十年磨一剑 小音量下如何获得HiFi音质

    泡泡网音频频道1月4日 扬声器的发明大约是在1877年，经过前人的研究和实验，人们发明了多种扬声器，但是总是不能得到很好的低音效果。原因有二，第一是本身的原理造成得不到很好的低音表现；其次，也是最主要的原因是，扬声器都是双面发声，而且反相，如果只是简单将扬声器安装在一块面板上，在低频段的声音相互抵消了，所以我们听不到很好的低音效果。

本文作者：知名多媒体HiFi发烧友 麦博电器总工程师 曾德钧老师

    后来人们发明了音箱，就是将扬声器装在一个箱子内，让扬声器两面发出的声音完全隔离开，这样就避免了在低频段的声音相互抵消了，从而得到了比较理想的低音效果，以后人们就沿着这个思路将音箱的研究进行到了较高的水平，目前市场上在卖的和一些场所用的都是这类有箱体的音箱。但是，音箱本身存在与生俱来的缺点，就是箱染和对箱体内多次反射声对扬声器的二次声调制问题。在扬声器上加装了音箱，我们得到了较好的低音效果，同时音箱对扬声器的发声也无法避免的产生了负面影响。

    目前的多媒体音箱基本都是由传统Hi-Fi音箱或专业监听音箱变形而来。即：把音箱的体积减小、扬声器口径尺寸缩小、功放功率降低和聆听距离缩短。应该说这些多媒体音箱只是对传统的原型音箱做了一些物理上的变化而去应付多媒体电脑这种使用形式上的变化，而并没有考虑到用到多媒体电脑在这些变化之后，聆听的声学环境发生了哪些变化、声场特性发生了哪些、以及箱体发声机理对近距离聆听产生了哪些影响。

各种音响设备的聆听距离

    对这些问题，行业内在这类产品设计时都没有做过专门的考虑，在理论研究上也没有见过有专著或论文提过（只有我本人在99年、2000年在《微型计算机》的文章中有提到）。那么，当对传统的有源音箱进行体积缩小、功率降低和距离拉近等变化后，聆听环境发生了什么样的变化呢？通过分析，我们发现其变化主要集中在几点之上。

第一：反射声

    原来的Hi-Fi音箱或监听音箱发声后，聆听者由于距音箱的距离较大（一般在3米以上）。聆听者不但听到通过扬声器纸盆震动传播的直达声，也听到了扬声器纸盆震动而引起周围物体所产生的二次反射声。也就是说聆听者所聆听到的声音是一种由直达声和反射声混合而成的“混合声”，或者说聆听到的声音中除了有从扬声器送来的直达声外，还有较大比例的反射声。

    而电脑多媒体音箱或个人音响与此不同，由于聆听距离近（大约0.5米），聆听者所听到的主要是由扬声器发出的直达声，而二次或二次以上反射声的比例大大降低。也就是说聆听者所聆听的声场状态发生了变化。原来的声场为混合声场，现在的声场接近于自由声场或近声场。也就是说原来适合于混合声场的Hi-Fi音箱、监听音箱放在多媒体电脑这样的近声场的声学环境里是有问题的。

在自由声场下测试的频响曲线（反射声很小）

在混响声场下测试的频响曲线（反射声比例较高）

第二：声音多次调制

    扬声器背部发出的声音被控制在音箱内，不能传播出去，只有通过音箱内壁的多次反射经过箱内空气的摩擦自然衰减而消失，在这多次反射的过程中，会反复作用在扬声器的背部振膜上，从而影响了振膜的正常发声，产生了所谓对声音多次调制的问题。

    举一个极端的例子，扬声器收到一个信号而发声，如果没有任何外界的影响，振膜应该移动1毫米，但是由于1秒钟之前扬声器背部发出的声音还没有消失，作用在扬声器纸盆的背部，而扬声器的振膜因此只移动了0.5毫米，这样我们听到的音乐就和正确的不同了。

音箱正面的中低频部分的频率响应

    而且，当我们再听一首乐曲时，扬声器收到的影响总是来自于之前的声音，而乐曲每个时间点的声音都是不同的，也就是说，扬声器收到的影响也是每时每刻都不一样的，那我们所听到的音乐都是不真实的，都是被前面的乐器调制过的。虽然这部分声调制的能量与放大器送来的能量比是要小不少，在远距离聆听时，这种“声调制”不会明显被感觉到，而到近距离聆听时，这部分“声调制”的声音就会被聆听到，进而影响了近距离聆听者的音质。

音箱内部的中低频响应

    人们在设计音箱时也想办法去解决这个问题，如在音箱内添加吸音棉，以图尽量吸掉扬声器背部发出的声音，消除对扬声器震动对声音调制的影响，但是这个只对中高频部分的声音相对有效，但对于中低频的声音是没有什么效果的。

第三：驻波

    每个音箱做成后都有固定的形状和尺寸，都会产生一定的驻波，不同的只是驻波的频率和强弱不同，而驻波的信号的衰减时非常的慢。首先驻波会对扬声器振膜的振动产生影响，其次，驻波会通过音箱的壁传播到我们的耳朵，是的我们听到的音乐被动增加了原来没有的声音，最后，驻波会使得音箱产生杂音。

    人们通过音箱的形状结构以及增加音箱壁的强度（如加厚壁厚）来解决驻波问题，但是只能降低不能彻底消除。这些驻波会强化上面第二点所提到的问题。同样，因驻波产生的杂音，在远距离聆听时感受不大，但在近距离聆听时就比较明显了。

第四：单元位移

    每个音箱都是近似于一个封闭的空间，那么在这个封闭空间内的空气就相当于一个弹簧，而扬声器的振膜就连接在这个弹簧上，所以振膜的振动不是自然状态的了，始终有一个弹簧再影响它。这个弹簧的顺性C并不是一个常数。首先它并不遵守胡克定律。当这个弹簧被拉长（压缩）不同的位移时，它的顺性C是不一样的。振膜发出高音是位移小，而发出低频时位移大，那么这个弹簧对振膜的影响也是不一样的。

   我们在听一首音乐时，肯定包含了低音中音高音等各种不同频率的声音信号，而这个弹簧对低音中音高音等各种不同频率的声音信号的影响是不同的，从而使得我们听到的音乐不真实。其次，这个弹簧的顺性还和温度湿度有关，也就是当你听同一首音乐，晴天和雨天不同，冬天和夏天不同。

第五：近距离低频

    在采用倒相结构对低频进行提升时，在被提升的频率点F0上，在理想状态下，只要有一点触发信号都会得到谐振（提升）。而现实是，由于箱体内部和倒相管都存在一定的风阻，使得触发能量会有一个阈值，这个阈值不可能为零。而是需要一个触发的初始能量的，也就是说在很小音量时，低频是得不到提升的。加之人耳的等响度问题，这个问题就更加明显，这就是许多传统音箱在小音量、近距离聆听时，低频不好的一个重要原因。

第六：低频干扰

    传统的音箱，多采用“倒相”结构，对低频进行提升。在音量稍大时，由于低频被倒相结构进行了提升，此时的低频会传输得较远。这就是我们经常有还没有聆听到由中高音构成的音乐旋律，便先感知了音乐的节奏—低频的“咚、咚”声这样的感受。在多媒体音频环境里，反而我们不希望我们的音乐只要在我们的聆听环境中感受到，而尽量不要去干扰他人。现在传统的多媒体音箱基本上做不到这一点。

    鉴于以上原因，我们只能说采用传统思路设计多媒体音箱只是解决了多媒体音箱有无的问题，而没有解决真正近距离聆听时的适合与高质量播放的问题。因此，我们必须找到一种可以解决这个问题的手段与方法，来设计一种真正适合多媒体聆听环境的多媒体音箱。对此，我们做了十几年的研究与尝试，这次呈现给大家的就是这些年努力的成果。

    下面我们简要的谈谈我们对于如何实现近场聆听高品质声音的设计思路和方法。

一：系统的设计思想

    要解决多媒体音箱近距聆听的高品质声音问题，就促使我们设计一款在多媒体音频环境里没有箱染、没有声调制、声音自然、声音清晰、还原度好、少干扰他人的多媒体音箱。

    如何让去解决，回头再去看扬声器本身，完全没有这些问题，这些问题都是增加了音箱所带来的，所以我们想到了采用无箱体的声学结构，即在原来音箱的基础上，只保留前面板部分用于安装扬声器（相当于扬声器的固定支架），后面的箱体取消，没有任何腔体。这好像和扬声器最初的使用方式一样，也会带来低音抵消而得不到很好的低音效果，其实不然。通过测试，我们发现低音的抵消并不是完全抵消（因为扬声器的发出的声音是有指向性的），而是从某个频率开始，灵敏度开始下降（就是因为相互抵消引起的），当频率下降到一定频率时，灵敏度下降的幅度保持一个恒定值，如图1所示。

图1

当喇叭装在箱体中

当取消箱体后

两种频响曲线的对比

    从上面的频响曲线对比中，我们即可看到两种有箱体和无箱体在频率响应上的区别。可以看到在高频频段以及在中频频段，有箱体和无箱体之间的频响曲线差别并不大，但是在中低频段，两者还是有一定的差异的。

二：无箱体结构

    要解决扬声器箱内声干涉和箱染等问题，要使得近距离聆听保证高品质问题，要提供非常好近场的聆听感受问题，最彻底的办法就是取消了扬声器的腔体（箱体）。这样我们对传统音箱只保留了一块面板，这块面板主要是用来安装扬声器。

    当没有箱体以后，原来箱体对低频声短路的作用没有了，对低频提升有效果的倒相结构不存在了。这时，我们会发现扬声器的幅频特性呈现以下状态：

低频相对于中高频呈大幅度非均匀下降的状态

有箱体和无箱体的频响曲线对比

    所以如果我们想得到比较好的低音效果，只要做到两点就可以了。一是将灵敏度开始下降的频率向低端延伸，二是将灵敏度下降的幅度补齐就可以了。在目前的扬声器的技术条件下，这些都是可以实现的。

    通过以上曲线我们看出，需要对曲线进行补偿。这种补偿，我们不是画图，把曲线画品即可。而是要通过把一系列设计与方法，使扬声器的实际频响曲线和实际聆听的听感达到并超过传统有箱体音箱的听感。这就是：特别参数的扬声器和参量均衡的放大器。

三：扬声器的设计

    扬声器需要进行一些特别的设计

    口径：扬声器的口径当然是大一些为好。

    Q值：Q值这个参数比较重要，需要精心的设计，使其在一定的范围内。

    灵敏度：这种扬声器的灵敏度也是有一定要求的。不能太高，也不能太低。

    F0：扬声器的F0要设计接近于我们的希望的系统的低频频率。

    长冲程低失真：这只扬声器需要设计成长冲程低失真的。因此扬声器的磁路、软件都与传统喇叭有所区别。

    纸盆：为保证在这种特别状态下的音质音色，选择具有特殊成分的纸盆材料，是其保证。

四：参量均衡放大器

    上面我们看到，扬声器在无腔体情况下，其低频下跌较多，并呈现不均衡状态。为此，我们将下降的幅度和不均匀性给予补齐。我们设计了类似以下曲线的参数均衡放大器：

无箱体技术的参量均衡放大器类似曲线

    通过以上方法，无腔体音箱只要经过适当的设计，就可以得到很好的低音效果，而且消除了传统音箱所带来的箱染，从而得到具有Hi-Fi素质并有很好聆听感受的音箱。

参量均衡后的频响曲线

提升低频后的频响曲线

    通过以上方法，我们基本达到了我们原来的设计目标。由于不存在箱体，就没有箱染，也没有箱体内多次反射声对扬声器的反复“声调制”，从而保证的声音的自然、清晰。由于其方式方法与传统的不同，您可以在较小音量时，听到传统音箱听不到的低音；更特别的是，其低音的听感是一种与传统音箱低音截然不同的“蓬蓬声”。这种“蓬蓬声“是一种收放自如、干净利落、松软并富有弹性的低音，是听起来非常令人舒适和喜欢的声音”毒品“。另外，同时由于以上对低频的提升，只是在一个多媒体音频聆听环境里有效，离开了这个环境，低频一样会被“声短路”调，从而减少了对他人的干扰。<