电视机中音响技术的进展

电视机中音响技术的进展李胜波【摘要】介绍了电视机音响技术的进展情况，讨论了在扬声器选用和结构设计过程中经常存在的问题，并提出相应的解决措施。【关键词】分立式扬声器系统；外挂式扬声器系统；频率响应1引言近几年来电视技术突飞猛进，图像的画质得到了明显提高。大屏幕技术的发展，使得整机外形尺寸相应增大，也使提高彩电音响性能成为可能。但总的来说，电视声频技术的发展不如视频技术的发展，很多彩电还存在着不尽合理的电声设计。其原因既在于厂家对电视机中的电声设计的不够重视，更因为电视机本身的局限性。目前大多数电视机中的音响结构均采用内置式，不能提供足够的重放低音所需的空间；因外观造型的需要，扬声器的选用和安装方式也受到限制，不得不采取一些牺牲音质的措施；而且结构材料的缺陷使得外壳强度不高，存在着较大的声透射和声泄漏；等等。这些原因使内置式电视音响结构不可能达到高保真效果。而另一方面，消费者对音质要求却越来越高，于是一些厂家（尤其是国外的厂家）纷纷推出各种花样以吸引消费者注意，增加卖点，如火箭炮（BAZOOKA）、多梦（DOME）等等。但正因前述原因，它们的声学指标测试结果和主观效果并不尽如人意。电视机的音响设计实际上是一个系统工程，因为其音质的优劣将取决于电路、扬声器、结构的配合。电路部分主要指功放和分频器（实际上大多数情况下为一个电容），它已经发展得较为成熟，可实现较高的要求。以下将介绍电视音响设计的进展情况，讨论在设计过程中，扬声器和结构方面经常存在的问题，并提出改进措施。2电视机扬声器选用早期的电视机用扬声器只为重放单声道的电视音频信号，此信号由于各种原因信号频带并不宽（100～15000Hz），一般只选用一只扬声器，直接安装在电视机一侧的面壳上，没有附加单独的声学结构。这样首先使声定位不好，声音和画面严重分离，所以后来一般至少采用两只扬声器，左右侧各一只。另外由于后面第三节中要提到的原因，这使低频不能很好地重放。于是有人建议采用高Q值的扬声器以补偿低频的短路。但这种做法往往以牺牲灵敏度、失真度等重要指标为代价，实际上是不可取的。这样采用附加结构以重放低频成为必须。随着CD，VCD，DVD等音响设备的日益普及和用户欣赏水平的提高，消费者对电视机本身音响性能要求越来越高，希望它具有大动态、宽频带、低失真等品质。这样便出现了由多只扬声器组成的扬声器系统，它们分别担负不同的频带。中高频一般采用椭圆扬声器，这种选择并不是因为椭圆扬声器性能好于圆形扬声器，而是外形和安装的需要。有的辅以所谓重低音，采用4英寸以上圆形扬声器，配以带通式或倒相式结构。正如音箱的设计一样，电视音响系统音质也取决于扬声器和结构的配合。为了使得系统设计快速合理，采用了音箱CAD软件［1］，这样只要输入已定的参数值，就能自动计算出其它参数的优化结果。经验证，计算和测试结果是一致的，按照计算结果设计的音响系统其性能通常也是优良的。在输入参数时要注意，由于机壳材料的缺陷和密封性能的不良，声损耗因子QL较低，一般取作3～4。如果扬声器和结构配合得不好，不但不会有理想的声性能，同时也是一种成本浪费。很多电视机厂家便忽视了这部分工作，在声结构规定好后，没有选用与之匹配的扬声器，造成声学设计的不合理。以下将以一重低音设计为例，分析它在扬声器选用方面的不足。该29英寸电视机的中高音由一80mm×150mm椭圆扬声器担任，低音扬声器为4英寸英寸，配以四阶带通式筒状结构［2］，等效成如图1（a）。图1电视机的扬声器系统实例经测量，结构参数及低音扬声器Small参数如下：总品质因子QT＝1．4，谐振频率fo＝106Hz，等效容积Veq＝2．12L，A腔容积VAA＝1．7L，B腔容积VAB＝0．94L，倒相管半径αp＝1．7cm，倒相管长度Lp＝5．8cm。将以上参数值代入CAD软件，可得到其频响的计算结果图1（b）中虚线，与实测曲线图1（b）中实线相比，可见二者符合良好。从计算和实测的声频响看，该低音系统有如下缺点：（1）灵敏度太低，1m.1W处只有74dB左右，这样很容易淹没在较高灵敏度的主声道，听不到低音效果，形同虚设。尽管可通过提升电功率增大低音量度，但电视机音频功放功率本来就不高（只有十几瓦），这样会造成巨大的电路失真和声失真。（2）不均匀度较大，频响中有明显的峰谷。（3）低频下潜不够低，高达100Hz的下限严格来讲称不上重低音。以上不足当然有结构的原因（腔体容积不够大）。实际上在结构一定的情况下，也可通过选用合适的扬声器得到改善。在该实例中，很明显看出扬声器Q值过高，fo太大。为尽快得到合适的扬声器，在结构参数不变的情况下，通过CAD软件得到如下参数的扬声器：QT＝0．52，fo＝56Hz，Veq＝7．7L计算频响如图1（c）所示。将以上低音筒配合主声道会得到较好的效果。由上例可见，要使电视机达到优良的音质，一定要选用具有合适参数的扬声器，运用CAD软件可快速达到此目的。3电视机扬声器系统结构设计上面提到，早期的电视机扬声器没有附加的声结构，而是直接安装在前壳上（实际上这种形式直到现在还被大量采用）。机箱为散热要求，一般都要做成相当于后开盖的敞开式。所以这种声箱和平面障板一样，从扬声器前后发出的声波是反相的，后面的声波可以衍射到前面来。其简化结构如图2所示，当从扬声器前后到听声点的距离差lo为λ／2的奇数倍的频率时，是同相位，所以形成峰值；当从扬声器前后到听声点的距离差lo为λ／2的偶数倍的频率时，是反相位，所以形成谷值。因此，与平面障板的情况相同，实用的低频重放下限频率fce由下式决定［3］：fce＝85／L图2电视机的扬声器系统实例听声点式中L是从扬声器前后到无限远点的路程差，单位为m。低于fce时，扬声器总的声压响应随频率下降而很快降低。由于L常常很低，fce很高，一般在100Hz以上，所以这种结构无法重放很好的低音。这种安装方式还会造成一个很大的缺陷，扬声器后部没有封闭措施，直接辐射到机箱，会使其中的元器件（包括导线）、结构件受扬声器发声振动影响，一定功率时在共振点发生音频机震。这就是电视机设计不好极易发生机震的原因。为了安装方便和外形美观，中高频扬声器前常要装一个声导管，可等效成一始端为声源末端开口的直管（如图3）。由声学基本知识得知，这种导管会对频响造成很大的不均匀度。精确的计算表明［4］，当声源振速幅值保持恒定时，若声源前的直管长度等于四分之一波长奇数倍，声辐射功率大大加强，若声源前的直管长度等于四分之一波长偶数倍，声辐射功率大大减弱。尽管不均匀度可通过铺加吸声材料减小，但这将使灵敏度大大降低。由此可见，这种声导管的运用对扬声器的声学性能是毫无益处的。要改善如下缺点，可采取如下措施：图3装有声导管的扬声器系统（1）去掉声导管，如果一定要采用，也尽量使导管长度减短。（2）扬声器后部要有封闭措施，防止声音大量辐射到机箱。结构对音质的影响更多地体现在低频的重放，如前所述，带通式和倒相式设计越来越多地被采用到电视机中来。同样，其良好的性能也需要扬声器和结构的配合。在扬声器选定的情况下，必须采用与它匹配的结构参数。CAD软件在这里可得到同样的运用，在此不再赘述。但是由此计算出的结果经常由于机腔内无法提供足够大的空间，或是影响外形美观而无法采用，结构内置式电视机的音响性能受到了很大的局限。为此，电声设计人员研究出了更多的新形式。4外挂式和分立式扬声器系统多年来电视机一直未能突破传统的模式，即将音响结构置于机壳内，电视机音响的诸多缺陷也由此造成。归纳起来有如下几点：（1）频带窄，尤其是低音重放不理想；（2）频响不均匀度很大；（3）失真较大；（4）存在严重的机震问题。近年来出现的外挂式扬声器系统（如图4）试图解决这些问题。它是将扬声器和音箱全部从机壳中分离出现，悬挂在左右侧。由于这种设计突破了机壳空间的限制，独立设计，音箱的容积可以比较大，较好地解决了上述问题。图4电视机的外挂式扬声器系统分立式扬声器系统（如图5）更进了一步，它与主机身完全分离，给了设计人员更大的自由度，除无上述声音缺陷外，还具有以下优点：图5分立式扬声器系统（1）高保真音质，彻底杜绝失真，机震现象；（2）间距可任意接宽，满足立体声放声需要；（3）音响结构模块化，减少模具数量，节约成本；（4）用途广泛，可接驳其它音响设备。尽管此种形式的电视机未能在市场上见到，但有理由认为，这种音质绝佳的设计，必将被电视机厂家采用，为消费者认可。5结语电视技术经过几十年的发展，已经有了长足的进步，但不得不承认其音响技术却发展缓慢。形式简单，尽管音质很差，但直到现在还被广泛地应用，其中当然也有成本的考虑，更说明电视机厂家对电视音响设计的忽视。用户对电视机的音质要求却越来越高，这给广大电声技术人员提出一个重要课题。作者单位：（康佳集团股份有限公司，广东深圳518053）【参考文献】［1］李胜波．扬声器与扬声器系统的优化设计．南京大学硕士论，1998．［2］EarlR．Geddes．AnlntroductiontoBand-passLoudspeakerSystems．J．AudioEng．Soc．，1989．～342．［3］山本武夫著．扬声器系统．王以真等译．北京：国防工业出版社，1984．［4］杜功焕等．声学基础．上海：上海科学技术出版社，1981．收稿日期1999－06－30