扬声器的高频特性

　　扬声器的高频范围同样没有严格的界定。音乐中乐器频谱有一个现象，其高频部分的能量同中频相比有下降的趋势，在高频部分振幅比较小。图1是测量得到的各种广播节目声的频谱。但是高频部分的能量减少，并不意味高频部分不重要，恰恰相反高频部分对体现音色的完美、特征、完整是不可缺少的，它展现了音乐的华彩和细节。失去了高频，乐队合奏的那种灿烂辉煌将不复存在。

图1  各种广播节目声的频谱

　　图2是一张各种乐器的频率范围图。和在其他资料看到的类似图表有所不同，频带要宽一些，是满足不改变音色必须具有的频带范围。因为不论什么乐器、什么声音都有众多的高次谐波。根据傅里叶分析，任一种乐器的波形可以由无穷多的谐波组成，其频率趋向无穷大(频率愈高的谐波其相应的振幅亦愈小，在一定程度可以忽略)，这就是扬声器高频部分的重要。甚至为了重放高频，生产专用的高频扬声器。在数字技术迅速发展的今天声源设备如 SACD、DVD-Audio 等具有很宽的频率范围，对扬声器高频部分有更高的要求，甚至重放高于20kHz的超声波范围(对此音响界还存在不同看法)。

图2 为了不改变音色必须具有的频带范围

高频重放的上限

　　作为扬声器的输入信号，频率是没有限制的。扬声器频率重放的上限是音圈振动不能传到振膜的频率。从等效电路讲，相当于在音圈与振膜之间插入一个弹簧。

　　图3和图4分别是扬声器的高频等效电路和高频重放上限fh附近的模型。

图3  fh附近的等效电路

图4  fh附近的模型图

　　根据这个等效电路，求出振膜速度VL最大时的频率。这时声压出现一个高的谐振峰值，这个谐振频率被称为高频重放上限频率fh, 高于此频率时声压输出急剧下降，有

　　式中    m1--音圈质量;

　　m2--振膜质量;

　　Sn--振膜根部的劲度=πEhcos²θ/sinθ;

　　E--振膜的弹性模量;

　　h--振膜根部的厚度;

　　θ--振膜的半顶角。

　　由此可知要提高扬声器高频重放上限术，可减轻振膜及音圈质量，选用弹性模量高的、半顶角小的振膜。许多扬声器设计师都有经验，中心胶软硬程度不同，会影响高频性能。在振膜根部浸胶是改善高频的应急性措施。早年在工厂为了减低扬声器的高频性能，提出一种被称为“高频滤波器”的结构，如图5所示在振膜根部加一折环，可以有效降低高频。

图5  在振膜根部加一折环

　　需要强调的是，扬声器各种性能之间是互相平衡、互相牵制、互相关联的，往往是此消彼长、此伏彼起，如选用弹性模量高的振膜，可将高频上限提高，但却带来后沿瞬态特性坏、音质不柔和等一系列问题。所以综合权衡是扬声器设计师的主要工作。

高频特性与振膜几何形状的关系

　　扬声器的高频特性与振膜的几何形状有密切的关系。图6表示振膜形状对高频特性影响的一种倾向。常见的振膜截面几何形状有抛物线型、直线型、指数型，还有介乎之间的弧型，如图7(a)所示。抛物线型半顶角较大，曲线中频平坦高频有一个峰值，通常在低频扬声器中选用，在使用时用分频网络除去峰值部分。指数式振膜具有宽而平坦的频响。早年笔者曾严格按指数曲线设计了一只300mm扬声器，其高频上限接近20000Hz。但是模具制造、振膜制造都要困难得多，限制了它的使用，而直线式、圆弧式在生产工艺上优势是明显的，在一般用途扬声器中得到了广泛应用。

图6 振膜形状对高频特性的影响

图7  纸盆形状与高频特性的关系

(a)纸盆的形状; (b)纸盆的形状与高声频特性的关系。

　　综合低频、中频、高频特性可以得到与阻抗曲线对应的频率响应曲线如图8所示。

图8 与阻抗曲线对应的频率响应曲线

高频指向性的改善

　　扬声器在低频状态可以看成一个圆形活塞振动，而圆形活塞的指向性系数为

　　式中 J1--贝塞尔函数;

　　γ--辐射角度;

　　k=2nf/c，为系数;

　　a--振膜半径。

　　图9是根据D的公式画出的指向性图。在高频段振膜不再是活塞振动，而是分割振动，相当于有效半径减小，这是对指向性是有利的，但是高频的指向性总的来说是尖锐的。有些提高高频重放的措施，如减少振膜的半顶角，也会使高频指向性尖锐。

图9 圆形活塞声源的指向性

(a) ka=1; (b) ka=2; (c) ka=3;

  (d) ka=4;  (e) ka=5;  (f) Ka=10。

　　改善高频指向性的方法是采用较浅的振膜和采用声透镜或扩散球。声透镜如图10所示，安装在扬声器的前面，利用声波路径的改变，来使声音扩散，指向性得到改善。有一得又有一失，加了声透镜以后，由于干涉的原因使频率响应曲线出现一个谷值，高频也有所衰减，如图11所示，因此这种方法实际应用并不多。

图10 给扬声器加声透镜

图11 安装声透镜对高频的影响

　　另一种扩散球(亦称相位塞)方式可以改善指向性，如图12所示。这种扩散球(相位塞)后来出现多种形状，有子弹头型、纺锤型、手柄型等。图13是 Lowther PM-4的结构。

图12 扩散球装置

图13  Lowther pm-4的结构图

　　作为一种卖点，相位塞给人新奇感。它牢牢固定在导磁柱上，而不是振动系统，因而改变不了振动系统的频率响应，它能改变的只是声波的传播路径，改善扬声器的指向性。