低频扬声器系统的应用与优势

低频扬声器单元必须装在障板上或特别设计的箱体中才能有效播放出低音。图7-28是用扬声器障板阻止扬声器前后辐射的声波产生的干涉。为使低频扬声器能重放出丰满的低音，需用很大的障板。例如1.4m×1.4m的障板才能使低频扬声器单元达到60Hz的低频响应。障板的计算方法为

L=v/f_c （7-10）

式中 L——正方形障板的边长，（m）；

f_c——播放低频的下限频率，（Hz）；

v——空气中的声波速度（m/s）。

扬声器箱体的基本功能：分隔扬声器纸盆前后的声辐射，阻尼扬声器共振，改善非线性失真和瞬态响应，展宽扬声器的低频响应和提高扬声器的低频灵敏度。专业应用的低频或超低频扬声器箱主要有倒相式、开口号筒加载式和低频折叠号筒三类。

（1）倒相式低频扬声器系统

图7-29是倒相式低频扬声器箱体的基本构造，扬声器箱除扬声器安装孔外，还有一个倒相孔。它的着眼点是把扬声器背向辐射的反相声波经倒相后与其正向辐射的声波叠加在一起。

在某个特定频段，从箱体导管开口处辐射的声波，在相位上同扬声器前面辐射的声波正好同相，从而可使这两种声波在扬声器箱的前方同相叠加。低于这个特定频率的频段，从导管开口处辐射出去的声波与扬声器前面辐射的声波则为反相，这些频率的声波则互相抵消，因此频响特性将会很快下降。

倒相式扬声器的设计方法是首先确定倒相孔的参数。倒相孔的面积可选取与扬声器纸盆的有效面积相等，否则在倒相孔内的空气流会增大，引起摩擦损失。然后选择倒相孔的厚度，使扬声器箱体的共振频率与扬声器单元的共振频率接近，此时

图7-28 扬声器障板阻止扬声器前后辐射的声波产生干涉

a）无声障板 b）有声障板

式中 f₀——扬声器的共振频率（Hz）；

m_t——倒相孔内的空气质量（kg）；

c_v——扬声器箱的容积（m³）。

式中 ρ——空气密度（kg/m³）；

A——纸盆的有效面积（m²），可按纸盆直径的80%来计算；

S——倒相孔的面积（m²）；

L——倒相孔的厚度（m）。

图7-29 倒相式箱体

适当选择扬声器箱体的参数，可设计出十分有用的三种低频响应特性曲线。图7-30中的曲线1是准三阶巴特沃兹响应特性，截止频率后的衰减是每倍频程18dB。曲线2是四阶巴特沃兹响应特性，它能获得最平坦的响应特性，截止频率后的衰减是每倍频程24dB。如果在扬声器的驱动电路中加入适当的RC网络，总响应特性可成为五阶甚至六阶巴特沃兹响应特性，截止频率可更低，衰减也更快。曲线3是契比雪夫响应特性，它的特点是响应有起伏，但截止频率更低，衰减加速。倒相式扬声器箱的倒相孔形状和倒相管没有特殊要求，可以用任何形状的倒相管，只要倒相孔的面积和倒相管的长度符合要求就行。

图7-31是倒相式低频扬声器系统的外形。扬声器箱体内部的高度、宽度和厚度的最佳比例应是0.8∶1∶1.25或2∶3∶5。

为消除或削弱扬声器箱体内声波产生的驻波反作用于扬声器纸盆，影响播放的音质，同时能吸收纸盆背面辐射的声能以及增加对共振频率的阻尼，改善瞬态响应，扬声器箱内必须放置吸声材料。通常使用10～20mm厚的多孔吸声材料，如泡沫塑料、玻璃棉、矿棉毡等。

图7-30 倒相式扬声器箱的低频特性

图7-31 倒相式低频扬声器系统

（2）开口号筒加载式超低频扬声器系统

图7-32是两种典型的开口号筒加载式超低频扬声器系统。超低频扬声器单元的后面有一个容积，通过前面板上的开口孔可调节40～50Hz的低频范围。这种结构的典型频率响应特性如图7-33所示。双超低频号筒系统中，对80Hz以上的频率有影响；在单低频号筒系统中，对120Hz以上的频率有影响。

图7-32 开口号筒加载式超低频扬声器系统(www.xing528.com)

a）立式倒相开口号筒超低频扬声器 b）卧式倒相式双超低频号筒超低频扬声器

号筒加载式超低频扬声器箱实际上是倒相式扬声器箱的一种变形结构。在同样的箱体容积中使用相同的超低频扬声器单元，号筒加载式超低频扬声器箱比倒相式超低频扬声器箱具有更高的声压灵敏度。在它们的典型灵敏度约为104dB/（1W，1m）～106dB/（1W，1m）；双超低频扬声器单元的低频系统还可达到110dB/（1W，1m）～112dB/（1W，1m）。它的指向性也更高，最低截止频率则为更低。

图7-33 开口号筒加载式超低频扬声器系统的频响特性

a）单号筒加载低频扬声器系统的频响特性 b）双号筒加载低频扬声器系统的频响特性

号筒可展宽声音的低频范围，并且能提高扬声器的辐射效率。很多电影院的重低音还音系统常常使用这种扬声器箱。

常用号筒的轴向截面形状有三种：锥形号筒、指数形号筒和抛物线号筒。号筒口的大小由要求辐射的最低频率决定，号筒口的面积越大，低端的截止频率越低。

（3）折叠式号筒加载低频扬声器系统

开口式号筒加载低频扬声器系统有声压灵敏度高、低频截止频率低等优点，但体积很大。如果要辐射足够低的低频功率，需要很大的号筒口面积。图7-34a是Klipsch把高频、中频和低频三个扬声器系统采用垂直叠积方法设计的一种折叠号筒加载的全频扬声器系统。超低频折叠号筒保持了最低工作频率到40Hz，但是超低频号筒占用的全部空间容积较少，声压灵敏度约为108dB/（1W，1m）。

频响特性和转折频点的计算公式如图7-34b所示。公式中的参数符号如下：

Q_ts——扬声器单元的总Q值；

f_s——扬声器单元在自由空间的共振频率（Hz）；

R_E——扬声器单元音圈的直流电阻（Ω）；

L_E——音圈的电感量（H）；

V_as——扬声器单元恢复力的空气容积（ft³），等于扬声器单元的机械柔量。

V_FC——号筒前腔的空气容积（ft³）。

假设号筒的张角率和张口尺寸不是最低频率的限制因数。扩展高频响应特性的最重要因素是保持转折点的f_HM尽可能地高，要求Q_ts+分低和f_s十分高。用在折叠号筒中的典型超低频扬声器单元，希望其上限截止频率f_HM在400～600Hz的范围。

大部分音乐扩声系统，平坦的功率响应下限频率至40Hz已足够。但是对于电影院中的一些特殊扩声效果，要求把低频带宽扩展至25Hz，如果要达到逼真的、令人信服的超重低音效果，必须具有很大的超低频声功率，以满足听觉和感觉的需要。通常采用多个超低频辐射器来提高超低频辐射功率和扩展低频下限频率。图7-35a中的实线为单个超低频扬声器系统的辐射特性。当第二个同样型号的超低频扬声器系统紧靠放置在旁边时，它们通过相互之间的声波耦合成对地工作。一个新的超低频扬声器系统等效于单个超低频扬声器单元直径的1.4倍，辐射特性的超低频转折点相当于单个超低频扬声器单元向下移动0.7倍。由4个超低频扬声器单元组合在一起时，下限频率转折点的下降因子为0.5。图7-35b是这组曲线的规格化特性，可以看到在相同的输入功率下，超低频声功率输出相应提高了。

图7-34 折叠式低频号筒

a）高、中和低频三个扬声器系统的垂直叠积 b）频响特性和转折频点的计算公式

图7-35 超低频系统的声波耦合

a）多个超低频扬声器组合的频响特性 b）多个超低频扬声器组合的规格化频响特性

加倍地增加超低频扬声器单元的数量，就可以提高输出声压级6dB的能力。例如，一个超低频扬声器单元，工厂给出的额定数据为：最大输入功率为200W，转换效率为2%，可计算出它的声功率输出为200W×0.02=4W，完全相同的两个超低频扬声器单元，通过声波相互耦合，它们的转换效率是单个扬声器单元的2倍。

同样，4个超低频扬声器单元可得到8%的转换效率，那么它们的声功率输出将为64W。随着超低频阵列中超低频扬声器单元数量的增加，可以看到由于声波的相互耦合，会把低频的下限频率继续向下移动。超低频阵列的上限频率为

式中 c——声波传播速度（m/s）；

d——低频扬声器单元之间的距离（m）；

n——低频扬声器单元的数量。

在上述例子中，两个低频扬声器单元的。四个低频扬声器单元的。

上面的公式是假设低频扬声器单元尽可能紧靠在一起的，这是获得声波耦合最大输出的最重要条件。

如果把太多的低频单元组合在一起将会减少得益，使低频扬声器系统的上限频率f_max向下移动，上限截止频率也会连续降低；转换效率的提高也会受到限制。