尽管不同的音箱在内部的吸音棉、倒相管、加强盘等部件的设计会有所区别,不过从基本的组成元素角度上来说,至少下列的三个部分在任何的音箱当中都是必须存在的,即:喇叭单元、箱体和分频器。
音箱的喇叭单元
喇叭单元将功放送过来的电信号转换成为声音的输出,在音箱电-声音转换中起着非常关键的作用。音箱的性能指标以及音质的表现,也极大程度上取决于喇叭单元的性能,所以想要制造出好的音箱,那么先决条件就是使用性能较为优异的喇叭单元。
对于喇叭单元来说,性能的要求概括起来主要有承载功率大、失真低、频响宽、瞬态响应较好、灵敏度较高等几个方面,不过想要在20Hz~20Khz这么宽的全频带范围内同时很好的兼顾失真、瞬态、功率等性能却是非常困难的,尽管有些可以获得整体上的一定平衡,但是在单独的细节上均衡平庸,所以,在音箱的设计当中最为简单的思路就是让喇叭单元各司其职。使用分频段重放。
所以喇叭单元厂商为了满足这一条件,会生产不同类型的喇叭单元,有的只是负责低音播放,称之为低音单元,播放中音的呗称之为中音单元,高音单元只是负责播放高音,这样可以采取针对性设计,将每种单元的性能都做的比较好。
所以,尽管理论上可以采用一只全频带喇叭来设计音箱,不过出于上述的考虑,使用多个单元的组合来覆盖整个音频频段的设计方式还是占有大多数的,具体使用几只单元,是取决于音频范围的频率划分方式,如果简单的分面高音和低音,两只喇叭也就够了;如果只是分高中低三段的三分频音箱,那么最少也得使用三个单元。现在两只低频单元并联工作的设计方式也是很流行的,这样总的单元数就能够达到四只;有一些大型的音箱频段划分的比较细,如果再采用单元并联工作的设计,那么总的喇叭单元数也就会更多,在音箱的资料或是说明书上通常会出现“X路X单元”这样的方案,这也是对音箱的分频路数以及使用的单元总数的具体说明,比如“三路四单元”,这也表示这是三分频设计的音箱,总共是四哥喇叭单元,其余的以此类推。
分频器和音箱单元
由于现在的音箱基本上采用的都是多单元分频段重放的设计方式,必须要有一种装置,能够将功放送来的全频带音乐信号按照需要划分为高音、低音输出或是高音、中音、低音输出,这才能跟响应的喇叭单元连接,分频器就属于这样的装置,如果将全频带信号不加分配直接送到高中低音单元中,那么在单元频响范围之外的部分就会对正常频带内的信号还原产生不好的影响,甚至会使得高音、中音单元损坏。
从电路结构上来说,分频器的本质就是由电容器以及电感线圈构成的LC滤波网络,高音通道是高通滤波器,它只是让高频信号通过而阻止低频信号;低音通道则刚好相反,它只是让低音通过而阻止高频信号;中音通道是一个带通滤波器,除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过,高频部分和低频部分的频率都会被阻挡,在实际的分频器当中,有时候为了能够平衡高、低音单元之间的灵敏度差异,需要加入衰减电阻;另外一些分频器中也加入了由电阻、电容组成的阻抗补偿网络,目的就是使得音箱的阻抗曲线平坦一些,以便功放驱动。
喇叭单元的种类
喇叭单元的种类是有很多的,分类的方法也是有所区别,如果按照电-声转换的原理来分的话,有锥盆单元、平板单元、球顶单元、带使单元等类型。其中锥盆单元以及平板单元是较为适合做高音的,也有部分中音单元采用球顶式设计;从覆盖的频带来看,喇叭单元也分为低音单元、中音单元、高音单元以及全频带单元。
目前比较主流的低音单元以及中音单元从转换的原理上来说都属于电动式的扬声器,它们大多采用的是锥盆状的振膜,因为这种形状的振膜设计上比较成熟、性能比较好。振膜材料也是多种多样,有传统纸质的,也有高分子合成的,还有铝、镁等金属材料制作的。对振膜的要求是刚性好、重量轻、具有适当的内阻尼特性。但是这么多要求很少有某种材质能够同时满足。
高音单元最为常见的就是球顶式高音,从工作的原理上来说也属于电动式单元,球顶式高音的振膜可以使用金属材料来制作,这种也被称之为是硬球顶,也可以使用软质的织物来制造(蚕丝、划线等),称之为软球顶,通常硬球顶的高频响应会比较好,而软球顶的声音较为柔和。在近几年中,带式高音以及静电高音也得到了一定的应用,他们的共同点就是振膜轻盈,所以高频响应比较出色,声音纤细透明,不过,这两种高音的生产没有球顶高音简单,应用也不是很普及,还有一种是号角高音,号角高音是由球顶式驱动部分加一个喇叭状的号角构成的,它的特点就是声音的指向性比较强,而且效率比较高。所以在专业的扩音领域音箱中应用是非常普遍的,还有一种同轴单元,实际上也是低音和高音单元的组合。
低音单元和高音单元的安装要求
一般来说,低音单元是需要装箱的,高音则可装可不装,有两个原因会导致低音单元需要装在箱子里,一是为了消除“声短路”现象;其二是为了能够有效的抑制喇叭单元的低频谐振峰。
低音单元的振膜在前后进行运动的时候,除了有向前方辐射的声波,两个方向的声辐射相位也正好相反,相差180度,由于低频声波的波长是比较长的,其绕射的能力是非常强的,也就是说低频声波的方向性是非常弱的,如果喇叭单元不装箱的话,后向辐射的声波也就会绕道前面来和正前方的辐射异相相消,总体上前向声波辐射能量也就会大幅削弱,这种现象就被称为“声短路”。这种现象是必须要想办法消除掉的,不然低频无法正常的辐射。如果将喇叭单元装在箱子里,那么振膜后方的辐射就会被箱子阻隔,也就不会出现“声短路”现象了。
每一只电动式的低频单元都会有一个低频谐振点,在这个谐振点上输出达到峰值,但是失真也是很高的,瞬态响应比较差,如果对这类的谐振峰不控制,就会严重的影响重放的音质。如果将单元装箱,箱内的空气劲度就会对振膜的运动产生抑制,这也达到了压低谐振峰、改善性能的目的。此外,通过合理的选择箱体结构以及参数,也能达到扩宽低频响应的效果,设计比较好的倒相箱子,传输线音箱也能够获得这样的效果。
对于高音单元来说,情况则完全不同,因为高音的波长比较短,绕射能力比较弱,是不存在“声短路”现象的,也不像低音单元那样是需要抑制低频谐振峰,所以对于高音单元来说,音箱的作用只是个支撑而已。
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