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电声换能器的失真及其对音质的影响

  • 2005-07-03 17:53
  • 来源:中国汽车影音网
  • 作者:张维国 李泉珍
  • 责任编辑:CarCAV编辑
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电声换能器(扬声器、耳机与传声器等)由于涉及到能量形式的转换以及材料、工艺等种种影响，至今仍是音响系统中最薄弱的环节，它极大地影响着音质的进一步提高。
1 电声换能器的工作原理
电声换能器是电—机—声三者的复合系统，将它们等效地变换为相应的电路，就可用成熟的电路理论加以描述，这就是拉格朗日—麦克斯韦方程〔1〕
在电磁型换能器中，方程(1)的具体表达式为〔2〕
式中，E0、Z0和F0、z0分别是外部加到电声换
能器的等效电源的电动势、内阻抗和等效声源的激励力、声阻抗；
Z1、z1——分别是换能器电学系统和机械系统的振动速度；
A=Bl—力系数
B——磁隙的磁感应强度
l——音圈长度
方程(2)的等效电路示于图1。
图1简化的电—机械—声复合系统
(电磁型换能器)的等效电路
图2还原到电学系统方面和声学系统方面的等效电路
当能量由电能向声能方向变换的扬声器(或耳机)的情况时，F=0，表示成图2(a)还原为电学系统方面的结构；反之，当能量由声能向电能方向变换的传声器情况时，E=0，表示成图2(b)还原为机械声系统方面的结构。在这两个等效电路中新出现的Zm和zm由式(3)表达：



式中，Zm——代表了机械声系统对电学系统的作用，称为动态电学阻抗(也称动生阻抗)
zm—代表了电学系统对机械声系统的作用，称为动态机械阻抗。
它们是电声换能器在电声之间进行能量相互变换的重要参数。
　
2 电声换能器的理想工作状态
为了描述电声换能器能量变换的能力，引入称为工作衰减量的参数b：[1]
经分析可知，只有当b=0时，才能真正实现能量变换器的理想状态(换能效率为50%)，此时
Z1=0，z1=0 。 z0Z0=A2 (5)
这就是说，只有在电学系统阻抗、机械声系统阻抗都为零且通过端点11或22中某一方实行阻抗匹配，才可以实现这种理想状态。
3 电声换能器理想状态的实现
现在对能否达到这种理想状态，即式(5)能否满足讨论如下：
Z1=0，即电学系统阻抗(比如扬声器音圈阻抗)等于零，由于现存导线材料的限制，显然是不可能的。
b、z1=0，表示机械声系统的阻抗等于零。由于材料性能的限制，目前也是不可能的。
c、条件z0Z0=A2的实现，也受材料的限制。
d、式(5)只表示了实现理想状态的充分条件，但它不是必要条件。这就暗示了电声换能器的设计可能找到与上面完全不同的设计原则。

图3锥盆扬声器的电阻抗频率特性
e、不难看出，当动生阻抗Zm越大时，电声换能器效率越高。一种典型的锥盆扬声器的电阻抗频率特性示于图3。由图可见，最低共振频率处阻抗最大，是动生阻抗的影响所致，此峰值越大，换能效率越高，对同样的输入功率，输出的声压级也越高。
4电声换能器的失真及其对音质的影响
电声换能器在能量形式转换过程中，由于电、机、声系统的各种原因造成了种种的失真，致使音质恶化，严重地影响了听音效果。现以扬声器为例进行讨论。
4.1幅度非线性
扬声器的输出声压中，出现输入信号所没有的频率成分，称为幅度非线性，新出现的频率与输入信号的特性有关。对扬声器来说，有如下几种幅度非线性失真类型。
4.1.1谐波失真
由于扬声器的机械振动系统或磁路系统的非线性，导致表征声音音色的各成分音产生谐波失真和互调失真，使频谱改变，音色也发生变化。根据掩蔽效应，可得到谐波失真的辨别阈为0.6%。
由失真产生的总谐波声压的有效值与总输出声压的有效值之比称为总谐波失真。电失真产生的n次谐波声压有效值与总声压有效值之比称为n次谐波失真(表达式从略)。
理论分析和客观测试表明，总谐波失真系数是频率的函数，而且在低频段比高频段为大。4.1.2互调失真
输入基频为f1、f2，……的正弦信号(至少两个)时，由于扬声器的非线性，输出中除这两个频率的信号外，还会出现它们的各种和、差频信号。用频率为pf1+qf2+…(其中p、q为正负整数)的输出信号与总输出信号之比表示的幅度非线性即为互调失真。这些信号可以用功率、电压或声压表示。
当有互调失真时，声音听起来混浊，特别是在重放合唱时会显著出现。斯特洛根据研究结果，主张互调失真应在2%以下。
比如，f1为音g′=391.995 Hz，f2为音d2=587.330 Hz(这是小提琴两根最低的空弦音，它们组成的五度和弦是很和谐的)。由于扬声器的非线性表现的互调现象，输出中会产生多余的f2+f1=979.325 Hz、f2-f1=195.335 Hz、f2+2f1=1371.320 Hz等频率的声音。其中f2-f1接近音g=195.998 Hz，听起来和原二音和谐，但f2+2f1=1371.320 Hz介于音e3=1318.512 Hz与音f3=1396.912 Hz之间，后二者相差半度，与前述各音不谐和，明显地改变了原很谐和的和弦。另外，还可能产生一些不谐和的频率成分，这里就不列举了。
4.1.2.1调制失真
这是一种特殊的互调失真，是由低频大幅度信号f1和高频小信号f2(f2＞8f1，电压幅度比为4)组成的输入信号所产生的互调失真，称为n次调制失真。当n=2时为二次调制失真，n=3时为三次调制失真。
例如，f1为音c′=261.626 Hz，f2为音e4=2637.024 Hz，这是大三度和弦，比较悦耳，算半谐和音。
由于调制失真，输出中会产生新的频率分别为f2±f1=2375.3982898.650Hz、f2±2f1=3160.2762113.772Hz的成分，与这些频率最接近的乐音分别是C4=2093.004 Hz，d4=2349.320 Hz，f4=2793.824 Hz，g4=3135.960 Hz。可见，新产生的四个频率成分会明显改变原和弦的效果，而成为不谐和音。实际上等于多了四个非标准音，它们不是乐音，根本不能用谐和程度描述。听音结果将是嘈杂刺耳，甚至不如电锯声。
由于非线性原因引起的调制失真称为幅度调制失真；由于与非线性无关的频率调制引起的称为频率调制失真，这就是多普勒效应。如果为了简单起见，单说调制失真，则应理解为幅度调制失真。
4.1.2.2差频失真
以两个幅度相近或相等的正弦信号频率f1和f2组成输入信号产生的互调失真，这两个信号频率之差小于较低的那个频率。新产生的频率有f2-f1电声换能器的失真及其对音质的影响f2-f1,2f1-f2，2f2-f1。
4.2分谐波失真与异常声
当加给扬声器强纯音时，由于振膜的非线性会在中低声频段产生频率为信号频率1／2或1／3等的模糊声音，这种现象称为分谐波失真。分谐波失真是由于振膜的振动跟不上音圈的振动，当驱动力历经两个周期时，振膜仅仅运动一周期，这就出现了1／2次谐波。
另外，当加给扬声器纯音时，在某一频率会听到与谐波无关的模糊噪声。其产生的原因是振膜与引线或音圈与振膜连接不良、磁隙中有灰尘、盆架振动、音圈打底等。这些噪声统称为异常声。日本工业标准(JIS)规定的试验是加给扬声器额定输入功率的扫频信号，距扬声器30cm处试听有无异常声，若有异常声需进行修理或报废。
4.3 瞬态失真
扬声器的瞬态特性是指其对猝发声信号的跟随以及“停顿”能力。比如，当快速击鼓时，扬声器能迅速地“跟上”鼓点，清晰地而不是模糊地响应出来，并且能及时地停顿。瞬态特性有前沿和后沿之分。给扬声器输入一个矩形波，如果扬声器输出的波形仍为方整的矩形波，即前、后沿陡直，这称为瞬态响应好，瞬态失真小。由于扬声器的结构、振膜材料特性等不利因素，前沿和后沿不可能都非常陡直，即产生所谓瞬态失真。
比如金属振膜硬球顶扬声器，其前沿瞬态特性好，即爆发快，但后沿特性欠佳；而软球顶扬声器恰恰相反。电声工作者的难处是寻找一种材料和制造工艺，既使前沿特性好，又使后沿特性好，这在目前说来尚难办到。这是因为决定前后沿特性的重要因素是阻尼特性。材料的阻尼大，起动慢，前沿特性不好，而后沿特性好；阻尼小，爆发力大，起动快，前沿特性好，但后沿特性欠佳。
4.4 相位失真
这里所指的相位，是指声音各成分音之间的相位差。心理声学研究表明，人耳对相位差不是很敏感的，研究报告还指出，由于复音中的各成分音的相位差会引起波形变化，从而导致音色变化，人们对相位差的感知是通过音色的不同而达到的。但也有人提出相反的结论，认为人耳只能对人工产生的复音感知相位差；而对音乐、语言，是感知不出相位差的。
传统的三分软音箱，三个扬声器的盆边都装在一个垂直平面障板上，其声源中心却不处于同一铅垂面。这样，它们发生的声音不可能同时到达人们的耳朵，这就形成了相位失真。为了纠正这种失真，人们设计了能够恰好补偿这种相位的分频器，称为“声分频器”或称“声巴特沃斯(Batterworth)滤波器”；或将三只扬声器的声源中心安装在同一铅垂面上，而设计出“零相位失真分频器”。
5 扬声器产生失真的原因与减小失真的途径
扬声器音质的好坏，几乎完全决定于它的失真情况。关于失真产生的原因，在前面已做了说明，现主要从非线性失真方面加以讨论。
5.1由驱动力的变化引起的失真
音圈驱动力F=bli，导体长度l可看作常量，因而驱动力F是磁感应强度B与音圈电流i的函数。由于磁通分布的不均匀性，必然引起F的变化。为此常采用短音圈设计方式，使其始终在均匀磁场内运动从而B为常量。或采用长音圈设计，以加强音圈与磁通的耗合。前者成本高，后者效率低。权衡利弊，实用设计中多采用长音圈方式。
磁通不均匀性是在大振幅情况下引起的，因而常出现在低声频范围。在同样输出情况下，大口径扬声器在小振幅时就能重放低音，从而减小失真。而小口径扬声器要重放同样低音必须增大振幅，因而增加了失真。
为了解决磁导率的非线性引起的失真(即电流失真)，常采用线性良好的磁性材料(磁滞性能较小)，在导磁柱外径和磁体内径加装铜制短路环以减小音圈感抗，以及磁饱和等方法。
5.2由支承系统引起的失真
振膜内外圈由定心支片和折环支承，由于力和位移之间不成线性关系而产生失真。为了改善线性关系，常把折环和定心片做成力顺大的波纹形状，这可明显的减小底声频段失真。
5.3由振膜引起的失真
振膜的分割振动是产生失真的主要原因，特别是折环的共振产生的失真较大，影响中频段放音。由于振膜材料和形状的影响，也会使高频段失真。因此适当选择振膜材料和形状，可以扩大活塞振动范围。使用线性良好、内阻尼适当的材料也是减小失真的有效办法。

 

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