开孔时扬声器低频响应系统.docx

开孔时扬声器低频响应系统开孔式扬声器低频响应系统2.10定义 开孔式扬声器可视做斜率为23dB/Octave的高通滤波器,其音箱具有通道及开孔允许空气在其间流进流出的特徵（参考书目1）.在重播低频时,开孔对于低音的输出有着极其重要的贡献.在音箱上开孔可借由增加锥盆后方的音响性负载,减少锥盆的运动与单体的输出.正是如此,开孔仅能增加输出它于音箱内所减少的空气量,稍后也将介绍开孔式音箱所产生异常和不想要的声音. 与密闭式音箱相较之下,开孔式音箱具有一些独有的特徵: A.锥盆于音箱谐振频率时位移量较低,结果造成较高的功率承受能力与较低的调变失真（参考书目2）.因此在两音路的扬声器中,开孔式的设计更吸引人.然而当输入频率比音箱谐振频率还要低时,锥盆位移量大幅增加,对于低频带的杂音相当的敏感,诸如播放翘曲不平的传统LP唱片造成低音单体大幅晃动的现象,好在一这个缺点可借由加入低频滤波器而消除.B.使用相同单体的状况下,可得到较低的截止频率.C.理论上比同体积的密闭式音箱可提高+dB的效率,然而使用上这一点并不重要.在单体磁铁不变的状况下,减轻锥盆质量以及缩短音圈突出量的设计可以明确的增加效率. D.另一方面,开孔式音箱对于不正确的参数设定特别敏感（参考书目3）,这项因素使得没有经验的业余玩家在制作开孔式扬声器时显得格外困难.2.20历史 详细描述单体与开孔交互关系之最早的专利是由A.C.Thuras于1932年所获得,在1950年代Locanth、Beranek、Van Leeuwen、de Boer、Lyon以及Novak等人的论文更详细的描述出它的数学模型可视为一个高通滤波器的综合体.A.N.Thiele将Novak所发明的模型简化,于1961年出版了他的划时代论文（于1971年的JAES重印，参考书目4）.虽然Thiele的论文在实用且易于理解的考量下最全面性与最详细的模型,但并未将音箱的损失考虑进去. 野村（Nomura）于1969的论文An Analysis of Design Conditions of Bass-Reflex Loudspeaker Enclosure for Flat Frequency Response描述了音箱损失对响应造成偏差影响的部分细节,1973年Richard Small于JAES出版了开孔式音箱的系列论文（参考书目1）.值得注意的是Robcrt Bullock重新综合Small的设计图表（参考书目5）,整理成更精确而方便读取的设计表.无论如何,当我们频繁听到将Thiele/Small做为开孔式扬声器代名词时,足以让我们了解他们两位的个别研究成果,在这项领域中有卓越的贡献,但他们的理论仍是大量架构在前人的研究上。.2.30单体Q值与装箱响应 如同密闭式扬声器系统一般,开孔式设计的低频响应特性一样可借由调整音箱的总Q值进行控制和预测,主要的不同在于设计并完成锥形之后,才能进行上述的调整.在密闭式音箱的设计上,可以先选择如图1.1的特定Qtc值,在决定音箱尺寸以得到所预期的响应.然而,开孔式音箱通常以特定调整的型式被讨论着（参考书目4）,其方式可借由特定的f3,调整所有参数进而产生平坦或不品谈的响应(Q=1.0)。换句话说,你不能在开孔式系统中任意调整参数而得到如Qtc=0.71.5的响应曲线,否则会因错误的调谐引起低频过多与过少的现象.举例来说,把单体的Qts改变正负20%会造成f3频率点的SPL响应误差达正负24dB（参考书目15）,这与在密闭式音箱改变Qtc从0.7到1.5所得到的结果大异其趣.开孔式系统具有陡峭的衰减特性,如果调谐不当会产生可听到的暂态铃振现象.事实上,开孔式扬声器系统明显受到轰鸣箱（Boom boxes）一词而声名受损,无可置疑地是由于某些开孔式扬声器在设计上调谐极为不准确所致. 2.40低音单体的选择 比起适用于密闭式扬声器的多数低音单体而言,开孔式音箱所用的低音单体的倾向于较小的锥盆质量,较短的磁铁间隙音圈突出量(因为较少的位移量)与较低的总Qts.密闭式扬声器几乎可以使用任何Qts的低音单体,然而在开孔式扬声器中,只有Qts=0.20.5之间的单体才能提供另人满意的响应结果.上一章第1.4节中,Small先生建议EBP值大约在100左右的单体可以在开孔式音箱中得到较理想的效果.虽然音箱损失在决定音箱尺寸和调谐时扮演着决定性的角色,可是某些型式的低音单体所造成的漏气损失或许应该忽略不计,否则不当设计所造成的伤害可能更会把单体送上西天.多孔性防尘罩的确会造成空气进入音箱损失现象,但是单体设计者既然使用了多孔式防尘罩,当然要借由它做为冷却音圈的目的.因此当密封多孔防尘罩后,所衍生的问题可能比漏气还要头大,带皱褶的布质悬边同样具有严重的漏气损失.然而只要单体参数与损失经由适当的测量,除非单体的表现不理想,要不然没有理由拒绝使用这些单体.表2.0调整法斜率 TypeVffDb/octFlatAlignmentsSBB42.7253618SC42.4273619QB32.0313620NonflatAlignmentsSQB37.6303427BB42.8373030C45.33027302.50调整 要决定音箱的尺寸,必须先选择适当的调整方法则以满足设计上的要求与单体本身的限制.调整一词并不难理解,它是把特定音箱尺寸和调谐特性结合,进而产生平坦或不平坦的频率响应.在这本书中,至少介绍了15种以上的调整法供读者参考. 基本的调整方式有两种:辅助式与非辅助式.辅助式调整由Thiele率先倡导（参考书目4）,需要某中种程度的电子主动滤波器做为等化之用,以达到既定的响应目标.非辅助式调整法不需要电子等化电路就可以得到预定的响应,这也是目前绝大部分喇叭制造厂所采用的方式.对于非辅助式的调整,基本上也有两类:平坦响应与不平坦响应.平坦响应一般需要Qts值小于0.4的低音单体,共计有六种调整法:A.SBB4:超级四阶轰鸣箱(Super Fourth-Order Boom Box),其所需单体的Qts必须比Hoge的BB4还要更低些,首先由Bullock所提倡(参考书目5).它的特徵是音箱体积较大,较小的调谐作用（导管较长）以及良好的暂态响应,在这里轰鸣箱的名称并不恰当.B.SC4：四阶副切比谢夫（Fourth-Order SubChbychev）调整法,所需单体的Qts值比四阶的Chebychev(C4)还要更低些.其音箱尺寸f3大致与SBB4相同,但是SC4的暂态响应比SBB4要逊色一些.C.QB3:准三阶调整法是目前开孔式音箱最普遍采用的调整法,这是因为相同的单体Qts值下可设计出较小的音箱与较低的f3.然而它的暂态响应就不如SBB4以及SC4.D.个别调整法:共计有下列三种个别的调整法.B4:四阶ButterworthBE4:四阶BesselIB4:Butterworth Inter-order 这些调整法之所以称之为个别调整法,是因为这些方法仅有唯一适用的Qts值.由于音箱损失会影响个别调整法的参数值,尽管不是不可能采用这些方式来设计开孔式扬声器,但将会遭遇相当程度的困难.在这三者之中,以BE4的暂态响应最佳. 在非平坦式的调整领域中,通常可以使用Qts较高的单体,不过在暂态和频率响应的表现就差了些,甚至于在某些品质要求较高的音响应用上造成限制.然而如果能忍受它的负面特性,在使用同一单体的情况下,非平坦式调整法可以带来频率更低的f3:A.C4:切比谢夫等效滤波调整法,可得到连波低于1dB的响应,最初是由van Leeuwen于1956年所描述.B.BB4:四阶轰鸣箱)Fourth-Order Boom Box),最早是由Hoge所提出(参考书目 6).它的名称是因为接近衰减频率的地方有一尖峰值而来,如果尖峰值太大,就会如同高Qts的密闭式音箱（Qtc超过1.2）具有不甚理想的特性.C.SQB3:超级三阶准巴特威士调整法（Super Third Order Quasi-Butterwoth）具有比QB3更高的Qts延伸,在1981年三月的Speaker由开孔时扬声器低频响应系统(1)作者：author添加日期：2010-04-14评价 R.Bullock所提出. 电脑模拟可以让我们轻易的比较出这六种调整法不同处,这里使用了两只单体做为模拟的对象:12寸的低音单体其Qts=0.3.用于SBB4、SC4以及QB3平坦的调整法;另外使用一只10寸Qts=0.5的低音单体,用于SQB4、BB4与C4等不平坦调整法.(个别式调整法因为只使用于特定的参数值，在此不做模拟)虽然这项模拟仅能代表特定单体的表现,但是这些不同响应的结果却可以做为评估调整法的响应等级之用,所得到不同的音箱参数列于表2.0.（该表不列出-3dB频率处的相位角，因为它对于开孔式音响的调整并不似Qts对密闭式音响那般重要） 表2.0的资料中显示三种平坦式调整都具有极为接近的衰减斜率(至少对于这只单体是如此),不同之处反映出具有暂态特性较佳的SBB4调整法其衰减斜率较小,然而其音箱在体积上就大了些.平坦式调整法的电脑模拟曲线请参照图2.12.5.图2.1的三组频率与相位响应的曲线非常接近,其衰减斜率呈现典型的1820dB/Octave左右.图2.2三组群组延迟曲线的形状与QTS=0.9的密闭式音箱极为相似,但群组延迟的绝对值比密闭式更高.比起密闭式音箱,暂态响应表现最好的开孔式音箱尚不及暂态最好的密闭式音箱,这些差别很明显可借由人耳分辨出来（参考书目15）,然而在实际上仍有许多成功的开孔式音箱设计备受推崇,另人喜爱与符合经济效益而大受欢迎.在平坦式调整法中,QB3可产生相同的f3与类似水准的暂态表现,但音箱体积却是三者最小,可说是最好的选择方案. 图2.2的锥盆位移曲线说明了开孔式音箱的主要优点:短的锥盆位移量.当输入频率高于调谐频率时,锥盆位移量的需求比起密闭式音箱要小得多,这也意味着具有较低的失真.可是这项特性却同时造成严重的问题,因为当低于fb调谐频率输入至扬声器时,会立即造成锥盆位移量大幅增加,一直持续增加到次音速的范围.如果所播放的音乐具有超低频或是翘曲不平的唱片所发生的轰隆声,会使得锥盆偎依量大幅增加以及产生次音速杂音. 图2.3的阻抗曲线可看出这三种调整法都具有类似的阻抗特性,图2.4的传播速度曲线的尖峰大致符合阻抗的尖峰频率,而且最低点频率也与阻抗曲线的最低点相同.图2.5的开孔速度描述在开孔处空气移动的速度,其峰值大约在音箱谐振频率的位置. 对于Q值较高的单体所采用的非平坦式调整法,其电脑模拟结果如图2.62.10,相对的差异比较大,请参考图2.6的振幅响应曲线图,不同的调整法尽管具有不同的响应曲线。BB4调整法尽管具有与平坦式调整法类似的音箱体积与f3,但阻尼作用较低而产生较陡峭的衰减曲线.虽然高Q值单体仍然可以运用在开孔式扬声器,但其暂态控制能力并不理想.C4和SQB3可以带来另人印象深刻的低f3,不过需要较大的音箱体积,图2.7的群组延迟曲线更确立了运用高Q值单体的调整法,在暂态表现上不佳的结果.同一张图中的锥盆位移量曲线,与平坦式调整法有着相同的特性:频率在fb以上非常理想,低于fb却非常敏感. 图2.8显示阻抗曲线的比较图,阻尼作用较少的C4和QBS3调整法在f3阻抗最低点的阻抗值较高.图2.9显示锥盆速度最快的位置是在阻抗最高的两个频率:fl以及fH(图2.32).锥盆速度最低的位置也是在阻抗最低的频率上.开孔速度的尖峰也是位于音箱谐振频率fb附近表2.1QL=3SBB4 and BB4QtsHaf3fsPeak-dB0.20001.00005.44443.540100.21001.00004.90313.325500.22001.00004.43553.128000.23001.00004.02902.945400.24001.00003.67362.776100.25001.00003.36112.618600.26001.00003.08502.471800.27001.00002.83992.334700.28001.00002.62132.206800.29001.00002.42572.087300.30001.00002.25001.975900.31001.00002.09161.872400.32001.00001.94841.776300.33001.00001.81141.687600.34001.00001.70021.606000.35001.00001.59241.531300.36001.00001.49381.463200.37001.00001.40351.401400.38001.00001.32051.345600.39001.00001.24411.295200.40001.00001.17361.249900.41001.00001.10851.20910.010.42001.00001.04821.17240.050.43001.00000.99231.13940.120.44001.00000.94031.10960.200.45001.00000.89201.08280.300.46001.00000.84691.05850.410.47001.00000.80491.03650.530.48001.00000.76561.01560.660.49001.00000.72890.99830.790.50001.00000.69440.98150.930.51001.00000.66210.96631.080.52001.00000.63180.95231.230.53001.00000.60330.93941.380.54001.00000.57650.92751.540.55001.00000.55120.91651.700.56001.00000.52740.90631.860.57001.00000.50480.89682.020.58001.00000.48360.88802.180.59001.00000.46350.87972.340.60001.00000.44440.87202.500.61001.00000.42640.86492.660.62001.00000.40930.85812.820.63001.00000.39310.85182.980.64001.00000.37770.84583.140.65001.00000.36310.84023.300.66001.00000.34920.83493.460.67001.00000.33590.82993.610.68001.00000.32330.82523.770.69001.00000.31130.82073.920.70001.00000.29990.81654.08表2.2QL=7SBB4 and BB4QtsHaf3fsPeak-dB0.20001.00005.89803.368600.21001.00005.33393.151800.22001.00004.84572.952100.23001.00004.42042.767400.24001.00004.04782.596000.25001.00003.71142.36600.26001.00003.42862.288300.27001.00003.16992.150300.28001.00002.93882.022000.29001.00002.73151.903100.30001.00002.54481.793200.31001.00002.37611.692200.32001.00002.22331.600000.33001.00002.08431.516200.34001.00001.95761.440600.35001.00001.84191.372800.36001.00001.73571.312200.37001.00001.63921.258300.38001.00001.54841.21040.010.39001.00001.46561.16790.060.40001.00001.38901.13020.140.41001.00001.31811.09660.240.42001.00001.25231.06670.370.43001.00001.19111.03990.510.44001.00001.13411.01600.660.45001.00001.08090.99440.860.46001.00001.03130.97501.000.47001.00000.98490.95741.170.48001.00000.94140.94151.360.49001.00000.90060.92701.550.50001.00000.86220.91371.740.51001.00000.82620.90151.930.52001.00000.79230.89042.130.53001.00000.76030.88012.330.54001.00000.73020.87062.530.55001.00000.70170.86172.730.56001.00000.67470.85372.930.57001.00000.64930.81623.130.58001.00000.62510.83913.330.59001.00000.60220.83253.530.60001.00000.58050.82643.730.61001.00000.55990.82063.930.62001.00000.54030.81524.120.63001.00000.52160.81024.320.64001.00000.50380.80544.510.65001.00000.48690.80094.700.66001.00000.47080.79674.900.67001.00000.45540.79265.090.68001.00000.11070.78895.270.69001.00000.42670.78535.460.70001.00000.41330.78195.65表2.3QL=15SBB4 and BB4QtsHaf3fsPeak-dB0.20001.00006.08443.299600.21001.00005.51133.081800.22001.00005.01492.881100.23001.00004.58212.695500.24001.00004.20252.523300.25001.00003.86782.363300.26001.00003.57112.214600.27001.00003.30702.076400.28001.00003.07081.948300.29001.00002.85881.830100.30001.00002.66781.721400.31001.00002.46501.622200.32001.00002.33841.532300.33001.00002.19581.451400.34001.00002.03571.379000.35001.00001.94671.314600.36001.00001.83751.257600.37001.00001.73721.20710.010.38001.00001.64471.16260.070.39001.00001.55931.12330.160.40001.00001.48031.08860.270.41001.00001.40701.05770.410.42001.00001.33901.03030.570.43001.00001.27571.00590.730.44001.00001.21670.98400.910.45001.00001.16160.96431.100.46001.00001.11010.94661.300.47001.00001.06190.93051.500.48001.00001.01670.91601.710.49001.00000.97430.90271.910.50001.00000.93440.89062.130.51001.00000.89690.87952.340.52001.00000.86160.96962.560.53001.00000.82820.85992.780.54001.00000.79670.85132.990.55001.00000.76700.84323.210.56001.00000.73880.83583.430.57001.00000.71210.82893.650.58001.00000.68680.82243.860.59001.00000.66280.81644.080.60001.00000.64000.81084.290.61001.00000.61830.80554.510.62001.00000.59770.80064.720.63001.00000.57810.79594.930.64001.00000.55940.79165.140.65001.00000.54150.78745.350.66001.00000.52450.78365.550.67001.00000.50830.77995.760.68001.00000.49270.77645.960.69001.00000.47790.77316.160.70001.00000.46370.77006.36表2.4QL =3QB3 and SQB3 Q15HF3/f5Peak-dB0.10004.330331.29045.670900.11003.937125.68245.145600.12003.609621.41694.706900.13003.332518.09744.334800.14003.095015.46354.015000.15002.889213.33863.737100.16002.079211.59943.493200.17002.550410.15813.277200.18002.409208.95023.084400.19002.283007.92802.911300.20002.169407.05522.754800.21002.066606.30412.612500.22001.973305.65312.482400.23001.888105.08512.363000.24001.81000.4.58662.252800.25001.738104.14672.150800.26001.671903.75662.055900.27001.610503.40901.967400.28001.553603.09801.884500.29001.500602.81861.806500.30001.451202.56661.733100.31001.405002.33861.663600.32001.361702.13171.597800.33001.321001.94321.535100.34001.282801.77121.475400.35001.246701.61361.418300.36001.212701.46901.363600.37001.180601.33601.311000.38001.150101.21331.260500.39001.121301.09991.221800.40001.09390.99491.164900.41001.06790.89741.119800.42001.04310.80691.076300.43001.01950.72251.034600.44000.99700.64390.994700.45000.97550.57040.956800.46000.95500.50160.92100.020.47000.93540.46720.88750.060.48000.91660.37670.85630.140.49000.89860.31990.82760.270.50000.88130.26650.80140.450.51000.86470.21610.77750.700.52000.84880.16860.75581.000.53000.83360.12380.73631.360.54000.81890.08140.71861.770.55000.80470.04130.70272.250.56000.79110.00330.68832.782.70计算开孔的尺寸一般家庭常用的PVC管可说是开孔导管最好的材料,主要是因为它易于加工与装配.同时也有直径1/2、3/4、1、1.5、2、3和4英寸等规格,调整时也便于裁切.当然你可以用木版做一个长方形的导管,改变导管长度达到调谐作用只是时间上的问题.基于这个理由,在此只讨论圆管形式的开孔导管.将圆管齐平地装置在扬声器障板上,可由下式计