SoundBar音箱超低音揚聲器系統(tǒng)中低頻響應調諧與電路結合

劉濤

摘 要：本文表述了Sound Bar音箱超低音揚聲器系統(tǒng)設計當中，高通濾波器，低頻提升等電路的帶入對揚聲器系統(tǒng)頻響以及瞬態(tài)，單元的振幅的影響。并說明這些電路的帶入給超低音揚聲器系統(tǒng)帶來優(yōu)缺點。

關鍵詞：超低音；低頻響應；振幅；瞬態(tài)；濾波器

揚聲器系統(tǒng)：由一個或幾個揚聲器和相應的附件如箱體、號筒、分頻網(wǎng)絡等組成，作為驅動電路和周圍空氣耦合的設備。揚聲器系統(tǒng)的目的是獲得所需聲壓頻率特性，聲場分布及特殊聲效果等。

超低音揚聲器系統(tǒng)是指由一只或多只揚聲器單元組成的，重放不超過120Hz以上頻率的揚聲器系統(tǒng)。超低音揚聲器系統(tǒng)按照驅動方式分為：有源超低音系統(tǒng)（ active sub- woofer）以及無源超低音系統(tǒng)（ passive sub- woofer）。

隨著多媒體技術的發(fā)展，越來越多的音頻重放場合使用到了超低音揚聲器系統(tǒng)，現(xiàn)有市場銷售的揚聲器系統(tǒng)當中，數(shù)字多媒體電腦音箱，家庭影院音箱，專業(yè)場館演出音箱都配備了超低音揚聲器音箱來組成一個完整的多聲道重放揚聲器系統(tǒng)。使用場合的不同，對于設計的側重點會略有差異。

本文將以Sound Bar家庭影院揚聲器系統(tǒng)中的式有源超低音為主要說明對象。現(xiàn)有市場上，絕大部分的超低音揚聲器系統(tǒng)都是采用倒相箱設計，所以本文論述的低頻響應調諧均是以倒相箱為基礎。

調諧就是指把特定的音箱尺寸和調諧特性相結合，從而產(chǎn)生平坦或者不平坦頻率響應的一個調整的過程和動作。

基本的調整方式有兩種，輔助式與非輔助式。輔助式調整由 Thiele先生率先倡導，需要某種類型的電子濾波器作為等化之用，以達到特定的響應目標。非輔助式調整則不需要電子等效電路就可以得到預定的響應。由此可見，絕大部分的有源超低音都是采用輔助式調整，而無源超低音系統(tǒng)則屬于非輔助式。

對于非輔助式調整，也分為兩類：平坦響應與不平坦響應。下面簡單說明幾種平坦與不平坦響應的特點。

平坦響應有如下六種調諧：

SBB4：超級四階轟鳴箱（super Fourth- order boom box），它所要求的單元Qts值比BB4調諸的還要低，可以視為BB4響應在揚聲器單體低Qts情況下的延伸，它的特征是音箱的體積較大，較少的調諧作用以及良好的瞬態(tài)響應。

SC4：四階副契比雪夫（ Fourth- -order sub-chebychev）調諧。所需單體的Qts值比C4（四階契比雪夫）響應還要更低些，其音箱尺寸與F3大致與SBB4相同，但是SC4的瞬態(tài)響應比SB84要遜色一點

QB3：準三階巴特沃斯（ Third- order Quasi- Butterworth）調諧。這是目前最為大量使用的種調諧方式，這是因為可以在相同的單元Qts值下，設計出較小的箱體以及較低的F3但是它的瞬態(tài)響應不如SBB4以及SC4。

此外還有三種獨立的調諧，分別為B4：四階巴特沃斯（ Butterworth）響應，亦稱為最平坦響應：BEA：四除貝塞爾（ Bessel），亦稱為線性響應，具有最佳的瞬態(tài)響應；最后一個是基本上很少用到的1B4：四階交互式巴特沃斯響應（ Butterworth inter- Order）。這三種調諧之所以稱為獨立調諧，是因為這些調諧僅有唯一對應的揚聲器單元Qts值，而且由于音箱泄漏Q1會影響到獨立調諧的參數(shù)值，所以很難采用這幾種獨立調諧來調試倒相箱。

在不平坦響應調諧中，通常可以使用Qts值比較高的揚聲器單元，不過瞬態(tài)和頻率響應方面就要差一些，但是如果能夠接受由此帶來的瞬態(tài)以及頻率響應變差的負面效果，同樣的單元，不平坦調諧可以帶來更低頻的F3。

C4：四階契比雪夫高通響應，亦稱之為契比雪夫等效濾波調諧（Chebychev Equal RippleAlignment），可以得到漣波小于1dB的響應。

BB4：四階轟鳴箱（ fourth-order Boom box），它的特點是在接近衰減頻率的地方有一個尖峰，如果尖峰很大，就如同高Qtc的密閉音箱，Qtc>1.2.

SQB3：超級準三階巴特沃斯響應（Super Third-order Quasi-Butterworth），它具有比QB3更高的Qts延生。

以上所敘的非輔助式調整六種平坦調諧以及三種不平坦調諧，已經(jīng)有大量的文章書籍做了詳細的說明，在本文中將不做詳細的推導計算，以及列舉具體的應用實例和模擬。

而輔助式調整則是通過修改功放前級電路，與原有的箱體響應相結合從而得到一個新的響應特性，在設計調試一個超低音音箱時，有時候一些單獨依靠單元與箱體配合并不容易達到預計的頻響要求，可以借由一些電路來實現(xiàn)，如在超低音系統(tǒng)里面就是經(jīng)常會用到 q-boost電路，即低頻提升電路以及高，低通濾波電路等等。應用這些電路、通常可以達到降低B頻率點以及得到更加陡峭的衰減斜率等效果。但在加入電路后，會因為電路的特性帶入延時，此群延時特性疊加在箱子本身的群延時特性上，會帶來群延遲增加、瞬態(tài)特性變差以及在提升點單元位移增大的這些負面效果。

下面將采用FOCAL公司型號為8V441的單元來做一系列的模擬以及對比，用以說明在加入了Q-Boost電路以及HP、LP濾波器之后、使用輔助式調整法與非輔助式調整法的超低音之間有些什么樣的變化。同時還將通過模擬的結果，來說明采用軸助式調整法的超低音揚聲器系統(tǒng)會有哪些得失。

先模擬采用QB3響應進行箱體的設計，箱體容積為20L，F(xiàn)b為43Hz，F(xiàn)3為55Hz，單元的Xmax4.5am。

該設計在各種功率下的振幅一頻率特性，可以看到，揚聲器單體振幅在低于Fb區(qū)域急速上升，1W-10W-60W狀態(tài)下，在20Hz處分別達到了1.9m、5.9mm、10.9m。顯然從10W開始，20Hz處振幅已經(jīng)開始超出單元的線性振幅。而在60W狀態(tài)下，20Hz處已經(jīng)大大超出了單元的線性振幅區(qū)域。

群延時特性可以看到，在1W-10W-60W狀態(tài)下，40Hz處群延遲分別為6.6ms、6.1ms、5.1ms，考慮到通常有源超低音系統(tǒng)都帶有LP（低通）濾波器，為模擬這樣的情況，將低通濾波器的影響加入到低頻響應當中，其中低通濾波器沒有附加任何的增益，形式為四階巴特沃斯，-3dB點在150Hz。得到以下的結果：60W、10W、1W狀態(tài)下的對比，中可以看到，加濾波器之后，頻響曲線已經(jīng)由之前的高通響應曲線改變?yōu)橐粋€帶通響應曲線，在有效通帶范圍之內的靈敏度，加濾波器與未增加濾波器的并沒有任何的區(qū)別。

而增加濾波器之后，在接近濾波器Fc點附近直至更高頻率，振幅開始下降直至無限接近于0。

在群延遲響應中可以清楚的看到，在帶入低通濾波電路之后帶來的總體群延退略有增加。

前面提到，有源超低音系統(tǒng)通常會增加一個Q- boost電路（即低頻提升電路），以達到降低F3頻率點、拓寬帶通寬度、以及得到更加陡峭的帶外衰減斜率。下面的將模擬在以上基礎上增加一個Q一 boost電路的結果，以觀察頻響、振幅、群延遲等相關參數(shù)在増加這個電路之后有何區(qū)別。

增加的這個Q- boost電路，提升頻率點55Hz，提升通帶Q值為2，提升量為3dB。

在加了低頻提升電路之后，頻響的有效通帶增加了，在以55Hz為中心的兩側區(qū)域，頻響均有明顯的提高，這樣F3從之前的55Hz降低到了49Hz，從而低頻低端的衰減斜率也有所提高。就頻響來看，低頻提升的目的得到了體現(xiàn)。

而加了低頻提升電路之后，在20Hz處，振幅并沒有什么變化，而在提升頻率點55Hz2的位置為中心，向兩側區(qū)域延伸，振幅曲線卻有明顯的變化，60W狀態(tài)下最大增加了1.2m，在Fb以上區(qū)域，最高點達到了4.6im，而原來只有3.5m，從振幅曲線可以明顯看出，在Fb以下頻率，且遠離提升頻率點時，振幅曲線開始急劇上升直至次聲波段，這與沒有增加提升電路是一致的，提升電路在振幅上，改變的只是以提升頻率點為中心的兩側區(qū)域。而這個區(qū)域的大小，與提升的量以及提升通帶的Q值有關。

群延遲響應的前后變化可以看到，同樣跟振幅曲線一樣，以提升頻率點為中心的兩側區(qū)域發(fā)生了變化，最大值出現(xiàn)在了提升頻率點55Hz處，達到了12ms。群延遲曲線清楚的驗證了之前提到的帶入電路之后群延遲響應會變壞的觀點。

三個對比結果分析：

就頻響來說，增加電路可以調整原來的頻響特性，尤其是當原頻響不滿足要求時非常有用。

而就振幅而言，雖然在某個區(qū)域增加了一些振幅，但是從數(shù)值來看，沒有超出單元的Xmax限制（4.5mm），這個結果還是可以接受的。

而群延遲響應問題，需要進行綜合的考慮，在聽感上進行權衡。就超低音揚聲器系統(tǒng)而言，單純的群延遲響應曲線只能說明片面的問題。雖然從技術角度看，平坦的、極低的群延遲響應曲線是最具有吸引力的，但實際的工作經(jīng)驗表明12ms的群延遲響應也并不是一個災難性的結果。

綜上所述，唯一的問題是，F(xiàn)b頻率以下振幅急劇上升并達到遠遠大于Xmax這個問題并沒有得到解決。解決方案就是增加一個高通濾波電路，在接下來的分析當中，會使用一個四階巴特沃斯高通濾波電路來進行控制，截止頻率起點為35Hz，不帶增益。

從高通濾波器加進去之后，高通部分的斜率更大了，就意味著40以下須段的輸出是急劇的減小，但是并沒有影響到通帶的有效寬度。

增加高通濾波器的主要目的就是要有效的較低Fb以下頻段的振幅，顯示的結果來分析，這個目的已經(jīng)完全達到，在Fb以下頻段，振幅不再是單調的急劇上升，而是呈平緩狀態(tài)，與沒有高通頻率器的振幅曲線相比，有著非常顯具的變化，一個是急劇上升，一個卻是緩和的降低。這個結果表明高通濾波器有效的解決了FB以下頻率振幅過大的問題。

群延退又一次大大的增加了，在32Hz處甚至達到了26ms之高，與沒有附加任何電路的群延遲對比而言，足足増加了將近20ms之多。

結果來分析，在30Hz處，聲壓級比平坦區(qū)域已經(jīng)足足下降了24dB，輸出急劇衰減。這部分頻率很低輸出也同樣很低的頻段，雖然有比較高的群延遲，但從聽感上來講，并不是讓人不能接受。如此高的群延遲主要還是受電路的影響。而且從有效頻帶來看，從4OH-160Hz的兩個倍頻程范圍內，群延遲是從22ns到5.2ms之間，并不是一直維持在一個很高的水平。所以就群延退升高這個負面效果而言，與其得到的正面效果對比是完全值得，也是完全可以接受的。

結論

經(jīng)過以上的分析以及得到的結果，通常我們需要在超低音系統(tǒng)功放的前級部分增加一個階或者四階的高通濾波器，這樣做的好處就是可以有效的消除Fb以下頻段單元位移急劇上升帶來危害，并有效降低倒相管的氣流噪聲，并得到更低的F3頻率.通常Q- boost提升頻率點設在高通濾波器截至頻率點以上，所以Q-boct電路提升帶來的單元振幅位移增加還是實實在在的影響到揚聲器單元的功率承受能力，這是要求在設計單元時需要考慮一些功率余量的一個因素。同樣也需要在設計揚聲器單元時就考慮到整個的系統(tǒng)設計，在功率設計方面就事先考慮到采取哪些措施來達到系統(tǒng)要求的目標。且特別針對于超低音音箱這一特定目標進行開發(fā)的揚聲器單元，都必須與音箱箱體以及功放電路進行結合來進行相關的設計。

參考文獻

[1]電聲專業(yè)情報網(wǎng)《電聲詞典》編寫組.電聲詞典（第二版）

[2]北京：國防工業(yè)出版社