摘要:
本文述及扬声器产品开发的方法,即系统工程方法的运用.几十年来,有关工程技术人员 有意或无意地已有所采用. 本文采用 H.切斯纳特先生的一个较为狭义的对系统工程方法的 说法,“系统工程方法认为每个系统是一个集成了的整体,具备多变的,特定化了的结构及子 功能。它进一步认为一个系统具有多个目标, 目标参数之间的权衡根据系统到系统的不同使 用而大有差异。系统工程方法寻求整体系统功能的优化,以据权衡过的目标值,并在系统的 部件之间实现最大的兼容性” .本文是作者及作者的同行们的某种经验的一个小结.关键在于 系统工程方法思想的指导,其要点在于重要工具的使用及必备步骤.最后,认为系统工程方法 并不是要对试探法作绝对的排除.系统方法是理论和实验的综合。
关键词:扬声器 单元，系统，系统工程，系统工程方法，试探法，设计软件，测试软件，听 音试验，打样。
1. 前言:
本文中的扬声器,内容涉及电动式扬声器单元及系统[1].系统工程的含意较为复杂[2], 本文采用 H.切斯纳特先生的一个较为狭义的关于系统工程方法的说法,“系统工程方法认 为每个系统是一个集成了的整体,具备多变的,特定化了的结构及子功能。它进一步认为一个 系统具有多个目标, 目标参数之间的权衡根据系统到系统的不同使用而大有差异。系统工程 方法寻求整体系统功能的优化,依据权衡过的目标值,并在系统的部件之间实现最大的兼容 性 ”.系统这个词在扬声器发展史上已使用多年,系统工程方法在扬声器的开发上,已为有关 工程技术人员无意或有意地采用了多年.本文是作者及作者的同行们的某种心得和体会,也 是经验的一个小结。
2. 重要的回顾:
声学是个古老的学科，著作丰富，即使是电声学这样一个分支，一些著名的论著已在扬 声器开发上起到指导作用，如白瑞纳克“声学”，南京大学“声学基础”等那些名著已建立了的相当完备的理论基础。对于产品设计及开发的具体过程里的细节，基础理论著作也许在 操作性上显得不够。比如在 1960 年代,扬声器的设计及开发中，行业中的主要方法是试探法, 如何走向理论和实际相结合的系统综合法,从业人员一直在努力着.在计算机技术走向成熟 的 1990 年代以后，计算机设计软件及计算机测试系统的普及和运用及其他相关技术的成果 事实上在扬声器的开发上引发了一个外界不算很清楚的悄悄的革新，系统工程方法真正在创 造令人惊喜的效果。下面说明一些让我个人感觉深刻的事实。
1) 1965 年,北京第三研究所的倪诚策先生曾写出“50MM 电动式扬声器研制报告 ”,文中已 经列出扬声器单元的等效电路,该报告是笔者首次见到的中国工程师使用系统综合法的一次 尝试,可惜这篇报告,似乎没有公开发表。
2)A.N.THIELE 先生的著名论文"Loudspeakers in Vented Boxes,"[3],其译文发表于当年的 “通讯及电声 ”杂志（著名的“电声技术”杂志的前身）[4],R.H.SMALL 先生的系列论文，早在 1974 年就引起笔者及行业内一些技术人员的注意，部分文章在工厂内的内部刊物（如天津电声器材厂及南京无线电元件二厂）上刊出了中译文， 1980 年代，SMALL 先生的系列论文以编译或节译等形式在“电声技术 ”杂志上得以发表。按 照 A.N.THIELE 先生及 R.H.SMALL 系列论文的思路，笔者在其后的实际的产品开发中取得证 明及一些成功。笔者认为这两位先生的研究成果,简写为 TS 理论是扬声器系统设计方法真正 走向实用的里程碑,根据 TS 理论,扬声器系统的系统性能和部件参数间的数学关系已确立, 分析和计算所需要的部件参数可用电及力学的方法测得,使计算及分析成为可能. TS 理论是 T及S两位先生在前人研究工作的总结和提高,TS理论成为扬声器及系统的第一级近似模型, 也成为后来设计软件及测试系统中软件的数学基础.扬声器产品的开发从此走上了分析综合 的系统法的工程道路。
3)2004 年秋美国扬声器行业协会在东莞的技术交流会上（ALMA Symposium ），Patrick Turnmire 先生[5]作了“Closing the Engineering Gap Between Asian Suppliers and Western Customers ”全面而系统地讲述了扬声器产品开发的研制开发过程，重点介绍了计 算机设计软件及测试系统及扬声器听音的详情。作者认为这是一个相当实用而且操作性较好 的系统工程设计方法的一个范例。可惜的是该文未公开发表及出版。
4)2000 年以后的日子里，德国学者 KLIIPLE 先生总结了扬声器的非失真的机理,而且提出扬 声器的失真模型,是 THIELE 和SMALL 两位以后的有关扬声器的最重要的贡献，是第二级高阶 的近似模型.据此所开发出的计算机化的 KLIIPLE 测试系统[6]成为扬声器的高品质追求过 程中的有力工具.KLIPPEL 的扬声器单元的等效电路是 TS 所建立的线性系统上的一个最重要 的修正,其模型包含了失真的因数,这样,扬声器失真系数的设计及控制也走向了系统工程化。
5)中国南京大学声学研究所的教授们向来重视电声换能器的研究，重要的著作如“扬声器系 统 ”[7]及“扬声器系统的理论与应用 ”[8]等。文献[8]全面及系统地论述了THIELE 及 SMALL 两位先生的理论，其应用部分结合了一些开发实例,笔者认为那些实例是使用了系统工程方 法的极有启发的示范。
3.要点:
扬声器是放声系统内的一个组成部分,可以构成一个单独的部件或支系统.扬声器单元本身就是一个子系统,它由磁路,振动系统及辅助系统等子系统构成.扬声器单元再与障板或箱体或号筒等组成系统,因具备声波辐射的特性,因而构成扬声器系统,于是在声频电信号的驱动下,辐射出声音,成为包括声频电信号源在内的放声系统.放声系统可用于消费性,专业 或商用系统,根据其产品的使用,则可能成为更大系统的组成的子系统。
进一步,最终产品的 运用则可能和声环境乃至和人的听觉系统结合构成完整的从声频电信号到人的听觉的大系 统.这样,从整体性要求出发,扬声器的开发则期望扬声器需要满足符合系统要求的指标及特性。
另一方面,扬声器单元或扬声器系统的指标及特性将因其物理极限而在现实可行性上受 到限制.这个基本的矛盾特点在扬声器开发工作中贯穿始终.系统工程方法要求对扬声器给出合理的指标及特性要求(以及外形和结构特征),所以开 发过程的起点就是要对用户或市场需求进行必须的调研和讨论,需要确定量化了的指标及特性。
也就是说要对整个系统的目标值分析清楚.在确定指标和特性时,必须参考相关的国际和中国标准,如果有客户需求时,须确定使用标准,或至少订出供需双方认定的可能的指标书，
专利查找及分析
参考样品的分
成本计划及预算
认真考虑以上各个方面的因素. 接着就需要寻求整体系统功能的优化,不仅要在技术指 标的数值之间作平衡性的选择,而且在很多情况下,因成本因素,而不得不作必要的妥协和折衷.所以,所谓最终的样品未必是性能最佳而是性价比最好的一种，这是扬声器作为一种工业 产品的毕然结果，不可能是理想主义所想象的那样完美无缺。
4.开发中的重要工具及必备步骤：
开发实际上是个 PDCA 过程，即计划（Plan），执行（Do），检验（Check）和调整(Adjust) 这样一个循环过程。具体操作中最重要的是设计软件，测试系统的使用及听音等步骤。1)设计软件：关于设计软件，作者曾在“几种扬声器设计软件的评介 ”[9]述及,十年来的观 察说明,例如 LSPCAD，LEAP 及 LOUDSOFT 的一些软件已在行业内得到了广泛的使用.设计软件 其实是前人研究成果的一种综合,前人的成功的理论下所引用的算式在计算上太繁复而不方 便于使用,计算机技术的发展使得上述计算成为可能。
从 1990 年代以后,它们在产品研发上 所能起到的作用越来越受到关注.使用得当的设计软件,在开发时间,人力及物力的投入上均 有正向效果.关键是使用的条件及前提,所以软件的理想使用需要一定的声学及电子学知识以及计算机运用的基本技能.上述软件在扬声器系统的设计上较为成功。
1）而对于扬声器单元而言：
单元 TS 参数的确定 及磁路设计上,有关的设计软件也有成功的效果,比如 LSPCAD 涉及单元设计的部分以及 LOUDSOFT 的磁路设计软件。振膜设计的设计软件目前似乎还不够成功。
一些厂家还是以实验为主,虽然LOUDSOFT 的FINECONE在膜片设计上已经上市并受到关注,而更为适用的设计软件 仍然为人们所期盼.实际上,设计软件的发展呈现多种发展势态,例如号筒扬声器音头及号筒的设计软件 AJHorn [10].甚至线陈列扬声器的设计软件的可能已为某些公司所考虑[11],当然，由于线阵列扬声器设计软件涉及电路理论，声学理论及扬声器本身的局限等，通用型的设计软件的 实现的难度是非常地大。
另外，某些特定的扬声器需求让某些厂家开发出自用的电声设计软 件，如 NOKIA 在其手机腔体及适合的扬声器的设计上就备有自用手机的专用声学设计软件。
2)测试系统的运用：
扬声器的电声特性的测定从来就是开发中最重要的环节,传统上以消声室作场所并以可 以相信的电声测试系统（如 B&K 系统）的测试,是有效的,也得到公认。
时至今日,人们仍将其 视作最后标准的测试系统.另一方面,由于计算机技术的进展,等效的无消声室法的计算机系 统已在上世纪九十年代进入实用 [12].计算机测试系统的最大优点是无需高造价的大消声 室，一般的（有一定隔声隔振处理的）足够大的房间就可作为测试间,扬声器系统的低频频 响曲线的测试可用近场法.因其使用的方便及等效性，已为 IEC 标准接受.实际上 LMS, CLIO, MLSSA, KLIPPEL,SOUNDCHECK 等系统已在行业内得到广泛的运用。
对于扬声器厂来说,如上 所述的计算机测试系统足以适用于产品开发及质量控制的需求.传统意义上的大型消声室, 在声学测试上是有意义的,但是不必作为扬声器厂的标准设置,其实可在某个地区实现共享, 而不是每个厂一个大消声室,那样的追求不仅没有必要而且造成不必要的浪费。
3)扬声器听音试验：
传统的一种合理继承，要点如[13]中所述,本文不再赘述。
4)其它重要环节：
打样，样品得到客户或本公司市场部的认定，设计文件及工艺文件的拟制，修改及确定。 设计鉴定及生产鉴定的程序，这些均需要产品开发人员参加乃至担任主角。打样过程中的工 艺的细节。在系统工程方法指导下，各种实验也非常重要。实践证明，一个好的扬声器开发工程师，以上重要工具及步骤的掌握直接相关产品项目的进展和完成。
5.讨论:
1)系统法和试探法.斯莫尔先生（R.H.SMALL）说:“扬声器系统的设计习惯上是一个由经验指导的摸索过程， 选择一个看来差不多合适的扬声器单元，再试验各种助声箱设计直到系统的性能达到满意为止。与这一经验设计过程鲜明对照的是其它许多工程系统的综合法，这一方法起始于所需要 的系统的性能指标而终于系统部件的技术参数的直接获得。综合法需要工程师对系统性能和 部件参数间的关系具有精确的认识。 ”[1].多年来行业里的不少中小型企业因种种原因,偏向于试探法.也许试探法合于人们所偏 爱的探索精神,其实系统法本来就是科学探索的成果,从本质上讲,这两种方法均源于探索. 也许试探法的起动投入似乎不像系统法那样高,而在实际进程中,试探法所花费的时间往往 超过系统法所需要的时间。
有的工厂的状况是介于这两种之间，样品研究成为研发产品的起 点。从技术角度出发,系统法并不需要排除试探法,系统法的过程中,不仅要使用计算机软件。
而且测试及打样等实验性工作贯穿始终,系统法其实是一种理论和实验的综合.系统法实施 过程中,无疑可采用经验取得的成果,比如,单元的磁路设计,单元的结构设计,单元的振膜设 计,音箱结构等等的设计,往往不需要什麽经过计算机设计软件的设计就显而易得到的设计 方案,就可以直接采用而进入打样的进程。
2) 对扬声器给出合理的指标及特性要求.本来这是系统工程法的起点,然而真实的情况是,部分用户需求总是由模糊不清的词句开 始,如,音质要好,低音要深,中音要厚实,高音要明亮等等.这样,扬声器厂方面的产品研发人 员不得不跨出专业分工的范围,为了定单的获得,要将用户的模糊需求转化为性价比合适的 指标及特性要求,这部分工作量往往可能超过产品正常开发的工作量.而且,这部分的工作量 及成本往往消化在扬声器厂这一方。
3）材料的发展是未来产品的决定性因素之一。新材料的应用将可能给扬声器的开发带来进 展,往往不是理论所能预测的.所以在产品的实际开发过程中，具体的过程不可能是一成不变 的公式化的进程，将新的发现和有效的方法纳入系统工程的开发思路中是必要的。
4）折衷或者权衡这两个字在系统设计方法里起着关键性作用.其思路是服务于市场及客户的 需求,同时要在科学思路的指导下,按照经营规则,开发和生产出好的产品.5)扬声器产品的开发,在一个企业里不是独立进行,一是必然要在企业管理的框架内进行有 效的工作,二是必然需要取得市场部,供应部及其它相关部门的支持.关于领导及各部门的支 持其实是一个涉及管理科学的大系统工程的大问题.其中的关键仍然是要尊重科学,承认客 观条件的限制.那种以为单纯向研发部门下命令或下指示,就一定能开发出符合市场需求的 设想,确实是过高及可能不切实际的幻想。
参考文献:
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3. Thiele, A. Neville (1961). "Loudspeakers in Vented Boxes," Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Australia, 22(8), pp. 487-508. Reprinted in Journal of the Audio Engineering Society, 1971, 19(5 & 6), pp. 382-392 & 471-483.
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