分频器的设计技术 - 音箱及分频器设计室 - 声学楼论坛

分频器在音箱系统中的作用用“举足轻重”一词来形容一点也不过分。然而这一个非常重要的问题却又是一个极易被一般爱好者所忽视的问题。常常见到有些发烧友到器材店去买分频器时最关心的是几分频、几阶滤波，价格几许。好一些的情况也就是挑一下与自己的单元相同的品牌，注意一下电感的线径，电容的材质，分频点是多少。至于这只分频器的设计是否合理，是否适合自己的单元却很少有人会去关心，这很有些“买椟还珠”的感觉。

在发烧友中还存在这样的一个看法：分频器的滤波阶数取高些好，理由是可以得到陡峭的衰减特性，因此单元之间的干扰就小。于是乎三阶、四阶的滤波器都被设计了出来并撰文大加赞美，什么性能如何如何好啦、听感多么多么棒啦等等。我在这里并没有贬低多阶滤波器的意思。但事实上我们应该知道这样的一个常识：电抗器件对通过的交流信号有相移，每一阶的极限相移量为90度。照此计算，一个四阶滤波器在它的工作频带内应该产生360度的相移。如此一来，高低频单元的相位就必须衔接的非常好，否则稍一错位就会出乱子，出现一些峰谷。出现这样的情况是非常的容易，相反的要很好衔接却成了很困难的一件事。

由于相位不能很好的衔接，于是乎由此而产生一系列的峰谷也就是很正常的事情了。这还不算最糟的，更糟的是由于相位变化的剧烈带来了大量的相位失真，对声音的定位和声场的再现带来了不良的影响。从这个意义上说，不用滤波器最好，但并不现实。既然必须采用滤波器，那么滤波的阶数应该是少些好。可是如果滤波阶数太少又得不到足够的衰减率，这又是一个矛盾。根据我的经验，解决这个矛盾比较理想的方案应该是采用二阶滤波。理由是：（1）由于标准二阶滤波衰减斜率为12dB，在正常情况下是足够了；（2）由于最大相移为180度，因此比较容易实现相位对接，同时相位失真也比较小。

一个设计、制作优良的分频器，应该是针对某一组单元度身定做的，没有一个放诸四海皆真理的分频器。道理非常简单：每一款扬声器由于设计、制作上的差异，都有不同的特性。从声压特性、阻抗特性到相位特性都有所不同。设计一个分频器应该将这些因素综合考虑，使得各单元的优点得以充分发挥，缺点得以有效抑制，方可算得上是一个成功的设计。

我们以往设计分频器选择器件参数时比较常用的方法是采用教科书上所介绍的，根据分频点、衰减斜率进行计算得到的。从理论上来说，这样没什么错。问题在于书上所介绍的方法基于一个并不存在的条件：即所用的单元都是理想器件，这样的单元在本世纪肯定是造不出来的了。我们目前所制造使用的单元都不是理想器件，如何解决这些问题是一个优秀的设计师所应具备的能力。而这也正是使许多“土炮友”感到困惑的地方。

单元的不理想性主要体现在两个方面，分别是单元阻抗的非线性和声幅射的非线性。阻抗的非线性体现在它的非纯阻性，它的阻抗模与阻抗角都是频率的函数。声幅射非线性的成因主要是由于非活塞振动所造成的，因为在非活塞振动区域的声幅射是由单元上个质点幅射的合成，由于各质点振动的幅度与相位都不一样，因此合成的声压与相位也都是很复杂的频率函数。

阻抗及阻抗角的频率特性：

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低频声压及相位特性：

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说一千道一万，尽管知道了这些因素的存在，但要真正的解决这些问题仍然是困难重重。因为我们尽管知道单元有非线性的特点，但每一款单元的特性又是各不相同的。我们只有了解了每一款单元的具体特性才能够对症下药。我这样的一个观点不知大家是否同意：“曲线好的不一定是好音箱，曲线不好的一定不是好音箱” ，因此我们首要的任务就是先把曲线做好。而要做到这一点，首先必需了解所选用的单元特性，正所谓：“知己知彼，百战不殆”。就象乘热气球无法登月一样，获取这些资料必需借助一些必要的测量设备。比较著名的且性价必较高的测量设备中，像美国LinearX的LMS，虽然有些陈旧，但仍不失为一套不错的扬声器测量分析系统。由于扬声器单元阻抗的非线性（即非纯阻特性），因此当分频器接入的时候将使滤波器的衰减特性偏离理论值很多。

低通滤波器的理论与实际衰减比较：

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在该例中实际的负3分贝频率要高出理论值一频程之多（不同的单元偏离也各不相同）。为解决这一问题，有人提出了“零失真分频器”的概念。这一概念的中心思想是利用RC回路的特性来补偿单元等效的RL特性，还有人给出了计算公式，这似乎是个不错的主意。可经分析发现这个公式并不能真正解决这个问题。原因在于给出公式人概念的混淆上，因为他们将RL与RC回路的特性都当成了纯阻特性来对待。稍有些电路常识的人都知道：RL与RC回路不仅是阻抗模值随频率变化而变化，阻抗角也是在变化的，如果不将这些因素都考虑进去，计算结果的正确性可想而知了。

即使我们解决了由阻抗非线性带来的麻烦，声压的非线性依然困扰着我们。一个典型的低频单元的声压特性如图。这是安装在Honey One的实验箱体中测量出的曲线，120 Hz的谷点就是二级倒相特有的谷点。从图中我们可以看到自200Hz到1200Hz这一区间有一段约6dB的爬坡，这是小口径单元的一个共性。在高端即将下跌前（5.6kHz处）出现了一个落差达7dB的峰，这也是许多单元所共有的一个特性，区别在于高度的不同，高者达十几分贝，而低者仅三五分贝。这个峰点因其形被戏称之曰“鸡尾巴”。一个单元如果“鸡尾巴”太高将导致分频器设计的困难，至少对二阶滤波器是如此，因为它将直接干扰整体的曲线走向。因此在选用这样的单元时宜采取慎重的态度，对付这个问题的办法一是增加滤波阶数以获得陡峭的衰减特性（但并不是个好主意，理由如前所述）；二是降低转折点，但受到高频单元性能的牵制；三是干脆不要选用这样的单元。

另一个困扰是各单元的发声点不在同一平面上，由此产生的相位差将导致高低频衔接出现不协调。因此有人采用将单元安装在不同平面上来获取同一发声面的做法。

同发声平面安装：

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由于这给箱体的制作带来了一些麻烦，同时由于台阶的存在也带来了不良的反射，因此并不是理想的解决方案，只能算是一种无奈之举罢了。还有一种做法是将前障板设计成向后倾斜的，以此来补偿这段距离，但这样做的结果是单元的幅射方向偏离我们的聆听位置。其实，我们完全可以利用滤波器的相移特性将高低频单元的相位校正到同一声平面上的，但必需同时兼顾其它因素，如声压特性。这就是分频器的相位校正技术。

如果我们获得了扬声器的阻抗、声压等一系列特性，就可以开始着手设计分频器了。以两阶滤波为例，很多人可能都认为两阶滤波的衰减特性全是12dB/Oct，其实12dB/Oct只是一种比较典型的情况。随着滤波器Q值的变化，其衰减特性也在变化，简单的说就是当选用大电容小电感时特性就陡峭些，反之当选用大电感小电容时则特性就平缓一些。举一个极端的例子：当两阶低通滤波器的电容小到没有时，就成了一阶滤波器了，那么它的特性就成了6dB/oct了！因此即使是两阶滤波器也有许多可供我们利用的特性，关键在于你是否了解它。

首先，我们必须根据单元的阻抗特性来修正滤波器的转折点，然后再根据它的声压特性来校正滤波器的衰减特性，最后通过相位校正技术将各个单元的发声相位调整到同一声学平面上。至此，大功告成！虽然说起来如此简单，可实际工作的困难仍然是非常大的。具体操作的方法留待将来与大家进一步研究。

[此贴子已经被作者于2006-03-05 21:29:59编辑过]

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