過去十年來，具有微型揚(yáng)聲器的行動(dòng)設(shè)備正呈現(xiàn)爆炸性成長──如手機(jī)、MP3、GPS系統(tǒng)、筆記型電腦、平板電腦、遊戲機(jī)與玩具等等。由於消費(fèi)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(jià)的揚(yáng)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(dá)到這些目標(biāo)的一些方法。
等化作用
無論任何尺寸大小，理想的揚(yáng)聲器應(yīng)該具有‘平坦’的頻率響應(yīng)──也就是說，揚(yáng)聲器能夠在20Hz～20kHz的頻率範(fàn)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(shí)中，沒有揚(yáng)聲器能夠做到這一點(diǎn)，而且越是努力要使揚(yáng)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(yáng)聲器通常成本低且結(jié)構(gòu)簡單，無法包含達(dá)到真正平坦響應(yīng)所需的複雜結(jié)構(gòu)，因而在整個(gè)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(jī)揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)。
為了補(bǔ)償不均衡性，可以測量揚(yáng)聲器的頻譜響應(yīng)並找出其特性，然後透過使用等化或?yàn)V波電路來加以補(bǔ)償，這些電路的頻率響應(yīng)可以彌補(bǔ)揚(yáng)聲器響應(yīng)的不均衡性。也就是說，在揚(yáng)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(qiáng)訊號。相應(yīng)地，在揚(yáng)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(yáng)聲器可感知的輸出能實(shí)現(xiàn)較佳的平坦度。
但要實(shí)現(xiàn)等化至少會造成兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，它可能增加系統(tǒng)的複雜度。揚(yáng)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(shí)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(gè)音訊頻譜中，即使增加了等化電路，揚(yáng)聲器的實(shí)體限制也會影響平坦度。單一元件換能器如手機(jī)揚(yáng)聲器，其有效的驅(qū)動(dòng)單元直徑通常為1英吋或更小，無法在整個(gè)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(yáng)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(diǎn)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(jìn)行補(bǔ)償，可能會導(dǎo)致?lián)P聲器超出其實(shí)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(qiáng)
如上所述，手持式設(shè)備中的微型揚(yáng)聲器在傳送低頻訊號時(shí)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(yáng)聲器無法發(fā)出的低音訊率中產(chǎn)生泛音(泛音存在於揚(yáng)聲器確實(shí)能夠提供的範(fàn)圍內(nèi))，並將其插入音訊串流中而達(dá)到讓人類聽覺系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)覺的效果。至少有兩種人類聽覺原理可實(shí)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(gè)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(gè)比中音C低3個(gè)八度的C調(diào)，可將一個(gè)比中音C低2個(gè)八度的C調(diào)，以及僅高於後一個(gè)C調(diào)的G調(diào)進(jìn)行混合。這項(xiàng)使用差音的實(shí)際運(yùn)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(yáng)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(yáng)聲器的通過頻帶內(nèi)產(chǎn)生音調(diào)，以合成低於揚(yáng)聲器實(shí)際能夠傳輸頻率範(fàn)圍的音符，因而增強(qiáng)表面的低頻響應(yīng)。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，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(yáng)聲器中。該方法的缺點(diǎn)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(dòng)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(yáng)聲器不僅受限於頻率範(fàn)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(dòng)元件尺寸，也包括元件可允許的最大行動(dòng)或偏離程度；它不能突破實(shí)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?jǐn)U展或損壞揚(yáng)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(shí)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常快的速度完成，並根據(jù)節(jié)目素材的響度極限，以便使其具有相當(dāng)平滑的壓縮特性。
圖4. 動(dòng)態(tài)範(fàn)圍壓縮。(輸入、輸出、壓縮輸出、未壓縮輸出、曲點(diǎn)、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(diǎn))，防止系統(tǒng)可能產(chǎn)生的過度驅(qū)動(dòng)。壓縮後的平均表面響度實(shí)質(zhì)上高於未壓縮訊號。曲點(diǎn)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(diǎn)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(shí)對於較平坦的訊號仍提供明顯‘提升’量。
聽覺增強(qiáng)(高諧波增強(qiáng))
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(biāo)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)，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?yàn)榇诵?yīng)出現(xiàn)在中至高段頻率範(fàn)圍，人耳在這個(gè)範(fàn)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(dòng)或允許飽和削音的技術(shù)，過驅(qū)動(dòng)或飽和可能損壞揚(yáng)聲器並且至少會產(chǎn)生令人厭惡的破裂聲。即使有此保護(hù)作用，仍然可能產(chǎn)生音訊水平超過放大器輸出範(fàn)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(shí)(在限值上下)予以感知，修剪波形以防止尖峰嚴(yán)重?fù)舸┫拗怠４隧?xiàng)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(yáng)聲器的過量高頻能量。
圖5. 柔性削音。
揚(yáng)聲器保護(hù)
人們做出種種努力以期最大限度地提高可攜式設(shè)備揚(yáng)聲器發(fā)出的感知響度，同時(shí)還必須小心避免揚(yáng)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(yáng)聲器保護(hù)方法──最大薄膜偏移和最高音圈溫度。
圖6. 揚(yáng)聲器剖面圖
圖6所示為典型的揚(yáng)聲器剖面圖，可以清楚看到薄膜運(yùn)動(dòng)的實(shí)體限制，尤其是向下行的方向。音訊訊號不允許過強(qiáng)，否則會導(dǎo)致振動(dòng)元件接觸到固定機(jī)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(yáng)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(jìn)行自動(dòng)增益控制(AGC)、動(dòng)態(tài)範(fàn)圍壓縮、硬限幅、柔性削音，以及放大器輸出過流感測。缺點(diǎn)在於這些技術(shù)的都採用了前饋式方法，無法感測實(shí)際的揚(yáng)聲器音訊偏移、音圈溫度或揚(yáng)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(hù)機(jī)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(hù)機(jī)制。 |
