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音箱、扬声器、分频器、功放详解

出处:电子发烧友网 发布于:2018-05-29 14:44:49 | 472 次阅读

  本文主要详解音箱、扬声器、分频器、功放,首先介绍了音箱的组成、原理、分类及性能指标,其次介绍了扬声器的原理和使用方法,最后详细的阐述了分频器、功放的原理及作用,具体的跟随小编一起来了解一下。

  一、音箱详解

  音箱指可将音频信号变换为声音的一种设备。通俗的讲就是指音箱主机箱体或低音炮箱体内自带功率放大器,对音频信号进行放大处理后由音箱本身回放出声音,使其声音变大。

  音箱是整个音响系统的终端,其作用是把音频电能转换成相应的声能,并把它辐射到空间去。它是音响系统极其重要的组成部分,担负着把电信号转变成声信号供人的耳朵直接聆听的任务。

  音箱的组成

  市面上的音箱形形色色,但无论哪一种,都是由喇叭单元(术语叫扬声器单元)和箱体这两大最基本的部分组成,另外,绝大多数音箱至少使用了两只或两只以上的喇叭单元实行所谓的多路分音重放,所以分频器也是必不可少的一个组成部分。当然,音箱内还可能有吸音棉、倒相管、折叠的“迷宫管道”、加强筋/加强隔板等别的部件,但这些部件并非任何一只音箱都必不可少,音箱最基本的组成元素只有三部分:喇叭单元、箱体和分频器。

  音箱发声的原理

  要知道音箱发声的原理,我们首先需要了解声音的传播途径。声音的传播需要介质(真空不能传声);声间要靠一切气体,液体、固体作媒介传播出去,这些作为传播媒介的物质称为介质。就好比水波,你往平静的水面上抛一个石子,水面就有波浪,再由对岸传播到4周;声波也是这样形成的。声波的频率在20——20,000Hz范围内,能够被人耳听到;低于或高于这个范围,人耳都听不到。

  专业术语音箱、扬声器、分频器、功放详解

  水波与声波的传播方式是一样的,通过介质的传播,人耳才能听到声音

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  声波可以在气体、固体、液体中传播

  下面在来说说喇叭的工作原理。喇叭是把电信号转换为声信号的一种装置,它由线圈、磁铁、纸盆等组成。由放大器输出大小不等的电流(交流电)通过线圈在磁场的作用下使线圈移动,线圈连接在纸盆上带动纸盆震动,再由纸盆的震动推动空气,从而发出声音。

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  喇叭的发声原理

  当喇叭接收到由音源设备输出的电信号时,电流会通过喇叭上的线圈,并产生磁场反应。而通过线圈的电流是交变电流,它的正负极是不断变化的;正极和负极相遇会相互吸引,线圈受到喇叭上磁铁的吸引向后(箱体内)运动;正极和正极相遇则相互排斥,线圈向外(箱体外)运动。这一收一扩的节奏会产生声波和气流,并发出声音,它和我们讲话的喉咙振动是同样的效果。

  音箱是的分类

  音箱的分类有不同的角度与标准,按音箱的声学结构来分,有密闭箱、倒相箱(又叫低频反射箱)、无源辐射器音箱、传输线音箱之分,它们各自的特点详见相关问答。倒相箱是目前市场的主流;从音箱的大小和放置方式来看,有落地箱和书架箱之分,前者体积比较大,一般直接放在地上,有时也在音箱下安装避震用的脚钉。落地箱由于箱体容积大,而且便于使用更大、更多的低音单元,其低频通常比较好,而且输出声压级较高、功率承载能力强,因而适合听音面积较大或者要求较全面的场合使用。

  书架箱体积较小,通常放在脚架上,特点是摆放灵活,不占空间,不过受箱体容积以及低音单元口径和数量的限制,其低频通常不及落地箱,承载功率和输出声压级也小一些,适合在较小的听音环境中使用;按重放的频带宽窄来分,有宽频带音箱和窄频带音箱之分,大多数音箱其设计目标都是要覆盖尽量宽的频带,属于宽频带音箱。窄频带音箱最常见的就是随家庭影院而兴起的超低音音箱(低音炮),仅用于还原超低频到低频很窄的一个频段;按有无内置的功率放大器,可分为无源音箱和有源音箱,前者没有内置功放而后者有,目前大多数家用音箱都是无源的,不过超低音音箱通常为有源式。

  音箱的性能指标

  一般音箱都标明他的许多应用参数最常见的有:

  功率:一般用W或VA计量,常见的为标称功率[额定功率,不失真功率]是指非线形失真不超过该音箱标准范围的条件下的最大输入功率。他是该音箱的正常工作功率,长期连续工作不致损坏。

  灵敏度:他的定义是,在音箱上施加1瓦功率的粉红噪声电压时,在离参考点一米处所产生的声压。以分贝[db]表示。音箱的灵敏度越高,在同样的驱动功率下就越响,这在使用小功率的功放时,灵敏度就显得很重要了。

  阻抗:它是指音频信号加在音箱输入端,音箱所呈现出的一个纯阻。常见的有4欧,8欧,国外也有3欧,5欧系统的。使用时注意要与功放的输出阻抗相匹配。特别是胆机对音箱阻抗的匹配尤其重要。

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  二、扬声器详解

  扬声器又称“喇叭”。是一种十分常用的电声换能器件,在发声的电子电气设备中都能见到它。

  1、扬声器的原理

  扬声器是把(扩音机输出的)电能转换成声音(机械能)的一种器件。根据构造不同,扬声器可分为电动式、电磁式、压电式等几种,电化教育工作中最常使用的是电动式扬声器。

  (1)电动号筒式扬声器

  电动号筒式扬声器又称为高音喇叭,其构造如图1所示。主要由磁路系统、振动系统和助音筒三部分组成。磁路系统和振动系统装在一起,称为发音头。发音头和助音简可以分开,各成一体。

  磁路系统由永久磁铁和软铁组成,磁场集中在缝隙处。振动系统由带着音圈的振动膜构成,音圈位于磁隙正中。音频电流通过音圈时,受磁场力的作用,音圈便带动振动膜前后运动,使空气发生振动。由于发音头前面装有助者简,可使空气共鸣,从而发出宏亮的声音。 《?xml:namespace prefix = o ns = “urn:schemas-microsoft-com:office:office” /》

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  图1电动号筒式扬声器

  (2)电动纸盆式扬声器

  电动纸盆式扬声器又称为低音喇叭,其构造如图2所示。主要由磁路系统和振动系统两部分组成。

  磁路系统由环形永久磁铁和软铁组成,磁场集中在缝隙处。振动系统由带着音圈的纸盆构成,弹性片把音圈固定在磁隙的正中。有音频电流通过时,音圈在磁场力的作用下,带着纸盆前后运动,从而发出声音。

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  图2电动纸盆式扬声器

  (3)组合式扬声器

  为了提高放音质量,扩展有效频率范围,通常将几只不同频率响应范围的扬声器组合在一起,装入同一助音箱内,构成组合音箱。它可以使得在整个音频范围内的频率响应曲线得到显著改善。

  2、扬声器的使用

  (1)正确选择扬声器的类型。在室外使用时,应选用电动号筒式扬声器;在室内使用,应选用电动纸盆式场声器,并选好助者箱;要求还原高保真度声音时,应选用优质的组合音箱。

  (2)扬声器在电路中得到的功率不要超过它的额定功率,否则会烧毁音圈,或将音圈振散。

  (3)注意扬声器的阻抗应和扩音机输出阻抗匹配,避免损坏扬声器或扩音机。

  (4)使用电动号筒式扬声器时,必须把发音头套在助音筒上后再通电,否则很易损坏发音头。

  (5)两个以上扬声器放在一起使用时,必须注意相位问题。如果反相,声音将显著削弱。设置立体声音箱时,更要注意相位不要接错。

  (6)在使用立体声放音系统时,应将两个音箱分开适当的距离,如图3所示。按照经验,两个音箱之间的距离应等于音箱到听众中间位置的长度。

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  图3立体声音箱的布置

  三、分频器详解

  分频器其实是音箱里面的一个小部件,也是一个相当重要的部件,虽然分频器很不起眼,但是它的作用是不容忽视的,音箱播放声音的时候,是需要经过分频器的处理才能放出来的,现在的分频器主要是由两种,一个是模拟分频器,另外一个是数字分频器,在一般人认识里面,分频器其实是音箱的大脑,是不能缺失的。

  分频器的原理

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  从电路结构来看,分频器本质上是由电容器电感线圈构成的LC滤波网络,高音通道是高通滤波器,它只让高频信号通过而阻止低频信号;低音通道正好相反,它只让低音通过而阻止高频信号;中音通道则是一个带通滤波器,除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过,高频成份和低频成份都将被阻止。在实际的分频器中,有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异,还要加入衰减电阻;另外,有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络,其目的是使音箱的阻抗曲线心理平坦一些,以便于功放驱动。

  由于现在的音箱几乎都采用多单元分频段重放的设计方式,所以必须有一种装置,能够将功放送来的全频带音乐信号按需要划分为高音、低音输出或者高音、中音、低音输出,才能跟相应的喇叭单元连接,分频器就是这样的装置。如果把全频带信号不加分配地直接送入高、中、低音单元中去,在单元频响范围之外的那部分 “多余信号”会对正常频带内的信号还原产生不利影响,甚至可能使高音、中音单元损坏。

  分频器的作用

  1、基本分频

  不管什么类型电子分频器的主要功能和任务当然还是分频。由于现在音箱的种类很多,系统中要采用什么功病能的、几分频的电子分频器还是要灵活配置的,现在通常用的电子频器有2分频、3分频、4分频等区分,超过4分频就显得太复杂和无实际意义了。分频器可以合理地进行各单元功率分配,使各单元之间具有恰当的相位关系以减少各单元在工作中出现的声干涉失真。

  2、保护音箱

  我们知道不同扬声器的工作频率是不一样的,一般来说口径越大的扬声器其低频特性也越好,频率下潜也越低。电子分频器可以提供不同扬声器各自需要的最佳工作频率,弥补单元在某频段里的声缺陷,让各种扬声器更合理、更安全的工作。因此,电子分频器除了分频任务外,正常的使用它更重要的功能还有:保护音箱设备。

  3、增加声音层次感

  如果一个 音响 系统中有很多只不同种类的音箱,而且没有使用电子分频器,那不同音箱之间就会有很多频率叠加、重复的部分,声干涉也会变得很严重,声音就会变得模糊不清。若音响系统中使用了电子分频器进行合理的分频,让不同音箱处在最佳工作状态下,这样不同音箱之间发出的声音频率范围几乎不会重复,同时减少了声波互相干涉的现象,声音就会变得格外清晰,音色也会更好、更具有层次感!

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  分频器的分类

  分频器有两大类:一类是被动分频器(PassiVe Crossover),亦称功率分频器;另一类是主动分频器(AcTIve Crossover),亦称电子分频器。

  1、被动分频器

  被动分频器是一种音箱内置分频器,由电容和电感滤波网络构成,其特点是分频网络设置在功率放大器和扬声器之间。这种分频器把从功率放大器直接出的全频音频功率信号分为低音和高音或者低音、中音和高音,将分频后的信号按不同频段分配给各频段扬声器。在全频高、低音或高、中、低音主动分频音箱中,均由被动分频电路完成分频任务。

  被动分频的优点是:首先,结构简单、成本低,与音安装在一起,毋需调整,使用方便;其次,在系统连接方面较为容易,只要给功放输入全频信号,将功放与音箱连接在一起就可以实现全频放音;第三,需要的功率放大器少,一般一台功放可以带两只全频被动分频音箱,故系统成本较低。

  被动分频的不足是:首先,分频网络要承担加到扬声器上的很大功率和电流,所以要用较大体积的电感,而且由于电感的参数与扬声器阻抗有着直接关系,而扬声器的阻抗又是频率的函数,与标称值偏离较大,因此误差较大,计算较难;其次,功率放大器输出的功率音频信号通过电容和电感滤波器后,必然会由于电容和电感的非线性而造成失真,声音失真再所难免;第三,从功放输出的音频功率信号,每经过一个电容和电感器件都会造成功率信号的损失,所以被动分频的功率信号损失较大;最后,分频衰减率不能做得太高,一般最大12dB/倍频程,分频交叉区域的干扰偏大,这是因为被动分频器提高分频衰减率的途径是增加电容器或电感器,也就是滤波阶数,但是增加电容器或电感器的个数,就意味着随之增加信号失真和功率损失,提高分频衰减率的结果是带来了其他更多的问题。

  顾名思义,被动分频是一种“无奈”:的分频方式,功放输出的全频功率信号不得不要分频,不分频就会导致一系列问题,故只能被迫将功率信号分频处理。民用音箱为了降低系统成本,全部采用被动分频方式。专业音箱由于与民用音箱在要求、听音主体以及使用人员等方面存在着很大的不同,故除了被动分频方式音箱外,还有主动分频方式音箱。

  2、主动分频器

  主动分频器是一种将全频音频弱信号进行分频的设备,一般由有源电子线路分频系统构成,其特点是分频系统位于功率放大器前,将全频音频弱分频后,把低音、高音或低音、中音、高音信号分别送至各自功率放大器,然后由功放分别输出到低音、高音或低音、中音、高音扬声器,这种方法被称为主动分频,因工作在弱信号情况下,故可用小功率的电子有源滤波器实现分频。

  被动分频的音箱的各扬声器单元均设有自己的功率信号接口,有些高、低音分离式音箱可以有主动分频和被动分频两种连接方式,这类音箱的背后都设有主动分频(AcTIve)与被动分频(Passive)转换开关,有些音箱上的这种转换开关还装有锁定机构,避免发生误拨动情况。当采用主动分频方式时,一定要将分频方式转换开关拨到“AcTIve”一边,将高音功放接高音(Hi2h)输入、低音功放接低音(Low)输入。

  主动分频的优点很多,一是由于采用弱信号电子线路信号进行分频处理,故声音信号损失小、失真小,再现音质好;二是分频衰减率可以较被动分频做得更高,达到24dB/倍频程很容易,分频交叉区域较被动分频小得多,分频交叉区域中的高、低音单元声音之间的干扰基本上被克服了;三是可调性好,电声指标高。

  主动分频的不足没有一条是涉及音质方面的,其主要问题在于:一是成本高,投资大。由于主动分频方式高、低音每路分别要用独立的功率放大器,故使用功率放大器多,如一对二分配音箱要用两只功放推动;二是增加一台电子分频器,这就使得在连接和调整方面增加使用难度。

  四、功放详解

  功率放大器简称功放,俗称“扩音机”,是音响系统中最基本的设备,它的任务是把来自信号源(专业音响系统中则是来自调音台)的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

  功放的组成

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  功放的性能指标

  输出功率输出功率:单位为W,由于各厂家的测量方法不一样,所以出现了一些名目不同的叫法。例如额定输出功率,最大输出功率,音乐输出功率,峰值音乐输出功率。

  音乐功率音乐功率:是指输出失真度不超过规定值的条件下,功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

  峰值功率峰值功率:是指在不失真条件下,将功放音量调至最大时,功放所能输出的最大音乐功率。

  额定输出功率额定输出功率:当谐波失真度为10%时的平均输出功率。也称做最大有用功率。通常来说,峰值功率大于音乐功率,音乐功率大于额定功率,一般的讲峰值功率是额定功率的5--8倍。

  频率响应频率响应:表示功放的频率范围,和频率范围内的不均匀度。频响曲线的平直与否一般用分贝(db)表示。家用HI-FI功放的频响一般为20Hz--20KHZ正负1db.这个范围越宽越好。一些极品功放的频响已经做到0--100KHZ。

  失真度失真度:理想的功放应该是把输入的讯号放大后,毫无改变的忠实还原出来。但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较,往往产生了不同程度的畸变,这个畸变就是失真。用百分比表示,其数值越小越好。HI-FI功放的总失真在0.03%--0.05%之间。功放的失真有谐波失真,互调失真,交叉失真,削波失真,瞬态失真,瞬态互调失真等。

  信噪比信噪比:是指信号电平与功放输出的各种噪声电平之比,用db表示,这个数值越大越好。一般家用HI-FI功放的信噪比在60db以上。

  输出阻抗输出阻抗:对扬声器所呈现的等效内阻,称做输出阻抗

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  功放的工作原理

  功放的工作原理其实很简单,就是将音源播放的各种声音信号进行放大,以推动音箱发出声音。我们以常见的D类功放工作原理来详细解说:

  D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态,不耗电。工作时,靠输入信号让晶体管进入饱和状态,晶体管相当于一个接通的开关,把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电,实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关,而与信号输出的大小无关,所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下,D类功放的效率为100%,B类功放的效率为78.5%,A类功放的效率才50%或25%(按负载方式而定)。

  D类功放实际上只具有开关功能,早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而,开关功能(也就是产生数字信号的功能)随着数字音频技术研究的不断深入,用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。20世纪60年代,设计人员开始研究D类功放用于音频的放大技术,70年代Bose公司就开始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率,另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放,两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。

  图1是D类功放的基本结构,可分为三个部分:

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  第一部分为调制器,最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端,另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时,比较器输出为高电平,反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2,则比较器输出的高低电平持续的时间一样,输出就是一个占空比为1:1的方波。当有音频信号输入时,正半周期间,比较器输出高电平的时间比低电平长,方波的占空比大于1:1;负半周期间,由于还有直流偏置,所以比较器正输入端的电平还是大于零,但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少,方波占空比小于1:1。这样,比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形,称为PWM(PulseWidthModulaTIon脉宽调制)或PDM波形。音频信息被调制到脉冲波形中。

  第二部分就是D类功放,这是一个脉冲控制的大电流开关放大器,把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率有负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。

  第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单,只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大,RC结构的低通滤波器电阻会耗能,不能采用,必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1:1的脉冲到来时,C的充电时间大于放电时间,输出电平上升;窄脉冲到来时,放电时间长,输出电平下降,正好与原音频信号的幅度变化相一致,所以原音频信号被恢复出来,见图2。

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  D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太大意义,更重要的开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍,且要求保持良好的脉冲前后沿,所以管子的开关响应要好。另外,整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。所以,饱和管压降小不但效率高,功放管的散热结构也能得到简化。若干年前,这种高频大功率管的价格昂贵,在一定程度上限制了D类功放的发展。现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域,特别是近年来UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上应用,器件的障碍已经消除。

  调制电路也是D类功放的一个特殊环节。要把20KHz以下的音频调制成PWM信号,三角波的频率至少要达到200KHz。频率过低达到同样要求的THD标准,对无源LC低通滤波器的元件要求就高,结构复杂。频率高,输出波形的锯齿小,更加接近原波形,THD小,而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器,造价相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升,无源器件中的高频损耗、谢频的取肤效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会出现射频干扰,所以调制频率也不能高于1MHz。

  同时,三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。所以要实现高保真,出现了很多与数字音响保真相同的考虑。

  还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。该低通滤波器工作在大电流下,负载就是音箱。严格地讲,设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去,但作为一个功放产品指定音箱是行不通的,所以D类功放与音箱的搭配中更有发烧友驰骋的天地。

  功放的作用

  功放的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大,推动音箱放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。

  功放,是各类音响器材中最大的一个家族,其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后,产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能,不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。

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