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二路(二分频)和三路(三分频)扬声器系统
音频信号的频谱范围很宽,把20Hz-20kHz的信号要用一种扬声器单元是无法满足整段频响的;
一般的12寸以上大口径扬声器单元,低音特性很好,失真不大,但超过1.5kHz的信号,它的表现就很差了;
1-2寸的高音扬声器单元(高音压缩驱动器)重放3kHz以上的信号性能很好,但无法重放中音和低音信号。
于是就有了由各种频响特性单元组成的扬声器系统,由低音(含中低音)和高音(含中高音)两种单元组成的称为二路扬声器系统,由低音、中音和高音三种单元组成的称为三路系统。
二路扬声器系统结构简单,造价相对较低,为了解决缺少这段中音频率,于是有些厂家用了一种折衰的方法,即在分频网络上把低音单元的频响特性向上移动,把高音单元拭目以待频率特性向下移动。
另外一个问题是,分频交叉点频率只能设定在500Hz-2kHz之间,而此区域正是人声和乐声频谱的重要部分。
因此在听觉上人留下“空洞”感和听到的失真。
亦因为如此,三路扬声器对喇叭单元的要求相对较高,假若单元的性能不佳,整个扬声器系统的声音就不够平滑,或有严重的相位失真。
三路扬声器系统各单元的特性可不作折衷,充分发挥它们各自的长处,两个分频交叉点可选在中音人声和乐声频谱重要部份上、下边缘处,对音质没有任何影响,故三路扬声器系统减小了声音的失真,提高了声音的清晰度,改善了低高和高音间交叉频段的性能,增加了扬声器系统的功率处理能力,因此是文艺演出、音乐厅和歌剧院扩声系统的最佳选择。
2)
灵敏度和最大声压级(SPLmax)
扬声器单元是一种电信号与声音之间的换能器,要求它能以相对较小的输入功率转达换成很宏亮的声音,这就要求扬声器有较高的声压灵敏度,[灵敏度]实质上是一种[转换效率]的体现,各类扬亏损顺系统由于采用的设计技术,选用的材料和生产工艺等多方面的差异,灵敏度的差异也很大。
灵敏度是指输入扬声器单元1瓦的电功率,在扬声器轴线方向离开1米远的地方测得的声压级大小,如果两种扬声器的灵敏度相差3dB要达到同样大的声压级输出,需要增加电输入功率一倍,因此灵敏度较高的扬声器能发出较大的声音。
扬声器系统的输入功率能力一般都远远大于1瓦(一般都在100瓦-2000瓦之间)因此实际使用时都可输入这个最大允许的电功率,以额定最大功率,输入扬声器,在扬声器轴向1米处产生的声压级称为最大声压级SPLmax例,灵敏度=100dB,1w/1m扬声器,若具最大功率承受能力为1000W,则SPLmax=100dB+30dB=130dB,1m。
3)失真和音质
音箱工厂都没有标称他们产品的失真率,其实它是一个非常重要的技术参数,音质是一个比较抽象的评价,亦没有可能在文件上标称,只能采取主观的听音比试,通常,灵敏度与音质是有矛盾的,生产商需要在两者中作适当的平衡,一般来说,中低价的产品,均以灵敏度作主导,追求性能价格比,而高价位产品偏重音质,而最高层次者是两者兼备。
4)[个性]与[共性]
在此又再引伸出另一个相对抽象和主观的性能评价,扩声用的音响,有别于家中的Hi-Fi音响器材,必须兼容性非常高,因为每个场地都可能演出不同类型的节目,从歌剧到摇滚音乐会,亦可能只是以语言信号为主的报告会,故其音响系统必须要兼容不同的节目源,做到[平均性]的优异即不能偏重于某一个用途,而家里的Hi-Fi音响器材,只需要照顾一个人或一小撮人的口味,其产品的[个性]是容许存在,但作为专业扩声系统器材,则这种[个性]将会变成[局限性]或[缺陷]。
专业扩声器材需要为一大群公众服务,节目内容经常变换,[共性]是基本要求,兼容性要强,不同性质的节目都要有[平均]的表现,除此之外,专业扩声器材必须是“无渲染”,“不夸张”,“忠实”地将音源还原,就是[共性]或[共用性]。
5)扬声器系统的指向特性扬声器发出的声音通常在低频段(低于200Hz)的声音是无方向性的,在各方向均匀传播,但在高频段时,声音的传播呈现较强的方向性,这个指向特性(各类音箱均不相同)正是我们在系统设计中要加以应用,优良的恒定指向特性可在现场布置时把声波的能量集中到观众区,避开声波的强烈反射面和声场互相干扰。
扬声器的指向特性使偏离轴向的声压级随偏角的增大而声压级逐渐减小,同时声压级又随声波传播距离的增加按距离的平方成反比而衰减,在距扬声器远近和方位不同的听众区,若将这两种衰减选择得当,就可使两种衰减互相补偿,从而使声场更为均匀,大型工程需要盖相对比较阔的区域,单只音箱通常不足以应付,需要将多只音箱拼合成音箱群(陈列),而在陈列扬声器系统中,恒指向特性可使音箱之间的中、高频段的声波在音箱间不产生相互干扰,用具有上述指向特性的一对扬声器组成八字形摆放,可以覆盖单个音箱的一倍,否则,声音在音箱前方已经互相干扰,严重影响声场的均匀度和声音的清晰度。
6)扬声器系统的功率处理能力
扬声器的功率处理能力(或称扬声器的额定功率)是一项重要技术参数,它代表扬声器承受长期连续安全工作的功率输入能力,了解扬声器的功率处理能力,首先必须懂得扬声器驱动器是如何损坏的,驱动器的损坏模式有两种:
一种是音圈过热损坏(音圈烧毁,过热变形,圈间击穿等),另一种是驱动器的振膜位移量超过极限值,使扬声器的锥形振膜/或其周围的弹性部件损坏,通常发生在含有很多大振幅的低频信号。
声音信号不是一种正弦波信号,而是一种随机的,这些随机信号可用三个能数来表示,有效值(RMS)又称均方根值,是以信号峰值等幅的正弦信号的一种测量结果,接近于平均值,基本上代表信号的发热能量。
峰值(Peak)是信号达到的最大电平,对于正弦波来说,峰值电平大于有效值电平3dB,对于音乐信号来说,峰值电平超过有效值可达10-15dB在评定一种扬声器的位移能力时,峰值是重要的,峰值因子,用来说明峰值电平与有效值电平的比率,对于按AES2-1984的粉红色噪声源来说,峰值因子为6dB,即峰值电压是有效值电压的4倍。
扬声器的功率处理能力是按(AES2-11984)处理后的粉红色噪声信号连续加2小时工作后其电性能和机械性能的永久性变化不大于10%的情况下测得的技术参数。
7)加载(受热)后的声压级下降(又称功率压缩)
所有产品说明书上标称功率都是各厂家自定的,是音箱在厂方选定的测试信号和条件下的最佳值,当音箱进入工作状态(譬如等于或大于满功率20秒之后),音圈和磁体受热温升后、由于它们性能下降改变了受热前单元的原有特性,这时,实际的声压输出就会减少,常规音箱,如音圈温升60度-80度,常见额定声压级下降3dB为容限,如音圈散热优异,耐温达100度以上,实际的声压下降可达6至8dB,这是相当惊人的下降,如前文题及,增加一倍的音箱只提升声压级3dB若音箱声压级下降达6dB,要弥补这么大的声压级下降必须由原来一只音箱增加至四只,非常遗憾,音响工业界没有标称这种声压级下降,必须要好的改善扬声器单元的散热设计。
8)扬声器单元的阻抗
扬声器单元的阻抗包括,电感量,电容量和电阻值,电感和电容是随频率而变化的,虽然在扬声器系统中标称一个阻抗变化太大,将会影响整个音响系统的稳定性,JBL最新DCD双线圈差驱动设计是将阻抗变为[纯电阻]性,不受频率变化而影响,让整个音响系统稳定工作。
三如何提高扬声器系统的可靠性
日常生活中,即使是在功放和扬声器系统的功率匹配相当的情况下也会发生扬亏损顺单元变损的事件,其原因有:
1.
操作不当,功放输出功率过大
2.
演出达到高潮时,场内气氛热烈,需要提升声压,在加大信号时,话筒输入信号过大引功放过载削波,失真波形产生大量谐波,损坏高音单元
3.
话筒产生强烈声反馈啸叫,功放强烈过载,损坏扬声器系统为此,现代新型扬声器系统采取了多种保护性措施,这些措施可分为两类:
提高扬声器单元的散热力使其在过载时不发生过热损坏
在扬声器箱中安装限幅保护装置,当驱动功率和峰值电平超过扬声器的额定值时,限幅器把超过的功率电平用非线性电阻(灯泡)对音圈进行阻止。
这些措施,提高了扬声器抗过载的能力,但也影响了声音的动态范围,使音域不够宽广,音色感觉模糊和暗淡。
因此,最好的办法还是在功放上采取措施,使它的输出不产生削波和功率过载等问题。
音箱的类型与性能指标
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音箱又称扬声器系统,它是音响系统中极为重要的一个环节。
因为音箱的放音质量对整个音响系统的影响极大。
目前,节目信号源设备和功率放大器的水平已做得很高,因此一个由优质音源、优质放大器和扬声器系统组成的音响系统,其放音质量就主要取决于音箱了。
一、音箱的类型
音箱的分类方法很多,在专业音响中常见分类如下:
1.按使用场合来分:
分为专业音箱与家用音箱两大类。
家用音箱一般用于家庭放音,其特点是放音音质细腻柔和,外型较为精致`美观,放音声压级不太高,承受的功率相对较少。
专业音箱一般用于歌舞厅`卡拉OK厅`影剧院`会堂和体育场馆等专业文娱场所。
一般专业音箱的灵敏度较高,放音声压高,力度好,承受功率大,与家用音箱相比,其音质偏硬,外型也不甚精致。
但在专业音箱中的监听音箱,其性能与家用音箱较为接近,外型一般也比较精致`小巧,所以这类监听音箱也常被家用Hi-Fi音响系统所采用。
2.按放音频率来分:
可分为全频带音箱`低音音箱和超低音音箱。
所谓全频带音箱是指能覆盖低频`中频和高频范围放音的音响。
全频带音箱的下限频率一般为30Hz-60Hz,上限频率为15KHz-20KHz。
在一般中小型的音响系统中只用一对或两对全频带音箱即可完全担负放音任务。
低音音箱和超低音音箱一般是用来补充全频带音箱的低频和超低频放音的专用音箱。
这类音箱一般用在大`中型音响系统中,用以加强低频放音的力度和震撼感。
使用时,大多经过一个电子分频器(分音器)分频后,将低频信号送入一个专门的低音功放,再推动低音或超低音音箱。
3.按用途来分:
一般可分为主放音音箱.监听音箱和返听音箱等。
主放音音箱一般用作音响系统的主力音箱,承担主要放音任务。
主放音音箱的性能对整个音响系统的放音质量影响很大,也可以选用全频带音箱加超低音音箱进行组合放音。
监听音箱用于控制室、录音室作节目监听使用,它具有失真小、频响宽而平直,对信号很少修饰等特性,因此最能真实地重现节目的原来面貌。
返听音箱又称舞台监听音箱,一般用在舞台或歌舞厅供演员或乐队成员监听自己演唱或演奏声音。
这是因为他们位于舞台上主放音音箱的后面,不能听清楚自己的声或乐队的演奏声,故不能很好地配合或找不准感觉,严重影响演出效果。
一般返听音箱做成斜面形,放在地上,这样既可放在舞台上不致影响舞台的总体造型,又可在放音时让舞台上的人听清楚,还不致将声音反馈到传声器而造成啸叫声。
4.按箱体结构来分:
可分为密封式音箱、倒相式音箱、迷宫式音箱、声波管式音箱和多腔谐振式音箱等。
其中在专业音箱中用得最多的是倒相式音箱,其特点是频响宽、效率高、声压大,符合专业音响系统音箱型式,但因其效率较低,故在专业音箱中较少应用,主要用于家用音箱,只有少数的监听音箱采用封闭箱结构。
密封式音箱具有设计制作的调试简单,频响较宽、低频瞬态特性好等优点,但对拨声器单元的要求较高。
目前,在各种音箱中,倒相式音箱和密封式音箱占著大多数比例,其他型式音箱的结构形式繁多,但所占比例很少。
二、扬声器系统的性能指标
1)频率响应(有效频率范围)
这项指标反映了扬声器工作的主要频率范围。
当给扬声器加以恒压信号源并由低频到高频改变信号源频率时,扬声器产生的音压将随频率的变化而变化。
由此得出的声压――频率曲线,就是扬声器的频率响应曲线。
IEC(国际电工委员会)规定扬声器所能重放声音的频率界限,也就是有效频率范围,是取扬声器声压频率特性曲线中比峰值附近一个倍频位的平均声压级降低10dB的频率范围。
此范围越宽,放声特性越好
一般高保真用扬声器箱最低要求频响为50-12500HZ(+4~-8dB),能达到50-16000Hz已足够了.当然30-20000Hz则更好.
2)额定阻抗
它的指扬声器在某一特定工作频率(中频)时在输入端测得的阻抗值。
通常即在产品商标铭牌上标明,由生产厂给出。
扬声器的阻抗特性。
由生产厂给出的额定阻抗通常是在额定频率范围可望得到最大功的阻抗模值。
额定阻抗一般规定4欧、8欧、16欧、32欧等,国外也有采用3欧、6欧等。
3)功率
扬声器的功率大小是选择使用扬声器的重要指标之一.应该指出国内、外扬声器的标法有很大的差别,这是因为对功率定义解释各不相同。
一般扬声器所标称的功率为额定功率。
额定功率或额定噪声功率,是指扬声器能长时间连续工作而不产生异常声时的输入功率。
一般测试时采用粉红噪声信号,通过特定的滤波器,在额定频率范围内进行测试。
按IEC标准,被测扬声器应保证在100小时的连续工作中不产生异常。
顺便指出,美国EIA标准则规定试验时间为8小时,而且滤波器也不同。
最大噪声功率与额定功率不同,它是表明扬声器承受短时间的大输入功率的能力,其试验时间仅为几秒或几分钟。
一般最大噪声功率是额定功率的2-4倍。
4)灵敏度
特性灵敏度是指当音箱加上相当于额定阻抗上1W功率的粉红噪声信号电压时,在轴向1m处测得的声压级。
扬声器箱的灵敏度与效率是两个不同的概念,效率是输出声功率与输入电功率之比,但一般地说灵敏度高的扬声器箱的效率也较高。
一个扬声器的灵敏度高低,对声音重放并无决定性的影响,因为人们可以通过调节放大器的输出来获得足够的音量。
不过,在音箱制作中,扬声器的灵敏度却是一个值得重视的参数。
因为在二分频或三分频音箱中,各扬声器单元在各自负责重放的频段内,它们的灵敏度必须基本一致,以使整个音箱在重放时高、中、低音的平衡。
特别是对立体声音箱,左右声道使用的单元都必须经过严格的筛选、匹配。
要求左右声道所用的单元的输出声压级差别应正负1dB内,不然会影响声像的定位。
对于专业音箱,特别在作远距离扩声中(如大型厅堂、体育扬馆等),音箱灵敏度也是必须重视的指标准之一。
这是因为要达到同样大小的放声声压级,采用较高的灵敏度就可大大减轻率放大器的功率容量。
通常,专业音箱的灵敏度都在95dB/m.w以上,甚至高达120dB/m.w。
而家用音箱的灵敏度较小,能有92dB/m.w就算是很大的了。
5)指向性
指向性用来描述扬声器将声波辐射到空间各个方向去的能力。
它一般用声压级随辐射角度变化的曲线表示。
指向性通常有两种表示方法:
一种是在扬声器频响曲线上标出了几个角度如0度、30度、60度时频响曲线的变化,通过它与0度时频率的对比可以看出声压级变化的情况。
这种频响曲线称为指向性频率性曲线。
另一种以极坐标形式表示。
它是以扬声器位置为原点,用极坐标画出某些频率的指向性图,从它可以形象地看出某些频率的指向性。
在Hi-Fi系统中,一般不希望扬声器(或音箱)的指向性过于尖锐(狭窄).否则靠近扬声器主轴的人听到的声频效果好些,偏离主轴时声频效果就差些。
使均匀听到整个重放频带声音的窨范围受到限制。
但对会场扩音场合,扬声器的指向性却十分重要,因为利用指向性可减弱扬声器对传声器反馈作用,从而可以消除扩音系统啸叫。
在专业音箱中,指向性还有许多其他表示方法。
扬声器的指向性与频率有关,一般低频(如300Hz以下)没有明显指向性。
高频时,由于声波波长较短,指向性会变得尖锐,因此有些音箱在不同方向上排列几个高频单元,以改善指向性。
指向性还与扬声器的口径有关。
一般口径大时,指向性也尖锐;
口径小,指向性较宽。
6)失真
扬声器系统的失真包括揩波失真、互调失真和瞬态互调失真等。
音箱的失真特性比单个扬声器更容易引起特性变坏。
通常在分频点附近,因设计或调试不当,失真大幅度增加。
谐波失真主要产生在低频,尤其在共振频率附近最为明显。
对于高保真用音箱的最低要求谐波失真不大于2%。
在选择和使用音箱时,除了必须了解音箱的性能指标外,还要进行主观听音评价。
另外,通常选用著名生产厂家的名牌音箱。
目前,对于专业音箱来说,例如JBL、EV、BOSE、NEXO、RCF、MARTIN、MEYERSOUND、COMMUNITY(C牌)、PEAVEY(百威)、EAW等都是著名的品牌音箱。
音响系统设计概述
音响系统的设计是一种过程,并不是一种产品。
假如它是一种产品的话,它就可以大量生产,并且可用于许多装置中,就像放大器或微音器一样。
一种规格即可满足的有场合的要求的设计,往往不能做到完全满足,而且对许多用户来说其使用性能也极差。
设计过程由许多零碎资料的收集过程的组成,就像拼图游戏里的零碎图片同时把它们拼装在一起,使得它们之间即不重叠也没有间隙。
那么,到底如何设计一种音响系统呢?
有的人做起来像是铺开许多音响产品的产品目录活页,然后像投掷飞镖那样用笔画来画去;
有的人做起来像是把核桃壳翻来翻去,直到找到核桃肉为止;
而有的人则在轻易地计算解答极其深奥的方程式。
就像举行神圣的礼仪一般,然后则为成千的听众确定一个简单的锥形8英寸喇叭(203MM)。
四种设计工具
作为成功的音响系统设计者,第一种工具是知道。
现在的设计者比起25年前的设计者来要幸运得多,因为现在有极其丰富的音响工程知识来源可以利用。
众多的,甚至是无数的参考书完全包括了这一领域的各个方面(DavisandDavis,1987;
Giddings,1990;
Ballou,1991)。
有各种可利用的期刊,从学术性的刊物到业务通讯刊物与和本期刊一样的商业性杂志。
有各种有声望的学术交流会、讨论会及培训班,可以从各种研究机构,包括我们工业贸易协会,全国音响与文艺物资协会取得来源。
各个取得认可的学院与大学也开始提供有关的课程。
从上述这些渠道,可以获得极其大量的知识。
但是就知识本身而言,是远远不够的。
因此,设计者的第二种工具是经验。
有一种人常说,我们都是从别人脸上学会刮胡子的——在我们能够清楚地掌握我们的音响设备究竟能达到何种先进程度之前,我们往往不得不弄坏许多放大器和扬声器。
这种说法是有一定的道理的。
一个从失败的设计者是维持不了多久的。
第三种工具,也就是到目前为止最重要的一种工具,就是良好的判断力。
设计者必须对人们有良好的理解,能够作出超过技术性细则的判断,能够作出进入人类内在空间的判断。
一种技术上精确的设计,可能由于装配者不懂得装配,或者由于用户不懂得使用而遭到失败。
实际的使用者可能不知道如何去使用这个系统,制造商可能因为没有准备好换代的产品而停止继续生产某型号的产品。
第四种工具,在过去的十年里它变得特别重要,就是计算机。
具体用于音频与声学设计软件的计算机模拟技术(CADS)可以大大加快设计速度,使得它们自己在设计者工具箱里占有一个席位。
但是,在这里一定要记住,计算机是不会自己做设计的,只有设计者本人才能设计音响系统。
曾经有一个赌徒向一个计算机编程员请教,是否有可能编出一个计算机的程序,可以预报谁将在骞马比赛中腾出,这个编程员回答说:
“当然可以,这是非常容易的事,只要假定一匹马是球形的……”
三个准则
成功的音响系统的许多方面是相似的,但是每一种失败的音响系统其失败的原因也是一样的,即其设计是独一无二的。
使用者判断成功的音响系统,有一个著名的准则:
声音是否足够大?
声音是否清晰易懂?
声音会不会回馈?
一种声音浊足够大的音响系统,可以取得短时间的成功,但是最终会引起使用者的不满意。
与过去相比,在现时这是一个比较小的问题。
现代的材料与现代的制造技术,可使扬声器在著火或者损坏之前发出更大的声压水平。
放大器制造商也画了一份他们的贡献,他们可以提供比以前更大的,而且更便宜的音频功率。
现今的音响系统设计者还必须同时注意保护使用者的听力。
这是一种进步,把声音太大的音响系统的声音降低毕竟比把声音不够大的音响系统的声音增大要容易的多。
一套声音不是清晰易懂的音响系统,同样虽然可以取得短时间的成功,但很快也会引起不懑。
不能听出“Johnahinthewhaleknew”与“Jesuswillnotfailyou”两句歌词的区别的含糊声音,会使音响系统成为废品,而不管这音响系统能使合唱队的歌声有多好的音乐感。
音响系统如果有声音回馈,则是一个即时见效的失败,没有任何理由可以原谅这一点。
这是一种设计失败,而不是元件的失败。
即使是比引起鸣叫低得多的声音回馈,也会使房间变得更多的声音回响,从而使需要的音量比原来设计的要大。
作为音响系统的设计者,你在使用一切可能的手段,使音响的音量足够大(但不应大到有危险),使音响的声音清晰易懂,并且首要的事情先做在音响系统设计失败的原因之一是:
设计者没有完全了解使用者要如何使用他们的音响。
设计者必须首先确定,音响系统是如何使用的,它是用来做什么用的。
这一过程就是建筑师们说的发现用户的过程。
这看起来容易,但实际是是非常困难的,在使用者群体里,不同的人会出不同的回答。
例如,教堂里的乐师和牧师对音响系统会有完全不同的主意。
你自己一定要做到与每一个对比音响系统有关的人员进行谈话。
要充分认识到,使用者可能对他们自己要做什么没有一个清楚的主见,但是如果他们碰到一个经常的用法,而你却没有考虑到允许他们这样做,则这仍然是你的错误。
你应该应用你的经验与判断,满足使用者的真正需要,即使是使用者并没有想到的需要。
通常,询问使用对附近的音响系统,哪些是他们特别喜欢的,哪些是他们特别不喜欢的,这是一种有用的方法。
然后是房屋
下一步是考察音响系统将要在其中工作的建筑物。
了解建筑物的结构及材料。
测定环境噪音,如果建筑还未完工,则找暖气,通风与空调(HVAC)工程师,要他们以画面的形式预期环境噪音的值。
如果得不到画面的环境噪音报告,则要全力以赴,密切了解HVAC的噪音,千万不要放过。
了解在建筑物的其他部分,是否有遥控的需要,如演说厅里的辅助扬声器,或者是会议厅里的音响系统。
扬声器与放大器
再下步是助手构思扬声器的布置,如中央扬声器布置、了解卫星延时式布置也分配式扬声器布置。
每种布置系统都有各自的优点与缺点,而你所选择的系统必须满足各种参数变量。
这时要在房间里对扬声器进行测试。
你可以买回扬声器并把它们安装起来进行评估,但是比较容易(
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