声电转换与电声转换

扬声器扬声器是整个音响系统的终端换能器。扬声器又叫喇叭，是一种将有一定功率的音频信号转换成对应的机械运动再将其变成声音的电声换能器。这种能量变换特性，可以用扬声器的标称功率、额定阻抗、频率范围、指向性、灵敏度及失真度等指标来衡量其性能的优劣。5.2.1扬声器的分类1.按工作原理分类(1)电动式扬声器。这种扬声器采用通电导体作音圈，当音圈中输入一个音频电流信号时，音圈相当于一个载流导体。如果将它放在固定磁场里，根据载流导体在磁场中会受到力的作用而运动的原理，音圈会受到一个大小与音频电流成正比、方向随音频电流变化而变化的力。这样，音圈就会在磁场作用下产生振动，并带动振膜振动，振膜前后的空气也随之振动，这样就将电信号转换成声波向四周辐射。图5-10所示(2)电磁式扬声器。也叫舌簧式扬声器，声源信号电流通过音圈后会把用软铁材料制成的舌簧磁化，磁化了的可振动舌簧与磁体相互吸引或排拆，产生驱动力，使振膜振动而发音。(3)静电式扬声器。这种扬声器利用的是电容原理，即将导电振膜与固定电极按相反极性配置，形成一个电容。将声源电信号加于此电容的两极，极间因电场强度变化产生吸引力，从而驱动振膜振动发声。(4)压电式扬声器：利用压电材料受到电场作用发生形变的大原理，将压电动元件置于音频电流信号形成的电场中，使其发生位移，从而产生逆电压效应，最后驱动振膜发声。2.按振膜形状分类扬声器主要有锥形、平板形、球顶形、带状形、薄片形等。(1)锥形振膜扬声器。锥形振膜扬声器中应用最广的就是锥形纸盆扬声器，它的振膜成圆锥状，是电动式扬声器中最普通、应用最广的扬声器，尤其是作为低音扬声器应用得最多。其外形如图5-11所示。(2)平板扬声器。也是一种电动式扬声器，它的振膜是平面的，以整体振动直接向外辐射声波。它的平面振膜是一块圆形蜂巢板，板中间是用铝箔制成的蜂巢芯，两面蒙上玻璃纤维。它的频率特性较为平坦，频带宽而且失真小，但额定功率较小。由平板扬声器构成的纯平超薄音箱实物如图5-12所示。平板扬声器与普通的圆锥型扬声器相比较具以下特点：①不论在扬声器的前后左右聆听，音质均相同；②由于声音的衰减率低，所以即使声音很小也可以传播到远处；③体积较薄。该类扬声器主要用于笔记本电脑，也可应用于家庭影院系统的壁挂式或潜入式环绕声音箱。(3)球顶形扬声器。球顶形扬声器是电动式扬声器的一种，其工作原理与纸盆扬声器相同。球顶形扬声器的显著特点是瞬态响应好、失真小、指向性好，但效率低些，常作为扬声器系统的中、高音单元使用。球顶形扬声器的结构和实物图如图5-13所示。(4)号筒扬声器。号筒扬声器的工作原理与电动式纸盆扬声器相同。号筒扬声器的振膜多是球顶形的，也可以是其他形状。这种扬声器和其他扬声器的区别主要在于它的声辐射方式，纸盆扬声器和球顶扬声器等是由振膜直接鼓动周围的空气将声音辐射出去的，是直接辐射，而号筒扬声器是把振膜产生的声音通过号筒辐射到空间的，是间接辐射。图5-143.按放声频率分可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器、全频带扬声器等。一般人们把最佳工作频率低于60Hz的扬声器称为低音扬声器；把最佳工作频率在300Hz～5kHz的扬声器称为中音扬声器；把最佳工作频率高于5kHz的扬声器称为高音扬声器。4.按扬声器振动膜制作材料的不同分按扬声器振动膜（盆）的制作材料的不同可分为纸盆、碳纤维盆、PP盆、玻璃纤维盆、防弹布盆、钛膜及丝绸膜扬声器。5.2.2扬声器的主要技术指标1.标称尺寸2.声压频率特性3.频响范围4.标称功率5.标称阻抗6.失真度7.指向特性8.灵敏度5.2.3扬声器的选用原则扬声器实际上是一种把可听范围内的音频电功率信号通过换能器(扬声器单元),把它转变为具有足够声压级的可听声音。为能正确选择好扬声器,必须首先了解声音信号的属性,然后要求扬声器能“原汁原味”地把音频电信号还原成逼真自然的声音。所以在选用扬声器时，应着重考虑额定阻抗、额定功率、频响范围、谐振频率、灵敏度、失真度、总品质因数等指标。5.3分频器5.3.1分频器的作用分频器又称分频网络。分频器的作用就是在音频系统中把全频带声频信号分成不同的频段后送到扬声器，使它们得到合适频带的激励信号，再进行重放。例如双分频的音箱通过高通滤波器分离出较高的频率供给高音扬声器；通过低通滤波器分离出较低的频率供给低音扬声器。总括地说，分频网络的作用如下：（1）展宽频带，改进频响。例如，低频扬声器在1500～3000Hz左右有大的峰谷，用分频网络可保证在1200Hz以上能量送往中、高频扬声器单元而不送往低频单元，这样对扬声器本身的频响要求就不那么苛刻，而且可避开扬声器频响上的大峰谷点，使整个音箱保持宽而平坦的频率响应。（2）提高效率。亦即不要把高频能量输至不产生高音的扬声器而浪费掉。（3）保护中音和高音扬声器不致损坏。由于入耳对中、高频声灵敏，所以低频需要更多能量，即用更多的能量来推动低频扬声器：倘若向中、高频单元输入低频大幅度信号，会使这些单元的振膜产生过度振动，从而引起失真，甚至损坏音圈和膜片。所以，保护中、高频单元也是使用分频网络的重要原因。5.3.2分频器的种类1.按电路结构分（1）功率分频器功率分频器位于功率放大器之后，设置在音箱内，由电容和电感滤波网络构成。其特点是分频网络设置在功率放大器和扬声器之间。这种分频器把从功率放大器直接出的全频音频功率信号分为低音和高音或者低音、中音和高音，将分频后的信号按不同频段分配给各频段扬声器。在全频高、低音或高、中、低音主动分频音箱中，均由被动分频电路完成分频任务,功率分频器框图如图5-18所示。（2）电子分频器电子分频器是一种将音频弱信号进行分频的设备，一般由有源电子线路分频系统构成，其特点是分频系统位于功率放大器前，将全频音频弱分频后，把低音、高音或低音、中音、高音信号分别送至各自功率放大器，然后由功放分别输出到低音、高音或低音、中音、高音扬声器，这种方法被称为主动分频，因工作在弱信号情况下，故可用小功率的电子有源滤波器实现分频。电子分频器框图如图5-19所示。2.按分频的频段数分分频器按分频的频段数分常见的有二分频和三分频两个类型。二分频器实际上是高通、低通滤波器的组合，三分频器则在中间再加带通滤波器。它们都是利用元件的如下性质：电感L(线圈)在频率低时阻抗小，故低频信号容易通过，而高频信号难以通过；电容C则相反，频率低时阻抗大，故低频信号难以通过，高频信号则容易通过，因此达到滤波或分频的目的。3.按分频器的衰减率分分频器的衰减率是指分频点以外的曲线下降的斜率，斜率越大，衰减率越大。分频器按分频点外曲线下降的斜率（衰减率）分有-6dB/OCT、-12dB/OCT、-18dB/OCT，-24dB/OCT几种类型，其中常用的是前两种类型。对应的每路元件数为一个(或一组)、二个(或二组)LC元件。-18dB／OCT的分频器衰减率大，分频后不需要的频段被切除得较彻底，因而音质也较好，但因元件数增多，调整困难，且插入损耗也较大，故用得不多。-24dB／OCT衰减率的分频器更为少见。5.3.3常见分频网络的电路形式功率分频器一般是由R、L、C无源网络组成的高通（HPF）、低通（LPF）、带通（BPF）滤波器分频器，常见的电路形式有单元件型（一阶网络）和双元件型（二阶网络），它们的电路型式和频率特性如图5-21所示。分频电容应选用无感聚丙烯电容器或无极性金属化纸介电容器；分频电感应使用较粗的单芯漆包线绕制，电感器的直流电阻应小于扬声器标称阻抗的十分之一。5.3.4电子分频器的使用功率分频器被固定安装在音箱内部，并不需要音响师对它进行调整，而电子分频器存在着正确使用、合理连接以及调整等多方面的问题，下面对专业电子分频器在使用中应该注意的几个主要问题加以介绍。图5-22是R-2320型分频器的面板图。R-2320型专业分频器是立体声二分频，单声道三分频专业电子分频器，有一组纯低音输出接口。1．面板上各个功能键、钮和接口的作用2．电子分频器的调节和使用注意事项（1）分频点的确定（2）分频段增益（3）其他调整5.4音箱音箱即扬声器箱，它是由扬声器、箱体、分频网络和衰减器等组成，是以改善扬声器低频辐射和提高音质为目的的扬声器系统。5.4.1音箱的作用音箱是音响系统中的最后组成部分。音箱的性能主要取决于扬声器的质量，其中低音频的放音效果又在很大程度上取决于箱体的结构与尺寸。实际上，音箱的主要作用是改善低音频的放音效果，一个优质音箱不仅能够体现出低音扬声器原有的性能，还有拓宽其重放下限频率、降低放音失真、提高辐射效率的作用。扬声器是利用振膜(纸盆)的振动去推动空气振动而产生声音的，在振膜向前推动的瞬间，振膜前面的空气被压缩而变得稠密，振膜后面的空气则变得稀疏；在振膜向后振动的瞬间，纸盆前后的空气疏密状况刚好相反。也就是说，纸盆前后所发出来的声波，相位正好相反。5.4.2音箱的分类音箱的分类方法很多。常见分类有：1．按使用场合分按使用场合分有家用音箱和专业音箱两大类。家用音箱主要用于家庭音响系统放音，一般用于面积小、听众少、环境安静的场合；在设计上追求音质的纤细、层次分明、解析力强；外形较为精致、美观；放音声压不太高、承受的功率较小，音箱的功率一般不大于100W，灵敏度≤90dB／W·m。家用音箱按用途可分为纯音乐、和家庭影院音箱，其中家庭影院音箱又可分为前置、中置、环绕、超低音等音箱。3．按用途来分专业音箱又可分主扩声音箱、监听音箱和返听音箱等。主扩声音箱一般用作音响系统对公众扩声的主要音箱，它承担着音响系统的主要扩声任务。因此，主扩声音箱对整个音响系统的放音质量的影响重大，所以对它的选择应十分严格、慎重。它可以选用全频带音箱，也可以选用全频带音箱加超低音音箱进行组合扩声。4．按箱体结构来分可分为密封式音箱、倒相式音箱、迷宫式音箱、多腔谐振式音箱和声波管式音箱等。图5-23列出一些常见音箱的结构和形式。在各种音箱结构型式中，密封式音箱和倒相式音箱用得最多，约占各种音箱数量的2／3。密封式音箱具有结构简单、体积较小、低频的瞬态特性等优点，但效率较低。密封式音箱主要用于家用音箱中，在专业音箱中较为少见，只有少数的监听音箱采用密封式结构。倒相式音箱可适合各种形式的扬声器，具有丰富的低音，使人有舒展感。音箱的结构和形式5.4.3超低音音箱1.超低音及其重放的方法人耳可听声的整个声频范围为20～20000Hz，包含10个倍频程，其中最低的两个倍频程20～40Hz，40～80Hz有人分别称为超低音和重低音，一般统称为超低音。超低音能否被良好地重放，将影响音乐的“力度感”和“临场感”。尤其是随着家庭影院AV的兴起，人们对音箱的表现力又提出了新的要求，既要有极佳的音乐表现力，又要有爆得起的音响效果，这其中的关键在于超低音的重放，而普通小型音箱一般只能重放70～80Hz以上的低音频，中型音箱低端也大多只能重放到50Hz左右。为解决此间题，使超低音能有效重放的方法主要有三种：(1)在扬声器单元上下功夫为了扩展扬声器的低频重放范围，就要降低低频共振频率。从理论上讲，要降低共振频率就要加大振动系统的等效质量M0和减小系统的劲度S0。通常,大口径扬声器的等效质量大，而从低音扬声器的输出功率和振幅关系来看，振幅与口径的平方成反比，因此可以用大口径扬声器作超低音扬声器。(2)在扬声器系统和电路配合上下功夫如YAMAHA公司推出的主动伺服技术系统(简称AST系统，后因商标注册问题改称YST系统)，它把扬声器系统和功率放大器的设计结合起来，形成一组理想的系统，可以在6L容积的小箱体中具有28～20000Hz的频率响应。(3)在音箱的结构上创新近年来在这方面做了许多研究，并出现了许多新颖而有效的超低音音箱结构，其中尤以带通滤波式超低音音箱获得了广泛的应用。2.常用超低音音箱（1）单开口声带通式超低音音箱单开口声带通式超低音音箱又称ASW(AcousticSuperWoofer)方式。