扬声器的失真

4扬声器的失真

我们在设计产品时希望扬声器的振动振幅呈线性关系，会采取一系列的方法让产品在额定频率范围内不失真的工作，但是由于扬声器的结构、材料、工艺等原因，总会出现振幅的非线性，产生各种失真。扬声器的要求是＜5%,受话器＜3%，一般唛啦扬声器＜7%，就是这些指标对于扬声器设计人员来说都是有一定的难度的，但是对于电路设计师看那失真太大了，因音频功率放大器的失真可以做到0.001%，从这个数字我们知道了电声产品与当今飞速发展的电子产品的差距。但是扬声器的失真相对数值较大对音质的影响比较小，功率放大器的失真数值小，但对音质的影响却很大。我们掌握音响产品的两头，由声变电（传声器），由电变声（扬声器），所以电声产品数字化的实现时间就是电视机等音响产品实现数字化的时间。

一 各种失真的定义：

（1） 谐波失真

当扬声器输入某一频率的正弦信号f 时，扬声器输出声信号中，除了输入信号基波成份外，又出现了二次(2f)、三次(3f)….谐波等，这种现象称为谐波失真。可用谐波失真系数K 来定量计算：

式中：P1为基波声压的均方根值，P2为二次谐波声压的均方根值，Pn 为n 次谐波声压的均方根值。

均方根值：也称作为有效值,它的计算方法是先平方、再平均、然后开方。 ... 占空比为0.5的方波信号,如果按平均值计算,它的电压只有50V, 而按均方根值计算则有70.71V 。

在电声系统中无论是偶次谐波还是奇次谐波也都应力求做小，因为不同的乐声都有其丰富的谐波成份。音色依靠谐波含量以及它的分布和幅度有关，一般地说，高频率是基频的谐音或称基频的泛音，高传真系统正是基于将这些谐音能够在传输、记录和重放的过程中，不附加任何其它的谐波成份，如实地反映出来，这样的音质是纯真的。如果信号的高频在传输过程中失真了、损耗了，那就必然在重放时影响音质的传真度，使声音缺乏亮度和层次。一般说来，声源中偶次谐波在听觉上是协和的，它能够增加声音的色彩，并认为好听；奇次谐波在听觉上是不协和的，并容易感到刺耳不好听。

.（2）互调失真

当扬声器同时重放使音圈作大振幅振动的低频信号FL ，小振幅振动的高频信号Fh 时，重

K=×100%

放的声音中除了有FL、Fh及其谐波成份外，还会出现(Fh±nFL)的新的频率成份，n=1,2,3…这种失真称为互调失真。

（3）分谐波失真

这种失真是由于音圈受较大的电动力推动时，纸盆的母线受纵向力的作用而产生弯曲所致。二次分谐波早已被我们所熟悉，就是我们在听音时听到的半音或双音。听觉对分谐波的存在是敏感的，对音质的影响是不可忽视的。

（4）瞬态失真

瞬态失真是由于扬声器的振动系统跟不上快速变化的电信号而引起的输出波形失真，这种失真与频响曲线上的峰谷有关，在膜片的各谐振点，即频响曲线的峰谷处，这种失真较为严重。

二线性失真

扬声器的失真就是指原信号（语言或音乐）通过扬声器（录还系统）后声音之间的差异程度。扬声器的失真分为稳态失真（包括线性失真和非线性失真）和瞬态失真。

什么叫线性失真：在稳态情况下，信号各频率的振幅及各频率间的相位不按线性关系变化。而导致信号波形变化。

扬声器的线性失真表现在以下几个方面：

（1）f0处引起的线性失真，当Qts＞1,低频出现峰值，听感产生轰鸣声，Qts＜0.5时低频能量太小，听感感到太干没有力度，这就是扬声器在低频段典型的线性失真。

（2）振膜分割振动和轭环共振产生的线性失真，这种失真产生在中频段。此时扬声器的振膜已产生分割振动，振膜的轭环部分也在辐射声波，当轭环强度较弱或轭环质量比振膜的质量大时就会产生轭环反共振，轭环的一次共振在频响曲线上产生一个小峰，轭环的二次共振在频响曲线上产生了中频谷点的线性失真。轭环共振除了产生线性失真以外还会产生非线性失真。

（3）振膜形状、材料以及音圈质量在高频引起的线性失真，振膜在高频时受振膜形状、材料的限制产生分割振动，使频响曲线上产生很多峰和谷，这是频繁出现的线性失真。另外振膜在高频截止频率附近，其根部会加有拉伸和弯曲的力，由于振膜材料及形状的非线性，会产生很大的非线性失真。

（4）扬声器前室效应引起的线性失真，经试验说明振膜的锥盆越浅，锥角越大，高频段的起伏就越小，但是太浅后振膜的强度变弱，会导致分割振动的频率下降同样会造成大的峰谷。

这四项线性失真主要是振幅特性失真，表现在频响曲线上的不均匀性，

（5）相位失真

很多人有一个不清楚的认识，就是认为单只扬声器没有相位问题，更不存在相位失真，也就是相位频率特性平滑，其数值应为0或π的整数倍，但是事实并非如此，单只扬声器本身就存在相位失真，现在是采用测量扬声器的群迟延时间频率特性来测量扬声器的相位失真。扬声器相位失真产生的原因有两点：

①电流的相位所产生的失真，低频段是在f0附近的相位变化，在中高频段是由于轭环的反射、音圈电感等引起的相位变化。在电路上可以进行补偿。

②纸盆在分割振动时因音圈和纸盆各部分振动相位不一致。

三 非线性失真

什么叫非线性失真：扬声器的非线性失真是指在放声中出现了输入信号中没有的频率成份，这种非信号的频率声音称为非线性失真。这些分量可分为谐波失真，分谐波失真，调制失真等。

我们讨论对声音影响最大的谐波失真是由那些因素造成的

（1）支撑系统的非线性，在大振幅时产生的三次谐波失真

扬声器的顺性元件是振膜的轭环和弹波，它们的作用是保证振膜在中心位置上下做线性振动，设力顺为ms C ，位移为X ，力为F ，总的力顺：F

X C ms 如果ms C 不变，则X 与F 成正比，但是实际上F 与X 的关系不是线性的，是呈磁滞回线的形状，所以ms C 发生改变时，就会出现非线性振动，如下图：

这种非线性失真主要出现在低频段，尤其是当扬声器出现低频谐振时这种失真就更为明显，低频非线性失真主要是二次谐波和三次谐波，改善办法是提高振膜轭环和弹波的线性工作范围，合理的设计他们的几何形状并选择好材质。

（2）纸盆引起的非线性失真

扬声器在低频段工作时我们近似看作是活塞运动（振膜整体运动）但是到达中频以后，振膜就会产生分割振动，频响曲线中频谷点的产生就是分割振动造成的，谷点附近有较大的

谐波失真。另外纸盆也会产生分谐波失真（前面以讲过），避免振膜产生分割振动主要从振膜的形状和材料入手，选用线性良好、内部损耗适当的材料。对于中频谷点的控制，我们采用打阻尼胶的方法，使反共振得到限制。

（3）电磁驱动力产生的非线性失真，会引起二次和三次谐波失真，致在大振幅时主要产生二次谐波失真。

当音圈有电流通过时，音圈就受到了一个驱动力F ,F=BLI,而B和L是变量，由于B变化的非线性，电流I在振动过程中产生失真，所以B和I的变化是造成失真的原因。

①磁通分布不均匀（磁感应强度B不恒定），这种失真是在大振幅时产生的，主要出现在低频。我们都知道在相同电压工作下，小口径的产品比大口径的振幅要大，小口径的产品在低频的失真也会大。

②磁导率的非线性所引起的失真，一般称为电流失真，一方面：是U铁和华司等导磁材料磁化特性的非线性，使音圈电感发生变化，从而产生了电流失真。这种失真在f0处比较明显。另一方面：由于音圈中通过音频电流时产生了反向磁通，使磁路的磁体磁化，磁体磁导率的非线性以及非线性的磁滞回线的影响，使音频电流产生了二次和三次谐波失真。

改进失真的方法很多：

a. 短音圈（成本高）、长音圈（磁通利用率高，缺点是B下降，效率降低。采用长音圈是能够设计出性能好的产品的，如目前的高保真扬声器几乎都是采用长音圈。使用长音圈通常存在二次谐波失真。）

b..对称磁路，可降低二次谐波失真、

c. 采用线性好的导磁材料如硅钢片，可降低三次谐波失真，但是B会下降。

d. 采用短路环，起到音圈次级线圈的作用，减小音圈电感量的变化，同时减小了失真。在T铁及华司上加短路环减小三次谐波失真，在外磁式磁体内径及U杯内径加短路环可减小二次谐波失真。

d. 磁饱和法,减小了磁导率的非线性失真，可减小三次谐波失真。

（4）振膜、华司与音圈之间封闭空间的空气弹性的非线性引起的二次谐波失真。可以用开小孔的办法解决空气压缩问题。纸盆扬声器要注意弹波的透气性。

线性失真和非线性失真是两种不同形式的失真，在扬声器工作中经常是同时存在的，线性失真大的产品非线性失真也比较严重。例如在中频谷点，轭环反共振不仅出现了线性失真，而且也会出现非线性失真。

现在我们可以用计算机软件对扬声器的谐波失真进行测量，可以测量出失真点的二次、三次、四次……等谐波失真系数，我们就可以有真对性的用行之有效的方法加以解决，具体的解决方法很多，需要设计人员在实际的产品性能调整中去实践和总结。另外还可以测量扬

声器的瞬态特性，可以通过所测得的前沿累积频谱和后沿累积频谱，清楚的了解扬声器的前沿及后沿的状态。我们知道瞬态特性好的产品，其频响曲线也比较平滑。还有一些失真我们暂时还没有条件测量，如互调失真、分谐波失真等，所以有时我们在进行纯音检听时声音不纯但是测试谐波失真时失真值又不高就是这个原因。

人耳对不同次的谐波感觉到的灵敏度是不同的，人耳能承受较大的二次谐波失真值，而对同样的三次谐波失真却无法容忍。电子管功放的失真主要是二次谐波失真，晶体管功放的失真主要是三次谐波失真。专业人员可以感觉到1-2%的奇次谐波，而偶次谐波由于音乐上的协和性的关系以及易被原来频率掩盖，所以偶次谐波对音质的影响较小。人耳对语言节目感知非线性失真小于音乐节目。