● 辐射阻抗Zr包括辐射阻Rr与辐射抗Xr(Zr=Rr+jXr)——辐射阻(Rr)表示声源向介质辐射声能量的能力;辐射抗(Xr)代表“无功声能”,储存于近场中,而不辐射出去。
一般认为,辐射抗(Xr)为“质量抗”(Xm),即“附加辐射质量”(Mr)——实际上,辐射抗还包括“弹性抗”(Xe)——“质量抗”相当于感抗(XL),“弹性抗”相当于容抗(XC)。
扬声器声辐射属于“分布参数/并联共鸣”声学系统(恒流源)——声压Pa类比于电压U,体速度u类比于电流强度I,辐射阻抗Zr类比于电阻抗Z——辐射阻Rr与辐射抗Xr(Xm/Xe)并联,Pa相同。
Xr(Xm/Xe)↑,Pa↑, 相当于↑Rr(Pa=uRr)——则辐射声功率Wr↑(Wr=u2Rr/2),声辐射效率σr↑——Xr代表势能,Rr代表动能,势能可以转化为动能。
“质量抗”(Xm)与扬声器系统振动的“排气量”(V)成正比——“排气量”(V)与体速度(u)相关——V↑,则u↑,Wr↑(Wr=u2Za)。
“弹性抗”(Xe)与声阻抗(Za)/气压(P)成正比——声阻抗(Za)/气压(P)与声压(Pa)相关——Za/P↑,“空气弹簧”劲度↑,则Pa↑(Pa=uZa),Wr↑(Wr=uPa)。
● 传统电动式扬声器电声转换效率极低(1%左右)——而号筒式扬声器(Horn loudspeakers)效率高,最大可达40%,传播距离远——前者为直接辐射,后者为间接辐射。
辐射阻抗Zr↑,则声波辐射Rr/Wr/σr↑——扬声器系统Xm(Mr)↑,则“排气量”(V)↑,可以推动更多的空气振动——这便是间接辐射式扬声器效率高的主要原因。
当声波波长与扬声器振膜尺寸相当时(Ka=1)——Rr=max,Xr=0。该频率可用fc(临界频率)表示,fc以上偏轴辐射功率Wr↓(指向性↓)——采用小口径扬声器可以↑fc,↑指向性。
当f≥fc时——间接辐射式扬声器的附加辐射抗有利于↑Xr(Xm/Xe),增加声压Pa,↑声辐射效率/指向性。
“号筒”即截面积逐渐变化的声管,实质上号筒式扬声器就是通过↑Xr(Xm/Xe)而↑Pa/Wr——但由于其换能器(音头)一般为球顶扬声器,本身fo大——故低频响应/指向性差,一般只用于中高频单元。
● “直接辐射式”扬声器振动产生的声波,在离开振膜后迅速向四周空间发散——声压随声波传播很快衰减——扬声器周围声压小,所以其电声转换效率低。
号筒相当于“声聚能管”——具有声能聚集作用,可以↑Xr(Xm/Xe)——增加声压Pa,将势能转化为动能。
“蓄水池效应”(Xr)——通过综合调节“水量”(Xm)/“水压”(Xe),近场保持高声压状态——使扬声器的振动能量源源不断高效地转化为辐射声能。
“声学功率放大器”——“声聚能管”可以增加辐射声功率Wr,号筒式扬声器一般效率为5-20%——相对于电子系统功率放大器,更“绿色低碳/节能”。
● 从“2D”到“3D”——相对于直接辐射式扬声器“单薄”的声音,间接辐射式扬声器声场(Sound stage)的深度/层次↑,声像的立体感↑——让声音有一种“厚度”。
吹气如兰——间接辐射式扬声器(LXLS)空气感如乐器般真实/鲜活, 结像力/质感/临场感↑,仿佛吹笛者就在面前——“给声音以形状/若兰花”。
更适于表现“人声”——实际上人的发声系统就是一件完美的管乐器(胸腔共鸣/口腔共鸣等)——间接辐射式扬声器的声音虽然略为“夸张”(解析力/声染色↑),但如同舞台剧,更有感染力。
直接辐射式扬声器的小信号声波容易被空气“阻尼掉”,失真↑——间接辐射式扬声器模糊/暗淡的细节则被“放大”,变得清楚/鲜明,故其解析力/灵敏度/动态范围↑——很多监听音箱都采用号筒式扬声器。
Zr↑/Wr↑(势能→动能),则因传播距离增加/空气阻尼作用导致的失真↓——故间接辐射式扬声器传播距离远,声能衰减慢,抗环境噪声干扰能力好——更适于PA音响。
“扬声器中的胆机”——声音经过“酝酿”,变得醇厚/“筋道”(有弹性),余音缭绕(有韵味)。虽然声染色↑,但更动听,类似于“胆机”——与电子管功放配合,相得益彰(效率/音色)。
相同声压——间接辐射式扬声器由于效率高,换能器(音头)振膜的振幅更小,故其失真小——声音宽松自然。
● “后加载号筒音箱”——又称“折叠等宽号筒箱”,实质为“传输线型+号角式音箱”,一般采用等宽指数型号筒——前加载式号筒低频系统一般用于电影院/体育馆等PA音响。
“地面增压式低音箱”——利用“镜像原理”(同相球源),地面相当于“刚性壁”(障板),使声压加倍——实质上是“↑Xe→Pa↑→Wr↑”。
● 一般认为,号筒式扬声器喉部d↓/P↑/v↓,口部d↑/P↓/v↑——但是号筒气流速度(包括驻波共振时)远小于声速,属于“不可压缩流体”(Ma<0.3)——则喉部d↓,P↓/v↑;口部d↑,P↑/v↓(伯努利方程)。
这种观点实际上是混淆了两个过程——号筒式扬声器产生“驻波共振”时,口部P↓/v↑,即Pa↓/u↑(波腹)——而大多数情况下无“驻波共振”时,则是口部P↑/v↓。
有人认为号筒式扬声器在中低频段会形成“耦合振动”——喉部S↓/P↑,口部S↑/P↓(S1P1=S2P2)——但只有封闭管(如听诊器)才会形成之,号筒式扬声器并非封闭管。
按其理论推理——号筒式扬声器喉部d↓/P↑/v↓,口部d↑/P↓/v↑,为“可压缩流体”(Ma>0.3),这并不符合实际——而“耦合振动”Za↑,P↑/v↓——这显然是矛盾。
“耦合振动”——实际上封闭管中空气并非“流体”,而号筒式扬声器中空气是流动的(v≠0)——故号筒式扬声器并不会形成“耦合振动”。
静态地看(气体绝热过程的“物态方程”)——体积小则压强大(d↓/P↑);但是动态地(v≠0)看却相反——体积小则压强小(d↓/P↓)。
传统号筒理论认为——号筒式扬声器(尤其是指数形号筒)内声波接近平面波,为“纯阻性”(Rr=max/Xr=min/Zr=Z0=ρ0c0)——而“耦合振动”可以视为“纯抗性”(Za=max/Xr=max/Rr=min)。
采用流体力学理论,可以更准确地诠释号筒式扬声器——喉部d↓/Pa↓/u↑;口部d↑Pa↑/u↓——故号筒式扬声器具有“声压放大”的作用(增压管)。
口部d↑/Pa↑/u↓——故指数线形/双曲线形号筒比圆锥形号筒低频段声压级SPL大,低频响应好——喉部P↓,则更容易驱动(Za↓);v↑,则换能器振膜瞬态响应↑。
● 号筒式扬声器设计其实是借鉴(因循)管乐器,扬声器与管乐器虽然有相通之处,气流速度都小于声速(Ma<0.3)——但其原理/适用范围不同。
管乐器(如唢呐)吹口端d↓——声压Pa(与气压P成正比)↓,体速度u↑(与气流速度v成正比)——则声阻抗Za↓(Za=Pa/u),故更容易吹奏。
开口端d↑,Pa↑/u↓/Za↑——声导纳Ya↓,则声能不易传导至周围介质空气中。只有形成“驻波共振”(λ/2)时——开口端Pa↓(min)/u↑(max),Za↓/Ya↑,才更容易辐射声波。
与管乐器不同——扬声器设计不必考虑吹奏难易问题,号筒式扬声器并非以驻波共振为主。
指数线形/双曲线形号筒临界频率fc=mc/4π(m蜿蜒指数/c声速 )——f=fc时,Xr=0(无声辐射)——↓fc可以↑低频响应;↓m可↓fc。
●“号筒”会产生“驻波共振”(λ/4或λ/2空气柱驻波)——会导致“声染色”,声音“发瓮”——使某些频率的声压级SPL↑,频响曲线不平坦。
喧宾夺主——扬声器毕竟不同于管乐器,管乐器主要靠驻波共振(λ/4或λ/2)发声,扬声器则靠振膜振动发声——驻波共振处理不当会使音质劣化,“前室效应”即驻波共振(λ/4)。
从这种意义上,号筒式扬声器并不“Hi-Fi”——上世纪六七十年代流行的“大喇叭”虽然效率高,但音质差——“号筒”不适于全频带扬声器(如折叠式号筒式扬声器)。
“共振频带”——驻波共振(λ/4)可以产生一系列谐波共振频率(fop/3fop/5fop/7fop…)——对于音质/音色/听感都有一定影响,而奇次谐波可使声音“冷硬”。
“号筒”驻波共振——出现在200-600Hz,可以提升力度感;150-500Hz可增加语音丰满度——330Hz可产生“浴室效应”(嗡嗡声);700Hz会出现号筒式扬声器的“喇叭声”; 800Hz会产生“喉音”/嘈杂感(危险频率)。
1-2kHz可产生“电话音质”(刮铁皮声);2-4kHz会掩蔽“唇音”,↓语音清晰度——2500Hz会使声音“发扁”;3-4kHz(尤其3400Hz)易导致听觉疲劳—— 6-8kHz“齿音”严重; 12-16kHz“毛刺感”↑(尖噪/刺耳)。
“号筒”用于高频单元(fc≥6kHz)——由于分频点fc一般大于最低共振频率fop,可以避免驻波共振(低次谐波)对音质的影响——高次谐波能量逐渐减弱,影响降低。
“号筒”用于中频系统(600-6000Hz)时,“声染色”严重,易导致的音质劣化,使声音沉闷/混浊——而号筒式扬声器(二分频)分频点fc一般为750-2500Hz——这意味着大部分驻波共振导致的声染色都无法避免。
“号筒”用于低频系统,则可以扬长避短——避免驻波共振(高次谐波)对音质的影响——处理得当可提升低频响应,反而相得益彰。
● 一般认为——圆锥管/球形管内为球面波,圆柱管/指数线形管内为平面波,双曲线形管内为平面波逐渐弯曲——球面波具有“开管”性质,产生“λ/2驻波共振”;平面波具有“闭管”性质,产生“λ/4驻波共振”。
“λ/4驻波共振”可以产生奇次谐波,而“λ/2驻波共振”可以产生奇次谐波/偶次谐波——奇次谐波声音偏“冷硬”,偶次谐波则温暖柔和——这或许就是球形管号筒扬声器(Avantgarde)音色迷人的主要原因。
一般扬声器为膜振动/板振动,主要产生“间谐波”(谐波频率为基波频率的非整数倍)——而号筒式扬声器同管乐器一样——空气柱振动产生奇次谐波/偶次谐波(谐波频率为基波频率的整数倍)。
无论偶次谐波还是奇次谐波,和谐性都优于“间谐波”——故号筒式扬声器的空气柱驻波共振对于扬声器膜振动/板振动的声音,有一种“优化”的作用——可以使其更和谐动听。
故号筒驻波共振及其高次谐波虽然会产生声染色——但处理得当,就可以“化腐朽为神奇”(类似于胆机)——奇次谐波的能量随谐波次数增加而逐渐减小,可以获得排箫般空灵清新的音色。
有图版请浏览——
http://wenku.baidu.com/album/view/1a164f3e0912a21614792977.html
这里是声学楼
微信号:acousticsblock

