音箱的设计与制作

分频器是一种可以将声音信号分成若干个频段的音响设备。我们知道，声音的频率范围是在20Hz—20kHz之间，祈望仅使用一只扬声器就能够保证放送、20Hz—20kHz这样宽频率的声音是很难做到的，因为这会在技术上存在各种各样的问题和困难。所以，在通常情况下，高质量的放音系统，为了保证再现声音的频率响应和频带宽度，在专业范畴内大都采用高低音分离式音箱放音，而采用高低音分离式音箱放送声音时，就必然要使用分频器。 

    高低音分离式音箱使用分频器的原因

    所谓高低音分离式音箱是指声音的高频部分由一只高音扬声器放音，低频部分则由一只低音扬声器放音的音箱，而不是由一只扬声器完成整个音频频段放音的任务。在专业音箱中，高音单元一般为号角式扬声器，低音单元则有直射式和气流式等多种形式。不管是内分频还是外分频，高低音分离式音箱都要采用分频放音的方案，其主要原因有以下3个方面。

    1．使各种扬声器都工作在最合适的音频段

    振膜尺寸和材料不同的扬声器，其最佳工作频带也不同。口径越大的扬声器，则低频特性就越好。所以，在其他条件相同时情况下，18英寸的低音效果肯定优于15英寸的低音效果就是这个道理。

    振膜材料的刚性和脆度越好、质量越轻，放音的高频特性就越好。很多高音扬声器采用钛膜或铟膜作为振膜材料，就是为了提高其高频特性；而低音扬声器的振膜一般采用纸、碳纤维、防弹布和橡皮(边)等材料，以利于低音再现。

    使用分频器可以将高频信号送到高音扬声器中，低频信号送到低音扬声器中，高、低频信号各行其道，尽可能大地利用了各自扬声器的工作频带优势，以保证不同工作频段的扬声器充分发挥作用，使各频率的放音特性更加均衡一致。

    2。克服不同频率声音扬声器振膜振动幅度不同所引起的切割失真

    扬声器发音时，其振摸的低音振动幅度大、高音振动幅度小。从理论上讲，扬声器纸盆的振动幅度与再现声音频率的平方成反比，即同一扬声器振膜，在相同幅度的信号电压作用下，频率越低，振幅越大，也就是说，如果频率增加10倍，振幅将减少10的平方倍，即100倍。

    如果我们用一只扬声器产生很宽频率范围的声音，由于振膜机械性能的限制，同时存在振幅非常宽的振动变化是非常困难的，这就必将发生声音切割失真的现象，使再现声音质量受到一定影响。

    研究发现，切割失真对低音的影响最大，当低音扬声器放送低音的同时，只要还有高音成分存在，就必然会导致切割失真，使低音出现发抖、发颤的现象。当然，高音扬声器出现切割失真也会使高音出现嘶哑的声音，只是影响没有低音大而已。 
   
    3．减少同一音箱中的不同扬声器之间产生的声音干涉现象

    对于高、低音分离式音箱中的高音扬声器和低音扬声器来说，虽然它们的工作频段不同，但是如果将全频信号不加分频地送人高音扬声器和低音扬声器，肯定会出现高、低音扬声器同时发出相同声音的情况，当不同扬声器的相同声音相遇时，就很可能产生声波互相干涉现象。

    有一点声学常识的人都知道，一旦出现声音干涉现象，就会出现梳状滤波效应、驻波等一系列问题，这些问题均会不同程度地影响声音的良好再现。

    设置分频电路后，高音和低音扬声器分别获得自己最佳工作频段声音信号，它们之间发出声音的频率范围几乎不覆盖，除音箱分频点和分频交叉区域还会存在少量干涉外，其余频率声音的干涉现象根本就不再存在了。

    分频点和分频交叉区域会存在声音干涉现象的原因很简单，由于分频器的分频衰减率不可能做得无穷大，在分频交叉区域，尤其是在分频点，高音扬声器和低音扬声器会同时存在对方频段的声音，这时出现声音干涉现象在所难免。所以说，分频器的分频衰减率做得越高，分频交叉区域就越小，扬声器问的声音干涉就越小。

    分频器的分类

    分频器有两大类：一类是被动分频器(PassiVe  Crossover)，亦称功率分频器；另一类是主动分频器(AcTIve Crossover)，亦称电子分频器。

    1、被动分频器

    被动分频器是一种音箱内置分频器，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。

    被动分频的优点是：首先，结构简单、成本低，与音安装在一起，毋需调整，使用方便；其次，在系统连接方面较为容易，只要给功放输入全频信号，将功放与音箱连接在一起就可以实现全频放音；第三，需要的功率放大器少，一般一台功放可以带两只全频被动分频音箱，故系统成本较低。

    被动分频的不足是：首先，分频网络要承担加到扬声器上的很大功率和电流，所以要用较大体积的电感，而且由于电感的参数与扬声器阻抗有着直接关系，而扬声器的阻抗又是频率的函数，与标称值偏离较大，因此误差较大，计算较难；其次，功率放大器输出的功率音频信号通过电容和电感滤波器后，必然会由于电容和电感的非线性而造成失真，声音失真再所难免；第三，从功放输出的音频功率信号，每经过一个电容和电感器件都会造成功率信号的损失，所以被动分频的功率信号损失较大；最后，分频衰减率不能做得太高，一般最大12dB／倍频程，分频交叉区域的干扰偏大，这是因为被动分频器提高分频衰减率的途径是增加电容器或电感器，也就是滤波阶数，但是增加电容器或电感器的个数，就意味着随之增加信号失真和功率损失，提高分频衰减率的结果是带来了其他更多的问题。

    顾名思义，被动分频是一种“无奈”：的分频方式，功放输出的全频功率信号不得不要分频，不分频就会导致一系列问题，故只能被迫将功率信号分频处理。民用音箱为了降低系统成本，全部采用被动分频方式。专业音箱由于与民用音箱在要求、听音主体以及使用人员等方面存在着很大的不同，故除了被动分频方式音箱外，还有主动分频方式音箱。

    2．主动分频器

    主动分频器是一种将全频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。

    被动分频的音箱的各扬声器单元均设有自己的功率信号接口，有些高、低音分离式音箱可以有主动分频和被动分频两种连接方式，这类音箱的背后都设有主动分频(AcTIve)与被动分频(Passive)转换开关，有些音箱上的这种转换开关还装有锁定机构，避免发生误拨动情况。当采用主动分频方式时，一定要将分频方式转换开关拨到“AcTIve”一边，将高音功放接高音(Hi2h)输入、低音功放接低音(Low)输入。

    主动分频的优点很多，一是由于采用弱信号电子线路信号进行分频处理，故声音信号损失小、失真小，再现音质好；二是分频衰减率可以较被动分频做得更高，达到24dB／倍频程很容易，分频交叉区域较被动分频小得多，分频交叉区域中的高、低音单元声音之间的干扰基本上被克服了；三是可调性好，电声指标高。

    主动分频的不足没有一条是涉及音质方面的，其主要问题在于：一是成本高，投资大。由于主动分频方式高、低音每路分别要用独立的功率放大器，故使用功率放大器多，如一对二分配音箱要用两只功放推动；二是增加一台电子分频器，这就使得在连接和调整方面增加使用难度。    

    分频器的使用

    前面已经介绍了，分频器有主动分频和被动分频两类。被动分频器固定安装在音箱内部，并不需要音响师对它进行调整，而主动分频方式则存在着电子分频器的正确使用、合理连接以及调整等多方面的问题，所以本文仅对主动分频器在使用中应该注意的几个主要问题加以讨论。

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    1．面板与功能键

    电子分频器的正面板如图1所示，下面介绍各个功能键、钮和接口的作用。

    (1)INPUTGAIN    ．

    输入增益。输入信号电平调节，一般放在肋B位置。

    (2)LF DELAY

    低音延时。对低音进行O—2ms(最大60cm)延时。

    (3)LF/HF GAIN

    低频／高频增益。对低频频段、高频频段的电平进行调节。

    (4)MUTE

    哑音。阻断某频段的信号。

    (5)x-0VER PREQ

    分频频率(分频点)。二分频时，只有一个分频点；三分频时，有两个分频点。 

    (6)RANGE  

    频率范围—o分频频率范围在90—900Hz或900Hz—9kHz之间选择。 

    (7)MODE

    分频方式。双声道二分频或单声道三分频选择。

    (8)MONO BASS

    单声低音。在双声道立体声方式中，可以选择单声低音输出。

    (9)CD EQ

    恒定指向号角均衡。在使用恒定指向号角(美国EV公司的专利)的情况下，可以使高频段特性更好。

    (10)LIMITER

    限制钮。输出信号增益限制调节，用于限制过强信号，保护功放音箱。

    (11)THRESHOLD

   阈值选择键。选择限制阈值范围，有-6dB和+18dBu两种选择。

    电子分频器的背面板一般以各种接口为主，如图2所示，下面介绍各个接口和功能键的作用。

   (12)FUSE

    保险及电源插座。

    (13)SERIAL NUMBER

    产品系列号码。

   (14)HIGH/MID/LOW OUTPUT

    高频／中频／低频输出接口。双声道二分频输出时，按接口上面的频段指示输出高频和低频：单声道三分频时，按接口下面的频段指示输出高频、中频和低频。

   (15)POLARITY

    极性(相位)键。用此键可以进行反相调节。

   (16)INPUT

    信号输入接口。从此接口输入全频信号，单声道三分频方式时，从左声道输入信号。

    2．分频的几种典型连接方式

    对于不同要求的扩声系统，电子分频器的连接方式也有所不同，在实际应用中，具体选择哪种连接方式，应视不同情况而定。

    (1)高／低二分频式

    高低音二分频的连接方式如图3所示。高低音分离式主动分频音箱一般用于大中型放音场所，高音功放和低音功放的功率配比在3：7或4：6之间。

    (2)高／中／低三分频式

    高中低三分频的连接方式如图4所示。高中低音分离式主动分频音箱一般用于大型放音场所，高音功放、中音功放和低音功放的功率配比大致为2：3：5。

    (3)全频／超低式

    全频／超低方式在连接方面比其他分频方式连接简单得多，其全频通道的连接与非主动分频方式完全一样，从调音台左右声道(主输出)输出信号给扩声系统主通道，主通道周边设备的连接顺序和方法与一般扩声系统主通道的连接方法和顺序无异，只是从调音台的编组输出再送出一个信号接到分频器(全频／超低处理器)，从分频器(全频／超低处理器)低频(超低)输出接口送出超低信号给超低功放和音箱，此时分频器的分频点一般设在100Hz以下，如图5所示。

    除了以上连接方法外，还有一种直接用全频／超低处理器连接成全频超低系统的方法，如图6所示。

    依笔者看。第一种连接方法优于第二种连接方法，下面分析一下全频／超低连接方案独有的优点，从分析中可以知道到底两种连接方法哪种较佳。

    全频／超低系统是目前应用较为广泛的系统，它从几方面解决了扩声系统经常会遇到的问题。

    首先，解决了人声与音乐兼容放音的问题。大家知道，人声的基频下限频率大约在130Hz，如果人声中的低音成分太多，将会导致声音浑浊，直接影响语言清晰度和可懂度，所以放送人声时，一般应适当切除低音成分，以保证听音者能够听得清楚语言和演唱内容；而音乐的低音下限频率可以达到20Hz，如果音乐中低音成分不足，会造成低音的丰满度不够。当一个系统目p要放送人声又要放送音乐时，就会在低音方面出现矛盾，采用全频超低方案就可以解决这个矛盾。放送人声时，可以用调音台将编组输出推子拉下来，超低频就没有了；放送音乐时，将编组推子推起来，超低频与全频同时存在，，适当调节全频与超低频之间的比例，就可以获得满意的音乐效果。由此看来，图5所示连接方案在调控方面确有优势。    

    其次，在一定程度上解决了被动分频效率低的问题。全频超低系统的超低部分采用主动分频方式，由于超低频率占整个声音能量的一半以上，有时甚至可以达到70％以上，将全频声音中的超低频部分采用主动分频处理，就意味着一半以上的声音能量，效率得到提高，高音部分即使采用被动分频后会有所损失，也无妨大局。

    有些人用均衡器代替分频器，将均衡器接在超低通道上，均衡器的100Hz以上衰减，认为这样做完全可以取代分频器。其实这种连接的低音效果肯定不好，这是因为，即使用均衡器将高音部分衰减到底部，也只是将高音衰减了12dB，仍有一部分高频成分通过均衡器而送到功放，而分频器是一种低通滤波器，声音的高频部分根本无法通过。从均衡器泄露的高音成分经过功放放大后送到低音扬声器，如前所述，低音扬声器中一旦存在高音成分，必然会导致切割失真，致使低音颤抖、效果变差。

    第三，主动分频方式超低音的效果好，可调性强。超低系统采用主动分频方式不仅提高了低音的传输效率，还使低音的失真减到最小，低音更加丰厚、深沉。由于超低与全频的比例可以按照实际需要任意调整，低音与全频部分的衔接也能够由音响师控制，低音效果发挥的余地很大，声音的可调性进一步提高。

     3．电子分频器的调节和使用注意事项

    电子分频器的面板与功能键前面已做介绍，但是仅对功能键有所了解并不见得就能够调整好分频器，下面就分频器在调整中会遇到的主要问题加以讨论。

    (1)分频点的确定

    分频点是分频器高通、带通和低通滤波器之间的分界点，常用频率来表示，单位为Hz。分频频率应根据各频段扬声器单元或音箱的频率特性和功率分配来具体确定，音箱在出厂时，厂家会标定各扬声器单元的工作频段和分频参考频率，一般来说，应该按照厂家要求确定分频点。

    但是，音响师们在使用中经常会遇到这样的问题，由于说明书丢失而无法知道某音箱的分频点参数，这就需要根据人耳听音评价结果调整分频点。调整分频点时应仔细聆听各扬声器单元声音的衔接情况，调到分频交叉频段没有空白的状态就可以了。

    全频超低的超低音箱的分频点一般调到100Hz，分频点太高会出现声音的切割失真现象。大家不妨做个试验，将分频点提到500Hz，低音听起来肯定会有抖动感，这就是切割失真。

    (2)分频段增益

    各频段声音由于扬声器的灵敏度、功放的功率配比等问题，肯定会出现某频段声音偏强、某频段声音偏弱阶情况，此时就需要对分频器的分频段增益进行调整。

    在大多数情况下，应将过强频段声音进行衰减处理，以避免对某频段提升后由于信号过强而烧毁该频段功放或扬声器单元。大家会发现，很多生产厂家将分频器的分频段增益设计为只衰减不提升的形式(如DOD分频器)，即提到最大位置时为0dB(不提升也不衰减)，衰减到最小位置时为负无穷，就是为了避免由于信号提升而造成设备损坏。
    (3)其他调整

    分频器上还有许多其他的功能键，这些功能键的作用往往不为人们所重视，实际上，将它们调到正确状态，肯定能进一步改善声音效果。

    (a)LF DELAY(低音延时) 

    高低音分离式音箱如图7所示。在高低音分离式音箱中，由于高低音扬声器单元均安装在音箱正面平面上。而高音一般为号角，发音点靠后；低音为锥形纸盆扬声器，发音点靠前，音箱放送声音时，肯定会出现低音先到达听音者、高音后到达听音者的情况。如果出现低音先到情况，由于人耳听音的先人为主效应，人们会感觉低音超前、发闷或者声音清晰度不够的问题；如果对低音进行适当延时，就能够解决这个问题。

    (b)MONo BASS(单声低音)

    低音是选择单声方式好还是选择立体声方式好呢?依笔者看，在条件允许的前提下，应尽可能将低音做成立体声的效果，其原因有三：

    一是音乐低音并不是单声而是立体声，所以为了再现一个真正的立体声低音，应该采用立体声低音系统放音；

    二是过去的观点认为低音没有指向性，但是现代音箱已经能够具有一定的指向性了，因此其空间位置的不同当然会为人们所觉察；

    三是根据生理声学理论，人对低音是存在定位感的，低音定位主要依靠左右耳的相位差(时间差)，故立体声低音与单声低音对于听音者来说感受肯定不同。

    (c)POLARITY(极性或相位)键

    几乎所有的分频器均有这类按键，只是字母标识有Inv、out Phase和等多种罢了，此键用于输出信号的相位调节。音箱存在反相情况时，应该按下该键。如果想要了解音响系统反相情况对再现声音的影响以及判别反相的方法。
参考链接：http://www.picavr.com/news/2008-03/4438.htm