老虎180浅谈电声器件和电声系统的设计

zlxsmile

    之前，老虎180先后DIY过音源、前级、功放等。在数字音频信号处理和放大器设计方面也有了一定的积累，最近几年，本人将研究的目标重点转向音响系统的后端---电声器件和电声系统的设计上。

    电声器件和电声系统的设计，是音响设计中难度最大，也是最“玄妙”的一门学问。非此专业的设计者，往往会被弄得一头雾水，或者停留在比较浅的层面，或者局限于某些理论而不能自拔。本人之前在硬件和数字信号处理方面涉猎甚多，但对电声系统也了解不够。为了更加深入的理解电声系统和电声器件，本人花费了近5年的时间，专门深入到生产制造电声器件的一线，希望通过专业的角度更加深入的理解和突破电声设计的一些“瓶颈”，进而达到更加接近真实和自然的声音享受。下面和大家分享一下本人最近这些年的一些经历吧。

    当我刚刚开始接触电声这个行业，有一个问题就是必须面对的。那就是：什么样的声音是好声音？以及接下来要面对的下一个问题：怎样才能做出好声音？面对这些问题，不同的人会有不同的答案，可是如果不能把这两个问题弄明白的话，又何谈好声音！

    关于好声音的标准，评价维度有很多，每个维度都会对应分解成具体的指标，有些指标之间互相制约，互相牵制。我们不但要弄清楚这些评价维度，还要弄清楚这些维度如何分解成具体指标，还要考虑这些指标如何落地，这是一个巨大而繁杂的系统工程！弄清楚这些内在的规律和关系，再结合我们的工艺和材料以及设计、测试手段，才能真正做出一款优秀的产品！

    举个最简单的例子，手机是人人必备的消费品，手机上的喇叭，对好声音有什么要求呢？针对手机这样的场景，人们一般会从如下三个维度来关注声音是否优秀：
  
    第一个维度：声音音量是否足够大。
    第二个维度：低音是否丰满，高音是否清晰。
    第三个维度：声音是否好听。

    这是手机喇叭，对声音要求不高的情况下人们最为关注的三个维度。如果将这些维度分解为对应的指标，那么可以得到如下简单对应关系：

    音量是否足够大：灵敏度、功率
    低音丰满、高音清晰：谐振频率f0、频响特性曲线
    声音是否好听：失真THD
            
    以上是一个基本的、简单的对应。实际由于评价的维度增加，实际上的对应情况还要复杂很多。那么针对上述简单的这个对应关系，转化到电声产品设计中，又会是一个什么样的状况呢？

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    如果我们需要获得足够大的音量，意味着在一定的工作电压下，扬声器的振膜的振幅要尽可能增加。此时我们在设计上可以通过降低振动质量的方式来解决。如果要想获得更好的频率响应曲线，我们要尽可能增加扬声器的低频下限，此时我们可以在设计上通过尽可能柔软的悬边来解决。但此时，一个又轻又薄又柔软的振膜，在工作时势必会产生更多变型，此时THD会增加。如果要控制THD，我们需要减少振膜变形量，加大振膜内阻尼，此时，我们会换用厚重且阻尼好的材料做振膜，此时灵敏度和频响又会受到影响...

    我们可以看出，仅仅在这三个维度上考量，扬声器的指标和设计就是互相制约和互相平衡的。那么，针对这三个指标，我们有没有一个途径来打破这种制约呢？

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答案是肯定的。

    我们可以换一个角度来考虑上述这些矛盾，既然失真和灵敏度之间不可兼得，我们是否可以通过其他手段来加大这两个指标的设计裕度呢？答案是肯定的。实际上，我们可以通过增加“驱动”来实现这个裕度的增加。

    所谓“驱动”，顾名思义，就是扬声器音圈在一定电压下，受到的磁场力的大小。驱动增加了，意味着音圈受力增加了，此时，我们既可以得到“灵敏度”增加的优势，又可以通过振膜设计，降低失真的同时使得“灵敏度”不受影响。这就大大增加了设计裕度，让我们在得到足够高灵敏度的同时，也兼顾了频响和失真的要求。

       谈到“驱动”的增加，我们就不得不谈到几个词：“磁路设计”“磁铁标号”和“磁间隙”。之所以谈到这几个词，是因为这几个词都和“驱动”密切相关。

    磁路设计对“驱动”的影响在于：磁铁的截面积、高度、是一个磁铁还是多个磁铁组合、磁铁位置等等，都会影响到最终的“磁场强度”，这个是不难理解的。关于磁路设计的知识，可以自行阅读相关书籍获取。

    关于“磁铁标号”，通俗来说，是标识磁铁磁力大小的一个重要参数。磁铁标号高了，同样体积和形状的磁铁充满磁后的磁力就大。当然对应的“磁场强度”也会越大。值得注意的是，磁铁标号受制于现有的材料和配方，是不能无限制增加的。

    关于“磁间隙”，是指扬声器音圈所在位置，磁路都会有一个缝隙。这个缝隙中的磁场就是扬声器的工作磁场。音圈就是在这个缝隙中受到磁场力的作用，并带动振膜发出声音的。这个缝隙中间是音圈，两边是磁路的零件。音圈到磁路零件之间的距离就被称作“磁间隙”。其中，音圈内侧到与之最近的磁路零件之间的距离被称为“内间隙”，音圈外侧到与之最近的磁路零件之间的距离被称之为“外间隙”。从理论上来说，“内间隙”和“外间隙”应该越小越好，间隙小了，磁路缝隙就变小了，音圈所处的位置磁场强度就会加强，驱动就会增加。相反，间隙大了，相应的驱动就会减弱。可是，这个间隙也不是无限制缩小的，当它缩小到一定的程度后，音圈到磁路零件距离过近，音圈外型、装配、质量平衡等方面如果有误差，音圈在工作时就容易碰到磁路零件，此时扬声器表现出的现象是“杂音”，就失效了。因此这个缝隙也不是能够无限制减小的。这个磁间隙可以减小到什么程度，取决于工装治具的精度、生产设备的精度、工艺的一致性、材料的一致性等等。每一项深入挖掘，都能讲出一大堆道理和引发一大堆有趣的故事。（未完待续）

zhangjian

虎兄，今上午我到你的微博重温你的精彩文章，心想，你现在干啥呢？没成想，现在又发现你在此发好文。先问好，再阅读佳文。

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zhangjian 发表于 2018-12-22 14:15
虎兄，今上午我到你的微博重温你的精彩文章，心想，你现在干啥呢？没成想，现在又发现你在此发好文。先问好 ...

又见老友！ 这些年一直都在研究喇叭呢...

zlxsmile

说到故事，简单讲一个吧。我当年设计一款高性能扬声器时，专门为它设计了一套工装治具。我们将图纸发给了电声行业某“著名”治具加工厂做加工。可是过了一个多星期，加工的事情一直没有进展，于是我趁着出差的机会，见了这个治具加工厂的老板。双方见面寒暄后，切入正题，对方开口：

    “老虎兄，我看过您给我的图纸。我看了之后，有句话不知当讲不当讲？”

    “有话直说，但说无妨...”，我回应道。

    “那就恕我直言，我觉得，您给我的图纸一定是一个外行人做的...”

    “为什么呢？”我问道。其实到这个时候我还是有些惴惴不安的，是不是犯了什么低级错误...

    “老虎兄，我看了您给我的图纸，里面每个尺寸都标注了公差，不但标注了公差，而且还是+/-0.01mm的公差...”对方开始侃侃而谈...“您知道么？在我们业界，从来都是只标尺寸，不标注公差的...”

    “为什么呢？”，我问道。说实话，这会儿感觉自己像个白痴...

    “因为我们业界都讲究实配的。所谓实配，就是你不管我公差做多大，你把磁路、音圈，支架，音膜这些实物给到我，我来帮你现场实际配合一下，能配合好就可以了。更何况你所标注的0.01mm 的公差，臣妾实在是做不到呀...”

    “哦，缘来如此...”我说到。却又不死心，又问道“你们实际配合有什么依据么？”

    “这就要靠我们多年的经验积累了...”对方神秘一笑，说到。

   于是本人无语，心里却在想，后续的工装治具加工估计和他无缘了...

     后来为了能够找到合适的加工企业，老虎走访了很多工厂。终于找到了一个有精密三坐标加工中心的企业，理论精度5um。实际加工下来，确实控制在了0.01mm公差范围内了。虽然他不是“业内”的企业，但也成为了老虎的合作伙伴。再后来，老虎顺藤摸瓜，彻底弄清楚了“音圈模具”和“成品音圈”尺寸的关系，彻底弄清楚了各个原材料的尺寸公差，也就在源头上形成了闭环的尺寸链。再将这个精度要求推移到生产设备和工艺上，进而实现了在非常极限的磁间隙下的生产...可想而知，此时生产的产品也一定是属于高端产品了...(待续)

zhangjian

技术创新极不容易啊

592657820

传统喇叭结构限制失真很难做低，不如转变个方向研究下静电喇叭，极低的失真秒杀传统音圈结构喇叭

淡谈的烟草味

期待后续

918gz

静电喇叭结构看似简单但受材料和工艺制约发展缓慢，高压驱动也是瓶颈之一

592657820

918gz 发表于 2018-12-23 01:27
静电喇叭结构看似简单但受材料和工艺制约发展缓慢，高压驱动也是瓶颈之一

不是发展缓慢，而是diy门槛高，  现在的厂机静电喇叭素质很好了，高压驱动电路制作很简单，够不成瓶颈

918gz

看来兄弟手上有货，请多多分享

592657820

就像12楼兄弟说的，想有真正突破就要放弃现有机械结构，而反观静电喇叭的结构就很好，靠电场的力量推动整个振膜震动，很好的解决了分割震动的问题，实际听感也比任何喇叭来的通透自然真实，我坚持认为静电喇叭才是能达到hiend界顶峰的喇叭 ，传统音圈结构都要靠边站

zlxsmile

    前面讲述了一些影响声音的因素和客观指标以及电声产品设计、工艺之间的关系。这里要和大家分享一下电声器件影响声音的一些技术指标。

    我们仍然以扬声器为例来说明这个问题。这里我们把电声器件的“档次”提升一下，我们来研究Hi-Fi音响用的扬声器的技术指标。

    朋友们对Hi-Fi音响用的扬声器自然不陌生。当我们选择一款扬声器时，扬声器厂家自然会提供一些参数和测试数据。负责任的厂家一般会提供：

    1、阻抗、功率
    2、灵敏度、频响曲线
    3、F0、阻抗曲线
    4、一些常见的T/S参数如Qts及Xmax，BL等数据。

    实际上，很多厂家提供的诸如频响曲线、阻抗曲线、T/S参数等，都存在一定的“美化”和“失真”的情况。即便是较资深的发烧友，自行搭建一套音频测试系统如LMS，也基本上限于将以上参数测试准确而已。然而，越来越多的实践证明，仅仅关注以上指标，还不足以判定一个扬声器单体的好坏。也就是说，只关注以上指标，其实是不够的。可是遗憾的是，目前的绝大多数电声设计者和发烧友，都是在基于以上有限的性能指标来进行设计，不能不说是一种遗憾。

    下面，老虎180就一些大家一般不会关注到、但对设计非常有用的一些参数和数据，逐一描述一下：

一、THD
    THD是英文“Total Harmanic Distrotion”的缩写。和频响曲线类似，在不同的频点，扬声器的THD也不同。因此THD会生成一条曲线。而一般的扬声器的规格中，均对THD曲线没有相应的描述。但实际上，THD对听感影响极大。简要来说，THD总体偏高的扬声器，其声音一定不如THD总体偏低的扬声器来的自然。

    下图是典型的扬声器的一条频响和THD曲线。从图中我们可以看出，THD曲线在低频部分，特别是低于谐振频率的时候，会有一个较大幅度的抬升。在高于谐振频率的时候一路下降。在某些频点，伴随着频响曲线的起伏，THD 曲线也产生起伏。

    THD曲线在低频F0附近的抬升的内因主要来自于扬声器的振幅。主要是由于扬声器在谐振频率附近，振幅加大，导致音膜的折环和定心支片等引发的失真。引发此失真的来源还有一个因素，那就是磁路和音圈的配合。如果音圈在磁路中的位移导致了音圈所处的磁通量有较大变化的话，也会引发较大的低频的失真。

    THD曲线在高频段的“峰值”和振膜的形状、内阻尼等密切相关。往往在这个频点上，由于高频声波在振膜上的传播，导致了振膜上面产生“驻波”，进而使得在某些频点，振膜的某些部位变形明显，体现在指标上，就是THD的峰值。于此对应，往往会在频响曲线上也表现为峰谷，进而影响听感。

    需要注意的是，THD指标是和扬声器工作的频率以及承受的功率都密切相关的。脱离了指定的频率或者功率，谈THD都是空谈。市面上销售的扬声器，有很多给不出THD的数据，那是因为传统的大型扬声器生产商，对THD不够重视，很多厂商的测试设备甚至不能准确测量出THD曲线！而伴随着手机等消费类产品音频设计的提升，B&K、Soundcheck等音频测试系统的导入，THD得到了一些厂家的重视。需要指出的是，扬声器功率越低，THD越小；在1-2K频段，扬声器的THD也是相对比较低的。一些厂家声称自己的扬声器THD可以做到<5%甚至<3%，看上去貌似很低，但如果不指定功率和指定频点的话，基本上是没有意义的。那种号称自己的THD可以做到1%甚至0.5%以下的，基本上和江湖郎中无异了...如果需要关注THD，建议关注额定功率下的THD曲线，这样会更客观一些。

    附图展示了同款扬声器，分别在0.5W和2W功率下的THD曲线。此外，THD曲线也可以按照阶数分别展开，用于进一步分析扬声器的特性。

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wsy888wsy 发表于 2018-12-25 23:30
简单的说 就是 要求音圈工作在长冲程的磁力线性区域啦。

好像优雅的喇叭就是这样设计的