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本人多年來一直從事電聲系統(tǒng)設計工作，個人認為在一體化平板電視聲音系統(tǒng)的設計上遇到了困局，在這里與大家主要探討一下一體化平板電視的聲音系統(tǒng)設計。 電視機從CRT顯像管電視機發(fā)展到平板電視機的進程中，圖像特性有了大的改進，但是就聲音系統(tǒng)而言，隨著外形及結構的變化，聲特性的效果并不如人們所想象的那樣是越來越佳，而我們的工業(yè)設計正在讓消費者感到失望，消費者方面的話就更加不客氣，直接說平板電視機里面的揚聲器就是垃圾。有的多少知道細節(jié)的是說理解不了電視機的總設計師們，比如揚聲器在成本上是很小的成分,為什么不能增加些投入做些好一點的揚聲器呢?一些批評和評論在某種程度上是道理的，雖然垃圾說不夠公平，然而我們需要理解消費者的想法，一些消費者未必了解的是這個行業(yè)內的難處，更不可能理解近年來出現(xiàn)的未必是符合聲學原理的設計思路及追求。美國消費電子協(xié)會（CEA）統(tǒng)計大約1/4的平板電視機的用戶為了獲得好的或令自己滿意的聲音,將電視機中的聲頻電信號引至家庭影院,，聲巴(soundbar)，外接揚聲器或耳機，這次不深入討論這些外接的功能及效果，將焦點集中于一體化電視機的聲音系統(tǒng)的設計。 平板電視這十年來設計潮流就是機身要薄（薄是一切），那么就沒有空間來讓足夠大的揚聲器來提供夠質量的聲音，不管某些廠家怎么來引導，物理原理是逃避不了的，小揚聲器的聲音總歸是有缺陷的；另外一點就是揚聲器正面消失，設計特點就是使揚聲器置于電視機機殼的下方，揚聲器所輻射出的部分聲音（部分中頻及高頻聲波）不是直達到觀眾的耳朵，而是需要利用地板和墻壁的反射，以上兩點帶來的音效后果就是： 1， 揚聲器由于多次反射，效率低，沒有足夠的音量。 2， 由于空間容積的限制，低音表現(xiàn)不足。 3， 由于向下擺放，聲波向下輻射，中高頻指向性就會變得很差，高頻衰減的比較厲害。 4， 內置于后殼中，容易產生共鳴。 5， 聲音的還原度差。
還有一種更讓人更驚訝聲波側出式設計，其聲音需要從揚聲器單元和安裝在單元上金屬薄板之間的狹縫里輻射出來，在整機上就是從電視機機殼面板上的一條狹縫里輻射出聲音，那樣的單元的設計也許是挑戰(zhàn)基本原理的又一個作品。在揚聲器單元前加上蓋板，相當于改變了直接輻射特性，那條狹縫不可避免地成為揚聲器單元前的一個聲負載，本人認為所測到的整機電聲性能聲壓級一定低，總諧波失真大，主觀聽感體驗聲音強度低，聲場定位不準，層次感及還原聲音的效果差。
機身越來越薄及揚聲器單元從面板上消失這兩點對于聲音系統(tǒng)來說是至關緊要，大多數(shù)消費者對于平板電視機的聲音的音質是相當在乎的，而平板電視機制造商那一方面而言,外形及視頻效果在第一位,然后是結構設計跟隨外形設計，而聲音設計再跟隨結構設計，基本方案一旦確定，要滿足聲音設計的要求就非常困難了。而最大的問題就是音頻至今對于一些TV制造廠家而言仍然不加重視！電視機制造商方面應該嚴肅考慮，為什么一些平板電視機的聲音會那樣地激起人們的不滿.成本和利潤目標，以及最重要的市場預期的目標，就不討論了，讓我們記住這些其實是電視機廠家在作有關設計時的重要的約束條件。
而聯(lián)想此款S9智能電視speaker的容積空間還是比較大的，這樣揚聲器輻射面積就能設計的更大，提高了揚聲器輻射效率及能播放更低的頻率，ID通過流線設計整體感覺也并不是很厚，還是挺時尚的，看來前期設計的時候ID與聲學設計還是做了相應的溝通；另外聯(lián)想50S9比傳統(tǒng)平板電視多增加了一顆獨立高音單元，主要還是考慮到高頻由于指向性衰減的問題，通過獨立的高音單元進行彌補。聯(lián)想S9整體聽起來高低頻層次感及整體的解晰度還是挺不錯的，也突出了其立體聲效果，看來在聲學設計上和系統(tǒng)EQ調試還是下了些功夫。當然，如果speaker能朝前擺放聲音效果就更不一般了。
下面就探討一下聲學設計的要點： 1，揚聲器所置放的位置（揚聲器的輻射及指向性）：
揚聲器聲波向下輻射的設計,關鍵是忽視了輻射指向性的客觀存在，就一個揚聲器單元而言,聲波在頻率升高時,揚聲器的指向性是越來越尖銳，這是一個鐵定的原理.雖然低頻聲波有繞射特性,但是比如高過1kHz的聲波,其波長λ將小于34厘米，已經和電視機機箱的厚度處在同一數(shù)量級，其繞射特性將越來越差,(聲速c=λ f，f為聲波的頻率).
那樣的設計，所設想的也許是指望中頻聲波及高頻聲波先輻射到電視機所在房間的地板或后墻,然后再反射到觀眾的耳朵處.這樣一種設計能不能達到國標的聲技術指標的要求呢?這是個疑問,繞射過程中還可能出現(xiàn)聲濾波器效應，更不用談電視機安裝位置及房間特性所帶來的更多的不確定因素了.本來應先測量一下電視機的頻率響應曲線,作必要的設計預測。這種聲波下出式結構設計（電視機的面板上已不存在揚聲器的位置），外觀是特色了,聲音系統(tǒng)的設計卻尷尬了。本人的看法是,還是保證在面板上有揚聲器的位置才好,揚聲器系統(tǒng)可分兩部分,低音部分可以采用下出式,而中高音部分還是應在面板上有位置,達到直接輻射的效果才好.其實,揚聲器直徑為2cm那樣的單元,其中高音的直接輻射的效果將會優(yōu)于一般的下出式的設計，難道電視機面板上竟然連幾公分直徑的小單元也不能放置了嗎?
2，平板電視機設計的減薄趨勢
這個趨勢對所采用的揚聲器系統(tǒng)的設計而言，帶來的是效率的減低或低頻下限頻率的升高,揚聲器系統(tǒng)尊從霍夫曼鐵定原則. 其要點是講一個低音揚聲器系統(tǒng)的效率直接比例于箱容積和它的最低截止頻率(該系統(tǒng)所重放的最低頻率)的三次方的一個乘積，其系數(shù)和揚聲器系統(tǒng)的特點有關，所以減薄會對音質帶來挑戰(zhàn)，這一物理極限客觀存在。如果不想在揚聲器單元的成本上加大投入的話,那就只好在聲音的特性上做些犧牲.根據(jù)霍夫曼鐵定原則,如果要維持一定的電聲效率不變的話,其結果就是有多大的容積就一定對應著某個低頻下限頻率.在此條件下，帶通音箱由于公式中的系統(tǒng)系數(shù)會是開口箱的兩倍，在理論上在相同容積條件下,它們可獲得較好的低音效果。
3，揚聲器單元的高度
電視機商家對揚聲器廠商具有事實上的指揮權，在電視機減薄的總體要求下，揚聲器單元的高度一降再降，說這幾年已達到物理極限，是不算夸張的，再加上價格的惡性竟爭，TV揚聲器在生產上也越來越困難。其實，平面振動膜（或板）那樣的揚聲器單元的特性早已為有關廠家深入地研究過，也曾經有完整的設計方案。
4，穿孔面板的穿孔率
穿孔率太小，聲波反射會造成混亂，中高頻頻率響應曲線上會有很多不規(guī)則峰谷出現(xiàn)，主觀聽感上會感覺失真比較刺耳，不耐聽，經過一系列的測試及實驗，只要大于30%以上。
5，揚聲器單元前腔的控制。
前腔越大，效率越低，高頻衰減的越厲害，主觀聽聲音發(fā)悶不清晰，還原效果不好，從系統(tǒng)設計的立場出發(fā)，比如對不產生聲音的電信號的低頻信號作適當?shù)那谐?將會減小揚聲器單元的低頻端的振幅,前腔的減小才不至于使振膜碰撞前面板.在這點聯(lián)想S9產品設計考慮的比較好。
6，揚聲器系統(tǒng)的設計。
這個問題在電聲設計上講,已是相當成熟而且較幾十年前有了科學的指導及系統(tǒng)性的進步。電視機廠商所要做的是如何使用好那些成果，以上所述及的聲音系統(tǒng)方面的設計是得到好的音質的基礎,聲學設計上的不當難于用電路設計來修正。
7，音頻功率放大器的配置。
最首要的功率放大器和揚聲器的匹配，即阻抗匹配及功率匹配。我們在選擇功放IC的時候，通常看功放IC芯片支持多少歐的負載，通過所支持的負載選擇與之匹配額定阻抗的揚聲器。至于放大器的輸出功率，其正弦信號的峰值不會削波，峰值電壓至少應是測試噪聲信號電壓的兩倍。這個輸出阻抗的要求通常是易于滿足的，然而功率匹配事實上變得復雜起來。
在上世紀六,七十年代的時候,這是個簡單的問題.那時揚聲器的標定的是正弦功率,放大器標定的也是正弦功率.大家公認的而且教科書上所述及的設計原則就是這兩個數(shù)值要相等。揚聲器的國標一次次修訂, 新國標<GB/T 12060.5-2011>關于揚聲器功率,保留了額定正弦功率的定義,而且明確無含糊地定義了短期最大功率,長期最大功率和額定噪聲功率.電路或系統(tǒng)設計師的面臨的問題是揚聲器現(xiàn)在有了這四個功率值,放大器IC的功率應是多少? 一般,聲頻功率放大器IC的功率定義為不失真功率,比如1kHz處的諧波失真系數(shù)小于1%的功率.
實際上這一問題已不能簡單地按相等原則處理了,需要的是系統(tǒng)設計師對電路,聲學,電聲器件有關情況的全面的掌握,需經過實驗及測試，然后做出正確的選擇.為阻止熱損壞,避免信號在放大器輸出處削波以及保證揚聲器只接受它額定通帶內的頻率成分就至關重要了,揚聲器機械損壞的原因往往與超量的振幅值有關，揚聲器在較低的頻率上表現(xiàn)出較大的振幅（向前和向后的運動），因此頻率很低和電平較高的信號有可能使音圈逸出磁隙，其結果就是可能的揚聲器的機械損壞，饋給揚聲器的功率不能超過其許可值，采用高通濾波器和低通濾波器來限制輸至揚聲器的信號是系統(tǒng)設計里的一種聰明的設計.特別是去掉不會對聲音有所貢獻的低頻電信號是非常必要的,低切頻率及滾降斜率的選擇成為關鍵,采用DSP芯片時,這些功能的實施很方便. 總的來說,電路設計的要義是放大聲頻電信號,避免在語言和音樂信號的峰值時產生削波。放大器IC的功率選大些是有利的,但是放大器IC的功率過大會使成本有不必要的增加,如果電路的各級增益設置不當?shù)脑?音質效果不一定得到改進,還可能在可靠性試驗中增加揚聲器的損壞幾率.那么,系統(tǒng)設計師還必須把電路的增益設置好,而且在必要時需要對語言和音樂信號作必要的動態(tài)控制.這樣使得整個聲頻系統(tǒng)既有好的音質又有高的可靠性.按揚聲器額定正弦功率來選用IC可以是一種選擇。
8，音頻電路中增益的設置
由于電路中不可避免地要設置前級放大器電路，需要在增益的設置上作到正確。音頻電路中的增益的設置在創(chuàng)建一個好的系統(tǒng)上是極端重要的,如果增益設計不合適的話,就將產生一個糟糕的系統(tǒng)。系統(tǒng)的成本相對于合適的設定來講,是第二位，成本高而設定不正確的特性要差于一個正確設定的廉價的系統(tǒng).雖然當前平板電視機里已采用帶DSP功能的功放IC模塊,也可能有相當詳細的使用指導，然而驗證增益設定是不是正確,還是需要作最重要的調試。
9，信號處理及DSP芯片的應用
如低切、高切、頻率均衡、動態(tài)壓縮、壓縮點控制、虛擬低音、環(huán)繞聲功能等均可通過DSP芯片上的軟件寫入而得到。由于DSP芯片價格已低到可在電路上采用的程度，這些過去在專業(yè)聲頻設備上才能采用的已在消費性電子產品上廣泛采用，在芯片供應商的技術支持的基礎上，電路工程師還是要做足必要的調試。技術的發(fā)展總是在不斷前進,例如,一種較新而且前景好的功能,叫做智能音量控制,它容許使用者選定聲音的聲壓級,而不會因頻道不同而使平均聲級起伏過大.這個功能還可由算法提供”半夜模式”的設定來有效地減小低音的頻率成分.DSP的作用不可忽視,然而它的優(yōu)點的發(fā)揮確實需要有好的聲學設計及基本電路設計為基礎,聲學系統(tǒng)上的缺點,比如,揚聲器位置的不恰當?shù)人鶐淼穆曒椛涞膯栴}以及揚聲器單元本身的中頻谷點就不是DSP技術能糾正的了.
10，系統(tǒng)工程方法
電路設計及聲學設計乃至結構設計等,需要互相結合,最終是為了達到一個設計目標,而不僅僅是本階段設計目標.本節(jié)關于電路技術中低頻電信號的切除是系統(tǒng)工程方法運用的一個成功事例。
結語：
就本文所涉及的技術關鍵,本人曾參加過或從有關報告了解測試結果,本文沒有列出有關的測試數(shù)據(jù),本人認為那些資料有可能是屬于有關公司的機密不適合單方面發(fā)表，本文的撰寫是嚴肅和認真的。
另一方面,筆者深感平板電視機的聲音系統(tǒng)的設計存在著一些問題,需要探討.目前還不存在一個完整的設計軟件包，可以把相關的結構，聲學及電路的設計一體化地找到解決方案，然而在設計的各個階段，一些設計軟件已經由一些工程師所運用.也許本文會給有關電視機制造商方面帶來啟示?也許會促進他們作更加全面及細致的研究?
期望大家的指正和評論。
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發(fā)表于 2014-7-8 23:25
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