一、揚(yáng)聲器系統(tǒng)簡(jiǎn)介：

完整的揚(yáng)聲器系統(tǒng)(loud—speaker，又稱喇叭、音箱)由一個(gè)或多個(gè)下述部件組成，它們分別是電聲換能器——揚(yáng)聲器單元(speaker、driver，又稱驅(qū)動(dòng)器、喇叭)、支撐及輔助發(fā)聲物一一箱體(box、Enclosure，又稱音箱)、分頻器(crossover、network，又稱分頻網(wǎng)絡(luò)，有些情況下不存在)及其他附件組成。需要說(shuō)明的這并非一定是標(biāo)準(zhǔn)的稱謂，但為了避免導(dǎo)致理解上的混亂(可以看到英文稱謂也比較混亂)，下文僅使用上面粗體的定義詞。
揚(yáng)聲器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般來(lái)說(shuō)涉及到電學(xué)、力學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)分析理論、聲學(xué)、聲心理(生理)學(xué)等方面，當(dāng)然也有人說(shuō)有藝術(shù)的成份在里面。無(wú)論如何，合格的設(shè)計(jì)者必須首先保證他設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足技術(shù)上的要求一一能達(dá)到某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)系統(tǒng)的主觀評(píng)價(jià)也是比較重要的一環(huán)。本系列文章著重前兩點(diǎn)的討論。
從技術(shù)角度看，要研究一個(gè)揚(yáng)聲器單元或系統(tǒng)的特性，通常會(huì)進(jìn)行一系列的測(cè)量和考察。這些考察通常包括阻抗特性、靈敏度(或效率)、頻率特性、瞬態(tài)特性、失真特性和指向特性、承受功率等等。實(shí)際上其中某些特性是非線性的，因此通常會(huì)用某種條件下測(cè)量到的直觀的圖表來(lái)反映。下面一一介紹它們的測(cè)量和表示方法。
二、常見(jiàn)揚(yáng)聲器單元或系統(tǒng)考察內(nèi)容：
1、阻抗特性：
阻抗特性是加在某器件兩端的信號(hào)(交流)電壓和產(chǎn)生的電流的比例及相位關(guān)系。對(duì)于理想電阻，無(wú)論信號(hào)的頻率如何變化，只要端電壓恒定則產(chǎn)生的電流不變，而且它們之間的相位差為0，我們稱之為阻性負(fù)載。對(duì)于理想電感，產(chǎn)生的電流會(huì)比端電壓在相位上滯后90度，而且隨著頻率的增加，同樣的端電壓產(chǎn)生的電流越來(lái)越小，我們稱之為感性負(fù)載。理想電容的情況跟電感剛好相反，產(chǎn)生的電流比端電壓超前90度，隨頻率增加而電流越來(lái)越大，我們稱之為容性負(fù)載。
現(xiàn)實(shí)中的電阻、電感、電容都是一些復(fù)合負(fù)載，在使用的時(shí)候要注意工作狀態(tài)其是否導(dǎo)致偏離理想器件太多，否則要等效為復(fù)合負(fù)載。
對(duì)于揚(yáng)聲器單元或系統(tǒng)這樣的負(fù)載來(lái)說(shuō)，原始的方法是用標(biāo)稱阻抗(或稱之額定阻抗)來(lái)標(biāo)識(shí)其阻抗特性，實(shí)際上由于振動(dòng)系統(tǒng)諧振、音圈電感的存在，因此它的阻抗特性呈復(fù)雜的形態(tài)，甚至不可以用理想器件的組合來(lái)完全等效。這樣也造成部分廠家標(biāo)識(shí)額定阻抗的隨意性，而阻抗曲線圖可以直觀地表示阻抗特性。圖1是某一低音揚(yáng)聲器單元在自由場(chǎng)下測(cè)試的阻抗曲線(該揚(yáng)聲器單元標(biāo)稱阻抗為8歐姆，我們可以看到，揚(yáng)聲器單元只在某一段頻率范圍內(nèi)接近標(biāo)稱阻抗)。

圖1.某一低音揚(yáng)聲器單元在自由場(chǎng)下測(cè)試的阻抗曲線

圖中，橫坐標(biāo)是頻率軸，左縱坐標(biāo)是阻抗模值，右縱坐標(biāo)是阻抗相位角?？梢钥吹?，在整個(gè)音頻頻帶內(nèi)(20—20kHz)，其阻抗模值(黑色線)都是隨信號(hào)頻率變化而變化的，同時(shí)相位角(灰色線)也在變化。
留意頻率低端到F1處的阻抗模值，它是隨頻率上升而上升的，因此這段頻率范圍內(nèi)阻抗呈感性，觀察該段的阻抗相位角，均在0度以上。而F1一F2范圍內(nèi)呈阻抗模呈單調(diào)下降狀態(tài)，相位角在0度以下，表明此范圍內(nèi)阻抗呈容性。F2至頻率高端則阻抗又呈感性。如此復(fù)雜變化的阻抗變化，會(huì)給前端的放大器帶來(lái)很高的要求，往往放大器在此種負(fù)載下不能穩(wěn)定地工作在理想狀態(tài)。

需要說(shuō)明的是，由于揚(yáng)聲器單元懸掛系統(tǒng)的物理非線性，導(dǎo)致在不同的測(cè)量條件下，會(huì)反映出不同的阻抗特性(主要表現(xiàn)在諧振頻率附近)。例如恒流法和恒壓法的偏差、測(cè)試信號(hào)大小引起的偏差，但在一般情況下不是專門(mén)考察這些偏差的時(shí)候可以忽略不計(jì)。
2、靈敏度(或效率)：
靈敏度和效率都是反映揚(yáng)聲器(及系統(tǒng))電聲轉(zhuǎn)換能力的參數(shù)，由于非線性等原因的影響，他們又不是完全相同或等效的?！稉P(yáng)聲器及其系統(tǒng)》(曹水軒、沙家正著)中寫(xiě)到，揚(yáng)聲器單元在某一頻帶內(nèi)的效率，是該單元在該頻帶內(nèi)輻射的聲功率與饋給揚(yáng)聲器的電功率之比。即：
η=Pa/Pe×100％
其中，Pa為聲功率，Pe為饋給的電功率。
而Pe=U^2/Z
其中U為加到揚(yáng)聲器兩端的交變電壓，而Z為揚(yáng)聲器單元在該頻帶內(nèi)在阻抗模值。
但正如上面所提到的阻抗變化問(wèn)題，該揚(yáng)聲器單元在這頻帶內(nèi)的阻抗并非恒定的，因此在測(cè)量其效率的時(shí)候，我們要注意計(jì)算饋給功率時(shí)不要采用標(biāo)稱阻抗。而實(shí)際上由于阻抗特性的影響效率也是隨輸入信號(hào)的頻率改變而改變，通常在揚(yáng)聲器單元的諧振頻率附近效率最高，達(dá)到百分之幾的幅度(但此時(shí)并非一定會(huì)產(chǎn)生最大的聲壓輸出——這里要特別說(shuō)明，因?yàn)橛行┪恼聦⑵浠煜?。由于揚(yáng)聲器單元(或系統(tǒng))在中高頻的集束現(xiàn)象(參看下面介紹的指向特性)，我們很難去量度實(shí)際輻射的聲功率。因此便引入了靈敏度這一概念。
最初定義的靈敏度是這樣的：在揚(yáng)聲器單元(或系統(tǒng))的有效頻帶內(nèi)，饋給其以相當(dāng)于在標(biāo)稱阻抗上消耗1W電功率的電壓時(shí)，在參考軸上距離1米處測(cè)量到的聲壓級(jí)(注意這里的聲壓級(jí)用dB表示)，因此靈敏度單位為dB/W/m。也正如上提到的阻抗變化問(wèn)題，實(shí)際上饋給揚(yáng)聲器單元(或系統(tǒng))的電功率并非恒定是1W，而是饋參考其標(biāo)稱阻抗換算過(guò)來(lái)的恒定電壓。例如標(biāo)稱阻抗為8Ω則饋入2.83V，標(biāo)稱阻抗為4Ω則饋入2V。既然如此，靈敏度單位dB/W/m里的功率單位w(瓦特)就名不符實(shí)了。由于我們使用的放大器大部分的輸出電壓與負(fù)載阻抗幾乎無(wú)關(guān)(除了一些電子管放大器，或者負(fù)載低至1～2Ω甚至以下)，鑒于此，筆者建議以后在標(biāo)稱靈敏度時(shí)一律以電壓靈敏度為準(zhǔn)，即靈敏度單位為dB/2.83V／m(結(jié)合大部分揚(yáng)聲器標(biāo)稱阻抗為8Ω的情況)，測(cè)量時(shí)則一律輸人2.83V的電壓(除非特別情況應(yīng)加特別說(shuō)明)。
總的來(lái)說(shuō)，靈敏度與效率的不同之處，部分是因?yàn)槎哚槍?duì)的物理量不同(一個(gè)為聲壓而另一個(gè)為聲功率)而造成的，更因?yàn)樵谟行ьl帶內(nèi)揚(yáng)聲器單元指向從無(wú)變狹窄而造成計(jì)輻射聲功率、軸向聲漫壓的不統(tǒng)一造成。
3、頻率特性：
頻率特性指饋給揚(yáng)聲器單元(或系統(tǒng))的電壓為恒定時(shí)，在參考軸上某一點(diǎn)測(cè)量到的直達(dá)聲壓隨頻率變化的特征，在這里聲壓也是以dB來(lái)表示的。通常測(cè)量頻率特性要在消聲室里進(jìn)行，測(cè)量距離通常為1米(對(duì)于大型系統(tǒng)可能為2米甚至更遠(yuǎn))，現(xiàn)在也出現(xiàn)了可以在普通房間里測(cè)量頻率特性的方法(如用MLS結(jié)合FHT、TDS/TSR等)，饋人的電壓通常為2.83V或者為額定噪聲功率的1/10對(duì)應(yīng)標(biāo)稱阻抗轉(zhuǎn)換得到的電壓。最近也看見(jiàn)在橫向?qū)Ρ葴y(cè)試中按單元在某頻率點(diǎn)輸出聲壓級(jí)相等的情況下進(jìn)行，例如針對(duì)A單元，輸入2V時(shí)在400Hz可產(chǎn)生的聲壓級(jí)為90dB，則采用2V恒壓進(jìn)行頻率特性的測(cè)量，而針對(duì)B單元要輸入2.5V才能在400Hz產(chǎn)生90dB的聲壓，因此在測(cè)量B單元頻率特性時(shí)采用2.5V恒壓進(jìn)行。這些在提供頻率特性時(shí)都需要注明，以方便檢查和橫向?qū)Ρ取?br>由于系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬時(shí)聲壓的與輸入信號(hào)的相位有差異，因此實(shí)際意義上的頻率特性不但包括系統(tǒng)的幅頻特性，還包括了系統(tǒng)的相頻特性。故頻率特性要由幅頻曲線和相頻曲線一并表達(dá)，圖2a是頻率曲線的例子，這是一個(gè)假想的揚(yáng)聲器單元測(cè)量結(jié)果，該單元低端-3dB點(diǎn)為60Hz，在此之下以-12dB/oct滾降，高端-3dB點(diǎn)為40kHz，在此以上以-12dB/oct滾降。為更好觀察諧振的情況，還假定此單元的聲壓在500Hz有幅度達(dá)4dB的諧振，諧振Q值為3。

圖2a.假定無(wú)非線性失真的揚(yáng)聲器單元的頻率響應(yīng)及相位曲線

圖2b.減去延時(shí)后得到的結(jié)果

圖中灰色線為相頻曲線，可以看到在2000Hz以上反復(fù)振蕩在-180度到180度之間。這是由于測(cè)量距離引起的線性相位移(在此例中測(cè)量距離為90mm，因此時(shí)間延時(shí)約為90/344≈0.2616ms，參見(jiàn)圖3的沖激響應(yīng))，也因此稱之為絕對(duì)相位曲線。通常為了更方便的觀測(cè)，我們可以減去這段時(shí)間引起的相位影響，減去延時(shí)影響后圖2b較清晰地反映了相對(duì)相位變化的程度。

圖3.對(duì)假定揚(yáng)聲器進(jìn)行測(cè)試得到的沖激響應(yīng)

圖7a的信號(hào)頻率為3000Hz(上為輸入信號(hào)下為輸出信號(hào))，可以看到輸出波形比較干凈，對(duì)猝發(fā)聲開(kāi)始、結(jié)束的跟隨能力很強(qiáng)，輸入信號(hào)消失后輸出信號(hào)衰減很迅速，只有極小量的信號(hào)能量存儲(chǔ)。圖7b中信號(hào)頻率為500Hz，因?yàn)橄到y(tǒng)存在諧振，輸出波形中包絡(luò)的上升速度較慢(這里可以看到，諧振現(xiàn)象的建立需要一定的時(shí)間)，拖尾現(xiàn)象非常嚴(yán)重，意味著能量衰減緩慢。
圖7c的50Hz輸出也存在上升慢、拖尾的現(xiàn)象，而且由于50Hz的相移較大(參看圖2b大概為超前100度)，因此在10周期猝發(fā)聲穩(wěn)定可以看見(jiàn)相位是有較大的偏移，
更使得l周期的猝發(fā)聲輸出變得有點(diǎn)面目全非了。這些問(wèn)題其實(shí)在圖5的累積頻譜延時(shí)圖也有反映。
5、失真特性：
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)系統(tǒng)的失真特性指輸出信號(hào)跟輸入信號(hào)的失真程度。即系統(tǒng)不失真時(shí)，應(yīng)還原出與輸入完全相同的信號(hào)曲線形狀。但實(shí)際上這是不大可能的，要準(zhǔn)確量度任意非周期信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后產(chǎn)生的失真非常困難，因此我們可以將系統(tǒng)示作線性系統(tǒng)，考察其線性失真情況；另外再將系統(tǒng)示作非線性系統(tǒng)，考察起諧波失真情況。
這里引入了線性失真的概念，它包括了幅頻失真和相位失真，其實(shí)這兩個(gè)情況已經(jīng)在上面的頻率響應(yīng)里反映到，例如某系統(tǒng)在恒壓輸入的時(shí)候工作頻段內(nèi)平均輸出SPL為90dB，而在40Hz時(shí)輸出的SPL為84dB，則該頻率下的頻率失真為-6dB(也可以用百分比表示)。由于頻率失真可以由幅頻曲線和相頻曲線反映，因此一般情況下不再作標(biāo)示。但頻率失真對(duì)原信號(hào)波形的形變其實(shí)是很大的(與其相比，非線性失真對(duì)原信號(hào)波形的影響要小些)，圖7的一系列猝發(fā)聲信號(hào)響應(yīng)反映了這個(gè)問(wèn)題。
考察非線性失真特性可以用諧波失真系數(shù)(THD)和互調(diào)失真系數(shù)(IMD)來(lái)表示。由于系統(tǒng)非線性的原因，在輸入單一頻率信號(hào)時(shí)，輸出會(huì)產(chǎn)生其它頻譜信號(hào)。因此定義諧波失真為輸入單一頻率信號(hào)時(shí)，輸出的高次諧波信號(hào)的幅度與基頻信號(hào)的比值，可以用百分比或dB值表示，注意這里反映的總諧波系數(shù)包括2、3、4等高次諧波。更詳細(xì)的考計(jì)察可以用諧波失真漫曲線繪出諧波失真談與頻率的關(guān)系，或單獨(dú)考察某次諧波的失真系數(shù)或失真曲線(此圖與幅頻曲線近似，故此處忽略)。以上系數(shù)也應(yīng)一并說(shuō)明測(cè)量聲壓級(jí)及信號(hào)頻率。
揚(yáng)聲器單元(或系統(tǒng))在工作時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生高次諧波外，還會(huì)產(chǎn)生頻率低于輸入信號(hào)的分諧波失真，有研究表明分諧波失真對(duì)聽(tīng)感的影響甚至比高次諧波還嚴(yán)重，所以在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)加以考察及處理。
互調(diào)失真的考察方法如下：輸入兩個(gè)頻率不同的信號(hào)FL和FH(例如500Hz和6000Hz)，它們的幅度比固定(例如4：1)，由于系統(tǒng)非線性會(huì)在輸出端產(chǎn)生除了FL和F。之外頻率的信號(hào)，例如FH-FL、FH+FL或FH±nFL等信號(hào)(n=l，2，3…)?？疾爝@些信號(hào)頻譜、幅度與輸人信號(hào)的幅度、頻譜的對(duì)比，可以詳細(xì)地了解到互調(diào)失真的情況。對(duì)揚(yáng)聲器的線性和非線性失真，還有很多不同的考察方法，以后有機(jī)會(huì)再續(xù)一介紹。

圖8a.系統(tǒng)在不同水平偏離角度下測(cè)量的頻率響應(yīng)

6、指向特性：
在低頻的情況下，聲波波長(zhǎng)比振膜尺寸要大很多，此時(shí)揚(yáng)聲器單元(或系統(tǒng))無(wú)指向性，可看作點(diǎn)聲源，但隨著頻率的升高，則越來(lái)越呈強(qiáng)指向狀態(tài)，在很高頻率下，甚至還會(huì)出現(xiàn)副波瓣的現(xiàn)象，如圖9。

圖8b.某揚(yáng)聲器系統(tǒng)指向性頻率響應(yīng)

圖8c，經(jīng)圖8b指向性相對(duì)幅頻響應(yīng)

考察指向特性通?？梢杂靡唤M指向性幅頻曲線或以極坐標(biāo)表示的指向圖。前者如圖8a、8b、8c，分別在偏離參考軸一定角度方向上測(cè)量出一組頻率特性，圖8a是二維圖形，多個(gè)角度下測(cè)量的幅頻曲線繪在同一個(gè)XY坐標(biāo)系里，x、Y軸分別是頻率、聲壓級(jí)幅度，而圖8b則是三維圖形，增加一個(gè)z軸表示角度的變化。為了更好地觀察偏軸與軸向的對(duì)比，可以將圖8b的軸向響應(yīng)視作水平線，而將軸向和偏軸測(cè)量到的差繪人3維坐標(biāo)中，便得到如圖8c的圖形，《Stereophile》雜志的測(cè)量通常采用后者。針對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，水平離軸和垂直離軸響應(yīng)往往是不一樣的，要加以說(shuō)明。

圖9：某15cm單元在800Hz、3200Hz和12800Hz下的指向圖

優(yōu)秀的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)總是力求保證系統(tǒng)有較好的離軸響應(yīng)，這一方面是為了擴(kuò)大聽(tīng)音范圍，也避免了小幅度移動(dòng)聽(tīng)音位置而造成的音色差異，而另一方面由于實(shí)際房間里的反射影響，良好的指向性能可以得到比較良好的主觀感受。
考察指向特性還可以用多個(gè)頻率的指向圖來(lái)進(jìn)行，如圖9，這是一個(gè)15cm口徑的揚(yáng)聲器單元的模擬結(jié)果：
指向特性不但跟振膜的尺寸有關(guān)，對(duì)于揚(yáng)聲器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)還與分頻點(diǎn)的選擇、分頻斜率有關(guān)，在以后的系列文章中，我們還會(huì)介紹一個(gè)實(shí)用的模擬程序ARPE(Asymmetrical Response Pattern Estimator)，可以在設(shè)計(jì)前期很方便的觀察指向特性。

總結(jié)：本篇簡(jiǎn)單介紹了揚(yáng)聲器系統(tǒng)的組成及約定了一些稱謂。也簡(jiǎn)單介紹了從技術(shù)角度如何對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行考核，在觀察這些指標(biāo)的時(shí)候，我們一定要注意其測(cè)量條件，并要深刻理解這些指標(biāo)到底反映了什么、卻又存在什么局限。
考察一個(gè)高保真的揚(yáng)聲器或系統(tǒng)，還有一些角度或方法，例如ETC曲線、考察箱板震動(dòng)情況等。
以上介紹的部分內(nèi)容其實(shí)對(duì)于任何存在于音響系統(tǒng)在的器件都是有效的，如放大器也要考察頻率響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)及各種失真。同時(shí)如果它們也可等效為線性時(shí)不變系統(tǒng)，在考察整個(gè)音響系統(tǒng)的最終效果時(shí)則應(yīng)將其一并進(jìn)行。例如由于放大器的某種原因造成了頻率響應(yīng)的變化，則其瞬態(tài)特性也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。
上述指標(biāo)對(duì)于在頻域、時(shí)域產(chǎn)生的線性失真(特別是相位失真部分)和非線性失真對(duì)音質(zhì)造成的影響至今仍未有定論，因此將失真形式、程度跟主觀聽(tīng)感聯(lián)系起來(lái)也就成為將來(lái)的研究方向。
--------本文摘自肖鵬發(fā)表在《AV STATE OF THE ART》2004.7上的《揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)漫談㈠入門(mén)篇》