過去十年來，具有微型揚聲器的行動設(shè)備正呈現(xiàn)爆炸性成長──如手機、MP3、GPS系統(tǒng)、筆記型電腦、平板電腦、遊戲機與玩具等等。由於消費者品位提升，對於這些設(shè)備必須能播放更高品質(zhì)音訊的需求也持續(xù)增加，並為產(chǎn)品製造商帶來更多的挑戰(zhàn)──他們必須能讓小型、輕量且低價的揚聲器發(fā)出更悅耳、更高品質(zhì)的聲音。本文將探討可攜式電子產(chǎn)品製造商所能採用達到這些目標的一些方法。
等化作用
無論任何尺寸大小，理想的揚聲器應(yīng)該具有‘平坦’的頻率響應(yīng)──也就是說，揚聲器能夠在20Hz～20kHz的頻率範圍內(nèi)以相同的音量傳播在周圍空間中，而不至於在頻譜的振幅上產(chǎn)生峰值或低谷。但現(xiàn)實中，沒有揚聲器能夠做到這一點，而且越是努力要使揚聲器的響應(yīng)變得平坦，所需的成本和複雜度也越高。由於可攜式設(shè)備中所使用的揚聲器通常成本低且結(jié)構(gòu)簡單，無法包含達到真正平坦響應(yīng)所需的複雜結(jié)構(gòu)，因而在整個音訊頻譜內(nèi)呈現(xiàn)非常明顯的輸出水平變化──這在頻率低於數(shù)百赫茲(Hz)的情況下最為顯著。
圖1：手機揚聲器頻率響應(yīng)。
為了補償不均衡性，可以測量揚聲器的頻譜響應(yīng)並找出其特性，然後透過使用等化或濾波電路來加以補償，這些電路的頻率響應(yīng)可以彌補揚聲器響應(yīng)的不均衡性。也就是說，在揚聲器音訊訊號減弱的某些頻段中，等化電路能夠等比例地增強訊號。相應(yīng)地，在揚聲器響應(yīng)的聲音峰值區(qū)域，等化電路能夠使訊號平坦化。其結(jié)果是揚聲器可感知的輸出能實現(xiàn)較佳的平坦度。
但要實現(xiàn)等化至少會造成兩個缺點。首先，它可能增加系統(tǒng)的複雜度。揚聲器響應(yīng)越不均衡，所涉及的等化方案就越多。DSP能夠有效地用於實現(xiàn)等化曲線，但也會為晶片面積和功耗方面增加更多成本。
其次，在整個音訊頻譜中，即使增加了等化電路，揚聲器的實體限制也會影響平坦度。單一元件換能器如手機揚聲器，其有效的驅(qū)動單元直徑通常為1英吋或更小，無法在整個音訊頻段上提供有用或可辨識的音訊能量(這就是2路和3路揚聲器普遍用於家庭和汽車立體聲裝置以及公共廣播系統(tǒng)的原因)，這一點在低頻區(qū)域特別明顯。
這樣小的膜片無法有效地將低頻能量傳送到空氣中，如果試圖透過增加低頻訊號的振幅以進行補償，可能會導(dǎo)致?lián)P聲器超出其實體和散熱限制。因此，即使使用了等化電路，可攜式電子設(shè)備中的低頻或低音響應(yīng)仍普遍不足。
合成低音增強
如上所述，手持式設(shè)備中的微型揚聲器在傳送低頻訊號時的能力不足，因此音訊節(jié)目資料中的低音部份會遭遇損失。目前的做法只是在聲音中合成導(dǎo)入元素，使其看起來具備低頻部份。這種方法透過從小型揚聲器無法發(fā)出的低音訊率中產(chǎn)生泛音(泛音存在於揚聲器確實能夠提供的範圍內(nèi))，並將其插入音訊串流中而達到讓人類聽覺系統(tǒng)產(chǎn)生錯覺的效果。至少有兩種人類聽覺原理可實現(xiàn)這種作用──一種被稱作‘基頻缺失’或‘殘留音調(diào)’，另一種被稱作‘差音’(difference tone)。
圖2：差音──Fo不存在而由2Fo和3Fo‘組合’而成。
至於差音，混合較目的音符更高一個八度的音調(diào)，以及高於該八度音調(diào)的5th音調(diào)，以模擬低音音符(參見圖2)。例如，如果需要合成一個比中音C低3個八度的C調(diào)，可將一個比中音C低2個八度的C調(diào)，以及僅高於後一個C調(diào)的G調(diào)進行混合。這項使用差音的實際運作已納入管樂和電子琴許多年了，可避免需要使用很長的管樂或很大的揚聲器系統(tǒng)。至於基頻缺失，從樂器音符中自然產(chǎn)生的一系列泛音能夠?qū)θ硕?lsquo;暗示’基音，即使基音丟失(參見圖3)。
圖3. Fo丟失而由其諧波訊號合成。
此兩種方法中的任一種都可用於在小型揚聲器的通過頻帶內(nèi)產(chǎn)生音調(diào)，以合成低於揚聲器實際能夠傳輸頻率範圍的音符，因而增強表面的低頻響應(yīng)。為了達到這個目標，低段的音訊頻譜必須分離於主要訊號路徑之外，並且應(yīng)用非線性處理來產(chǎn)生上述的泛音。所產(chǎn)生的合成低音被重新導(dǎo)入訊號路徑，並饋入揚聲器中。該方法的缺點包括不可預(yù)知的結(jié)果或聽得見人工合成音，其來源是複雜的節(jié)目資料或高動態(tài)音源(如脈衝聲)的非線性處理。
壓縮電路
目前可攜式電子產(chǎn)品所使用的微型揚聲器不僅受限於頻率範圍，絕對響度(loudness)也有其限制。響度的限制不僅涉及將能量耦合發(fā)送到空中的振動元件尺寸，也包括元件可允許的最大行動或偏離程度；它不能突破實體限制或損壞懸吊裝置。提升聲音的平均感知響度而不過分擴展或損壞揚聲器的方法之一是使用壓縮技術(shù)，壓縮電路持續(xù)監(jiān)控音訊訊號的瞬間響度，增加靜音通道的增益，同時或多或少地保留響度較高的音訊資料。這些處理程序必須以非�？斓乃俣韧瓿�，並根據(jù)節(jié)目素材的響度極限，以便使其具有相當平滑的壓縮特性。
圖4. 動態(tài)範圍壓縮。(輸入、輸出、壓縮輸出、未壓縮輸出、曲點、最大提升量)
圖4顯示在平滑通道的響度所提升的程度，而最大輸出則保持不變(壓縮和被壓縮曲線交點)，防止系統(tǒng)可能產(chǎn)生的過度驅(qū)動。壓縮後的平均表面響度實質(zhì)上高於未壓縮訊號。曲點上的壓縮比約為2:1(即輸入訊號中的2dB變化僅為壓縮後輸出訊號帶來1dB的變化)。低於曲點部份的壓縮比為1:1，並且設(shè)置了最大提升量，因此減小了壓縮電路的整體增益要求，同時對於較平坦的訊號仍提供明顯‘提升’量。
聽覺增強(高諧波增強)
幾十年前，高效的錄音室設(shè)備可以‘刺激’音樂的聽覺效果，目標是僅透過增加高段頻率的增益(放大高音)來為聲音特徵增色。正如合成低音增強部份的討論，原始資料某種失真可能使人類聽力系統(tǒng)在現(xiàn)實中感知愉悅，這種現(xiàn)象用於提升音調(diào)。特別地，我們可以導(dǎo)入非常柔和的偶次諧波，即在放大的音樂聲音中加入了許多的‘溫暖’(warmth)元素。真空管在這方面的作用眾所週知。
至於聽覺增強，僅有音訊頻譜的高段(如1kHz及以上)從訊號路徑分離，產(chǎn)生偶次諧波並包括在受控的總音量中，由此產(chǎn)生的修正訊號以可調(diào)節(jié)音量的方式再次合併於音訊串流中。取決於所收聽的資料不同，此效應(yīng)為許多令人愉悅的聲音增加了‘水晶’般清澈特色。並且因為此效應(yīng)出現(xiàn)在中至高段頻率範圍，人耳在這個範圍中更為敏感，音樂節(jié)目的播放似乎也變得更響了。
柔性削音
許多可攜式音訊設(shè)備包含可防止音訊放大器過驅(qū)動或允許飽和削音的技術(shù)，過驅(qū)動或飽和可能損壞揚聲器並且至少會產(chǎn)生令人厭惡的破裂聲。即使有此保護作用，仍然可能產(chǎn)生音訊水平超過放大器輸出範圍的情況。一種緩減聲音飽和後果的方法是使用柔性削音，該技術(shù)能在放大器的輸出電壓接近其極限時(在限值上下)予以感知，修剪波形以防止尖峰嚴重擊穿限值。此項技術(shù)降低了可能由平頂或急劇裁切的輸出波形所產(chǎn)生的高頻能量，減弱了令人討厭的爆裂聲效果，並減少了可能傳輸至揚聲器的過量高頻能量。
圖5. 柔性削音。
揚聲器保護
人們做出種種努力以期最大限度地提高可攜式設(shè)備揚聲器發(fā)出的感知響度，同時還必須小心避免揚聲器本身的損壞。這些小型換能器僅能承受這麼大的有限音量�，F(xiàn)有兩種主要的揚聲器保護方法──最大薄膜偏移和最高音圈溫度。
圖6. 揚聲器剖面圖
圖6所示為典型的揚聲器剖面圖，可以清楚看到薄膜運動的實體限制，尤其是向下行的方向。音訊訊號不允許過強，否則會導(dǎo)致振動元件接觸到固定機架組件，或?qū)е聭壹懿牧?環(huán)形圈或彈架)過度拉緊。此外，音訊訊號的RMS值不允許太大，否則會導(dǎo)致音圈過熱。音圈過熱會使線圈管的圓形變形，引起與磁體或磁極片邊緣的摩擦。而且，音圈中的高溫也會導(dǎo)致其電氣絕緣性能劣化，最後致使音圈的線匝短路，從而降低音圈阻抗而使放大器過載。音圈溫度過高也會使永磁體受熱，可能導(dǎo)致其退磁。
用於防止揚聲器損壞的技術(shù)包括：針對輸入訊號振幅和/或電源電壓進行自動增益控制(AGC)、動態(tài)範圍壓縮、硬限幅、柔性削音，以及放大器輸出過流感測。缺點在於這些技術(shù)的都採用了前饋式方法，無法感測實際的揚聲器音訊偏移、音圈溫度或揚聲器阻抗(隨溫度按比例改變)。未來可望能夠?qū)崿F(xiàn)熱反饋等更複雜的保護機制，但目前通常使用的方法是上述所提及的一種或多種保護機制。 |
