提供各种音量的平面扬声器设计

提供各种音量的平面扬声器设计

与一般的理解相反,平面扬声器既可以是一种产品面板,也可以是优质音源。

  关于如何再现声音并同时提供封装优势,要推翻已有80年历史的传统思想,可不是件容易的事情。自从ChesterWRice和EdwardWKellogg于20世纪20年代中期在通用电气公司发明动圈驱动部件以来,常规扬声器一直像活塞那样工作。它们始终以这种方式工作,而不论它们的换能方法是电磁式,静电式,或是压电式。如同水中的桨一样,它们借助较硬的振动膜使空气运动,并由此发出声音。由于这个原因,多数扬声器驱动部件的振动膜是圆锥形,或者,在高频扬声器中,是圆顶形,这使它们的刚度比您在平面型扬声器中轻松达到的刚度高得多(见附文《设计工具也很特殊》)。
  实际上,覆盖低音和中音频率的振动膜材料太软,即使在圆锥形情况下也是如此,无法避免音频工程师所说的“失控”,即振动膜褶曲。褶曲会导致共振,音频业把这种情况看作是优质声音再现的一大障碍。在过去50年,扬声器的发展一直是专注于共振的测量和抑制。
  然而,活塞式工作有一个明显缺点。随着频率朝着空气中的波长可与振动膜尺寸相比的点上升,并超越该点,声音输出变得越来越有方向性,并且扬声器开始“发射音束”。通过把振动膜做得足够小,可以避免这个问题,但是,由于在20kHz(声谱的额定高频极值)时,空气中的波长仅为17mm,这当然太小了,无法在较低频率时产生有用的输出。为了产生特定的声压水平,振动膜的加速度必须是恒定的,意思就是频率每减半一次,它的偏移量必须是原先的四倍。
  这个现象说明了为什么优质动圈式扬声器通常有两个或更多驱动部件:一个大型低频驱动器,它可以使足够多的空气运动来再现低音;一个较小的高频驱动器,由于其直径较短,因此在高音区不会变得太有方向性。即使是这样,由于两种不需要的效应,扬声器的方向性仍然会随频率而明显变化。
  第一种效应最明显,它限制了聆听区,该区域可保持预想音质。高保真音响迷们从多年的音响调整经验中熟悉了立体声“最佳座位”概念,但是这个声音最佳点概念并不能很好地用于听音乐或电影,或其它多种在所有频率都需要宽输出范围的应用。在大型扩音设备中,复杂的驱动部件阵列或特殊形状的喇叭加载可以解决这个问题,但其体积太庞大,价格太昂贵,无法普遍应用。
  其次,非恒定的方向性意味着扬声器的“轴上压力对频率”响应和“功率对频率”响应之间存在差别,它们是在大小为4π球面度的球体立体角上测量的。在正常的混响聆听环境中,这种变化导致听众所听到声音的首先到达分量、早期反射分量和混响分量之间的声谱差别,并且这些分量造成了声染色。
  NXT公司克服了这个与频率有关的方向性问题,并且还带来了其它重要优点。通过摒弃“必须避免共振”这一教条,该公司实现了这一目标。NXT的声音板通过激励并利用共振,实现了自己的优势。它们的行为具有固有的模式性,这就是为什么它们的更正式名称是DML(分布模式扬声器)。

图1,与常规的老牌扬声器(a)不同的是,DML方法在声音板上的关键点使用激励器,以便利用声音板的自然共振模式(b)。

  DML通过激励并利用声音板材料内部的弯曲共振来工作(见附文《DML的历史》)。通过在板的多个点放置一个或多个激励器,可以给这些共振输送能量,激励器在此激励声音板的多种自然模式(见图1)。声音板纵横比的最优选择确保了在很宽的带宽上都具有良好的模式“填充”,并且,正确设定声音板的弯曲刚度、单位面积质量和内部阻尼的大小,就能融合各种模式来产生近乎平坦的功率响应曲线。早期的DML是平面矩形,但NXT公司已经开发了多种方法来设计不同形状和曲率的声音板。
  DML声音板展示了与活塞式扬声器不同的声音行为,原因是它们在那些明显高于声音板基本弯曲模式的频率上的振动具有十分复杂的准随机性。极其重要的是,DML一般并不随频率的提高而成束发射其输出,相反,不论它们多大,它们实际上都保持恒定的、与频率无关的宽方向性,使它们具有独特的伸缩性。同样,由于它们的振动具有复杂的性质,这些声音板还是散射声辐射器,并且这种散射性减少了与房间边界的消极互动(房间边界起着声镜的作用)。
  在DML的商业潜力变清晰之后,VerityGroup立即在1996年成立了一家公司,就是现在的NXT公司,以便进一步开发该技术,并把它授权给多种应用。第一款配备NXT技术的产品是NEC公司于1997年在日本推出的一款笔记本电脑。NXT一直专注于通过基础研究来扩大其IP(知识产权)基础,发展对被许可方的培训,并研制CAD工具,这些工具使被许可方能自主开发NXT产品。不过NXT位于英格兰亨廷顿的技术中心也提供多种设计服务和原型开发服务。
  NXT起初是用不透明材料来制造其声音板,但很快就发现,把DML技术延伸到透明塑料显然将开创IP和产品潜力的新纪元。通过从透明声音板的外围驱动它,您可以把扬声器和显示器的功能融合在一个元件里。SoundVu声音板保持了DML工作的所有声音优点,而且它几乎不占用空间,只是使显示器的总厚度多了几mm而已。用户已经把它建入了大大小小的系统中,从家庭多媒体中心一直到手机,在前种产品中,它把音频源和视频源放在同一个位置,而在后种产品中,把显示器当作扬声器既提高了音质,又通过消除常规微型扬声器及其护栅,为产品外观设计带来了机会。
  更大的声音板一般使用动圈式激励器,但设计者们想要一种更紧凑、更高效的方案,用于空间宝贵的那些产品。为了使SoundVu适合这些紧凑的设备,NXT的科技人员开发了DMA(分布模式激励器),这是一种独特的压电式激励器,它是一种模块型器件,就像它驱动的声音板一样。在比激励器的基本弯曲共振频率更高的共振频率上操作激励器,就回避了把位移器件(压电式换能器)耦合到速度器件(NXT声音板)这一困难,这种耦合一般需要使用大幅度均衡,并因此在低频时需要很大的信号电压能力。
  NXT扬声器的一个基本局限在于它们的工作频率高于声音板的基本弯曲共振频率。大型声音板的工作频率可以低于100Hz,但较小的声音板局限于相应更高的频率。因此,尽管在优化设计中,NXT声音板的带宽非常宽,一般超过8个八倍频程,即2.4个十倍频程,但经常有必要在全程应用中给它们搭配常规的低音扬声器或亚低音扬声器。NXT的科技人员早就意识到:如果单个声音板能在低频像活塞一样工作,在高频像DML一样工作,那么他们就可以避免这种复杂局面,从而实现前所未有的带宽,并保持很宽的声音散射范围。