[扬声器的种类和基本技术参数] 扬声器有哪些种类

现代电影技术

No 17/2009 ADVANCED MOTION PICTURE TECHN OLOGY

设备介绍与分析

扬声器的种类和基本技术参数

国家广电总局电影技术质量检测所 张金亮

现今, 数字立体声电影院及礼堂音响系统质量已有很大提高, 并日益受到重视。扬声器在音响系统中, 起着很大作用, 因此, 了解扬声器的种类、掌握扬声器的各项技术性能, 是正确选择与使用扬声器的必要条件。

扬声器俗称喇叭, 是一种将电能转化为声能, 并将它辐射到空气中的电声换能器件。电影的还音系统需要使用扬声器将影片上录制的声音信号播放出来。

扬声器有不同的种类, 通常分类有三种方法:1、按驱动方式分类

(1) 电磁式(如图1所示) 。原理是声源信号磁化了的振荡部分与磁体的磁性相互吸引和排斥, 产生驱动

图

1

容扬声器。它是利用加到电容器极板上的静电场产生机械力的原理做成的扬声器, 其结构即由一个固定电极和一个可动电极形成的电容器构成。其作用原理是, 在两个电极间需要加一

固定直流电压(极化电压, 亦称之为偏压) , 使之产生一个固定静电场。当由放大器输出的音频信号电压加到两电极上时, 由于其间所产生的交变电场与固定静电场发生相互作用, 形成交变的脉动电压, 则电极间有一个与声频电压相应的交变力, 使可动电极随之振动, 与空气耦合而辐射声波。可动电极一般是在塑料膜上喷镀一层导电金属制成; 现在已经出现了省去极化电源而用薄膜驻极体做成的静电扬声器。

静电扬声器的优点是整个振膜同相振动, 振膜轻, 失真小, 可以重放极为清脆的声音, 有很好的解析力、细节清楚、声音逼真。它的缺点是效率低, 需要高压直流电源, 容易吸尘, 振膜加大失真亦会加大, 不适合听摇滚、重金属音乐, 价格相对贵一些。

(4) 压电式(如图4所示) , 利用某些材料的压电效应制成的扬声器。当把声频电压加到压电片上时, 压电片即会产生形变, 形变的规律与声频电压相对应; 压电片上连接有振膜, 即能向空气辐射声图3

力, 在这种力的作

用下使振膜振动而发声。

(2) 电动式(如图2所示) , 又称动圈扬声器。作用原理是声源信号电流流过音圈, 与磁体磁场相互作用而形成电磁力, 在输入电流产生的电磁场与

磁场内磁束相交平面的垂直方向产生交变运动, 纸盆在这种力的作用下振动而发声。

图

2

(3) 静电式(如图3所示) , 又称电

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音。利用这种原理制成的扬声器叫压电扬声器。

压电扬声器结构简单, 灵敏度高, 消耗功率小, 重量较

图4

而号筒扬声器却由振膜的振动通过号筒与空气耦合而将声波辐射到空间去。它是间接辐射。在这种情况下, 号筒就像一个声变换器。号筒扬声器一般比纸盆扬声器和球顶扬声器效率高, 在高保真扬声器系统中, 号筒扬声器多用作中、高音单元。

3、按用途分类

(1) 全频带扬声器, 它能够同时覆盖高、低频段, 其振膜振动可产生从低音到高音的全频带声音。在全频带扬声器中, 有单纸盆的全频带扬声器及双纸盆型和同轴型扬声器。双纸盆和单纸盆扬声器都是整体结构。同轴型扬声器是把两个扬声器做在一起构成一种多声道器件。

(2) 低音扬声器, 即为低频段重放而设计的低音性能很好的扬声器, 它几乎全是纸盆形扬声器。其重放频带下限应很低, 振膜的振动幅度容许值应尽量大, 因此振膜的口径较大, 目前的口径可达80cm 。为了提高纸盆的振幅允许值, 常采用软而宽的支撑边。

(3) 中音扬声器, 它是专门用来重放中音段的单元。其性能是声压频率特性曲线平坦、失真小、指向性好, 以及频率高。

(4) 高音扬声器, 它是专门承受高频段重放的单元。工作频率在1~5kH z 以上。

扬声器的能量转换层次多、反馈多。它是将电能转换为机械能, 再将机械能转换成电能, 从而带来了系统的复杂性和多样性。扬声器的工作状态不仅是振动的, 而且这种振动又是处在三维空间的。这种三维空间的振动系统, 具有多个边界条件, 因此它的振动分析极为复杂。

在分析扬声器时, 常采用等效电路法, 将扬声器看成由集中参数组成的等效电路, 然而扬声器振动系统只在低频区为一集中参数系统。在分析扬声器振动时, 往往假设扬声器是一个刚体, 这样分析起来相应方便。但是上述的假设只是在低音频段是合适的, 在频率升高时, 由于扬声器不再是集中参数元件, 扬声器振膜不再是刚体, 振膜会出现分割轻, 受温度和湿度的

影响较小, 成本低, 可以制成专供重放高音的单元用于组合扬声器中。但由于它的阻抗较高, 更适用于有线广播网。

2、按振膜与辐射器形状分类

(1) 锥形振膜扬声器。该种扬声器是目前广泛采用的一种扬声器, 锥形振膜所用材料中最普遍的是纸, 或在其中再加些用以加强其机械强度的添加料。后来出现了用金属材料或合成材料制作锥形振膜。

此类扬声器大体由振动系统、磁路系统和辅助系统三大部分构成。振动系统包括锥形纸盆、音圈和定心支片等; 磁路系统包括磁体、导磁柱和导磁板等。纸盆开口的形状有圆形和椭圆形。辅助系统包括盆架、接线板、压边和防尘盖等。

(2) 球顶扬声器。振膜形状呈部分球面形。它属于电动型扬声器, 与纸盆扬声器比较, 效率稍低一些, 但球顶扬声器的指向性非常好。在所用材料上, 从质地柔软的材料到硬质材料均被采用。根据振膜材料质地硬度不同, 有软球顶和硬球顶之分。在高保真扬声器中, 高音扬声器大多采用球顶扬声器, 以便获得纯的音质和良好的指向性。

(3) 平板扬声器, 即把振膜制成平板状的扬声器。平板扬声器有直接驱动平板扬声器和在锥形腔体内填有发泡树脂等物质的填充型扬声器。

(4) 号筒式扬声器。通常是应用电动原理制成的, 它由振动系统(高音头) 和号筒两部分构成。振动系统与电动纸盆扬声器相似, 不同的是它的振膜多为一球顶形膜片。它与纸盆和球顶扬声器的最大区别在于声辐射方式不同, 纸盆扬声器和球顶扬声器是由振膜直接鼓动周围空气把声音辐射出去的;

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振动。因此在高频段 , 由刚体振动假设导出的分析及由等效电路推出的公式都无效。

对扬声器的主观评价是不可缺少的, 然而主观评价又带有极大的离散性, 它往往因人而异、因时而异、并且自觉或不自觉地受到各种心理暗示的影响。评价的结果不仅取决于聆听者的修养、素质、心理状态, 它还涉及到心理声学、环境声学、数理统计方法等。

扬声器的客观测试指标有数10项之多。下文介绍这些基本测试指标, 以增加对扬声器的认识和了解。这样在分析扬声器的性能、研究扬声器的原理、评价扬声器的优劣时就有了一个基本依据。

1、频率响应

这项指标反映了扬声器工作的主要频率范围。当给扬声器加以恒压信号源并由低频到高频改变信号源频率时, 扬声器产生的声压将随频率的变化而变化。频率响应一般是记录在以频率刻度为横坐标的图上, 由此得出的声压) ) ) 频率曲线, 就是扬声器的频率响应曲线, 如图5所示。一般中音频时产生的声压较大, 而低音频和高音频时产生的声压较小。当声压下降为中音频的某一数值时的高、低音频率范围, 叫该扬声器的频率响应特性。

所谓自由场通常指消声室. 可以免除房间的影响。将扬声器放在一个大平面上, 对天空辐射, 这是一个半空间自由场。

扬声器所能重放声音的频率界限, 也就是有效频率范围, 取自扬声器声压频率特性曲线中比峰值附近一个倍频位的平均声压级降低10dB 的频率范围。此范围越宽, 还音特性越好。理想的扬声器频率特性应为20~20KH z, 这样就能把全部音频均匀地重放出来。然而这是很难做到的, 每一只扬声器只能较好地重放音频的某一部分。

一般高保真用扬声器箱最低要求频响为50-12500H z, 能达到50-16000H z 已足够了, 当然30-20000H z 则更好。

测试扬声器频率响应曲线的方法:把相对带宽为l/30ct 的粉红噪声信号馈给扬声器, 用l/30ct (1/3倍频程) 滤波器分析传声器的输出信号。

在这种条件下我们便可得到如图5所示的扬声器的频率响应曲线。这条曲线是传声器正对扬声器参考轴中心测得的。有时为了检查扬声器的指向性, 需要特别测试扬声器的偏轴特性, 例如30b 、60b 的频率特性。

2、功率

扬声器的功率大小是选择使用扬声器的重要指标之一。功率用瓦(w ) 、伏安(V #A) 来表示。扬声器的功率有标称功率和最大功率之分。

标称功率称额定功率、不失真功率, 在扬声器的技术说明书上标注的功率即为该功率值。它是指扬声器在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟

图5

节目信号, 而不产生热和机械损坏的相应电功率。一般测试时采用粉红噪声信号, 通过特定的滤波器, 在额定频率范围内进行测试。按IEC 标准, 被测扬声器应保证在100小时的连续工作中不产生异常。额定功率通常可视为放大器的不失真输出功率, 与该放大器相连接的扬声器能在长时间内满意地重放正常节目。

最大功率又分为长期最大功率和短期最大功率。长期最大功率即与长期最大电压相对应的电功

获取我们通常见到的扬声器频率响应曲线有一个先决条件, 即是须在自由场或半空间自由场条件下测得, 因为只有在自由场条件下才能测得单纯的扬声器频响曲线。因此对于扬声器频率响应比较完整的规定是/在自由场或半空间自由场条件下, 在相对于参考轴和参考点的指定位置, 以规定的恒定电压测得的作为频率函数的声压级, 所用的恒定电压为正弦信号或为频率噪声信号0。

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率 , 其定义为U /R, 式中U 为长期最大输入电压, R 是额定阻抗。这里长期最大电压指扬声器能承受持续时间为1分钟、间隔为2分钟、重复10次的模拟节目信号而不产生永久性损坏时的最大信号电压。这个长期最大功率意味着扬声器长时间承受功率的上限。

短期最大功率即与短期最大输入电压对应的电功率, 其定义为U/R, U 为短期最大输入电压, R 是额定阻抗。短期最大输入电压指扬声器能承受持续时间为1秒、间隔为60秒、重复60次的模拟节目信号而不产生永久性损坏时的最大信号电压。它意味着扬声器短期能承受功率的上限。

在一些文章中提及的/瞬时功率0、/音乐功率0、/峰值功率0其含义均为短期最大功率, 这些功率值大于额定噪声功率。为保证扬声器工作上的可靠性, 要求扬声器的最大功率为标称功率的2~4倍。

3、额定阻抗

扬声器输人端的阻抗, 包括有:额定阻抗和直流阻抗(单位:欧姆/o hm ) 。直流阻抗是指在音圈线圈静止的情况下, 通以直流信号从而测试出的阻抗值。扬声器的阻抗一般和频率有关。扬声器额定阻抗, 即在扬声器上标称的阻抗值, 是指扬声器在某一特定工作频率(中频) 时, 在输入端测得的阻抗值。它一般是音圈直流电阻的112~115倍。在这个额定阻抗上, 扬声器可以获得最大的功率。一般动圈式扬声器常见的阻抗有48、88、168、328等, 在额定频率范围内, 阻抗模值的最低值不应小于额定阻抗的80%。额定阻抗是计算扬声器电功率的基准。纸盆扬声器的额定阻抗规定为在阻抗曲线上由低频到高频第一个共振峰后的第一个阻抗最小值, 一般是阻抗曲线上没有显著峰值的1kH z 的阻抗, 此时的阻抗接近一个纯电阻。通常阻抗与放大器的输出阻抗有密切的关系。

有了阻抗值可以按下式计算扬声器的输入功率为:

P=U 2/Z

式中:Z ) ) ) 扬声器的阻抗(8) ; U ) ) ) 音圈两端的电压(V) 。4、阻抗曲线

阻抗曲线是指扬声器的阻抗模值随频率变化的曲线, 如图6所示。

图中:a -电阻、b -电感、c -反电动势。

在图6中, 纵轴表示阻抗(8) ,

横轴代表频率(H z) , 通常采用对数刻度。扬声器的阻抗实际上由三部分组成, 如图6所示a 线表示扬声器音圈的直流阻抗, 不随频率变化(会随温度变化) ; b 线表示电感部分, 根据电感特性, 其感抗和音圈的绕法、匝数有关, 并且随频率上升而增加; c 线表示反电动式部分, 当音圈振动时, 会产生一个反电动势, 反电动势产生的电流与输入电流方向相反, 事实上减少了输入电流, 即等同于阻抗加大。因此在共振频率点振动最大, 阻抗值也最大。

曲线的峰是由纸盆、音圈、定心支片等振动系统共振造成的。因此曲线中部最小值相当于扬声器的额定阻抗, 通常比直流阻抗大10%~30%, 可以根据扬声器直流阻抗估算扬声器阻抗。

5、共振频率

阻抗曲线在某一频率时阻抗值最大, 此频率即为扬声器的共振频率, 记为。阻抗值在最低共振频率附近急剧上升, 在高频部分随音圈电感增加而加大。扬声器是一个振动系统, 其共振频率与扬声器的质量和顺性有关, 即振动系统的质量愈大, 低盆折环、定心支片愈柔软, 则顺性愈大, 共振频率愈低; 反之共振频率愈高。其特性用公式表示为:

f 0=

2P c

图6

式中:m-振动系统质量; c-振动系统顺性。我们常常希望降低扬声器的共振频率。共振频率有一个适当范围, 一般在25~40H z 。共振频率是扬声器重放的起点, 也是低频重放的下限。在共振

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频率以下 , 扬声器的输出声压随频率的平方而下降。并且共振频率也会随温度、湿度的变化而变化, 这种变化在全纸盆扬声器中比较明显。由于空气里湿度过大, 振膜吸潮使质量增加, 折环柔软, 使共振频率下降, 下降幅度近10%。温度上升也有使共振频率降低的趋势。

图7是一个扬声器共振频率的分布图, 由图可见扬声器口径愈大其共振频率愈低。近年来由于扬声器振膜制作材料和工艺的改进, 如聚丙烯、碳纤维、金属等振膜的采用, 各种复合折环的出现, 振膜

图7

音质显著变坏。

瞬态失真即由于扬声器的瞬态特性不好引起的一种失真。扬声器在实际使用时, 重放的节目, 如语言和音乐等都是瞬态声, 即信号的振幅随时间而快速地变化着, 而扬声器的振动系统具有惯性, 常使其振动跟不上快速变化着的电信号, 这样造成的失真现象就是一种瞬态失真。一般而言, 所谓扬声器的瞬态失真小, 也就是说瞬态特性好。

7、指向特性

指向性是用来描述扬声器将声波辐射到空间各个方向去的能力的, 用来表征扬声器在空间各方向辐射的声压分布特性, 频率越高指向性越狭, 纸盆越大指向性越强。

指向性一般用声压级随辐射角度变化的曲线表示。指向性通常有两种表示方法:一种是在扬声器频响曲线上标出了几个角度如0b 、30b 、60b 时频响曲线的变化, 通过它与0度时频率的对比可以看出声压级变化的情况。

这种频响曲线称为指向性频率性曲线。另一种以极坐标形式表示。它是以扬声器位置为原点, 用极坐标画出某些频率的指向性图, 从它可以形象地看出某些频率的指向性。在一般音响系统中, 通常不希望扬声器的指向性过于狭窄。否则靠近扬声器主轴的人听到的声频效果好些, 偏离主轴时声频效果就差些, 使得均匀听到整个重放频带声音的范围受到限制。但对会场扩音场合, 扬声器的指向性却十分重要, 因为利用指向性可减弱扬声器对传声器反馈作用, 从而可以消除扩音系统啸叫。在专业音箱中, 指向性还有许多其他表示方法。

扬声器的指向性与频率有关, 一般低频(如300H z 以下) 没有明显指向性。在高频时, 由于声波波长较短, 指向性会变得较尖锐。因此, 有些音箱会在不同方向上排列几个高频单元, 以改善指向性。

8、灵敏度

特性灵敏度是指当音箱加上1W 功率的粉红噪声信号电压时, 在轴向1m 处测得的声压级。扬声

防潮剂、湿强度剂的

改进, 都促使扬声器的共振频率趋于稳定。扬声器的共振频率随输入功率的大小和工作时间的长短也会有些变化。扬声器的共振频率会在工作一段时间略有下降, 然后趋向稳定。

6、失真

扬声器系统的失真包括揩波失真、互调失真和瞬态互调失真等。

谐波失真是指重放时, 增加了原信号中没有的谐波成份。扬声器的谐波失真来源于磁体磁场不均匀、振动膜的特性、音圈位移等非线性失真。目前, 较好的扬声器的谐波失真指标不大于5%。谐波失真主要产生在低频, 尤其在共振频率附近最为明显。高保真用音箱最低要求谐波失真不大于2%。

互调失真即因两种不同频率的信号同时加入扬声器, 互相调制引起的音质劣化。当低频信号和高频信号同时加入扬声器时, 由于扬声器的非线性, 它的输出声压中, 会出现高频和低频的和差频率(、, ) 信号, 即出现互调矢真。互调矢真使输出电压与输入信号的频率出现不谐调的调制频率。当互调失真较大时, 这些调制谐波在整个放声中使重识

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有缘千里 痴心电影

$$著名主持人崔永元赴哈影厂搜集电影史史料侧记

哈尔滨电影机械厂 韩绿丽

2009年6月2日, 一个普通的夏日午后, 家喻户晓的中央电视台著名节目主持人崔永元携两名随行助手和经济人以购买电影放映机镜头为由悄然来到哈尔滨电影机械厂。

崔永元此行的目的是为他制作的中国电影回顾节目5电影传奇6栏目和筹建私人电影博物馆收集中国电影设备发展史的有关资料。由于酷爱电影, 痴迷电影, 崔永元不仅热衷于网上淘各种电影放映设备、电影摄影机、电影胶片、电影海报等等与电影有关的东西, 而且还经常/微服0到电影厂家/私访0, 收集第一手历史资料。哈影作为电影放映设备制造行业的龙头企业, 凭借/松花江0品牌的声誉和电影放映机曾经占据中国电影放映行业半壁江山的历史, 理所当然成为他的首选目标之一。

为避免不必要的麻烦, 事先并没有通过任何引荐, 他径自以一个客户的身份来到哈影。他们此行主要是搜集5501、5502老型放映机的镜头。我公司董事长堵顺康、执行总经理刘城、副总经理郭松堂先后陪同他参观了电影机、清分机等主要生产现场。尽管崔永元为人很低调, 来到哈影没有张扬, 但所到之处, 还是引来热情的哈影人驻足观看。人们在

银屏上经常看到的小崔, 现在就真切地站在眼前, 许多人喜爱、激动之情溢于言表。哈影厂领导向崔永元热情地介绍了电影机产品从单一产品到系列化、多品种的发展沿革, 崔永元也不时发表看法, 见解独到, 俨然一个电影研究专家, 不愧为超级影迷。在得知崔永元对老电影设备感兴趣并要购买时, 两位老总当即表示, 要赠送一台5502型电影放映机给他, 以表达对他私人博物馆收藏的支持, 同时对他为传播电影文化产业作出的贡献表示由衷的敬佩。

在贵宾接待室, 哈厂几位领导与崔永元进行了愉快的交流, 在得知哈影厂因数字风暴冲击, 胶片放映机即将完成半个多世纪历史使命, 真正到了夕阳西下, 而顽强的哈影人不畏艰难, 正在奋力研发数字放映机等新产品时, 崔永元表示十分赞赏并且欣然提笔为工厂题字:

/数字松花江, 改革弄

潮儿0、/曾经半壁江山, 而今大展宏图0。

笔者截稿时, 恰逢崔永元希望哈影厂能为其寻找哈影创业之初的老照片和新中国第一台电影机图纸。哈影厂与崔永元因电影而结缘, 我们期待着, 不久的将来, 小崔的电影博物馆和他的/电影传奇0中, 会有哈影一个重要的角色。

器箱的灵敏度与效率是两个不同的概念, 效率是输出声功率与输入电功率之比, 但一般地说灵敏度高的扬声器箱的效率也较高。

高保真扬声器对重放音质的要求是第一位的, 而提高音质的要求往往是以降低灵敏度为代价的, 而这时可以用大功率放大器推动来解决问题。因此, 一个扬声器的灵敏度高低, 对声音重放并无决定性的影响, 因为人们可以通过调节放大器的输出来获得足够的音量。不过, 在音箱制作中, 扬声器的灵敏度却是一个值得重视的参数。因为在二分频或三分频音箱中, 各扬声器单元在各自负责重放的频段内, 它们的灵敏度必须基本一致, 以使整个音箱在

重放时保持高、中、低音的平衡。特别是对立体声音箱, 左右声道使用的单元都必须经过严格的筛选、匹配。要求左右声道所用的单元的输出声压级差别应正负1dB 内, 不然会影响声像的定位。

针对专业音箱, 特别在做远距离扩声用(如大型电影院) , 音箱灵敏度也是必须重视的指标之一。这是因为要达到同样大小的放声声压级, 采用较高的灵敏度就可大大减轻放大器的功率容量; 而扬声器的特性灵敏度级过小, 在使用时会消耗更多功率。但也不是灵敏度愈高愈好, 过高容易使失真加大。通常专业音箱的灵敏度都在100dB/m 1w 以上。