谈谈数字分频 [复制链接]

我们目前所见到的数字式音箱一共有三种：一种是互补式数字音箱；一种是数字分频式音箱；还有正在研究开发中的功率解码式数字音箱（或者称之为真数字式音箱）。

最先在国内登台露面的，是德国金榜的数字一号音箱。这是一种典型的数字互补式音箱，是建立在房间的室内声学特点和音箱系统的互补式频率基础上的音箱系统。它的核心部分，是一台专用的数字音箱处理器。

早在八十年代初期，日本SONY公司就推出了采用测试话筒对室内声学特性进行检测，然后用模拟式的普通多段均衡器对室内不平直的频率响应进行补偿的组合式音箱系统。例如某一个听音室，在150Hz左右的低频附近有谐振和共鸣，而在10k左右的频率上有较大的衰减。那么就可以通过音箱本身配置的多段均衡器对150Hz进行衰减而对10k以上的频率适当的提升。这时音箱系统自身的输出频响曲线虽然变形了，但与房间的特性互补之后，将会得到一条比较平直的声音曲线和一个不错的听音效果。

以上的做法，在专业录音领域中早就实施了。标准录音棚里，都配有专用的31段多点均衡器，以便对监听室的重播效果进行细致的校正。但是，对音箱系统的校正，并没有因此而得到彻底的改善。而对完好重播声音影响最大的，是采用模拟均衡器进行频响补偿时，由于电感、电容元件自身特性而引起的新的相位失真。

针对以上的问题，音响科研人员开始研制一种更加优秀的频率均衡系统，这就是采用数字处理的方式进行频率均衡校正。采用数字处理具有以下的两个优点：一是在处理的过程中，可以保持相当高的信噪比和动态范围；二是在处理过程中，不会引入新的相位失真。

德国金榜公司数字一号音箱的数字处理器的基本工作原理，是由标准的粉红噪声发生器向音响系统送入宽带、均匀的粉红噪声，然后使用与电脑相连接的专用测试话筒对受到室内声学条件的影响而劣化了的频响曲线进行采样，并储存在电脑里，在由电脑对不平直的地方进行检测和运算，将相应的补偿数据输入给数字处理器进行处理。通过处理器处理后的音频信号，可以有效的补偿室内声学的缺陷。

从理论上讲，互补式数字音箱系统，可以在不同的听音环绕中，得到一致的声音重放。所以，准确的定义，互补式数字音箱系统应该称为电脑实时检测的数字化频率校正音响系统。

当然，这种音响系统的前提，是要有一个自身技术指标优秀的音箱系统。金榜公司发表的数字一号的-3dB频响范围是18Hz到30kHz。

数字音箱的另一个类型，就是数字分频式音箱系统。德国维沙通公司的数字音箱，就是一个采用数字式4分频的音箱系统。具有不均匀度小于1dB的极为接近理想的平直的频响曲线。

数字分频式音箱的基本工作原理，是建立在模拟式电子分频的基础理论上的。

传统的音箱分频器，绝大多数是建立在电感、电容分频的基础上的无源功率分频器。由于电感电容自身的相位特性和在大功率下工作由分频器所造成的相位失真、电磁机械振动失真和信号失真相对都比较大。所以采用被动式的无源功率分频器，在技术上还是存在着比较大的缺陷。但由于它的成本低、可靠性高，仍被最广泛的应用着。只要在元器件、功率余量等方面下一些功夫，仍然可以达到足够的实用性。

早在几十年前，国外的一些音响研究室就推出了模拟式的电子分频音响系统，具有如下的优点：由于只采用电容和电阻构成的分频网络，可以有效的降低相位失真；由于使用独立的音频功率放大器去驱动相应的扬声器单元，可以有效的提高阻尼系数和驱动能力，降低失真；分频器的调整十分方便。

在模拟电子分频电路方面，还有另外一种形式，这就是采用减法器的方式来分频，可以解决分频点的衔接问题，用以降低对分频器制作时的技术要求。

模拟式电子分频的主要缺点，是受分频电路自身的信噪比、转换速率及动态范围的制约，在分频的过程中，主要会引起信噪比的劣化。采用数字式电子分频的方法，就可以有效地解决这个问题。

德国维沙通公司的数字式四分频音箱，采用双20Bit的AD转换器进行AD转换。转换后的数字信号由24Bit的数字处理器系统进行分频、高、中、低路独立的相位校正和频率均衡后，进入48Bit的独立的数字限幅电路。值得一提的是维沙通的数字分频器，为了保证高、中、低和超低音的处理精度，其采样速率依次为2×171倍、2×31倍和2×15倍。在分频、处理的过程中，还对50μs、15μs进行预加重处理。处理过的高、中、低、超低音信号，经过独立的电平控制和48Bit的噪声电路整形之后，分别传送给4个独立的20Bit

DA转换器；再把相对应的模拟音频信号，分别送到2台150W和2台200W的功放，驱动1只1英寸的绢膜高音、1只8英寸的低音和2只10英寸的超低音单元。

维沙通在扬声器单元的制造方面，走过了漫长的历程。从扬声器单元的理论设计到材料的选择、制造，从单元的加工方式到品质管理，逐一进行了认真的研究与总结，并逐步形成了自己的设计风格和维沙通自己的电脑设计程序。通过这套针对维沙通扬声器单元的电脑设计软件，可以在电脑显示器上。清楚地表示出所需要的设计参数、相位关系等一系列的数据。使音箱设计的科学化、高速化成为可行之路。

维沙通的电脑设计程序的基础，是针对维沙通公司自己设计制作的全系列扬声器单元的。对于每一款维沙通的扬声器单元，都进行过严格的电脑检测并录入详细的数据，其中包括每只扬声器单元的频响、f0和Q值等等。并分成非常精细的多点，进行相位检测。而且对每一款扬声器单元都进行严格的功率检测和老化实验。

通过多年的研究和积累，对上百种场声器单元积累了详细数据。建立在这种基础之上，通过电脑，选择音箱的有效内容积，分频器的衰减斜率、音箱的结构形式以及扬声器单元的阻抗等参数，就可以在电脑屏幕上直观地显示出该音箱在完成后的基本参数、Q值等等数据。电脑屏幕还可以清楚地显示各个单元的频带衔接，在分频点附近的相位特性等参数。

当改变了分频点、相位参数等可变的设计参数时，电脑立即显示出新的频响曲线、Q值等内容。

维沙通在进行数字式音箱的外形设计时，下了很大的功夫。不仅是为了外观上的标新立异，而是为了重播音乐时，在不同的频率中，有一个比较接近的水平辐射角。

不同结构形式、工作在不同频段的扬声器单元，它们的水平辐射角度是各不相同的。当场声器单元装到音箱上之后，它们的水平辐射角还会发生比较大的变化。

为了通过音箱箱体的结构变化，来进一步统一音箱在不同频率时，具有比较接近的水平辐射角，维沙通数字4分频音箱的箱体设计成多边形。音箱的顶部是一个前小、后大的梯形。音箱从整体上来看，仍是柱型落地式倒相式音箱。音箱的倒相孔为长方形，设置在音箱的最下方。音箱从上到下，依次是10英寸超低音单元、高音单元，中音单元、8英寸低音单元和另外一只10英寸超低音单元。

在以中音单元为中心的位置上，音箱的面板变得又瘦又窄，几乎和中音单元一样宽。然后从高音单元的下沿和低音单元的上沿，开始以一条斜线向10英寸超低音展宽。在进行电脑模拟辐射曲线上，可以清楚地看到采用这种多边形结构之后，大幅度地改善了不同频段的辐射特性。

为什么要用计算机辅助设计，把数字音箱的外形结构设计得如此复杂呢？用通俗点的话说，一个各个频率点都具有比较平均的水平辐射角的音箱，在音箱的正面和离音箱比较远的侧面听音乐时，它的音色几乎没有变化。

例如一个普通的柱形音箱，假设它的中音辐射角度比较小而高音、低音的辐射角度比较宽，那你在音箱的正前方听音时，频响和音色是均衡的，而在侧前方听音乐时，由于中音的辐射角小，而产生中音区能量不足，中音发空的感觉。反之，如果这只柱形音箱的中音水平辐射角比高音、低音的宽，那么便在音箱的侧前方听音乐时，就会感到中音区过于突出、声音发干。

不同辐射角的扬声器单元组合在一起，还会造成在音箱的侧前方听音乐时的不同频段的相位干扰，直接影响在音箱侧前方的频响曲线的平直度。采用专门形状的多边形设计，可以在各个不同的角度，听到音色统一的音乐。

维沙通数字式电子4分频音箱，由于采用电子分频、独立的功放驱动相应的扬声器单元的工作原理，所以功放对相应的扬声器单元具有良好地控制和驱动能力。

通过高质量的箱体设计加工、高品质的扬声器单元与功放相结合，在重播时，可以达到一个前所未有的新高度、新水平。传统的模拟式音箱，要想重播方波，是无能为力的。而数字式分频音箱，将以前的梦想变成了现实。

这一点主要得益于Q值合理的扬声器单元、设计合理的音箱箱体和数字式电子分频器的近乎于垂直的衰减斜率和高转换速率，高阻尼系数的功放的高度结合。德国维沙通的数字分频式音箱，还在各个分频频段设计了独立的数字延时器，以便进行各个频段的精密的相位校正，见附图。

维沙通数字式4分频音箱，带给聆听者一种耳目一新的感觉。

对它的评价的整体印象是真实、准确，像是一杯清澈透明的纯水。为专业录音监听器材，提供了新的选择。

采用数字分频式的音箱，目前世界上还有如下的厂家推出了各自不同的产品：飞利浦公司推出了数字式2分频的音箱系统。它的音箱采用面板为弧形的2分频的倒相式结构：T+A公司推出了数字式3分频的音箱系统。音箱采用侧板为圆弧形的、上下各有一个长方形倒相孔的柱形落地式音箱；瑞士思德利公司推出了数字式3分频音箱系统。音箱采用6单元瘦长形柱式结构。还有梅迪安、奥德耐特等品牌，也推出了自己的数字式电子分频式音箱。

以上所谈及的数字音箱系统，还属于准数字音箱系统。因为驱动音箱的信号，仍然是模拟信号。早在几年前，国外的一些音响科研部门，就开始进行真数字式音箱的研究开发。真数字式音箱，采用数字式功放，输出大功率的电数字信号，由具有大功率解码能力的音箱直接进行数模DA转换。由于目前受加工工艺的制约，真数字式音箱虽在几年前就有样箱研制成功，但时至今日，仍然达不到一个实用性较高的比特数。

世界各国，各音响科研单位对数字式音箱的研究，都是重视而深入的。在数字式音箱的制作领域中，一定能够迎来一个更加优秀、更加完善而又更加廉价，便于普及的数字音箱新时代。