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本人多年來一直從事電聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，個(gè)人認(rèn)為在一體化平板電視聲音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上遇到了困局，在這里與大家主要探討一下一體化平板電視的聲音系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 電視機(jī)從CRT顯像管電視機(jī)發(fā)展到平板電視機(jī)的進(jìn)程中，圖像特性有了大的改進(jìn)，但是就聲音系統(tǒng)而言，隨著外形及結(jié)構(gòu)的變化，聲特性的效果并不如人們所想象的那樣是越來越佳，而我們的工業(yè)設(shè)計(jì)正在讓消費(fèi)者感到失望，消費(fèi)者方面的話就更加不客氣，直接說平板電視機(jī)里面的揚(yáng)聲器就是垃圾。有的多少知道細(xì)節(jié)的是說理解不了電視機(jī)的總設(shè)計(jì)師們，比如揚(yáng)聲器在成本上是很小的成分,為什么不能增加些投入做些好一點(diǎn)的揚(yáng)聲器呢?一些批評(píng)和評(píng)論在某種程度上是道理的，雖然垃圾說不夠公平，然而我們需要理解消費(fèi)者的想法，一些消費(fèi)者未必了解的是這個(gè)行業(yè)內(nèi)的難處，更不可能理解近年來出現(xiàn)的未必是符合聲學(xué)原理的設(shè)計(jì)思路及追求。美國消費(fèi)電子協(xié)會(huì)（CEA）統(tǒng)計(jì)大約1/4的平板電視機(jī)的用戶為了獲得好的或令自己滿意的聲音,將電視機(jī)中的聲頻電信號(hào)引至家庭影院,，聲巴(soundbar)，外接揚(yáng)聲器或耳機(jī)，這次不深入討論這些外接的功能及效果，將焦點(diǎn)集中于一體化電視機(jī)的聲音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 平板電視這十年來設(shè)計(jì)潮流就是機(jī)身要薄（薄是一切），那么就沒有空間來讓足夠大的揚(yáng)聲器來提供夠質(zhì)量的聲音，不管某些廠家怎么來引導(dǎo)，物理原理是逃避不了的，小揚(yáng)聲器的聲音總歸是有缺陷的；另外一點(diǎn)就是揚(yáng)聲器正面消失，設(shè)計(jì)特點(diǎn)就是使揚(yáng)聲器置于電視機(jī)機(jī)殼的下方，揚(yáng)聲器所輻射出的部分聲音（部分中頻及高頻聲波）不是直達(dá)到觀眾的耳朵，而是需要利用地板和墻壁的反射，以上兩點(diǎn)帶來的音效后果就是： 1， 揚(yáng)聲器由于多次反射，效率低，沒有足夠的音量。 2， 由于空間容積的限制，低音表現(xiàn)不足。 3， 由于向下擺放，聲波向下輻射，中高頻指向性就會(huì)變得很差，高頻衰減的比較厲害。 4， 內(nèi)置于后殼中，容易產(chǎn)生共鳴。 5， 聲音的還原度差。
還有一種更讓人更驚訝聲波側(cè)出式設(shè)計(jì)，其聲音需要從揚(yáng)聲器單元和安裝在單元上金屬薄板之間的狹縫里輻射出來，在整機(jī)上就是從電視機(jī)機(jī)殼面板上的一條狹縫里輻射出聲音，那樣的單元的設(shè)計(jì)也許是挑戰(zhàn)基本原理的又一個(gè)作品。在揚(yáng)聲器單元前加上蓋板，相當(dāng)于改變了直接輻射特性，那條狹縫不可避免地成為揚(yáng)聲器單元前的一個(gè)聲負(fù)載，本人認(rèn)為所測到的整機(jī)電聲性能聲壓級(jí)一定低，總諧波失真大，主觀聽感體驗(yàn)聲音強(qiáng)度低，聲場定位不準(zhǔn)，層次感及還原聲音的效果差。
機(jī)身越來越薄及揚(yáng)聲器單元從面板上消失這兩點(diǎn)對(duì)于聲音系統(tǒng)來說是至關(guān)緊要，大多數(shù)消費(fèi)者對(duì)于平板電視機(jī)的聲音的音質(zhì)是相當(dāng)在乎的，而平板電視機(jī)制造商那一方面而言,外形及視頻效果在第一位,然后是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)跟隨外形設(shè)計(jì)，而聲音設(shè)計(jì)再跟隨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基本方案一旦確定，要滿足聲音設(shè)計(jì)的要求就非常困難了。而最大的問題就是音頻至今對(duì)于一些TV制造廠家而言仍然不加重視！電視機(jī)制造商方面應(yīng)該嚴(yán)肅考慮，為什么一些平板電視機(jī)的聲音會(huì)那樣地激起人們的不滿.成本和利潤目標(biāo)，以及最重要的市場預(yù)期的目標(biāo)，就不討論了，讓我們記住這些其實(shí)是電視機(jī)廠家在作有關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)的重要的約束條件。
而聯(lián)想此款S9智能電視speaker的容積空間還是比較大的，這樣揚(yáng)聲器輻射面積就能設(shè)計(jì)的更大，提高了揚(yáng)聲器輻射效率及能播放更低的頻率，ID通過流線設(shè)計(jì)整體感覺也并不是很厚，還是挺時(shí)尚的，看來前期設(shè)計(jì)的時(shí)候ID與聲學(xué)設(shè)計(jì)還是做了相應(yīng)的溝通；另外聯(lián)想50S9比傳統(tǒng)平板電視多增加了一顆獨(dú)立高音單元，主要還是考慮到高頻由于指向性衰減的問題，通過獨(dú)立的高音單元進(jìn)行彌補(bǔ)。聯(lián)想S9整體聽起來高低頻層次感及整體的解晰度還是挺不錯(cuò)的，也突出了其立體聲效果，看來在聲學(xué)設(shè)計(jì)上和系統(tǒng)EQ調(diào)試還是下了些功夫。當(dāng)然，如果speaker能朝前擺放聲音效果就更不一般了。
下面就探討一下聲學(xué)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)： 1，揚(yáng)聲器所置放的位置（揚(yáng)聲器的輻射及指向性）：
揚(yáng)聲器聲波向下輻射的設(shè)計(jì),關(guān)鍵是忽視了輻射指向性的客觀存在，就一個(gè)揚(yáng)聲器單元而言,聲波在頻率升高時(shí),揚(yáng)聲器的指向性是越來越尖銳，這是一個(gè)鐵定的原理.雖然低頻聲波有繞射特性,但是比如高過1kHz的聲波,其波長λ將小于34厘米，已經(jīng)和電視機(jī)機(jī)箱的厚度處在同一數(shù)量級(jí)，其繞射特性將越來越差,(聲速c=λ f，f為聲波的頻率).
那樣的設(shè)計(jì)，所設(shè)想的也許是指望中頻聲波及高頻聲波先輻射到電視機(jī)所在房間的地板或后墻,然后再反射到觀眾的耳朵處.這樣一種設(shè)計(jì)能不能達(dá)到國標(biāo)的聲技術(shù)指標(biāo)的要求呢?這是個(gè)疑問,繞射過程中還可能出現(xiàn)聲濾波器效應(yīng)，更不用談電視機(jī)安裝位置及房間特性所帶來的更多的不確定因素了.本來應(yīng)先測量一下電視機(jī)的頻率響應(yīng)曲線,作必要的設(shè)計(jì)預(yù)測。這種聲波下出式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（電視機(jī)的面板上已不存在揚(yáng)聲器的位置），外觀是特色了,聲音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)卻尷尬了。本人的看法是,還是保證在面板上有揚(yáng)聲器的位置才好,揚(yáng)聲器系統(tǒng)可分兩部分,低音部分可以采用下出式,而中高音部分還是應(yīng)在面板上有位置,達(dá)到直接輻射的效果才好.其實(shí),揚(yáng)聲器直徑為2cm那樣的單元,其中高音的直接輻射的效果將會(huì)優(yōu)于一般的下出式的設(shè)計(jì)，難道電視機(jī)面板上竟然連幾公分直徑的小單元也不能放置了嗎?
2，平板電視機(jī)設(shè)計(jì)的減薄趨勢
這個(gè)趨勢對(duì)所采用的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，帶來的是效率的減低或低頻下限頻率的升高,揚(yáng)聲器系統(tǒng)尊從霍夫曼鐵定原則. 其要點(diǎn)是講一個(gè)低音揚(yáng)聲器系統(tǒng)的效率直接比例于箱容積和它的最低截止頻率(該系統(tǒng)所重放的最低頻率)的三次方的一個(gè)乘積，其系數(shù)和揚(yáng)聲器系統(tǒng)的特點(diǎn)有關(guān)，所以減薄會(huì)對(duì)音質(zhì)帶來挑戰(zhàn)，這一物理極限客觀存在。如果不想在揚(yáng)聲器單元的成本上加大投入的話,那就只好在聲音的特性上做些犧牲.根據(jù)霍夫曼鐵定原則,如果要維持一定的電聲效率不變的話,其結(jié)果就是有多大的容積就一定對(duì)應(yīng)著某個(gè)低頻下限頻率.在此條件下，帶通音箱由于公式中的系統(tǒng)系數(shù)會(huì)是開口箱的兩倍，在理論上在相同容積條件下,它們可獲得較好的低音效果。
3，揚(yáng)聲器單元的高度
電視機(jī)商家對(duì)揚(yáng)聲器廠商具有事實(shí)上的指揮權(quán)，在電視機(jī)減薄的總體要求下，揚(yáng)聲器單元的高度一降再降，說這幾年已達(dá)到物理極限，是不算夸張的，再加上價(jià)格的惡性竟?fàn)?，TV揚(yáng)聲器在生產(chǎn)上也越來越困難。其實(shí)，平面振動(dòng)膜（或板）那樣的揚(yáng)聲器單元的特性早已為有關(guān)廠家深入地研究過，也曾經(jīng)有完整的設(shè)計(jì)方案。
4，穿孔面板的穿孔率
穿孔率太小，聲波反射會(huì)造成混亂，中高頻頻率響應(yīng)曲線上會(huì)有很多不規(guī)則峰谷出現(xiàn)，主觀聽感上會(huì)感覺失真比較刺耳，不耐聽，經(jīng)過一系列的測試及實(shí)驗(yàn)，只要大于30%以上。
5，揚(yáng)聲器單元前腔的控制。
前腔越大，效率越低，高頻衰減的越厲害，主觀聽聲音發(fā)悶不清晰，還原效果不好，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的立場出發(fā)，比如對(duì)不產(chǎn)生聲音的電信號(hào)的低頻信號(hào)作適當(dāng)?shù)那谐?將會(huì)減小揚(yáng)聲器單元的低頻端的振幅,前腔的減小才不至于使振膜碰撞前面板.在這點(diǎn)聯(lián)想S9產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮的比較好。
6，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
這個(gè)問題在電聲設(shè)計(jì)上講,已是相當(dāng)成熟而且較幾十年前有了科學(xué)的指導(dǎo)及系統(tǒng)性的進(jìn)步。電視機(jī)廠商所要做的是如何使用好那些成果，以上所述及的聲音系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)是得到好的音質(zhì)的基礎(chǔ),聲學(xué)設(shè)計(jì)上的不當(dāng)難于用電路設(shè)計(jì)來修正。
7，音頻功率放大器的配置。
最首要的功率放大器和揚(yáng)聲器的匹配，即阻抗匹配及功率匹配。我們在選擇功放IC的時(shí)候，通常看功放IC芯片支持多少歐的負(fù)載，通過所支持的負(fù)載選擇與之匹配額定阻抗的揚(yáng)聲器。至于放大器的輸出功率，其正弦信號(hào)的峰值不會(huì)削波，峰值電壓至少應(yīng)是測試噪聲信號(hào)電壓的兩倍。這個(gè)輸出阻抗的要求通常是易于滿足的，然而功率匹配事實(shí)上變得復(fù)雜起來。
在上世紀(jì)六,七十年代的時(shí)候,這是個(gè)簡單的問題.那時(shí)揚(yáng)聲器的標(biāo)定的是正弦功率,放大器標(biāo)定的也是正弦功率.大家公認(rèn)的而且教科書上所述及的設(shè)計(jì)原則就是這兩個(gè)數(shù)值要相等。揚(yáng)聲器的國標(biāo)一次次修訂, 新國標(biāo)<GB/T 12060.5-2011>關(guān)于揚(yáng)聲器功率,保留了額定正弦功率的定義,而且明確無含糊地定義了短期最大功率,長期最大功率和額定噪聲功率.電路或系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的面臨的問題是揚(yáng)聲器現(xiàn)在有了這四個(gè)功率值,放大器IC的功率應(yīng)是多少? 一般,聲頻功率放大器IC的功率定義為不失真功率,比如1kHz處的諧波失真系數(shù)小于1%的功率.
實(shí)際上這一問題已不能簡單地按相等原則處理了,需要的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)電路,聲學(xué),電聲器件有關(guān)情況的全面的掌握,需經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及測試，然后做出正確的選擇.為阻止熱損壞,避免信號(hào)在放大器輸出處削波以及保證揚(yáng)聲器只接受它額定通帶內(nèi)的頻率成分就至關(guān)重要了,揚(yáng)聲器機(jī)械損壞的原因往往與超量的振幅值有關(guān)，揚(yáng)聲器在較低的頻率上表現(xiàn)出較大的振幅（向前和向后的運(yùn)動(dòng)），因此頻率很低和電平較高的信號(hào)有可能使音圈逸出磁隙，其結(jié)果就是可能的揚(yáng)聲器的機(jī)械損壞，饋給揚(yáng)聲器的功率不能超過其許可值，采用高通濾波器和低通濾波器來限制輸至揚(yáng)聲器的信號(hào)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)里的一種聰明的設(shè)計(jì).特別是去掉不會(huì)對(duì)聲音有所貢獻(xiàn)的低頻電信號(hào)是非常必要的,低切頻率及滾降斜率的選擇成為關(guān)鍵,采用DSP芯片時(shí),這些功能的實(shí)施很方便. 總的來說,電路設(shè)計(jì)的要義是放大聲頻電信號(hào),避免在語言和音樂信號(hào)的峰值時(shí)產(chǎn)生削波。放大器IC的功率選大些是有利的,但是放大器IC的功率過大會(huì)使成本有不必要的增加,如果電路的各級(jí)增益設(shè)置不當(dāng)?shù)脑?音質(zhì)效果不一定得到改進(jìn),還可能在可靠性試驗(yàn)中增加揚(yáng)聲器的損壞幾率.那么,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師還必須把電路的增益設(shè)置好,而且在必要時(shí)需要對(duì)語言和音樂信號(hào)作必要的動(dòng)態(tài)控制.這樣使得整個(gè)聲頻系統(tǒng)既有好的音質(zhì)又有高的可靠性.按揚(yáng)聲器額定正弦功率來選用IC可以是一種選擇。
8，音頻電路中增益的設(shè)置
由于電路中不可避免地要設(shè)置前級(jí)放大器電路，需要在增益的設(shè)置上作到正確。音頻電路中的增益的設(shè)置在創(chuàng)建一個(gè)好的系統(tǒng)上是極端重要的,如果增益設(shè)計(jì)不合適的話,就將產(chǎn)生一個(gè)糟糕的系統(tǒng)。系統(tǒng)的成本相對(duì)于合適的設(shè)定來講,是第二位，成本高而設(shè)定不正確的特性要差于一個(gè)正確設(shè)定的廉價(jià)的系統(tǒng).雖然當(dāng)前平板電視機(jī)里已采用帶DSP功能的功放IC模塊,也可能有相當(dāng)詳細(xì)的使用指導(dǎo)，然而驗(yàn)證增益設(shè)定是不是正確,還是需要作最重要的調(diào)試。
9，信號(hào)處理及DSP芯片的應(yīng)用
如低切、高切、頻率均衡、動(dòng)態(tài)壓縮、壓縮點(diǎn)控制、虛擬低音、環(huán)繞聲功能等均可通過DSP芯片上的軟件寫入而得到。由于DSP芯片價(jià)格已低到可在電路上采用的程度，這些過去在專業(yè)聲頻設(shè)備上才能采用的已在消費(fèi)性電子產(chǎn)品上廣泛采用，在芯片供應(yīng)商的技術(shù)支持的基礎(chǔ)上，電路工程師還是要做足必要的調(diào)試。技術(shù)的發(fā)展總是在不斷前進(jìn),例如,一種較新而且前景好的功能,叫做智能音量控制,它容許使用者選定聲音的聲壓級(jí),而不會(huì)因頻道不同而使平均聲級(jí)起伏過大.這個(gè)功能還可由算法提供”半夜模式”的設(shè)定來有效地減小低音的頻率成分.DSP的作用不可忽視,然而它的優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮確實(shí)需要有好的聲學(xué)設(shè)計(jì)及基本電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),聲學(xué)系統(tǒng)上的缺點(diǎn),比如,揚(yáng)聲器位置的不恰當(dāng)?shù)人鶐淼穆曒椛涞膯栴}以及揚(yáng)聲器單元本身的中頻谷點(diǎn)就不是DSP技術(shù)能糾正的了.
10，系統(tǒng)工程方法
電路設(shè)計(jì)及聲學(xué)設(shè)計(jì)乃至結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等,需要互相結(jié)合,最終是為了達(dá)到一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo),而不僅僅是本階段設(shè)計(jì)目標(biāo).本節(jié)關(guān)于電路技術(shù)中低頻電信號(hào)的切除是系統(tǒng)工程方法運(yùn)用的一個(gè)成功事例。
結(jié)語：
就本文所涉及的技術(shù)關(guān)鍵,本人曾參加過或從有關(guān)報(bào)告了解測試結(jié)果,本文沒有列出有關(guān)的測試數(shù)據(jù),本人認(rèn)為那些資料有可能是屬于有關(guān)公司的機(jī)密不適合單方面發(fā)表，本文的撰寫是嚴(yán)肅和認(rèn)真的。
另一方面,筆者深感平板電視機(jī)的聲音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在著一些問題,需要探討.目前還不存在一個(gè)完整的設(shè)計(jì)軟件包，可以把相關(guān)的結(jié)構(gòu)，聲學(xué)及電路的設(shè)計(jì)一體化地找到解決方案，然而在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，一些設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)由一些工程師所運(yùn)用.也許本文會(huì)給有關(guān)電視機(jī)制造商方面帶來啟示?也許會(huì)促進(jìn)他們作更加全面及細(xì)致的研究?
期望大家的指正和評(píng)論。
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發(fā)表于 2014-7-8 23:25
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