家庭影院音响系统音频部分的设计（可编辑）

家庭影院音响系统音频部分的（可编辑） 家庭影院音响系统音频部分的设计 大连理工大学 硕士学位论文 家庭影院音响系统音频部分的设计 姓名:舒尊亮 申请学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:孙怡 20050604大连理「大学专业学位硕士学位论文 摘 要 本论文主要阐述开发制作一套较为完整的家庭影院系统的音频系统的设计思路及作 者亲身制作的家庭影院音频系统的实例,阐述由扬声器单元的选定、音箱的做成、前置 放大器根据音箱的阻抗曲线和音箱频率特性曲线等设定前置放大器的频率特性曲线,根 据功能需要设置前置放大器的相关的声音美化功能、声场控制功能以及进行音量调节等 功能,音频功率放大部分的是效率高、失真小、输出功率足够大等,通过比较各类 功率放大器的优缺点,根据市场和设计的需要,选择适合的功率放大器类型以及适合的 功率输出适合的输出驱动方式,本论文也着重地介绍了目前正在蓬勃发展的 类功率放 大器和数字功率放大器的相关基础知识、特点及其发展状况,作者实际制作的功率放大 器就选择用 类功率放大器,选择 类功率放大器的原因就是它的高效率、无须深度负 反馈电路从而减少了音频高频段的相位失真及提高了转换速率,声音的质量也会有很大 提高。本文也列举了基于 类功率放大器发展的数字功率放大器的实例,说明 类功率 放大器也能达到专业级别的功率放大器水平,相信在不久的将来 类功率放大器将更加 普及,其优点将被更多人认知及认同。整个系统各部分设计完成后还要进行相关的整体 测试和评价工作,以及重要的试听工作,对整个音频放大系统设备还要进行必要的保护 措施及相关的系统可靠性评价及国家规定的包括安全、〔等项目的相关电器产品规定。 本论文分为三大章节,第一章扬声器单元的选定和音箱的做成、第二章音频前置放大器 的设定、第三章功率放大器的设定。每一章节的开始部分都介绍了一些基础知识。 关键词 音箱 前且放大器 半桥电路 类功率放大器家庭影院音响系统音频部分的 计助独创性说明 作者郑重声明本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文 中不包含其他人已经发或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同生作的同志对木研究 所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 储签名 日期大连理土大学专业学位硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博 学位论文版权使用 规定”,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅和借。本人授权大连 大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 互些少弃上 日大连理「人学专业学位硕士学位论文 引 言 现代的家庭影院产品是人类长期以来科学技术积累的结晶 年爱迪生发明了留 声机播放机械式唱片,但录音时,人的声音和乐器的声音所引起的记录针的振动变化是 非常微弱,以致于许多声音被丢失。进入 世纪以后,电子技术进入了蓬勃发展和实际 应用时期,真空电子管和电子放大器的发明,可将微弱的声音放大成千上万倍。 年 以后,电磁刻纹头和话筒等换能器的相继实用化,使唱片录音技术开始进入“电气罐片 时代”,录音质量和播放效果都有了明显提高。与此同时,由电动拾音头、电子管放大 器和电动扬声器组成的电唱机也日趋成熟, 年代以后,粗纹唱片及唱机的重放频率范 围已达到 ,大大提高唱片的艺术欣赏价值, 年,美国 研究所研制出 密纹唱片 ,不仅放音时间比原来的虫胶粗纹唱片提高 倍,并且信噪比、频率特 性、失真和动态范围等主要电声指标都有很大提高。 年以后, 年, 调 制的双声道立体声唱片问世,它可以使聆听者感受到声源的方位,重现现场舞台的“声 像”,产生仿佛亲临现场的感觉愉场感。 唱片和双声道立体声技术相结合,标志着 唱片的发展正在进入高保真 工时代。立体声技术出现以后,为了追求高保真,原来 的直接刻纹方式己不能满足要求, 世纪 年代以后,由于高质量磁带录音机的出现, 使得记录多通道声音信号成为可能。 世纪 年代光盘技术诞生使得其产品激光视盘 存储信息的频带和信噪比比起磁带记录方式的录音带和录象带都上了一个新台阶。 世纪 年代以后杜比公司利用距阵编码技术将电影胶片上的 个物理轨迹用 个通 道的信息编码形成左、中、右和环绕。 年 和 公司联合开发了数字激 光唱片,称为 ,专为记录和播放音乐节目,使得音质达到空前未有的高度。后来 激光视盘 上也使用了 式的数字音频并加入电影中使用的杜比编码技术,配合以高 质量的重放设备,这样就把原来在环绕声电影院里才能享受到的视听环境引入了家庭, 从而出现了家庭影院。 世纪 年代随着图象和声音数字压缩技术的成熟, 在其过 渡产品 的基础上,作为节目源它可以提供高质量 线以土的图象信息、杜比 和 等 声道甚至 声道、 声道等的高质量的声音信号,使得在家眼欣赏高 质量的影院效果成为可能川。 随着社会不断的进步和发展、人们生活水平不断的提高,人们对生活的质量就有了 越来越高的要求,现今社会竞争激烈、生活节奏快、容易产生紧张、抑郁等精神方面问 题和体力方面的疲劳,人们需要通过各种各样的休闲方式以调节紧张的工作和学习生活, 听音乐、看电影、唱卡拉 等是放松心情、消除疲劳的很有效方式,以往两通道的音响家庭影院音响系统音频部分的设计 产品配合以 播放机能够播放出高质量的音乐,给人以极大的精神享受。家庭影院产品 的问世更是使得人们不必去电影院在家就可以欣赏到高质量的影音节目,以及进行卡拉 等娱乐活动。 市场上的家庭影院产品种类繁多、千差万别。进口名牌产品由于产品产地劳动成本 高、材料成本高、流通渠道等原因,存在着价格昂贵等缺点,国产某些品牌和国内生产 的国外较差品牌存在着经验差、技术能力差,电路上虽使用较好元件,但较差的设计理 念难以使好元件得到很好的发挥,音箱方面片面追求钢琴漆、铝面板等外观 方面的投入, 而不在声音质量方面多下工夫,使得音响产品价格高而不能满足听音要求。与国内合资 或独资的国外名牌产品具有着技术含量高、产品整体设计合理、商品价格较低等优点, 如这些合资或独资厂家生产的产品不是原厂设计好、来料加工这种形式,而是自己开发 符合中国国情的家庭影院产品,省去须支付国外的开发费、专利费等大量费用,更能使 得产品在形式上和价格上更加具有竞争力。 作为松下合资公司的中国华录松下电子信息有限公司经过多年以来的电子产品录 象机、、音响设备等导入和研发设计,已经积累了丰富的开发、生产制造、产 品评价和管理等方面的经验,培养了大批专业技术强、知识面开阔、实践经验丰富的开 发设计人员。同时,公司内储备了大量电子产品技术资料、书籍、杂志、松下电子产品 的设计基准、有关电子产品的国家标准等作为开发产品的理论依据。公司拥有大量的通 用的电子测量设备、专用的音响开发设备、电子产品的 电磁兼容的检测设备、电子 产品的安全检查设备等为公司产品开发提供了设备保障。公司还拥有先进的 生产设备、 经验丰富的生产人员,也为开发工作提供了非常坚实的实验生产的后勤保障。公司还具 有完善的产品评价体系,以保证开发的产品流入市场以前可以进行较为完整的评价。在 开发 家庭影院之前,公司己自行开发了众多 和家庭影院等产品,公司己经具 备了开发各档次家庭影院系统产品的能力。松下的 家庭影院产品就是我公司自行 开发研制的最新的家庭影院产品。大连理人学专业学位硕十学位论文 扬声器单元的选定和音箱的设计 扬声器单元的研究 扬声器和音箱是高保真音响设备中最重要的组成部分。有人曾对影响放音质量的各 项因素作了大量的统计,扬声器和音箱占 ,节目源占 ,放大器占 一 ,扬声器和音箱对放音质量起决定性作用。可见,扬声器和音箱在高保真音 响设备中是非常重要的。 扬声器单元的种类 按结构和换能机理,扬声器可分为动圈式又叫电动式 、电磁式又叫舌簧式 、压 电式三种。其中,动圈式扬声器的性能最好。按动圈式扬声器的结构,又有普 通纸盆扬 声器、橡皮边扬声器、球顶形扬声器、同轴扬声器、号筒式扬声器、椭圆形扬声器和双 纸盆扬声器等几种。 按扬声器的工作频率范围,动圈式扬声器可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬 声器和全频带扬声器四种。它们的工作频率范围 低音扬声器为 中音扬声 器为 高音扬声器为 全频带扬声器能覆盖低音、中音、高 音全频带。 , 扬声器单元的结构 普通纸盆扬声器普通纸盒扬声器的结构如图 所示,图 为外磁式扬声 图 普通纸盆扬声器的结构 外磁式 内磁式器 图 为内磁式扬声器。普通纸盒扬声器由振动系统纸盆、音圈、音膜和支架家庭影院音响系统 频部分的设计 、磁路系统永久磁铁、导磁夹板和 柱形心柱、盆架及辅助材料等组成。按磁铁是否 外露,动圈式扬声器又有外磁式和内磁式两种。外磁式扬声器的磁铁外露,有磁场泄漏, 属于低档扬声器。内磁式扬声器没有磁场泄漏,不会影响周围环境。 近年发展起来的橡皮边扬声器与普通纸盆扬声器的结构基本相同,只是纸盆边缘部分的 折环是采用富有弹性的橡胶制成的,故称为橡皮边扬声器。由于橡皮边扬声器的折由 橡胶制成,使得扬声器的谐振频率降低,适于重放低音,失真也很小。但是,它的效率 较低,需要较大的输入功率。 招 球顶形扬声器 球顶形援声器的结构如图 所示。球顶形扬声器是常用的一 种高音扬声器。高音扬声器的工作频率很高,放音时音圈在磁隙中作高速运动。这就要 求高音扬声器的音膜能对高频侣号做出迅速的反应,能承受由于高速运动而受到的空气 压力。所以高音扬声器的音膜不仅质量小,而且机械强度大。 图 球顶形扬声器的结构 球顶形扬声器有硬球顶形扬声器和软球顶形扬声器两种。 ?球顶形扬声器的音膜由金属钦制成。由于金属钦具有轻而硬的特点,所以硬球 顶形扬声器在重放高音时,具有良好的瞬态响应,声音纤细、清晰、层次分明。 ?对软球琐形扬声器的音膜由丝、绢和化纤等材料制成,重放高音时,较硬球项 形扬声器柔和。 同轴扬声器同轴扬声器的结构如图 所示。同轴扬声器又称为点音源扬声 器,它是将高音扬声器与低音扬声器的磁铁及音圈安装在同一个垂直的轴线上制成的。 它的工作原理与变压器类似,当低音单元的音圈中有音频电流流过时,在高 音单元的音 圈中就会产生感生电流。由于同轴扬卢器放裔时,高、低音扬声器在同一个位置匕发音 ,因此,高、低音的分频点衔接良好,声像的定位及扩散角度椒很好人连理工大学专业学位硕行学位论文 图 同轴扬声器的结构 扬声器的工作原理 当扬声器的音圈通过音频电流时,音圈周围便产生交变的磁场。交变磁场的大小和 方向随音频电流的变化而变化。永久磁铁的周围有一个恒定的磁场。在这两个磁场的作 用下,使音圈作垂直于音频电流方向的运动。由于音圈与音膜连在一起,从而带动音膜 一起振动,由音膜的振动引起空气的振动而发出声音。 当输入音圈的音频电流越大时,磁场的作用力越大,音膜振动的幅度也越大,发出 的声音就越大。扬声器发出高音的部分主要在音膜的中央,当音膜中央的材 随硬时, 其重放高音的效果就越好。扬声器发出低音的部分主要在音膜的边缘,当音膜的边缘比 较柔软而且纸盆的口径比较大时,其重放低音的效果就越好 音箱结构的研究 音箱的种类较多,按箱体结构来分 可分为封密式音箱、倒相式音箱、迷宫式 音箱、 声波管式音箱和多腔谐振式音箱等。其中在专业音箱中用得最多的是倒相式音箱,其特 点是频响宽、效率高、声压大,符合专业音响系统音箱型式,但因其效率较低,故在专 业音箱中较少应用,主要用于家用音箱,只有少数的监听音箱采用封闭箱结构。密封式 音箱具有设计制作的调试简单,频响较宽、低频瞬态特性好等优点,但对拨声器单元的 要求较高。目前,在各种音箱中,倒相式音箱和密封式音箱占大多数比例,其他型式音 箱的结构形式繁多,但所占比例很少 封密式音箱 是结构最简单的扬声器系统, 年 提出,由扬声器单元装在一个全密封箱体内构成,它能将扬声器的前向辐射声波和后向 辐射声波完全隔离,但由于密闭式箱体的存在,增加了扬声器运动质 产今共振的刚性家庭影院音响系统音频部分的设计 使扬声器的最低共振频率上升。密闭式音箱的声色有些深沉,但低音分析力好,使用普 通硬折环扬声器时,为了得到满意的低音重放,需要采用容积大的大型箱体。扬声器正 面的声波是有效的,背面的声波被吸音材料吸收掉。吸音材料应选择多孔、 松软、表面 积大的材料,如棉絮、玻璃丝、毛毡等,吸音材料尽量填满箱体。 低音反射式音箱 也称倒相式音箱 年 发明,在它的负载中有一个出声口开孔在箱体一个面板上, 开孔位置和形状有多种,但大多数在孔内还装有声导管。箱体的内容积和声导管孔的关 系,根据亥姆霍兹共振原理,在某特定频率产生共振,称反共振频率。扬声器后向辐射 的声波经导管倒相后,由出声口辐射到前方,与扬声器前向辐射声波进行同相叠加,它 能提供比密闭式音箱更宽的带宽,具有更高的灵敏度,较小的失真,理想状态下,低频 重放频率的下限可比扬声器共振频率低之多。这种音箱用较小箱体就能重放出丰富 的低音,是目前应用最为广泛的类型。倒相式音箱的吸音材料最好能沿整个箱体内壁均 匀贴上一层。 传输线式音箱 是以古典电气理论的传输线命名的,在扬 声器背后设有用吸声性壁板做成的声导管,其长度是所需提升低频声音波长的四分之一 或八分之一。理论上它衰减由锥盆后面来的声波,防止其反射到开日端而影响低音扬声 器的声辐射。但实际上传输线式音箱具有轻度阻尼和调谐作用,增加了扬声器在共振频 率附近或以下的声输出,并在增强低音输出的同时减小冲程量。通常这种音箱的声导管 大多折叠呈迷宫状,所以也称迷宫式或曲径式。 图 音箱的构造 封闭式音箱 倒相式音箱 音柱滩 目 无源辐射式音箱〔 是低音反射式音箱的分支,又称空纸大连理工大学专业学位硕七学位论文 盆式音箱。是 年美国 及 发表,它的开孔出声』由一个没有磁路和音 圈的空纸盆无源锥盆取代,无源锥盆振动产生的辐射声与扬声器前向辐射声处于同相 工作状态,利用箱体内空气和无源锥盆支撑元件共同构成的复合声顺和无源锥盆质量形 成谐振,增强低音。这种音箱的主要优点是避免了反射出声孔产生的不稳定的声音,即 使容积不大也能获得良好声辐射效果,所以灵敏度高,可有效减小扬声器工作幅度,驻 波影响小,声音清晰透明。 音柱音柱由多只扬声器按直线排列安装在一个箱体内而成。音柱的构造如图 所示,音柱各扬声器的口径可以相同也可以不同。 分频器的研究 分频就是将功率放大器的输出信号功率经分频器分别送往各个扬声器,使各扬声器 分配到频率范围合适的音频信号,从而实现高保真放音并使扬声器不致过载而损坏。分 频器有电子分频器又叫有源分频器和功率分频器又叫无源分频器两种。电子分频器 的结构复杂、性能优异,成本较高,多用于专业组合音响的音箱中。功率分频器的结构 简单、成本较低,多用于家用组合音响的音箱中。 电子分频器 电子分频器由电阻、电容及晶体管或集成电路等有源元件组成,它具有放大作用, 故又称为消源分频器。电子分频器的结构如图 所示,这是一个三单元的电子分频器, 它由前置放大器、电子分频器、功率放大器三单元及扬声器三单元组成。 高音 杨户器 中奋 扬声器 低音 扬脚器 图 电子分频器的结构 在电子分频器中,输入信号经前置放大器故大后送入电子分频器。经电子分频器进 行分频,输出低频、中频、高频三个频段的音频信号,分别送入各自的功率放大器进行 功率放大,再送入各自的扬声器。由于电子分频器接在前置放大器和功率放大器之间, 各频段的功率放大器直接与各频段的音箱连接,各频段的信号互不干扰,所以电子分频家庭影院音响系统音频部分的设计 瞬态特性很好。此外,电子分频器具有放大作用,可对各频段信号的增 器无调制失真 益进 使放音效果更理想。 行灵活调整, 功率分频器 功率分频器由电容、电感等无源元件组成,故功率分频器又称为无源分频器。功率 分频器的结构如图 所示,这是一个三单元的功率分频器电路,它由前置放大器、功 率放大器。分频网络及扬声器组成。 在功率分频器中,输入信号经前置放大器放大后送入功率放大器进行功放。功放后 的信号送入分频器。分频器将低频、中频、高频三个频段的信号分别送往各 自扬声器。 商音 场声移 中音 扬声璐 低音 扬声拐 图 功率分频器的结构 石 功率分频器的种类功率分频器有二分频器和三分频器两种。 ?二分频器二分频器的结构如图 所示,这是四种常见的二分频器。图中, 是高音扬声器, 是中音或低音扬声器。图中的“ ’,、 “一”号,表示扬声器的极 性。 州 图 分频器的结构 人连理盈大学专业学位硕十学位论文 在图 所示电路中, 是分 电容器。只要 的取值合适,使它对高音频 信号容抗很小,相当于通路。对中、低音频信号容抗很大,相当于开路。于是高音频信 号通过 送入高音扬声器,中音低音频信号进入中音低音扬声器在图工‘ 所示电路中,比图 增加了一个分频电感 。只要 的取值合 适,使它对高音频信号的感抗很大,能阻止高音频信号进入中音低音扬声器,从而提 高了电路的分频效果。 在图 所示电路中,比图 又增加了一个分频电感。只要 的取值 合适,使它对中音低 频信号的感抗很小,能将中音低音频信号旁路入地而不进入 高音扬声器,从而进一步提高了电路的分频效果。 在图 所示电路中,比图 又增加了一个分频电容。只要 的取值 合适,使它对高频信号的容抗很小,能将高频信号旁路入地而不进入中音〔低音扬声器, 从而更进一步地提高了电路的分频效果。 通过以上分析可知,图 所示二分频器的结构最复杂,但它的分频效果最好。 ?三分频器三分频器的结构如图 所示,这是两种常见的三分频器。图中, 是高音扬声器, 是中音扬声器, 是低音扬声器,图中的“ ”、“一”号是扬声器 的极性。 图 二阶分频器的结构在图 所示电路中,是分频电容,是分频电感。利用电容器 和电感器对音频信号的不同作用,将音频信号分频。只要各分频元件的取值合适,即可 使高音频信号通过 进入高剖易声器 ,中音频信号通过进入中音扬声器 低音频信号通过 进入低音扬声器 实现了分频。 在图 所示电路中,比图 增加了衰减网络。 用于衰减中音频、低音家庭影院音响系统音频部分的设计 频信号, 分别用于衰减高音频、低音频信号, 用于衰减中音频、高音频信号, 使分频效果更好。 扬声器的主要技术指标 频率响应有效频率范围 频率响应是扬声器工作时所能达到的频率范围阎。 这项指标反映了扬声器工作的主要频率范围。当给扬声器加以恒压信号源并由低频 到高频改变信号源频率时,扬声器产生的音压将随频率的变化而变化。由此得出的声 压? 频率曲线,就是扬声器的频率响应曲线。 国际电工委员会规定扬声器所能重 放声音的频率界限,也就是有效频率范围,是取扬声器声压频率特性曲线中比峰值附近 一个倍频位的平均声压级降低 的频率范围。此范围越宽,放声特性越好,一般高保 真用扬声器箱最低要求频响为 一 ,能达到 一 己足够了, 当然 则更好。 额定阻抗它是指扬声器在某一特定工作频率时在输入端测得的阻抗值。通 常即在产品商标铭牌上标明,由生产厂给出。扬声器的阻抗特性。由生产厂给出的额 定阻抗通常是在额定频率范围可望得到最大功率的阻抗模值。额定阻抗一般规定 欧、 欧、 欧、 欧等,也有采用 欧、 欧等。 扬声器的标称阻抗并不是扬声器音圈的直流电阻。如果扬声器失去标注的标称阻抗, 可将扬声器音圈的直流电阻乘以 ,即为扬声器的标称阻抗。 在功率放大器中,扬声器的阻抗对功率放大器的输出功率有决定性的作用。原则上 应使扬声器的阻抗与功率放大器的输出阻抗相等,即阻抗匹配。 功率扬声器的功率大小是选择扬声器的重要指标之一。国内、外扬声器的 标法有很大的差别,这是因为对功率定义解释各不相同。一般扬声器所标称的功率为 额定功率。 额定功率或额定噪声功率,是指扬声器能长时间连续工作而不产生异常声时的输 入功率。一般测试时采用粉红噪声信号,通过特定的滤波器,在额定频率范围内进行 测试。按 标准,被测扬声器应保证在 小时的连续工作中不产生异常创。 最大噪声功率与额定功率不同,它是表明扬声器承受短时间的大输入功率的能 力,其试验时间仅为几秒或几分钟。一般最大噪声功率是额定功率的 倍。 灵敏度特性灵敏度是指当音箱加上相当于额定阻抗上 功率的粉红噪声 信号电压时,在轴向 处测得的声压级。一般地说灵敏度高的扬声器箱的效率也较 高。一个扬声器的灵敏度高低,对声音重放并无决定性的影响,因为人们可以通过调大连理大学专业学位硕十学位沦文 节放大器的输出来获得足够的音量。不过,在音箱制作中,扬声器的灵敏度却是 一个 值得重视的参数。因为在二分频或三分频音箱中,各扬声器单元在各自负责重放的频 段内,它们的灵敏度必须基本一致,以使整个音箱在重放时高、中、低音的平衡。特 别是对立体声音箱,左右声道使用的单元都必须经过严格的筛选、匹配。要求左右声 道所用的单元的输出声压级差别应正负 内,不然会影响声像的定位 对于专业音箱,特别在作远距离扩声中如大型厅堂、体育扬馆等,音箱灵敏度 也是必须重视的指标之一。这是因为要达到同样大小的放声声压级,采用较高的灵敏 度就可大大减轻率放大器的功率容量。通常,专业音箱的灵敏度都在以上, 甚至高达。而家用音箱的灵敏度较小,能有就算是很大的了。 指向性指向性用来描述扬声器将声波辐射到空间各个方向去的能力。它一 般用声压级随辐射角度变化的曲线表示。指向性通常有两种表示方法 一种是在扬声 器频响曲线上标出了几个角度如 度、 度、 度时频响曲线的变化,通过它与 度时频率的对比可以看出声压级变化的情况。这种频响曲线称为指向性频率性曲线。 另一种以极坐标形式表示。它是以扬声器位置为原点,用极坐标画出某些频率的指向 性图,从它可以形象地看出某些频率的指向性。在 系统中,一般不希望扬声器 或音箱的指向性过于尖锐狭窄 ,否则靠近扬声器主轴的人听到的声频效果好些, 偏离主轴时声频效果就差些。使均匀听到整个重放频带声音的范围受到限制。但对会 场扩音场合,扬声器的指向性却十分重要,因为利用指向性可减弱扬声器对传声器反 馈作用,从而可以消除扩音系统啸叫。在专业音箱中,指向性还有许多其他表示方法。 扬声器的指向性与频率有关,一般低频如 以一日没有明显指向性。高频时, 由于声波波长较短,指向性会变得尖锐,因此有些音箱在不同方向匕排列几个高频单 元,以改善指向性。指向性还与扬声器的口径有关。一般口径大时,指向性也尖锐 口径小,指向性较宽。 ?音箱的高、中、低频率 图 不同频率声音的指向 示意图 家庭影院音响系统音频部分的设计 例如我们现在有一个 寸的纸盆扬声器单元,装置在一个用木材造的音箱内,而 这音箱的面板面积是 平方米,即这面板的高度及宽度均是 米。我们怎样计算这音箱 的高、中、低频率呢首先我们要计算这音箱面板的对角长度,是 的方根习 任 何频率的 波长是超过 时,对这音箱来说它就是低频 如果一个频率的 波长是。时,波长就是 ,这频率二 二 ,所以任何音频低于 时,对这音箱来说就是它的低频率。当 或 更低的频率从这音箱传播出来时,它们的扩散形象是球型的,等于如果我们把这音箱悬 挂在一个房间中间时,这些频率的音量在音箱的前后左右及上下所发出来的声压都是差 不多的,放出来的声音变成没有方向性。当某频率的 波长是小于音箱面板的对角长 度,但这波长又大于扬声器的半径时,这段频率就是这音箱的中频率。例如我们现在是 用一个 时单元,这单元的半径为 寸,就是 二 ,这个音频为二,从 一 频就是这音箱的中频率。中频率从这 音箱所扩散出来的形状是半球形的,即如果我们把这段频率从刚才悬挂在房间中心的音 箱放出来时,声音从音箱面板扩散出来的形状是半球形。在音箱后面是听不到这段频率 的声音。 及更高的频率,对这音箱来说就是它的高频率。高频率从音箱扩散 出来 的声音形状是锥形的,频率越高,锥的形状越窄。通常如果频率超过开始高音频的 倍 时,声音扩散出来的形状会慢慢变成一条直线而不扩散,如果不是坐在对正单元的位置, 就听不到这些高频率。所以很多高频率单元如果是纸盆型的话,这纸盆的直径是很小的, 把这音箱的高频下限尽量提高,希望能够使高频扩散的宽度增加。我们常常见到家庭音 响音箱中的高音单元,通常会用 时的纸盆单元,或半球状的单元,理由就是这个 原因。而专业现场音响的高音单元,因为要发出很大的高频声压,所以说一定是采用号 角处理的 ?各类不同的音场 当一个纸盆扬声器接受了从功放传过来的信号后,纸盆就会作出前后的摇动,当纸 图 不同频率的声音的覆盖面积 大连理 大学专业学位硕士学位论文 盆向前推进时,纸盆撞击到它前面的空气分子,在纸盆前面的空气就会增加压力,这些 分子就会继续向前推进,碰撞它们前面的空气分子,造成轻微的高气压。当纸盆向后退 时,纸盆前面的空气分子就会产生轻微的真空,然后这些分子会跟着纸盆的后退,造成 这里的空气有轻微的压力减少。但我们不要忘记,空气是有弹力的,但在纸盆前面的空 气是刚刚被纸盆的动作推动,不能达到空气本身的弹力,这时我们便要看这频率的波长, 声音是要直到离开纸盆的距离有 倍波长时,这些空气才发挥出造成声音的弹力。例 如一个 的频率,它的波长是 米,所以声音要离开纸盆米 米 之外,才是真正的这个 的声音。如果用 来算,离开纸盆的距离还没达到 米就为 的近音场,而超过 米才是 的远音场。为什么我们要了解远近音 场呢很多时候在一队乐队中的电贝司手,他往往都不了解近音场的效果,而在他的电贝 司音箱上,有一个均衡旋钮就是写着贝司 ,正是这乐手的称号。电贝司手通常会 站在离开电贝司音箱不远的地方做演奏,如果他站在近音场时,有时会觉得低音不足, 就会把这 的均衡旋钮尽量调大,但听众在他们的位置就会听得到很强烈的低音,很 多时候造成不好的效果。这些强烈的低音也会跑进歌手的话筒,如果调音师因为觉得歌 手的声音不足够时,就会把歌手这一路的声音提高,但也同时把电贝司的低 音量也提高 了,调音就遇上了困难。电贝司的最低 弦是,但因为拾音器是放在弦的末段,所 以 第一个谐音 才是主要的电贝司低频率, 的波长是 米耐 除以 ,所以差不多要离开电贝司音箱 米左右才是这 的远音场,而因为 电贝司手不会站到离开他的音箱这么远的距离时,他听到的声音只是近音场,而不是听 众听到的声音。所以我们当说到扬声器的远近音场时,最主要是注意到频率及它的波长, 而不是单纯看离开音箱多远就是等于远或近音场,最主要就是记得我们当欣赏音乐时, 是要在远音场的位置,而不是在近音场的位置 。 失真扬声器系统的失真包括谐波失真、互调失真和瞬态互调失真等。音箱的失 真特性比单个扬声器更容易引起特性变坏。谐波失真指扬声器振幅的非线性失真。当给 扬声器输入频率为 的信号时,扬声器的输出信号中除 外,还有等谐波频 率的信号,因而造成失真。通常在分频点附近,因设计不当,失真大幅增加。谐波失真 主要产生在低频,尤其在共振频率附近最为明显。对于高保真用音箱的最低要求谐波失 真不大于扬声器材料的使用【 扬声器基本上由驱动单元,分频器和音箱构成,这三部分的设计固然重要,所用的 材料对音质也有密切关系,假如改变其中一部分材料其余保留不变,声音必然会有差别,家庭影院音响系统音频部分的设计 这个差别可能非常明显,有些爱自己动手的发烧友试用不同的材料代替原来的用料,例 如给分频器换上“补品级”电容或用发烧线替换原有的接线,有些能令音质改善,亦有 些破坏了原来的声音平衡。零件影响音质是一种不可捉摸的事,你以为更换了补品零件 会改善声音,有时却相反,原来的几种零件配搭音质或平衡反而更佳,这点可能是设计 时已经过了仔细试验达成最理想的零件配搭。发烧友可以自己作试验,但一经如此就会 失掉代理商的保用服务,你把原来零件任意更改,出了问题当然由自己负责。 驱动单元 驱动单元俗称喇叭,在构造用料方面有几点值得特别注意,电动 式喇叭的振膜中及低音喇叭的振膜或称音盆材料有几种,纸振膜历史悠久,取其质 轻和具有适当的阻尼特性,至今仍有多家名厂坚持采用,但纸振膜易受潮湿霉烂或变 形,它的表面硬度低,不能产生高辐射声波速度。但用赞低音喇叭声音丰满深沉,十 分适合。现在纸振膜多在低音和中音喇叭上使用,纸振膜的高音喇叭已几乎绝迹。 约在八十年代初期,塑料振膜开始出现,在中音和低音喇叭上起初 采用 后来聚丙烯逐渐普遍,愈来愈流行,今日的扬声器采用这种材料的 占了一大部分。聚丙烯振膜具有极高的阴尼特性,不受潮湿影响,可以塑铸出任何需 要的厚度及形状,质轻而硬,物理特性与声音特性均甚佳,聚丙烯还可以与其他材料 混合塑铸成硬度更高的振膜,例如混合陶瓷粉,玻璃纤维或石墨等,变化多多,至砖 实际上聚丙烯振膜声音是否优焚纸振膜,见仁见智,采用这种材料的厂家大吹大擂, 似乎只有优点而无缺点,但有些人仍认为纸振膜的音色较佳,聚丙烯带“塑胶”味。 无论如何,聚丙烯这种材料己厂受厂家和用家欢迎,它不限龄在中音和低音喇叭上使 用,高音喇叭振膜亦适合。 金属振膜在八十年代己出现,但当时技术只在起步阶段,显露出许多缺点,例如 声乾硬,高音刺耳,虽然瞬态响应快但音色不自然,经过多年的改良,高音单元的半 球金属振膜首先取得成功,材料包括铝、铝合金及钦等轻金属,将长处发挥和 避免缺 点,近年来金属振膜半球高音单元变遍流行,甚至低价扬声器亦采用。 至龄中音和低音单元采用金属振膜达成优良性能还是近几年的事,英国首先制成全金属振膜扬声器,获得崇高评,但售价 贵。继 之后,亦发展成全金属振膜扬声器,将这种技术迈向更成熟阶段。全 金属振膜扬声器的优点是声音速度快,乾净利落,高音特别宽阔声场及透明度高。 在振膜周围有一圈边缘与盆架连接,它是一种柔顺材料为振膜提供自由活动的悬 挂,所用的材料有多种,包括天然橡胶,人造橡胶, 塑料,早期更有些厂家用加 漆膜的布,它们都做成波浪形或正反半卷边才能使柔顺度达到指定的高低,气垫式扬人连理人学专业学位硕十学位论文 声器的低音喇叭边缘必面具有非常高的柔顺度以便大幅度活动,一般透气式扬声器需 要的是边缘柔顺度较低,这是考虑采用那种材料的主因。 支架 喇叭支架的工作是保持机械构造稳定及为振膜提供准确的活动,支架 必须构造坚固和避免谐振,一般喇叭采用的支架材料有钢、铝合金或镁合金等,钢支 架是用高压制成,如果钢料厚的话亦相当坚固,现在不少大口径的低音喇叭仍用钢支 架,但如果钢料太薄则容易引起谐振,钢支架制造成本较低,所以在低价扬声 器中普 遍采用。 铝或镁合金压铸的支架在坚固性及防谐振方面性能更佳,外型亦较美观名贵,但 这类支架制造成本较钢架高。有些扬声器尤其是日本货,虽然价钱不贵但亦采用合金 压铸的支架,主要是为了使外观更有吸引力,实际上喇叭质素平平。 音圈 喇叭音圈根据低、中、高音单元的需要而有不同,高音喇叭音圈用十 分细的线绕成,包括铜线和铝线两种,铝线质重较轻,可获得更佳的瞬态响应,但在 承载力和耐用性方面不及铜线,中音和低音喇叭多用铜线绕音圈,而且铜线较粗能承 受大功率,有些低音喇叭绕二至四层音圈增加承载力,至龄铜线形状亦不同,例如圆 形、六角及长方形横断面,圆线最普遍使用,六角及长方形线可以紧密排列不留空隙, 能增加散热效率相应提高功率承载力。 普通喇叭的音圈多绕在纸管上,但纸不是良好的导热体,只具有轻的优点,为了提高 散热效率,有些喇叭采用铝或 音圈管,将音圈固定在管上因散热较佳,显著 增加承载力,近期愈来愈多扬声器采用这种材料。 一般烧喇叭多发生在高音喇叭上,因其音圈用细线绕成,不能承受大功率,有 些 扬声器设有保护线路,输入电流过高时自动截断或降低电流防止高音喇叭损坏。中音 和低音喇叭音圈较强健不易烧断,只当输入过强时可能导致音圈撞底或偏斜。 磁铁 早期的喇叭多采用镁镍钻 合金磁铁,它具有高强度和容易防 止磁场滞漏的优点,可惜制造成本愈来愈高,厂家们被迫采用氧化铁磁铁,亦称陶瓷 磁铁,它也具有相当高的磁力,但需要用大块,有些低音喇叭的磁铁重达 至 磅,磁场散播性强,在防汛磁地方使用必须小心控制。 有一种地球稀有磁体称为,中文名译作杉钻磁体,它的磁力为 传统式磁铁的五至六倍,因此只需用少量即可达到足够的强度,但这种磁体十分昂贵, 比较适合用 高单元上,中音及低音单元上甚少见。 分频器 分频器通常用三种零件构成,包括电感线圈、电容及电阻,线圈是 用单芯漆包铜线密绕而成,高通部分线较细,低通部分线较粗,分频器的线圈有空气家庭影院音响系统音频部分的设计 芯式及铁芯式,电感器的直流电阻应小于扬声器标称阻抗的十分之一。电容对音质影 响甚大,分频电容器应选用无感聚丙烯电容器或无极性金属化纸介电容器,尽量不使 用普通电解质电容器,以免增大损耗。在普及型音箱中,如欲使用普通铝电解 质电容 器作分频电容器时,必须选择两只漏电很小、耐压足够的优质电解质电容器逆向串联 使用,以消除电解质电容器的极性,电容量可按电容器的串联公式进行计算。 一般扬声器的分频器多将零件安装在线路板上,整齐美观,但线路板的铜迹因通 路窄关系,可能对大电流记号不利,所以一些发烧级扬声器采用直接用硬线焊接方式, 取得更佳音质。 音箱 扬声器的音箱材料主要是要求具有良好的阻尼特性,坚固无谐振,设 计家为了达到这个目标,过去已选用了各式各样的材料,包括碎木板、木夹板、纤维 板、塑料,甚至用到人造云石、三合土及金属。一般音箱多用木夹板或碎木粒压合板, 取其容易切割和制造,现在不少较高级的扬声器采用中密度纤维板具有更佳 期的特性。 在他们的 书架扬声器上首创采用航空科技,以三夹层结 构的铝制成音箱,有如飞机地板的构造一样,极为坚固全无谐振,那款书架式音箱非 常成功。另一创新的音箱构造是的,内部骨架式结构配合吸音乳胶从而 获得清纯的音质。 , 音箱的元器件的选择与调试 扬声器的选择 ?标称功率的选择在组合式音箱中,频率不同的扬声器承受的实际功率是不同 的。为此,必须按扬声器实际承受的功率来选择扬声器的标称功率。 低音扬声器使用组合式音箱放音时,由于音频信号的大部分功率集中在 以下,所以低音扬声器在工作中承受的功率约占扬声器总功率的,也就是说, 组合式音箱的功率主要决定于低音扬声器的功率。实际选择时,应将低音扬声器的功率 定为音箱的额定功率。 中音扬声器中音扬声器在工作中承受的功率与分频点有关。实际应用中,一般 可将中音扬声器的额定功率按低音扬声器功率的一半选取。 高音扬声器高音扬声器在工作中承受的功率约占总功率的 左右。实际应用 中,对高音扬声器的功率可以忽略不计。 在实际应用中,为了使音箱既能从功率放大器获得最大的功率又能保证扬声器的安 全,必须使低音扬声器的标称功率大于功率放大器的输出功率。人连理大学专业学位硕十学位论文 ?标称阻抗的选取在制作组合式音箱时,为了使音箱能从功率放大器获取最大的 输出功率,应使低音、中音、高音扬声器的标称阻抗相同,并与功率放大器的输出阻抗 相等。如果所用扬声器的阻抗不一致,可将低阻抗的扬声器串联使用。扬声 器的串联使 用如图 所示。 聆 加 们 砂 忏 犯 相 龄 拍 材 图 扬声器的阻抗匹配举例?频响范围的选取 低音扬声器低音扬声器的下限频率应低于组合音响重放的下限频率。 中音扬声器中音扬声器的上限频率应高于高频分频点的频率,下限频率应低于 低频分频点的频率。 高音扬声器高音扬声器的上限频率应高于组合音响重放的上限频率,下限频率 应低于中音扬声器的高频分频点的频率。 从音箱的整体来说,它的频响范围必须大于组合音响重放的频响范围,低音、中音、 高音三只扬声器的频响范围应能相互覆盖,以免重放时缺少某些频率成分。 ?重放音质的选取扬声器的重放音质可以根据个人的爱好和经济条件来选择,选 择余地很大。选择时必须注意,低音、中音、高音三只扬声器的档次必须一致,不要用 一只高档次的低音扬声器去配低档次的中音、高音扬声器。 分频器元件的选择 ?电容器 分频电容器应选用无感聚丙烯电容器或无极性金属化纸介电容器,尽 量不使用普通电解质电容器,以免增大损耗。在普及型音箱中,如欲使用普通铝电解质 电容器作分频电容器时,必须选择两只漏电很小、耐压足够的优质电解质电容器逆向串 联使用,以消除电解质电容器的极性,电容量可按电容器的串联公式进行计算。 ?电感器分频电感器应使用较粗的直径为 单芯漆包线单层密绕,电家庭影院音响系统音频部分的设计 感器的直流电阻应小于扬声器标称阻抗的十分之一。骨架可用直径为〕左右的硬纸板 或塑料板制作。 分频器的安装与调试 ?分频器的安装分频器一般安装在音箱内的下部并用螺钉妥善固定,以免放音时 分频器产生振动,影响放音效果。分频器与音箱输出接线柱之间的连接,应使用质量较 好的无氧铜线。对于普及型音箱来说,用较粗的音响线即可。 ?分频器的调试首先应对冶当选择分频点,根据分频点进行精确的计算,计算出 所需的电容器和电感器,然后要对整个音箱进行测量,确认是否达到设计要求,测量完 成还必须进行认真的试听。如果对试听的效果不满意,可通过改变分频电容的容量和电 感值来对分频点进行调整,然后再次试听,直至满意为止。 作者实际制作的音箱 由于设计和市场的需求,要求整个家庭影院系统小型化,因此,设计成音箱的的低 频与中高频部分的分频方式为电子分频,这样考虑的原因是可以将两个主音箱音频的低 频部分由专门提供的重低音音箱重放出来,其余的中音和高音部分仍由两个主音箱提供, 两个主音箱的中音单元和高音单元的分频方式仍然是功率分频,这样作的好处是既可以 使整个家庭影院系统小型化,又可使重低音音箱可以单独控制,满足用户对各种音源进 行随心所欲的声音调整,满足用户最终的需求。 扬声器的选择 低音单元选用台湾松下电子部品生产的 英寸 灵敏度为 最低共振频率 为 阻抗为 的大功率长冲程纸介橡皮边重低音专用重放单元,其频率特性 曲线 卜排云 刹二井司幼丰一 声卜 幼淤 卜 牙二 琳 丰 巨三 兰丰丝 乖获季 率 蒸给 卜吮扫福产于 等 奎 墓奏三易基引书袭 套塞黛 匡羹鑫羹耸粼鑫匡襄 幸纂巨羹渠羹纂集 篆 全一华三兰碑器丰日丰卜三丰生三三曰 写军爵 仁刊曰 三一于二卜,甲马,于卜」州, 」 卜「二二邵二 曰 斗斗‘万宁巴刁二二奎 羹蓑墓羹 豁 季 是奉一纂羹攀睡攀 羹案崖马羹 囊羹雍匡鑫 奎 奎囊 呈三袭 匡 二幸胜 二仁井泽 鑫牛并卜 目三卜二二幸烈片曰三乍日目三刽兰 呈薄 圣目东目举巨目幸巨轰毛具丢 井二醉三卜牛牛要手之幼 片口士仁二刁‘三 三三仁只二 里拜茱 ‘二言 二 七二二二二孟卜山 滋公匆洲 十只 份 之【窦襄 霍墓醒获编瑟国霆 落至乒马巴宾二 一 「二二杯二二阳 浮卜月一曰十 ,二二 卜一‘汗二二 十 石陀泊‘ 卜 「二二二 刁舀 二落石乙不竺十 乡奋闷 卜 全倒一 十一 开三 丢襄葺攀圃崖仁 睡垂 二二二目忿贯 三三呈一 斗翰井 仁目二牛牛丰升于笼肠牙翠夏斗三目招甲片 毕盆阵三 之二 二子汗 拐鳖 豪塞 龚轰瞬 挂易圣续斗奉珠巨 牛徽辱至莽 霎 三亡 料去辫祥 案昌襄 牡举 毛牵曝舀勇粗磨 鬓警丢羹葬巨攀 袭 二忿性《 ‘二 全全互 扛毛仁二诗俘与尾拿写瑟一甭贬目既轰王三至 」纽 蕃三召搽至习至 三二幸三仁不书气岑鱼主胜月丰刀三三 甲肚邢宝卜泣节瞬比肖准书 片全 三民井卜十共卜二曰习未比 月二坦〔艺口军 一 争一阵仁 砚胃二 目 粼‘又二二军巴匀罗 亡含 鲜囊阵攀忍藉 牛马 卜材幸引 之二浦已点 套 殆续共 理皇 篡 羹 轰 崖 轰爵蒙廷奚鑫鬓 羹羹一一霎 彝纂笼琴藉著洲炸书书阵昌三三公绷 图 选取的低音扬声器的频率特性曲线和阻抗特性曲线家庭影院音响系统音 频部分的设计 感器翁直流电阻应小予扬声器标稼阻抗的十分之一。鸯架可髑直径为左蠹的 硬纸叛 或塑料板制作。 分频器的安装与调试 ?分频器夔安装分频器一般安凌在音籍蠹戆下藩并震爨钌袋善霾定,以免羧 音嚣雩 分频器产生振动,影响敢啬效果。分频器与音箱输出接线柱之问的连接,应使用质量较 好的无氧铜线。对于普及型音箱来说,用较粗的音响线即可。 ?分频器匏调试繁先应对除当逡舞分频点,掇凝分频点避抒髓碛翡诗算,计算惠 所需的电容嚣和电感器,然后要对整个蒲箱进行测豢,确认是否这至设计要求,测量完 成还必须进行认真的试昕。如果对试口厅的效果不满意,可通过改变分频电容的容爨和电 感值来对分频点进行调整,然后再次试昕,直至满意为止。 .律者察际制作的酱箱 由于设计和市场的需求,要求整个家庭影院系统小型化,因此,设计成音箱的的低 频与中高频酃分的分频方式为电予分频,这棒考虑豹藤因是可以姆蹰个主音箱音频的低 频舔劳壶专门提供静重低蠢音藉重放出来,其余翡中落帮裔音帮分仍蠢两个主音耩提供, 两个主音箱的中音单元和离音单元的分频方式仍然越功率分频,这样作的好处魑既可以 使整个家庭影院系统小型化,又可使重低音音箱可以单独控制,满足用户对各种密源进 行莲心瑟款瓣声音诿整,滚足鼹户最终瓣霰求。 扬声器的选择 低音单元选用台湾松下电子部品生产的.英寸灵敏度为最低共振频率 戈阻抗必 静大功鬻长冲程纸贪橡皮边重低誊专震重放单元,其频率特枣薹融笺 图.选取的低音扬声器的频率特性曲线和阻抗特性曲线 ?. 攀夫连理上人学专业学位硕:学位论文 秘强抗特性燕线熟图.联示。 中音单元选用公司生产的英寸灵敏赓为最低共攘频率为 阻抗为 的纸浆掺羊毛介质的中音重放雎元,其频率特性曲线和阻抗特性曲线如图 .所示。 图选取的中音扬声器的频率特性曲线干阻抗特性曲线 ?. 离音单元逑掰台湾松下电子部品生产的英寸爱敏度为避低共振频率为 ?阻抗为的天然蚕丝膜质的球顶专用高音熏放单元,其频率特性曲线和阻抗 特 性曲线如图.所示。 图.选取的中音扬声器的频率特性曲线和阻抗特性曲线分频嚣黪选择 重低音音箱和中高音音箱间的分频方式选择为电子分频,分频点选在,具体 情况在下。章的前置放大器的实际制作中说明。家庭影院音响系统音频部分 的设计 主音箱、中置音箱和环绕音箱的分频方式选择为功率分频,其分频点选在., 分频网络选择如图.所示的扩声系统常用的分频截止区的斜率特性为/倍频程的 一种典型分频网络,元件参数计算公式为: 图.除重低音箱外选取的二阶分频器 搿?肥/? . 三?/万 . 经计算可得选择.、选择.。 音箱的制作 幽 制作完成后的重低音音箱的频率特性曲线 重低音音箱采用倒相式箱体,为使重低音音箱的箱体结实能承受大功率的振动,重 低音音箱的箱体材料选择厚的中密度板制作音箱容积为升,倒相管为直径为巾 “ 计算略,经过测量的频率特性曲线如图.所示。因重低音箱无指向 性。测此,不必测其指向件。火连理:凡学协眦学位硕士学位论文 中离音音箱包括主音箱、翦髯音箱、环绕音麓也采瘸倒稳式箱体,毽为箱俸 振动 不大,选用厚的中密度板,音箱容积为.升,倒相管为直径为中长:‘ 算略,经过测量的频率特性曲线如图,所示。 强.露作完残螽豹豫熏甄音音籍?筵窀毒藤的频率祷性魏线 .. 闰.实际铷作的家庭影院主裔箱的指恕雌. 小结: 啻籀熬翻箨痤镬整个音繁系统戆颓率覆盖款菠溱簿合设诗所要求达到秘鬏搴范围, 选择恰当的分频器,应便音箱的每个部件都能发挥很好的作用,但扬声器单元的频率范 围重叠部分也不要太大,以免造成很大的浪费。大连理」大学专业学位硕士学位论文 中高音音糊包括主音箱、前置音箱、环绕音箱也采用倒相式箱体,因为箱体振动 不大,选用 厚的中密度板,音箱容积为 升,倒相管为直径为长 计 算略,经过测量的频率特性曲线如图 所