深度解析音箱分頻器設計

粗略統計瞭一下,我的各個平臺點擊量加起來差不多也有一個億瞭。但我兩年前寫的文章,關於聲音主觀評價的很基礎的一些概念,兩年過去瞭,我引用無數次,也就一萬多人看,算上完成率,甚至不足2700人。

既然是深度解析,一些基本的概念:巴特沃斯、Linkwiz-Riley、Q值、2階、4階、指向性之類的概念是什麼意思我就不再贅述瞭。

其實如果想要比較深刻的理解音箱分頻器的作用與調試,除瞭要有一定的主觀評價能力並且瞭解參考級的聲音以外,最好還是需要對音箱本身的聲學特性以及人在房間內的心理聲學。

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

第一個問題 軸向頻響與離軸頻響的平衡

在分頻點附近,如果高音單元和低音單元的指向性系數DI不同,那麼就很可能出現如果把軸向頻響曲線調平,離軸頻響曲線不標準的情況。此時通常並不一定是最優解,聽起來也很可能有音染。以我前一段時間測評的ATC SCM7為例,

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ATC SCM7 CEA2034

可以看出4kHz左右,指向性出現反常,由強變弱,如果此時強行把軸向頻響曲線調平,會導致離軸頻響曲線過多,4kHz左右主觀聽感可能溢出。(當然,SCM7這個4k左右確實還是稍微少瞭點。)

深度解析音箱分頻器設計

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如果從定量的角度來講,離軸頻響對人的主觀音質感知的影響大約為60~70%,當然這還與音箱的具體擺位有關。

深度解析音箱分頻器設計

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例如音箱擺位時,聲中心並沒有正對著聽音位,那麼直達聲也不是軸向頻響。

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這樣的擺位在“發燒友”中很常見,但通常是有問題的

不論如何,毫無疑問,離軸頻響對音箱音質的影響在很多時候都是不可忽視的。很多情況下,軸向頻響在分頻點或者附近頻段“犧牲”一些,離軸頻響更好一些,反而實際聽感會更好。這裡的離軸頻響是泛指的,具體角度與方向的頻響需要酌情而定。而具體該如何取舍軸向頻響曲線與離軸頻響曲線,因為有時無法同時兼顧,需要取舍,需要主觀評價,如果想要調到最優,最終以實際聽感為準。

當然,以上所講的聽感取舍與分頻器調節,通常是發生在高音單元與低音單元的頻響和指向性在分頻點附近並不匹配的情況下。或者用更通俗的話來講,兩個單元搭配不好,不得已而為之。但單元搭配不好的情況時有發生,DIY就是最常見的例子,如果兩個單元搭配不好,即便花瞭很多錢可能效果也不好。而這一現象在廠商設計的產品中也有可能發生,尤其是單元並不是完全由自己設計時,可能這種情況更多一些。

但如果在設計之初就考慮到分頻點附近的性能表現,通常就不太需要考慮這個問題,或者針對這個問題的調音工作量就不大。Waveguide和號角是最常見的控制指向性的結構,當然,普通的球頂單元也有可能找到與之指向性銜接對應的低音單元。但是,通常指向性DI的絕對值會較小,beamwidth較大。

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

分頻器附近的聲音與一些人所理解的“不確定性”,其原因並不是頻響曲線沒用,很多時候也不是分頻器所引入群時延,而是沒有看清問題的全部。

深度解析音箱分頻器設計

丹拿M20

深度解析音箱分頻器設計

丹拿M20

深度解析音箱分頻器設計

紐曼KH120

而這些內容的一些相關知識,其實在我兩年前推薦的《揚聲器設計手冊》的序章中就有所論述。

深度解析音箱分頻器設計

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這其實再次印證瞭開頭我所講的,其實根本沒幾個人去瞭解和在乎這些東西。

第二個問題 音質與聲場的平衡

首先,在討論這個問題之前,最好還是要知道什麼是聲場。

這裡指的主要還是image的寬度,高度,以及image focus等,用老燒的話來講就是“嘴型”。

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要更深層次理解這個問題,要瞭解人是如何唱歌的,以及一些常見樂器的工作原理或者說聲輻射特性。

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分頻器有時是可以調整指向性的,或者說局部的指向性。但這可能與音質音色沖突,此時就需要取舍。

深度解析音箱分頻器設計

僅示例

深度解析音箱分頻器設計

僅示例

當然,著也要考慮音樂文件本身的混音以及音箱的擺位、房間處理、聽音位選擇等。通常,立體聲音箱系統、多聲道系統、單聲道(例如隻有中置播放特定節目源,例如人聲)是不同的。

之前部門的老領導對聲場很看重,可以在犧牲一定音質音色表現的情況下優化聲場表現。或者說當音質音色達到一定的水平,有時即便調音會使得音色略有瑕疵但是可以是image定位和聚焦表現更好,減少聲像漂移等問題,通常會這樣調節。而這本身與Wolfgang Klippel 30年前的心理聲學實驗是相吻合的。前提是,音質音色表現已經達到瞭一定的水平。

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

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當然,我以上所說的這些和耳機沒什麼關系。並且,通常一個分頻方案隻適用於對應的聲學系統,例如音箱箱體/障板/單元排佈不同,會因為衍射等因素影響音箱的聲音表現。所以,即便是一模一樣的單元,如果箱體/障板/單元排佈不同,通常不太建議套用相同的分頻器——這個問題主要還是出現在DIY中的一些“復刻”方案。

沒有絕對完美的揚聲器,或者通常情況下,一個音箱的音質音色和聲場表現都可能存在一定的瑕疵或問題,而有時音質音色的問題與聲場的問題很難兩全其美,需要人主觀判斷並加以取舍。而這一問題本身固然在揚聲器單體中存在,但更多出現在聲學系統中,例如立體聲音箱系統或者多聲道音箱系統。(System Level)

主觀調音的真正奧義是取舍,人做的是“戰略上的判斷”,而不是聽得比儀器還準,或者聽到根本不存在的聲音,除非像車載音響等系統這樣很難直接測量的聲學系統。

我發現行業內部對於聲學產品(耳機和音箱)的研發和評價更多的還停留在單體層面(單個揚聲器單元或單個揚聲器),而對系統層面的研究少之又少。(畢竟賣的隻是單體)
回歸正題,實際上,僅僅對於揚聲器單元和箱體設計等並不需要太多的主觀評價。因為通過常規的客觀測試結果已經很大程度上可以推測出聲學產品的實際表現。

而主觀調音也根本不是一些“耳機調音大濕”和有些HiFi發燒友YY的那樣對音樂進行“二次藝術創作”,更多時候是盡可能解決單元硬件和聲學環境上的缺陷或不足。

如果對一套聲學系統進行主觀調音,可能音質音色的調節隻占大約20%的工作量,聲場的調節大約占30~40%,平衡聲場與音色的表現有時可能占高達50%的工作量。

第三個問題 低頻管理/低音炮分頻

有低音炮就必然也涉及到分頻。如果是隻有一個低音炮的系統,通常如果想要不止一個皇帝位,分頻點調節可能比多低音炮系統更難,或者說相位調節需要一定的妥協,考慮到更多的位置。

這個問題的難點的最終極體現在車載音響系統。

深度解析音箱分頻器設計

通常一個品牌車載音箱系統擁有一個(或兩個)超重低音(Subwoofer)和四個低音單元(Doorwoofer),當然,發燒友管這個叫中低音,但實際上車廠通常管這個就叫低音單元。不過這個名稱並不重要。固然現在車載音響系統有很多模式,但是如果是全部乘客模式,需要車內的四個位置低音表現都比較好。但通常事情並不是這樣簡單的。

  • 可以調節低音炮與多個低音單元在駕駛位置疊加相位匹配,但此時可能低音炮在後排與多個單元的疊加相位幹涉導致後排低音效果不好。
  • 此時可以通過調節不同門低音單元的相位使得後排低音表現較好,但可能發生不同門低音單元之間的幹涉導致前排低音表現不好。
  • 可以通過分配不同低音單元增益比例均衡一定的幹涉但是可能導致低音提前到達limiter而導致動態范圍問題。
  • 而調節門低音單元相位本身又可能導致牽連到更高頻段的相位導致聲場與音色問題。等等等等。

一句話總結就是——牽一發而動全身。

深度解析音箱分頻器設計

深度解析音箱分頻器設計

總之這是一個取舍和往復調試的過程。當然,即便是簡單的低音分頻系統,有時也不是但凡把相位對其就是最優解。有時還需要考慮實際情況和音箱與低音炮本身的特性確定分頻點等。

多聲道系統相位與立體聲系統的區別,其實並不是相位本身的區別,而在於多個揚聲器直接的相互作用與立體聲回放系統存在區別而導致的,或者也可以解釋為非對稱系統與對稱系統的區別。


一些相關的零散內容

模擬電子混合分頻

有不少大師例如前JBL HiFi音箱與傢庭影院總工程師Greg Timbers自己的JBL Everest DD67000就采用模擬電子混合分頻,通俗講就是同時采用LCR分頻電路和DSP數字分頻系統。

深度解析音箱分頻器設計

可控指向性有時意味著較高的靈敏度,例如號角。如果沒有衰減分壓電路,也就是模擬分頻器的一部分,可能對功放的底噪表現要求很高。所以模擬分頻器可能使得高音在無源狀態下的靈敏度與其他單元達到一致水平。數字分頻的優勢在於可以進行一些細微調節,例如分頻點附近Q值與增益的微調,有時這些細微調節是很難通過模擬器件精確完成的。順帶還可以做DSP房間校準~

分頻點如果單元銜接比較極限,可能存在更多不穩定因素

分頻比較極限時可能出現分頻點處的功率壓縮或者THD tolarance問題。THD tolarance問題可能對於量產產品更需要考慮,個人DIY發生的概率不大。


結語

如果你真的也從多方面理解我這篇文章所講的內容,就會發現很多這個行業發生的事情本身就很滑稽。很多所謂的“發燒知識”和約定俗成的說法有多麼荒唐。一些高喊著“發燒”的人對聲音和真正與聲音相關的事物並不在乎,也不想去瞭解。天下之大,本就無奇不有。音箱耳機行業是少有的黑白顛倒的行業,尤其是耳機行業。

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