扬声器设计

专访扬声器设计大师 Peter Larsen Peter Larsen：世界顶尖级扬声器设计大师 Peter Larsen 多年来一直致力于高品质扬声器的研发和生产技术的控制，其构 思与设计具有独特的内涵与造诣。他设计与开发的现代扬声器， 无论是声音品质还是艺术造型，在全球均处于领先地位。音响界 赫赫有名的 Dybaudio Esotech Dome tweeter、Vifa-speak Ri ng Radiator R25TG 等喇叭都是 Peter Larsen 的得意之作，P eter Larsen 设计的扬声器对于欧洲音响界的发展产生了重要影 响。Peter Larsen 是业界公认的世界顶尖级扬声器设计大师。 Peter Larsen 先生出生于丹麦，1974 年在挪威 Seas(西雅 仕)开始他的音响职业生涯。1979 年到 1987 年间，Peter Larse n 先生在丹麦 Vifa（威发）任总工程师。而从 1987 年开始到 19 90 年间的 3 年时间里，为丹麦 Dynaudio（丹拿）公司设计高级 扬声器。1991-1993 年，在美国 JBL 任总工程师。随后，Peter Larsen 先生又先后任法国 Audax、英国 KEF、丹麦 Vifa、英国 NXT 等著名品牌技术顾问。Peter Larsen 代作 Peter Lar sen 先生设计的单元有 T26AG/SG series of low resonance t weeters、T26A/SN series of low resonance Neodymium tw eeters 、Dynaudio Woofers 15W75 and 20W75、vifa_tc11s g49、Dynaudio Esotech D260 Dome tweeter、Vifa-Speak Dome Tweeters: D19SD -D20TD -D25AG - D26TG - H25 TG 、Vifa-Speak Ring Radiator: R25TG，每一款都堪称业界 经典。KEF、AE 厂的一些 OEM 单元也是他设计的。Dynaudio Esotech D260 Dome tweeter DynaudioEsotecD260 一 吋软凸盆高音，以宽阔的动态范围和特别清晰透明的声音闻名于 世,是当世最好的单体之一。特大的磁铁与散热良好的六角形音 圈，让它能发出 127dB/1m 的绝对音压，瞬间承受功率高达惊人 的两千瓦，比一般高音至少多出 10dB 的动态余裕，而它的音质 又如水晶般透明。Dynaudio Woofers 15W75 Peter Lars en 先生在丹拿的另一款中低音单元名作，有极好的指向性, 音质 纯净，透明感极佳、细节丰富，动态范围宽阔。Vifa-Speak Ri ng Radiator R25TG 谈到世界上第一个环状高音单体R25T G 的诞生， Peter Larsen 先生顿时显得神采飞扬。原来，Pete r Larsen 一直想设计一款与众不同的高音单元，但经过多次实 验，参数仍然达不到理想状态。一个星期五午后,屡遭挫败的 Pe ter 一气之下把一个大头钉钉在了高音单元的球顶振膜中心，他 几乎想终止这款高音单体的研发......然而，奇迹出现了！在随后 的聆听中，被钉“坏”的高音单元听感居然还不错。继而在测试中 发现，其高频延伸令人惊讶地达到了 40K。接着 Peter Larsen 进行了详细的观察和，发现在极高频时，球顶中心部分振动 比较困难（能量大部分消耗在振膜边缘的分割振动上），而变成 了一个环型的发声体，既然如此，何不干脆把高频单元设计成环 型的呢？经过一番努力， R25TG 诞生了!Peter Larsen 与 LOU NSOFT 在 LOUDSOF 的背后，正是一个集结了多年愿景，科学 及经验的故事。LOUNSOFT 的由来 那年，在 Dynaudio 任 职总工程师的 Peter Larsen 自问：怎么样可以节省时间？怎么 样可以避免浪费无用的模具？怎么样可以设计更好的产品？于 是他开始发展这套电声仿真软件来帮助自己设计扬声器。 根 据他在扬声器系统设计中的多年经验，他发展了一个程序，可以 帮助他更快更好地设计扬声器的磁路系统及声音线圈。为了让这 个设计接口更加友好，Peter 求教过 Bob Harris-KEF 的前任首 席设计师-协助他设计这个程序。后来这个程序被人们所熟知并 推广开来。今天这个程序叫做 FINEMotor，已经被推广开来，能 够满足客户的不同需求。1995 年 Peter Larsen 和 Henrik Volle sen 博士（在 Bang and Olufsen 拿到博士学位）参加一个学术 会议，在那里他们讨论了 Henrik Vollesen 博士关于扬声器单体 的一些设想。Peter Larsen 认识到 Henrik Vollesen 博士的设想 具有可行性。 Henrik Vollesen 博士具有多年的经验， Peter Larsen 在扬声器的磁路设计上有丰富的经验，他们两人 花了六年时间数千个小时开发这套系统，以协助喇叭工程师在设 计鼓纸、音膜、悬边及防尘盖等调试单体方面达到最佳化。这个 程序现已成为一个非常有用的工具。这个程序在今天叫做 FINE Cone，帮助全世界的扬声器设计师更好、更精准、更便宜地设 计所需要的模型。 应各客户多年来的要求，Peter Larsen 开发出直观式的音箱设计系统，这个系统更易于操作，可以协助 设计师设计扬声器箱体。Peter Larsen 和 Bob Harris 开发的这 套系统具有世界领先地位。 Peter Larsen 的目标是开发出 更灵活更实用的程序，用来帮助设计师的日常工作。而设计师需 要的是一个高效的非线性的工具，以避免大量的手工输入，同时 能以一种简单的方式进行高级设计。Peter 和 Bob 已经开发出了 这样一个工具，这个工具叫 FINEBox。FINEMotor 这一个程 序帮助他轻松及快速地设计扬声器磁路系统及线圈系统，这是今 日在市面上唯一精确的磁迥设计程序。FINECone 投入了数 千个小时开发的这套仿真系统，能协助喇叭工程师设计鼓纸，音 膜，悬边及防尘盖，同时发觉设计上的问，在最短的时间内设 计出一个功能更好，成本更低同时更精准的电声转换振动系统。 FINEBox+X-over 极具弹性及直观的音箱设计工具，而能实 用于每日设计工作，是一个先进强大高功率非线性的音箱仿真程 序，以更简单而不必实测的方式完成设计。LOUDSOFT 优点 在最短时间的内设计最好且成本更低的产品；帮助您不再面临 设计的挫折；协助找出真正问题以谋求修正办法；一个可以观察 实际发生动作的工具.音乐家 Peter Larsen Peter 同时也是 技艺不凡的钢琴演奏家，曾录制多张音质非常好的钢琴演奏 CD。 活跃于国际乐坛 ，Peter 有长达 35 年的合唱团演出经验，不仅 是一位优秀的钢琴家，同时也是一个技巧高超的长号演出者，加 入钢管五重奏并于该团中担任音乐企划，近年有杰出的 CD 发 行。Peter 对于声音及音乐听觉敏锐，也证实了他应用在扬声器 聆听测试上的过人之处。Peter Larsen 对电声工程师的 采访快结束时记者问道：“如何设计一款出色的扬声器单体？” Peter Larsen 的回答出乎意料的简洁：“我认为最重要的是：精 确的测量。” 音响入门声学基础 Post By：2008-12-24 12:44:53 1）声音的产生根据物理学，声音的本质，是由物体振劝引起周 围弹性物质发生波动的现象，物体的振动会激振空气而发生空气 压力的波动，该波动就是我们称的声波运动，声波进入人耳，振 动耳膜所引起的听觉感受叫做“声音”。2）有关声音的主要物理 量音速：即声波转送的速度。声波传送的速度会因行经之媒介物 与温度而有所差异，一般认为是 344 米/秒。波长：指声波的质 点由起始点起，至终结点止，上下摆动一个完整波形的周期之间 的距离。波长的单位为：米（m）频率：指声波在一秒钟内振动 一个周期的次数。频率的单位为：赫兹（Hz）声压：指声波引 起的大气压的波动。单位为：分贝（dB）3）人耳的听觉特性人 耳所能察觉的最小声压为 0 分贝，所能承受的最大的声压为 12 0 分贝。以现实生活中的现象来列举声原的分布情况：10～20 分贝：人的呼吸声 20～40 分贝：小声交谈 40～60 分贝：一般 谈话 60～80 分贝：喧闹的办公室 80～100 分贝：卡车声 100－ 120 分贝：交响乐最强音 120～140 分贝：喷气式飞机起飞人耳 可以听到声音的频率范围 20Hz～20000Hz，一般分类低于 300 Hz 为低音部分，300Hz 至 4000Hz 为中音部分，高于 4000Hz 为高音部分，其中人耳对高音部分的回应，会因人而异，并会随 著年龄的增长而减弱。等响度曲线，人耳对声音响、轻的感受（称 之为“响度”）除了和声音的声压级有关，还与频率有关，著名的 佛莱奇尔－芒森（Fletcher-Munson）曲线图（亦称等响度曲线）， 正是表示了响度、声压、频率三者的关系。1，人耳对不同的纯 音的回应是不同的，对 3k－5kHz 这一频段的声音最为敏感。2， 声压级越高，人耳的听觉特性越平坦，随著声压级的降低，人的 听觉频响会变差，低频段尤甚。 4）声音的三要素以听觉心理上 的性质而言，即响度、音高与音色。响度：即人耳对音量大小、 声音强弱的主观感受，其特性在“等响度曲线”中已有表述。音高： 即人耳对声音频率的主观感受，物体振动频率越高，音高则高； 反之物体振动频率越低，音高则低。如女生的声音比男生高；定 音鼓的音高比低音鼓的高。音色：是人耳在主观感觉上区别具有 相同响度和音调的两个声音有所不同的特性，即两个声音即使响 度与音高一样，如小提琴与小号发出同一音调，但人耳仍能感觉 出不同。这是因为这两个声音的基频（音高）虽然一样，但他们 所包含的谐波（也指泛音）不同，因此就具有了不同的音色。5） 音质的主观评价及术语 i）清晰度：清晰度是指音乐重播时，各 频段的发音界限明显清晰，一般地说，40000Hz、7500Hz、12 000Hz 频段的声音对它起积极的作用，在 125～250 Hz 频段的 声音对它则起消极的作用。另外混响和延时处理也会降低清晰 度。ii）力度：力度指声音的音感突出，有穿透力。一般来说 20 0～1000 频段的声音对它起推动作用。iii）临场感：临场感是指 在音乐重放时给人以身临其境的感觉，临场感与清晰度相承。iv） 丰满度：丰满度是指人耳对音乐的一个整体的感觉，是由 100～ 250Hz 频段所构成的效果，该频段的响度足够时，可以产生满意 的效果。v）明亮度：明亮度是指声音悦耳、嘹亮，它与清晰度 起相承的作用。2000～4000Hz 频段的声音对它起积极的作用， 而 125～500Hz 的声音则对其起消极的作用。 功放参数介绍 Post By：2008-11-21 9:02:28 功放技術指標的解讀與應用功放技術指標的解讀與應用 以 清華大學 TW-2008X 世紀版為例 1、輸入靈敏度：200mv 2、 諧波失真度：0.01% 3、輸出功率：2×100W（RMS.8 歐） 4、 信噪比：96dB（不計權） 5、頻率回應：3-156KH2（-3dB） 6、阻尼係數：280 ①輸入靈敏度 200mv，是指功放所需最小輸 入信號電平,是要求將音源信號放大到足夠推動後級功放所需要 的必要條件，（要使信號高質的傳輸，必須滿足此項條件，即電 平匹配，阻抗匹配，傳輸方式匹配等）。一般 CD，DVD 機輸出 電平較高，足以滿足要求，在此可以忽略. ②諧波失真度：這是 功放一項極重要的指標，諧波失真是非線性失真的一種，它是放 大器在工作時的非線性特徵所引起的，失真結果是產生了新的諧 波分量，使聲音失去原有的音色，嚴重時聲音發破、刺耳。諧波 失真還有奇次和偶次之分，奇次諧波會使人煩噪、反感，容易被 人感知。為何有些功放聽起來讓人感到煩噪，感覺疲勞，就是失 真較大所引起的。對功放影響最大的就是失真度，一般高保真要 求諧波失真在 0.05%以下，越低越好。TX-2008 能做到 0.01%, 應該說是不錯的, 進口高檔功放可做到 0.002 左右，令人玩味無 窮、久聽不厭，就是因為做到了極小的失真度的原因。除了諧波 失真外，還有互調失真，交叉失真，削波失真，瞬態失真，相位 失真等，由於篇幅關係暫免敍述。總之，諸多失真是影響功放品 質的罪魁禍首。考核功效的優劣，首先要看它的失真度。 ③輸 出功率，功率問題最令初哥們迷惑，其各廠家標識也很混亂，下 麵逐一講解： A、額定輸出功率，稱為（RMS），指放大器輸 出的音頻信號在總諧波失真範圍內，所能輸出的最大功率，是最 常見的，也是比較實在的標注。 B、削波功率，指放大器輸出正 弦波信號剛剛開始削波時的功率，它比額定功率要大 1.6-2 倍。 C、音樂輸出功率，指輸出失真不超過規定值的條件下,功率放 大器對音樂信號瞬間最大輸出功率。簡稱（MPO）。 D、峰值 輸出功率：功放所能輸出的最大音樂功率稱為峰值輸出功率，簡 稱（PMPO），它不考慮失真，通常為（RMS）功率的 8 倍左 右，它的出現是廠家出於商業目的，並無實際意義。早期雙卡答 錄機大都用此功率來標注。那麼（RMS,8 歐）又是什麼意思呢？ 是指 8 歐情況下可輸出額定 100W 功率，如在 4 歐情況下，還 可增加 1.5-2 倍的輸出功率（這要看機器內部變壓器的容量和用 管數量了）高檔功放甚至可以工作在 2 歐，主要是功放內部用料 的功率富裕量因素決定的。一般甲乙類功放最低只能工作在 4 歐 以上。通常功放標注以（RMS）具多，用它來選配音箱與之配 合是比較妥當的。如何來驗證功放的（RMS）功率呢，業餘情 況下有二種簡便的方法：①用功放輸出電壓有效值的平方與負載 的比值來表示，即 P=V2/R，P 為有效功率，V 為功率輸出端交 流電壓，R 音箱標稱阻抗。如測得交流擺幅為 20V，音箱阻抗為 8 歐 20×20÷8＝50W，音箱 4 歐時=100W，所得結果為近似值。 ②直觀估算法：一般甲乙類功放，如採用 300VA 電源變壓器， 按效率 70%計，即 300×0.7=210W÷2＝105W（每聲道）也就是 這台功放輸出功率最大不會超過 2×105W，反過來計算，如果 2 ×100W 的功放，按要求那麼它所採用電源變壓器的容量一定不 會小於300VA。TW-2008完全符合這一要求,還留有不少的餘量。 一些進口 AV 功放，5-7 個聲道、每聲道總標百餘 W，總功率上 千 W，但電源變壓器就那麼大，天曉得他們是用什麼功率標準 算出來的，日系 AV 最明顯，總以 6 歐來唬人，真正按 8 歐算 出來有實足的 100W（每聲道就不錯了）用過 AV 功放的人都知 道，大動態時往往顯得腳軟。故我常推薦購 AV 功放，最好選擇 中檔以上，否則形同雞肋。 ④信噪比：數值越大越好，一般用 （S/N）表示，用信號功率 Ps 與雜訊功率 Pn 的比值的分貝數表 示，S/N=10lgPs/Pn=20lgVs/Vn（db）（公式不好打，只好改為 左視）式中 Vs、Vn 分別為信號電壓與雜訊電壓。信噪比與輸入 信號電平的增加，信噪比也逐漸加大，但當輸入信號電平達到某 一數值後，信噪比基本保持不變，按目前高保真要求。信噪比應 達 95dB 以上為好，進口高檔機往往可達 110-124dB，其性能可 想而知了。再說計權問題，有的信噪比後面有 A 計權字樣，A 計 權是指將雜訊信號通過（附圖）所示計取曲張加權網路後測得的 結果，由於人們對於高、低頻段的雜訊相對來說不太靈敏，所以 出現了（附圖）所示形狀的曲線，計權雜訊更加直觀地代表人們 實際感受到的雜訊信號狀況（圖打不出來，請見諒）。總之，信 噪比越大，表明混在信號裏的雜訊越小，放音質量越好，便重放 音樂清晰，乾淨而有層次。 ⑤頻率回應，早期俗稱功率帶寬， 指諧波失真不超過規定值時，功放的 1/2 額定功率頻帶寬度，即 有高低端下跌一半（－3dB）的兩個頻率點之間所包括的頻帶， 稱之為功率帶寬，它很有實用價格。如日本安橋 AV 功放早期頻 響為 20－30KHz（±0.5dB）現採用（WRAT）寬頻技術後，頻 響達 50－ 100KHz（＋1－3dB）。高級進口功放，低頻可從 0 Hz 開始（直流化），因為功放在滿額定功率工作是很少見的， 如果放大器工作正常，頻率回應一定非常好，幾乎是一條直線， 通常可遠遠超出可聽音範圍（20－20KHz）。TW－2008x 功放 頻響達到（3－156KHz－3dB）確實是不錯指標了。幾乎可以完 美再現各種音樂的細節，實屬國產之精品。 ⑥阻尼係數，（主 要是對低頻而言，是直接影響低音音質的極重要的技術參數）， 敢標這個技術指標，說明該功放設計達到了一定的水準，一般功 放不給出這個指標，眾所周知，喇叭的口徑越大，低音相對就越 好，但音盆越大其運動慣性也隨之加大,此慣性使它很難與音頻 信號同步運動，往往表現出的聲音混濁不清，尤其在低頻歐 100 -400Hz，容易造成聲染色，使人聽起來模糊不清，很不自然。 為什麼有些燒友家中的音箱中喇叭，低頻信號強時顫振不止，低 音老感覺不乾淨，這就是音盆慣性所引起的。音響工程師們注意 到這一點,對功放採取一些技術措施，如選擇多管並聯，低內阻 （毫歐級）大功率管，提高±工作電壓，選擇優質線材等，極力 提高阻尼係數，使它能夠針對喇叭慣性運動，產生“電阻尼”作用， 使音盆的運動與音頻信號同步運動，盡可能使音盆在驅動信號結 束後很快恢復到零位（即中心位置），這種阻止效果就是阻尼係 數(D 來量)，D=Rs/Ri，Rs=喇叭音卷阻抗，Ri=功放輸出內阻， D 越大，音盆與信號同步效果就越好，低音就越純越乾淨，重放 效果就越好。早期功放阻尼係數要求 10-50，現在的功放可以做 幾百甚至上千。TW-2008 能做到 280 也確實不易了。轉換速率： 功放的轉換速率（Siew rate），它極大地影響著高音重放品質 與性能（一般廠家不給出此項指標）轉換速率越快，高音音質就 越佳。越能準確地捕捉到稍縱即逝的高頻資訊，（選用運放的燒 友都知道，儘量選用寬頻響，高速率型的，如 AD847 轉換速率 達 300V/us.就是考慮轉換速率問題）。高檔功放可做到十幾至 幾十 V/us，低中檔功放都根本不敢標出，這種轉換速率的數值 高低，與設計，用料有密切關係，但也不宜太高，太高會產生人 耳聽不見的超音信號，指 20KHz 以上，不但對改善音質無作用， 反而容易燒壞高音喇叭，不過正規廠家設計時都會考慮這個問 題，高級功放往往會採取可調轉換速率技術。一般控制在 12V/ ms 左右為佳。一句話，較高的轉換速率，可以保證較優秀的高 頻重放特徵。 音箱烧高音的原因分析 Post By：2008-12-24 12:47:00 1、音箱与功率放大器配置不合理 功率放大器的输出功率太大，造成高音单元的损坏，其实不 然。在专业场合下，扬声器一般可以承受 3 倍于额定功率的大信 号冲击，瞬时可承受 5 倍于额定功率的峰值冲击而不会有问题 的。因而，不是因意外强冲击或话筒长时间啸叫，而由功率放大 器功率大而烧高音单元的情况是极少出现的。 众所周知，音箱内有多个扬声器，扬声器所承受的功率， 按分 频点的不同进行不同分配。 音箱的额定功率，一般专业音箱标明最大粉红噪功率，也就是说， 音箱的额定功率是指粉红噪声或宽频带能承受的模拟信号功率。 一只分频点为 1.6kHz、额定功率为 100W 的二分频音箱，在额 定功率时，低音单元可分配到 78W 的输出功率，而高音单元仅 分配到 22W。因此，对该音箱施加 100W 的粉红噪声功率或普 通节目信号功率，它可以承受；而用 100W 的单频信号去测试时， 无论高音和低音单元都有可能损坏。 如果一只三分频的音箱，中、高音的分频点在 4kHz，那么， 高音单元的承受功率只有标称功率的 5%。如果功率分配不当， 就会很容易造成高音单元的损坏。 在正常情况下，若输入给音箱的信号加大 1 倍，高音头的功率仅 增加 5W；但如果功率放大器的功率不足，致使信号过载出现削 幅，高次谐波分量就会剧增。原为 1kHz 的正弦信号，在过载削 幅接近方波时，就会在 1kHz 的正弦波外，产生大量的奇次谐波， 如 3kHz、5kHz 等的正弦波能量，使信号中高音成分的比例大大 增加，进而造成信号中的高音频谱能量远远的超过高音单元所能 承受的功率。即使此时的信号总功率还没达到音箱的额定功率， 但高音单元已经过载而造成损坏。这种情况比信号短时过载，但 不出现削幅更加危险。在信号不失真时，短时过载的 1kHz 信号， 功率能量落在功率较大的低音单元上，不一定超过扬声器的短期 最大功率，一般不会造成音箱功率分配的偏差而损坏扬声器单 元。因而，正常使用条件下，功率放大器的额定输出功率应是音 箱额定功率的 2—3 倍，才能保证在音箱的最大功率时功率放大 器不造成失真。 2、分频器使用不当 输入端分频点使用不当，或扬声器工作频率范围不合理也是 导致高音单元损坏的一个原因。在使用分频器时，应严格按厂家 提供的扬声器工作频率范围来合理的选择分频点。高音扬声器的 分频点如果选择偏低，承受功率负担过重，就很容易烧毁高音单 元，中音号筒也是如此。 3、均衡器调试不当 均衡器的调整也是至关重要的。频率均衡器是为了补偿室内 声场的各种缺陷和扬声器的各频率不均匀而设置的，应该用实际 频谱分析仪或用其它的仪器进行调试。调试后的传输频率特性应 在一定范围内是比较平坦的。许多不具备音响知识的调音员随意 的进行调试，甚至有相当多的人，把均衡器的高频和低频部分提 得过高，形成“V”字形。如果这些频率与中音频率相比被提升高 于 10dB（均衡器的调节量一般都在 12dB）的话，不仅均衡器 造成的相位畸变要对音乐声严重染色，同时，也极易造成音响高 音单元烧毁，这类情况也是烧毁扬声器的主要原因。当然，音响 系统的设计要根据实际情况，如场地大小、用途、建声条件等综 合考虑，要根据实际的使用条件来确定最大连续声压级，进而确 定音箱的最大 SPL 值。 4、音量的调节 不少使用者把后级功放的衰减器置在-6dB、-10dB，即音量 旋钮的 70%—80%，甚至一般的位置上，靠加大调音台输入来 达到合适的音量，以为功率放大器留有余量，音箱就安全了，实 际上这也是错误的。功率放大器的衰减旋钮衰减的是输入信号， 若将功率放大器的输入衰减 6dB，也就意味着，要保持同等的音 量，调音台或前级必须多输出 6dB，电压要高 1 倍，输入的上动 态余量，俗称“头顶空间”，就要被砍掉一半。这时，若有突发的 大信号，就会早 6dB 使调音台输出过载，出现削幅波形。尽管 功放没有过载，但输入的是削幅波形，高音分量过重，不但高音 失真，高音单元也有可能烧坏。 上述分析，可以使我们很清楚的了解到：音箱烧高音单元的一 个重要原因，是功率放大器的功率太小，而不是太大。功率放大 器送出的信号本声就是削幅信号，导致损坏音箱。所以，在配置 音响时，一定要建立正确的认识，要用“大马拉小车”的方案，防 止功率放大器送出削幅信号而损坏高、中音扬声器单元。在进行 音响系统的设计时，功放与音响的设计功率要案上述原则进行匹 配，实际操作中各个环节的设备要运用合理，才能做到既保护好 设备，又能使音响系统达到最佳的效果。