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音箱调试注意事项
对于音响爱好者来说,按照自己不同的听音环境和使用要求自制一对音箱确实是一件乐事。然而,不少业余音响爱好者常常注重扬声器单元的选择和箱体的制作,以为只要有性能优良的扬声器单元和制作精良的音箱就能获得出色的音响效果,而对整只音箱制成后的调试工作缺乏必要的重视。扬声器单元的性能和箱体的制作质量对于音箱来说固然十分重要。然而, 要获得理想的音响效果单靠几只性能优良的扬声器单元和制作精良的箱体是不够的,一对音箱的重放性能指标在很大程度上还取决于音箱调试的正确与否。目前市场上各种扬声器单元琳琅满目,可供选择的音箱套件也不少,只要选配和调试正确,用这些套件或扬声器单元完全可以制作出满意的音箱。但是,由于各种型号扬声器单元、分频器的性能指标往往有很大的差异、即使同一型号的扬声器单元和分频器, 这些产品的性能指标也会存在一定的离散性。完全按照扬声器生产厂家提供的音箱制作资料,虽然也能使制作出来的音箱具有一定的性能指标,但往往无法充分发挥这些单元应有的技术性能,从而使整只音箱未能达到最佳的工作状态。由于种种原因,不少音响爱好者用这些扬声器单元和套件制作音箱时,常常会遇到一些在制作资料上不可能逐一介绍的问题,从而给音箱的制作带来一些困难。
密闭式音箱的调试主要是指音箱低频响应的调试,在业余制作条件下调试密闭式音箱的低频响应通常应首先测出封闭式音箱的阻抗特性曲线,然后再根据测得的阻抗特性曲线对音箱进行必要的调整。
1.测绘音箱的阻抗特性曲线
测绘音箱的阻抗特性曲线可以用图1所示的恒流法测量扬声器单元额定阻抗的方法进行测量。为了满足信号源为恒流源的测量要求,音频信号发生器的输出端要串接一只阻值至少大于或等于被测扬声器额定阻抗值10倍的大电阻R。调节音频信号发生器的输出幅度使音箱得到0.1W左右的功率,在20~500Hz频率范围内选择一些频率点,如20Hz、50Hz、100Hz……等,用音频信号发生器将这些频率的音频信号输人音箱,读出并联在被测音箱两端毫伏表的电压值读数,在保持音频信号发生器信号频率和输出电压不变的前提下,记下毫伏表上的电压值,用无感电阻箱替代被测音箱,反复调节电阻箱的阻值,使毫伏表上的电压值恢复至原来的电压值,这时电阻箱的电阻值即为被测音箱在该频率点的阻抗值。如果手头缺乏无感电阻箱、也可以用小阻值电阻串并联后替代电阻箱、但测量误差会因此而增加。将音频信号发生器的输出频率选择在下一个频率点,用同样方法测得音箱在该频率点的阻抗值,依次测出音箱在所有选定频率点的阻抗值。根据不同频率点测得的阻抗值,用描点法即可描绘出音箱在20~500Hz频率范围内的阻抗特性曲线。选取的频率点越多,显然测得的阻抗特性曲线就越准确。封闭式音箱的阻抗特性曲线与第一部分中所介绍的扬声器单元的阻抗特性曲线相同,它有一个阻抗峰, 这个阻抗峰所对应的频率就是我们所求的封闭式音箱的系统谐振频率。
图1 用恒流法测量扬声器单元的额定阻抗
音箱阻抗特性曲线上阻抗峰的尖锐程度决定音箱的品质因数Qo阻抗峰越尖锐, 说明音箱的Q值越高。封闭式音箱的Q值大小对音箱的音色有很大的影响。将音箱的Q值调整得高些可以使低音听起来感觉比较丰满,但这时音箱低频段的非线性失真会增大,使音箱的瞬态响应变差,影响中频段声音的亮度,使声音发浑。
封闭式音箱的Q值可以用图1测试扬声器单元Qo值的方法求得。在计算音箱的品质因数值前首先应测出音箱的直流电阻值。值得注意的是这时测得的扬声器的直流电阻值不等于扬声器单元的音圈直流电阻Ro,它应该是扬声器单元的音圈直流电阻、分频网络中电感线圈的直流电阻和导线电阻的总和。它的阻值可以用万用表的电阻档直接测出,最好使用精度较高的数字式万用表。按图1所示的方法接上音箱,调节音频信号发生器的频率旋钮,使输出频率从20Hz开始上升,这时电子毫伏表上的指针也开始上升。仔细观察电子毫伏表上的指针,当指针上升到最大值后即将开始下降时停止改变信号发生器的输出频率,读出这时信号发生器的输出信号频率,必要时可用数字式频率计观察,并记下电子毫伏表上的电压值,这时测得的频率值即为封闭式音箱的系统谐振频率foc。将信号发生器输出信号的频率和幅度保持不变, 用无感电阻箱替代音箱, 逐档仔细调节无感电阻箱的阻值, 使电子毫伏表上的电压读数恢复到原来的数值,这时无感电阻箱的阻值即为音箱的最大阻抗值。重新接上音箱,核对音箱的谐振频率和毫伏表上的电压读数有否漂移,若发生变化应重新测量。缓慢地降低音频信号发生器的输出频率,观察电子毫伏表的读数,当电压值下降到原来电压的0.707倍时,准确地读出这时音频信号发生器的输出信号频率;这个频率点即为我们所需的f1值。将信号发生器的输出信号频率缓慢上升,当电子毫伏表上的电压重新达到最大值后即开始下降,当电压下降到原来最大值的0.707倍时,准确地读出这时音频信号发生器的输出信号频率,这个频率点即为f2值。将测得的这些数值代入图2公式即可求出封闭式音箱的品质因数。若计算出的音箱Q值较大,则应增加箱体内的吸声材料或换用吸声系数大的吸声材料; 若Q值较小,则适当减少箱体内的吸声材料。
目前我们对音箱性能的评价除了主观听音评价外, 在很大程度上还依靠客观仪器测试,音箱的频响特性曲线能在一定程度上反映整个音箱的重放性能,由于这个原因,音箱频响特性曲线的调整是音箱调试工作的重要部分。
国家标准GB7313《高保真扬声器系统最低性能要求及测量方法》对音箱的最低频响要求有如下规定: 在50~12500Hz频率范围内,音箱频响特性曲线的不均匀度应符合图3所示的误差范围,将音箱频响特性曲线上平均声压级所对应的dB线与图中0dB线重合,这时音箱频响特性曲线必须在图中上下两根直线之间的范围内,即频响曲线的最高点不得比平均声压级高出4dB,最低点不得比平均声压级低8dB。倘若音箱的实际频响范围超出 50~12500Hz,声压级的误差范围仍为十4dB 和-8dB。
图3 高保真音箱对频响特性的最低要求
利用音箱阻抗特性曲线对音箱进行调试的方法虽然比较简单,但它通常只能对音箱的低频响应作适当调整、有一定的局限性。目前更直接、更有效的方法是利用音箱的频响特性曲线进行调试。测量音箱的频响特性曲线需要专门的消声室和测量设备,这在业余条件下一般是很难办到的,因此,在缺乏测试条件的情况下、音箱的频响特性只能凭经验用耳朵进行调整。音箱的频响特性直接影响音箱的音质,影响音箱频响特性的因素很多,扬声器单元本身的频响特性、分频器的分频频率和相位特性、扬声器单元在箱体表面的分布位置和箱体的结构和制作质量等都会影响整个音箱的频响特性。
(4.1)消除扬声器单元本身频响曲线上的峰谷点
扬声器单元的频响特性会在很大程度上影响音箱的频响特性,受多种条件的限制,我们在购买扬声器单元时几乎无法对所购扬声器单元的频响曲线有确切的了解。即使扬声器生产厂家提供同型号扬声器单元的实测频响曲线,由于扬声器单元(尤其是一部分国产扬声器单元)在技术参数上存在较大的离散性,厂方提供的某单元的频响曲线只能在一定程度上反映该型号扬声器单元的技术特性, 因此这就给许多音响爱好者的音箱业余调试增添了一些困难扬声器单元技术参数的离散性除了反映在谐振频率、品质因数等方面的差异外,还反映在频响特性曲线上的差异,即频响曲线上的峰谷点在频率位置、宽度和大小的差异。扬声器单元频响曲线上的峰谷点,在可能的情况下,我们应尽量通过选择合适的分频频率将这些明显的峰谷点排斥在工作频段之外。但有时我们无法将这些峰谷点排斥在工作频段外,这时我们可以使用LC串联或并联网络来消除这些峰谷点。无论是LC串联网络还是并联网络,它都是一个特定的谐振频率f,这个f值的大小可以由下式确定:
式中L是网络中电感线圈的电感量, 单位H; C是网络中电容器的容量, 单位F。对于LC并联网络来说,谐振时LC网络在谐振频率附近呈现高阻抗,信号受到很大的衰减。图4就是LC并联网络对信号的衰减特性,以谐振频率点f为中心的信号受到衰减,如果我们将LC并联网络的谐振频率准确地选择在扬声器单元频响曲线上峰点的中心频率,只要适当调节电阻R的阻值,就能使LC并联网络频响特性曲线上的凹谷正好与扬声器单元频响特性曲线上的峰相互抵消,从而消除扬声器单元频响曲线上的峰,使整个音箱的频响曲线变得平坦。同样道理,LC串联网络谐振时在谐振频率附近呈现低阻抗,利用LC串联网络的这个特性又可以用来消除扬声器单元频响曲线上的某些谷点。
如果我们发现所用的扬声器单元在某个频率点有一个较明显的峰, 只要我们能确切知道该峰值的准确频率,就可以设计一个LC并联网络将这个峰吸收。当然, 这个峰的确切频率位置通常只能在实测的扬声器单元频响曲线上确定,在业余条件下凭耳朵很难找出它所处的确切频率位置。LC并联网络用来消除扬声器单元频响曲线上峰点的实际电路如图5所示,它由电感线圈L、电容器C和电阻器R这三种元器件组成。
图中电感线圈L和电容器C用来产生一个中心频率为f的谷点,电阻R用来改变IC网络的Q值。LC网络中的Q值是一个由电感、电容C和电阻R这三个参数共同决定的,电阻可以改变谷点的深度,阻值越大, 网络形成的谷点就越深对峰的吸收就越厉害。LC网络的Q值可以由下式确定:
(4.2)消除箱体制作不合理对频响特性的影响
我们在测量音箱的频响特性时有时会在频响特性上看到一些变化剧烈的峰谷,这些峰谷点在扬声器单元的频响曲线上是没有的。如果这些峰谷点不是出现在两个扬声器单元的分频点附近,很有可能这些峰谷点就是由于箱体在设计制作过程中存在某些缺陷而产生的、造成这种缺陷一般有三种原因: 箱体外形或长、宽、高尺寸比不合理,扬声器单元在箱体表面分布不合理和箱体泄漏。
目前的音箱大都采用长方体的形状, 音箱工作时音箱的面板和箱角都会反射一部分声波这些反射的声波与扬声器单元锥盆辐射的声波会相互干涉,从而在音箱的频响特性曲线上出现峰谷,这就是音箱的衍射现象。音箱的箱越尖锐,音箱箱体表面越光滑,箱体表面声波的反射就越厉害,反射声波对音箱频响曲线的影响就越大。因此,为了尽量减轻箱体长面反射的声波对音箱频响特性曲线的影响,可以将箱体面板与边框之间的棱角进行倒角或做成圆角,也可以在音箱的箱体正面铺设一些吸声材料。我们看到有些进口或国产音箱在箱体正面铺有一层绒布、毛毡之类的吸声材料,其目的就是吸收一部分声波,减轻反射声波对扬声器频响特性曲线的影响。减小箱体表面声反射的另一种行之有效的办法是尽量减小音箱箱体正面的宽度,这也是目前大多数音箱采用瘦长型箱体的一个原因。
箱体体积及其长、宽、高尺寸比不合理也会在一定程度上影响音箱的频响特性,但这种影响主要表现在300Hz以下的低频段,而对音箱的中、高频频响特性影响不大。箱体体积大小对音箱频响特性的影响主要表现在谐振频率附近频响曲线的平直程度和低频起始频率的衰减斜率。箱体体积过大时可以用在箱体内灌沙、放入相应体积的木块等方法来解决,但如果箱体体积过小,就只能靠增加吸声材料或换用吸声系数更大的吸声材料的方法加以调整,但这种方法只有在箱体密封性能良好的前提下方才有效,它的调整范围也十分有限。音箱通常使用两个或两个以上扬声器单元,这些不同的扬声器单元在箱体表面组成一个共同的发声面,它们在音箱箱体面板上的位置关系常常会影响整只音箱的总体频响特性。经验表明,当低频扬声器单元正好位于音箱面板的几何中心时,音箱的频响特性曲线就会出现显著的峰谷点。由于目前音箱的箱体宽度基本上仅略大于低频扬声器的口径,因此,通常我们只能将扬声器单元在音箱的高度上偏离箱体的几何中心。
(4.3)调整扬声器单元与分频网络连接时的正负极性
各种音箱分频网络中均使用数量不等的电感线圈和电容器,这些电抗元件必然会使电信号通过这些电抗元件时产生不同程度的相位移。我们知道,音箱中的高、低频扬声器单元通常都与分频网络中的电容器和电感线圈串联,这些电抗元件会使电信号产生一定的相移,使高频扬声器和低频扬声器辐射出的声波在它们的分频点附近出现相位差。高频扬声器和低频扬声器辐射出的声波在某些频率点还将出现叠加或抵消现象,从而在音箱的频响特性曲线上出现峰谷点。
我们在前面介绍扬声器分频网络时曾经讲过,在不同阶数的分频网络中,为了补偿分频网络中这些电抗元件对电信号产生的相位移,我们常常需要将音箱中某些扬声器单元的正负极反接。经验表明,由于这些电抗元件特别是电容器的参数常常有较大的离散性,我们对分频网络与扬声器单元之间的连接方法不能一概而论,即有时我们无法确定使用某种分频网络时哪个扬声器单元的极性需要反接。有时同一型号的分频网络使用在不同形状的音箱中往往会有截然不同的接法,因此,这些扬声器单元的极性是否需要反接常常只能在调整音箱频响特性的过程中才能最后确定。虽然扬声器单元极性的反接与否仅一线之差,但它确实会使整只音箱的频响特性发生很大的变化。
图6是用B&K2012音频分析仪在非消声室条件下测得的银笛YX10-9F二分频音箱的频响特性曲线, 该音箱FQ-15分频器的分频频率为3500Hz, 当低频单元和高频单元的极性全部正接(即低频单元、高频单元的正极分别与分频器低频、高频的输出正极连接)时,音箱的频响特性曲线相当平坦; 但当我们在同等测试条件下将高频单元的极性反接,即将高频扬声器的正极与分频器高频输出的负极连接时,音箱的频响特性曲线立即在分频点附近(频响曲线上标有*标记处)出现了一个很深很宽的谷。
(4.4)调整分频网络的阶数或分频频率
有时音箱频响特性曲线在两只扬声器的分频点附近会出现一个凸峰或凹谷。如果用刚才介绍的改变扬声器单元连接极性的方法不能解决问题,这时可适当改变原来分频网络的阶数或分频频率,有时或许能消除这些峰谷点。
不同阶数的分频网络有不同的衰减斜率, 分频网络的阶数越高,它对分频点以外信号的衰减越厉害。由于音箱分频频率附近的频响特性由两只扬声器辐射的声压共同决定,因此,如果我们改变其中某个扬声器单元在分频点附近辐射的声压,就有可能消除频响特性曲线该部位的峰谷点。改变扬声器单元在分频点附近的辐射声压有两种方法: 一种是改变其中某个扬声器分频网络的衰减斜率,使该扬声器单元在分频点以外声压的衰减程度发生变化,这种方法有时能消除音箱频响特性曲线上分频点附近的这些峰谷点。另一种方法是适当改变某只扬声器单元的分频频率,使该扬声器单元在原分频点处的辐射声压发生变化,使两只扬声器单元在原分频频率处的共同输出声压发生变化。
倒相式音箱的调试
倒相式音箱作为一个系统,它是由扬声器单元与箱体、倒相管与箱体和分频网络三个子系统组成,由计算公式求得的箱体参数和分频网络参数与实际的最佳参数之间常常存在较大的差异。这种差异大都在整个倒相式音箱制作完成后通过调试的手段加以消除。调试的原则就是将倒相式音箱的谐振频率调整到最合适的频率点,使音箱的低频响应平坦,调整音箱的系统品质因数,使音箱的低音深沉,听起来既不干涩,又不混浊;调整分频网络的分频点和相位特性,使音箱各频段的声压均匀,频率响应曲线平坦。
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箱体内容积的调整
倒相式音箱的低频响应取决于两个因素: 即低频扬声器和倒相管的低频辐射特性。我们知道,低频扬声器装入箱体后它的谐振频率必然要升高。低频扬声器的低频辐射特性与扬声器的谐振频率有关,而谐振频率升高的程度取决于音箱的箱体容积。箱体容积越大,扬声器装人箱体后谐振频率升高的幅度就越小。而倒相管的低频辐射特性则与倒相管的口径、长度以及箱体的容积有关,因此、倒相式音箱的箱体容积对整个音箱的低频重放特性有很大的影响,我们必须对倒相式音箱的箱体容积进行必要的调整。倒相式音箱箱体容积大小是否合适通常可以从音箱的频响特性曲线或阻抗特性曲线上加以确定。倘若箱体容积过大,箱体的谐振频率很低,从音箱的频响特性曲线上看曲线低频端的起始频率很低,且曲线在低频端上升十分缓慢,这时音箱的低频输出声压级很小,低音起来显得有气无力; 倘若箱体容积过小,箱体的谐振频率过高,这时音箱频响特性曲线低频起始频率升高、在频响曲线的低频端会出现一个尖峰,这时低频输出声压级虽然较高,但由于低频起始频率偏高,听起来低音又会显得不够丰满。
2.倒相管的调整
倒相管的调整包括倒相管口径和长度的调整,调整倒相管的一般步骤是首先将倒相式音箱的谐振频率(有时也称倒相管谐振频率)f0调整到设计值,然后再根据实际音箱的低频响应曲线对音箱的谐振频率作适当的修正。
倒相式音箱的谐振频率fo对音箱的低频响应有相当大的影响, 为了使音箱达到设计的低频响应指标,音箱制作完成后必须对音箱的谐振频率进行调整。在着手调整音箱的谐振频率之前必须首先确定音箱的实际谐振频率,为此、我们可以用图7所介绍的扬声器单元阻抗特性的测试方法测出音箱的阻抗特性曲线。
图8 典型倒相式音箱的阻抗特性曲线
图9 反映倒相式音箱存在不同问题的阻抗特性曲线
有时倒相式音箱的阻抗特性虽然也呈现双驼峰,但由于箱体制作存在缺陷或倒相管未调整到最佳值,常常会出现图9所示的几种情况,这时应采取不同措施加以解决。
第一种情况如图9(a),双驼峰两个峰值的大小基木相等、但峰值之间的谷值的阻值与所用扬声器单元的额定阻抗值存在阻抗差。这种情况对容积大的倒相式音箱来说是正常的。但如果箱体容积较小,这就意味着箱体有声泄漏现象,应根据泄漏原因加以解决。造成箱体泄漏的原因很多,箱体制作时箱板之间结合面胶合不牢,接线盒、扬声器单元和箱体结合面没有安放垫圈常常是造成声泄漏的主要原因,查找箱体泄漏部位的方法可以在音箱工作时将一张薄纸分别放置在音箱箱体边框与前后面板的粘接接缝处,如果箱体某个部位粘接不牢有漏气现象,漏出的空气便会吹动薄纸;也可用同样的方法将薄纸放置在箱体与接线盒、扬声器单元的结合面,找出泄漏部位。如果泄漏是由于箱体结合部位粘接不牢产生的,可以在箱体内侧漏气部位涂上粘分剂,然后再用方木档粘接加固,最好能在箱体内壁均匀地涂覆一层或两层沥青,这样既可彻底解决箱体结合面的泄漏现象,又增加了箱体的刚性。如果泄漏部位在接线盒、扬声器单元与箱体的结合面,那么应检查该部位的垫圈是否平整、良好。经常看到一些自制的音箱的箱体、特别是扬声器单元采用沉孔方法固定的箱体,由于箱体的沉孔表面加工粗糙、倾斜,如果垫圈太薄或密封性能不好就会出现漏气。在接线盒、扬声器单元与箱体的结合面放置垫圈是一件相当重要但在实际制作过程中又往往容易被疏忽的工作。一部分人认为箱体泄漏,尤其是倒相式音箱箱体的泄漏是无关紧要的, 其实这种看法是错误的, 应予纠正。
第二种情况如图9(b)所示, 双驼峰中的高频峰值大于低频峰值,造成这种情况的原因是从倒相管中辐射出来的声波太小,箱体和倒相管的系统谐振频率太低,这时可适当增大倒相管的口径或减小倒相管的长度。不少音响爱好者在制作箱体时都偏爱将箱体做得较大,认为箱体体积越大,音箱发出的低音就越丰富、因此,音箱阻抗特性曲线出现高频峰值大于低频峰值的情况就更容易发生。虽然从表面上看音箱的低频潜得很低,但听起来仍会觉得低音不足,显得分松软,缺乏力度。
第三种情况如图9(c)所示,双驼峰中的高频峰值小于低频峰值,造成这种情况的原因是从倒相管中辐射出来的声波太强,这时低频端不自然地得到提升,使音箱的瞬态响应变差。这时可适当缩小倒相管的口径或增加倒相管的长度。
第四种情况是双驼峰的高频峰出现如图9(d)所示的犬齿状缺损,造成这种情况的原因是音箱的箱板有明显的机械振动,这时应对箱体采取防振措施、如增加箱体板厚、增设加强筋、铺设吸声材料等。在无法增加箱体板厚的情况下,先在箱体前后面板之间增设一根或两根方木撑档,然后再采用上面介绍的在箱体内壁涂覆沥青的方法,这是克服箱体机振的有效办法。
如果发现音箱的谐振频率fo比设计值高, 这时可适当增加倒相管的长度或缩小倒相管的口径; 如果谐振频率比设计值低,则应减小倒相管长度或增大倒相管的口径。
在缺乏测试条件的情况下可以用以下方法大致判断音箱倒相管的调整是否正确:倒相式音箱安装完毕后,可以用一节1.5V的下电池的两个电极时通时断地与音箱接线盒上的两个输入端接触,在断开的瞬间仔细听低频扬声器发出的声音,注意是带拖延的“嘭”声还是短促清脆的“哒”声。带拖延的“嘭”声表示扬声器单元的基本谐振峰没有被完全压制,或者两个双驼峰中有一个谐振峰较高; “哒”声则表示扬声器单元的基本谐振峰基本上得到压制。试听时要听将电池断开时的瞬态声、不能听电池接通时的瞬态声,而且“嘭”声和“哒”声须反复对比后才容易确定。
调整时可用硬纸管代替倒相管,试听后逐渐加长纸管的长度。当倒相管过长时,频率较高的那个小峰又会上升,声音又回到“嘭”声。反复找出最佳的纸管长度后用相同口径和长度的倒相管装入箱体。
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