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低音炮箱体设计原理和分类




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超重低音音箱,俗称低音炮,对营造震撼的气势效果具有非常重要的作用.大多数牌号以AV功放加五只音箱与低音炮组成套餐形式推销家庭影院产品中,低音炮已经是必不可少的配置了,实际上,设计规范、制作精湛、效果出色的低音炮.其在家庭影院系统音频重放中的效果相当迷人.只可惜市场上的低音炮效果出众者价位令一般人难以接受.价位实惠者效果却难以令人接受,世间的事往往就是不能令人如意.不过,善于动手的影音爱好者却“自已动手,丰衣足食”,基于此,本文拟就低音炮的设计原理做简单的介绍,供有兴趣音参考。
一般而言,从低音炮的构成来讲,低音也分有源与无源二大类,所谓有源低音炮指包含功率放大器的低音炮,其中电路部分除功率放大外.通常还具有音频频率滤波(滤去低音以上的音频频率成分),相位调整。音量调整等单元;而无源低音炮即与一般音箱无二,由单元与无源功率分频器组成,其中分频器是一低通滤波器而已。使其重放频率范围仅为超重低音音频。下面就低音炮的-大单元音箱,功率放大分别做以介绍。

一、低音炮箱体设计原理和分类
就低音炮设计原理,可大致分三大类,即密闭式音箱、倒相式音箱以及带通滤波式音箱
1、 密闭式音箱
顾名思义,这种音箱箱体是完全封闭的,与一般的所谓闭箱结构上一样,见图1。

密闭式音箱的特点是结构简单,瞬态响应比较好.即听感深沉、清晰。不足是,在相同的体积下,与其它类型的音箱相比,其低频下潜截止频率要高于其他音箱,因此,如果要获得更低的低频下潜频率,通常需要较大的箱体容积并选用口径较大的喇叭单元,而且音箱的效率即灵敏度要低于其他类型音箱。
在箱体容积设计方面,有一个工程设计数据供参考.当喇叭单元的谐振频率Fs低于50Hz时,箱体容积最好能够大于1.4立升。Fs大于50Hz时,箱体容积最好能够大于2立升。
闭箱在制作、调校时通常还需要在箱体内填充大量吸音棉,材料以玻璃纤维,长纤维羊毛为主,能够改善音箱的柔顺性,也可达到等效增加箱体容积的效果,理论上达40%,实用上可以按等效增加容积15%-24%进行计算,相当于减少箱体的容积。另外,填充吸音棉,也可提高音箱的效率,正确的填充量,最大可提高音箱效率达15%,吸音棉的多少通常需要通过反复试听来决定填充量的多少,以声音不浑浊(量偏少),沉闷(量过多)为原则,其它类型音箱也是如此。
对于闭箱型低音炮,对单元的要求相对其它类型音箱要严格一些,其中希望Fs以低于40Hz为好,Qts应该在0.3-0.6,Fs/Qts≤50。除此之外单元口径最好大于20cm ,而且属于长冲程设讨。

2、倒相式音箱
是市场上最多的一类音箱,音箱上设计有倒相管,即所谓的低音反射式设计,见图2。

倒相式音箱,在单元工作于谐振频率Fs以上锥盆位移相对较小,因而功率承受能力较高,谐振失真较小,但在谐振频率以下,锥盆位移量大幅度增加,谐振失真增加,在相同容积与单元条件下,倒相式音箱可以获得较闭箱更低的低频下潜截止频率。另外,理论上倒相式音箱的效率可以做到大于闭箱约3dB。
当然,倒相式音箱包括倒相管的设计、制作、调校难度要大于闭箱。倒相式音箱内部也需要填充适量的吸音棉,通常比闭箱少一些。
在单元选取上,Fs以低干45Hz为好,Qts应该小于0.5,而Fs/Qts取值应该在100左右为好,单元口径应该大于17cm,为获得较大的声压功率,与闭箱一样,宜选用长冲程设计的单元。

3、带通滤波式音箱
这种音箱比较少见,参见图3、图4,由图可以看出,它是在闭箱与倒相式音箱的基础上发展而来的.既有闭箱的设计痕迹,也有倒相式音箱的特征,其中图3所示音箱也有称四阶带通式音箱,图4所示音箱可以称之为六阶带通式音箱。

A、四阶带通式音箱
在闭箱腔内增加了一个开口腔,其中一部分工作于闭箱模式,另一部分工作于倒相式模式,因此,这种音箱既具有闭箱的优势,也具备倒相式音箱的特点,它的效率高于纯粹的闭箱,低频下潜截止频率与倒相式音箱相近,可以用较小口径的单元获得较低下潜截止频率。另外,它的带通频率可以调整,因而分频器可以简单化,因为音箱本身就相当于自然分频器。
在单元选取上,原则上与闭箱相似,但由于效率略高于闭箱,而且锥盆位移量比较小,可以使用较小口径、短冲程的单元。

B、六阶带通式音箱
在四阶带通式音箱的闭箱部分腔内又增加了一个开口腔,即有二个开口腔,其中一个开口腔工作于较低的频率,另一个工作于较高的频率,二者合成具有一定带宽的频率响应,与上述四阶带通式音箱相比,效率与带宽的可调性更加灵活,而且可以利用更小口径的单元获得更低、更深沉的低音效果,同时、锥盆位移量更小、谐振失真更低。
在单元选取上,基本上与倒相式音箱相近,但Qts该掌握在0.4左右比较好,单元口径基本上没有严格的要求,如果要获得高声压功率、低失真输出,单元口径当然还是尽量大一些比较好。
由于带通式音箱的倒相孔在工作时的气流、声压通常比较大,尤其是在大动态、超低频信号时,因此,不论是四阶带通式音箱,还是六阶带通式音箱,倒相管在可能的情况下,应该尽量大一些,以避免在工作时出现气流声。
在箱体设计上,其容积的取值在实际应用中并不是依据理论计算而来的,尤其是商品箱,主要是以美观、尺寸的协调方面为准,电声指标靠倒相管、吸音棉的调整来达到最佳水准即可,当然,其容积越接近工程计算值,性能越能达到最好的水准。另外,在箱体制作上,内部加强筋的作用不容忽视,在箱体接缝处以及大板中间加一些加强筋利于降低音箱的谐振,所以箱体重一些总是有好处的。

二、电路的构成
低音炮在家庭影院系统中得到广泛的应用,其中的原因在于影片音频解码还原过程中获得了一个超重低音信号,不论在模拟杜比系统还是现今非常流行的数字环绕系统中,既然有超重低音信号,必然就需要专门的音箱来重放。
就低音炮电路构成来分析,一般由前级放大、低通滤波、相位调整、功率放大、保护以及电源等部分组成,就其作用来说,前级放大就是将AV功放输出的超重低音信号进一步放大到足以驱动功率放大部分满功率输出的幅度,因为各个牌号的AV功放提供的超重低音信号电压不一样,一般从0.3-1伏不等,所以前级放大还是必要的,前级电路还有一个重要的作用就是起隔离缓冲的意义,因为各个牌号的功放输出的超重低音信号存在差异,有的厂家在设计上偷料,致使其输出内阻很高,如果直接驱动低音炮的功率放大单元,有可能效果非常不好;低通滤波是低音炮内电路部分一个比较重要的单元,它的作用就是将混杂在功放输出的超重低音信号中的低频以上的信号进一步滤除,一般设计将80-180Hz(很多高档产品将滤波器低端截止频率设计成连续可调的),如果属于固定频率的滤波器,一般取值大约在110-150Hz左右,过低音箱容易产生混降声,过高,容易混入人耳可辨的音乐信号;用于各个牌号的AV功放输出的超重低音信号是反相还是正相没有统一规定,因而,相位调整就是在低音炮摆放时根据系统连接的需要将低音炮正相或反相使用,视效果而定,一般也必不可少;功率放大单元就不用罗嗦了,是有源低音炮的核心所在了,同样,为保护低音炮安全工作并在异常时保护器材不被损坏贵重部件或将故障扩大化,保护电路一般也是必要的;电源是各个电路单元工作的动力,是基本组成部分。需要补充的是,近来一些低音炮还设计了电源自动控制功能,使低音炮在无信号时自动关闭低音炮的主电源。
本文提供一种设计比较完善的超重低音前级信号处理部分电路,其中第一级为信号放大,根据需要可调整本级放大倍数,第二级为50Hz以下超重低音的提升电路,这是一般低音炮电路所没有的,第三级为频率可调低通滤波器,调整范围为80Hz-200Hz,第四级为隔离缓冲级,第五级为0-180度相位连续调整电路.这也是一般低音炮所没有的功能单元,很有特色,最后一级也属于隔离缓冲级,最后面为音量调整电位器。制作方而、其三块双运放可采用一般4558即可,供电电源为稳压电源±12-18V,由于电流很小,可由功率放大级电源经电阻降压取得,以简化设计制作难度。对此电路感兴趣者,可以根据需要予以适当的删减。

至于功率放大以及保护、电源部分电路与一般功放没有什么区别,为节约篇幅略去,不过,用于低音炮工作与超低频段,就功放而言非常消耗功率,要求功率放大部分提供足够功率输出,根据音箱的效率,一般要求输出功率要大于80W,同样,电源功率储备足够也是必要的,否则,在大动态时功放输出的失真加大且输出功率受到制约,而影响低音炮的效果,至于分立元件还是用功率集成块,应该都是可以的、有一点是毫无疑问的,对于低音炮来说,变压器以及功率放大的输出功率越大越好。
需要补充说明的是,音箱制作看似简单,但要做出效果、听感出色的音箱还真不是件容易的事。在业余条件下更是比较困难,如果厂家提供的单元参数比较规范且提供了参考箱体设计指南,那在业余条件下制作音箱相对容易些,低音炮更是如此。当然,这并不影响一些资深音响人士凭着一股精神,经过反复试验、调试以及惊人的听力制作出效果出众的音箱。

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