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发表于 2018-12-22 12:21 | 显示全部楼层
    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?

001.JPG

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 楼主| 发表于 2018-12-22 12:23 | 显示全部楼层
    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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 楼主| 发表于 2018-12-22 12:24 | 显示全部楼层
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)

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发表于 2018-12-22 14:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangjian 于 2018-12-22 14:16 编辑

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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 楼主| 发表于 2018-12-22 17:16 | 显示全部楼层
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...

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 楼主| 发表于 2018-12-22 17:22 | 显示全部楼层
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)

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技术创新极不容易啊

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发表于 2018-12-22 22:36 来自手机端 | 显示全部楼层
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

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发表于 2018-12-22 22:50 | 显示全部楼层
期待后续

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发表于 2018-12-23 01:27 | 显示全部楼层
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

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发表于 2018-12-23 08:49 来自手机端 | 显示全部楼层
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

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本帖最后由 wsy888wsy 于 2018-12-23 10:47 编辑

    非常高兴能看到老虎鱼 兄的 好文。

   现在喇叭主要频带失真已经低至0.1%  ,喇叭T铁不设置精度可能业界觉得实际装配 比精度更加重要。毕竟音圈在运动中不是直线运动,而是椭圆运动。

而且钛合金音圈骨架在运动中会变形,因此0.01MM的精度没有非常必要,而这个精度做喇叭会非常昂贵。除非音圈是其他结构或材质才配得上如此精度的T铁。

声音不同于影像,他的熵值太高,声音产生后就像墨水掉进清水,信息混乱大到惊人,你无法预判。而喇叭的运动却是机械运动,这个问题就难匹配啦。

以现在的材料振膜已经逼进物理极限,除非放弃这种机械运动。

高硬度和比重是一对冤家。目前我使用的魔雷碳纤维非常满意,据说蜘蛛丝比碳纤维更轻,强度是钢材的5倍。

那位好心人用蜘蛛丝织个振膜,再用铝合金包铜线圈做的音圈,气瓤弹波。再用陶瓷烧个音箱让我享受享受。

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发表于 2018-12-23 10:26 | 显示全部楼层
看来兄弟手上有货,请多多分享

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发表于 2018-12-23 10:41 | 显示全部楼层
wsy888wsy 发表于 2018-12-23 10:25
非常高兴能看到老虎鱼 兄的 好文。

   现在喇叭主要频带失真已经低至0.1%  ,喇叭T铁不设置精度可能 ...

找蜘蛛侠。

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发表于 2018-12-23 19:11 来自手机端 | 显示全部楼层
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

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 楼主| 发表于 2018-12-25 18:46 | 显示全部楼层
    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。
001thd.JPG
002thd.JPG

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

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发表于 2018-12-26 08:51 来自手机端 | 显示全部楼层
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

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592657820 发表于 2018-12-26 08:51
好像优雅的喇叭就是这样设计的

如何保证磁场均匀呢?

如果磁场不均匀,震动是非线性的。这个位置是喇叭的发动机。

别人是安装好再来强充磁。楼主是否做好思想准备?

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倒是有项技术可以用在音圈。就是陶瓷烧结发热管工艺,额定承受温度是1000. 用在音圈是 轻,不变形,音圈不容易烧坏。
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