音箱一般的设计流程

vanchina

一般的设计流程    多媒体音箱并不是简单的将功放音箱结合到一块，因为使用环境上的不同，所以在设计上也应该注意到这个问题。但是很少有厂家注意到这个问题，这些厂家大多只是注意到了音箱外表的美与丑，根本没有考虑到音箱的工作环境，也就是说根本没有进行正确的音箱设计，所以其音质平平也就不足为奇了。有关这个问题以前曾先生写过不少文章，大家可以参看，我在此着重的谈一谈作为一款高质量重放声音的多媒体音箱的具体的设计过程，以及如何处理在设计时所遇到的问题。
    一  选择合适的单元
    多媒体音箱工作状态处于近场小环境听音，因此决定了我们只能使用小容积箱体，选择小口径单元，这要求单元拥有合理的重放声压，以及足够宽的重放带宽。但从性能价格比来看，在中高档多媒体音箱中还是采用稍大一些口径的单元为好，4.5寸的口径可以认为是最易于做到性能价格比的一种尺寸，同时如果要生产高保真产品的话5寸是一种不错的口径。我觉得现在的多媒体音箱大都体积偏小，不过惠威的M200是一种不错的入门产品。我认为现代多媒体音箱应该将箱体控制在4--8升之间，当然还要与相关参数相配合，也就是我们常说的Thiele-Small参数一定要合适，而不是片面的夸大某一参数。
    由于低音单元口径小，所以更应该注意低频大动态性能，因为低音单元的震动系统最大线性位移量即反映了扬声器系统的大动态性能。如线性位移量偏小，则在高声压级大动态时，不但低音不能有效重放而且各种失真也会增大，特别是影响音质的奇次谐波失真。现在大多数多媒体音箱的磁路设计也欠佳，磁体小，上下夹板导磁率低，对振盆控制能力低，因此而引起的非线性失真也较大。因此在现代多媒体音箱中的总的失真率将达到7%左右或更高。这在HI-FI看起来是不可容忍的。还有就是振盆材料，由于近年来低档PP盆，防弹布盆，玻璃纤维盆，碳纤维盆的价格日益低下，再加上外观好，因此更多的被用在了多媒体音箱上来，但殊不知，后三种振盆的自阻尼很小，工作状态是极难控制的，一般在中高端的某一频率点上会产生很多的失真，大到不可忍受的地步，这个频率点就是我们常说的盆分裂点。因为现代多媒体音箱都没有分频器，再加上设计不合理的箱体，是很难压制这个分裂点的。而第一种振盆即PP盆，虽然听起来韧性好，中频饱满，低频富有弹性，但由于刚性相对较低，因而在大音量下引起的失真也较大。中频的层次感也不是很好。而相对个性较小，较容易控制的质量好的纸盆单元，却很难见到有厂家应用。
   就个人DIY制作而言，南京的110，150系列防磁低音，银笛的QG4,QG5系列防磁高音单元，都是不错的DIY选择，要求高一点的还可以选择惠威，发友等厂家专为多媒体音箱设计的单元。选用这些厂家的单元经过精心设计制作后能够得到质量相当高的高保真多媒体音箱来。
    二  根据单元确定音箱形式并设计出符合单元的箱体
    其实挑选单元确定单元工作状态是放在一起通盘考虑的，但为了让大家对多媒体音箱的工作原理和设计过程有个系统的认识，我尽力而为，将他们分开，单独罗列出来，较为程序化的介绍一下。
    等选定了适合的单元后就开始根据单元的一些特性来确定让单元工作于何种的工作环境（即音箱形式）在多媒体音箱上常见到的音箱形式有密闭箱，倒相箱以及带通式音箱（所谓的低音炮）这里告诉大家一个较为简便的方法，根据厂家提供的fs和Qts的比值来确定单元是适合于工作在密闭箱还是倒相箱，或者是带通式音箱。fs/Qts的比值在40~80之间时是适合于制作密闭箱的。而当这个比值在80~120之间的时候这个单元更适合于制作倒相箱，制作带通式音箱主要要求较低的Qts（约0.3-0.4之间）较小的等效容积Vb以及较低的谐振频率fs，为了保证有足够的声压还要求单元拥有足够高的声压及线性位移能力。
    设计密闭箱
    当扬声器单元装入箱体后，由于箱体内部的空气与外部隔绝，扬声器在工作时箱体内的空气会给单元增加一个额外的阻尼，这个阻尼会使箱体谐振频率升高，但换来的是清晰而深沉的低音，速度上感觉也要比倒相箱要快一些。
    在多媒体音箱中使用密闭箱的形式，主要是应用于X.1的多声道系统中的卫星箱中。因为卫星箱不要求有很低的低频下限，这样箱体就可以做的很小，以节约成本。当然，用专门开发的单元安装在合理的密闭箱中，也可以做出很优秀的音箱来，例如在HI-FI界拥有悠久历史的LS3/5A就是一例，体积很小，但声音优美。由于密闭箱拥有能够严格的控制低频响应和瞬态特性，以及相对较容易获得正确的箱体参数，所以密闭箱最适合于DIY的制作，特别是初学者。
    设计音箱有很多种方法这里就简单的介绍一种，以供读者参考。其它的设计程序请读者参考有关资料。
    首先，要设计一款密闭箱需要知道以下几个扬声器的参数：扬声器的谐振频率fs，扬声器的系统总Q值Qts，扬声器的等效容积Vas。接下来我们要确定合适的密闭箱的谐振频率fc，一般说来fc大约比fs高1.2到2倍（在这里不要贪心呀，这个比值越低音箱的低频下限也越低，当然音箱的体积也要几何级的增大）确定fc后就可以计算出整个系统的声顺比a（a=(fc/fs)(fc/fs)-1）根据声顺比我们就可以求得密闭箱的箱体体积Vb（Vb=Vas/a）最后确定音箱的箱体尺寸就可以了，当然并非音箱的长，宽，高可以任意取值，因为扬声器后面辐射出的声波会在箱体内部多次反射，当音箱的某一边长度等于声波波长的1/2倍或是整数倍时，箱体就会在这一频率点产生驻波，当大量驻波集中到某一频率时就会严重影响音箱的声音回放，所以需要使整个驻波均匀的分布在整个频带内。比较理想的箱体尺寸比例是7：5：3或7：5：2。
    需要注意的是，在设计完箱体参数后，应该计算一下音箱的总品质因数Qtc（Qtc=fc/fs×Qts）Qtc参数是影响音箱低频表现的主要参数之一，它表明了音箱对振动系统的控制能力，一般Qtc的值应该介于0.6-1.2之间。Qtc低（小于等于0.65）音箱处于过阻尼状态这时瞬态特性优良，细节表现力好但低音稍欠缺；Qtc高（大于等于0.85）音箱处于欠阻尼状态这时低音更为强烈，但瞬态特性很差，细节表现力差。Qtc适中（0.707）这时音箱拥有最佳的低频平坦响应及延迟特性。
    设计密闭箱的要点就是要密封箱体，不能使箱体出现泄漏，这可以通过在胶接处涂抹热融胶来达到密封的效果。箱体可以使用1.0到1.2cm的进口中密度或是国产高密度板材。制成的箱体还应该在内部填充一定量的吸音棉可以起到吸收缓冲箱体内部的驻波，调节产品设计偏差的作用。
    设计倒相箱
    倒相箱能够利用倒相管将扬声器背部辐射出的低频能量反转180度与扬声器正面的辐射出的低频能量同相，使有效低频范围内的声音利用率被提高，从而获得更多更好的低频。
    倒相箱的优点在于有效低频范围内的高效率，在理箱条件下，用同样的低音单元制作出来的倒相箱其低频下限可以扩展至密闭箱的0.7倍左右，而在同样的低频响应前提下，倒相箱的箱体容积仅为密闭箱的60%左右。由于声学效率的提高，使有效范围内的声音失真明显减小并放宽了对扬声器单元性能的要求。这也是为什么倒相箱能够主导现今多媒体2.0市场的主要原因。
     现在流行的设计倒相箱的方法有好几种，最简单的是查表法。查表法的基本思想是通过在倒相式音箱响应表选择和调节有关参数来获得某个特定期望低频响应所需的箱体容积和调谐频率，由于倒相式音箱拥有多种低频响应期望，并且考虑到市售单元的特性参数，这里就不平坦响应BB4响应（表1）为期望响应来简单的介绍一下倒相式音箱的设计流程。
    首先我们根据单元的Qts值在图表中选择相对应的参数值，从而可以算出箱体净容积为Vb=Vas/a，然后接着计算调谐频率fb（fb=(fb/f0)×f0）和倒相管的长度Lv（Lv=(2350Dv×Dv)/(fb×fb×Vb)-0.73Dv(mm)），同时还可以计算出来的还有音箱的重放频率下限f3（f3=(f3/f0)×f0）(Dv到想管的截面积）
    同样，倒相箱的制作也许要对箱体进行严格的密封，可以用跟密闭箱同样的方法来对倒相箱进行处理，倒相箱内也要填充吸引棉，但主要作用是吸收扬声器背面的中频段以上的能量，因为有倒相管的存在所以不可避免的有中高频段的声能量从倒相管内泄漏，所以要特别注意这个问题，还有就是倒想管不要放置于箱体表面的各个对称中心或是1/2，1/3处，会影响声音品质。
    倒箱箱的摆放也与密闭箱稍有区别，密闭箱的摆放比较随意，对环境要求不高；倒相箱就不同了，倒相孔在前面的摆放比较容易，倒相孔在后面的一定不要贴墙摆放，而是要有一定的距离，此时音箱的低音会显得格外温暖，而远离墙壁时则显得冷艳。
    带通式音箱
    带通式音箱就是我们经常说的低音炮。它实际上是由密闭箱和倒相箱组合而成的。因为这种音箱辐射出的低频响应呈双峰带通特性，所以称之为带通式音箱。
    由于它的特性所至，带通式音箱特别适合于制作家庭影院系统中的超低频音箱。它的特点总的来说有以下这么几点：低音单元在fb以下的频率时振盆位移幅度比倒相箱小，而与密闭相差不多，因此失真也就更小，而且部分失真已落入频带范围之外，被箱体所滤除，因此可以提供深沉有力的低频能量。而且用专门为带通音箱设计的单元制作出来的音箱体积较小，摆放容易。因此，在X.1系统中，被广泛的应用。
    由于设计带通式音箱相当的繁琐，而且市场上很难觅到符合要求的单元，所以具体的设计过程被免去。有兴趣的读者可以参考有关书籍，或来信大家共同探讨。
    三  其他
    箱体设计完毕，接下来该考虑的就是分频器以及内置功放了。现代中低档多媒体有原音箱，其绝大部分都未装有分频器，这在Hi-Fi界几乎是不能容忍的。因为一个设计合理的扎实得分频器，对一对单元起到了调整频率曲线，分配高低音单元功率（声功率与电功率），融合单元之间的差异，使各单元都工作在自己的最佳工作频段内的重要作用。
    我在自己做土炮音箱时用电脑扫频仪就曾经发现--国内某些大厂名厂的4寸中低音单元，在工作于10-12.5KHz时就能听出失真开始增大，根据原理及单元材料设计意图，可以分析出这个失真是由防尘帽和磁路设计不当引起的，（注意只有在扫频时才会出现，单听单一频率不会有）而且大多数单元都有中频谷及高频声压爬升的现象，如果不通过分频器对单元进行校正的话，其最终重放声音品质会如何？
    设计分频器要考虑到许多问题，业余条件下很难设计完成考虑全面得分频器，而且绕制电感线圈也是一大头疼的事情。所以推荐DIY人士选用厂家推出的配套分频器产品，虽然不如专门设计的分频器效果好，但由于是厂家推出的折衷产品，所以用在任何环境下效果都还不错，没有太大的差异。
    直到现在为止，所有的多媒体有源音响都在使用集成电路功放，原因有两点：1，性能稳定可靠，外围元件简单，组装后无需调试即可投入使用，价格低廉，适合大批量的集成化生产。2，发展到现在，集成电路功放的性能已接近分离元件功放的性能，因此一大批名管被穷人追捧，像TDA1521A，LM3886，LM1875/6，TDA1514，TDA7296等等。其音质要比街上一，二百元的家用功放强的多，所以绝大多数厂家也乐得其所，顺其自然的采用了集成电路功放。对此我也没什麽好说的，因为多媒体音箱有其局限性，硬要让其使用大型分离元件功放，也是不可能的，因为从价格到维修，都会大大的提升，而音质的提升并不如金钱的提升那样明显。
    一般说来，现在绝大多数厂家在高档音响上用的都是LM1875/6芯片，从音质到功率都已能满足家用需求（发烧友除外）
　  但是，关键在于变压器，这几乎是多媒体劣声的主要根源。在所有的多媒体音箱中，全部用的都是普通E型变压器，E型变压器本没有什麽坏处（虽然现在都在炒环变，但E型在国外却还有厂家在使用）但多媒体音箱厂家的的制造工艺令人担心。
    让我们先来看一看E型变压器的结构，这是目前使用最为广泛的一种变压器。其特点是：初，次级共用一个骨架，窗口占空系数较高；铁心散热面积较大；铁心可保护绕组；使之不易受到机械损伤；制作简单。但它铜线用量大（效率低）损耗大，初次级漏感大，易受外来磁场干扰。所以当它装到了音箱内部时，一切恶声皆由它引起，因为E型变压器在工作时会产生很大的漏磁，这个磁场会与扬声器，功放电路产生相互调制，引发多种我们不需要的声音。而且其内部电流变化速度慢，因此在大动态时有声音发浑，底气不足的情况。而且所有的功放内至电源功率都很小，大都在二十瓦左右，大的也不过五十余瓦，在这样小的功率下，再加上损耗，实际上功放输出的功率不足十瓦（按电源功率二十瓦算）一旦遇到大动态，强音压时，就会因为电源供应不足，出现电源电压低落，功放得不到应有的电压，输出功率自然要打折扣，同时因为晶体管电路的特性所至，此时会出现大量的削波失真，表现在声音上就是不堪入耳。此时整个音响系统已进入严重的失真中。
    因此在选择有源音响时有必要知道电源质量的好坏。
    多媒体音箱的发展趋势
    多媒体音箱发展到现在，基本上还是很不成熟的，没有国家规定的统一标准，造成质量控制不过关（这里指的是音质）但由于原先HIFI厂家的介入，使得原先的市场格局有了新的变化，我想以后在HIFI厂家的带领下，市场会逐步规范化，多媒体音箱的总体质量会有较大的提高，市场竞争会更加激烈，HIFI厂家会推出一系列的高档多媒体音箱产品，并占领市场的高端位置，并向中低端市场进行渗透（但时间不会很快）原先的多媒体厂商则会推出更加多元化，人性化的多媒体产品，他们的价格低廉，而且声音质量会在现有的产品上提升不少，会在低端市场占有很大的市场空间，但由于集中于这个市场的厂家很多，竞争会比现在更激烈，所以在未来的一段时间市场会逐步的淘汰一些质量低劣，没有生命力的生产厂商。
    多媒体音箱的形式，依旧会集中在2.0和×.1两种形式上。2.0式的产品，声音品质会进一步提高，甚至达到高保真的最低要求，低音单元的口径会逐步朝着5寸-6寸发展，由于引进新的技术，低音单元的品质将会大幅度上升，高音单元则以丝制振膜主体（以用来中和声卡本身固有的声音冷硬的感觉）箱体也会由现在的4升左右加大到8-10升，箱体设计逐步正规化，有可能会出现一部分分离式的功放音箱组合。×.1式的产品，则会更加多样化，4.1 5.1将会大量出现在市场上。不过由于近场环境很难摆放这么多的音箱，可能会有一部分厂家推出3.1式的音箱，通过三只音箱在人的前部形成一个半环状声场，形成一定的影音效果。还会有一部分4.1 5.1音箱的后置卫星箱会推出万能挂架，让用户可以选择更多的摆放位置如靠椅的靠背两旁，后面的墙上，甚至是吊置于天花板上。。×.1由于只使用一个低音单元，生产成本会降低不少，再加上多声道技术的全面普及，所以将成为市场的主流产品。人性化，个性化，易用性等诸多潮流性设计会引入其中，使得产品呈现百花齐放的局面，而通过采用新的单元，新的箱体设计，声音品质也会有长足的提高。

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