降低扬声器系统设计中的失真（3）

3．箱体的影响 细心的观察者将会注意到，前面所描述的所有的非线性失真实质上都是与锥盆位移有关的。它遵循降低位移也就是减小失真的任何方法。

减小位移的最有效方法是采用号筒负载。通过把在号筒开口处（大的末端）相当低的声阻抗变换成在号筒喉部的相当高的声阻抗时位移就可减小了。另外，扬声器的力阻抗也更接近匹配，导致了在效率上大约有12dB的增加。

在号筒中空气的非线性引起失真是事实。但是，在设计合理的号筒中，这种失真完全可能低于由驱动器非线性产生的失真。不幸的是，有少数人乐意在起居室内追求全频带号筒扬声器系统的效果。其实，起居室内当然是使用扬声器箱好，现实也是如此。

在音箱中最简单的是密闭箱。其次是带可调整管道的音箱。我们很粗略地把由箱体/管道组成的赫姆霍兹（Helmholtz）共振频率作为大约一个倍频程的带宽，管道中空气质量是和锥盆同相运动的。当锥盆背后提供了一个增加的声阻抗时，输出就会增加而锥盆位移减小了。应用无源辐射器（不带音圈或磁路结构的锥盆）可获得同样的效果。在适当低于赫姆霍兹共振的频率上，管道或无源辐射器不仅不再与锥盆同相辐射，而是反相，而且锥盆的特性相当于扬声器没有封闭的情况。

图7示出了一只高质量6.5"驱动器应用在体积相同不同设计的箱体的频率响应。请注意开口箱和无源辐射器箱在较低频率上比密闭箱保持了平直的响应。

图8示出了给人印象深刻的1W电功率加于密闭箱中扬声器的结果。最上面的图表示153和255Hz的输入。失真低于基频超过40dB，或不到1%。中间的图显示了当用20Hz强信号输入时发生的情况。

我们不仅看到了20Hz的高谐波，还看到了调制产物--例如173,215和235Hz。更重要的是，失真峰的个数（频谱污染）在至关紧要地200-400Hz的中低频段上更多了。较高的峰表示失真大约为2%。底下的图表示了附加的60Hz输入的影响，而非20Hz的输入。基本上，这些图都显示了相同的效果。

图7：频率响应曲线（模拟）

图8：密闭箱的失真结果

图9和图10示出了开口箱和无源辐射器箱的失真图。与密闭箱比较，结果是十分相似的。事实上，比较仅仅展示了在开口箱和无源辐射器箱与密闭箱相比20Hz声波（中间图）的三次谐波声级的重大差异（大约9dB）。有趣的是，这个60Hz的三次谐波是接近开口箱和无源辐射器的箱调谐频率的。

图9：开口箱的失真测试结果

图10：无源辐射器箱的失真测试结果

图11示出了三种形式的音箱在10W功率输入时（1米时输出大约为98dB）对频率的二次和三次谐波失真。这些图只代表了锥盆的输出，并不包括管道或无源辐射器带来的对总输出的影响。请注意，在以50Hz中心的倍频程中，密闭箱比其他两种类型音箱多产生大约7dB的失真。

图11：三种箱体的谐波失真曲线

最近，对管道已经进行了大量的研究，发现即使十分大的管道在空气速度变得足够大的时候将会停止工作。造成的原因是空气运动变得混乱而不是有层次的，所引起的开口效应会使锥盆位移减小到消失。因此，在极大功率的声级时作为低失真性能来说，不能依靠有管道的箱体。在无源辐射器音箱中，这个效应不会发生，无源辐射器提供的是足够的准线性位移能力。

请注意图11上还很有趣的是，这种质量相当不错的驱动器仍然产生了几乎差不多的二次和三次谐波失真。（这使我们想起偶次谐波失真的产生主要是和驱动器的非线性有联系的）。有一个能显著地减小偶次失真的方法。这种方法包括采用双扬声器，一只面向音箱内部，另一只按正常安装。

因为两扬声器被装成声学上反相的，就是它们电气连接是反相的。但是，它们是同相辐射的。然而，对于4倍于扬声器中心间隔距离的波长较长的频率来说，两扬声器的作用仍像单生源。这样，在低频时，在驱动器中产生的偶次失真分量就抵消了。这种"推挽"方式在一般市售网点通常很少见。但是，在专门定制的顶级系统中就常出现了。

在扬声器系统中另一种减少失真的方法是在功率放大器前应用一个高通滤波器，这个滤波器应该设定能消除低于扬声器通带的信号，因为这种信号能使锥盆产生没有声输出的很大的位移。应用带有电子分频器的超低音箱可实现相同的结果。

20年以前，家用扬声器系统很少被要求产生低于50Hz左右的能量，而50Hz就是典型的盒式放音机频响的低端。而40年以前，即使包含设计能消除唱片扭曲和唱盘辘声的低频滤波器的最好的放大器，其仍能有低于7或8Hz的很强的成分。此外，常用的乐器（包括最大的管风琴）在低于40Hz左右时实质上是没有能量的。

今天，低失真的低频响应是很重要的，因为随着合成音乐和CD唱机的出现，"就有乐曲下潜到那里"!今天设计出我们能听到的失真最小的这些信号的系统仍是一个严重的挑战。

本文的完成得到了本公司李树辉工程师提供数据，杨军，黄信敏工程师帮忙测量，在此表示衷心的感谢。

主要参考资料：

(1)"Voice-Coil"杂志AUGUST 2002 "Minimizing Distortion in Loudspeaker System Design" By Richard Honeycutt P25-33。

(2)"音箱原理及制作" 俞锦元编著 电子工业出版社 1997.8 第二版

广州国光电器有限公司 俞锦元

（完）