作者：朱伟,胡泽,王鑫
出版社：中国传媒大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
扩声技术概论试读：
前言
本书从声学的角度系统阐述了扩声技术的基本原理，主要介绍了厅堂扩声和室外扩声的基本特点、技术要求、电声设计及其优化，以及扩声系统网络化的新技术，同时以演出扩声为例说明了扩声中常用电声设备的基本原理及使用方法。全书共分九章：
第一章 绪论
：主要介绍扩声系统的功能、分类、设备组成及工作原理；第二章 声音的传播：主要介绍声音传播的基本知识；
第三章 扩声系统中设备单元的工作原理及应用：主要介绍扩声系统中基本电声器件扬声器及其系统的原理和应用，以及调音台的原理和基本的调音方法；
第四章 室外扩声系统：主要介绍室外扩声的特点和电声系统的应用；
第五章 室内声学：主要介绍室内声学的基本知识；
第六章 室内扩声系统：主要介绍室内扩声的特点，以及电声系统的设计和应用；
第七章 音响系统的集成：主要介绍音响系统的设计流程，以及集成中涉及的恒压分布式系统、线缆特性和重低音等问题；
第八章 EASE软件在扩声系统优化中的应用：主要介绍EASE声学仿真软件在扩声系统设计和优化中的应用等问题；
第九章 网络化扩声系统：主要介绍以太网和CobraNet网络技术在扩声中的应用。
本书是在中国传媒大学扩声技术原用教材的基础上重新编写而成，其中第一章至第七章由朱伟编写，第八章由王鑫编写，第九章由胡泽编写。本书可作为大专院校录音专业、音响工程专业以及相关专业的教材，也可作为从事扩声工作的技术人员和研究人员的参考用书。第一章 绪论
扩声系统的基本作用就是通过建筑声学和电声学的手段使听众、技术和艺术工作者获得所需要的声音信息。
众所周知，自然声源所发出的声功率是有限的。随着声波的传输，声压级会逐渐下降，从而造成在噪声环境下的听音者听不清声音所包含的信息，甚至完全听不到声音。因此，在室内厅堂和室外，需要用扩声系统对声信号进行放大等处理，使听众所处的声场环境有一个令人满意的声压级。
要想达到这样的目的，就要利用室内声学和电声学的手段。比如在古老的教堂中，为布道坛加设音罩，以便增加声音附加的反射，提高特定区域的声压级；而在一些古遗迹中，我们常常会见到船舶中使用的声管装置被用来传输声音。至今这些传统的设施还在使用，因为它们可以满足一些基本的要求，并且基本上不用维护。尽管如此，其系统在多功能性和传输音质等方面的不足，使这些设施已经不能满足当代设计的要求。
电声学的发展为现代扩声系统的设计提供了强大的支持。除了传递简单的信息，再现舞台声场效果之外，电声学的发展为一些全新的应用铺就了道路。比如在一些公共场合的扩声系统中，除了向人们传递一些服务性信息之外，它还有背景音乐和应急信息等等。
扩声系统的最大贡献体现在文化娱乐领域。如今在室外活动、展览会和音乐表演中，扩声系统已经被普遍采用。这时声音信号在拾取后被直接传输和辐射出去（实时工作方式），或者先存储在声音媒体中，然后在以后需要的时候再传输出去（重放工作方式）。对于实时工作方式，因为声音的拾取和放大信号的辐射是发生在同一声场环境中，所以就会产生相互干扰（声反馈），这样的扩声工作就要着重考虑系统稳定工作的问题。
近些年来，扩声技术和电声学的发展不断创造出新的艺术表现方式，比如电子音乐等；同时也为一些古老的艺术表现形式增添了新的表现方法和创作手段。随着科技的进步，扩声技术必将有突飞猛进的发展。
第一节 扩声系统的功能
通常，人们希望扩声系统能够满足如下部分或全部要求：（1）改善声音的可懂度和清晰度；（2）提高声音的动态范围；（3）改善演出中不同声音部分（语言、歌唱和乐器）间的声学平衡；（4）确保“虚拟”声源（声象）和原始声源在视觉和听觉上有一定的一致关系，尤其是在大的或复杂的几何形状的空间中进行扩声；（5）有助于克服复杂声环境给声传输带来的困难；（6）增强演出时观众的参与意识；（7）调整扩声场所的声学参数；（8）增强对空间声学效果的感知，比如对活动声源、空间感和临场感的感知；（9）调整人声和乐器声的电信号特性；（10）进行预编程，以简化技术处理。
其中（1）-（5）是针对基本应用的，（6）-（10）是针对大型的文化演出的扩声系统的。要想满足这些要求，设计出优良的扩声系统，不仅要满足系统的技术指标，而且要满足对声学环境的要求。
第二节 扩声系统的分类
扩声系统的种类很多，可以按照其环境、声源性质、工作原理、用途、声能分配方式和扩声系统的结构分类。
一、按工作环境分类
按工作环境分，扩声系统可以分成室外扩声系统和室内扩声系统。室外扩声的特点是反射声音少，有回声干扰，扩声区域大，声学条件复杂，干扰噪声强，扩声质量受气候条件的影响较大。室内扩声的特点是对音质要求高，有混响干扰，扩声质量受房间的声学缺陷的影响较大。
二、按声源性质分类
按声源性质分，扩声系统可以分成语言扩声系统、音乐扩声系统、信息发布系统、语言同声传译系统、转播系统（如图1-1所示）和已录声音的重放系统（如图1-2所示）等。其中，后两种系统的扬声器和传声器并不处于同一声场环境中。图1-1 电视转播车上的监听系统图1-2 演出场所的返送监听系统图1-3 北京长安街天安门前的公共扩声系统图1-4 地铁站内用于信息发布的扩声系统
三、按工作原理分类
按工作原理分，扩声系统可以分成单声道系统、双声道立体声系统、多声道环绕声系统等。
四、按用途分类
按用途分，扩声系统可以分为室外扩声系统、室内扩声系统和特殊扩声系统。室外扩声系统包括体育场、公园、广场（如图1-3所示）、车站（如图1-4所示）、飞机场等，室内扩声系统包括礼堂、歌舞厅、酒吧、音乐厅、电影院、展览馆（如图1-5所示）、候机（车）厅、会议室、多功能教室、电视演播室等。此外还有其他一些特殊扩声系统，比如紧急报警系统等。图1-5 产品展示发布会的扩声系统图1-6 会议室内吸顶扬声器构建的分散式扩声系统
五、按声能分配方式分类
按声能方式分，扩声系统可以分为集中式系统、分区式系统、分散式系统（如图1-6所示）和混合式系统。
六、按扩声设备结构分类
按扩声系统设备结构分，扩声系统可以分为固定式（如图1-7所示）和流动（便携）式。图1-7 2008年北京奥运会主会场“鸟巢”观众席上方吊装的固定扩声系统
第三节 扩声系统的设备组成及工作原理
扩声设备是指在接收声信号的同时向听众传送信息，并保证声音具有良好可懂度和自然度的一套电声换能和放大设备。
扩声设备的主要作用是将各种声源信号按照具体的扩声要求进行放大、电平调节、动态处理、音质加工、混合、分配和监听等工作。
按照系统中各组成部分的功能不同，可以将其分成四个部分：声源部分、信号控制和处理部分、声信号记录和重放部分、电源部分。
声源部分主要包括传声器、各种模拟和数字式放音设备（专业卡式录音机、开盘式录音机、CD放音机、MD等）、电子乐器（各种MIDI乐器、MIDI音源和电声乐器等），其作用是为扩声系统提供各种所需的电声信号。
信号控制和处理部分主要包括扩声用调音台、声处理设备（压缩器、限制器、延时器、噪声门和均衡器等），以及各种效果设备（混响器、移调器和综合多用途效果处理器等）。其作用是对声源信号进行电平调节，动态处理，音质加工、监听和信号监测，以及信号混合，并且按照需要将各种混合信号分配到不同的输出上。
声信号记录和重放部分主要包括各种模拟和数字式记录设备（磁带录音机、硬盘录音机和光学式记录设备）、功率放大器和扬声器、扬声器阵列、监听耳机等。其作用是将混合后的信号记录到声记录设备上（回放工作方式）和/或直接通过音箱进行扩声工作（实时工作方式）。图1-8 声音信号从信号源到听众的传输流程图
电源部分是保证系统正常运行的关键，一般由单独的相电提供。
思考题1.扩声系统如何进行分类？举例说明每种类型的扩声系统在现实中的应用。2.扩声系统中的电声部分如何组成？各部分的作用如何？
第二章 声音的传播
第一节 声音的波长、速度和频率
一、声音的波长
目前还没有声学仪器可以对波长这一参量进行直接的读数显示，也没有哪个信号处理设备是按照这一参量调校的。在某些应用中，我们可以忽略波长因素，比如在无反射的自由声场空间里使用单只扬声器。而在其他应用中，波长就不再可有可无了，而是起着决定性作用的参量。在进行声波叠加时，波长是要考虑的关键参量。给定频率信号间的混合受声波波长制约，不同波长信号的混合可能产生最大限度的叠加，也可能产生最大限度的抵消。由于我们涉及的工作许多都是和声波混合相关联的，所以要对波长有更深层次的理解。
波长的长短与其在媒质中的传输速度成正比。对于给定频率的声信号，其对应的电声信号的波长与其并不一致（大约比声信号的波长长500000倍以上）。如果媒质发生了改变，其传输速度和波长均会随之变化。最常见的声音传输媒质是空气，声音在空气中的传播速度是最慢的。尽管对于声音传输来说，水是非常好的媒质，其在传播速度和高频响应上均有不错的表现，但是将其作为传播媒质搭建扩声系统存在电击和溺水的危险（花样游泳除外）。
二、声音的速度
在空气中，声音的传播速度大约为344m/s（1130ft/s）。该速度值会随温度的变化有微小的相对改变，表2-1所示为声音在空气中传输的计算公式。表2-1 空气中的声音速度
当环境温度为22°C时，c=（331.4+0.607×22）m/s=344.75m/s
三、声音的频率
在通常的室内环境中，我们可以将温度对声音速度带来的变化忽略不计。可闻声覆盖的频率范围大约从20Hz至20kHz，对于给定频率的声波，波长是指空气中传播的声音波形中连续的波形中重复点之间的距离。计算公式如下：
波长=速度/频率
或者将速度简写为c，频率简写为f，波长为简写λ：
λ=c/f
周期（T）定义为：波形变化一周所需要的时间。
T=1/f
对于f=1kHz时，T=1/1000或0.001s，并且λ=344/1000或0.344m（1.13ft）。
最低可闻声波长的数量级为10m（30ft），而最高声音波长短至20mm（0.8in），两者相差的范围相当大。由此，我们可以得出结论：人们对声音的感知有很大的容限。
尽管大多数专著中都给出了人耳可闻声的频率范围：20Hz-20kHz，但很少有扬声器能够以一定的功率电平很明显地重放出20Hz或20kHz这样极低或极高频率的频谱成分。实际上，我们在讨论问题时，更愿意采用非正规的频率范围限定：31Hz-18kHz。这一频率范围所对应的波长范围，约为航海集装箱的长度到人的手指宽度，最长的波长约比最短的波长长600倍。图2-1所示为短波长所对应的人的肢体长度。表2-2所示为室温下，频率、周期和波长关系的参考表。图2-1 短波长对应的人体基准表2-2 频率、周期和波长参考表（室温下）
频率是为大多数人所了解的参数，因为它与音乐中的“音调”有着非常密切的关系。在涉及音乐术语时，大多数声频工程师首先想到的也是这个词。然而我们必须跳出频率/音调这一简单的关系去思考问题，因为我们的工作是“调谐”扩声系统，而不是为乐器调音。在音响行业里，必须要充分理解频率、周期和波长两两之间在声音传输链路中的关系。频率为1kHz的信号与1ms的周期是密不可分的，其关系与媒质和环境温度无关，也不需要标准化委员会去规定，它是声频领域中少有的具有绝对关系的几个参量之一。如果考虑声音在空气中的传播，那么就需要增加第三个参量，即波长。空气中的1kHz信号对应的波长，相当于普通成人的肘关节到腕关节的长度。
我们已经讨论过的声波当然是指正弦波，它是所有语言和音乐信号的基本组成成分。图2-2所示为正弦波的一些基本特性。需注意的是，相同频率的声波在幅度和相位上可能是不同的。正弦波之间的幅度和相位角关系决定了它们是如何进行混合，这一点无论对声学，还是对电学都是一样的。图2-2 正弦波的特性
第二节 正弦波的混合
从图2-3可以看出，如果将两个或多个具有同样频率和幅度的正弦波信号相加，则最终的信号也具有相同的频率，而它的幅度则取决于原始信号间的相位关系。如果存在120°的相位差，则最终信号的幅度与原始信号中任一个的幅度相同；如果是同相混合，那么最终信号的幅度是任一个原始信号幅度的两倍。如果相位差在120°和240°之间，最终信号的幅度始终小于任一个原始信号的幅度。如果两个信号完全反相180°，那么它们将完全抵消。
图2-3中，点线代表的是某一个信号，实线代表的是最终的相加信号。图2-3 两个正弦波进行相加
存在120°相差的两个相等幅度的正弦波信号混合时，尽管最终信号的幅度是不变的，但产生了60°的相移。
在电路中，很难获得所有正弦分量均有同样相位关系的较为复杂的信号。除了特殊情况，信号都是以0°或180°相位关系进行混合。获得某些特殊相位关系（例如45°）的电路，要想在大的频率范围内仍保持相位关系不变是相当复杂的。如此大的范围，在声信号处理中要采用全通相移网络。图2-4 混合两个随机噪声发生器
在处理像音乐或语言这样的复杂信号时，必须要掌握的一个概念就是相干性。假设我们通过一个高质量的放大器馈送一个电信号，除了有非常小的失真之外，输出信号完全是重复输入信号，只是幅度不同。尽管两个信号不完全一样，我们也称其为高度相干。如果信号通过的是质量较差的放大器，那么输入和输出间存在实质性差异，相干性也不是很好。如果我们比较完全不同的信号，那么任何的相似性完全都是随机发生的，这时我们就将这两者称为不相干的。
当两个不相干信号相加时，最终信号的均方根rms（root mean square）值可以通过将两个信号的相对功率相加计算出来，而不是通过其电压来计算。例如，如果我们混合的是两个彼此独立的噪声发生器的输出，每个发生器产生的rms输出为1V，那么测得最终信号的rms值为1.414V（如图2-4所示）。
第三节 延时正弦波的混合
图2-5a 延时信号的混合图2-5b 相干信号的混合如果将两个具有特定时间差，而不是固定相位差关系的相干大频率范围信号混合时，那么有些频率会加强，而有些频率会抵消。如果延时到达的信号和原始信号混合时，则会产生“梳状滤波”的情况，它改变了信号的频率响应（如图2-5a所示）。延时可以通过使用全通延时网络或数字处理来从电学上实现。在处理空气中传播的声信号时，没有简单的办法可以避免延时的影响，因为声音的速度相对慢一些。
如图2-5b所示为通道间存在1ms延时的两个宽频节目信号混合后的频率响应。同样的节目信号馈送给两个信道，只是幅度相差0.5dB。
图2-6所示为延时的相干信号混合的典型例子。以人们熟悉的室外PA系统为例，单只传声器的信号通过一对相同的分开放置的扬声器重放出来。假定研究的扬声器被安放在舞台正面的两个角落处，彼此相距6m（20ft）。对于舞台中心线的任何位置，来自两只扬声器的信号总是同时到达。但是其他位置到两个扬声器的距离不相等，从一只扬声器发出的声音总是稍迟于来自另一只扬声器发出的声音到达。图2-6表明尽管听音位置仅2.4m（8ft）的变化，却造成频率响应产生很大的变化。以随机噪声作为测试信号，如果听音人从B处走到A处，并且跨越中心线，会听到有嗖嗖的声音，就像汽笛声一样。音质上的改变在接近中心线时最明显，因为在这一区域响应的峰谷在频率上扩展得更开。图2-6 由分开的阵列产生的干扰（梳状滤波器响应）图2-7 图2-6中所示梳状滤波器的可闻效果
图2-6中，实线代表测得的正弦波频率响应；点线代表1/3oct频带响应，当听一般的节目素材时，它十分接近主观的音质
从主观上讲，对于一般的节目素材，只要几个峰和谷产生于每个1/3oct的频带内，那么这种梳状滤波器的影响并不明显。如图2-7所示，实际上，控制因素是“临界频带”。总之，在某一临界频带内产生的幅度变化将不会引起人们的关注。更进一步，人耳响应的是处在那一频带内的信号能量。对于音响系统设计和建筑声学中实际的工作，我们可以假定人耳的临界频带宽度非常接近1/3oct。
在人们喜欢的剧院中，系统是悬吊在头顶居中的地方。在没有相当高度的空间中，一般倾向于使用两个扬声器，分别放置在舞台的两边，并且馈送相同的节目。但是，通常我们不推荐这样做。
第四节 声音的绕射
图2-8 声音沿障碍物的绕射绕射是指声波绕过前进方向上的障碍物继续传播的现象。当声音碰到一种硬质的，不能穿透的障碍物时，声音可能产生反射或绕射，这主要取决于障碍物相对于声波波长的尺寸大小。如果障碍物尺寸相对于波长比较大时，那么它的作用就是相当于一个有效的障碍，对大部分声音产生反射，并且在物体的后面产生可观的“声影”。另一方面，如果尺寸与波长相比很小，那么声音就简单地沿着障碍物绕过去，就好像障碍物不存在一样（如图2-8所示）。
在声波前进的路径上放置一个硬质的，带有穿孔的材料时，就会发生有趣的声绕射现象。这与声音是有关系的，这样的物质并不包括由透射中断的硬质障碍物，这就好像是大量的小的单个物体对开放区域的阻碍一样。在某些频率上，它的波长与孔的间距距离相比较小时，则大部分声音被反射。在这些频率上，声音透过开口的部分传播的比例基本上与开孔和未开孔区域的比例成正比。在较低的频率上（其波长与孔间的距离相比较大时），大部分声音能透过开孔区，尽管开孔区域只占总区域的20%或30%。
第五节 温度梯度、风速梯度和湿度对声音传播的影响
一、温度梯度的影响
如果声音是在室外长距离传播时，那么其行为可能会变化无常，地面之上的温度差（梯度）将会影响声音的传播（如图2-9所示）。声音的折射是指声音传播方向的变化，这是由于其速度会因温度的增高而稍微加快。在图2-9a中，我们可以看到那种常常在傍晚发生的情形，那时地面还是温暖的；而图2-9b中的情形可能在清晨发生，它的这种“跳跃”特性使得听音区域的活跃区和沉寂区得到提升。图2-9 声音传播过程中温度梯度的影响图2-10 声音传播过程中风速梯度的影响
二、风速梯度的影响
图2-10所示为声音传播过程中风速梯度的影响。在这种情况下，声音的实际速度应为在静止空气中的声速加上风速。图2-11所示为在声源的视在方向上交叉风的影响。
在这两个图中所示的影响对于大型的摇滚音乐会可能是很明显的，这种情况下距离可能要有200m-300m（600ft-900ft）的范围。
三、湿度的影响
与大多数人的观念相反，干燥空气比湿空气对声音的衰减要大一些。这种影响是复杂的，应该注意的是这种影响只有在2kHz以上时才十分明显（如图2-12所示）。这就是说随着距离的增加，高频的衰减要比低频的大一些，并且当相对湿度在20%或稍低时，衰减量是最大的。图2-11 在声源的视在方向上交叉风的影响图2-12 相对湿度与空气对声音吸收的关系
思考题1.空气中，声音的速度与温度的关系如何？2.空气中，温度变化对声音传播的影响如何？3.声波信号在空间中传播时所发生的声抵消，与电信号的反相抵消有何不同？4.空气相对湿度的变化对声波传输衰减的影响如何？
第三章 扩声系统中设备单元的工作原理及应用
第一节 扬声器
一、扬声器的分类
现在使用最多的是电动式纸盆扬声器、球顶扬声器、号筒扬声器，还有许多其他类型的扬声器。为了方便起见，我们有不同的分类方法。这些分类方法如下：
二、高保真扬声器的特性
什么是判断高保真重放的标准呢？荷兰飞利浦公司的斯罗特在他的著作中提出，“所谓高保真重放，是指能够听到与现场演奏同样感受的声音”。
但是，高保真重放的标准又因人而异。可以认为至少应该满足高保真重放的必要条件，再加以提高，使之能发出满足个人要求的细微音质。高保真重放扬声器应具备的条件是与扬声器的物理特性相对应的：（1）应有充分的重放声压级；（2）重放频带宽；（3）频率特性平滑；（4）具有适当的指向性；（5）失真小；（6）瞬态特性良好。（一）输出声压级
1.输出声压级和效率
为了进行高保真重放，首先要求重放时应有与原演奏现场相同程度的音量。这是由于当声压级不同时，人们感觉到的声音响度也会改变。重放的声压级与声音响度频率特性的关系，可以用人耳的等响曲线加以解释。如重放时的音量比现场演奏时的音量小时，则会感到低声频不足。那么，在现场演奏时能达到多大的声压级呢？交响乐约为110dB，流行的舞蹈音乐可达120dB。
但是，如果按照这样大的音量重放时，就会令四邻不安。因此，在不改变人耳特性的范围内，音量可取平均值为80dB、峰值为100dB。尽管这样，如果一般公寓相邻房间的隔声能力约为50dB，还会有平均值为30dB、峰值为50dB的声音传出去，这勉强符合住宅区允许的环境噪声标准应为40方（A加权）的规定。
为了从扬声器获得大的声压，扬声器每单位输入功率产生的输出声压级要高，并且要能经受较大的功率。当扬声器输入功率为1W时，相当的电压为1/2
E=Z
式中，Z为标称阻抗（Ω）。
这时距正面轴上1m处产生的声压，在某一频率范围内的平均声-52压级以2×10N/m为标准（0dB），用dB表示的数值称为输出声压级。这里的某一频率范围，在各种标准中有些不同。
一般的扬声器系统的输出声压级，因为有球顶扬声器，所以较低，约为88dB，平均为92dB。目前功率放大器的输出比较大，对输出声压级低的扬声器也能充分驱动，输出声压级至少可达92dB以上。
由扬声器辐射出去的全部声能与加到扬声器音圈的输入电能之比，称为扬声器的效率。纸盆扬声器由于振膜与空气负载之间的阻抗匹配不好，所以效率相当低，一般只有百分之一至百分之几，但扩声用扬声器的效率则可达20%。为了求出扬声器的效率，必须知道扬声器所辐射的全部声能。将扬声器在所有方向辐射的声压求平方后加以积分，就可以得出辐射的声能。然而，确切地求出它的数值是相当困难的。由于在低声频段，扬声器在所有方向辐射的声压基本相同，如果只考虑低声频段，则这一积分可以由圆的表面积的计算归一求得，因而简单得多。由计算结果可以看出，输出声压级为92dB的扬声器，其效率为1%，一般扬声器的输出声压级S（dB）与效率η之间有如下关系：
S=92+10lgη
因此，效率提高一倍，则声压级提高3dB。
2.额定输入功率和最大输入功率
如上所述，扬声器的效率只有百分之几，这样低的原因是由于输入的电能几乎都在音圈中转换为热能，还有一部分能量在纸盆内消耗掉，所以长时间保持大的输入功率状态，音圈的温度可上升到100°C以上。在这种状态下长时间持续使用，会使黏合剂软化、音圈散架、音圈架烧毁。
因此，需要有一个能保证扬声器长时间正常工作的输入电功率，称为扬声器的额定输入功率或容许输入功率。实际测量时，用与节目声频频谱相近似的白噪声，通过特殊的滤波器处理后，作为输入信号，求出长时间（96小时）加给扬声器而不出现异常声，并且工作正常的这一范围的输入功率，即为额定输入功率。
另一方面，对扬声器突然加给大输入功率，会使音圈受到机械损坏，使音圈接线断线。如果突然加给的大输入功率时间极短，而不会使扬声器受到损坏，那么这时的输入功率称为最大输入功率或最大容许输入功率。通常，最大输入功率约为额定输入功率的2-4倍。
扬声器的容许输入功率，会随着音圈所用线径的不同而不同，所以低频扬声器的容许输入功率较大，必须使用细线的高频扬声器的容许输入功率较小。家庭用扬声器系统的容许输入功率应为50w，扩声用的扬声器为200w左右。
驱动扬声器的功率放大器的输出与扬声器容许输入功率之间的关系，是一个值得注意的问题。增加输入功率，放大器的失真将急剧增大，但扬声器的失真却逐渐增大，所以放大器的输出必须保持一定的余量才能获得高保真的声音重放。
在重放音乐节目时，功率放大器的VU表在一分钟内指示出数次峰值时所相当的输入功率，应与扬声器的容许输入功率相符合。这时，节目信号的真实峰值与扬声器最大输入功率几乎一致。采用这种调整方法，就不必担心扬声器的音圈断线。
3.最大输出声压级
对于扬声器的性能，只要给出输出声压级和额定输入功率，就可以求出扬声器正面轴线1米处的最大声压级。这个值称为最大声压级，它表示扬声器音量的综合性能。一般扬声器口径越大，最大输出声压级也越大。另外，由于高保真扬声器比扩声用扬声器更重视音质，所以输出声压级低，最大输出声压级也低。（二）失真
1.谐波失真
声音的音色是由其泛音的数目，以及泛音与基音间的相互关系决定的。由于扬声器的振动系统或磁路系统的非线性，导致其产生谐波失真和互调失真，使声音频谱改变，从而导致声音音色发生变化。但是，由失真产生的谐波成分，如能被基波或原来声级较大的谐波所掩蔽，则这些失真成分就不会被觉察。这样，失真的辨别阈可用掩蔽效应加以说明，理论上得出的谐波失真的辨别阈为0.6%。
2.互调失真
当加给扬声器两个高低不同频率（f，f）的信号时，由于扬声12器的非线性，除了产生这两个信号的谐波外，还会产生这两个频率的和频信号、差频信号（f+f，f-f，f+2f，f-2f，…）。12121212
由非线性原因产生的扬声器互调失真比较小，即使没有非线性扬声器也会产生调制失真。其原因可以简单归结为：当振膜受到高低两个频率信号的驱动时，由于多普勒效应产生的调制失真；高频率时由于指向性产生的调制失真；由高低两个扬声器互相干涉产生的调制失真。当调制失真时，声音听起来浑浊，特别是在重放合唱时尤其明显。研究结果表明，互调失真应在2%以下。
3.异常声
当加给扬声器强纯音时，在中低声频段会产生频率为信号频率1/2或1/3等的模糊声音，该现象称为分谐波失真，是由振膜的非线性引起的。
另外，当加给扬声器纯音时，在某一频率会听到与谐波无关的模糊噪声。它的产生原因有振膜与引线或音圈与振膜的连接不好、磁极缝隙中有灰尘、盆架振动、音圈打底等，这些噪声称为异常声。（三）输出声压频率特性
1.重放频带
当输入电压一定（IEC标准为相当额定输入1/10的电压），改变频率时，在正面轴线上1m的输出声压级随频率变化的特性，称为输出声压频率特性。它表示对输入信号能以怎样的高低音平衡重放的特性，即输入信号的频谱变化到什么程度的特性，它是扬声器诸多特性中最重要的特性之一。图3-2 纸盆扬声器的输出声压频率特性与有效频带
图3-2所示为纸盆扬声器的输出声压频率特性。从图中可以看出，扬声器的输出声压频率特性表示扬声器重放的频率范围，即重放频带（也称有效频带），以及在频率范围内将特性的偏差幅度（小的峰谷）忽略后的平均特性所表示的大致趋向。
对于有效频带，IEC规定为比特性峰值附近1oct的平均声压级降低10dB的频率范围。
在理想的情况下，扬声器必须具有的有效频率范围应能完全覆盖全部乐器的音域范围。因此，扬声器必须具有30Hz-20000Hz的频率范围，至少也应有50Hz-16000Hz的频率范围。
2.输出声压频率特性
对于扬声器的输出频率特性，其低声频段特性受障板形状、最低共振频率、最低共振频率时振动系统Q值等影响，中声频段和高声频段特性受振膜形状、材料等影响。通常，扬声器输出声压频率特性为在平均的特性上叠加有小的连续峰谷。这些小的峰谷可以忽略不计，而得到平均的特性。
但是这一平均特性应如何才能认为是理想的，还不明确。过去，一般认为如果在消声室中测得扬声器轴线1m处的特性平滑，就可以认为是理想的。这对于在一个“静”房间（混响时间短的房间）内相距1m听音可能是正确的，但在一般家庭的生活房间听音时，这样的特性是否良好，还存有疑问。在比较“静”的小调音室，对于经常在与扬声器相距1m-2m处听音的监听扬声器来说，消声室中的输出声压频率特性平滑就认为是良好的。
作为高保真扬声器的特性，应该将听音房间的特性考虑在内，此外还应考虑声压级频率特性要平滑，响度级的频率特性也要平滑。但听声房间的特性随房间而不同，如果不考虑这一特性，对高保真扬声器所要求的输出声压频率特性应与人耳的等响曲线具有大致相同的形状。
3.功率响应
前面我们讲述了扬声器正面轴线上一定距离的点上的声压级频率特性，但对扩声用扬声器在离开相当远距离进行扩声时，应该具有什么特性，尚无定论。这时，重要的是在扩声大厅内应辐射多少声能。所以，不是要求重放出与原声相同的声压，而是重放出与原声相同的能量频谱的声音，扬声器辐射的全能量频率特性（称为功率响应）以平滑为宜。另外，测量结果表明，在家庭房间中放置的扬声器的传输频率特性要比消声室内的声压频率特性更接近功率响应，所以有必要重视功率响应。图3-3 高保真扬声器的功率响应图3-4 扩声用扬声器的功率响应
可以在消声室内测得向各方向辐射的声压后，对整个球面进行积分求出功率；也可以用混响室测量的方法求出功率，测量信号通常用频带噪声。
图3-3及图3-4所示为高保真扬声器及扩声用扬声器的功率响应曲线。从图中可以看出，两条特性曲线在高频差别较大，这是由于扩声用扬声器与家庭中近距离使用的高保真扬声器相比，高频能量容易衰减，如果不提升高频，声音就不能达到远距离。（四）指向性
1.高保真扬声器的指向性
扬声器辐射的声压因方向而有不同的特性，称为指向性。指向性有以扬声器的位置为原点，用极坐标表示的方法，有以正面以外的某一方向（通常为30°及60°方向）的输出声压频率特性表示的方法。前者也称为指向性图形，它具有指向性直观的优点，但很难看出指向性随频率变化的情况；后者能很好地表示全频带的指向性。
扬声器在某一房间重放声音时，即使不在扬声器的正面，也能判断扬声器的指向性是宽广的还是尖锐的。如图3-5所示，如果指向性宽广，由墙面、地板、天花板等反射的散射声成分就多，混响感就丰富；相反，如果指向性尖锐，则散射声成分就少，就缺少混响感。图3-5 散射成分不同的扬声器指向性图3-6 高保真扬声器的指向性
高保真扬声器的指向性达到什么程度最好呢？在完全没有指向性时，散射声成分过多，使混响过多，听起来感到不自然，而大口径纸盆扬声器的高频段过于尖锐也不好，所以应该有适当的指向性。在考虑立体声重放扬声器的布置时，指向性最好是在与正面成30°方向的特性与正面方向的特性大致相同；60°方向的特性除了特别高声频外，也应大致近似；90°方向的特性要比正面特性低10dB以上。图3-6所示为一种三分频高保真扬声器指向频率特性的例子。
2.扩声用扬声器的指向性
高保真扬声器的指向性对重放音质的优劣稍有影响，但扩声用扬声器的指向性如果不适当，则很容易引起啸叫。所以，指向性对扩声用扬声器是很重要的性能。图3-7所示为一扩声用扬声器在2000Hz的指向性图，如果在与扬声器主轴方向成60°方向放置传声器，则在2000Hz就很容易引起啸叫，以致不能提高扩声用放大器的音量，达不到扩声的目的。也就是说，扩声用扬声器的指向性图，除去正面方向外，不应如图3-6那样，在其他方向有大的声压输出。图3-7 扩声用扬声器的指向性图3-8 扩声用扬声器的指向性（容易产生啸叫的例子）
对于扩声用扬声器，为了减少散射声、提高清晰度，最好具有图3-8所示的指向性图。即尽可能只向座位方向辐射声音，而不向其他方向辐射声音。为了得到这样的指向性图，只有使用扇形号筒或多格号筒扬声器，这就是扩声用扬声器大多使用号筒扬声器的原因。（五）电阻抗特性图3-9 纸盆扬声器的电阻抗特性
从扬声器输入端馈入的电阻抗绝对值随频率变化的关系，称为扬声器的电阻抗特性。图3-9所示为一放入封闭箱的全频带扬声器的电阻抗特性。如图所示，在振动系统的基本共振频率处，由于动生阻抗的影响，电阻抗出现一个大的峰值，这个频率称为最低共振频率。将比最低共振频率高时的电阻抗特性上最初出现的极小值，即图3-9中A点的阻抗作为标称阻抗。通常，扬声器的标称阻抗是4Ω、8Ω、16Ω数值中的一个，并目标称阻抗不能与这一数值有20%的偏差。标称阻抗是确定放大器供给功率时的基准值。
对于组合扬声器，由于中音或高音扬声器的阻抗，或者分频网络的共振等因素的影响，会出现电阻抗比标称阻抗低的频率。由于晶体管放大器在负载阻抗过低时容易超负载，所以规定在任何频率时，电阻抗都不能低于标称阻抗20%以上。
在功率放大器输出阻抗比较大，或者在放大器与扬声器连线的电阻大时，电阻抗特性呈现峰值的频率，输出声压频率特性曲线也会隆起，使重放音质变差。因此，高保真扬声器的电阻抗应尽可能平滑。但也不能一味追求平滑，而牺牲其他特性。（六）瞬态特性
节目声是经常变化的信号，扬声器的振动系统必须忠实地跟随这一节目声。例如，必须能够重放打击乐器急促的敲击声。对这种急促变化的信号能够忠实重放的程度，称为瞬态特性。（七）相位特性
人耳是否能够感知声音的相位是个老问题，也是个新问题。声音的相位或者相位差，一般是指节目声各成分音之间的相位差，也指重放立体声时进入左右耳的信号间的相位差。对于后者，如在左右耳之间有相位差，则可以感到定位的偏离和声象广度感的变化；对于前者，由于人耳是对信号分析感受的器官，普遍认为人耳不能感受到相位差。虽然有实验报告指出，复音各成分音之间相位关系的变化会引起波形完全变化，导致音色变化，因此得出人耳能够感受到相位差的结论。但是也有人提出相反的论证，认为仅仅对于人工产生的复音，人耳能够根据音色的变化感受到各成分音的相位差，而对于语声和音乐等实际节目，人耳无法感受到传送系统的相位特性差。
三、纸盆扬声器
扬声器中使用最广泛的是纸盆扬声器，从收音机、电视机、组合音响等一般用的扬声器到高保真扬声器，以及全频带组合扬声器中的低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器，都是纸盆扬声器。特别是全频带扬声器和低音扬声器，几乎百分之百是纸盆扬声器。
由于振膜面积可以做得比较大，能得到比较大的振幅，所以纸盆扬声器具有低声频重放下限频率低的特点。另外，纸盆扬声器结构简单，成本低，目前已成为扬声器生产中的主流。（一）纸盆扬声器的结构及工作原理
1.纸盆扬声器的结构图3-10 纸盆扬声器的结构
纸盆扬声器的种类较多，其中最具代表性的是单纸盆扬声器，其结构如图3-10所示。纸盆扬声器的关键部件是纸质振膜，因为它的形状是圆锥形，所以通常称为纸锥或纸盆。纸盆外缘由折环支持，纸盆中心部由定心支片支持，使纸盆处于悬置状态。折环和定心支片的形状都使它们在纸盆的振动方向易于运动，而在与之垂直的方向却具有良好的刚性。折环起封闭、阻尼和支架的作用。纸盆中心孔上的罩称为防尘罩或中心罩，是振膜的一部分，起防尘作用。音圈绕在音圈架上，纸盆中心部分与音圈架相粘接。上面这些部件统称为振动系统，是扬声器极为重要的部分。
扬声器另一个重要组成部分是供给音圈磁通的磁路。音圈位于导磁板与导磁柱之间形成的均匀磁场中，由磁体通过导磁轭供给磁通。磁路和振动系统的相对位置由盆架保持，盆架供人们拿取扬声器。音圈通过柔软的引出线（通常是金属编织线）与焊片焊接。编织线通常用棉线或尼龙线作为芯线，再用铜丝编织而成。
纸盆扬声器的结构比较简单，部件也不多，其中纸盆是最重要的部件，是扬声器的“心脏”。图3-11所示是几种不同形状的纸盆：图3-11a为一般的双纸盆，图3-11b为两端连接的双纸盆，图3-11c为纸盆中加有皱褶的特殊纸盆，图3-11d为纸盆腹部加有圆锥体的纸盆。图3-11 纸盆的种类
上述各例主要是指全频带重放扬声器而言。至于组合扬声器中的中音扬声器和高音扬声器的结构，分别如图3-12和3-13所示。它们的特征是在纸盆背面有一封闭的腔体，当和低音扬声器组装在一个声箱中，它们背面的空气振动不会对低音扬声器产生干扰作用，否则会出现互调失真。另外，这一空腔还起到调节最低共振频率f的作用。0图3-12 中音扬声器的结构图3-13 高音扬声器的结构图3-14 电动式纸盆扬声器的工作原理
2.纸盆扬声器的工作原理
纸盆扬声器是一个电声换能器，但不是将电能直接转换为声能，其能量变换方式是电能-机械能-声能。当音圈有声频电流I时，音圈在磁场作用下产生振动，带动纸盆振动，使空气随之振动，从而将电信号转换成声音。
下面，我们详细分析扬声器的工作情况。图3-14所示为音圈与磁路的关系。磁路中磁体的极性如图所示方向，在音圈一侧为N极，在导磁板一侧为S极，在磁缝隙中磁通穿过音圈到导磁板组成磁路。如果音圈中通以电流，其方向如图所示，根据左手定则，音圈受到一个向上的力。当音圈电流相反时，受力方向也相反。这个力F的大小和音圈电流、磁感应强度及音圈的导体长度成正比，即
F=BLI=Ai［N］2
式中，B为磁缝隙磁感应强度［Wb/m］，I为电流［A］，L为音圈导体长度［m］，Ai为力系数［Wb/m］。
因此当声频电流通过音圈时，产生一个与声频电流成正比的力，推动音圈振动。这个振动通过音圈架传递给纸盆，使纸盆前后的空气振动而把声音辐射出去，辐射的声功率W为A2
W=r|V|［W］Aad
式中，r为辐射阻［Ns/m］，V为振膜振动速度的有效值［m/ads］。图3-15 电动式纸盆扬声器的一般特性图3-16 圆形活塞声源的指向性（a为振膜半径，k=2πf/c）
由上式可以看出，辐射阻越大，振膜速度越快，声输出功率也就越大。但是辐射阻是频率的函数，所以在整个频段保持恒定的声输出功率十分困难，通常高声频输出下降。图3-15所示为纸盆扬声器轴线上典型的声压频率特性。可以看出，纸盆扬声器相当于一种低频下限为f、高频上限为f的带通滤波器。0h（二）纸盆扬声器的指向性
由于在中低声频段，纸盆可以看成是活塞震动，所以此时纸盆扬声器的指向性与圆形活塞的指向性基本一致。当纸盆尺寸小于波长时，则无指向性。圆形活塞的指向性可以用下式表示：
D=|2J（kasinγ）/kasinγ|1
式中，a为振膜半径，k为2πf/c，D为中心轴上声压与γ°方向声压之比。
由上式可以看出，当ka值不同时的指向特性（如图3-16所示）。由此可见，纸盆口径小时，高声频段纸盆不再是活塞振动，而是分割振动。这相当于有效半径减小，实际得到的指向性比上式计算出的要好。但是，如果为了提高f，使半顶角变小，加深纸盆深度，则在纸h盆根部所辐射的高声频成分被限制在一个很窄的立体角内，指向性就变得尖锐起来。通常为了改善高声频的指向性，纸盆的形状要浅，同时材料的径向声速要小。另外，也可以在扬声器前安装声透镜或安装扩散球来改善指向性。（三）纸盆扬声器的效率
纸盆扬声器的效率也是不可忽视的问题。换能效率是输入电功率与输出声功率之比，一般用百分比表示。纸盆扬声器的效率与其他换能器的效率相比非常低，通常只有1%左右。特别是在高保真扬声器系统中，为了减少失真而设计的小型扬声器，其效率只有0.2%左右。扩声用、乐器用和监听用扬声器，特别是需要有大输出的扬声器，其效率也可达到10%-20%。通常，纸盆扬声器在额定输出范围内的效率η为
η=Wa/We×100%
式中，Wa为输入声功率，We为输入电功率。
纸盆扬声器的效率与磁感应强度的平方成正比，纸盆面积越大，其效率越高。当纸盆的质量一定时，如音圈的质量等于纸盆质量与附加质量之和，则效率最高。
另外，纸盆扬声器的效率与音圈导体的材料也有关。因此，纸盆扬声器的效率与很多因素有关，同时这些因素还影响扬声器的其他特性，所以不能仅从效率的角度考虑问题。（四）纸盆扬声器的失真
纸盆扬声器音质的好坏，完全取决于它的失真情况。虽然音质好坏与心理因素也有很大的关系，但是波形失真还是主要的原因。而在重放声的波形失真中占据主导地位的，是声压频率特性和相位特性的线性失真。
纸盆扬声器的失真分为线性失真和非线性失真两种。线性失真主要是由于中声频段折环共振产生的分谐波和纸盆在中高声频段的分割振动所造成的。非线性失真的原因很多，大致可以分为三类：（1）由驱动力引起的失真（2）由悬置引起的失真（3）由纸盆引起的失真（五）纸盆扬声器的瞬态特性
扬声器对急剧变化的输入信号的响应能力称为瞬态特性。瞬态特性好的扬声器可以很好地跟随信号的变化。通常，纸盆扬声器在活塞振动频率范围的瞬态特性较好，而进入分割振动频率范围后瞬态特性变差，从而导致声音包络的建立过程出现延时，波形变坏，声波衰减过程的包络变差。（六）纸盆扬声器的相位失真
对于没有非线性失真的扬声器，波形被正确传输的必要条件是：（1）声压频率特性曲线（振幅特性）平滑；（2）相位频率特性平滑，其数值应为0或π的整数倍。
这里，第一种情况出现的失真称为振幅失真，第二种情况出现的失真称为相位失真，两者统称为线性失真。振幅失真是最一般的特性，通常用声压频率特性表示。关于相位失真的问题，尚在讨论之中。
纸盆扬声器相位失真产生的原因主要有两点：第一是由于电流的相位产生的相位失真。在低声频段是f的相位变化，在中高声频段则0是由于折环的反射、音圈电感等引起的相位变化，在电路上进行补偿比较容易。第二是由于振动系统引起的相位失真。这主要出现在分割振动频率范围内，但音圈振动相位和纸盆各部的振动相位不一致时，也会出现这种失真。
四、球顶扬声器
近年来，高保真扬声器系统中广泛采用球顶扬声器。可以说，球顶扬声器是振膜成型技术提高的产物，虽然效率较低，但具有重放频带较宽及指向特性、瞬态特性和音质较好的优点。
从结构来说，制造大型的球顶扬声器比较困难。但由于指向性良好，所以球顶扬声器一般在多分频扬声器系统中作为中音或高音扬声器使用。
球顶扬声器与将号筒扬声器除去号筒后的形状很相似，振膜为近似半球形的球面。振膜一般采用电动式驱动方式，振膜的外周由音圈驱动。所以，球顶扬声器是一种直接辐射式扬声器。
球顶扬声器的工作原理，基本上与电动式纸盆扬声器相同。为了避免重复，这里不再赘述，下面仅就球顶扬声器的特点及特有的技术问题进行说明。（一）球顶扬声器的结构及工作原理
1.球顶扬声器的结构图3-17 球顶扬声器的一般结构
图3-17所示为球顶扬声器的一般结构。图中所示的后腔，主要用于要求最低共振频率必须较低的中音扬声器，不适用于高音扬声器。高音扬声器的导磁柱没有必要是空心的，它的振膜的后空腔只要有由振膜和导磁柱所形成的空间就可以。
振膜前面设有喉塞或扩散器，主要目的是为了改善声压特性和指向性，同时也起保护振膜的作用。当然，喉塞或扩散器并非必备部件，主要根据振膜材料和形状进行取舍。
通常，为了增强振膜强度，将振膜设计成球顶形。振膜材料最好是选用刚性强、质量轻的金属。另外，还可采用非金属材料，如布类。这种软性材料的特点是容易成型，而且对分割振动起阻尼作用。
折环、音圈、磁路系统的构造与电动式纸盆扬声器相同。球顶扬声器振膜与音圈的粘接有几种不同的形式（如图3-18所示）。其中，图3-18a是振膜周边驱动法；图3-18b是振膜球面中部驱动法；图3-18c是反球顶扬声器，球面向下，采用倒向球面中部驱动法。采用图3-18c所示的方法时，除最外周的折环以外，在音圈旁还可增设定心支片。这样振膜就有了两个支撑体，大大提高了振膜工作的稳定性。图3-18c、图3-18d和图3-18e都是采用双重支撑的方法。图3-18 振膜与音圈的粘接形式和振膜的支撑方法
2.球顶扬声器的工作原理
电动式扬声器采用在磁路缝隙中放置音圈，当外加信号电流通过音圈时，由于电磁作用而使音圈振动的方式。但是，只有音圈还不能发出声音，必须采用质量轻的材料。
对于其他类型的电动扬声器来说，情况基本相同。球顶扬声器有以下一些优点：（1）振膜面积一般比纸盆扬声器小
目前所见到的扬声器系统，就中音扬声器而论，纸盆的口径一般为10cm-16cm，球顶扬声器的口径只有3.5cm-7cm。口径小的优点是指向性良好，缺点是要输出相同的声压必须加大振幅。因此，必须注意支撑系统的非线性问题。一般来说，在同一频率输出同一声压时，振幅与振膜面积成反比。所以，球顶扬声器口径小，要输出同样的声压，就需要加大振幅。（2）振膜一般只有折环支撑
振膜只靠折环支撑时，在次声频段工作不易稳定。由于折环沿圆周方向的力劲不均匀，在低声频共振频率以下的力劲控制范围内，振膜会出现横向振动，从而产生异常声和失真。为了防止振膜的横向振动，最有效的方法就是采用图3-18c、图3-18d和图3-18e所示的双重支撑。（3）几乎都有后腔
这与装在声箱中的低音扬声器的情况相同，低声频段的工作在很大程度上受后腔影响。后腔小时，最低共振频率将升高，Q值也将变大。
3.硬球顶扬声器与软球顶扬声器
按振膜的软硬程度，球顶扬声器可分为硬球顶扬声器和软球顶扬声器两种。目前，从使用较多的振膜材料来看，硬球顶扬声器振膜一般多采用铝合金、钛合金及铍合金，而其中铍合金性能最佳。软球顶扬声器振膜一般多采用棉布、绢、化纤等材料。方法是将这些纤维材料浸上酚醛树脂，然后加热成形，为了防止漏气和便于阻尼分割振动，最后涂敷一层黏弹性材料。另外还有一种介于软硬球顶之间的振膜，采用纸浆、树脂薄膜等制作而成。
为了得到各自预期的特性，软球顶扬声器和硬球顶扬声器的设计着眼点、方法也不同。对硬球顶扬声器来说，必须做到使振膜在相当高的声频段也不会出现分割振动；对软球顶扬声器来说，在产生分割振动时，不应出现单一共振，而要实现多共振分散。为了得到较平滑的特性，最重要的是要选择适当的黏弹性材料和吸声材料作为振膜阻尼材料。在希望得到较宽的重放频带和均匀的频率响应方面，硬球顶扬声器和软球顶扬声器没有差别。
硬球顶扬声器和软球顶扬声器的输出声压频率特性有很大差别。对硬球顶扬声器来说，其振膜不进行阻尼处理，不配置喉塞。它的频率特性是在高声频上限频率f的峰前，有一个反共振的谷，过了f之hh后，曲线急剧下降。对软球顶扬声器来说，其特性是f的频率较低，h特性曲线没有很大的峰和谷，曲线下降缓慢。图3-19 软球顶扬声器的一般构造
图3-19所示为软球顶扬声器的一般构造。它的特点是球顶里填充与振膜轻微接触的棉状吸声材料，有三个方面的作用：（1）能防止振膜后侧空腔中出现驻波，对f起机械阻尼作用。0（2）软球顶扬声器的振膜比较柔软，当音圈向上运动时，振膜很容易凹陷。在后腔中充填阻尼材料，对振膜有一个向上支撑的力，振膜不会出现凹陷现象。（3）软球顶扬声器从较低的频率就开始产生分割振动，填充的吸声材料和振膜表面涂敷的阻尼材料，可以共同对分割振动起阻尼作用。（二）球顶扬声器的一般特性
下面，论述球顶扬声器除声压频率特性以外的一般特性。
1.输出声压指向频率特性图3-20 球顶扬声器的输出声压频率特性（中频用）图3-21 指向性变差的临界频率
球顶扬声器一般口径比较小，指向性较宽。由于球顶扬声器的振膜是球形，因此指向性比同样口径的圆形活塞的指向性好。但是近似半球形的球顶振膜，轴向的声压特性在高声频段将下降。图3-20所示为球顶扬声器的一般输出声压频率特性。
指向性变差时的频率，可根据振 膜的口径计算。设振膜有效半径为a［m］，声波的波长为λ［m］，则2πa/λ等于1时的频率就是指向性开始变差的频率。如设30°方向低3dB，60°方向低10dB的频率为指向性的界限，则这一频率可由下式表示：
f=170/a［Hz］r
式中，a和f的关系如图3-21所示。r
2.电阻抗特性
图3-22所示为一般球顶扬声器的电阻抗特性。最初形成极大值的点就是最低共振频率f，它是由振动的有效质量和支持这一质量的支0撑体的力劲（包括空腔空气的力劲）形成共振的点，使振动速度为最大的频率。以f为界，低的方向呈现感性，高的方向呈现容性。0图3-22 球顶扬声器的一般电阻抗特性
过了f，电阻抗下降，在中声频段显示出最低值。中声频段的电0阻抗近似音圈直流电阻。加上音圈的电感分量，总阻抗比直流电阻大约增加10%。中声频段阻抗Zmin称为标称阻抗，它是计算输入电功率的基准。
在更高的频率时，音圈电感产生的电抗与频率成正比增加，所以阻抗上升。阻抗上升，势必导致高声频段输入减少。因此，为了避免阻抗上升，可考虑在导磁柱上安装一个铜环。
由于折环固有共振和振膜分割共振，中声频段到高声频段之间会出现一个小峰。这个小峰对阻抗特性本身并没有很大的不良影响，但它会引发异常共振。
3.失真特性
球顶扬声器的失真，大致可以分为谐波失真和调频失真两种。目前所使用的球顶扬声器一般都用于中高声频的重放，使用频段较窄，振幅和调频失真值较小。因此，下面主要说明谐波失真。
谐波失真的原因有以下几个方面：（1）驱动力的非线性
产生这种非线性的原因，主要是因为磁缝隙的磁通密度不均匀，或者均匀的范围有限，使作用于音圈的驱动力产生变化。为了防止产生驱动力的非线性，音圈可以采用两种方式，即如图3-23所示的长音圈方式和短音圈方式。不论采用哪种方式，音圈振动时所切割的磁力线都不会有太大的变化。一般来说，球顶扬声器大多采用短音圈方式。图3-23 音圈和磁路的关系（2）支撑材料的非线性
支撑材料的非线性主要来自折环与定心支片的非线性。在上下对称的非线性情况下，产生三次谐波失真；在上下不对称的非线性情况下，产生二次谐波失真。
驱动力的非线性与支撑材料的非线性都是在振幅大的情况下产生，主要出现在f附近。另外，有时候这两种非线性会同时出现，所0以在设计时必须考虑要有足够大的振幅余量。（3）折环的固有共振
在中高声频段，如果伴随折环失真有固有共振时，振膜受到它的影响产生振动，从而造成失真。在这种情况下，大多出现二次谐波失真。（4）振膜和折环漏气
在振膜和折环漏气的情况下，即使漏气微不足道，中声频段也会出现三次谐波失真。（5）驱动电流
如果音圈附近的导磁率有非线性，会使音圈阻抗变化，导致驱动电流失真，主要为三次谐波失真。
五、号筒扬声器
纸盆扬声器安装在无限大障板上时的辐射阻，在中声频段以下的频段与频率平方成正比。要使中声频段的输出声压频率特性平滑，就必须使纸盆的振动速度与频率成反比。因此，就应使纸盆的共振频率极低。但是，这将使低声频段振幅非常大，易产生失真。
另外，因为纸盆扬声器的辐射阻不大，所以有效率低的缺点，与负载电阻接在具有某一内阻的电源上时的情形相似（如图3-24所示）。纸盆扬声器的输出相当于纸盆的辐射阻，这时不管负载电阻大小，输出功率都小。只有将与电源内阻相同数值的负载电阻接在电源上时，输出功率才最大。这种状态就叫做阻抗匹配状态。对纸盆扬声器来说，由于负载电阻小，因而电声转换效率很低。图3-24 当电源内阻与负载电阻相等时输出最大图3-25 截面逐渐变化的声管
纸盆扬声器的辐射阻之所以小，一方面是因为声音从比较小的振膜辐射到很大的空间时，波阵面形状变化很快，另一方面是平面波的声阻是纯阻。以此类推，假如采用如图3-25所示的截面积逐渐变化的声管，振膜发出的声波向空间传播时，波阵面逐渐扩散，由振膜馈入的声阻抗是纯阻性的，而且具有所希望的较大数值。这种截面积逐渐变化的声管叫做号筒。
把振膜与号筒结合起来，辐射阻增加，所以振膜的振幅变小，转换效率提高。最早的留声机拾取记录在唱片纹槽里的信号后，将唱针的振动直接传给振膜，使振膜振动发出声音，主要就是由于振膜前面配有喇叭形号筒的原因。
号筒扬声器的效率好，但也有外形大、指向性尖锐的缺点，只能按用途分别使用。另外，号筒扬声器有多种换能方式，如电动式、静电式和压电式等等。在此，只讨论广泛使用的电动式的中高音号筒扬声器。（一）号筒扬声器的结构及工作原理
1.号筒扬声器的结构图3-26 号筒扬声器的结构图3-27 喉塞的作用
图3-26所示为高音号筒扬声器的结构。号筒扬声器的工作原理与电动式纸盆扬声器相同，它将音圈放在导磁板和导磁柱之间的磁缝隙里，声频电流通过音圈驱动振膜振动。为了使振膜易于与号筒连接，也为了使振膜刚性增强，都采用球形或环形振膜。
如图3-27所示，当振膜直径大时，振膜中心部分发出的声波的相位和周围部分发出的声波的相位在喉口部产生差异，在半波长与振膜半径相同的频率以上时，喉口的声输出下降，重放频段受到限制。为了消除这种相位干涉，采用喉塞，这对扩大号筒扬声器高声频段的重放频段是行之有效的办法。有喉塞时的高声频比无喉塞时的高声频高得多。另外，喉塞也能提高振膜的效率。
2.阻抗的匹配
声频电流通过音圈时，使振膜振动。与纸盆扬声器一样，即使单独放在空气中，这种振膜也能发出声波。但这样成效不大，也就是说在阻抗不匹配的状态下，不能把振膜的振动能量有效地转换成声能。纸盆扬声器的效率最多只有1%左右。
对于号筒扬声器来说，号筒具有的声阻加到振膜上相当于负载，而号筒喉口截面积压缩得比振膜的面积小，压缩比使振膜的负载声阻抗变大，所以必须使振膜负载声阻抗尽可能地与振膜本身的阻抗值相近，形成阻抗匹配。
其次，号筒的截面积越大，号筒口与空间之间的阻抗匹配越好，效率也就越高。因此，号筒相当于电路的变压器。振膜与喉塞之间形成一个狭窄的间隙，这个间隙的大小必须保证在低声频段时振膜与喉塞之间形成的空腔力劲减小，不利于高声频段的重放，降低了高声频重放的上限。
3.号筒扬声器的种类（1）音头的种类
图3-28所示为号筒扬声器各种音头的结构，图3-28所示为音头的基本分类。图3-28a所示为具有球顶形振膜无喉塞的前辐射式音头，这是具有代表性的音头。图3-28b所示为目前使用最为广泛的音头，这种音头在图3-28a所示音头上配一个喉塞。这样就增大了振膜面积与喉口面积之比，也就提高了压缩比和效率，同时也扩大了重放频段，所以应用很广。图3-28c所示为采用反球顶振膜。图3-28d所示为一种铁氧体制作的号筒音头，它采用环状铁氧体，巧妙地利用了后辐射，并且价格比较低。它将逐渐取代图3-28b所示音头，成为今后发展的主流。图3-28e所示为采用环形振膜的音头，具有反射式声道。图3-28f和图3-28e所示音头基本相同，采用环形振膜，区别在于声道不是反射式，而是直接向前辐射，磁路是内磁式。这种音头的音圈处于环形振膜中心线附近，高声频段性能良好，因而主要用于高音扬声器。图3-28g所示为采用球顶形振膜的音头，为后辐射式，采用环形磁体内磁式磁路。它的体积一般较大，多用于扩声号筒的音头。（2）号筒的种类
根据号筒的形状，可以将号筒分成以下几种类型：
①圆形号筒：这种号筒设计简单，加工容易。但大型圆形号筒有指向性尖锐的缺点，不适用于高保真扬声器。为了改善指向性，可以采用径向号筒和扇形号筒。
②径向号筒：水平指向性好。
③多格号筒：它是由几个小型号筒组成，这些小型号筒所朝的方向指向性好。但是小型号筒之间有强烈的互相干扰，控制好其特性相当困难。
④扇形号筒：其外形与径向号筒相同，只是号筒口内加入隔板，水平指向性良好。图3-28 各种音头的结构图3-29 号筒扬声器音头的分类（二）号筒扬声器的指向性
一般来说，号筒扬声器比纸盆扬声器或球顶扬声器指向性尖锐。这不是因为扬声器形式不同，主要是由于扬声器声源振膜大小不同。例如在5kHz以上频段的高音扬声器中，纸盆扬声器采用直径5cm-7cm的振膜，由于高声频段振膜有效振动半径小，指向性不尖锐；而球顶扬声器采用直径2cm-3cm的振膜，所以指向性更宽。
对于号筒高音扬声器来说，一般号筒直径在5cm以上，也有很多超过10cm，但是号筒扬声器的振膜较小。由于号筒中的声波以近似平面波的状态传播，并从号筒口向空间辐射，所以可以认为它是一个与号筒口直径相等的活塞振膜在振动，因此指向性尖锐。
为了使指向性变得较宽，并且能够重放低声频，一般采用如下的号筒。
1.矩形号筒
图3-30所示为各种开口形状号筒扬声器的指向频率特性。圆形开口或正方形开口的号筒扬声器的水平指向性和垂直指向性一样，但矩形开口的号筒扬声器的这两个指向性却不同。如图f所示，如果把矩形开口的号筒横置使用，水平指向性不会因频率有很大的变化，故适用于高保真重放。相反，如果垂直使用，则中声频段指向性仍然较宽，但是高声频段指向性变得相当尖锐。
2.径向号筒
关于号筒内声波呈平面波状态传播的问题，是号筒理论的基础。但是，对径向号筒来说，其喉口水平面内声表面波波阵面设计成圆弧形。由于这种圆弧形的波阵面呈同心圆状在号筒内部传播，所以到开口处仍保持原来无指向性状态辐射，水平指向性变得较宽。图3-31所示为径向号筒扬声器的指向性。图3-30 号筒截面不同时指向特性的变化图3-31 径向号筒扬声器的指向性
3.多格号筒
多格号筒将号筒分成几个格子，组成不同方向的小号筒组。高声频段号筒组各格子指向性尖锐，但各格子所指方向综合起来，可以形成扇形指向性。因而在高声频段各格子指向性尖锐，而在比各格子单独开始工作频率低的频率时，各个格子的指向性更加尖锐。图3-32所示为多格号筒的指向性。图3-32 多格号筒扬声器的指向性
4.扇形号筒
扇形号筒是一种在径向号筒里嵌入隔板的结构。由于隔板的深度不同，扇形号筒的工作原理有近似于径向号筒之处，也有近似于多格号筒之处。也就是说，一种是隔板不达到喉口，喉口的设计与径向号筒相同，工作原理也与径向号筒相同；另一种是隔板达到喉口，喉口设计与多格号筒相同，其工作原理也与多格号筒相同。图3-33所示为扇形号筒的指向性。图3-33 扇形号筒扬声器的指向性
六、扬声器箱
在扬声器系统需要解决的问题中，难度最大的就是低声频重放问题。低声频重放受扬声器箱影响。扬声器箱有多种形式，分别用来重放不同特征的声音。因此，只有精心选择和设计扬声器箱，才能充分发挥扬声器的性能，得到高保真重放。下面，重点介绍应用最多的封闭式扬声器箱和倒相式扬声器箱的特点。（一）扬声器箱的种类
扬声器箱就是将有限障板弯折成箱形的装置，形式有以下几种（如图3-34所示）。
使用最为广泛的是封闭式声箱为了隔离扬声器后面的声波，将扬声器的后面完全封闭起来。由于设计简单，封闭式声箱成为扬声器箱的主流。倒相式声箱将扬声器后面的声波加以充分利用，其变形有卡鲁逊式声箱、R-J式声箱、曲径式声箱、后加载号筒式声箱及空纸盆式声箱等。卡鲁逊式声箱利用指数形开口的障板增强低声频，R-J式声箱利用赫姆霍兹共鸣器，曲径式声箱使用扬声器后面所发声波通过一段长的曲径后再从前面辐射出去，后加载号筒式声箱利用号筒作为曲径。图3-34 障板、扬声器箱的分类（二）障板
如果将直接辐射式扬声器安装在无限大障板上图3-35 平面障板
向半个空间辐射声波，可以得到与理论上相同的频率特性。将障板做得如同房间墙壁那样大，是一种理想状态，在实用上及设计上都不方便。因此，实际上是使用有限障板来尽量减小后面所发声音的影响。
1.平面障板
扬声器纸盆前面和后面所辐射的声波相位相差180°，如果单独将扬声器置于空间发声，则纸盆前面辐射的声音与后面辐射的声音将互相抵消，声压变小。因此，为了防止纸盆前后声波的干涉，就需要使用如图3-35所示平面障板。这种平面障板的作用，随障板的形状和扬声器安装的位置不同而不同。
将扬声器安装在圆形障板的中心，如果从纸盆前面到听声点的距离与从后面到听声点的距离相差为l，则当l=λ/2（λ为声波的波长）00及其奇数倍时，前后声波同相；当l=λ及其整数倍时，前后声波反相，0特性曲线上将出现峰谷（如图3-36所示）。这是由于扬声器处于正方形或圆形障板的中心时，从前后发出的声波的路程差在所有方向上都大致相等，所以峰谷变化比较剧烈。如果使用不规则形状的障板，或将扬声器偏心安装，就可以得到比较平直的曲线（如图3-37所示）。图3-36 平面障板的特性
但是，由于平面障板的低声频截止频率是由障板边缘与扬声器之间的最小距离决定的，如果将扬声器安装在靠近障板边缘处，不利于低声频的重放。如果认为圆形障板可以重放的低声频的下限是上述特性曲线的第一个峰值的频率，则低声频的截止频率f可由下式决定：0
f=170/L（Hz）0
式中L为障板的半径［m］。但在实际使用时，可以认为重放频率约为f的一半，所以实际使用的障板半径可以为L的1/2。显然，低0声频重放下限频率f与障板的大小成反比。0
障板和扬声器最低共振频率f的相互关系，会使低声频特性发生0变化。即使障板很大，如果f高，也不可能重放出比f低的频率。所00以，障板的有效尺寸有一定限制，也就是说，一边的长度应在L=170/f［m］以下。图3-38所示为考虑f后，使特性平直的例子。00图3-38 考虑扬声器f后设计的平面障板的特性0
因为平面障板在扬声器后面不形成共振系统，所以可以容易地得到扬声器应有的性能。但是当障板受到相当大的声压所引起的力的驱动后，很容易产生振动，特别是障板共振频率的声音由障板辐射出来，就将影响特性。因此，障板应当尽可能使用比重大的材料或进行增强处理。另外，在板间填充沙子、橡胶等阻尼材料，也能减小共振。
2.敞开式扬声器箱
为了避免平面障板的尺寸过大，可以将障板弯折，做成后面敞开的箱体，这种箱体广泛用于收音机和电视机等整机中，称为敞开式扬声器箱。这种声箱由障板和一个声管组合而成，除了由扬声器前后辐射声波的相位差所产生的特性曲线上的峰谷以外，还可能存在由于声管的共鸣在特性曲线上产生的峰谷。图3-39 敞开式扬声器箱的特性曲线
这种声箱与平面障板一样，从扬声器前后发出的声波是反相的，后面的声波可以衍射到前面。所以，为了重放低声频就需要大的声箱。但是，它又与平面障板不同。由于做成了箱形，有了一定的深度，从前面所看到的障板尺寸减小，就是深度的大小。这时的特性曲线如图3-39所示。当从扬声器前后到听声点的距离差l为λ/2的奇数倍的频率0时，两者是同相位，所以形成峰值。当l为λ的整数倍的频率时，两0者是反相位，所以形成谷值。因此，与平面障板的情况相同，实用的低声频重放下限频率为85/L［Hz］，其中L是从扬声器前后到无限远点的路程差。所以，向后面弯折的部分起双重作用，使用相同尺寸的材料，敞开式扬声器箱比平面障板的低声频重放下限频率更低。
与平面障板不同，箱体的共振系统将对特性曲线产生影响。（三）封闭式扬声器箱
封闭式扬声器箱是扬声器箱中最传统的一种形式，也是使用最多的一种形式。由于这种箱体封闭了扬声器的后面，从而隔断了扬声器前后辐射的声音，不会因它们的干涉而影响低声频特性。但是由于箱体中的空气与外部隔绝，纸盆振动会使它产生反复的压缩、膨胀过程。所以，如果这种箱体的各部分不具有相当的强度，就容易产生振动而影响特性。
低声频共振频率随声箱中空气的声劲而变化。当声箱的容积比较大时，这一频率由扬声器的低声频共振频率决定，但随着声箱容积的减小，声箱容积的影响也会减小。（四）倒相式扬声器箱
倒相式扬声器箱和封闭式扬声器箱都是广泛使用的声箱。它在前面障板上设有声导管，使扬声器背面辐射的声音中的一部分通过声导管与扬声器前面辐射的声音同相辐射出去，以增强低声频特性。
理论研究表明，扬声器装在倒相式箱体中，低声频重放下限频率可以降低。如果倒相式箱体与封闭式箱体容积相同，则倒相式箱体的1/2低声频重放频段可以展宽到1/3倍。另外，与装在无限大障板上时1/2的最低共振频率相比，低声频重放频段可以展宽到1/2倍。
倒相式扬声器箱与无限大障板和封闭式扬声器箱相比，具有以下优点：（1）能够在声压不下降的情况下，扩展低声频均匀重放下限频率。封闭式声箱的低声频下限频率不能延伸到比扬声器安装在无限大障板式的f更低的频率。但如前所述，倒相式声箱与无限大障板相比，01/2低声频重放下限频率可降低1/2；与相同容积的封闭式声箱相比，1/2可降低1/3。（2）可以减小低声频重放下限频率附近的扬声器振幅失真。（3）扬声器箱的容积可以比封闭式扬声器箱的容积小。为了得到相同的低声频重放下限频率，倒相式扬声器箱的容积与封闭式扬声器箱相比，约为60％左右。同时，倒相式扬声器箱也有一些缺点。例如，低声频的瞬态特性变坏，在声频的共振频率以下的低声频段比封闭式扬声器箱声压级有所降低等。（五）前加载号筒扬声器箱
号筒扬声器的效率较高，这是由于振膜辐射的声波经过截面逐渐增大的号筒后再导入空间，使振膜与空间达到良好的匹配。图3-40 前加载号筒扬声器箱的结构
这种方法不仅适用于具有小型球顶形振膜的驱动单元，也适用于大口径的低音纸盆扬声器。如图3-40所示，在低音纸盆扬声器的前面安装一个短的号筒，以提高低声频段的效率的声箱形式，称为前加载号筒扬声器箱。
由于低声频驱动器与号筒相耦合，所以号筒的截止频率必须低于必要的低声频重放下限频率。由于蜿展指数m不能太大，而喉口面积为低声频用驱动器的12in或15in的口径，所以号筒口的面积就变得非常大。
为了使箱体的尺寸不是太大，号筒长度必须短。因此，虽然使用前加载号筒扬声器的扬声器系统的低声频特性曲线往往具有较大的峰谷，但由于它具有效率高的优点，所以常被用做扩声用扬声器。
号筒短时，由于低声频特性的前沿上升缓慢，所以即使截止频率很低，低声频重放下限频率也往往较高。为了补偿低声频特性，除了利用号筒以外，还要利用扬声器后面的声压，所以也可以做成倒相式扬声器箱。
由于将号筒作为低频扬声器的负载，使效率提高，所以在使用前加载号筒扬声器箱时，为了取得中高声频段的平衡，通常也使用号筒扬声器。（六）后加载号筒扬声器箱图3-41 后加载号筒扬声器箱的结构
前加载号筒扬声器箱中，在低音扬声器前以号筒为负载，则低声频特性完全由号筒的性能所左右，因而效率高。但是，它也有低声频重放下限频率较高及低声频特性峰谷较多的缺点。
如图3-41所示，低音扬声器纸盆前面发出的声音向前面空间辐射，同时纸盆后面发出的声音如果经过号筒也向前面辐射，由于有效地利用了纸盆后面的声音，可以得到良好的低声频特性。为了达到这个目的，可以将低频扬声器后面与号筒相连接形成声箱，这种声箱称为后加载号筒扬声器箱。
七、扬声器系统
通常，如果单独将一个扬声器放置在声场中，无法得到优良的重放音质。所以，即使是全频带用单纸盆扬声器或同轴组合扬声器等，都需要使用能将振膜前后辐射的反相声波进行分离的扬声器箱。目前有以高保真重放为目的，将可听频带分成几段，分别以专用扬声器借助分频网络组合起来装在扬声器箱中的系统，通常称为扬声器系统。使用这种扬声器系统，能够立即重放优质音质节目声。（一）使用组合扬声器的目的
如果一个单纸盆扬声器能对必要的频带信号具有平直的频率特性以及希望的指向特性，并且能够重放出足够的音量，那将十分方便，而且价格也比较便宜。但是，近来高保真用扬声器系统几乎全部使用组合扬声器。这主要有以下原因：
1.高保真扬声器的性能
高保真扬声器所具备的性能，可以归结为以下四点：（1）能发出充分的声压级。效率高，容许输入功率大，最大输出声压级为110dB。（2）重放频带宽，频率特性平滑。最低频共振频率低，高声频共振频率高。（3）失真小。谐波失真、振幅互调失真及频率互调失真都小。（4）指向性宽。相对于正面方向，30°时下降不超过-3dB，60°时下降不超过-10dB。
2.单纸盆扬声器存在的问题
如果要满足以上四个条件，单纸盆扬声器的情况如下：
为了提高效率，单纸盆扬声器必须加大振膜半径，减小等效质量。但是单纸盆扬声器口径加大后，指向性优良的频带将变窄；减小等效质量，则最低共振频率将提高，低声频重放频带将变窄。
影响扬声器容许输入功率的因素有纸盆折环振动总幅度的大小，输出声压的失真，以及音圈的耐热能力。首先，一定输出声压所需的振幅与频率平方成反比，所以降低低声频重放下限，则振幅增大，容许输入功率就不能大。由于耐热能力是由音圈的耐热性能与音圈周围的散热能力决定，所以音圈周围的构造和材料必须很好。其中最重要的是音圈导线的直径，如果过粗或过重，虽然容许输入功率增大，但效率降低，高声频共振频率也将降低。
为了使重放频带加宽，最低共振频率要低，并且高声频共振频率要高。为了降低最低共振频率，对一定的振动系统来说，等效质量必须大，但会降低效率。另外，为了提高高声频共振频率，音圈质量和纸盆质量必须小。这样虽然使等效质量减小，效率上升，但是最低共振频率上升，意味着低声频重放频带变窄。
高保真扬声器在整个宽的频带内要求指向性宽，因此发出某一声压级所必需的振幅将非常大，导致失真增加，并不实用。
根据以上的论述可知，由一个单纸盆扬声器承担约10个倍频程的宽频带高保真重放非常困难。
3.组合扬声器的优点
虽然也有纸盆的有效振动半径随频率升高而逐渐减小的扬声器（例如带皱褶的纸盆扬声器），但它未必完全满足以上四个条件。因此可以将可闻声频带分成两段或三段，分别使用专门为各频段设计的扬声器，将它们组合在一起使用这种方法构成的扬声器，称为组合扬声器。
组合扬声器能够比较容易地满足上面提到的四个条件，并且有以下几个优点：（1）当输入高低两个频率的信号时，互调失真小，容易减少声场中的调制失真。（2）可以使用分频网络、衰减器等，对频率特性进行调整。
但是同时，它也有以下缺点：（1）通常，由于各频段使用的扬声器所形成的声场是在某一范围内分布的（平面排列时），在分频频率附近指向性混乱。（2）由于各频段使用的扬声器组合在一起，使频率特性、阻抗特性等的调整变得复杂。（3）组成元件多，因而价格高。（二）扬声器系统的组合方法
组合扬声器系统的设计要点有频段的划分法，各频段使用扬声器的设计，以及将这些扬声器组合在一起的方法。
1.频段的划分法（1）着眼于指向性的划分法
为了使扬声器系统的功率相应平直，不仅轴线上的输出声压频率特性应平直，还必须使用指向性均匀的频段。通常作为活塞振动的圆板所造成的声场，其指向性随频率升高而变得尖锐，所以必须使用指向性不太尖锐的声频段——低声频段。实际应用时，相对于轴上声压级来说，30°方向在-3dB以内、60°方向在-10dB以内的频段都可以看成无指向性的频段。（2）着眼于频率互调失真的划分法
将低声频信号与高声频信号同时加于扬声器时，将产生频率互调失真。这种失真是由于振膜运动引起的多普勒效应产生的，所以振膜的振动速度越快，两个信号的频率比越大时，这种失真也越大。因此，为了减小互调失真，应在相当窄的频段内使用扬声器，即增加频段划分数，并使频段宽度之比相等。为使振动速度不快，应当使用大口径扬声器。（3）着眼于振膜振幅的划分法
首先，应当考虑实际使用中能够得到的最大振幅。如果扬声器的口径小，但支持振动系统的折环宽度不大，则折环共振的影响将十分明显，通常得到的最大振幅也要减小。另外，也要考虑驱动力的非线性。振动系统的线性与要求的最大输出声压级之间的关系，决定了低声频重放下限频率。
根据扬声器的大小和构造，可以决定最佳使用的频段。这一频段有3oct-5oct，因此为了覆盖可听频带（20Hz-20kHz，约有10oct），就至少需要划分为2-3个频段。但如果要求20Hz时也能辐射与其他频段相同的能量，则需要非常大的振幅或大口径的扬声器。另外，从节目信号的频谱分析来看，100Hz以下频段的能量是减小的。因此，最大振幅大多稳定在100Hz左右，如果每隔3oct作三分频时，则分频频率为800Hz和6400Hz；如果每隔4个倍频程作两分频时，则分频频率为1600Hz。这就是现在三分频和两分频扬声器系统的标准分频频率。
2.低音扬声器必须具备的性能
低音扬声器决定扬声器系统的低声频重放下限，因此应当首先着眼于重放的最低声频段的性能。根据使用箱体的大小、低声频重放下限频率，以及在该频率时的最大声压级等，决定使用扬声器的口径、效率或灵敏度、最低共振频率、最大容许输入功率，以及最大振幅等主要参数。此外，与中高音用扬声器相组合时，还存在高声频特性问题。
对于低音扬声器的高声频特性，有两种考虑方法。一种方法是使分频频率以上的特性很快衰减；另一种方法是一直到相当高的频率都能平直地重放，只需滤波器（网络）从其中取出能量均匀的频段使用。
使分频频率以上的特性很快衰减时，能省去低音扬声器的网络，因而构造简单，并且低声频段的瞬态特性好。此外，在分频频率以上可以不发生与中频扬声器的干涉，易于使用。但是在使用频段的上限会产生振膜的机械共振，当对它进行处理时，会损坏音质，使高声频段很快衰减。
低音扬声器与组合在一起的箱体关系密切，所以随着箱体种类的不同，对扬声器的性能要求也不同。
3.中高音扬声器必须具备的性能
低音扬声器大多是纸盆扬声器，而中高音扬声器却富有变化。（1）指向性
扬声器的指向性基本上取决于它的口径。但进入波长短的高声频段，利用声透镜或号筒的形状，其指向性易于控制。由扬声器所得到的声象的性质大多取决于中高声频段的指向性，因此为了得到明确的声象定位，间接声应少，指向性应尖锐。但是要得到宽阔感和临场感，指向性应宽。因此，指向性要适应于对音质方面的选择。
指向性宽的扬声器可以选球顶扬声器为代表。另一方面，多格号筒、扇形号筒和附有声透镜的号筒等，可以在任何频率做一定角度的均匀辐射。纸盆扬声器或圆形号筒，随着频率的升高，指向性会急剧变尖，从而使各声频段的指向性差别变大。
几个扬声器以不同的方向排列，可以改变扬声器的指向性，但声源位置扩展时，只能得到相当于一个大的扬声器的指向性；如果情况相反，则指向性将变尖锐。另外，深度大时，会产生相位差，指向性也将变坏。
扇形号筒或带式扬声器垂直方向指向性尖锐，水平方向指向性宽，能兼顾临场感和清晰度两方面。（2）对低音扬声器的背压采取的措施
当中高音扬声器与低音扬声器安装在同一箱体时，由于低音扬声器的背压，将使中高音扬声器被低声频大幅度驱动，所以必须将中高音扬声器的后部完全封闭。如果是纸盆扬声器，则应将扬声器加上罩子，全部包围起来。另外，如果球顶扬声器在中心磁极内设有穿通孔，则磁极后部应加罩。（3）中高音扬声器的耐热输入能力
由于中高音扬声器音圈小、热容量小，因此不能连续地加给大的输入功率。由于节目信号中的高声频平均能量少，所以中高音扬声器的耐输入能力理论上可以较小，但从节目分析得到的结论来看，峰值几乎均匀地分布在全频段范围内，因此耐输入能力仍需留有余量。采取的对策之一是使用像号筒扬声器那样的高灵敏度扬声器，并使用衰减器使扬声器的实际输入功率减小。但是纸盆扬声器或球顶扬声器很难得到高的灵敏度，必须使用耐热型音圈，并且音圈的散热要好。良好的散热可以防止音圈温度上升，并且可以改善线性。（4）最低共振频率的选定
中高音扬声器的最低共振频率大多设定为使用频段的下限。这种情况下，最低共振频率附近失真增大、瞬态特性变坏，并且振动系统容易产生横向振动等异常振动，使工作不稳定。但是中高频扬声器的振幅小，由于后腔容积很大，高力顺的支持系统保持了低的最低共振频率，因而能得到自然的重放声。特别是号筒扬声器在号筒截止频率以下，号筒没有负载，振膜的振幅和失真增大，并且因为号筒开口部反射的影响，所以分频频率应设定在号筒截止频率的两倍以上。另外，号筒扬声器在号筒截止频率时声压急剧上升，在很多情况下，声音彼此间的关系变坏。也有将截止频率低的号筒由中部截断形成短号筒，使特性缓慢上升。这时在号筒截止频率附近会出现强烈的由开口端反射的影响，所以使用频段大约应为号筒截止频率的三倍以上。
4.各频段扬声器的组合方法
每个扬声器都有不同的音色，因此在组成扬声器系统时，最重要的问题是使各扬声器彼此的特点要融合。原则上应当是音色统一、声音彼此间关系和谐，使各个扬声器音色的组成因素一致。（1）指向性的连续性
将指向性宽的高音扬声器与指向性尖的低音扬声器配合使用时，高音扬声器容易突出，使指向性的连续性不好，并使声音彼此之间的关系变坏。因此，在选定分频频率的同时，应使三分频系统中高音扬声器的类型统一，从而得到良好的效果。例如，使用球顶中音扬声器时，应同时使用球顶高音扬声器。另外，也可以使用纸盆低音扬声器、球顶中音扬声器以及无指向性高音扬声器，使指向性依次增宽。（2）失真成分的平衡
使用失真小的扬声器当然好，但是奇次谐波失真与偶次谐波失真对音色的影响不同，所以应当将所剩无几的失真的种类统一起来，以求音色的融和。（3）带外性能的保证
在使用频段自然不必说，在使用频段以外如有缺点，则无论如何使用分频网络进行衰减，缺点仍会很突出，因而损害了声音间的彼此关系。低音扬声器应当具有没有缺点的平直的高声频特性；高频扬声器应当具有充分余量，并有较低的最低共振频率或截止频率。（4）瞬态特性的一致
瞬态特性也是决定音色的重要因素。例如，一般号筒扬声器振动系统体形小、质量轻，并且具有强的磁路，由于号筒起到有效负载的作用，所以瞬态特性良好。但当与具有重的振动系统的书架式声箱所使用的低音扬声器配合使用时，通常也得不到十分平直的音质。
5.各频段扬声器的排列方法
各频段扬声器的排列方法不同，可以使综合指向特性、相位特性及相互干涉情况等有很大变化，也会给音质以很大影响。下面，对各种排列方法的特点进行说明。（1）同轴排列
主要是指作为全频带的组合扬声器单元来说，具有以下特点：
①由于声源集中在一处，所以声象定位好。
②高音扬声器的声音被低音扬声器振膜反射，使特性变坏，并容易产生互调失真等。
图3-42a是在低音扬声器振膜内使用悬臂安装高音扬声器的例子。为了使低音扬声器的干涉不集中出现在特定频率上，高音扬声器应偏离中心安装。图3-42b是在低音扬声器音圈内侧嵌进高音扬声器的例子，由于低音扬声器与高音扬声器的声源完全一致，所以不易产生干涉。
图3-42c是在低音扬声器的磁路后部设有高音扬声器的振膜，穿通低音扬声器磁路的声道与低音扬声器振膜共同组成高音号筒扬声器。以上是两分频扬声器，也有将图3-42a与图3-42c组合在一起的三分频扬声器。（2）平面排列
在一张障板上平面排列的方法，与同轴排列的方法性质相反。随着重放频率不同，声源会产生移动，因而定位不好，声象也会扩展。但相互干涉小，可以得到平直的频率特性，同时也可以防止产生互调失真。各频段用扬声器如何排列，对于三分频以上的扬声器系统是个重要的问题。在收听立体声时，是以良好的声象定位为目标。图3-43a所示的纵向排列是一种较好的排列方式，可以形成左右对称不混乱的指向性。另一方面，如果在近距离听音时，应该使扬声器尽量集中，图3-43b所示的排列方式可以得到较好的效果。这时，虽然左右指向性不对称，但是扬声器排列可以做成左边适用和右边适用的两种扬声器系统，收听立体声时，也可以得到良好的声象定位。（3）关于声源的深度
重放声的相位随声音在空气中传播的距离而变化。距扬声器i点处，相位将滞后2πfl/c［弧度］。像纸盆低频扬声器或号筒扬声器之类深度较大的扬声器，它们的相位滞后就较大，与其他扬声器之间会产生相位干涉，从而影响声波传播。扬声器排列可以不像图3-44所示简单地将开口面取齐，而是像图3-45所示在深度方向将声源位置（振膜位置）取齐，以得到良好的相位特性。图3-44 按扬声器开口面取齐的扬声器平面排列图3-45 按声源位置取齐的扬声器平面排列
由于纸盆低音扬声器在分频频率附近的高频声音是由纸盆颈部强烈辐射，因此这一位置可以看做是声源的位置。
6．组合扬声器系统的分类
前面已经讲述了组合扬声器的组成方法，下面将其归类，可以得出组合扬声器系统的种类（如图3-46所示）。图3-46 组合扬声器系统的分类
八、功率放大器与扬声器
在很大程度上，扬声器的特性受驱动它的放大器的影响。例如，送到扬声器的输入信号，如果在没有达到扬声器的容许输入值以前就被放大器限幅，则将产生大的失真声音。另外，当扬声器的输入阻抗不是纯阻而是含有电抗部分时，则输入阻抗将随频率有大的变化，使某些放大器工作不稳定，也可能在低声频段或高声频段产生振荡而使音质变坏。这样，重放声音的综合音质，不只取决于扬声器的特性，还取决于与放大器的输出及负载特性等有关的综合特性。通常，音质不好时，人们立刻就会想到是扬声器的问题，实际上，还应当注意寻找其他原因。（一）功率放大器与扬声器的关系
1.功率放大器的最大输出功率与扬声器所能承受的输入功率
功率放大器输出功率的表示方法很多，应用最多的是有效（连续）输出功率。它是以失真系数不超过某一数值时（例如0.1%或0.5%等）为条件，所能取得的正弦波连续输出功率。也有以音乐功率等瞬时输出功率表示的方法，但对具有优良调整率电源的高保真放大器来说，这一瞬时输出功率值与有效输出功率值相同。所以高保真放大器的最大输出功率，采用有效输出功率较为适当。但这是放大器有纯电阻负载时的情况，当放大器有电抗负载时，就未必能得到这一有效输出功率。
另一方面，表示扬声器所能承受的输入功率，可以使用额定输入功率或最大输入功率。额定输入功率是指在使用节目信号或使用与节目信号的频谱分布相当的噪声信号的情况下，对连续使用时也不出现异常现象的输入值加以平均后所得的有效值。因此，不像放大器那样是在规定频率（通常为1kHz）时的数值，而是对应于具有频谱分布、电平变动的某一信号的数值。在这一点上，两者有很大差别。从另外一种角度来说，可以认为放大器是静的输出值，而扬声器是动的输入值。
如果以频谱及电平都变动的节目信号值作为额定输入，并使放大器有效输出与它相等，情况将如何呢？当放大器的输入无论怎样变动，它的峰值也不超出有效输出功率时，可以供给扬声器无失真输出，但节目信号的平均有效值与峰值的电平差（峰值因数）可高达20dB。因此可以看出，对节目信号来说，扬声器发不出与额定输出相当的输出功率，即峰值都被限幅掉了。为了避免发生这种情况，放大器的输出功率必须具有刚好大于节目信号峰值因数的有效输出功率。
扬声器除了可以用额定输入功率表示外，还可以用最大输入功率表示。虽然后者还没有标准的实验方法，但可以考虑用能够承受从节目信号中能观察到的突然产生的瞬间大输入功率的数值来表示。因此，考虑放大器的输出时，应将扬声器的最大输入值与放大器的有效输出值合在一起。
对失真的产生状态来说，考虑放大器的输出与扬声器的输入值有所不同。最近，高保真放大器几乎都使用负反馈电路，从而实现了宽频带、低失真系数的放大。这虽然是对有效输出功率范围来说的，但当加给很小的过输入时，输出波形将被限幅，输出将产生高次谐波失真，并且失真值急剧增加。相反，对扬声器来说，如超过额定输入功率，只要不损坏扬声器，失真也不会急剧增加。另外，由于高次谐波的含有率少，所以音质不会太差。
通常，放大器产生的失真称为硬失真，扬声器产生的失真称为软失真。相对于扬声器的额定输入来说，放大器有效输出的数值需要相当大。但是从平均值来看，扬声器的输入很少达到额定输入值。现在的情况是，100瓦额定输入的扬声器，最多也只听到几瓦。
下面以实际例子，对在家庭中为听到某一大小声音时所必需的放大器有效输出功率进行计算。
首先，设听声条件是接近自由声场的房间，自由声场中的扬声器输出声压P与距扬声器的距离r成反比，与电输入功率W的平方根成rE正比。
10lgW=20lgP+20lgr+CEr
式中，C为常数。如已知在标准状态下，即输入为1W，在相距1m处的输出声压级为S（dB），将这些条件代入上式，可求得C：0
0=S+C0
所以，上式可整理成
10lgW=S-S+20lgrEr0
式中，W为放大器所必需的输出功率［W］；S=20lgP，为试Err-52听声压级［dB］，0dB=2×10N/m；S为扬声器输出声压级［dB］；0r为试听位置与扬声器间的距离［m］。
可以试求与输出声压级90dB的扬声器相距3m处，以平均声压级86dB试听时扬声器所需要的平均输入功率。将条件代入，得
10lgW=86-90+20lg3=5.55E
对这一关系进行反对数运算，可求得
W=3.6WE
这一功率放大器的输出功率是发出节目信号的平均声压级所必需的功率，节目信号的峰值与平均值相比高10dB，输出功率也需要10倍，即需要36W。
如果最初已知需要的峰值声压级，也可同样按公式进行计算，设峰值声压级为100dB，其他条件同前，则
10lgW=100-90+20lg3=19.55E
W=90WE
即需要有效输出功率90W的放大器，扬声器最大输入功率也要接近90W。这样，放大器的输出功率与扬声器相比要留有余量，才可以获得失真小的优良重放声音。发出限幅输出时，波形近于方波；发出超出有效输出功率的输出时，扬声器将受到损坏。因此，使用时应当充分注意。
2.功率放大器的输出阻抗与扬声器的特性
为了在定压驱动下能得到好的特性，通常功率放大器设计成定压输出式。当功率放大器的输出阻抗数值非常小时，这一输出阻抗值的系数通常用阻尼因数（D.F）来表示。
D.F=最佳负载电阻值/输出阻抗（放大器内阻）
由上式可知，当放大器输出阻抗越小时，D.F值就越大。高级高保真放大器的D.F值大多在20以上。
但计算D.F值时，放大器输出阻抗中必须包括扬声器的全部接线阻抗。即D.F可按下式计算：
D.F=音圈的直流电阻/（放大器内阻+接线电阻）
所以，即使-放大器内阻很低，但由于扬声器接线直流电阻较大，所以低声频特性也会不好。为了防止这种情况的出现，扬声器的接线要尽可能短，如果接线必须很长时，要用粗线。
由上述结果可以看出，扬声器接线的直流电阻越低越好。但实际上，接线并不只有直流电阻，同时还有感抗和容抗。扬声器的低声频特性只受直流电阻的影响，但高声频特性要受电抗成分的影响。扬声器阻抗通常约为8欧的较低值，所以接线的电感会对高声频特性产生影响。因此，扬声器接线的直流电阻值必须低，并且接线的电感值也必须与扬声器相适合。
3.功率放大器与扬声器产生的特殊现象
通常，功率放大器的性能用纯电阻负载状态下测得的数值表示。另一方面，扬声器的性能也是在定压输入情况下测量后表示出来。这样，无论是放大器，还是扬声器，通常表示的都是特定条件下的性能。前面所述的实际使用状态与这一测量条件不同，因而会产生特殊现象。特别是在超声频段和次声频段产生的特殊现象，会影响可听频段。例如，加给信号后，在次声频段的某一特定频率（大多为几Hz）会产生长时间持续而不衰减的振动，或用手按压低频段扬声器纸盆时，也会产生相同的振动现象等。这是一种次声频振荡现象，它随扬声器的阻抗特性而变化，也就是当负反馈电路变为正反
馈电路后，就会出现这种次声频的不稳定现象。当连接的扬声器具有低f和电抗成分的阻抗时，就可以经常察觉到这种现象。因此，0要与扬声器一起使用时，才能知道放大器性能的真实情况。高级的放大器也会产生这种振荡现象，需要加以注意。另外，在超声频也会产生相同的振荡现象。与低频振荡不同，它不能从振膜看出，并且因为是听不见的超声频，所以很容易被忽略，但是可以从示波器观察到。它会增加重放声音的失真，使人感觉不正常。如果不加以注意，就会使高频扬声器断线。（二）扬声器的连接方法
1.几个扬声器的连接方法
当同时使用几个扬声器时，必须使总阻抗不低于放大器的最佳负载阻抗，否则将有大电流流通，使晶体管损坏，或使安全装置动作，扬声器不能被正常驱动。因此，使用几个扬声器时，应如图3-47所示进行连接。当使用两个扬声器时，多将它们串联，当使用三四个扬声器时，多将它们串并联。当放大器的最佳阻抗为4Ω，而只有两个8Ω的扬声器时，可以将它们并联，这时放大器的输出功率可以最大。这样，将扬声器阻抗加上连接线后的总阻抗，如高于放大器最佳负载值，则应尽可能使它接近最佳负载值，才能有效地利用放大器的功能。但是，必须考虑连接的各扬声器的功率分配问题。将相同阻抗的扬声器进行串联或并联时，每个扬声器获得的功率都相同；将阻抗不同的扬声器进行串并联时，必须考虑总阻抗以及各扬声器输入功率的分配问题。
以上是将一个低阻抗的高保真扬声器进行连接的情况。当将几个扩声用扬声器分别安放在几个房间中时，因为扬声器上附有匹配变压器，输入阻抗较高，所以通常是将所有的扬声器并联使用（如图3-48所示）。这种方法可以调整匹配变压器的输入阻抗进行输入的分配，并且当一个扬声器断路后，对其他扬声器没有影响。这时，所用的放大器为100V或70V定压输出放大器。图3-48 附有匹配变压器的几个扬声器的连接方法
在几个扬声器连接时，应当注意极性问题，所有扬声器应当极性一致进行连接。如果连接后的扬声器分别安装在相同的房间中时，极性不同，则声音输出将互相干涉，这时低音将不足，成为明显的不调和音。
九、扩声用扬声器系统（一）扩声用扬声器的分类与性能要求
1.扩声用扬声器的分类
扩声用扬声器用以向较多的人真实地传送声音信息。按用途可以分为：（1）剧场、音乐厅、大会堂用（2）礼堂、会议室、宴会厅用（3）工厂、机关、百货店、车站等广播用（4）紧急警报用
另外，按扩声内容可以分为：（1）音乐用（2）语言用（3）特殊信号用
2.扩声用扬声器的性能要求
扩声用扬声器有多种用途，使用目的不同，对重放频率范围及指向性方面所要求的性能也不同。但是，下述几点是共同的：（1）清晰度好；（2）对任何地点都能均匀地声覆盖；（3）不易引起啸叫，工作稳定；（4）耐久性好，容易检修。
因此，对扩声用扬声器的要求与对家庭用高保真扬声器的要求是不同的。现在也开始要求扩声用扬声器重放的声音要音质好，富有音乐性。下面，主要讲述音质优良的扩声用扬声器的设计方法。（二）扩声用扬声器的布置设计
设计扩声用扬声器时，首先应考虑扩声声场，即对扩声房间的声学特性要有充分的把握，研究应该采用什么性能的扬声器，应该怎样布置才能使效果最好。但是由于情况不同，如果只研究扬声器的性能和布置方法，有时也很难获得良好的扩声效果。例如，在没有经过声学处理的体育馆等场所，声音被扩大后，由于混响严重，无法得到清晰的声音，并且对于回声、颤动回声等特殊反射声，只靠扩声装置很难消除。
因此，房间的声学特性不好，就无法得到良好的扩声效果。即使房间的声学特性良好，但布置方法不当，也同样无法得到良好的扩声效果。扬声器的布置设计应当符合房间的形状、大小、混响时间，以及使用目的等要求。具体来说，可以根据以下几点进行考虑：（1）室内各处的声压分布应当均匀；（2）不产生使清晰度变坏的特殊反射声；（3）能听到由演奏者或讲话人方向传来的声音，即应当有自然的声音方向感；（4）不易引起由扬声器传声器放大器扬声器的反馈环路所形成的回授振荡，即啸叫。
首先，应当研究房间的声学特性与扩声用扬声器之间的关系。
1.房间形状与扩声用扬声器的布置方式
扩声用扬声器的布置方式有以下三种：（1）集中布置方式（2）分散布置方式（3）集中布置另加辅助扬声器的方式
表3-1列举了这几种布置方式的适用条件、扬声器的指向性、优点及缺点，图3-49所示为房间形状与扬声器布置方式的关系。表3-1 各种扬声器布置方式的特点（1）集中布置方式
集中布置方式是将扬声器集中安装在舞台上方或两旁。它的特点是听众听到的声音方向与演奏者的方向一致，能得到自然的扩声。然而，这种方式如果用于图3-49b所示的天花板较低、长度较长的厅堂或图3-49c所示的大厅堂中，听众席后部座位处的声压就会很低，有此听众就可能听不到声音。所以，这种方式只适用于小厅堂或只有一层的厅堂。图3-49 房间形状与扬声器布置方式的关系
另外，这种方式只需要少量的扬声器，从经济角度考虑是有利的。所以，也可以使用高质量的扬声器。从图3-49a可以看出，为了使听众席前部和后部的声压差小，应该使用宽指向性扬声器，并将扬声器安装在高处。但由于从扬声器到听众席前部的距离与从扬声器到传声器的距离大致相等，因此容易引起啸叫，这是这种方式的缺点。所以应该注意传声器的安装地点，并且扩声的音量不宜过大。（2）分散布置方式
这种方式适用于天花板低、混响时间长或容易出现异常反射声的厅堂中。虽然声源的方向感被破坏，但全部听众席可以得到均匀的声压分布。当两个声音到达的时间差在50ms（距离差在17m）以上时，将形成回声，使清晰度变坏，所以每个扬声器的指向性应尖锐，并限定它的覆盖范围。房间的天花板越低时，这种方式越有利。由于各个扬声器的音量没有必要太大，所以这种方式不易产生啸叫。图3-50 应用延时装置扩声的例子（3）集中布置加辅助扬声器的方式
这种方式先采取集中方式，为了对房间形状或声学特性上的缺陷进行补偿，在适当位置增加辅助扬声器，特别要对听不到声音的座位增加辅助扬声器。但当主扬声器与辅助扬声器的声音到达的时间差在50ms以上，并且几乎没有声压差时，主扬声器的声音将成为回声，使清晰度变坏。另外，声音的方向感也不自然。所以，只有辅助扬声器的音量不过大，才能取得好的效果。
还有如图3-50所示的应用延时装置，使辅助扬声器的输入信号时间稍迟于主扬声器。这种方法也可以用于3-49b所示的分散布置方式。
2.声压级
听众席上的平均声压级，通常音乐为85dB，讲话为75dB。当节目声的峰值声压级比平均声压级高15dB时，则音乐需要的最大声压级为100dB，讲话为90dB。为了得到与大型管弦乐团相同的音量感觉，听众席的最大声压级需要达到113dB。这样大的声压级对近代舞蹈音乐的扩声是必需的。因为对音乐的扩声不能缺少大的音量，所以最近的扩声装置有向大输出功率发展的趋势。图3-51 距声源的距离与声压级的衰减量
听众席的声压是直接声和扩散声之和，由扬声器的辐射功率、指向性系数、房间常数、扬声器与听众席的距离等决定。图3-51所示为在室外等自由空间中，以距扬声器1m远处的声压级为基准，声压级随距离的衰减量。例如，20m处的声压级为100dB，因距离的衰减量为-26dB，所以在1m处必需的声压级为126dB。设扬声器的灵敏度为96dB，则放大器的电输出应为126-96=30dB，即需要1000W。图3-52 放大器的输出功率与房间体积的关系
由于在室内还有扩散声，声压级还会上升，所以在距离20m处要得到100dB声压级，只需上述功率的几分之一。但在运动场等地方以大声压扩声时，就需要几千瓦的电功率。
图3-52所示为音乐和语言扩声所需要的最大声压级、房间体积与放大器所必需的电功率输出之间的关系。这是考虑了扬声器的指向性和主轴方向，并假设扬声器的主轴方向集中指向听众席的结果。放大器必需的功率输出即为扬声器所必需的允许输入功率。
3.声压分布
为了使房间中各处的声压分布相同，就要按照房间形状选择适当的扬声器布置设计方案。因此，要对扬声器的指向性与室内声压分布之间的关系进行研究。
表示室内扩声的声学效果的指标之一，是由扬声器传来的直达声能量与一系列经过反射的散射声能量值比A。扩声时首先应要求清晰度高，但也需要适当的混响。因此，A值应在0.7 A值可以由扬声器的指向性控制。然而，如图3-53a所示，非常尖锐的指向性在某些地方不能保证具有必要的声压级，即使能很好地听到声音，但由于指向频率特性不好， 某些地方的音质也不会好。因此，如图3-53b所示，指向性要具有适合房间形状的恰当的服务范围。A值要适当，并且应当使在传声器的方向不辐射强的声音。（三）扩声用扬声器 下面，将讲述对扩声用扬声器所要求的性能、实现要求的指向性的方法，以及扩声用扬声器的具体例子。 1.扩声用扬声器的性能要求 上面已经讲述过于对扩声用扬声器所要求的性能，这里做些补充，并加以汇总。（1）室内各处都能均匀地扩声 室内声压分布均匀，任何地方都能得到优良的音质，具有适当的指向性和输出声压频率特性。通常，应有水平方向±60°、垂直方向±15°的服务范围。（2）具有适当的重放频带 音乐的重放频带应为80Hz-8000Hz，声乐的重放频带应为100Hz-8000Hz，当着重于清晰度时，演讲的重放频带以200Hz-7000Hz为宜。房间的混响时间长时，希望声音的清晰度好时，则频率特性在1kHz以上时应比1kHz以下的频带高3dB-6dB，才能得到好的效果。（3）失真小 为了得到优良音质，在大输入功率时失真也必须很小。特别重要的是，在大输入功率时，不应出现异常声。（4）输出声功率大 输入功率应当大，因此必须使用耐热性能好的音圈、坚固的纸盆和可靠性高的部件。（5）具有耐久性 在演奏或讲话过程中，不应因扬声器损坏而发不出声音。扬声器应能适应一些苛刻的使用条件，所以必须使用不易老化的振动部件。（6）不易引起啸叫 如果扬声器容易产生啸叫，就意味着不能高效率地发出大的输出声功率。所以扬声器应该具有适当的指向性，使在传声器方向的辐射声音非常小。（7）易于维修 为了使扩声用扬声器一直保持最佳性能，所以要定期维修。为了易于维修，应该对扬声器的安装方法等方面进行考虑。 2.指向性的设计 扩声用扬声器的指向性受室内的声压分布、啸叫的稳定度，以及直达声与散射声之比（与混响有关）影响。所以，指向性的设计是扩声用扬声器设计中最重要的部分。 关于希望的指向性的合成方法，有采用号筒扬声器、采用几个纸盆扬声器和在扬声器箱的箱体上开指向性调整孔等几种。（1）采用号筒扬声器 号筒扬声器可以分为以下三大类： ①圆形及矩形号筒 ②扇形号筒及径向号筒 ③多格号筒 圆形号筒随频率的增高，指向性变尖锐。矩形号筒长轴方向比短轴方向的指向性尖锐。扇形号筒的声源呈现为从圆柱面上切取一部分的形状，它的特点是具有圆弧方向的指向性，即在圆弧角度范围内频率特性变化不大，可以得到几乎平滑的特性。可以根据需要的服务范围，将角度设计成60°、90°以及120°等。一般的厅堂在水平方向需要宽的服务范围，所以安装时应将主轴方向对准厅堂的中央或稍偏后方（如图3-54所示）。 扇形号筒的垂直方向服务范围与号筒的宽度有关，约为±15°左右。另外，多格号筒的开口面呈现为从球面上切取一部分的形状，在垂直方向的指向性要比扇形号筒宽。图3-55 直线排列扬声器系统 这样，圆形号筒的能量集中在主轴方向，指向性尖锐，声音能到达远方，适合于室外等场合使用。另一方面，扇形号筒可以得到接近均匀音质的扩声，比圆形号筒的服务范围要宽。因此，它们适用于剧场及音乐厅。这些号筒，一般承担500Hz以上的中高声频段的扩声。要得到低于这一频段的声音所需要的指向性，可以在纸盆扬声器上附加号筒，也可以采取下述方法。（2）采用几个扬声器 要采用几个扬声器获得指向性，可以将扬声器作直线排列、曲线排列、曲面排列或者其他排列。 直线排列扬声器称为声柱，图3-55所示为几个扬声器作直线排列的情况。它的指向特性如图3-56所示，在水平面内指向性约等于单个扬声器的指向性，相当宽；在垂直平面内与扬声器数量成正比变窄，并随频率而变窄，在高声频段则过于尖锐，不利于使用。 改进的方法如下： ①在声柱两端改用高声频段衰减的扬声器； ②两端扬声器的输入端插入低通滤波器，以衰减高声频； ③采用两分频方式，在声柱中间安装高音扬声器； ④采用两分频方式，并使高音扬声器以较窄间隔作直线排列； ⑤采用两分频方式，并使用具有适当指向性的号筒扬声器作为中高音扬声器。图3-56 声柱的指向性（口径10cm×10cm） 曲线排列扬声器可以按照扩声场所合成需要的指向性。图3-57a所示为各扬声器的主轴方向分别指向将听众席截面等分后的等分点，图3-57b所示为对较远的听众席后部安排较多扬声器的方法。图3-58所示为两分频方式曲线排列扬声器。曲线排列扬声器可以调整水平面和垂直面两个方向的指向性，图3-59所示为在曲面上排列多个扬声器的情况。图3-58 曲线排列扬声器系统图3-59 曲面排列扬声器系统图3-60 在箱体上开有指向性调整孔的扬声器系统（3）在扬声器箱的箱体上开有指向性调整孔 这个方法可以应用于直线排列扬声器系统中，在箱体的背面开孔，使这些孔辐射与扬声器前面辐射的声波反相的声波，在水平面内形成单一指向性或双指向性（如图3-60）。这种方式可以改善直线排列扬声器系统的缺点，即低声频段由于扬声器的相互辐射阻抗，使效率不必要地提高和低声频段的指向性变宽。 3.剧场用扬声器的种类及其举例 剧场和厅堂通常用以演出音乐和话剧、作报告、放映电影等，所以必须安装针对全场扩声用和效果声扩声用等各种用途的扬声器。图3-61所示为剧场中各种扬声器安排的例子。图3-61 剧场用扬声器（1）舞台前部用扬声器 舞台前部用扬声器是剧场、厅堂的主扬声器，应当能单独使整个厅堂得到足够的音量。因此，应使用具有高效率、适当指向性和频率特性的扬声器系统。通常，使用两分频或三分频扬声器系统。 舞台前部用扬声器的数量随厅堂的形状和大小而不同，两声道立体声需要两只扬声器，也可以再增加一只扬声器。通常，对中间的第三只扬声器馈给立体声的和信号（L+R）。（2）舞台下方用扬声器 舞台下方用扬声器安装在舞台下部，当只有主扬声器而听众席前部的音量不足时，可用它来进行辅助扩声。因此，可采用口径为20cm或16cm的纸盆扬声器做成两只竖向排列的扬声器系统，或采用口径为20cm及5cm左右的复合纸盆扬声器。（3）舞台用扬声器 舞台用扬声器是在舞台两侧放置的可移动的扬声器系统，在要求重放大音量的效果声或轻音乐演奏时使用。另外，也可以作为主扬声器的辅助扬声器，或做成比舞台前部用扬声器更大的扬声器系统。 在舞蹈音乐会中，也有将十几个大型号筒扬声器系统重叠起来使用的情况。这时为了避免听众席前部的声压级过高，可以将扬声器安装在高处或吊在天花板上。（4）侧壁用扬声器及嵌入天花板的扬声器 侧壁用扬声器及嵌入天花板的扬声器使用目的如下： ①作为后部听众席的辅助扬声器用； ②作为演剧或电影的效果声用； ③作为附加混响用，以改善室内声学效果。 根据厅堂的大小，可以使用20cm全频带扬声器或38cm两分频扬声器。（5）吊在天花板上的扬声器 吊在天花板上的扬声器用于对一部分听众席进行集中扩声，因此它应当有尖锐的指向性，并且可以改变指向方向。当在听众席上使用传声器时，为了防止啸叫，使用这种扬声器可以使在传声器附近的扩声不致太强。（6）返送用扬声器 通常，扩声用扬声器为了不引起啸叫，设计成使对舞台方向扩声的声级低。这样将使演奏人员感到其他演奏人员的声音以及自己演奏的声音被送回来得很弱，以致演奏起来感到困难。这种情况，可以在舞台两侧安装能对舞台全体扩声的声柱和号筒扬声器，或者在演奏人员脚下安装小型扬声器系统。 第二节 调音台和声处理设备
在扩声系统中，对声音进行调整、控制和分配处理的主要设备是调音台。在本节中，将对调音台的基本原理及使用进行较详细的说明。
一、调音台的作用
不管是多么复杂或昂贵的调音台，它们都是要实现同样的基本功能——对大量的输入信号进行混合和电平控制，在需要的地方加入效果和信号处理，并且将最终的混合信号分配到相应的目标源上，这些目标源可以是功率放大器、录音设备的音轨，或同时分配给两者。由于调音台是这些声源信号的神经中枢，所以它是声频系统中最重要的部分。
二、调音台的选择
由于调音台有许多不同的性能特点和尺寸规格（大小），并且价位也不相同，所以人们在选择调音台时总是存在疑惑，到底什么类型的调音台能真正满足工作的需要呢？对下面列出的这些问题的回答是用户选择调音台的依据，它们将有助于缩小调音台选择的范围，让用户能选出最合适的一款调音台。（1）打算用调音台做什么工作？比如是多轨录音、现场扩声，还是两者同时进行？（2）资金情况如何？（3）有多少个声源？以此决定所用调音台的输入通道数。调音台的输入通道数至少应该与声源数目要求的通道数相等，如果打算以后再购置新的设备，那么就应投资购置输入通道多一些的型号，为将来扩展应用留有余地。（4）针对自己的应用情况，调音台必须具备哪些特殊的功能？比如，要求大量的均衡、辅助通道或录音的直接输出。（5）是否要求调音台具有便携的特点？
三、调音台的控制
下面，将讲述在典型调音台中可以见到的各种控制和输入／输出情况。（一）单声道输入（Mono Input）
单声道输入部分如图3-62、图3-64、图3-66所示。
A：传声器输入（MIC In）
利用这种XLR输入接口，可将传声器或DI转接盒接入调音台。
B：线路输入（Line In）
利用这种输入接口，可将键盘乐器、采样器或鼓机这类有“线路电平”输出的乐器接入到调音台，还可以连接多轨磁带机和其他记录媒体的声音返回信号。尽管也可以用来接入传声器，但是线路输入并不是为传声器而专门设计的，因此不能为传声器提供最佳的性能表现。
C：插接点（Insert Point）
利用这种插接点，可将诸如压缩器或限制器这类信号处理器接入到输入模块中，也可将外部设备接入到输入通路中。
图3-63所示为常见的插接点的使用方式之一。图3-63 利用插接点将信号处理设备接入到通路中
D：直接输出（Direct Out）
通过直接输出，可以将声频信号直接从通道送至多轨磁带录音机，或在通道需要有自己的特殊效果时将信号送至效果单元。
E：增益控制（输入灵敏度）Gain Control（Input Sensitivity）
用来设定来自传声器或线路输入的信号送至通道时的信号电平大小。
F：高通滤波器（High Pass Filter）图3-65 高通滤波器的工作原理示意图
顾名思义，高通滤波器在切除声音信号中非常低的频率成分的同时，可让更高的频率成分“通过”。在现场扩声中，通过高通滤波器可以减小舞台的嗡嗡声或传声器的“扑扑声”，否则这些外界干扰因素会使混合后的声音听起来很混浊；也可以使男歌手的声音非常“干净”，并且能滤除低频的嗡嗡声。有些生产厂家可能使用“低频切除”（Lowcut）滤波器这种术语描述HPF，其工作原理如图3-65所示。
G：均衡部分（EQ Section）
通常，均衡部分是所有调音台中最需要仔细调整的部分，可以用来改变每个输入声音信号的音色。通常，EQ的调整分成频段来进行，每个频段代表了所控制的频率范围。它与Hi-Fi音响上的高低音控制相类似，实际上简单的2段EQ就与输入的高低音控制相类似。EQ的频段越多，则其控制就越细致、准确。在3段或4段均衡设置中，中音频段有一个或两个单独的控制频段，其控制方式是“扫频”形式，所以其均衡控制比较灵活。所谓扫频EQ，就是说可以准确地选择某一频率作为中心频率进行衰减和提升处理，而不是像通常的“固定”均衡控制那样，已经设置好均衡频率，不能改变。
H：辅助部分（Auxiliary Section）
一般而言，辅助部分的控制有两个作用：第一，控制激励效果器（例如延时混响器）信号的电平，更明确地说，控制输入通路信号送至辅助母线的电平，辅助母线的送出信号激励效果器的输入级；第二，在演播室或舞台扩声应用中，建立一个单独供演员听的“返送”混合信号。
I：声象电位器（声象控制，Panoramic Control）
声象电位器决定声音信号在立体声混合信号声场中的位置，或用于将信号分配至（送至）特定的编组（Group）输出上。其具体作用视分配开关（Routing Switches）M的选择而定。
J：独听（PFL和带效果的推子后选听）Solo（PFL和Solo In Place）图3-67 立体声输入模块
PFL独听开关可以单独监听一个输入信号，并将它与所接的任何其他输入信号分离开来。这种方法对于检查所出现的问题，或设定乐器信号所在的输入通路上的输入前置放大器增益和均衡十分有用。
推子前监听是独听（选听）的一种形式，它允许对推拉衰减器之前的声音信号进行监听；换言之，如果在PFL方式下推拉推子，监听信号的电平不会发生变化。因为排除了效果和音量的影响，所以PFL选听对于正确设定输入前置放大器的电平十分有用。
有些调音台采用了Solo In Place的选听方式。这种选听方式允许用户对带有真正声象的推子后信号进行监听，并且该信号是加入了效果之后的信号。这种选听方式对于设定电平并没有多大帮助，但对于缩混阶段的声音审听比较有用。
K：哑音通道开／关切换开关（Mute Channel on/off switch）
这一开关可进行通道的开启/关闭转换，并且在不使用该输入或不需要预置通道电平时，用来隔离通道，例如剧场场景设定或突出表演／演员。
L：推拉衰减器（Fader）
推拉衰减器决定了输入信号在混合信号中的电平大小，并且提供了通道电平的视觉表现。
M：跳线分配（Routing）
利用跳线分配开关的选择，可以将输入信号送至所选的调音台输出上，一般是主混合输出或编组输出。这一开关可以与声象电位器控制结合使用，将信号按比例分配到混合信号的左边或右边。如果声象被旋至全左或全右，那么可将信号分配到奇／偶编组／次编组母线上。（二）立体声输入（Stereo Input）
吉他放大器和非立体声传声器拾取的声源信号只能是单声道的信号，键盘、采样器、鼓机和其他立体声设备能够提供分成左信号和右信号的真正的立体声输出。调音台上的立体声输入可将这样两路分离的信号接入到调音台中，并且用单独一个推子控制其电平（如图3-67所示）。立体声输入的目的是用比单声道输入更少的调整部件来实现对立体声信号的控制，因为大多数键盘均已装配了大量的内置效果和音色控制可供选用。
注意事项：通常只使用左输入时，插孔的立体声输入被缺省设定为单声道输入。而RCA唱机插孔没有这种使用方法。图3-68 次编组（三）次编组（Sub Groups）
这些次编组允许对乐器组或歌声进行配置，以便只用一对推子或一个推子控制这些分组信号，只要单独乐器的相对电平已经平衡完毕即可。另外次编组还可以作为有单独音量／电平控制的附加输出来使用，这对于辅助音箱或在一轨上记录多件乐器声音十分理想（如图3-68所示）。
注意事项：输入通过编组分配开关和声象电位器分配至编组母线上。（四）主控部分（Master）
主控部分如图3-69所示。
N：混合输出（Mix Outputs）
混合输出提供了对最终立体声混合信号中左右路信号的电平控制，许多调音台也有混合通路的插接点，可以对整个混合信号进行插接式的信号处理。
O：录音工程师的监听／控制室输出（Monitor Engineers/Control Room Outputs）
利用这一输出，通过外接的功率放大器和音箱或耳机，可以监听任何的独听信号、混合信号、来自编组的信号，或者两轨磁带机的返回信号。
P：两轨磁带机返回（Two Track Tape Returns）
利用两轨磁带机返回，可以将盒式磁带录音机或DAT放音机的输出接到调音台上，并且重放已制作完毕的节目。也可以利用两轨机至混合开关（Two Track to Mix），重放预先录好的音乐。
Q：辅助送出主控（Aux Masters）
辅助送出主控用于控制来自各辅助输出的总体信号的电平，也就是控制将要送入效果单元或作为演员的返送混合信号的电平大小。
R：推子后监听（AFL）
推子后监听用于对离开辅助送出主控的实际信号进行监听。
S：仪表（Meters）
仪表用于指示混合输出信号的电平，而当按下任何一个独听（Solo）按钮时，仪表将自动转换为显示独听信号的电平，可以对调音台所进行的工作进行视觉的电平指示。
T：立体声返回（Stereo Returns）
立体声返回用于将来自外部设备（比如效果单元）的信号返回到调音台，进而再分配到立体声混合或编组母线上，而不用占用宝贵的输入通道。
U：＋48V幻象供电（Phantom Power）
扩声时使用的传声器有些是电容传声器，需要电源或电池提供能量才能工作。但是，也可用另一种方法，即用调音台来为其提供能量。其中常用的一种供电方法称为幻象供电方式，它能提供＋48V的直流电源。只要简单按一下“幻象供电”开关，所有的电容传声器就无需使用电池也能工作。
注意事项：如果任何一个传声器输入上接有非平衡的信号源，则不要启动总体作用的幻象电源开关，因为幻象电压同时出现于XLR接口的2和3针脚上，这样将损坏传声器／信号源。
V：耳机插孔（Headphones）
耳机插孔可以让操作者在不影响其他人的情况下监听混音，或者排除环境声场的干扰进行监听。
以上是典型调音台的一些基本性能，具体的调音台会有所区别。（五）信号流图图3-70 信号流图
一个信号源经过调音台的信号路径，通常采用以下两种方法之一来表示，即系统框图或信号流图。
这两种图示法提供了对调音台关键部分的直观“视觉”说明，它可使声频通路的各部件与此图对应起来，这将有助于工程师在信号源的工作不正常时，判断问题发生在什么地方。简言之，这两种图示法是调音台的“电子地图”。
图3-70所示为信号流图，它是对调音台配置的最基本表述，表示单一一个信号源是如何通过一个输入通道分配至调音台的各个其他部分。
系统框图稍微复杂一些，更为详细。其中有较详细的电路方面的信息，包括电阻和电容的位置，以及母线在内的整个调音台的结构。系统框图采用了大量的记号来表示其中的电子元件，它对使用和了解调音台大有益处。
四、调音台与其他设备的连接
如前所述，调音台可以接收各种信号源信号，对其电平进行设定，并将其分配到正确的目标源上去（如图3-71所示）。图3-71 典型扩声系统设备连接示意图
下面，我们将介绍所使用的周边设备是如何与调音台进行连接的。（一）输入设备
1.传声器（Microphones）
所有的传声器都应该通过各个XLR输入接口接入调音台，不要使用线路输入。
2.直接接入转接盒（DI Box）
利用DI转接盒可以将电吉他或电贝司信号直接接入到调音台的输入上，而不必用传声器来拾取乐器音箱重放出来的声音。这种技术深得那些喜欢“干净”声音的音乐人士的喜爱。最好的DI转接盒是有源的，并且需要有类似于电容传声器的幻象电源，它们应接到XLR型传声器输入上。
注意事项：尽管电吉他和电贝司可以接到调音台的线路输入上而不会产生危险，但是其效果并不十分理想，因为这些乐器的输出阻抗不能与典型的线路电平相匹配，直接的连接通常会导致声音很弱。
3.电信号形式的线路输出设备（Electronic Line Output Devices）
键盘、鼓机、CD播放机、DAT机和无线传声器接收机，这些设备均提供线路电平的输出，并且它们应该直接接到调音台的线路输入上。如果有些乐器是立体声形式的输出，那么应将其左右输出接到备用的立体声输入上；另外也可以将其接到相邻的一对单声道输入上，并将通道上的声象电位器（Pan）分别旋至全左和全右，以产生立体声的声象。（二）需要输入和输出的设备
1.外部效果单元（External Effect Units）
将效果单元上标有“单声道”（mono）的输入端与调音台的推子后辅助输出端口相连。效果单元的左右输出应接到一对立体声返回通路上，或者在立体声返回不够用的时候接入到立体声输入上。如果需要给效果添加更仔细的EQ，就要使用一对单声道输入。效果信号与其他声频信号并没有什么差别，它也需要使用调音台的一个输入。
注意事项：不必将效果单元的左右输入与两路不同的AUX相接，因为大多数单元仅需要“假立体声”操作，并且它们是在为调音台的返回提供立体声输出之前，在内部模拟成立体声混响效果。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]