音箱分频器的设计

LiangHeo

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。我常常见到有些DIYer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见到有人会去关心，这很有些“买椟还珠”的感觉。
在DIYer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。但事实上我们应该知道这样的一个常识：电抗器件（或者说是惯性元件）对通过的交流信号有相移，每一阶最大的相移量达到90度。照此计算，一个四阶滤波器最终将产生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，出现一系列的峰谷。然而这还不算最糟的，更糟的是由于相位变化的剧烈带来了大量的相位失真。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，就我个人的看法，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，这对单元也是一个很大的折磨，这又是一个矛盾。一般来说，解决这个矛盾采用二阶滤波还是比较合理的。理由是：（1）由于标准二阶滤波衰减斜率为12dB，在正常情况下是足以应付；（2）由于最大相移为180度，因此比较容易实现相位对接，同时相位失真也在可忍受范围。
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、那种万金油似的分频器。道理非常简单：每一款杨声器由于设计、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，因此这样的条件无异于空中楼阁。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，甚至一些业内混了很多年的“工程师”也在困惑。
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（见图1）。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（图2）。

图1



图2
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。
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（参见图3）。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，多年前有人提出了所谓的“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。

图3

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2。这是安装在Honey One的实验箱体中测量出的曲线，92Hz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的谐振峰，这也是许多中低频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。这个峰点被我们戏称之曰“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；三是干脆放弃这样的单元。
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效都是12dB/oct，其实这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。

okj

学习,  LZ辛苦!

1999

非线性器件除了扬声器,最难控制的是电感
请大神说下如何设计电感的设计细节吧,谢谢
此贴授精,因为预计将会出现很多精彩回贴

LiangHeo

原帖由 1999 于 2009-6-17 17:18 发表
非线性器件除了扬声器,最难控制的是电感
请大神说下如何设计电感的设计细节吧,谢谢
此贴授精,因为预计将会出现很多精彩回贴

电感似乎没那么难控制啊。你到底想问啥细节？看俺知道不。

1999

电感的模型
F0/Q/C??
如何控制啊?
设计的时候怎么去要求,或者利用

okj

我感觉现在比较难于把握的是电感的阻抗,小电感无所谓.
当比较大的电感,例如我最近绕的7.9MH,直流电阻已经到1.2欧了?这可能会对分频产生影响,这样的问题如何避免?

okra

用更粗的线，或用铁芯，推荐使用铁芯。1.2ohm确实太大了，可以找个电感的计算软件，在软件上模拟电感的内径，圈宽等数据，找到电阻最低的方案。

wzy728

楼主的帖子是原创么?好奇下~

scc

[精] 分频器的设计技术
2008-03-26 09:05:34 本文已公布到博客频道玩乐·饮食分类
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。老虎机遥控器........

下面这个地址就有：
http://i.cn.yahoo.com/windpk1314/blog/p_29/

维卡亚

记得在声学楼的论文集里有了。

LiangHeo

电感器上没啥，就是一个线圈而已。如果要说分布电容，那以我们的工作频率来说，完全忽略就可以了。如果要精确一点可以考虑电感的内阻。

LiangHeo

原帖由 维卡亚 于 2009-6-17 18:47 发表
记得在声学楼的论文集里有了。

这个坛子的人估计没有几个人有这个论文集吧。

scc

泛泛而论的文章，有一定参考意义，

‘一个设计、制作优良的分频器，应该是针对某一组单元（和箱体）度身定做的，’------这段话说得不错

还有，不必对元件的非理想状况耿耿于怀（世间所有事物都是如此，要避免其影响，只要互补运用就行-----就像当初大唱盘和磁带的均衡和反均衡电路），只要合适运用，其影响在可接受范围。

实在不接受电感的稍大的内阻，干脆搞成‘有源’，可能好一些

维卡亚

原帖由 LiangHeo 于 2009-6-17 18:51 发表

这个坛子的人估计没有几个人有这个论文集吧。

呵呵。应该有些有。但一般不出来说话吧。论文集里面还是有不少好东西。不过我还没怎么看。

LiangHeo

原帖由 okj 于 2009-6-17 17:37 发表
我感觉现在比较难于把握的是电感的阻抗,小电感无所谓.
当比较大的电感,例如我最近绕的7.9MH,直流电阻已经到1.2欧了?这可能会对分频产生影响,这样的问题如何避免?

加铁心！记得千万别用环形铁芯来做！如果你要特殊的“味道”另当别论。 比这大的电感俺都玩过，就是铁心来解决，否则电感会非常恐怖！每个电感做个几公斤，买线都可以破产。

LiangHeo

原帖由 维卡亚 于 2009-6-17 18:54 发表

呵呵。应该有些有。但一般不出来说话吧。论文集里面还是有不少好东西。不过我还没怎么看。

俺说过，没几个有的。一共才发出去多少份？在这坛子有10本就很可观了。拿到这论文集的基本都是业内的人，DIY他们很少人来的。

LiangHeo

原帖由 wzy728 于 2009-6-17 17:56 发表
楼主的帖子是原创么?好奇下~

真作假时假亦真，看你怎么认为。

awdq888

原帖由 LiangHeo 于 2009-6-17 18:58 发表

真作假时假亦真，看你怎么认为。

假作真时真也假,
坛内高手遍如云.
是驴是马来骝骝,
是否原创无所谓.
好学广博实可嘉,
虚心求学也重要!!!

okj

原帖由 LiangHeo 于 2009-6-17 18:54 发表

加铁心！记得千万别用环形铁芯来做！如果你要特殊的“味道”另当别论。 比这大的电感俺都玩过，就是铁心来解决，否则电感会非常恐怖！每个电感做个几公斤，买线都可以破产。

我最近已经买了不少的线,价格不低,看来只有用铁芯了.

多谢O版的建议,为电感最近头大.

LiangHeo

原帖由 okj 于 2009-6-17 19:08 发表


我最近已经买了不少的线,价格不低,看来只有用铁芯了.

多谢O版的建议,为电感最近头大.

你不也是O版吗？