（转帖）绝对相位技术

obfyz

我们常说某扬声器（系统）的阻抗是多少多少欧姆，给人的感觉似乎是它的阻抗是一个固定的值，而实际上由于绝大部分扬声器具有惯性负载的特性，因此它的阻抗特性都不是线性的。不仅阻抗的模是频率的函数，同时阻抗角也是频率的函数，这一点本文的读者基本上都应该能够明白。扬声器（系统）阻抗的定义是指在整个工作频率范围内所呈现出来的最低模值，体现的是放大器所可能拖动的最重负载。

    我们都知道功率放大器是以扬声器（系统）是作为的负载的，对于交流功率放大器来说，理想的负载应该是一个纯阻，原因在于它没有能量的存储问题，输出的所有功率都被负载转换成其它形式的能量了（声能＋热能），因此不存在因能量储存造成的一些问题。

    能量储存会带来什么问题呢？由于惯性负载的能量储存现象，因而有无功分量的存在。当放大器输出的电能量没有被负载完全转化成其它能量（如声能、热能等）时，如果放大器输出内阻和传输线的电阻为零的话，无功分量会被它们短路掉，因此不会造成什么危害的。令人遗憾的是这二者永不可能为零，因此必定会有无功分量从负载向放大器反射而形成能量的回馈，形成驻波并且会通过这二者在负载上产生相位扭曲的电压信号。而这个扭曲的信号又会被反馈至反相输入端而导致新的失真产生。

    既然惯性负载会带来这么多问题，那么为什么我们不制作出纯阻负载的扬声器呢？回答是有相当难度。我们大家所了解的电声换能器有很多种，有电磁式的、电动式的、压电式的、电容式的等等。电磁式和电动式的都具有感性阻抗特征而压电式、电容式则具备容性阻抗特征，总之都不是纯阻特性。到目前为止我只见过惠威的R系列单元的负载特性接近纯阻，不过总不能到处都用。更何况它也只是一只高音单元，即便用了，中低音部分也还是不能解决问题。

    说了这么多，是不是就没有解决的办法了呢？回答也是否定的。虽然我们不能制造出理想阻抗特性的单体，但我们可以设法用一些补偿电路来吸收这些无功分量，对扬声器的特性作相应的补偿。这种补偿尽管不能完全达到理想的阻抗特性，但却能够在很大的程度上进行改善。就象我在Prometheus上所作的一样，在整个工作频带内的阻抗变化只有正负1欧姆以内，阻抗角的变化也小得可怜。如果以这样的系统来作功率放大器的负载的话，无疑上面说的问题基本上就可以忽略了。但这是如何做到的呢？这正是这篇文章要讨论的问题之一。

我们在Hi Fi系统中最常用的扬声器单元（驱动器）基本上都是电动式的，电动式由于音圈电感的存在，因此它的阻抗特性在绝大多数时候呈现出感性的阻抗特征。对于这一段的特性曾经有人尝试过用RC网络来进行补偿，这的确是一个好主意，曾经风靡过一阵子的所谓“零失真分频器”就是用的这种方式来进行补偿的。但很多人都忽略了一个很重要的问题：那就是感性负载与容性负载的阻抗角不在同一个象限里！如果单纯的用RC的模值变化去抵消LC的模值变化是很牵强的。而且扬声器的等效负载网络也绝非简单的RC那么单纯，实际上它是一个非常复杂的RCL网络。要真正解决这个问题就必须使用能有效应对的补偿网络，而这个网络则需要非常的复杂。这么复杂的网络用普通的计算方法或者用大量的实验之类的办法是难以应付的，需要使用更加先进的方式来处理这个难题。就象我在《音箱的计算机辅助设计技术》中说的那样，我们非常幸运的生活在这个有计算机的时代。如果我们够聪明的话，可以用计算机来帮助我们处理这些令人感到烦心却又不得不做的事情。

    尽管有很多科幻小说（我在少年时期很喜欢看科幻小说，叶永烈是我的偶像）中描写的未来计算机统治世界等等似乎非常可怕，但我总认为计算机只不过是人类制造出来的一种类似于锄头、镰刀之类的生产工具。就象“深蓝”战胜了卡斯帕罗夫，也只能说明许封雄够本事，不能说明“深蓝”就比卡斯帕罗夫聪明，“深蓝”在这里只不过是许博士的工具而已。计算机永远都只是一种机器，之所以被称为高级机器，高级就高级在与其它机器相比它是一种会运算的机器。但再高级的机器也还是机器，它是没有智慧的，它的优点就是可以进行机械重复、枯燥无味的计算以及很少犯计算方面的错误，并且任劳任怨、从不嫌烦（而这些也恰恰是人所不能做到的。可话又说回来，如果人要是能做到也就不会制造这玩意了，没事费那劲干嘛？）。如果要让计算机帮助我们做事，就必须很详细的告诉它一步一步该怎样做，这些步骤就是计算机的程序，当然这是要人来编写的。要编写程序首先必须先分析我们所要处理的作业，然后建立数学模型（这是非常重要的一步）。最后再根据自己的习惯选择合适自己使用的编程语言，写出相应的程序。最后用它来帮助我们做我们要做的事情。说实话，这本身也是一件非常繁琐的工作，可别无选择，否则计算机不知道你要它做什么。当你按步就班的做完这一切，就可以开始享受成果，让计算机为你做那些你最怕做的繁琐的事情了。

    扬声器系统的心脏部件是分频器，这是扬声器系统最难设计的部分。也是一个优秀的设计师体现他的最大的才华和风格的地方。分频器的种类有不少：按特性分有什么巴特沃茨、林克-威茨、贝塞尔等等；按斜率分从一阶到四阶啦等等。其实对于实际的扬声器无源分音来讲，什么巴氏也好、林氏也罢，都只是理想状态下的计算模型，与实际的工作状态有很大的出入。用这些公式算出来的分频器我看不用也罢，至少也得等到理想的扬声器单元制造出来再说，至于几阶的问题倒确实值得好好的研究一番了。

    我见过不少设计者为了追求陡峭的响应特性而不同程度的使用高阶的滤波方式。象什么三阶的四阶的等等，似乎只有这样才能得到好的结果，其实这是一种误解。高阶的滤波在带来陡峭特性的同时也带来了失真，其一为过度失真，其二为相位失真。过度失真是由于过分陡峭的衰减而带来的响应严重的不连续所造成的，而相位失真则是由于储能元件的固有物理特性造成的，我们在这里着重讨论相位失真的问题。

    由于ＬＣ的储能作用，每一阶的滤波都会带来90度的终极相移，具体的原理很多人都知道，即使不知道也有相关的资料可供研究，无需我再费笔墨了，我们还是讨论这个相移所带来的问题。由于每阶滤波带来90度终极相移，那么当滤波为４阶的时候就是360度，低通为滞后而高通为超前。在高低通重叠的地方一般约为终极相移的1/3~2/3，也就是120~240度左右（当然不排除其它可能，我就曾经设计过让２阶滤波在近180度的时候对接）。我们取中值180度来计算（这也是最常见的情况，非常典型），由于低通滞后了180度而高通则超前了180度，两者的绝对相位差为180-(-180)=360度，相差了整整一个周期！当然这时候的相位是重合的，不影响两者的合成。但，它们差了一个周期。也许有人会问我：差一个周期有什么关系？它的叠加依然是好的不就行了。这话似乎把不无道理，然而问题在于差一个周期就意味着低通在和高通的前一个周期进行叠加！更严重的是它们与原始相位都差了180度！如此一来在高低通交接的地方相位被严重的扭曲，而扭曲了相位的信号与原始的信号波形就完全不同了。说到这里可能又会有人说：既然相位这么重要，我们不如加上一些相位修正如何？话是这么说，也很有道理，可做起来的难度有多大也许就没有考虑到了。在无源滤波器里要纠正相位的失真虽然不是一点办法都没有，但的确是非常的难，即使做到了，范围也很有限。如果象4阶所造成的这么大相移，根据我目前所掌握的知识是一点可能都没有的，更何况由此带来的其它失真。话说到这里，可能大家都知道我在推销低阶滤波了。没错！的确是这个意思。现在我们来分析一下低阶滤波的优缺点：

    优点首先有：简单、元件用量少、相移小，再就是过度失真小。缺点则有：衰减斜率小、带外衰减不干净，由此派生出一个致命的缺点――对单体的要求极高。怎么高法？一是SPL响应平坦，还有就是两个单体之间要两尽可能多的重合部分。既然我们要采用这个方案，我们还是多看它的优点吧。首先这个过度失真小肯定是受到欢迎的；相移小尤其是我们追求的目标；至于简单嘛，倒在其次。当然，如果可以我们也不会拒绝。由于1阶滤波的相移的终值只有90度，即使是不做任何补偿修正也仅为4阶的1/4，而且由于相位的扭曲很小，因此还可以通过修正电路进行一些补偿，使得最后的相位失真更小。如果能够使用低于1阶的滤波的话（不是梦话，的确可以做到），相位失真还可以更小，也更容易修正。然而，它对单体的要求也更高。

我们说了那么多优点，可缺点也是客观存在、不能回避、需要我们去正确应对的。其实它的真正缺点就是一个：对单体的要求高。高到什么程度呢？高到象Scan Speaker的8545和9300这样的单体都不能直接使用。Scan Speaker可以说是单体中的极品了，直接用低阶滤波都有问题，必须使用很复杂的校正电路来对单体的某些不良特性来修正，更何况那些性能普通的单体了。这让我想起一件事：在网上看到有人用南京产的单元做了一款多媒体扬声器，赫然用了最简的1阶分频器，简直令我瞠目结舌！不是咱们妄自菲薄，只是这差距就明摆在那儿，这样的单体就是让我加校正我都不敢用，因为它现有的特性校正起来太困难了。可如果不加校正的话，结果只有天知道。


    可能有很多人设计一阶滤波器时都会遇到这样的问题：不管是正接还是反接，它总会在某交叉点的附近出现一些响应塌陷。这又是怎么回事呢？其实这是扬声器延时现象在捣鬼。因为扬声器单元在发声的时候都有不同程度的延时现象，不同的单元有不同的延时。从目前我在实验中得到的数据来分析，延时应该是由两部分构成的，一个是物理延时，另一个是机械延时。物理延时是由于绝大多数的中低频扬声器是锥盆结构，它的策动是在中心部分，这个部分一般要比盆口靠后一些，因此它发出的声音要比从盆口发出的声音要迟一些到达耳朵。机械延时的成因我还没有完全弄清，仅从我在测量中得到的数据来看，应该与振动系统的惯性有很大关系，但似乎又不完全是这个原因，好象还有其它原因。但由于实验手段的限制，在短期内可能难以完全解释了，只有等到以后条件具备的时候再研究吧。反正不管是什么原因，有一点是可以肯定的，那就是扬声器的确存在机械延时现象，而且是振动质量越大它的延时似乎也越大（这也是我说“与振动系统的惯性有很大关系”的原因）。


    我们都知道：为了解决单个扬声器单元不能覆盖整个音频的问题，需要使用不同大小的单元组合起来。但如我前面说过的，不同大小的单元有着不同的延时，因此当这些单元安装在同一平面（障板）上的时候，它们所处的声平面是不一致的，这就带来一个问题：在两者共同发声的频段里它们到达耳朵的时间有先后差异！而且这种延时反映在相移上是不固定的，在不同的频率上有不同的相移。这个道理大家很容易理解，我们以100μS（相当于34mm的音程）的相对延时为例：在1K时的相对相移为T×F×360=36度，在2K的时候就到了72度！4K时为144度，如果以2K为中心，上下一个频程的相位差了108度之多！这也正是很多人设计一阶滤波器时为何在衔接点两头总是处理不好的一个重要原因所在。这个问题在国外有一些公司已经非常重视，如美国Thier公司的产品就使用了向后倾斜的障板来补偿这段音程差。不过虽然这种方法能够解决问题，但我总觉得这样不是很好，至少感觉上有些别扭。我对付这个问题是使高音扬声器的安装位置后移来补偿。


    解决了延时问题后，下面需要解决的问题就是单元的问题了。如我前文所说，即使象Scan speaker这样的极品单元它的特性都有一些不尽如人意的地方，必须作相应的修正才能达到原计划的要求。这个修正电路也是异常复杂，复杂到需要计算机来帮忙的地步。不管怎么说，这个问题还是得到了圆满的解决。当这个问题解决以后，就可以使用最简单的低阶滤波器来分频了。虽然滤波器很简单，可为了纠正那90度的相移所采用的手段依然不那么简单，当然这也是物有所值，当我用上这些手段后，整个系统在分频区域的相位抖动仅为正负20~30度！已经非常接近理想了。而这是在综合考虑其它因素的情况下做出的，如果单元能够更理想一些的话，这个相位抖动还可以更小，直至逼近零抖动！


    解决好这些问题以后再配合上纯阻补偿技术，这时候的系统是一个质的飞跃！它有相当好的相位特性，还有非常好的负载特性，再加上很低的能量存储，整个系统工作在几近理想的状态下。然而它的代价是使用了异常复杂的补偿电路，复杂到单只扬声器所用的RCL元件高达数十个之多。因此当初我告诉一些朋友这种打算的时候，有很多人都不理解，好心的劝我别枉费心思。理由非常简单：“你用了这么多的元件，它们要消耗很多能量，这样功放会推不动，整个系统的灵敏度也要下降。”其实这是一种误解，他们片面的理解了灵敏度以及能量消耗的问题。这些元件的确是会消耗一些能量，但它们消耗的绝大部分是在系统中“流窜”的无功分量或其它有害能量。从某种意义上说，这个补偿电路是一个“清洁工”、一个“清道夫”，它们在保护系统里的电环境不受能量垃圾的污染，它们使整个系统（包括放大器）工作在更加理想的状态下。对此我用了一句绕口令式的话来解释：“我使用了一个复杂的电路，目的是使信号更为简单。”实际工作也的确是如此，由于无功分量和其它有害能量几乎被完全吸收，带来的好处是信号传递的单纯——因为传输线路中不再有驻波的干扰，反馈回路里也不再受到扭曲的信号所干扰，因此整个系统的状态非常之好，如此一来对于功率放大器的要求也宽松了许多。听感上低频的控制力更好，中高频的纯净度更高。从结果来看，它达到了当初设计是预定的目标。

yulihua

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转贴的，只能在这废话了，作者听不到。
作者忽略了一个事实，喇叭不是一个单纯电气意义上的RLC，它是一个机电耦合系统，由机械系统耦合过来的RLC非常巨大，效果远远超过电路里那些参数。例如，我们都知道喇叭的谐振频率很低，谐振阻抗很高，几十或100Hz的频率，要多大电容，多大电感？喇叭自身的电容有多大？电感有多大？完全是可以忽略不计的。这都是机械储能耦合过来的，是质量和弹性储能的结果，你用电容电感补偿它？那得一屋子。
谐振频率处阻抗很高，怎么回事？在这个附加阻抗上消耗的能量哪去了？那叫“辐射阻抗”，在这个点上，喇叭效率非常之高，驱动空气的声压反映过来就是这阻抗，而且是纯阻，完全的有功消耗。如果你补偿成功。各频率有相等的电阻，亦即相同的实功率，那么在谐振频率上一定非常的响。即声压不平衡。

[ 本帖最后由 yulihua 于 2010-9-7 22:56 编辑 ]

发烧族

顶上去给某些人看看。[s:97]

饿虎扑食

原帖由 发烧族 于 2010-9-7 22:43 发表
顶上去给某些人看看。[s:97]

看到了，看来我的电分方案要改成2阶的了。[s:14] [s:97] [s:30] 1阶用的喇叭买不起。[s:18] [s:18] [s:18]

发烧族

主要还是顶给神话看看，他有用一个RC网络补偿一个喇叭阻抗的“绝技”。

中庸无为

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也顶给重频响轻相位，设计出音箱指标很好，声音听感很差的设计师看看！！！[s:14] [s:14] [s:14]

lyticast

拜托，电相位和声相位完全两码事。
神话用补偿的本意大概是为了改善功放的工作状态吧？
另外说起相位的话，20Hz的波长有17米，20KHz仅17毫米，这耳朵移动几毫米的话，对于20Hz来说相位变化可以忽略不计，对于20KHz来说就是几十度甚至反相了。就不提这个了？
所以我既不计较频响，正负5dB内就行（房间内达到正负5dB要求不高也不低），也不计较相位，相位更是无所谓。但是对喇叭的瞬态就非常的讲究，要求喇叭做到电信号来到时刻立刻紧跟着按比例发声，延时力求短。对于中高来说不是太大的问题，低音则很无奈。这就是我为何采用主动伺服的根本原因。

发烧族

即使低音用主动伺服，也存在着取样点的问题，是以音圈位置为参考？还是以折环位置？考虑到这盆振动的时延问题，主动伺服也是比较复杂了。[s:97]

lyticast

原帖由 发烧族 于 2010-9-7 23:45 发表
即使低音用主动伺服，也存在着取样点的问题，是以音圈位置为参考？还是以折环位置？考虑到这盆振动的时延问题，主动伺服也是比较复杂了。[s:97]

对于硬盆硬边喇叭来说，低频可以视作集中参数，采样音圈还是最靠谱的。

发烧族

采样音圈是最简便的方法。

我记得以前见过一个器材的介绍，他的主动低音伺服是在喇叭的正前方很近处装有拾音器，，，，，，[s:97]

lyticast

原帖由 发烧族 于 2010-9-8 00:01 发表
采样音圈是最简便的方法。

我记得以前见过一个器材的介绍，他的主动低音伺服是在喇叭的正前方很近处装有拾音器，，，，，，[s:97]

拾音器在低频大振幅信号下失真较大，有延时，受空间影响，不是很感兴趣。
比较实用及合理的有音圈自采样，音圈和振盆连接处加装加速度传感器这两种。

自由心情

欺骗菜鸟的文章，又臭又长！

obfyz

分频电路既是音响中最简单的电路,又是最复杂的电路,顶上去继续讨论[s:97]

obfyz

原帖由 lyticast 于 2010-9-7 23:39 发表
拜托，电相位和声相位完全两码事。
神话用补偿的本意大概是为了改善功放的工作状态吧？
另外说起相位的话，20Hz的波长有17米，20KHz仅17毫米，这耳朵移动几毫米的话，对于20Hz来说相位变化可以忽略不计，对于20KHz ...

个人不赞同你的"所以我既不计较频响，正负5dB内就行（房间内达到正负5dB要求不高也不低），也不计较相位，相位更是无所谓"，如果是这样，做高保真音箱一定做不好，如果是做有特色的音箱那就仁者见仁，智者见智了[s:68]

jamesgjh

搞个平板扬声器，这些问题就基本解决了。