我國國標外,在工程實踐中還會遇到音樂功率、節目功率以及EIA(美國電子工業協會)標准、AES(美國聲頻工程學會)標准甚至各厂家自定的標准等,不再一一詳述,只對其中兩种作簡單介紹:

7>音樂功率(Music power)又稱為節目功率(program prower): 取決于使揚聲器承受250Hz

以下短期正弦信號的能力,听起來沒有明顯失真,也沒有永久性机械損傷。這個功率值既考慮揚聲器一定的失真值,又考慮揚聲器的永久机械損傷值,是德國標准DIN所采用的,有可能被世界各國揚聲器厂家所接受。

8>EIA RS –426標准: 美國電子工業協會在EIA RS –426標准中規定,將一特別的測試噪

聲信號加至揚聲器,該噪聲信號的頻譜分布較為接近實際的節目信號,并且要在揚聲器上持續8小時之久,還要求被測揚聲器能承受比此噪聲功率高四倍的瞬態峰值。顯然,這對揚聲器的机械結构和熱性能是很嚴格的考驗。這樣測試而得出的數值可能要低于采用正弦波法所得到的數值,但按此數值与功率放大器相配合則不易毀坏揚聲器系統。如美國EV公司的產品均采用EIA RS – 426作為測試揚聲器功率承受能力的標准方法,并將其能承受8小時的功率稱為“長時間平均功率”,將4倍于該功率的功率稱為“瞬時功率”。

下面舉出几個例子,使讀者對上述多种多樣的功率關系有一初步概念:

1>YAMAHA S115 HI 音箱Power Capacity(功率容量):

Noise(噪聲)100W,Program(節目)200W,

Max.peak(最大峰值)400W。

2>JBL MR802音箱承受功率:

Continuous Pink Noise(連續粉紅噪聲)250W,

Peak Ping Noise(峰值粉紅噪聲)1000W,

3>Community(C牌)RS 220音箱功率容量:

Continuous(連續)220W;

Program(節目)500W

4>EV TL606AX音箱(Average Power Capacity(平均功率容量):

Long-Term(長期)400W,Short-Term(短期)1600W。

5>JBL 4672 音箱功率容量:

Continuous Sine Wave(連續正弦波)150W,

Continuous Program(連續節目)300W。

6>JBL 4890 音箱低音單元承受功率:

AES 50Hz – 500Hz 600W

Peak(峰值) 2400W。

當前國內外較有名气的專業音箱厂家有美國的 JBL(B ·蘭辛)、BOSE(博士)、

EV(電聲)和ALTEC(阿爾特克)等數家,從我國市場釆看,前兩個牌子的占有率較高。此外如美國的Peavey(百威)、Sound tech(聲塔)、日本的YAMAHA(雅馬哈),英國的OHM(奧妙)、美國的 BAG END(伯利垣)、EAW、Community(C牌)等在國內也很有影響。這類音箱和揚聲器都具有比較高超的指標,音質优美,但价格相對昂貴。國產專業揚聲器厂家近年在追赶國際水平上下了很大功夫,取得一定成效,如飛達、南鯨、國光、飛樂等厂家生產的專業揚聲器和音箱的性能都相當不錯。