音箱也超薄 平板扬声器技术透视

有一种另类音箱,叫“平板扬声器”,或称“平面扬声器”、“超薄扬声器”,形体纤薄精致,看上去酷似街上文具店卖的画框。 

近百年来扬声器都是锥形盆外加矩形箱体构成的,组建多声道家庭影院至少要放上五、六个喇叭。庞大的箱体不但占的房间空间太多,地方小了就难以完整布设,而且系统对房间的面积和外形都有不低的要求,组合搭配必须达到一定的技术要求才能获得理想的声场音效。当5.1、6.1甚至7.1声道系统成为家庭影院的标准配置、平板电视堂而皇之进入家庭之时,人们尤其希望形体粗笨单调的音箱也要窈窕起来。为适应加速发展的薄型化AV产品市场需求,世界各大音箱品牌厂家无不绞尽脑汁为产品瘦身,力求既能简化系统而又不降低影院效果,满足消费者的需求。目前已有多家电子产品生产商开发可安装在液晶电视机、等离子电视机等显示屏外框或独立搭配的超薄型平板扬声器

看那些国画,其实他们都是扬声器
方兴未艾的平板扬声器,既平且薄,与平板电视搭配相得益彰,并且前后方声音是一样的,无论身处房间哪个位置都能听到最佳的声音,这与指向性较强的锥盆和号筒喇叭音箱有很大有区别。业界人士认为,平板扬声器堪称平板电视的绝配,市场应用前景广阔。

平板扬声器的技术源流

英国verity公司和NCT公司,在1996年先后公布研制成功了新奇的超薄平板扬声器。Verity公司的NXT的扬声器采用的是电磁式驱动器,而NCT公司采用压电陶瓷驱动器。

NXT技术和公司的产生很有趣。八十年代末期,工作于英国航空部门下属的DRA的Kewneth在试图用阻尼平板隔断战斗机驾驶舱内的背景噪声时,意外地发现这种平板不是在吸收声音,反而是在发音。于是,Kewneth想到了利用这种复合平板材料来制造扬声器。申报专利后,被拥有多家音箱品牌的Verity集团注册。1996年9月NXT公司公布成立——新传输器有限公司(NXT),专职发展和治理该专利技术的许可事务。

平板扬声器振动板采用碳纤维和纸质材料,不需要箱体,重量非常轻,频响范围很宽,音质不错。这类产品是扬声器制作技术的重大突破,其厚度最薄的为3mm,最厚的不超过25mm,有效辐射面积随设计而定,大小在25cm2到100m2范围内。

平板扬声器系统的优势

没有箱体、没有高音单元和分频器的平板扬声器系统,具有低失真、宽角度指向性、声音辐射范围大等优秀的物理性能,因此有着出色的声场表现,声音自然、音质通透纯净,尤其是在中高频段的范围内,更有着传统扬声器不可比拟的优势。

无需箱体和障板

平板扬声器将振膜做成平面,其前后两面所产生的声波相位是同向的,并不需要箱体和障板,所以彻底消除了木质音箱所固有的箱振、木板声染色(声染,即声音染上了节目本身没有的一些特性,这实际就是一种失真)等弊端,声音表现得更准确,更柔顺自然。

传统音箱的章板
传统扬声器的纸锥作活塞式运动,其正面发出的声音和背面产生的声波是反相的,声能是相互抵消的,因此传统的音必须用一块大障板和一个箱体来隔断振膜前后不同相位的振动,以防止声能抵消。这不但粗笨,而且必然导致功率的利用率只有一半。而平板扬声器得益于分布模式复杂的辐射特性,以及远场辐射元之间互不相关的相位特性,音板前后声音振动方向完全一致,所产生的声波也是同相的。从背面发出的声音,不仅不会与其正面发出的声音功率互相抵消,反而会很好地叠加在一起。所以不仅不需要传统扬声器系统中用于隔离前后声波以免相互抵消的音箱箱体,而且声压级还增加了3分贝。

不再需要高音单元和分频器

平板扬声器随机振动,不再需要高音单元和分频器。虽然目前平板扬声器技术还无法使振膜产生随机振动,但可以做到非常接近这一状态。其技术要点就是使振膜产生均匀分布于频率范围内最大数量的弯曲波谐振。这种复杂的振动近似于随机振动,从而使指向性得到极大改善。无论音板面积多大,其高频上限都可做到18kHz,而且指向性远远优于传统扬声器,哪怕听众位于与音板平面垂直处,高音也不会明显减弱。

平板扬声器的震动方式
传统扬声器的声波扩散形式是直接扩散型,存在最佳听音位置,需要较严格的摆位。在低频段,振膜的位移随着信号频率的上升以每倍频程12分贝的速率下降。而此时空气中的声波波长远大于振膜的尺寸,振膜辐射阻抗的实数部分随着频率的增长,以几乎和振膜位移下降同样的速度在增加,因而使功率输出基本上保持恒定。但随着频率的继续上升,当空气中声波波长降到与振膜尺寸相当时,会出现一个质的变化。辐射阻抗的实数部分在达到一个极限值后不再继续随频率上升,而保持为常数。这时振膜的声功率输出开始以每倍频程12分贝的速度下降。虽然轴向的声压下降并不太多,但振膜的声能输出却被限定在一个越来越小的空间角度内。为解决此问题,可使用一块小振膜,小到让辐射阻抗曲线的拐点处于可闻频率范围之上。但为了产生低频所需要的音量变化范围,这块振膜就必须能承受极大的振幅。所以,扬声器设计者大都被迫妥协,将振膜的多个驱动单元尺寸递减。大振膜单元提供播放低频所需要的音量变化范围;小振膜单元在更高频率时发挥改善指向性的作用。但采用分频器分隔频率又会带来一系列副作用,诸如相位失真、无功负载增大、与电容特性及电感线圈的铁芯饱和特性相关的音质问题等。即便采取了上述措施,扬声器系统的指向性仍然无法令人满足,听众偏离扬声器轴线的角度越大,高音就被削弱得越厉害。

锥形扬声器的结构必须要分频器
平板扬声器技术彻底放弃了传统活塞式运动的设计,采用一块整个表面几乎是随机振动、而不是规律性振动的振膜来取代。在其受到某种激励以后,音板上每一个面积单元都能作相互独立的无规则振动,以至于我们可以将整块音板设想成是一个由微型扬声器组成的阵列。每个微型扬声器单元都辐射一个非相关的信号,但它们的信号又最后合成在一起,从宏观上形成一个我们所需要的声学输出。这种随机振动的平板与常规振膜大相径庭,因为其功率是被直接输出到相对频率恒定的平板机械阻抗之上的。

由于平板扬声器音板的机械阻抗取代了原来辐射阻抗的地位,靠近平板的空气是以随机方式运动的,这样就降低了有效的空气载荷,成为有效功率的消耗者,因而使辐射阻抗就并不显得重要了。当外力为常量时,其速度也是常量,从而其输出声功率与频率无关,扬声器的指向特性不再受到振膜的尺寸限制,无论辐射面积做到多大,都不会使高频输出被限制在前向轴四周的一个狭窄空间角内。

振幅小、功率过载能力强

传统活塞式扬声器运动振幅很大,低音扬声器工作时典型的振幅峰值为十多毫米,由此带来了一系列的问题:音圈的部分线圈跑出气隙匀强磁场区而引起的失真、定位支片和纸锥折环超出其线性弹性范围而引起的失真、各运动部件的疲惫失效等。而平板扬声器技术中频段的典型振幅是以微米为计量单位的,激励器线圈的位移极小,不会出现音圈部分线圈跑出气隙匀强磁场区或弹性元件超出其线性弹性范围等情况。不仅发音板的振幅非常小,功率过载能力很强并无普通扬声器中由于大振幅而引起的各种机械损坏问题,而且驻波谐振之忧。

平板扬声器可以承受更大的功率负荷
传统扬声器工作时会在音箱内产生无用的声波,造成的有害振动(驻波谐振),声波在碰到边界时会发生反射,致使形成抵消性干涉,使得室内声场有大量谷点(声强的最低点)。当变换听音位置的时候音色平衡的变化很明显,加上其较尖锐的指向性,使得室内声学设计、家具摆放、听音位置的选择等都变得十分重要。而平板扬声器将振膜做成平面,音板与传统扬声器的辐射扩散性表现得大不相同,它的声音并不是从空间中一个固定点发出的,发散性的声波在碰到边界时,边界产生共鸣,故室内声场不会产生谷点。加上它具有前述指向性好和声压级随距离改变而下降的速率小等特点,因而其声音在房间内的分布非常均匀,是传统扬声器所无法比拟的,即使在典型的最佳听音区以外,也能表现出良好的声音定位性能。

声能可以传播得更广

由于平板扬声器的发声是从整个平面均匀发出的,而非传统扬声器的点声源,其声音是一个发散的声场,声波的扩散是漫射型的,所以声音可以传播得更远。

平板扬声器可以有效减少指向性的局限
传统喇叭是点声源,声源产生的声音响度与距离的平方成反比,中、高频,非凡是高频有较强的指向性。距离增加,音量就迅速下降。在其轴线上,声压与距离的关系理论上遵循“平方反比定律”,即每增加一倍的距离,声压就减小到四分之一,也就是声压级降低6分贝。当聆听者偏离扬声器轴线时,中高频会衰减得更快,明显感觉到声音中应有的高频成分少了。

平板扬声器是面声源,声压随距离的变化接近于线性关系,距离与平面线度差得不远,音频的中高频部分并无指向性。即每增加一倍的距离,声压只减小到二分之一,也就是声压级降低3分贝。所以,平板扬声器所发出的声能比传统喇叭是点声源传播得更远,并且不存在“SweetSpot”(最佳听音位置,俗称“皇帝位”),在房间里的任何位置听都是一样的声音。即使把两只平板扬声器摆放在一起,对音质也不会有太大影响。

未来更有出色的表现

相比传统扬声器,平板扬声器平面发声,偏移振幅极小,没有困扰传统扬声器的“反电势”问题,瞬态响应极好,音质通透纯净、高音清楚细腻,空间深度感良好(器材对音乐中突发信号的跟随能力)。即使发音板受到相当程度的遮挡,也不至于对音质产生明显影响。但限于目前的技术条件,平板扬声器的频响曲线还不算太理想。比如高音部分普遍发干、发涩、发劈,当音量调过1/2后,有明显的失真感。其次,重低音单元与平面音箱之间的音频衔接也尚不尽人意。当然,采用一定的技术可避免,不过现在的还难以实现。

为了最大限度改善平板扬声器系统的音质,生产商大多把平板音箱与低音炮搭配组成一个完整的产品。这样一来,整个产品的表现力就加强许多了。对于普通用户而言,这样的设计已足能满足日常聆听需求了。不过若以发烧友的耳朵从Hi-Fi的角度来挑剔的话,其性能指标依然不够理想。从世界电子产业的发展角度来看,产品薄型化已经业界的共识,市场发展的主流趋势。随着AV产品薄型化的快速推进,平板扬声器技术也将进入到一个新的发展阶段。相信在不久的将来,平板扬声器必将会有更出色的表现!

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