SoundBar音箱超低音扬声器系统中低频响应调谐与电路结合

刘涛

摘 要：本文表述了Sound Bar音箱超低音扬声器系统设计当中，高通滤波器，低频提升等电路的带入对扬声器系统频响以及瞬态，单元的振幅的影响。并说明这些电路的带入给超低音扬声器系统带来优缺点。

关键词：超低音；低频响应；振幅；瞬态；滤波器

扬声器系统：由一个或几个扬声器和相应的附件如箱体、号筒、分频网络等组成，作为驱动电路和周围空气耦合的设备。扬声器系统的目的是获得所需声压频率特性，声场分布及特殊声效果等。

超低音扬声器系统是指由一只或多只扬声器单元组成的，重放不超过120Hz以上频率的扬声器系统。超低音扬声器系统按照驱动方式分为：有源超低音系统（ active sub- woofer）以及无源超低音系统（ passive sub- woofer）。

随着多媒体技术的发展，越来越多的音频重放场合使用到了超低音扬声器系统，现有市场销售的扬声器系统当中，数字多媒体电脑音箱，家庭影院音箱，专业场馆演出音箱都配备了超低音扬声器音箱来组成一个完整的多声道重放扬声器系统。使用场合的不同，对于设计的侧重点会略有差异。

本文将以Sound Bar家庭影院扬声器系统中的式有源超低音为主要说明对象。现有市场上，绝大部分的超低音扬声器系统都是采用倒相箱设计，所以本文论述的低频响应调谐均是以倒相箱为基础。

调谐就是指把特定的音箱尺寸和调谐特性相结合，从而产生平坦或者不平坦频率响应的一个调整的过程和动作。

基本的调整方式有两种，辅助式与非辅助式。辅助式调整由 Thiele先生率先倡导，需要某种类型的电子滤波器作为等化之用，以达到特定的响应目标。非辅助式调整则不需要电子等效电路就可以得到预定的响应。由此可见，绝大部分的有源超低音都是采用辅助式调整，而无源超低音系统则属于非辅助式。

对于非辅助式调整，也分为两类：平坦响应与不平坦响应。下面简单说明几种平坦与不平坦响应的特点。

平坦响应有如下六种调谐：

SBB4：超级四阶轰鸣箱（super Fourth- order boom box），它所要求的单元Qts值比BB4调诸的还要低，可以视为BB4响应在扬声器单体低Qts情况下的延伸，它的特征是音箱的体积较大，较少的调谐作用以及良好的瞬态响应。

SC4：四阶副契比雪夫（ Fourth- -order sub-chebychev）調谐。所需单体的Qts值比C4（四阶契比雪夫）响应还要更低些，其音箱尺寸与F3大致与SBB4相同，但是SC4的瞬态响应比SB84要逊色一点

QB3：准三阶巴特沃斯（ Third- order Quasi- Butterworth）调谐。这是目前最为大量使用的种调谐方式，这是因为可以在相同的单元Qts值下，设计出较小的箱体以及较低的F3但是它的瞬态响应不如SBB4以及SC4。

此外还有三种独立的调谐，分别为B4：四阶巴特沃斯（ Butterworth）响应，亦称为最平坦响应：BEA：四除贝塞尔（ Bessel），亦称为线性响应，具有最佳的瞬态响应；最后一个是基本上很少用到的1B4：四阶交互式巴特沃斯响应（ Butterworth inter- Order）。这三种调谐之所以称为独立调谐，是因为这些调谐仅有唯一对应的扬声器单元Qts值，而且由于音箱泄漏Q1会影响到独立调谐的参数值，所以很难采用这几种独立调谐来调试倒相箱。

在不平坦响应调谐中，通常可以使用Qts值比较高的扬声器单元，不过瞬态和频率响应方面就要差一些，但是如果能够接受由此带来的瞬态以及频率响应变差的负面效果，同样的单元，不平坦调谐可以带来更低频的F3。

C4：四阶契比雪夫高通响应，亦称之为契比雪夫等效滤波调谐（Chebychev Equal RippleAlignment），可以得到涟波小于1dB的响应。

BB4：四阶轰鸣箱（ fourth-order Boom box），它的特点是在接近衰减频率的地方有一个尖峰，如果尖峰很大，就如同高Qtc的密闭音箱，Qtc>1.2.

SQB3：超级准三阶巴特沃斯响应（Super Third-order Quasi-Butterworth），它具有比QB3更高的Qts延生。

以上所叙的非辅助式调整六种平坦调谐以及三种不平坦调谐，已经有大量的文章书籍做了详细的说明，在本文中将不做详细的推导计算，以及列举具体的应用实例和模拟。

而辅助式调整则是通过修改功放前级电路，与原有的箱体响应相结合从而得到一个新的响应特性，在设计调试一个超低音音箱时，有时候一些单独依靠单元与箱体配合并不容易达到预计的频响要求，可以借由一些电路来实现，如在超低音系统里面就是经常会用到 q-boost电路，即低频提升电路以及高，低通滤波电路等等。应用这些电路、通常可以达到降低B频率点以及得到更加陡峭的衰减斜率等效果。但在加入电路后，会因为电路的特性带入延时，此群延时特性叠加在箱子本身的群延时特性上，会带来群延迟增加、瞬态特性变差以及在提升点单元位移增大的这些负面效果。

下面将采用FOCAL公司型号为8V441的单元来做一系列的模拟以及对比，用以说明在加入了Q-Boost电路以及HP、LP滤波器之后、使用辅助式调整法与非辅助式调整法的超低音之间有些什么样的变化。同时还将通过模拟的结果，来说明采用轴助式调整法的超低音扬声器系统会有哪些得失。

先模拟采用QB3响应进行箱体的设计，箱体容积为20L，Fb为43Hz，F3为55Hz，单元的Xmax4.5am。

该设计在各种功率下的振幅一频率特性，可以看到，扬声器单体振幅在低于Fb区域急速上升，1W-10W-60W状态下，在20Hz处分别达到了1.9m、5.9mm、10.9m。显然从10W开始，20Hz处振幅已经开始超出单元的线性振幅。而在60W状态下，20Hz处已经大大超出了单元的线性振幅区域。

群延时特性可以看到，在1W-10W-60W状态下，40Hz处群延迟分别为6.6ms、6.1ms、5.1ms，考虑到通常有源超低音系统都带有LP（低通）滤波器，为模拟这样的情况，将低通滤波器的影响加入到低频响应当中，其中低通滤波器没有附加任何的增益，形式为四阶巴特沃斯，-3dB点在150Hz。得到以下的结果：60W、10W、1W状态下的对比，中可以看到，加滤波器之后，频响曲线已经由之前的高通响应曲线改变为一个带通响应曲线，在有效通带范围之内的灵敏度，加滤波器与未增加滤波器的并没有任何的区别。

而增加滤波器之后，在接近滤波器Fc点附近直至更高频率，振幅开始下降直至无限接近于0。

在群延迟响应中可以清楚的看到，在带入低通滤波电路之后带来的总体群延退略有增加。

前面提到，有源超低音系统通常会增加一个Q- boost电路（即低频提升电路），以达到降低F3频率点、拓宽带通宽度、以及得到更加陡峭的带外衰减斜率。下面的将模拟在以上基础上增加一个Q一 boost电路的结果，以观察频响、振幅、群延迟等相关参数在増加这个电路之后有何区别。

增加的这个Q- boost电路，提升频率点55Hz，提升通带Q值为2，提升量为3dB。

在加了低频提升电路之后，频响的有效通带增加了，在以55Hz为中心的两侧区域，频响均有明显的提高，这样F3从之前的55Hz降低到了49Hz，从而低频低端的衰减斜率也有所提高。就频响来看，低频提升的目的得到了体现。

而加了低频提升电路之后，在20Hz处，振幅并没有什么变化，而在提升频率点55Hz2的位置为中心，向两侧区域延伸，振幅曲线却有明显的变化，60W状态下最大增加了1.2m，在Fb以上区域，最高点达到了4.6im，而原来只有3.5m，从振幅曲线可以明显看出，在Fb以下频率，且远离提升频率点时，振幅曲线开始急剧上升直至次声波段，这与没有增加提升电路是一致的，提升电路在振幅上，改变的只是以提升频率点为中心的两侧区域。而这个区域的大小，与提升的量以及提升通带的Q值有关。

群延迟响应的前后变化可以看到，同样跟振幅曲线一样，以提升频率点为中心的两侧区域发生了變化，最大值出现在了提升频率点55Hz处，达到了12ms。群延迟曲线清楚的验证了之前提到的带入电路之后群延迟响应会变坏的观点。

三个对比结果分析：

就频响来说，增加电路可以调整原来的频响特性，尤其是当原频响不满足要求时非常有用。

而就振幅而言，虽然在某个区域增加了一些振幅，但是从数值来看，没有超出单元的Xmax限制（4.5mm），这个结果还是可以接受的。

而群延迟响应问题，需要进行综合的考虑，在听感上进行权衡。就超低音扬声器系统而言，单纯的群延迟响应曲线只能说明片面的问题。虽然从技术角度看，平坦的、极低的群延迟响应曲线是最具有吸引力的，但实际的工作经验表明12ms的群延迟响应也并不是一个灾难性的结果。

综上所述，唯一的问题是，Fb频率以下振幅急剧上升并达到远远大于Xmax这个问题并没有得到解决。解决方案就是增加一个高通滤波电路，在接下来的分析当中，会使用一个四阶巴特沃斯高通滤波电路来进行控制，截止频率起点为35Hz，不带增益。

从高通滤波器加进去之后，高通部分的斜率更大了，就意味着40以下须段的输出是急剧的减小，但是并没有影响到通带的有效宽度。

增加高通滤波器的主要目的就是要有效的较低Fb以下频段的振幅，显示的结果来分析，这个目的已经完全达到，在Fb以下频段，振幅不再是单调的急剧上升，而是呈平缓状态，与没有高通频率器的振幅曲线相比，有着非常显具的变化，一个是急剧上升，一个却是缓和的降低。这个结果表明高通滤波器有效的解决了FB以下频率振幅过大的问题。

群延退又一次大大的增加了，在32Hz处甚至达到了26ms之高，与没有附加任何电路的群延迟对比而言，足足増加了将近20ms之多。

结果来分析，在30Hz处，声压级比平坦区域已经足足下降了24dB，输出急剧衰减。这部分频率很低输出也同样很低的频段，虽然有比较高的群延迟，但从听感上来讲，并不是让人不能接受。如此高的群延迟主要还是受电路的影响。而且从有效频带来看，从4OH-160Hz的两个倍频程范围内，群延迟是从22ns到5.2ms之间，并不是一直维持在一个很高的水平。所以就群延退升高这个负面效果而言，与其得到的正面效果对比是完全值得，也是完全可以接受的。

结论

经过以上的分析以及得到的结果，通常我们需要在超低音系统功放的前级部分增加一个阶或者四阶的高通滤波器，这样做的好处就是可以有效的消除Fb以下频段单元位移急剧上升带来危害，并有效降低倒相管的气流噪声，并得到更低的F3频率.通常Q- boost提升频率点设在高通滤波器截至频率点以上，所以Q-boct电路提升带来的单元振幅位移增加还是实实在在的影响到扬声器单元的功率承受能力，这是要求在设计单元时需要考虑一些功率余量的一个因素。同样也需要在设计扬声器单元时就考虑到整个的系统设计，在功率设计方面就事先考虑到采取哪些措施来达到系统要求的目标。且特别针对于超低音音箱这一特定目标进行开发的扬声器单元，都必须与音箱箱体以及功放电路进行结合来进行相关的设计。

参考文献

[1]电声专业情报网《电声词典》编写组.电声词典（第二版）

[2]北京：国防工业出版社