分频音箱功率驱动有趣味的二三事

分频音箱功率驱动有趣味的二三事

摘要:分频音箱从它“诞生”在中国开始,就有两种不同思考方法,一种是“幅度”思路,一种是“相位”思路。要认真考察,这两种思路都有国外大音响公司或大名牌公司背景。争论的结果,由于“幅度”可操作性强,相关仪器配套。最终大家“认可”了“幅度”思路,逐步淡化甚至忘却了“相位”思路。

分频音箱从它“诞生”在中国开始,就有两种不同思考方法,一种是“幅度”思路,一种是“相位”思路。要认真考察,这两种思路都有国外大音响公司或大名牌公司背景。争论的结果,由于“幅度”可操作性强,相关仪器配套。最终大家“认可”了“幅度”思路,逐步淡化甚至忘却了“相位”思路。这也是国内绝大多数音响企业都只注重测量分频音箱的声频幅特性,声非线性失真,声灵敏度,声最大声压级,声指向性等声性能指标。查找相关标准,没有和相位相关的要求,

事实上,在音箱外,在空间,在频域上测量相关相位特性,是相当困难的。本文不是探讨这个问题,本文开宗明义“分频音箱功率驱动有趣味的二三事”。以两分频无源音箱为例,一台功放,通过分频器,驱动高低两个单元发声,这是司空见惯的例子。下面要讨论的有趣事,对于一个单元的“全频”音箱,或通过“全频”单元驱动端,串一个几微法无极电解电容,接到两吋以下口径的小高音,组成所谓的分频音箱,不在讨论之列,也不需要讨论。因为这类“全频”或“准全频”音箱,不存在“相位频响”问题。

 同样,相位频响参数,在国产专业音箱参数标准中也没有,但是这个参数指标,明显影响两分频音箱音质,中高音清晰度,特别在中小音量时。

这个相位频响指标在欧洲音响企业专业音箱宣传海报出现过,这款箱其它指标和国产专业音箱一样。所不同的增加了相位响应。

这里指的分频音箱相位响应,是指驱动分频音箱高音和低音的电信号之间的相位关系。同一信号源信号到分频音箱高音和低音单元驱动端,不论是电子分频,还是功率分频,理想的情况是高音和低音驱动的电信号在频域有效频率范围内相位曲线形状一致,(或差180度,)相位差为零。(高音单元反接)

图1所示一款国产电子分频有源音箱电路仿真结果:高音单元相位曲线,(绿)低音单元相位曲线,(红)它们间的相位差(蓝)

图1

可以看出这两条相位曲线,除了100Hz以下20kHz以上,这中间一长段,几乎是重合的。也是通过仿真,从它们的增益曲线,可看出相位差需要的有效频率范围

 图2

从图2增益曲线可看出电子滤波器,不管高通,还是低通,都是4阶的。这款音箱分频点2kHz,向上,向下各两个倍频程,衰减达48dB,已足够了。500Hz-8000Hz就是相位差有效频率范围。以这个要求,看图1,在500Hz-8000Hz这个范围内相位差几乎为零。

本文重点要讨论的是用分频器的分频音箱。先看一个功率分频例子。这是一款丹麦产,世界名牌无源分频音箱,功放驱动分频器,加在两个单元驱动端子上

图3

图3是电路仿真结果:高音单元相位曲线,(绿)低音单元相位曲线,(红)它们间的相位差。(蓝)从图中可看出两条相位曲线只在中低频范围保持180度,频率升高两曲线走近,相位差曲线有起伏。这就是功率分频对相位响应相位差要求,不能为零,只在有效频率范围内要求±45度或±30度,而不能更好。从图4可看出增益曲线,高通通滤波和低通滤波器,都是2阶的,为了足够的衰减,至少从分频点上下各3个倍频程,衰减36dB,作为有效频率范围。

本例,2kHz分频点,有效频率范围是250Hz-16kHz。这款丹麦产音箱相位差,按±45度要求,可做到20Hz-20kHz,按±30度要求,可做到20Hz-16kHz,应该是很不错的。考核音箱最关键的一环是主观听音,这款箱在国内外广大听众中,口碑非常好。

图4

国产无源分频专业音箱,按“常规标准”要求合格的,再考核相位差,按±45度要求,合格的不多,见图5。这是有历史原因的。按现行标准,它们是合格的。另外人们关注的是大声压级特性,满足“响”的感受。的确,很多这类箱,在“响”字上下足了功夫,而相位差在分频点以下频率,表现不错,客观上符合“响”字要求,再加上无趁手的仪器,“AP”只能点测相位差,一来二往,人们就不在关心相位问题了。

2017年初,一个机会我有幸给相关企业研发专利性质的有源分频书架音箱。音箱的电声指标,除上述的频幅特性,非线性失真,灵敏度,最大声压级,指向性等外,增加了一个被我们忽视的然而对听音非常重要的指标,相位频响。我在试制过程中,相位差仅在分频点附近很小,每次听音,均被否定,“声音不到位”。当试制到相位差在有效频率范围内都很小,近于零时,一次听音,就被充分肯定,“声音完全到位”。按这规律和要求做了几对正样箱,拿到全国各地听,请“金耳朵”到河源听,均受到好评。为了保证专利音箱研发生产相位差一致性,我和中科声学嘉兴工程中心联合研发生产了带相位,相位差测量的功放测试仪。这个扫频测量相位差的功能,目前在国内尚属首次,测量精度,和只能单点测量的AP一样。用这种仪器监控,前后生产两批约110台,每台都有原始记录。在适合大批量生产元器件精度要求下,在确保产品可靠稳定,每台产品相位差均控制在±15度。

这个已申报专利的技术所做的产品性能见图1和图2.

回头看无源分频音箱,下例就是除了相位差不合格,指标都合格。

 图5

图6

 图7

图5图6图7.所代表的专业两分频音箱,是市场应用最多的一款。从图6增益曲线可看出分频器都是两阶的,电声指标都不错,但客户反映音质不好,高音不真实。

从仿真看相位差不合格,特别在分频点以上2kHz-8kHz这一段,严重不合格,对音质影响很大。

对原路改进,按巴特沃斯2阶滤波器参数设置,并进行移相补偿。按±45度要求,相位频响可做到20Hz-17.5kHz。按±30度要求,相位频响也可做到20Hz-12kHz。仿真结果见图8

图8

从这个例子可看出,导入相位频响这个考核指标,能给声学工程师无后顾之忧的展现才能,做出顶级分频音箱。我们认真对待音箱驱动,把相位差做到位,才算做好电子工程师应做的基础工作。

 

                      祁家堃  2019/10/19

作者简介

祁家堃,高级工程师,中国电子学会声频工程分会委员,中国声学学会声频工程分会委员,广东省电子行业协会音视频专业委员会专家组成员。1941年出生。1964年,华中师范学院物理系本科毕业。从1964年到2001年,在武汉无线电厂,武汉无线电五厂,长期从事广播,电视,通信,音响产品的开发设计及管理工作。2001年,在武汉无线电厂退休。退休后第一个10年主要在广州锐丰音响公司,广东钟神音响公司做顾问,从事各类音响产品研发质量管理工作。第二个10年主要在河源天裕电子塑胶有限公司,嘉兴中科声学科技有限公司做顾问,从事电子产品研发及质量管理工作。