杂谈音箱系统的功率分频、电子分频、DSP分频还有监听音箱

kingcole

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       近几年也设计过一些音箱，总的经验是能用功率分频解决的问题就尽量用功率分频，如果非要用电子分频的话，能用模拟电子分频解决的问题就不要轻易动用DSP数字分频。
       要阐明这个观点得先从音箱的使用环境和要求说起，如果只是家用欣赏用的音箱，一般要求的声压级都不会太高，那么在HIFI单元中较容易挑选出高品质的单元组合来设计音箱，而箱体的体型不受限制的话，在箱体的形式、内部结构、面板的形状、单元布置的位置等方面都可以进行有目标性的优化设计，在这个前提下，使用传统的功率分频通过简单和合理的设计，基本都能将音箱的频响、相位控制在较理想的范围内，从而最终获得高品质的声音。
       在这个功率分频中要说缺点的话，分频器确实会损耗一点功放的功率（但不多，可以从单元自身的阻抗与整箱做好后的阻抗对比），特别是对于多路分频音箱的低音部分（分得很低时），由于分频器件有一定内阻从而降低其阻尼，降低了一点低频控制力，这时在低频上使用模拟电子分频，分频后的功放直接推低音单元就能很好的解决问题。 而这样的电子分频有时甚至可以降低成本，本来功率分频需要一个200W 20-20khz都很完美的大功率功放的话，那么电分后则需要是一个150W数字功放和一个50W中高频素质好的小功放，有时前者的造价往往高于后者。
       这里为什么要提一个使用声压级的前提，因为这是与单元的口径、物料特性以及技术工艺等有关的，这些因素限制了一个单元在其最佳性能（最低失真）的有效使用频段内，最高输出声压不可能无限高，但对于一般家用100db内使用的话，还是可以较容易找到相应可使用的单元的，带着这个目标去挑选的单元组合，只需要使用低阶数（一般不用超过4阶）的分频方式就能让它们各自工作在最佳性能的频段内（PS：分频的阶数并不是越高越好的，有时只会带来更大的时域失真等其他负面问题）。而优秀的箱体设计，可以事先控制好低频的滚降、降低箱内驻波等；通过面板形状和单元排列的优化设计，可减少衍射，让频响更平滑，同时单元间的声学相位差也有效的降低，这样在分频设计时就无需对频响和相位进行大幅的修正了，个人认为这样出来的声音才是最真实自然的。在这种情况下是根本无需动用到DSP数字分频的，而DSP数字分频中肯定含有DAC这个环节，DAC后面是LPF模拟电路，上面说的模拟电子分频其本质就是一这个LPF电路，直接利用这个电路做好分频就行了，完全可省略前面的AD、升频、DSP、DA、锁相环等等一大堆环节。
       在接触一些发烧朋友时发现，很多原本玩耳机系统的，周边设备又尽是些专业设备相关的器材的发烧友，当转向玩或接触音箱系统时，目光都会不约而同指向有源音箱系统，而且很多是倾向选择小型化的有源音箱（因为原本玩耳机系统就是因为空间小），要数高素质有源音箱的可选范围最多的当然是有源监听音箱了，DSP分频的箱子最早也是在有源监听音箱流行起来的。由于音箱的小型化，导致先天设计就有缺陷（主要是低频），这时DSP分频就是一个最方便凑效的补偿方式了，来修复“缺陷，当然DSP的功能还远不止这个，调平频响曲线、对齐相位都是小菜一碟，能想到的功能还有根据房间的声学环境进行修正、根据不同音量级来调节等响度曲线、甚至可以加入面部识别功能，实时检测使用者的头部位置来实时调节左右音箱的声场等等。
       在这个DSP分频措施下，很轻易的将一个体型小小箱体，低频做得超乎其体积所能想象的强劲！而其他频段则也可以轻易的调整频响，以使其声音听上去细节超多，穿透力特强的听感。但这种调节方式有时很容易陷入简单粗暴的嫌疑，譬如有个小型有源箱子，由于体型过小而无法进行过多的箱体优化，衍射的影响导致某个频段有宽大的深坑，用DSP是轻易抬高补平了，但如果这个频段恰好是该单元失真较大的位置，这样粗暴的抬高只会大大的加重失真，这样的声音平衡还有意义吗？而用DSP加强补平低频的做法，在另一贴的回复也用具体数据来阐述过了，这里就不要重复了。
无论采用何种形式的分频，单元本身固有的失真是无法消除，只有用分频来舍弃失真大的频段不用，保留利用的频段该有的失真还是在那的。假设有一个设计底子好的音箱系统，要配合DSP来做分频，虽然DSP是降格只做些简单低通、高通、带通滤波即可，但最终的声音好不好？那么就要引申到DSP分频的AD、DSP算法、DA等层面了，这些环节的设计水平也是直接影响最终的声音的。
      所以综合上面这些应用层面的阐述，如果有条件的话就选取好的设计底子配合简单的分频方式来获得好声音；如果条件限制必须选用小体型的，声学上妥协了，就只能通过各种修补方式来获得“正常”的声音了。正如一杯纯净的清水，只需加热煮开就可以喝了；但如果一开始就放了盐，再放糖将其调淡，还能调出原来清水的味道吗？所谓的有条件，首当其冲的是空间环境了，所以不少老烧都说烧到最后是烧房间，有了好的环境空间其他环节的选择上就更灵活也更有保证了。
       最后谈谈监听音箱用在HIFI上的看法。监听音箱类型有很多种，在使用上与HIFI音箱类似的是混音监听用的箱子。针对监听本身的工况，在设计时首先要满足的是平衡度，然后是最大声压级，最后才考虑失真这些。平衡度这个不用多说，HIFI箱也同样有这个要求；最大声压级是监听音箱很注重的一个指标，因为某些场合是需要用到100db甚至是110db以上的声压来监听的，在如此大的声压级下工作必然会考虑到产品安全性的问题，所以有一些大口径监听音箱，低频下限也不会做得太低，因为频率太低，上百db的声压级也是跟不上，低音单元会不安全（但HIFI音箱由于无需在这么大的声压级下使用，低频下潜稍做深一点点输出还是能满足要求）。而更大的问题是中、高音单元同样出于安全考虑以致分频点通常设置得比较高，假设一个高音单元在1.5-2.5khz的失真要比中音单元在同样频段的失真都要低，但高音的承受功率限制了在1.5khz最高只能输出声压级是100db，而2.5khz可以输出110db，基于这个考虑厂家会义无反顾的将分频点设置在2.5khz，为了安全宁可舍弃低失真，因为失真大一点是不至于影响声音的平衡度的，但对声音的整体听感就大不一样了！如果拿同样的单元做HIFI音箱，不超出100db的使用范围，完全可以将分频点设置在1.5khz，以获得失真更低更细腻的声音。所以按照各自标准做出来的监听箱和HIFI箱，如果都在一般家用的音量下使用， HIFI箱的失真更低，声音的表现要好些；如果是超大音量下使用，HIFI箱已超出承受范围了，失真加剧甚至不安全，这时肯定是监听音箱表现得从容稳定了。所以在选择前要根据你的听音需求来决定。

南方小孩

‘敢’对barefoot‘出口不逊’，等着被扁吧

greg1973

如果死活要用1只喇叭，8寸的全频喇叭有没有办法抵御低音rolloff？

desica

楼主是真正高手，在下佩服。

nadesicozhao

关于分频点选取的例子，兄提到的问题固然是一方面
但是1.5KHz相比2.5K甚至常见有源箱子的3KHz中高分频点，更接近人耳敏感的中频区域。在分频点附近的一些无法避免的时域失真以及其他相关问题相比那相差零点几的失真度来说，在这个频段上更容易影响人的听感，反而觉得更不自然。

系统设计讲究客观指标固然不错，但是很多东西都是跷跷板，无法做到顾全两头的时候，需要考虑更多的是人耳自己的听觉特性，这才是讨巧

kingcole

nadesicozhao 发表于 2015-12-22 22:53
关于分频点选取的例子，兄提到的问题固然是一方面
但是1.5KHz相比2.5K甚至常见有源箱子的3KHz中高分频点， ...

失真有时候的确是相差了那么零点几，0.2与1只相差了0.8，但却是相差了好几倍的失真，就看你怎么看待这个零点几了。分频分得高了，还要考虑中音单元的离轴响应和瞬态响应的问题，高音单元拥有更轻的振膜，3k频响处的瞬态肯定是高音比中音好，导致两者的群延时加大，时域失真也加；而根据边界效应，高音拥有更小的振动半径，离轴响应也肯定是高音好的。事实上人声的基频，甚至有很多乐器的基频都大多集中在2khz以下，只要高音单元的性能允许，分到2k以下完全可以让中音单元来涵盖这个频段。至于是否分到3k声音就更自然呢？我是专门做了对分频点可调范围很宽的箱子，分别将分频点设置成一高一低，并请了几位朋友上来盲听对比验证过的，实践证明也是高音能分低的就分低点的声音表现好！明年再搞个线下活动时也将这个实验给大家盲听对比一下

mc鲁迅

dsp那段大概意思是物理限制的小音箱打了dsp春药 也只能一方面雄起（频响）一方面阳痿（失真）
那么dsp加大箱体呢？

kingcole

mc鲁迅 发表于 2015-12-22 23:52
dsp那段大概意思是物理限制的小音箱打了dsp春药 也只能一方面雄起（频响）一方面阳痿（失真）
那么dsp加大 ...

dsp加大箱子  这个一楼文中也有提到了，基本与dsp分频的应用层面无关，而与dsp分频器自身的素质有关了

nadesicozhao

kingcole 发表于 2015-12-22 23:35
失真有时候的确是相差了那么零点几，0.2与1只相差了0.8，但却是相差了好几倍的失真，就看你怎么看待这个 ...

高音单元振膜尺寸大些才容易把分频点做低
有些知名厂家的产品不知道设计师是如何考虑的
比如真力8040和8050的分频点差别很大，按照你说的高频分频点做低更好，其实8040应该用50上的1"高音头，分频点也拉到1.8K才好
实际听感上则8040比8050的中频和中高频更加饱满和鲜活

ultra2013

"而DSP数字分频中肯定含有DAC这个环节，DAC后面是LPF模拟电路，上面说的模拟电子分频其本质就是一这个LPF电路，直接利用这个电路做好分频就行了"
没深入想想为什么用了LPF，还要用DAC做电分吗？现实中，模拟滤波器性能有限滤不干净。就好比大多HIFI制品都用线电，开关电源要滤到和线电一般谈何容易。DAC后的LPF的截止频率比音箱的分频高不少的，不是一个用途。

ultra2013

还有楼主提到的相位校正。不知道楼主是如何校正的。比如2分频箱子，分频点是1K8。如果给个1K8的正弦波。高，低单元由于材质不同，而且经过不同的LPF,HPF，出来的两个1K8波形基本不可能是对齐的。楼主说的利用箱体来减少。。。当然LPF和HPF可以用工具计算来实现相同的截止频率和不同的相位来达到对齐，但我觉得DIY还没有这个实验环境。

kingcole

nadesicozhao 发表于 2015-12-23 07:45
高音单元振膜尺寸大些才容易把分频点做低
有些知名厂家的产品不知道设计师是如何考虑的
比如真力8040和 ...

高音单元的振膜大小只是其中的一方面，折环、磁路、后腔等这些方面的设计也很重要，SEAS就有好几款优秀的1寸振膜高音就能轻易分到1.7khz的

分频点分低还是分高好这个要在相同的单元配置条件下才好对比，我文中也着重提到这点了

8040是6.5+3/4寸分在3k；8050是8+1寸分在1.8k，两者的单元配置不一样，两者的中低音口径不一样，这时中频的表现是单元的口径为主导了，一般是口径小一点的6.5寸的表现好些。而高音单元口径也不同，3/4寸分到3k可能是适合的，而如果1寸高音素质不够高的话分到1.8k可能已经是牵强了，这时出现3/4寸高音分3k的声音比1寸分1.8k好也是完全可能的。
事实上从厂家的这个单元配置与分频点设置看出，已经是两其双害取其轻的妥协做法了，8寸单元的1.5k以上的中频都很糟糕的，将1寸高音分到1.8k来迁就已经是妥协了。而很多3/4寸高音3k以下的频段的失真要比6.5寸单元在2-3k这段失真上升得大，所以3k以下也是妥协地利用6.5寸的中频了。如果是HIFI箱的做法，6.5寸完全可以搭配1寸的高音来使用了；而8寸完全可以做3分频了，或者搭配个1.5寸的大高音做两分频

kingcole

ultra2013 发表于 2015-12-23 09:14
"而DSP数字分频中肯定含有DAC这个环节，DAC后面是LPF模拟电路，上面说的模拟电子分频其本质就是一这个LPF电 ...

开关电源滤波、线电等这些已经是另一个范畴的内容了。功率分频的整套系统，其前端器材也有DAC解码这些设备，他们同样在处理你说的这个范畴的内容

这里说的模拟电子分频电路本身也是一个滤波器，DAC后的LPF也是一个滤波器，只是截止频率不同，具体到电路上也就是相关的电阻、电容器取值的不同而已，电路的结构形式是基本一样的，而无论是DAC还是模拟电分，这个电路的后面都是同样连接前级、功放这些的。所以从设计的大方向和物理成本来看是没本质区别的，只有用途的不同而已

kingcole

ultra2013 发表于 2015-12-23 09:19
还有楼主提到的相位校正。不知道楼主是如何校正的。比如2分频箱子，分频点是1K8。如果给个1K8的正弦波。高， ...

一般的DIYer当然没这个实验环境去做，我一楼说的都是厂家该去做的。而对于一般DIYer在业余条件下尽可能往这个方向去做，而作为消费者则作为选购的参考就行了
本文的内容仅是一家只见，如果有不同的看法还请坚持己见。