浅谈倒相管位置对声音的影响

经过多年的发展，目前中国的音箱产品的素质和 过去比已经有了较大的进步，但相比之下进步主要体 现在外观和某些工艺的发展。我们知道，音箱最根本的 作用是重放声音．所以它的声音品质才是最重要的．而 恰恰这方面的进步却是很缓慢。作为音箱行业的一员， 我非常希望这种局面能尽快改善，但这不是某一两个 人能做得到的．也不是靠吹吹牛、做点面功夫或做点 广告就能做得到的；这得靠全行业内人士和关心这个 行业的人士一起努力，互相帮助 踏踏实实地提高我们 的水平，尤其是技术水平a虽然音箱是一个艺术与技术 的结台体，但中国几千年的历史积累使我们可以很自 豪地说我们的民族文化、艺术完全不Lt：~1人差．我们的 主要差距在技术水平落后，同时也缺乏好的机制和环 境激勖技术发展 经过观察、分析和总结 笔者在倒相式音箱的倒相 管位置对声音的影响方面得出了一些自己的看法，希 望能对各位同行有所借鉴，算是为这个行业的发展尽 我自己的一点微薄之力c这些东西同时也可在消费者 购买音箱或者自己动手做音箱时提供一个参考 。 倒相管即在倒相式音箱 (也叫开孔式音箱)上用来 “出气”的那根管子-俗称反射管或出气孔。在常见的 倒相式设计的音箱中．通常有的倒相管放在前面．有的 是放在后面的 ；有的离喇叭单元很近，有的离单元很 远 ；而如Westlake、JBL、Sgendor、AE等名牌产品经 常将倒相管放在音箱正面低音单元上方 。这些不同难道 只是出于外观的考虑?对声音是否有影响?经过笔者分 析 得出的结论是倒相管的位置对声音是有影响的 一 般来说 倒相管放在后面时中音较干净 ；相比之下倒相 管放在前面时的中音不够干净，容易感觉到有杂音 ；当 倒相管距离单元较远时 低音速度慢 但下潜感好．低 音厚实；当倒相管距离单元较近时，低音干净和索 速 度快，但下潜不够好 (请注意：嗽叭单元本身素质以及 设计师选择的整体设计对声音的影响大于倒相管位 置对声音的影响，所以有时两只音箱对比并不完全遵循 这些规律)，为什／厶会有这些差别呢?我们可以从传统 的音箱设计理论对倒相管作用的解释入手分析 在传统的音箱设计理论中，对倒相式音箱的倒相 管的作用以及倒相原理作如下阐述 ：音箱内空闻和倒 相管构成一个亥姆霍兹共振器．这是一种声学结构 (如 图l左图)，由一个腔体和一根与之连通的管子组成 它 能在一特定频率上产生共振。声波经过这个共振器后， 共振频率的声压 (单位面积的声音压力，在业余条件下 可近似地等同为音量)达到最大值，高于和低于共振频 率的声波都被衰减 (图1右图)。其特性类似于电学中 的带通滤波器 ，因 此也像电学中的 带通滤波器一样 会改变共振频率 两边的声波相位 。 对于倒相式音箱 来说这个特定的 圜 1 亥姆■盘共量■示膏 殛其声压一甥率响应曲蛙 共振频率就是通常说的调谐频率 ft，单元背面辐射的 声波经过这个共振器后从倒相管开El辐射出去，其声 压一频率响应曲线变成好像一个山峰，最高点就是￡。 由于共振器改变了声波的相位，在高于 的额段，从 倒相管开El辐射出的声波与单元正面辐射的声波正好 同相相叠加 从而改善低频响应．并因此增大灵敏度。 而低于此频率，从倒相管辐射的声波则与单元正面辐 射的声渡反相相抵消．因此低端的衰减斜率增大。如果 要对这一理论做详细的推导可用电一力一声娄比 (将 声学或力学系统类比成电路 ，并利用成熟的电学知识 来分析j线路进行，本文不讨论详细推导过程 只是目f 用其结果对倒相管的作用作较具体的分析 。 由于倒相管和箱体内空间构成一个亥姆霍莛共振器 相当于一个声学的带通滤波器．因此嗽叭单元背面辐射 的声波经过这个 “滤渡器”后从倒相管El辐射出来时与 未经过 滤波器”前的声波存在一个中的相位差 且有： tgq>= ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 其中：C⋯ 个与箱体内容积有关的量； R⋯ 个与倒相管有关的量 ； 一 一 是角频率 在这里是变量 ； 一 一 箱子的调谐频率，等于 2 ； 上式中当箱子容积和倒相管确定后 (即一个已定型 的倒相式音箱)，c和R均可看成常量；如果把 ／ 。 为变量，Fh~式可得出中随 ／ 。变化的曲线，如图 当两列频率相同、相位差为△ A 的声波相迭加时，其结果为 中、 ， 激嚣j 作 2。 和 _ ．． 0 ≥ 0毒．营 箨 ¨ 薹 M 争耋 攀 维普资讯 http://www.cqvip.com 其中 ：A=帆丽甄 cOs ⋯ ‘3 在空气中，频率一定时．空间某点的声压主要由该 点的声波振幅 【即(2)式中A的值，也就是(3)式中等号 右边的结果j决定，所以本文不讨论COS(∞、+中，)一 项。图(2)中．中是倒相管辐射声波与喇叭背面的辐射 声波的相位差。由于喇叭正面的辐射声渡与背面辐射 声渡是反相的，即存在 180。的相差，所以(3)式中的 △中=q)_180。。根据图(2)和(3)式可得出如下结果： 围2中融 ／ B变化的曲线 A．当 = 时．△中=90t因此COS△中=0t处 于临界状态 ；由于此时嗽叭单元辐射声阻很大，振幅很 小，总的声压主要由倒相首的辐射决定，所以大部份情 况下此时总的声压基本上等于倒相管的辐射声压，如 图(3) 这也正是倒相式音箱的低音比密闭式音箱的低 音慢的重要原因，因为倒相管辐射的声波传到听者位 置时总是比嗽叭单元的直接辐射声波迟 。 B．当‘I】>∞ 时．△ >一90。．因此COS△中>0， 此时两列声波同相相加 ； C．当 <,CO ．时 △中<一90。．因此COS△中<0， 此时两列声波反相相抵消 。 以上就是传统的理论对倒相管的作用的分析 ，我 们还可以电脑模拟设计更为直观地了解这一理论。将 一 只 l5 2crn低音嗽叭单元的参数输入一个电脑模拟设 计的程序中．建立该嗽叭的模型，然后在电脑中模拟设 计出一倒相式音箱 图三就是该箱的低频晌应曲线，是 属于理想情况下的结果 。图中分别显示了喇叭单元响 应曲线 (Driver)、倒相管响应曲线 (Port)以及合成 后的总的低频响应 (Tota1)。从图中可以看出迭加情 况完全符台理论分析t调谐频率 ( )为39Hz 但是传统的理论分析结果是从类比线路中借用电 路知识分析得出的，是建立在一种理想的模式之下的． 没有考虑声波在空气中的传播过程造成的延时效果。 电流在导体中的传播速度等于光速，在作电路分析时 ，／ ： 一 7 一‘ ． ／： ： 一? ，! ，： ，／ ／ ＼： ；／ 围3电瞻楗拟一倒相式膏箱的低姨响应 中传播速度只有344=／s，lO00Hz的声波在空气中传播 loom的距离．它的相位会加大104 ，约0．3十周期t 不小啦【所以如果忽略传播距离对声音的延耐作用有 时会带来误差的。我们可以用图(4)来分析在理实中昕 音时傅相管辐射的声渡和喇叭单元正面辐射的声渡到 达听者位置时所经过的路程差。倒相管辐射的声渡是 从喇叭背面辐射出来．经过～段在箱子内的传播陪程 AB(由于低频在空气中的传播主要是靠绕射一一声渡 通常能绕过几何尺寸小于它的半波长的障碍物，所以 可以看成是直线传播)后到达倒相管，再经过倒相管Bc 后辐射到箱子外面的空气中，最后还得再经过第二段 传播路程cD到达昕者位置 ；而喇叭单元正面辐射的声 波是直接从喇叭单元正面辐射出来经过一段传播路程 AD就到达了昕者 。很明显AB+BC+CD的和远远太于AD． 所以两列声波到达我们试昕点的路程差很大，此时不 能不考虑由于传播距离的延时不同造成的相位差．尤 其当倒相管距嗽叭单元较远和倒相管在箱子背面时， 此时会加大_^B和cD两段路程的长度，使路程差进一步 加大。我们把这种由于传播距离不同造成的延时差表 示为△t．把因此 引起的相位差表 示为△中 ，则有： △中 =^△t‘I】．可 以看出相位差随 频率增大而增大， 因此在频率较高 时这种延时的影响更大。由此我们必须绘图二的每一点 的相位差都加上△中 ，所以在图2中，当 一 时， 其相位差应为90。十△审 >90。。此时△中 >一90。． 而△中 一一90。的点应该向低频端移动，具体移多少 要由实际情况中的路程差来定。我们可以再次借助电 脑模拟来看一下实际的变化情况。 用上面用来做模拟设计的嗽叭，根据模授设计的 结果傲成音箱，经过仔细的调整基本满意后，运用电脑 测量仪器对低音单元和倒相管的响应分别做近场铡量 (这是在测量环境不是特别理想的情况常用的一种电声 测量手段，测量XIC到被测物体之闯的距离很小，可以 减小环境噪声的影响)。得到的额率响应曲线作t16倍 频程的平滑后相加 (因为测得的曲线有很多毛刺，适当 的平滑使曲线变得光滑，便于观察)，得到总的低额响 应曲线，结果如图5。然后把在倒相管处渊得的结果延 迟2ms，相当于把倒相管辐射的声波在空气的传播路程 加大约0．7m．有点夸张 !但结果会更清晰。把延迟后 的结果再与单元处测得的结果相加得图 6。 由图5可以看出．实际测试结果很接近模拟设计 (该音箱为前倒相式设计．倒相管靠嗽叭很近而且是采 用近场测试，可适当的校准路程差)：调谐鞭事，。为 39Bz，低端的衰减斜事约l7dB／德壤穗 (彝 獭I_蠛．赞 额程就是终点囊事等于麓点 维普资讯 http://www.cqvip.com 20Hz一40Hz)，比模坝设计 1 程 (此值也是的倒相管箱低频衰减斜率)低了一 些，同时我们看到90Hz到300Hz之间稍微有些凸起 由 于是书架箱，低频下潜不够，这样做整体平衡性会好一 些。我们再看看迭加情况 ：高于 的频段喇叭单元的 响应和倒相管的响应是同相相加的，而低于f 的频段 是相减的．喇叭单元的响应和倒相管的响应相迭加的 变化很接近理想情况 。不过从图中可以看出倒相管的 响应并不像模拟设计时的响应那幺理想-在高于‘的 频段其衰减斜率不足．过了300Hz基本无衰减，而且倒 相管辐射的声波的最大声压点的频率不在 ，这是由 于本例采用了前倒相式设计而且倒相管距嘲叭单元很 近，所以测量倒相管响应时受到喇叭单元辐射声波的 影响很大，如果是后倒相或倒相管距喇叭单元较远时 这种情况会改善很多 ；另一方面也受从倒相管泄漏的 声渡 (本应被衰减的中频声波却从倒相管泄漏出来)、 风噪声等的影响 因而我们还可发现高于 的频段 (特 别是高于 ]OOHz的频段)倒相管对总的响应的影响大于 ：：5- }．：=一 ，， ／ ： ／ ． ： i ， ／； ／"2 ：： ， ： - _ 、 ， { ：-W ’ ： ／ ： ： 一／ ． 舷 ’ ： 7 我们再来看图6，倒相管的响应延迟了2=s时的情 况。从图中可以看出嘲叭叭单元响应曲线与饼相管响 应曲线相交的交点已向低频移．即说明二者的响应已 不再像传统的理论分析那样在t时转折一一由反相抵 消变为同相相加；而是在约38Hz转折。同时我们还看 到在大约150Hz开始到300Hz以上这一频段也出现反相 抵消的情况，而且变化比低端大。这是因为各个颓段的 时间延迟量是相同的．但频率越高周期越短，所以相同 延迟时间下越到高频其相位变化越大。在实际应用中， 这种现象通常出现的频率比图6高。典型的书槊箱，当 倒相管在嘲叭下而且距离喇叭较近时会在约800ffz左右 在频率响应曲线上出现一深深的谷．如堵住倒相管可 使谷变浅。如果将倒相管放在后面，因为中期的绕射能 力较弱 (由于中频的波长较短．所以绕射能力没有低频 强)．这种现象会太大改善。 如果将两次的合成曲线放在一起对比 (图7)．我 们可较明显地看到：延迟之后的合成结果．由于中高段 的相互抵消而能量减少．低段的能量却在增加，衰减斜 率减小。这样我们在听感上会觉得整体的低频能量向 下移．下潜感变好．这和实际生活中对比试昕结果是一 致的 。不过此时经常感觉低音较慢 。 除了以上的分析外，倒相管对声音还存在其它一 些影响 。比如当声波的能量较强时，饲相管经常会产生 自身振动、泄露声和气流摩擦声 (即常说的风噪声)等 噪声来源．此时如果将倒相管放在音箱后面可相对减 小这些影响．因为这些杂声通常在中频，由于中频的绕 射能力较弱而且相比之下更容易被环境吸收，所以这 时杂音的影响会大大减小。但此时，如果是小音箱，由 于倒相管的口径小且 较高，从倒相管辐射的能量较 弱而且较易被吸收，所以可能会感觉不到倒相管辐射 的声音的存在。 到此．我们已不难理解为什么很多有口碑的BI-FI 箱都习惯将倒相管放在前面．而且是低音单元的上面， 如 ：JBL、Westlake、蛆 、Spendor等 。因为昕音时通 常是将耳朵对着高音单元的，而高音是在低音单元的 上面，将倒相管放在低音单元的上面是为了尽量地减 小昕者耳朵到倒相管的距离．从而减小倒相管辐射声 的延时。为了减小由此引起的不良影响，可以采取一些 其它的措施，比如 ：在倒相管外壁缠吸音材料 (JBL) 在倒相管内壁贴一层吸音材料 (Spendor) 将倒相管 拐个弯 (JBL)、在倒相管内壁作一些小凹点 (B＆w)等 这些措施可以减小倒相管振动噪声 、泄漏噪声或风噪 声的影响，改善音质 。 总结起来，如果你喜欢速度快 、干净利索的低音 应当选择前倒相式设计 而且倒相管最好尽量地靠近听 者；如果希望延伸低频的下潜或者希望有更干净的中 频 可选择后倒相式设计，如果担心低音太慢可适当让 倒相管靠近听者 以上是笔者一些个^冕簇 你有所帮助。也希望中 维普资讯 http://www.cqvip.com