3.3 音箱

3.3.1 音箱的分类

（1）扬声器与音箱

扬声器又称喇叭，它是把信号电流转换成声音的一种器件。人们说话的声音和乐队演奏的声音经过话筒变成电能，再由放大器放大，我们所得到的是放大了的电能，而不是声音，必须将电能变成声能，而将电能变成声能的就是扬声器。扬声器中，使用最多的是永磁电动式扬声器，它的构造与动圈话筒的构造相似。在永久磁铁的圆环形隙缝中，放置一个动圈，叫作音圈。音圈与纸盆相连接，并装有布质或纸质的定心支片，定心支片固定在盆架上。纸盆的四周边缘也固定在盆架上，这是为了音圈在磁隙缝中能够保持准确位置。让音圈和纸盆沿着轴心振动，振动时音圈与隙缝内外绝对不能相碰。

当信号电流流过音圈时，根据电动机的原理，信号电流产生的磁通量与永久磁铁的磁通量发生相互作用，使音圈带动纸盆振动而发出声音。

永磁电动式扬声器又可分为两种：一种为直射式又称纸盆扬声器，它是把声音直接辐射出去。另一种为间接辐射式又称号筒式扬声器（高音喇叭），号筒扬声器的工作原理与永磁电动式扬声器一样，但辐射的方式不同，号筒扬声器的发音头（又称高音头）振膜振动后，声音经过号筒，然后再逐渐扩散出去，所以它是间接辐射扬声器。号筒扬声器也称高音喇叭，它是由一个发音头和号筒组成的，特点是效率高，缺点是不仅频带范围较窄，而且指向性也窄。

扬声器的音圈是绕在一个圆形纸管上的，国内生产的扬声器，大都采用圆漆包线作为音圈的导线。而先进的扬声器，都采用了特制的方形截面铝合金导线。这种导线加上特别配方的绝缘漆皮，使音圈既轻又密，提高了功率容量，也提高了声音灵敏度。图3-15所示为永磁电动式纸盆扬声器的构造图，图3-16所示为号筒扬声器构造图。

音箱又称扬声器箱，它是将高、中、低音扬声器组装在专门设计的箱体内，并经过分频网络将高、中、低频信号分别送至相应的扬声器进行重放。

扬声器安装在音箱内后，可以利用音箱内部的声音传播特性，扩展扬声器低频重放范围，使重放声产生较宏大的声场。

（2）音箱按分频的方式分类

按分频的方式分类音箱，主要有号角式音箱、全频音箱和超低音音箱。

1）号角式音箱 如图3-17所示，号角式音箱是一种典型的高效率大动态音箱系统，我们知道当大声喊话时，如用双手呈号角状放在嘴边，会明显地提高声压级，使音量增大且传播的距离更远，这证明了号角系统能提高喇叭的还原效率。制成合理的号角式音箱，在放送音乐的过程中，音乐的细节分辨率及微弱信号的再现都能充分体现在我们的面前，且有明显的真实感和定位感。立体声效果十分显著，不管对强信号与弱信号的线性对比，都具有庞大的动态范围。号角音箱的失真之小，也是其他类型音箱所不能比拟的，因为在同样的声压级内，号角音箱所需的驱动功率比其他类型的音箱要小得多，它可以在微小的振动下，发挥出很大的声音能量来，喇叭的音圈移动很小，使喇叭保持在活塞的振动区域内，因此失真极小，是高质量音响系统的佼佼者。

2）全频音箱 全频音箱一般是指可以重放40～15000Hz的音箱产品，简称全频音箱。很少有单只喇叭能够重放这么宽的频率，所以多采用几只喇叭互相衔接频率范围的形式。比如通过一只低音喇叭和一只高音喇叭加上内部的滤波器形成2分频（2——Way）音箱，还有采用高、中、低四只喇叭和内部的滤波器组成的3分频（3——Way）音箱，高端的场所还有巨大的4分频（4——Way）音箱。图3-18所示是2分频音箱，图3-19所示是3分频音箱，图3-20所示是4分频音箱

全频音箱还有一种称作同轴音箱，它是用的是同轴单元，这种单元实际上是高音单元和低音单元的组合体，高音巧妙地放置在低音振膜的中心处，因此能保证高、低音的声学中心是同一个点，如图3-21所示。

3）超低音音箱 低音音箱根据它的频率还原范围来确定的，一般都能较好地还原20～200Hz，甚至可以还原20Hz以下的频率，低音音箱多采用大口径的纸盘单元，口径越大，重放的频率下限就越低。如图3-22所示。

（3）音箱按用途分类

按用途分类音箱主要有监听音箱、影院音箱、线阵列音箱及网络有源音箱等。

1）监听音箱 监听音箱是一种专业用的音响器材，它的特点是能够平衡还原高、中、低三个频段的声音，对声音的回放不进行任何的修饰、渲染，忠实地还原音频信号，如图3-23所示。

2）影院音箱 现今普遍的影院音箱的高音号角都比较大，而且单独置于音箱体的上方，低音单元一般有2～4个，口径都在15英寸（38cm）以上，且低音箱体不设有网罩，如图3-24所示。环绕音箱其前面板均为向下倾斜的，如图3-25所示。

3）线阵列音箱 简单来说，可以把线阵列扬声器系统看成是一个“大型的全频扬声器”。它是借助线阵列（Line Array）的基本理论，在一定条件下予以近似而开发出的扬声器系统。需要注意的是，不能简单地把“线阵列”等同于实际的线阵列扬声器系统。线阵列基本上是由一组排列成直线、间隔紧密的辐射单元构成。这些辐射单元的声辐射，应具有相同的振幅和相位（如图3-26）。

4）网络有源音箱 网络有源音箱，顾名思义就是基于网络来传输的有源音箱，这里所指的网络即数字网络，也就是我们通常所说的局域网、以太网、广域网等，传输协议是标准的TCP/IP协议。网络有源音箱是整个数字网络音响系统的终端设备（如图3-27）。

网络有源音箱是一款集网络传输、全D类数字功放和带有远程控制监测及DSP信号处理为一体的全频音箱。具有高效率高声能输出、出色的音质、完善的保护功能和良好的电磁兼容特性，可通过PC用一根CAT5网线对该产品进行远程监控和DSP调节，并可实现网络音频信号接收。

（4）音箱按内部结构分类

按内部结构音箱要有密闭式、倒相式、迷宫式及哑铃式等。

1）密闭式音箱 密闭式音箱是目前使用最多的音箱之一。所谓密闭式音箱，就是将扬声器安装在一个完全封闭的箱体中，它是用箱体将扬声器前后的声辐射隔开，以防止声短路。密闭式音箱内的空气对于扬声器来说好比是一个弹簧，从而改善了扬声器的低频响应，如图3-28所示。密闭式音箱的重放特点是低音深沉，低音的解析度较好。但是，由于密闭箱内的空气对扬声器的运动同时也有一定的阻尼作用，因此对音箱的共振频率f和品质因素Q有一定的影响，如果箱体较大的话，这种影响还较小，但在实际使用中，一般主要在选择扬声器的f和Q下功夫。另外，由于密闭式音箱只利用了扬声器一面的声辐射，因此效率较低，一般比其他种类的音箱低3～5dB。

密闭式音箱为了把气垫作用发挥得最好，扬声器振动膜的厚度往往都增加了很多，在这种条件下，音箱的效率会相对下降一些，输出亦会降低，所以比起大多数倒相式音箱要难推动一些，这是密闭式音箱不足的地方。但密闭式音箱与其他类型音箱相比，失真最低，速度快，低音准确、深沉，控制力好，相位特性也是其他形式音箱所无法比拟的。

2）倒相式音箱 倒相式音箱又称低频反射式音箱，是目前使用较为广泛的一种音箱。倒相式音箱的理论是A.L.Thuras早在1932年提出来的，到了1952年，B.N.Locanthi提出了振膜与倒相孔的气体互相作用的计算方式，推动了倒相式音箱的发展。而真正让倒相式音箱得到成熟的实用设计，是1961年A.N.Tniele运用Novak确定的简化模型，较细致地发表了许多实际性的设计方法的文章，而后来的R.H.Small，对倒相式音箱的全方法设计也发表更有实际性意义的文章。在几十年的发展过程中，倒相式音箱渐渐成熟起来。

它和密闭式音箱的区别在于，在音箱的面板上安装了一个倒相管，如图3-29所示。当扬声器工作时，背后辐射出的声波经过倒相管后辐射到前方，与扬声器前面的声波相叠加，然后共同向前辐射，使低频效果增强。倒相式音箱的特点是：可以利用箱体和倒相管的共振，在扬声器的声压不变的情况下扩展了低频，其低频可以扩展至扬声器共振频率的0.7倍。倒相式音箱和重放同一频率的密闭式音箱相比，体积比密闭式音箱小70%，因此对功率放大器输出功率的要求比密闭式音箱低。倒相管可以减小低频下限频率附近的扬声器的振幅失真，但是，倒相式音箱的瞬态特性较密闭式音箱差。

设计良好的倒相式音箱，能够在音量不下降的情况下，进一步扩展低频平衡重放时的下限频率。我们知道，喇叭单元都有一个基本的共振点频率，在这一频率上，输出的声音将最大，同时失真也最大，如不加以控制，势必造成声箱低频带重放的不均匀度加大，平衡变坏，失真急剧增加。而制作合理的一个倒相式音箱，应能将喇叭基本谐振峰压低，使其变为左右分开的两个小峰，且两个小峰的大小相等，这样向低端扩展的小峰，也会使音箱的频响进一步向低扩展。显然，基本谐振峰压低后，失真也明显减少了，这是因为喇叭在这点上的振幅呈反共振状态，在该频率附近，振动的幅度变小所致。要想利用倒相式音箱的这些优点，设计者必须要清楚了解所选用的精心设计才能得到理想的重放效果，并不是随便开一个倒相孔就能成功。倒相式音箱对单元的阻尼状态，简称Q_o，也有严格的要求，不取特定的Q_o值，就不能充分发挥出倒相式音箱的长处，同时调整的手续也比较复杂。

倒相式音箱虽然有效率高，低频特性好及体积小等优点，但也有不足的一面。主要在于设计制作调整难度较大，例如倒相孔不能只为了效率而开得太大，否则会形成峰值。同时倒相孔的长度也会对低频有较大的影响，设计不好，容易产生低音太沉重或速度变慢的问题，也可能会有气流声太响等问题。与密闭式音箱比较，倒相式音箱在低频段的瞬态特性较差，声音的表现有些混浊。由于倒相式音箱要利用喇叭背面的声波，要在箱体内经过一段时间才反射出来，所以相位并不是十分准确的，同时反射出来的声波在速度上肯定比喇叭正面的直达声慢了一步，所以说倒相箱发出来的是一种“假”低频，没有密闭式音箱来得准确。

3）迷宫式音箱 迷宫式音箱，顾名思义是其内部的结构较为复杂，好似迷宫一样。迷宫式音箱，音箱是在喇叭单元的振动膜后面，制作了一条矩形截面的折叠反射管道，而同周围的介质相耦合，放声管道的截面积一般等于喇叭单元振膜的有效面积，如图3-30所示。这种结构形式的音箱与传统的密闭式音箱及倒相式音箱在设计时完全不同，这类音箱的设计要点主要有两个原则：一是要求迷宫式音箱在工作时应该有效控制喇叭单元的基本共振频率f_o；二是要求迷宫系统的放声管道能提升所设计的低频下限频率与能量。

迷宫式音箱，实际上是把喇叭单元反面的声波经过一条长长的管道反射出来，而放声管道的长度是迷宫式音箱的设计焦点。设计合理的迷宫式音箱，在扬声器单元工作时，辐射出的声波如与喇叭单元前面的声波相位相反，迷宫内的放音管道，应该起抑制作用。当辐射出的声波与喇叭单元前面的声波相位一致时，迷宫式音箱的放音管道要起提升的作用，这是迷宫式音箱的主要出发点。如果设声管的长度为辐射声频率的1/2波长，则相位便会移动，等于180度，这时，迷宫式音箱放声管道的末端开口处所释放出的声波，就会与喇叭单元前面的发声处在同一相位。同样道理，如果设声管的长度为1/4波长，上式同样成立且能缩短声管的长度，一般取偶数值，是设计迷宫箱的正确做法。如果取共振频率f_o的3/4波长，或是其倍频的3/4波长时，输出的辐射就会降低，这是因为声管出口处的辐射波与喇叭单元后面的声波呈反相位关系所致。

迷宫式音箱虽然重放效果很好，但结构比较复杂，限制了它的大量发展。设计这种音箱要注意减少放音声管内的高频谐波振荡频率对迷宫系统所产生的频响特性不良的影响，因此应在声管内铺以吸音材料，并力求让音箱的各部位结构牢固可靠，避免内部管道的漏气现象产生。还要求放声管道的各部位截面积不得小于所使用扬声器单体本身振动膜有效面积。

4）哑铃式音箱 传统的3分频音箱的扬声器安装时由上至下分别为高音扬声器、中音扬声器和低音扬声器，因而出现各种频率的音源的重放声高度不一致现象。当欣赏者靠近音箱时会产生一种各种音源频率的分离感，哑铃式音箱则较好地解决了上述问题。它采用了2分频完全对称的形式，两只低音单元扬声器的型号一样，采用并联或串联接法，重放时两只低音单元的振幅及相位完全一样。在两只低音单元的中间安装了一只高音扬声器，这样在重放时所产生的声源位置定位于两只低音单元的对称点上，即高音扬声器的位置，如图3-31所示。

哑铃式音箱在大动态信号工作时非线性失真较小，由于低音单元采用并联或串联接法，因此在一定的输入功率时，与普通的音箱相比，扬声器的振幅只有普通音箱扬声器的1/2，所以，它可以承受较大的输入功率，同时哑铃式箱的重放声的低频力度感较好。

3.3.2 音箱的摆放

（1）音箱摆放原则

①保证整个声场中应有足够的声压级、较小的声场不均匀度和良好的语言清晰度。

②观众席上的声源方向感良好。

③控制声反馈，防止啸叫，尽可能避免出现多重回声。

④扬声器辐射角应交叠覆盖全部观众席。

（2）音箱摆放方法

音箱的摆放可分为集中式、分散式和混合式3种。

1）集中式摆放 集中式摆放是将一组或多组音箱集中布置在靠近需要放大的原始声所在的表演区（舞台）附近，如剧场、报告厅的台口上方或两侧，体育馆比赛场地中央上方等位置。集中式摆放适合容积不大、体型比较简单的厅堂。

①观众席感到声像来自舞台方向，方向性好，清晰度高。

②没有次级扬声器延时声，不会在表演区产生干扰。

③扬声器在声源两侧，容易引发声反馈。

④扬声器安装高度和角度影响声场的均匀度。

2）分散式摆放 分散式摆放是把音箱分散布置在吊顶或侧墙上的布局方式。当房间面积较大、平面较长、顶棚又低，采用集中式布局不能满足声场分布均匀的要求时，或者厅堂混响时间很长，无法获得理想的清晰度时，可以采用音箱的分散式布局。

分散式摆放对于声音的方位与自然声的方位较难取得一致，为了改善方向感，可以对各路音箱进行分别延时处理，使来自自然声源方向的声音先到达观众。

3）混合式摆放 对于一些多功能厅以及一些大规模的厅堂，常常采用集中与分散相结合的扬声器布局方式，这样可以使大厅的后部或较深的挑台下空间等处也能获得足够的声压级。采用混合式布局时，辅助扬声器的音量要调小一些，必要时进行一些延时。同时，可在台口两侧和舞台边增加扬声器，以改善前区观众的方向感。

3.3.3 音箱叠加的计算方法

音箱叠加后声压级增量公式：

SPL=音箱灵敏度+10log功率+20log音箱数量

假设两只都是灵敏度100dB的音箱，各输入100W的功率，叠加后的声压级为：

SPL=100dB+10log100+20log2=100+20+6=126dB

假设一只灵敏度100dB的音箱，输入200W的功率，输出的声压级为：

SPL=100dB+10log200=100+23=123dB

那都是输入200W的功率为什么增量不一样，因为这两种状态其实是不一样的，虽然输入音箱的功率加起来都是200W，但第一种状态功率是分开输入两只音箱的，两只音箱的转换效率比同样的一只音箱要高了，所以，第一种状态会比第二种得到更高的声压级输出。

在功率计算时适用10log公式，是因为欧姆定律，电压和功率的关系是平方关系，P=U平方/R。所谓功率增加一倍，声压上升3个dB的说法，一定要看是什么条件，是一只音箱，还是两只音箱的状态，也就是上述的第一种情况还是第二种情况，不能混为一谈。线阵列的叠加也是6dB，但在高频段叠加的区域非常小，因为每一只线阵列音箱的高频垂直指向都是非常窄的，测试话筒稍微偏移两只音箱之间的中点，就会发现在12K以上是不会叠加的。

在高频段如果形成线阵列的话，因为线阵列的扩散形式是柱面波，所以是3dB衰减，但实际上现实中是无法测到这一结果的，在户外测试的时候会发现，在高频段连6dB衰减都不符合，会衰减得更多，因为温度、湿度，尤其是风的影响会更大。