近期，易科国际为大家带来分布式共振模式扬声器Tectonic DML500，该产品区别于传统基于活塞式振膜设计，其工作原理是利用弯曲波共振，达到共振模式的均匀分布，从而获得扩散的、非相关的声学辐射。

DML500性能优势：
全频段宽辐射角达到165°，能达到更好的音色平衡和更好的立体声声像呈现；
在混响环境下可获得更好的清晰度；
能获得更高的回授前增益；
拥有更好的声压级一致性；
无需使用分频器；
 低调美观、结构坚固、易于安装。

DML500可应用在教堂、文艺表演场所、体育场馆、机场、零售商店、教育及会议设施、流动音频系统等场景。

在此，易科营销中心高级总监冀翔老师为大家分享nxt plc [英]《分布式共振模式扬声器的技术原理》。
一种在声学上具有显著优势，且与传统扬声器截然不同的扬声器技术——分布式共振模式扬声器（DML:Distributed Mode Loudspeaker）技术已经被研发出来，它开启了令人激动的全新设计潜能。本文解析它所具有的多种独特特点，并且对其在多种不同场合下的应用优势进行描述。

在过去40多年的扬声器研发过程中，人们的绝大多数工作都围绕在认识、理解和抑制振膜共振、共振所带来的声染色以及衰减特性上。在此描述的则是一种截然不同的技术手段，它非但不去尝试消除振膜共振，反而去激励并利用共振。这种技术打破了已知的扬声器设计法则。

这里要讨论的第一个问题是：在如此众多的学术和设计精力被投入到完善现有技术的情况下，为什么需要一个全新的扬声器范例？为了回答这个问题，需要回到传统扬声器的基本原理，了解其工作机制和它们在性能上受到的制约。

传统的扬声器，无论它们使用何种换能方式（电磁感应、静电或压电晶体等）都试图让振膜以活塞方式运动，或者说至少在低频段内表现为活塞式运动。当说到“活塞方式”，意思是振膜能够以一个完整的刚性整体进行运动。从声学的角度来说，这种扬声器在绝大多数工作频段上都是质量控制的（Mass-controlled）。一个特定的输入电压使电动机产生一个不随频率发生变化的力，振膜受到一个质量（它自身的运动质量和空气负载）所施加的阻尼，根据牛顿第二运动定律（F=ma），振膜的加速度不随频率发生改变。因此，随着频率的升高，振膜的位移会以12 dB每倍频程的规律减小（即频率加倍，振幅衰减为原来的1/4）。

在低频段，由于波长相比振膜尺寸更大，这使得振膜的振动能够满足要求。与驱动器所耗散的声功率相对应的振膜辐射阻抗的实数部分（图1）随着频率的升高而上升，同时，振膜的位移也以同样的规律发生着衰减，因此，声功率输出保持不变。

图1 1个6英寸活塞式驱动器的辐射阻值与频率的关系

然而随着频率持续升高，当声波波长与振膜尺寸相接近时，情况会出现很大的变化。此时，辐射阻抗的实数部分到达了一个上限，不再继续上升，所有更高的频率的辐射阻值都变成了常数。

相应地，振膜的声学输出功率开始以12 dB每倍频程的规律衰减。而这并不意味着轴向压力响应的衰减：常见的现象是振膜的声学输出开始被限制在越来越窄的立体角中。换言之，它开始变得有指向性：波束开始聚拢。

随频率变化的指向性是扬声器设计中所面临的最为棘手的问题之一。如果在一个消声室环境下聆听声音重放（同时也坐在一个严格规定的听音区域中），这一问题并不突出：仅仅听到振膜的轴向输出。但是传统的听音房间与消声室大相径庭，扬声器在听音轴向之外的声学输出对听感有着十分显著的影响。因为扬声器的指向性与频率相关，一个房间中不同频率的直达声、反射声和混响声的比例都不一致。即使一个传统的扬声器具有绝对平直的轴向响应且没有任何不良共振——诚然这是高的离谱的要求，它不断变化的偏轴向响应仍然会产生声染色，进而导致声像的畸变。

一个显而易见的解决方案是使用一个足够小的振膜来迫使辐射阻抗曲线的变化点位于可闻频率范围之上。但这种振膜需要在低频段经受强烈的、不切实际的形变拉伸来制造相应的容积变化。因此，扬声器设计者通常不得不做出妥协，使用振膜尺寸逐渐减小的多个驱动器。大尺寸振膜被用来提供低频重放所需的容积变化；对于高频段来说，小振膜则在较大单元变得指向性过强之前进行重放的接力。即便如此，扬声器的指向性还是会随着频率出现显著的变化，同时对于分频器的使用也会带来若干不良的副作用：相位失真、对于偏轴向输出的进一步破坏、扬声器负载中出现更多的电抗性元件，以及与电容性能和电感磁芯过饱和相关的音质问题。

通过能够重放整个可闻频率范围且具有恒定指向性的单一驱动器能够解决这些问题，并且能够为更大的听音区提供一致性更好的声音。但是，出于前文所罗列的原因，通过传统的扬声器设计技术无法满足这一要求。研发工作似乎进入了死胡同。

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放弃活塞

如果放弃活塞运动的概念，转而考虑一种在整个界面上进行随机性而非一致性振动的振膜呢？振膜上的每个小区域的共振模式都与其相邻区域无关，它与活塞式振膜所具有的固定的、一致性的振动模式完全不同。不妨将其想象为一个由众多小型驱动器所组成的阵列，每个驱动器的辐射模式都不相同，它们所辐射的非相关信号最终合成得到我们所需要的声学输出。

这种随机振动振膜的特性与传统振膜十分不同，因为功率被传导至辐射板的机械阻抗，它不会随频率发生改变。此时，辐射阻抗就变得无足轻重了。因此，振膜尺寸不再控制辐射指向性：可以根据需要来增大辐射表面积，同时无需担心高频输出在轴向上不断聚拢。显然，这种振膜特性也开启了新的可能性：将单一全频驱动器从上述制约和妥协中解放出来。

想象总是美好的，但如何制造一个随机振动的振膜呢？事实上这没法做到，但可以通过一种被称为分布式共振模式机制（Distributed Mode Operation）的方法来得到非常近似的结果。从本质上来说，它关乎设计一个振膜/激励系统，能够以均匀的频率和振幅激励大量的共振模式。这种方式所导致的振动十分复杂，近似于图2所示的随机振动。它足以使扬声器从前文所述的指向性问题中解放出来，从图3所示的三维极性图中可以看到显著的结果。

图2 DML扬声器的振动模式

图3 DML扬声器的拟随机振动导致了与频率无关的宽指向性

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分布式共振模式机制

遵循这种工作原理的扬声器被称为分布式共振模式扬声器（后文统称DML）。DML的振膜在其整个表面的振动模式十分复杂。这种复杂的振动模式在振膜附近所制造的声场也十分复杂，但在一定距离之外，DML的远场辐射特性开始占据主导地位。它接近一个点声源的指向性——即全指向特性，即使振膜比其所辐射的声波波长大很多。

为什么一个以复杂、类随机的方式进行振动的平板能够均匀地向各个方向辐射声波呢？这里需要区分振膜表面上速度分布的两个极端。

一个极端是刚性表面做活塞运动，整个表面的运动幅度和相位是一致的。在这种情况下，指向性仅取决于振膜上各个辐射点之间的路径距离以及接收点的位置，如图4。当辐射声波的波长小于振膜尺寸时，来自振膜不同区域的辐射之间开始出现干涉，这种干涉随着偏离轴向而变得愈发严重。因此，其辐射模式呈现出强烈的波束，如图5。

图4 振膜各部分到达接收点存在距离差

图5 1个尺寸为16 cm的活塞驱动器在2 kHz~6 kHz的辐射呈现出强烈的波束

另一个极端，是随机振动板，振膜速度、幅度和相位随机分布。振膜不同位置到达接收点的距离差仍然存在，但由于这些发声点之间没有相关性，不会出现总体性的干涉，如图6。因此，声波的辐射是均匀向各个方向展开的。高阶的扩散式辐射（如图7）在远场呈现出全指向性。

图6 振膜各点到达接收点的距离差存在但信号之间不存在相关性

图7 1个尺寸为16 cm的DML扬声器在2 kHz~6 kHz的辐射呈现出全指向性

DML十分近似地模拟一个随机振动振膜，因此具有类似的特性。这种机制也因此确保其在各个方向上获得一致的声学输出。换言之，所有辐射能量似乎都从一个点发出。尽管如此，一个DML扬声器能够在全频段获得高声功率是因为其振膜不受尺寸限制。而对于活塞式振膜运动而言，这些特征则是相互排斥的。

尽管DML扬声器的振动呈现出随机性，但其设计过程是至关重要的。需要了解若干关键参数：板的尺寸和形状、激励装置（驱动器）的位置以及板材料的弯曲刚度、表面密度和内部阻尼，就有可能以非常高的精度预测其声学特性。

DML扬声器本身以完全的共振模式运行，对于视共振为诅咒的音频爱好者和工程师而言，这是令他们担心的一点。难道板共振不会带来令人无法容忍的声染色吗？令人惊讶的是：并不会，这是板振动高度复杂的特性所决定的。图8显示了一个DML扬声器的脉冲响应，它所展示的长共振尾巴会让任何一个传统扬声器糟糕透顶，但它的声音却是清晰和透明的，同时保持着平坦的测量功率响应（如图9所示）。

图8 一个DML扬声器的常见脉冲响应

图9 对激励装置位置和板共振模式的优化控制能够带来平滑且近乎平坦的功率响应

一些人认为，DML扬声器作为一个共振模式对象（Modal Object）仅能够在较高的频率范围内保持良好的工作状态，然而心理声学研究显示，设计精良的DML扬声器具有优化的共振模式分布，对于高于平板弯曲振动基频（Fundamental Bending Frequency）2~2.5倍的频率来说，其听感与完美的非共振模式声源无异。例如，1个A4纸大小的DML扬声器的共振基频（Fundamental Mode）约为100 Hz，它在实际应用中的频率范围以200 Hz~250 Hz为起始点。然而多数传统扬声器都不得不对低音单元和高音单元做出分频，3 kHz左右的分频点恰好是人耳听觉最灵敏的区间；然而对于一个DML扬声器而言，如果它需要能量的补充，仅通过传统的低频或超低扬声器来补充可闻频率下限的若干个倍频程即可满足需求。这使得各频带间的无缝衔接变得容易很多。

从失真角度来说，DML扬声器的表现基本等同于或优于传统扬声器（参见图10和图11）。这是因为在需要的频率范围内，板振动的振幅很小（这对于激励装置音圈机械拉伸的要求也大大降低），始终处于平板的线性伸缩范围内。

图10 1个尺寸为500 mm×700 mm、用于公共广播系统的DML扬声器不同功率下各频率的失真情况

图11 1个尺寸为500 mm×700 mm、用于公共广播系统的DML扬声器在不同频率范围内各重放声压级条件下的失真情况

总的来说，不得不承认传统扬声器设计所追求的目标是存在妥协的。当试图在一个宽频段内进行声学输出，但是当辐射声波的波长小于振膜周长时，扬声器的功率输出开始下降。此外，由于整个频带最低的部分需要充足的容积速率来进行重放，一个传统驱动器的功率带宽通常需要被限制在4~5个倍频程之内。即便能够制造出完美的活塞式辐射器，上述因素也同样会对活塞式扬声器造成物理上的限制。因此，传统驱动器的设计总是体现为带宽、指向性和频率响应平坦度之间的妥协。对于最为精良的传统扬声器而言，这些设计工程上的妥协被巧妙地衔接在了一起，但妥协仍然存在。

DML扬声器则代表了一种截然不同的替代解决方案。平板的共振模式行为特征使其具有扩散性的输出，经过优化的平板振动模式则确保其重放频带超过8个倍频程。随着对平板材料、激励装置位置和界面条件（Boundary Conditions）等要素的不断优化，获得了一种功率输出与尺寸几乎无关的随机振动板。平顺、密集的共振模式带来可预测、明确且具有可塑性的声学特性。

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声学属性

可塑性是DML扬声器所具备的最为重要的属性之一。由于它在任何尺寸下几乎都能够维持相同的宽指向性特征，因此，适用于任何领域和任何尺寸的扬声器应用，从移动电话中使用的小型平板到大面积的投影屏幕都是如此。在每一种应用场景下，它的指向性都能够保持一致。相比活塞式驱动器而言，它能够在宽得多的听音范围内提供一致的声强和频率平衡，即便在构成复杂阵列的情况下也是如此。

由于平板尺寸和机械阻尼程度的不同，弯曲板的重合效应（Coincidence Effects）（它发生在平板中波速等于空气中声速的频率之上）可能导致一系列所需要或不需要的声学效应。某一频率范围的偏轴向功率过于突出是重合效应所带来的声学结果之一。它可以被进一步用于某些需要负指向性的应用场合（如天花板扬声器）。但是在大多数情况下都不希望利用重合效应，因此，通过多种设计技巧将这一效应减小至可以忽略的程度，或者将相应的频率控制在可闻频带之外。

与传统扬声器不同，DML扬声器的性能会随着平板尺寸的增加而得到改善，因为这会让弯曲共振基频降低。其优势不仅仅在于使低频响应下限得到扩展，同时还增加了中低频的共振模式密度。

对于一个经过优化的平板扬声器设计来说，其带宽通常为8个倍频程（整个可闻频带的带宽大约为10个倍频程）。尤其对于尺寸较小的后开孔平板而言，增加障板是一种增加低频输出的可行方法，详见图12。

图12 障板可以被用来提升平板扬声器的低频输出（平板扬声器尺寸为500 cm²）

由于平板的共振模式行为特征，对其声压和频率关系进行单点高精度测量通常会展示出与活塞式扬声器十分不同的频率响应（如图13）。对测试传声器进行少许移动会获得不同的、但总体趋势相同的频率响应。然而，这种测量并不能够准确反映人们对平板扬声器输出的感知情况。对平板的输出功率和频率关系进行测量则是更有意义的，这种测量的结果需要通过不同位置上测得的压力响应整合而来。如图5所示，测得的功率响应更加平滑，也更能够代表听音者对平板输出的频率平衡感知情况。

图13 单点的声压测量结果受到测试传声器位置的影响

DML扬声器的另一个独特特征是，在不需要对平板背部进行封闭的情况下，例如独立式（Free Standing）扬声器应用场景中，向背面辐射的功率与向正面辐射的功率不会出现因为干涉而造成的抵消。两方面原因导致了这种现象：一是分布式共振模式辐射的复杂性；二是从远场观察，各个辐射单元的相位关系都是非相关的（用扩散偶极子“Diffuse Dipole”这一术语来描述这种声学辐射特性）。

由于扩散性的声辐射减少了与相邻反射界面之间的抵消性干涉。此外，DML扬声器无需箱体也可以使用，这也消除了扬声器箱体所带来的寄生共振、染色和成本问题。

熟悉传统全指向扬声器或近似全指向扬声器的人可能觉得DML扬声器会带来相对不精确的、模糊的立体声声像。尽管板式扬声器的辐射角更宽，但在常规的家用环境下，它在立体声“甜点”上生成的声像清晰度和稳定度至少与传统指向性扬声器相同。这是因为它们的扩散性减少了与房间边界的有害干涉（如图14、图15）。而在“甜点”范围外，DML扬声器则能够带来极佳的立体声声像，这是其更好的偏轴向响应和更少的房间干涉所决定的。另一个重要的成因是DML的行为特征——与直觉相违背，在远场状态下呈现出类似于点声源的特性（如图16）。对于立体声定位误差的量化研究显示，相比传统扬声器而言，听音者通过DML扬声器对虚声源定位的感知更加可靠，如图17所示。

图14 活塞式扬声器与单一房间界面干涉的有限元分析

图15 DML扬声器与单一房间界面干涉的有限元分析

图16 对具有相同辐射表面积的活塞式扬声器和DML扬声器的有限元分析对比

图17 双声道立体声系统的虚声像定位误差的对比

对于传统的宽指向扬声器来说，听音者通常会听到更多的房间信息。驻波共振更为明显，因此，在不同听音位置上的音色平衡变化十分明显，声源与房间界面的干涉也十分严重，这也使得扬声器的摆位更加重要。DML扬声器扩散式的辐射特征使得它拥有与传统扬声器截然不同的行为模式。由于它们的声音并非从空间中一个固定明确的点发出，DML扬声器能够为整个听音空间提供更加均匀的声压分布（如图18）。因此，房间干涉实际上得到了减弱（如图19）。

图18 在汽车驾驶舱内测得的两种扬声器的声压分布情况

图19 两种扬声器声压级（合成色）、频率与距离关系的光谱图对比

空间相关性（Spatial Correlation）是一种对DML辐射的扩散特性进行量化的方法。通过对平板扬声器的轴向和偏轴向声学输出进行测量，将两个信号进行互相关（Cross-Correlating）处理后得到一个相关性系数（Correlation Coefficient）。如相关性系数为1，则说明2个信号相同，如相关性系数为0，则说明2个信号完全非相关。如果对若干偏轴向角度进行相关系数的测量，则可以得到如图20所示的空间相关性极性图，它描述了扬声器轴向和偏轴向输出的相关程度如何发生改变。

图20 DML扬声器和活塞式扬声器的空间相关极性图

图20中的蓝色曲线展示了一个传统活塞式扬声器的空间相关性。即使在远离轴向的角度上，相关性系数仍然很高。这意味着来自房间地板、侧墙和房顶的反射将会和扬声器发出的直达声产生严重的干涉。与之相比，红色曲线则展示了一个DML扬声器的空间相关性结果。

由于DML扬声器的扩散辐射特性，其偏轴向声学输出的相关性系数大大降低，与房间的干涉也大大缓解。

相比进行一致性振动的扬声器振膜而言，宽指向性的扩散式辐射所带来的另一个有益结果，是其在一个房间中的声学输出变化，即响度随听音距离的增加而出现的衰减变得更加平缓。一个传统扬声器的声压衰减基本上遵循反平方定律，即距离加倍，声压级跌落6 dB。而DML扬声器的声压随距离的衰减则有所减少，进而带来声压分布均匀度的提升，如图21所示。

图21 针对2个1 m处声压级相等的扬声器进行的宽频段声压级衰减特性对比

上述三个因素——DML扬声器的宽指向性、与房间界面之间较少的抵消性干涉以及听音距离变化时保持更好的声压级一致性的能力，它们的结合导致了房间中的声音覆盖出人意料的均匀。传统的活塞式扬声器的响度会随着听音点偏离轴向或者听音距离的增加而快速衰减，而DML扬声器的覆盖均匀度则有着显著的改善，如图22所示。

图22 两种扬声器的响度在房间不同位置的三维声压分布图

在公共广播和扩声系统中，通常使用指向性扬声器来减少反射能量，在提升语言清晰度的同时（在扬声器和传声器距离较近的情况下）抑制声反馈（啸叫）。DML扬声器的宽指向性似乎看上去无法胜任这些应用，但再次强调，DML的扩散式辐射特性会导致基于传统智慧的经验和期待出现困惑。在实际应用中，DML扬声器偏轴向的低空间相关性能够带来语言清晰度的提升。声反馈出现的风险也降低了，回授前增益得到了提升，如图23所示。

图23 DML扬声器的扩散式辐射

DML扬声器扩散式的辐射特性还为家庭影院中的环绕声道、汽车音响中的中央声道等应用场景提供了有效的解决方案。

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激励装置

多种不同的激励技术都适合驱动DML扬声器，这其中包括压电式换能器，但最为常见的选择则是动圈式换能器。它拥有3个主要优势。

它能够与传统功率放大器相匹配。事实上，以动圈作为激励装置的DML扬声器对于功率放大器来说是十分优质的负载，在中低频段均呈现出电阻特性，如图24。随着频率的升高，线圈的感抗开始变得明显，阻抗的模数开始增加，负载的电抗特性开始增强。这一区域是其他类型的扬声器同时出现低阻抗模数和大相位角的区域。

图24 DML扬声器的阻抗曲线

它允许使用现有制造设施。
它能够发掘DML扬声器的全频段重放潜力。

激励装置——无论是动圈还是其他类型，都可以通过两种方式来实现。传统动圈式扬声器中，换能器单元的磁体是固定的，与驱动器单元的外壳连接，而线圈是运动元件，它与振膜相连接。DML扬声器的设计则十分独特。如果需要和磁体固定（这对于需要承受高功率输出的场合十分有用，因为热量可以通过磁体传导给散热器），则可以使用固定磁体的激励装置，此时磁体与平板的框架固定在一起。在必要时可以对其两肋进行处理以优化散热特性。

另一种方式也得到了众多应用场合的青睐，使用插入式的、不进行机械固定的激励装置。仅由音圈与平板接触，磁体处于悬空状态。在这种情况下，整个平板是通过磁体运动反作用力来进行驱动的。

尽管动圈式驱动装置能够满足大多数应用的需求，小型平板应用场景——例如智能手机——则显然需要更小、且更加高效（以使得电池续航能力最大化）的驱动方式。为了满足这一需求，一种压电晶体驱动装置被研发出来作为分布式共振模式的驱动器。

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总结

在此简要地总结分布式共振模式扬声器的声学优势：

尺寸不受限制；
能够重放很宽的带宽（超过8个倍频程）；
在带通频率范围内能够提供很宽指向性；
减少与听音房间界面所发生的不良干涉；
改善立体声声像；
在听音距离增加的情况下能够更好地保持响度；
平板两面辐射的能量不会进行抵消性干涉；
无需在人耳最为敏感的频段使用分频器。