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【專題】知之非難,行之不易 小談揚聲器的失真(連載1)

作者:十三行經典音樂
【專題】知之非難,行之不易 小談揚聲器的失真(連載1)

前期計劃這個專題文章的時候,給人的感覺似乎太專業了,太複雜了,因為涉及到揚聲器的設計,驅動單元的零部件的生産和制造。對于我們的閱聽人群體來說,絕大多數都是銷售人員,或者影音定制安裝技術人員,還有部分的影音愛好者,并非是從事揚聲器開發、生産和制造的專業人員,是以在揚聲器失真的内容方面往往在一定程度上會超出範圍。

作為影音定制安裝技術人員,你們經常給客戶配置、安裝和調試影音裝置,難免會接觸影音裝置以及音頻測試裝置。在調試時需要對音響裝置做測試,一方面確定使用者手上的産品處于正常狀态,另一方面是幫助你設定系統的參數,進而更好的優化音響系統的性能。在維護時也需要通過測試來排除系統故障。我認為了解揚聲器的失真可以幫助你在工作上能解決一部分的問題。作為銷售人員,你們也經常接觸到客戶,需要把産品推銷給客戶,多了解可以為自己增加談資。作為影音愛好者,也不妨多了解,從中可以了解自己的揚聲器,甚至在将來深入的搭配音響系統時,本次專題内容也能起到一定程度的幫助,或許當你讀過本期内容時,會改變你過往對揚聲器的一些認知。

揚聲器是音響系統的最終播放部件,負責電聲轉換功能。從外觀上看,就是一個箱體裝上驅動單元,如果打開其内部還可以看到分頻器。世界上有着相當多的音響公司在設計和生産揚聲器,在音響發燒友圈子裡面都大量都人DIY。事實上,隻要做過揚聲器的人都知道,揚聲器真的非常難做好,是以揚聲器看似簡單,但實際上是易做難精。揚聲器的失真是衡量揚聲器性能的其中一項名額,也是一項非常重要的名額。不論廠家,還是發燒友自己DIY,為了在允許範圍内控制好這項名額而付出各種努力。

【專題】知之非難,行之不易 小談揚聲器的失真(連載1)

本次專題主要内容包括:

第一、揚聲器的失真來源 — 磁路部分

第二、揚聲器的失真來源 — 振動部分

第三、揚聲器的失真來源 — 分頻器、箱體部分及倒相管

第四、揚聲器的失真 — 總諧波失真

第五、揚聲器的失真 — 脈沖響應失真

第六、揚聲器的失真 — 相位失真

第七、揚聲器的失真 — 互調失真

第八、揚聲器的失真 — 分諧波失真

第九、揚聲器的失真 — 大功率諧波失真

【專題】知之非難,行之不易 小談揚聲器的失真(連載1)
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【專題】知之非難,行之不易 小談揚聲器的失真(連載1)

揚聲器的失真來源于哪裡?

揚聲器的首要失真來源首先肯定是驅動單元,因為它才是揚聲器裡面真正實施電聲轉換的部件,影響着整個揚聲器的音質。目前,動圈式揚聲器是目前應用最為廣泛的驅動單元類型之一,在過去的專題當中就曾經說到動圈式揚聲器從電到聲音之間必須經曆兩次轉換,先把音頻電信号轉換為機械運動,機械運動帶動振膜運動然後驅動空氣,最終傳送到我們的耳朵裡,是以但凡涉及能量轉換都會産生失真。

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上:音圈長度等同磁隙長度;中:短音圈(音圈長度小于磁隙長度);下:長音圈(音圈長度大于磁隙長度),以及三種不同設計的音圈在磁場中位移

磁路系統引起的失真

把一隻驅動單元翻到背後,你可以看到它的磁鐵(也有人稱為“磁鋼”),磁鋼的材質常見是鐵氧體磁鐵、钕磁鐵,少數钴磁,甚至采用勵磁(電磁鐵)。另外,還能看到音圈、定心支片(又稱“彈波”)、T鐵、導磁闆等部件。

再細心觀察音圈,用手輕輕按振膜就會看到音圈是在一條縫隙中活動的,這條縫隙是由T鐵和導磁版形成的,稱為“氣隙”。在磁鐵的作用下,氣隙就會形成磁場,是以當音頻電信号經過音圈時,在電磁感應的作用下就會在磁場中做位移。

從完美的理論角度來看,磁通分布必須均勻,這樣音圈才能均勻受力,理論上不失真。但實際上磁通分布并不均勻,位于氣隙中部比較均為,兩端不均勻。換句話說,氣隙中部是線性區域,兩端是非線性區。是以,音圈線上性區域裡面位移時,失真最小,當位移範圍增加,超出線性區域時失真會增大。工程師在設計驅動單元的時候都希望盡可能讓音圈線上性區裡面有更大的位移範圍。一種比較典型的做法就是“短音圈,長磁隙”,稱為“Underhung Coil”,就是縮短音圈的長度,讓它小于磁隙的長度。

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力因數Bl(x),圖中注明音圈長度為10mm(紅色線),分别在10mm(藍色線)、5mm(綠色線)、15mm(粉紅色線)和20mm(黑色線)長度的磁隙中的Bl(x)曲線

為了表示音圈在磁隙中的特性,可以通過力因素Bl(x)呈現。可以看到在短音圈,“短音圈,長磁隙”時(10mm音圈/15mm磁隙,或10mm音圈/20mm磁隙),可以看到Bl(x)曲線都有一段較長的平穩狀态,可是一旦離開線性位移範圍後Bl(x)曲線會急劇降低,呈現硬非線性狀态。相比之下,長音圈的平穩狀态相對較短,當音圈離開位移範圍之後Bl(x)曲線下降相對緩慢,呈現軟非線性狀态。

因音圈而導緻的“磁場調制”

音圈有音頻電信号通過的時候,自身也會産生磁場,并擴散在磁鋼、導磁體以及空氣當中。音圈的磁通量大小于音圈的位置以及電流強度有關系,而音圈的磁場會對磁路産生互相影響,能讓總磁場強度升高至飽和,或者降低,磁通密度會産生變化,這種現象稱為“磁場調制”,也會産生失真。是以,需要讓音圈的電感量降下來,控制好總磁場強度。很多驅動單元都會在接近音圈的地方加入短路環,短路環通常是銅制,或鋁制的環(或帽)制作而成。加入短路環之後,音圈的交變磁場在短路環中産生一個電流,并形成反向磁場,進而将音圈的電感量降下來,起到減少失真的作用。

【專題】知之非難,行之不易 小談揚聲器的失真(連載1)

通電的音圈自身也會産生磁場,這個磁場會跟驅動單元的磁路産生調制,進而産生磁路失真

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Miller&Kreisel MX300系列裡面使用的中低音驅動器,Aluminium Shorting Ring辨別的就是它的短路環

振動部件的形變

驅動單元的振動部件包括振膜、音圈骨架、防塵冒、懸挂系統(定心支片和折環)等,它們在驅動單元運作的時候都會因受力而産生形變,而且應力高的情況下,這些振動就會呈現非線性,進而産生失真。比如說,在高頻的時候,振膜、防塵帽、音圈骨架等部件就會呈現分割振動狀态,在低頻時,懸挂系統會呈現非線性狀态。要降低振動部件産生的失真,還是從材料,加工工藝方面下功夫,追求既輕量化,又要足夠硬的部件,是以會出現铍、鑽石、碳化硼、钛等材質的振膜及其他零部件,減少形變,降低失真。

【專題】知之非難,行之不易 小談揚聲器的失真(連載1)

振動部件,包括振膜、定心支片、折環在驅動單元發聲時都會發生形變,分割振動就是如此

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未完待續

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