老虎180浅谈电声器件和电声系统的设计

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二、T/S参数
    T/S参数是由THIELE和SMALL先生首先提出的扬声器系统数学模型的基本参数。T/S参数是由THIELE和SMALL先生首先提出的扬声器系统数学模型的基本参数。T/S参数由四个小信号参数和2个大信号参数组成。
     小信号参数包括四个基本参数：
         
          1.Fs为扬声器单元的谐振频率。
          2.Vas为扬声器单元的等效容积。
          3.Qes为扬声器单元的电Q值。
          4.Qms为扬声器单元的机械Q值。
       在实际应用中，经常会遇到Qts参数，它表征扬声器在低频段的谐振峰的大小。Qts为Qes和Qms的并联。

      大信号参数包括两个基本参数：
         
          1.Pe（max）为扬声器单元的散热能力所确定的最大功率额定值。
          2.Vd为扬声器单元振膜在最大振幅时所推动的体积。

    T/S参数在电声系统设计过程中，需要根据实际情况来灵活判断。我们经常遇到的应用场景无外乎两种。第一种场景：我们手头正好有一个喇叭单体，我们希望用它来设计出一个可用于低音重放的音箱。第二种场景：我们根据使用场景的需要，计划做一款长宽高比较确定的箱体，甚至我们已经想好了箱体的设计图纸，决定了箱体的声学结构，我们希望选择一款合适的喇叭单体来配合我们的箱体。不管是那种情况，我们心目中都有一个“理想的”效果，我们的设计要尽量去接近这个“理想的”效果。此时，T/S参数就可以帮助我们做出一定的判断。使我们获得一个低频响应接近我们的“理想效果”的系统。

    试以2为例，简述这个过程如下：
   
    假设我们需要制作一个密闭箱体的音箱，扬声器口径4寸，希望音质好，低频量感尽可能突出，应如何设计？

    根据Q值的物理含义，假设Qts为Qes和Qms并联，Qts越高低频谐振峰越大，低频量感突出的话，我们应该首选Qts高的喇叭？其实设计时往往不是这样的。设计时第一步往往会先考虑谐振频率Fs，因为谐振频率Fs是位移振幅获得平坦频率响应和加速度振幅获得平坦频率响应的转折点。Fs越低，意味着平坦频率响应曲线向低频段延伸越多。相反，Fs越高，意味着在低于Fs的频段，声压将按照指数规律下降，不易获得良好的低频响应。对于4寸扬声器来说，Fs的常见范围在60-90Hz之间，低的Fs有助于低频的提升。

    选取好恰当的Fs的扬声器后，我们才需要去考虑其它参数和箱体的匹配。在此时，我们需要考虑的因素有：
1、密闭音箱体积在后腔形成的压缩空气“弹簧”，会对扬声器振膜产生“阻尼”。此阻尼会导致系统谐振频率升高，扬声器低频段振幅减小...
2、考虑这个阻尼的作用，需要扬声器单体在障板测试模式工作在“欠阻尼”的状态，装腔后利用空气阻尼从而达到正确的“阻尼响应”...
3、扬声器“速度”问题。在本设计中，首先需要确保听感，也就是空间感和速度感，确保声音鲜活，不迟钝，也不拖沓。其次再追求平直的频率响应。此时，扬声器的QMs参数就派上用场了。一个足够大的Qms的设计（如Qms>2）是取得上述声音表现的关键...
4、频响曲线的平直。传统的音箱设计理论，都是按照这个思路来设计的，可以代入检验。如果需要调整，在确保Fs、速度的前提下，可以通过BL和膜片设计的调整来进一步优化。一般规律是：加大BL，Qms提升，Qes和Qts下降。和BL关系最密切的，除了磁铁体积标号，就是磁间隙！结合前面的论述可以看出，不重视磁间隙，根本就不可能做出好的产品！不重视磁间隙，产品性能就只能靠忽悠，这正是许许多多山寨小厂的做法，正规大厂是不会这样去做的...

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wsy888wsy 发表于 2018-12-26 09:58
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。

优雅是径向磁铁，一些长条强磁铁竖着摆进去，磁场线性区域比其他喇叭大的多

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三、时域和瞬态响应
    在前面章节提到，扬声器“速度”的问题，这其实就是扬声器的时域和瞬态响应问题。也是决定听感的一个非常重要的因素。扬声器的时域和瞬态响应，在传统的扬声器和音响制作领域谈论甚少，可是如果不关注深挖此类指标的设计，要想获得好的听感只能是“碰运气”的成份更大一些。
   
    扬声器的时域和瞬态响应，有很多电声测试系统都是可以完成测试的。比较常见的电声测量软件Soundcheck，其中的第2006号模块---Time Selective Response，就可以完成相应的测量。再如免费的声学测量软件REW（Room Eq Wizard）,也是可以测量诸如Time Domain响应的。

    在扬声器时域和瞬态响应中，三维频谱累计图是我们比较常见的一种图形。更多时候，他有一个更为形象通俗的名称：瀑布图。

    瀑布图有三个维度构成，分别是频率、声压级和时间。在时间=0的平面内，被测扬声器的稳态频响会被作为第一条曲线。而经过一段时间间隔后，被测扬声器的剩余频响曲线又会生成第二条曲线。重复这一过程，在不同的时间坐标上就会得到许多条曲线。此时，扬声器的残余频响特性就一览无余了。

    理想的衰减特性当然是全频段均匀衰减，而且衰减极快。但事实上，扬声器在驱动消失后运动不会马上停止，所以我们只能退而求其次，从扬声器的衰减时间和衰减均匀度两个维度来要求。

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从瀑布图来看静电扬声器优点明显很干净

zenglj

如果真要设计。有关失真曲线和CSD,只看某种图是偏废的。或者说如果不会看THD和CSD，设计会有很大风险。

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四、相位特性
    在一个理想的线性系统中，如果我们定义输出对输入信号没有发生任何形变及时间的延时，则这个系统的幅频和相频曲线都是平直的。而实际上，扬声器的输出信号对输入信号是存在形变和延时的。其中，由于距离带来的延迟，是一个固定值。而消除这个固定值影响后，我们还可以得到一个相对的相移曲线。

    扬声器的相对相移曲线中的相位波动，往往和幅频曲线的波动是一一对应的。扬声器单元作为一个最小相位系统，其不带群延时的相频特性可以由其幅频经希伯特转换而得到。这些波动，往往会成为扬声器音色改变的一个标志。


    值得注意的是，在分频设计中，也需要较为系统的考虑扬声器的相位的衔接。如果衔接出现问题，对应的频响曲线也会出现波动，而声音的质量也会受到影响。

借你消愁

还不错，楼主讲的都能理解，但不知道实际执行该如何取舍。望楼主继续讲课。

josephtt

学习

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      其实，扬声器之所以能发出声音，都是基于振动推动空气而发出声音的。因此，随便翻出任何一本扬声器的教课书，起始两章必然是讲述质点运动系统的自由振动、受迫振动...无论你是蜂鸣器、还是扬声器、哪怕是一块金属或者一个平面，只要有振动系统的存在，都需要遵循这个原理。这才是扬声器发出声音的基础。T/S参数也好，频率响应也好，相位特性也好，THD也好，都是围绕着质点振动系统的设计来进行的。这是取得好声音的本质。现在市面上有很多“新型”扬声器，他们有的依靠压电特性来工作，有的依靠电荷力来工作...不管是那种原理，其实都是“驱动”的原理不同而已。最终还是要遵循基本的质点运动系统的原理和振膜设计的技术。脱离了质点运动系统和振膜设计，去谈“驱动”多么先进，会带来多么多么好的声音...这本身就是在舍本逐末。当然了，不可否认，生活是需要新鲜感。但新鲜过后呢？一切终归又会归于平静的...

    此外，扬声器还有诸如指向性等指标需要关注。这些指标有兴趣的朋友可以自行查阅相关资料。

zlxsmile

    下面，我们谈一谈音箱设计。

    谈到音箱设计，大家马上就会浮现出一大堆音箱设计的理论，例如常见的音箱类型：障板、倒相式音箱、传输线式、密闭式...以及喇叭T/S参数测量，计算，设定尺寸，加工制作，分频器，调试，试听...如此种种。在此不想赘述。感兴趣的同学可以自行查阅相关资料。在这里，仅想就一些要点做简单阐述。

一、低音扬声器的尺寸和扬声器选择
    这个问题看似简单，实则内有玄机。扬声器选择失误，一个好的设计就会功亏一溃，任凭如何用心也不能达到理想的效果。这里面，常见的误区有：

     1、迷信小尺寸的扬声器也能发出震撼的低音。现在很多厂家都在吹嘘自己的小口径的扬声器能够发出多么多么震撼的低音，低音效果能够力压某某大尺寸的扬声器。还真有一帮兄弟深信不疑，前赴后继的跳进去。那么就让老虎从理论上来阐述这种宣传有多荒谬吧...

     扬声器技术中把音盆的有效投影面积Sd与Xmax（最大线性位移Xmax是指扬声器单元工作时锥盆单向位移的限度，单位是MM。当扬声器锥盆的单向振幅超过这个限度时，切割磁场的音圈匝数减小，导致音圈的驱动力下降，扬声器的输出声压进入非线性状态，失真明显增大）的乘积用Vd表示（见前述T/S参数中的大动态参数），在同等的Xmax情况下口径大（Sd大）的扬声器Vd也大！这个Vd就是扬声器单元排开空气的体积，随着频率范围下限向低频延伸，同等的SPLmax条件下,需要的Vd将会迅速上升，需排开更大体积的空气才能达到所需的SPLmax。扬声器在相同工作条件下，音盆频率越低，所需排开空气的体积越大。信号频率越低，扬声器更需较高的SPLmax 才能满足听觉上的动态感。

     接下来，我们以6.5寸和5.5寸为例，简述此问题。6.5寸喇叭的Sd是5.5寸的1.4倍，这意味着要得到同样的低频下限重放，5.5寸的扬声器Xmax也要是6.5寸扬声器的1.4倍。这意味着磁路的线性范围也要增加为6.5寸的1.4倍。振幅加大也意味着失真的急剧增加，可以参考前面的0.5W和2W的THD对比曲线...

    仅仅如此还不够，5.5寸扬声器的F0也要和6.5寸F0相当才可以（口径越大，谐振频率越低）。这就意味着5.5寸的扬声器必须在加大振膜的顺性和增加振动系统质量上下功夫，如此带来的后果就是扬声器灵敏度降低和失真加大...

    以上两点叠加，你还相信5.5寸的喇叭会有比6.5寸喇叭更好的低音重放效果么？能做到相同就太不容易了，对吧？当然，我们不排除一个非常非常优秀的5.5寸的设计，不惜工本的采用了长冲程的音圈和大磁路，采用了顶级材料和设计的振膜来弥补F0和THD的恶化，又采用了大体积的磁钢弥补灵敏度的损失...然后效果超越了某一款6.5寸的入门级产品的可能。但显然这并不是一个性价比高的，理性的选择。当然，如果你非要用一款低音5.5寸扬声器和一个6.5寸中低音扬声器去比较低音，那我也没办法。换个角度思考，同样的设计，如果用在6.5寸扬声器上，那效果又如何呢？

    在低频重放是我们的目标的时候，在选择扬声器时，口径能大还是大一些的好，这样选择范围可以宽很多...

zhangjian

虎兄追求技术杠杠的，专业技术棒棒的，这些都是深奥地。

zlxsmile

zhangjian 发表于 2019-1-5 16:58
虎兄追求技术杠杠的，专业技术棒棒的，这些都是深奥地。

谢谢张兄捧场。一点浅见，见笑了！

zlxsmile

二、关于扬声器T/S参数
    这个问题貌似是只要做音箱的人都会关注的问题。但实际上经常会由于理解不到位，导致做出来的成品和心中所想差距甚远。在前面，T/S参数这一节也举过例子简述了老虎的设计理念。这里仍然需要总结如下：
    1、关注Sd和F0，它们决定了扬声器的低频重放能力，也是音箱设计的重点。
    2、要关注扬声器的速度感。速度感是一个扬声器是否能满足最基本的听音需求的重要指标。需要重点关注Qms。Qms过低的扬声器，无论在任何场合，采用任何声学结构配合，都不能出好声音。口径越大的扬声器越会有这样的风险。
    3、考虑扬声器速度感、阻尼和箱体的匹配。无限大障板由于后方是接近开放的空间，没有额外的空气阻尼施加给扬声器，此时扬声器处在自由振动状态。如果希望获得平直的低频响应和良好的速度感，对扬声器的T/S 参数的要求就非常严苛了。在障板应用的场合，为了获得平直的低频响应，Qts应该取值在0.707附近，而与此同时，为了获得良好的速度感，Qms也需要维持恰当的数值，不能过低...换句话讲，对于一个口径基本确定，用于障板听音的扬声器而言，取得音效最佳状态的扬声器T/S参数的取值范围是很窄的。如果是密闭音箱，由于有箱体容积的空气作为阻尼，对闭箱扬声器的要求和障板扬声器就完全不同了。闭箱扬声器的F0应该尽量低一些，而振膜应该工作在“欠阻尼”的状态。只有这样，在装入箱体后，整体的F0和阻尼才能回到我们要求的范围内。

    在实践中，我们经常可以听到一些音箱产品，声音浑浊，粘，这就是典型的速度感不足的扬声器的代表声音。如果遇到此类扬声器，千万不要幻想能够通过腔体设计来优化改善声音，直接放弃才是王道。一些大口径的扬声器，如果振膜比较厚重，但磁铁很小的话，往往非常容易犯这个毛病，这又一次论证了驱动不足带来的危害，也证明了扬声器的减少磁间隙的追求不是空穴来风（靠忽悠生活的山寨小厂除外）。另一种声音取向是低频发紧，发闷，这是典型的扬声器过阻尼的声音，此时，如果是密闭箱，可以尝试加大腔体容积来改善。如果低频过于松，甚至有些拖泥带水，往往是扬声器欠阻尼，此时如果是密闭箱，可以尝试减少腔体容积来改善。

zlxsmile

三、关于频响曲线
    提到这个问题，很多人都会觉得，尽可能平直就可以了呗。从设计角度看这话说的没错。然而实际上，许多大厂的做法确不一定是这样的。

    1、关于低频。几乎所有的音箱制作教课书都是按照低频段响应平直来设计和调试。然而我们在关注低频段频率响应的同时，也需要重点关注一下低频段的THD。特别是正常听音功率时的THD。因为太多太多情况下，低频段的THD会“惨不忍睹”，这也是除了速度和阻尼之外，低频段声音恶化的另一个重要原因。改善低频段THD的方法有：改善扬声器振膜、增加扬声器驱动、增大扬声器Xmax和线性范围、采用“带阻尼”的腔体结构（如密闭箱体）...

    2、关于中高频。中高频段需要特别留意频响曲线上的小的峰和谷。这种峰和谷，往往同THD的增加，相位曲线的峰谷联系在一起，形成“声染色”的现象。这一般是要杜绝的。改善方法是通过振膜优化设计来改善。中频处有一个较大的谷点，是和扬声器的口径和悬边相关的，被称为“中频谷”，这个谷点较难优化掉，可以暂时保留。

    3、关于分频点。分频点的选择可以按照单元特性和个人经验来确定。但需要注意的是，不要一味的按照教科书上的公式来计算和设计分频器。以2分频音箱的二阶分频器为例，分频点往往取在2-4K之间为多。而这个频段，是人耳听觉最为敏感的频段，也是最容易感受到声音嘈杂不动听的频段。按照二阶分频公式来计算设计分频器，会导致这个频段频响特性上有“凸起”，声音嘈杂刺耳。往往将低频分频点向低频方向移动，同时将高频分频点向高频移动，会减轻这样的感受。有时，甚至在这个频段略微有些凹陷，声音也不会觉得难听，反而会比较悦耳。

    4、关于相位。相位和频响特性是可以互相转换的，分频点处的高音和低音单元的相位，是需要对齐的。此时频响曲线最为平滑，而且听感上，高低频衔接更为顺畅。

国货精品

顶一下老虎哥

ahchzgm

帮顶一下老虎，在头条上看到很多老虎180的视频，讲解的都是一些音响普及性知识。没想到在论坛里看到老虎几年前发的帖子，老虎的理论知识相当丰富！

huangjingpeng

zlxsmile 发表于 2019-1-5 15:26
下面，我们谈一谈音箱设计。

    谈到音箱设计，大家马上就会浮现出一大堆音箱设计的理论，例如常见 ...

现在居住空间局促，消费级产品流行小尺寸，也算是带着枷锁舞蹈，无奈的妥协。

huangjingpeng

zlxsmile 发表于 2019-1-7 15:30
二、关于扬声器T/S参数
    这个问题貌似是只要做音箱的人都会关注的问题。但实际上经常会由于理解不到 ...

可不可以理解为，我隐约这么认为，扬声器电Q值QES尽可能低、机械Q值QMS尽可能高，这样低音来的迅速有力又不拖泥带水。

wuweiz

见解很到位，我希望能看下治具，不知老虎现在有做好的扬声器样品不