扬声器的主要技术特性及其应用 - 公告建议室 - 声学楼论坛

扬声器的主要技术特性及其应用

扬声器（又称音箱）是音响系统的喉舌，直接影响着还音的质量，是音响系统最关键的部分之一。
扬声器的功率是把一种可听范围内的音频信号通过换能器（扬声器单元）转变为具有足够声压级的可听声音。怎样才能更有铲地完成这种转换呢？首先必须了解声音信号的属性，其次要了解并熟悉扬声器的主要技术特性，正确选择好扬声器。
声音信号属性主要是指人声、乐声以及各种音效。这些声音信号都是一种随机信号，其波形比较复杂，但属人耳可听声音的频率范围（20Hz~20kHz），其中人声的频谱范围约在150Hz~4kHz；各种音乐的频谱范围可达40Hz~18kHz。平均频谱的能量分布为：低音和中低音部分最大，中高音部分其次，高音部分最小（约占中、低音部分能量的1/10，人声的能量主要集中在200Hz到3.5kHz的频率范围）。这些可闻声随机信号幅度的峰值比它的平均值约大出10~15dB。因此，要能正确地重放出这些随机信号，保证重放信号的音质优美动听，扬声器就必须具有宽广的频响特性、足够的声压级和信号动态范围，并具有高效率的电功率转换成声压的灵敏度。
扬声器系统具有不少与音色效果和使用场合直接相关的技术特生，要用好用活这些技术特性，我们必须对它们有一定的了解。
分频系统
广播、电影、电视、剧院、舞厅、会议厅、体育场所使用的扬声器分频系统，有（二路）二分频、（三路）三分频系统。音频信号的频宽从20Hz~20kHz，单用一种扬声器单元是无法满足整个频段的频率响应的，换言之，要用一种扬声器单元把20Hz~20kHz各频率均匀重放是绝大不可能的。例如口径为12英寸的扬声器单元，低频特性较好，失真不大，但1.5kHz以上的信号，其响应能力就很差了。反之，2英寸口径的扬声器单元，重放3kHz以上的音频信号响应很好，却无法重放中音和低音信号。于是必须由各种频响特性单元组成的扬声器系统去完成宽频段音频的重放任务。例如由低音、高音两单元组成的二分频扬声器系统，由低音、中音和高音三种单元组成的三分频扬声器系统。二分频扬声器系统结构比较简单，但中频段的响应不甚理想。为了解决中频段的响应，厂家采取折衷的办法，把低音单元的频响特性向上移，而又把高音单元的频响特性向下移，分频点想办法设定在400Hz到1500Hz之间（图1是高低频单元频响作向下、上移的结果）。分频交叉点往往有下陷现象，实际应用时可根据厂家提供的资料，在分频交叉点部位使用均衡器根据实际需要进行提升。图1交叉点在400Hz。

三分频扬声器系统各单元的频响特性就不用折衷了，可充分发挥它们各自的长处，两个分频的交叉点是选在中音人声和乐声频谱重要部分的上、下边缘处，这对声音质量没有任何影响。交叉点的下陷现象可以通过调整均衡器得到解决。二分频、三分频扬声器系统被广播、电影、电视、音乐厅、歌剧院、会议厅、体育场馆广泛使用。
三分频扬声器的特点是失真小、清晰度高，低音和高音间交叉点频段性能好，频响频带宽，扬声器系统的功率处理能力好，扬声器系统不容易损坏。

扬声器单元是一种电信号与声音之间的换能器。扬声器系统的“灵敏度”实质上是一种“转换效率”的体现，如何以相对较小的输入功率转换成很响亮的声音，取决于扬声器系统的转换效率高低，亦即由扬声器系统的灵敏度高低而定。由于设计技术、选用材料、生产技能和生产工艺等诸多方面的差异，灵敏度的差异是很大的。
扬声器的灵敏度是指供给扬声器单元1W的电功率，在扬声器轴线方向离开1m处所测得的声压级大小。灵敏度高的扬声器可超过100dB以上。一般是灵敏度高的扬声器在同等条件发出的声音大，如果甲乙两扬声器的灵敏度相差3dB声压级，那么要达到同等的声压级输出，就要灵敏度低的扬声器增加一倍的电功率输入，或减少灵敏度高的扬声器一倍的电功率输入。人们可能会关心两个相同声压级的扬声器放在一起，它们合成的声压级是多少？我们设定声压级同是80dB的两个声音同时在一起出现（80dB相当于大声说话时离发声体1m处的声压级）。它的合成声压级不是160dB，这会大大地超出了人耳所能忍受的120dB限度。那么应该是多少dB呢？这可以用声音的能量叠加按对数运算规律来算出其结果：
因为总声压级Lp=10Lgn+20Lp Pe/P0（dB）。
在这里，我们设定的是声压级同是80dB的两个声音同时在一起出现，所以上等式中n=2，20Lg Pe/P0=80dB。
所以总声压级为
Lp=10Lgn+20Lg Pe/P0
=10Lg2+20LgPe/P0
=3+80=83(dB)
同理，若我们设定的是声压级同是80dB的三个声音同时在一起出现，那么等式中的n=3，20Lg Pe/P0=80dB，总声压级则为
Lp=10Lgn+20LgPe/P0
=10Lg3+20 Lg Pe/P0
=4.77+80=84.77(dB)
音响工程往往会遇到这样的事例：
一只灵敏度为99dB的音箱，单价2万元，另一只是90dB，单价只5000元，灵敏度为99dB的音箱，虽然单价高，但转换效率高，响度大，要8只90dB灵敏度的音箱的总声压才有99dB的响度，那么5000×8=4（万元），加上8台功率放大器的成本就远远超出2万元了，所以一般是选用音箱灵敏度高的较为合算。下面列出一组音箱数和合成声压级，供参考：
音箱数 1只 2只 4只 8只 16只
SPL（合成声压数） 90dB 93dB 96dB 99dB 102dB
实际应用中，扬声器系统的输入功率都远远大于1W，一般从50W到2000W或更大一些，因此工作时都可以输入这个最大的允许电功率（一般以扬声器最大承受功率的1.5倍为最佳）。以额定最大功率输入扬声器，在扬声器轴向1m处产生的声压级称为最大声压级SPL max。例如：灵敏度=100dB，1W/1m的扬声器，若最大功率承受能力为1200W，那么它的最大声压级SPL max=100+30.8=130.8（dB）。工作时千万不要追求低音的力度而满功率工作，最理想是80%的功率输出，音响工程可增加超低音的扬声器去加强低频特别是鼓乐器声音的力度。而广播、电视、电影的专业监听一般使用有高、中、低（低音音箱纸盘15英寸）三分频的音箱，其音频段的频响效果已经很好了。
扬声器系统的功率处理能力和功率压缩
扬声器系统的功率处理能力代表扬声器承受长期连续安全工作的功率输入能力，也称扬声器的额定输入功率。了解扬声器的功率处理能力，必须懂得扬声器驱动器是如何被损坏的，驱动器的损坏模式有两种：一种是音圈过热损坏（音圈烧毁、过热变形、圈间击穿短路等），另一种是驱动器的振膜或周围的弹性部件损坏。这主要发生在经常性的满负荷工作和大振幅的低频信号，而对于高音喇叭则主要是因为发生强大的正反馈信号。所以100%的功率输出和功放功率几倍于扬声器最大承受功率，扬声器的音圈很容易被烧坏，扬声器的锥形振膜很容易被损坏。
平常所说的声音信号不是一种纯正弦波信号，而是一种随机信号。随机信号可以用平均值、有效值（均方根植）、峰值三个参数表示。有效值比较接近平均值，信号的发热能量基本由它确定，对于正弦波信号，峰值电平大于有效电平3dB，而对于音乐信号，峰值电平可超出有效值平达10~15dB，峰值是信号达到的最大电平，有时用峰值因子来说明峰电平与有效值电平的比率，如果峰值因子为6dB，即峰值电平是有效值电平的4倍。例如音箱指标有一项标写按AES或IEC，额定输入功率600W，峰值为2400W，输入1200W，峰值为4800W，额定输入功率75W，250W，峰值为300W，1000W，都是4倍6dB的关系。
所谓扬声器的功率压缩，也就是扬声器加载（受热）后的声压级下降性能。所有产品的标称功率都是音箱厂家选定的测试信号和测试条件下测试的最佳值。实际上，当扬声器进入了工作状态（等于或大于满功率20秒之后），音圈和磁体受热升温，它们的性能下降且改变了受热前单元的原有特性，这时候的实际声压级输出就会减少。一般情况下，扬声器音圈如受热升温60℃~80℃，额定声压级下降3dB为容限，如音圈散热效果十分优异，耐温100℃以上，实际的声压级则下降6~8dB。如按前所介绍，加一倍数量音箱，才提升3dB声压级，6dB需要4只音箱，8dB将加8只音箱，如果厂家没有标明下降的声压级，那么我们就要认真去选购各厂家的音箱了。在没有办法的情况下，使用时我们要考虑扬声器的良好的通风散热条件，特别是广播、电影、电视使用的监听系统，要注意保持其优质的技术性能，保证声音质量的完美。
扬声器系统的指向特性
扬声器系统的指向特性是很重要的一项技术指标。对于广播、电影、电视的录音、监听系统，由于控制室的声学设计条件好，应用面积（监听覆盖面积）不是很大，因而扬声器系统的配置变化不大，指向特性的要求显得不突出，但作为影剧院、大会议厅、体育场馆这些音响工程系统，由于声音的覆盖面积很大，扬声器系统的指向特性指标就显得十分重要了。
扬声器的指向特性是指扬声器向空间各方向发声的声压分布状况。一般来说，扬声器发声总是有一定的指向性的，而且随频率的变化会有很大的变化，通常在低频段（低于200Hz）的声音是无方向性的，而在高频段，声音的传播则呈较强的方向性，其余在各方面均匀传播。
扬声器的指向性还可以用辐射的声束狭窄程度来衡量，声束越窄，辐射角越小。辐射角或声束宽度，是指在指向性图案中声压级与主轴—3dB（有些标准—6dB，标写—3dB是按功率计算的，而标写—6dB是以声压级计算的）的角度，如图3。

图3偏离轴方向的声压级随偏角的增大而逐步减少。虽然扬声器的指向特性使偏离轴向的声压级随偏角的增大而逐渐减少，但同时声压级又会随声波传播距离的增加而按距离的平方成反比地衰减：
增加1倍衰减3dB
增加2倍衰减6dB
增加3倍衰减9.5dB
增加10倍衰减20dB
然而角度虽然偏离了主轴而使声压级减少，但同时随偏离角度的增加而指向点又渐近了声源，因而声压级反而不是衰减而是增加了。实际音响工程如能较好地把两种衰减选择得当就可使它们互相补偿，从而使声音辐射得更为均匀。
扬声器的辐射角与其纸盆直径D及声音的波长λ有很大的关系，下表是扬声纸盆的直径D和声音的波长比（D/λ）与辐射角的关系。

有些资料，还列出了3D/λ的比值与辐射角的关系。
图4是扬声器纸盆的辐射角与有效直径和波长（D/λ）的关系，由此，我们可以得出以下几点简单的结论：

1、扬声器的指向笥随频率变化而变化，频率越高，波长越短，纸盆有效直径与波长比值（D/λ）越大；扬声器的辐射角越小，指向性就越强，辐射范围就越窄。

2、扬声器在各频率下的辐射角大小，由扬声器的纸盒决定，不能任意改变。

3、在相同频率时，直径大的扬声器要比直径小的扬声器更具指向性，因为D/λ的比值越大，辐射角越小，声束变得尖锐而狭窄，如表：同是5000Hz的频率，以12英寸扬声器和4寸扬声器放音，5000Hz的D/λ比为4.35（12英寸），辐射角只有180；而4英寸扬声器5000Hz的D/λ比为1.5，辐射角有500。这说明小口径扬声器适宜重放高音；一般口径扬声器适宜重放中高、中低音；大口径的扬声器适宜重放低音和超低音。不管是广播、电影、电视的录播监听还是剧院、会议厅、体育场的扩声，我们都应尽可能这样去考虑。

主题：扬声器的主要技术特性及其应用