|
本人多年来一直从事电声系统设计工作，个人认为在一体化平板电视声音系统的设计上遇到了困局，在这里与大家主要探讨一下一体化平板电视的声音系统设计。 电视机从CRT显像管电视机发展到平板电视机的进程中，图像特性有了大的改进，但是就声音系统而言，随着外形及结构的变化，声特性的效果并不如人们所想象的那样是越来越佳，而我们的工业设计正在让消费者感到失望，消费者方面的话就更加不客气，直接说平板电视机里面的扬声器就是垃圾。有的多少知道细节的是说理解不了电视机的总设计师们，比如扬声器在成本上是很小的成分,为什么不能增加些投入做些好一点的扬声器呢?一些批评和评论在某种程度上是道理的，虽然垃圾说不够公平，然而我们需要理解消费者的想法，一些消费者未必了解的是这个行业内的难处，更不可能理解近年来出现的未必是符合声学原理的设计思路及追求。美国消费电子协会（CEA）统计大约1/4的平板电视机的用户为了获得好的或令自己满意的声音,将电视机中的声频电信号引至家庭影院,，声巴(soundbar)，外接扬声器或耳机，这次不深入讨论这些外接的功能及效果，将焦点集中于一体化电视机的声音系统的设计。 平板电视这十年来设计潮流就是机身要薄（薄是一切），那么就没有空间来让足够大的扬声器来提供够质量的声音，不管某些厂家怎么来引导，物理原理是逃避不了的，小扬声器的声音总归是有缺陷的；另外一点就是扬声器正面消失，设计特点就是使扬声器置于电视机机壳的下方，扬声器所辐射出的部分声音（部分中频及高频声波）不是直达到观众的耳朵，而是需要利用地板和墙壁的反射，以上两点带来的音效后果就是： 1， 扬声器由于多次反射，效率低，没有足够的音量。 2， 由于空间容积的限制，低音表现不足。 3， 由于向下摆放，声波向下辐射，中高频指向性就会变得很差，高频衰减的比较厉害。 4， 内置于后壳中，容易产生共鸣。 5， 声音的还原度差。
还有一种更让人更惊讶声波侧出式设计，其声音需要从扬声器单元和安装在单元上金属薄板之间的狭缝里辐射出来，在整机上就是从电视机机壳面板上的一条狭缝里辐射出声音，那样的单元的设计也许是挑战基本原理的又一个作品。在扬声器单元前加上盖板，相当于改变了直接辐射特性，那条狭缝不可避免地成为扬声器单元前的一个声负载，本人认为所测到的整机电声性能声压级一定低，总谐波失真大，主观听感体验声音强度低，声场定位不准，层次感及还原声音的效果差。
机身越来越薄及扬声器单元从面板上消失这两点对于声音系统来说是至关紧要，大多数消费者对于平板电视机的声音的音质是相当在乎的，而平板电视机制造商那一方面而言,外形及视频效果在第一位,然后是结构设计跟随外形设计，而声音设计再跟随结构设计，基本方案一旦确定，要满足声音设计的要求就非常困难了。而最大的问题就是音频至今对于一些TV制造厂家而言仍然不加重视！电视机制造商方面应该严肃考虑，为什么一些平板电视机的声音会那样地激起人们的不满.成本和利润目标，以及最重要的市场预期的目标，就不讨论了，让我们记住这些其实是电视机厂家在作有关设计时的重要的约束条件。
而联想此款S9智能电视speaker的容积空间还是比较大的，这样扬声器辐射面积就能设计的更大，提高了扬声器辐射效率及能播放更低的频率，ID通过流线设计整体感觉也并不是很厚，还是挺时尚的，看来前期设计的时候ID与声学设计还是做了相应的沟通；另外联想50S9比传统平板电视多增加了一颗独立高音单元，主要还是考虑到高频由于指向性衰减的问题，通过独立的高音单元进行弥补。联想S9整体听起来高低频层次感及整体的解晰度还是挺不错的，也突出了其立体声效果，看来在声学设计上和系统EQ调试还是下了些功夫。当然，如果speaker能朝前摆放声音效果就更不一般了。
下面就探讨一下声学设计的要点： 1，扬声器所置放的位置（扬声器的辐射及指向性）：
扬声器声波向下辐射的设计,关键是忽视了辐射指向性的客观存在，就一个扬声器单元而言,声波在频率升高时,扬声器的指向性是越来越尖锐，这是一个铁定的原理.虽然低频声波有绕射特性,但是比如高过1kHz的声波,其波长λ将小于34厘米，已经和电视机机箱的厚度处在同一数量级，其绕射特性将越来越差,(声速c=λ f，f为声波的频率).
那样的设计，所设想的也许是指望中频声波及高频声波先辐射到电视机所在房间的地板或后墙,然后再反射到观众的耳朵处.这样一种设计能不能达到国标的声技术指标的要求呢?这是个疑问,绕射过程中还可能出现声滤波器效应，更不用谈电视机安装位置及房间特性所带来的更多的不确定因素了.本来应先测量一下电视机的频率响应曲线,作必要的设计预测。这种声波下出式结构设计（电视机的面板上已不存在扬声器的位置），外观是特色了,声音系统的设计却尴尬了。本人的看法是,还是保证在面板上有扬声器的位置才好,扬声器系统可分两部分,低音部分可以采用下出式,而中高音部分还是应在面板上有位置,达到直接辐射的效果才好.其实,扬声器直径为2cm那样的单元,其中高音的直接辐射的效果将会优于一般的下出式的设计，难道电视机面板上竟然连几公分直径的小单元也不能放置了吗?
2，平板电视机设计的减薄趋势
这个趋势对所采用的扬声器系统的设计而言，带来的是效率的减低或低频下限频率的升高,扬声器系统尊从霍夫曼铁定原则. 其要点是讲一个低音扬声器系统的效率直接比例于箱容积和它的最低截止频率(该系统所重放的最低频率)的三次方的一个乘积，其系数和扬声器系统的特点有关，所以减薄会对音质带来挑战，这一物理极限客观存在。如果不想在扬声器单元的成本上加大投入的话,那就只好在声音的特性上做些牺牲.根据霍夫曼铁定原则,如果要维持一定的电声效率不变的话,其结果就是有多大的容积就一定对应着某个低频下限频率.在此条件下，带通音箱由于公式中的系统系数会是开口箱的两倍，在理论上在相同容积条件下,它们可获得较好的低音效果。
3，扬声器单元的高度
电视机商家对扬声器厂商具有事实上的指挥权，在电视机减薄的总体要求下，扬声器单元的高度一降再降，说这几年已达到物理极限，是不算夸张的，再加上价格的恶性竟争，TV扬声器在生产上也越来越困难。其实，平面振动膜（或板）那样的扬声器单元的特性早已为有关厂家深入地研究过，也曾经有完整的设计方案。
4，穿孔面板的穿孔率
穿孔率太小，声波反射会造成混乱，中高频频率响应曲线上会有很多不规则峰谷出现，主观听感上会感觉失真比较刺耳，不耐听，经过一系列的测试及实验，只要大于30%以上。
5，扬声器单元前腔的控制。
前腔越大，效率越低，高频衰减的越厉害，主观听声音发闷不清晰，还原效果不好，从系统设计的立场出发，比如对不产生声音的电信号的低频信号作适当的切除,将会减小扬声器单元的低频端的振幅,前腔的减小才不至于使振膜碰撞前面板.在这点联想S9产品设计考虑的比较好。
6，扬声器系统的设计。
这个问题在电声设计上讲,已是相当成熟而且较几十年前有了科学的指导及系统性的进步。电视机厂商所要做的是如何使用好那些成果，以上所述及的声音系统方面的设计是得到好的音质的基础,声学设计上的不当难于用电路设计来修正。
7，音频功率放大器的配置。
最首要的功率放大器和扬声器的匹配，即阻抗匹配及功率匹配。我们在选择功放IC的时候，通常看功放IC芯片支持多少欧的负载，通过所支持的负载选择与之匹配额定阻抗的扬声器。至于放大器的输出功率，其正弦信号的峰值不会削波，峰值电压至少应是测试噪声信号电压的两倍。这个输出阻抗的要求通常是易于满足的，然而功率匹配事实上变得复杂起来。
在上世纪六,七十年代的时候,这是个简单的问题.那时扬声器的标定的是正弦功率,放大器标定的也是正弦功率.大家公认的而且教科书上所述及的设计原则就是这两个数值要相等。扬声器的国标一次次修订, 新国标<GB/T 12060.5-2011>关于扬声器功率,保留了额定正弦功率的定义,而且明确无含糊地定义了短期最大功率,长期最大功率和额定噪声功率.电路或系统设计师的面临的问题是扬声器现在有了这四个功率值,放大器IC的功率应是多少? 一般,声频功率放大器IC的功率定义为不失真功率,比如1kHz处的谐波失真系数小于1%的功率.
实际上这一问题已不能简单地按相等原则处理了,需要的是系统设计师对电路,声学,电声器件有关情况的全面的掌握,需经过实验及测试，然后做出正确的选择.为阻止热损坏,避免信号在放大器输出处削波以及保证扬声器只接受它额定通带内的频率成分就至关重要了,扬声器机械损坏的原因往往与超量的振幅值有关，扬声器在较低的频率上表现出较大的振幅（向前和向后的运动），因此频率很低和电平较高的信号有可能使音圈逸出磁隙，其结果就是可能的扬声器的机械损坏，馈给扬声器的功率不能超过其许可值，采用高通滤波器和低通滤波器来限制输至扬声器的信号是系统设计里的一种聪明的设计.特别是去掉不会对声音有所贡献的低频电信号是非常必要的,低切频率及滚降斜率的选择成为关键,采用DSP芯片时,这些功能的实施很方便. 总的来说,电路设计的要义是放大声频电信号,避免在语言和音乐信号的峰值时产生削波。放大器IC的功率选大些是有利的,但是放大器IC的功率过大会使成本有不必要的增加,如果电路的各级增益设置不当的话,音质效果不一定得到改进,还可能在可靠性试验中增加扬声器的损坏几率.那么,系统设计师还必须把电路的增益设置好,而且在必要时需要对语言和音乐信号作必要的动态控制.这样使得整个声频系统既有好的音质又有高的可靠性.按扬声器额定正弦功率来选用IC可以是一种选择。
8，音频电路中增益的设置
由于电路中不可避免地要设置前级放大器电路，需要在增益的设置上作到正确。音频电路中的增益的设置在创建一个好的系统上是极端重要的,如果增益设计不合适的话,就将产生一个糟糕的系统。系统的成本相对于合适的设定来讲,是第二位，成本高而设定不正确的特性要差于一个正确设定的廉价的系统.虽然当前平板电视机里已采用带DSP功能的功放IC模块,也可能有相当详细的使用指导，然而验证增益设定是不是正确,还是需要作最重要的调试。
9，信号处理及DSP芯片的应用
如低切、高切、频率均衡、动态压缩、压缩点控制、虚拟低音、环绕声功能等均可通过DSP芯片上的软件写入而得到。由于DSP芯片价格已低到可在电路上采用的程度，这些过去在专业声频设备上才能采用的已在消费性电子产品上广泛采用，在芯片供应商的技术支持的基础上，电路工程师还是要做足必要的调试。技术的发展总是在不断前进,例如,一种较新而且前景好的功能,叫做智能音量控制,它容许使用者选定声音的声压级,而不会因频道不同而使平均声级起伏过大.这个功能还可由算法提供”半夜模式”的设定来有效地减小低音的频率成分.DSP的作用不可忽视,然而它的优点的发挥确实需要有好的声学设计及基本电路设计为基础,声学系统上的缺点,比如,扬声器位置的不恰当等所带来的声辐射的问题以及扬声器单元本身的中频谷点就不是DSP技术能纠正的了.
10，系统工程方法
电路设计及声学设计乃至结构设计等,需要互相结合,最终是为了达到一个设计目标,而不仅仅是本阶段设计目标.本节关于电路技术中低频电信号的切除是系统工程方法运用的一个成功事例。
结语：
就本文所涉及的技术关键,本人曾参加过或从有关报告了解测试结果,本文没有列出有关的测试数据,本人认为那些资料有可能是属于有关公司的机密不适合单方面发表，本文的撰写是严肃和认真的。
另一方面,笔者深感平板电视机的声音系统的设计存在着一些问题,需要探讨.目前还不存在一个完整的设计软件包，可以把相关的结构，声学及电路的设计一体化地找到解决方案，然而在设计的各个阶段，一些设计软件已经由一些工程师所运用.也许本文会给有关电视机制造商方面带来启示?也许会促进他们作更加全面及细致的研究?
期望大家的指正和评论。
|
网站导航
发表于 2014-7-8 23:25
收藏
淘帖
顶一个
踩
提升卡
置顶卡
变色卡
千斤顶
znds.com 